光学成像是一种通过光学成像系统，将观察对象转化为可目视观察图像的技术。它不仅在基础科学研究中占据重要地位，还在多个应用领域中发挥着关键作用。

原理分类

成像原理

光学成像依据其原理主要分为几何光学成像和物理光学成像两大类。几何光学成像基于光的直线传播性质，研究光在媒质中的传播路径及光学元件成像问题。物理光学成像则主要讨论光的物理性质，根据光的波动性解释光的干涉、衍射等现象。

几何光学成像

几何光学成像的理论基础包括光的直线传播定律、光的独立传播定律及光的反射和折射定律。透镜成像和近场扫描成像属于几何光学成像的范畴。

透镜成像

透镜是使用透明材料制成的具有两个折射表面，且至少有一个是曲面的光学成像元件。透镜成像是指在几何光学中，从“物”发出的光线经过透镜后发生偏折，在像方形成交点，即形成物的像。透镜按聚光性质可分为会聚透镜（凸透镜）和发散透镜（凹透镜）。

• 凸透镜成像：凸透镜中央较厚、边缘稍薄，可用作远视镜和老花镜。平行光线通过凸透镜后，光线在出射方向会聚、交于一倍焦距处，形成实像。
• 凹透镜成像：凹透镜中央较薄、边缘稍厚，可用作近视镜。平行光线通过凹透镜后，光线发散，发散光线的反向延长线相交于焦点，形成虚像。

扫描成像

扫描成像是指通过一定的取样孔径，按一定扫描方式获得和记录图像信息，再以同样的扫描方式重现图像。扫描成像在图像传输和处理、极端情况下的图像获取等方面有广泛应用。

物理光学成像

物理光学成像主要讨论光的物理性质，根据光的波动性解释光的干涉、衍射等现象。衍射成像和综合孔径成像是物理光学成像的代表。

衍射成像

衍射成像是指光绕过障碍物的边缘传播形成具有明暗相间的衍射图样。惠更斯—菲涅耳原理可以很好地解释衍射成像现象。在实验室中，利用激光演示的衍射成像现象主要有狭缝衍射和圆孔衍射。

综合孔径成像

综合孔径成像通过用许多小孔径的物镜代替一个大孔径的物镜聚光，使大孔径范围的平行光聚在焦点处，目的是用小孔径系统达到大孔径的分辨率。实现综合孔径成像的前提是同相位，即各个小孔径物镜的光波同时间到达成像处。

发展历程

古典光学成像

古典光学成像基于几何光学，属直接成像。最早对古典光学成像的记载可追溯至春秋战国时代的《墨经》，其中记载了小孔成像实验和初步几何光学概念。17世纪后半叶，随着牛顿和惠更斯等对光的性质的新发现，古典光学成像理论趋于完善，并逐步诞生了显微镜、望远镜、照相机等各种光学仪器。

重要事件与人物

• 春秋战国时期：墨翟及弟子在《墨经》中记载了小孔成像实验和初步几何光学概念。
• 公元前300年：欧几里得编写了《光学》，研究了透视问题，罗列了光的几何性质。
• 9世纪：沈括在《梦溪笔谈》中对凸面镜、凹面镜的成像以及凹面镜焦点做了详细记录。
• 公元1015年：伊拉克物理学家海什木用实验证明光线进入眼睛能产生影像，发明了暗箱。
• 1608年：荷兰眼镜商汉斯·利泊希发明了世界上第一台望远镜。
• 1609年：伽利略利用数学计算，发明了世界上第一架能放大32倍的望远镜。
• 1625年：斯泰卢蒂利用放大镜观察蜜蜂身体各部分，并写入文章出版，这是世界上有关显微镜研究的第一部著作。
• 1662年：安东尼奥·内里出版《玻璃的艺术》一书，提供了制造高质量光学玻璃的方法。
• 1666年：牛顿利用三棱镜分解阳光，发现了太阳光谱。
• 1670年：牛顿推导出了透镜成像方程。
• 1690年：惠更斯在《论光》中讨论了光振动的传播方向，并创立了波动学说。
• 1860年：麦克斯韦研究指出光的传播是一种电磁现象，创立了光的电磁理论。
• 1886年：赫兹在实验中证明了光的电磁波本质。

衍射光学成像

20世纪60年代初，激光器的发明以及激光的发现，使光学成像正式进入衍射成像阶段。该阶段的主要成就有丹尼斯·加伯提出的全息成像术，利思、厄帕特尼克斯提出的离轴全息图等，提高了成像质量。

重要事件与人物

• 1947年：英国科学家丹尼斯·加伯为提高电子显微镜的分辨率提出全息成像术。
• 1960年：梅曼发明了第一台激光器。
• 1962年：利思和厄帕特尼克斯提出离轴全息图，全息术开始有了应用价值。
• 1874年：德国人阿贝从波动光学的观点提出阿贝成像理论。

近场光学成像

1928年，申奇提出近场显微镜的构想，开始了近场光学成像的研究。随后，D.W.Pohl等人的研究使近场光学成像得到进一步的发展和完善。

重要事件与人物

• 1928年：英国的申奇发表论文，提出了近场显微镜的构想。
• 1984年：IBM苏黎世研究实验室D.W.Pohl等制作出了扫描近场光学显微镜。
• 2022年：清华大学戴琼海院士带领的实验室团队提出一种集成化的元成像芯片架构。

应用领域

生命科学与医学

光学成像技术在生命科学和医学领域有着广泛应用。例如，光学探针成像被用于及时高效地检测动脉粥样硬化；光纤所构成的医用窥镜使光学诊断、激光外科手术和人体内部器官成像成为可能；眼科成像仪器能清晰观察眼睛病变情况。

国防

在国防领域，光学成像系统可以安装在巡航导弹中，将拍摄图像与预定目标图像对比，指导导弹巡航路线。此外，光学成像技术还在侦察、监视等方面发挥着重要作用。

信息工业

信息快速、大量地传播离不开光学成像技术的支持。在图像技术中，几何光学成像和衍射成像技术是支撑技术之一。可见图像的电子屏幕显示、红外图像到可见图像转换的显示、纸质显示等都用到了光学成像技术。

工业制造

光学成像技术在工业制造中具有非接触式遥感探测、响应速度快、空间分辨率高、可用于恶劣环境及检测效率高等特点。它被广泛应用于机器视觉和军事国防等方面。例如，在机器视觉中，光学成像计算、图像处理技术和图像识别算法被用于从产品的实物、产品的图像或其他和产品有关的场景中提取有关信息，用于产品设计、产品质量的检验等。

环保

在环保领域，遥感技术将人们带入了一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。光学成像技术能实现大气监测和卫星监测等功能，为环境保护提供了有力支持。

发展趋势

极大与极小方向

在空间上的极大和极小两个方向上的光学成像仪器不断发展。例如，可观察宇宙大范围的天文望远镜和观察更小对象的近场扫描显微镜。如中国天眼FAST和瑞典科研人员发明的纳米流体散射显微镜。

高速成像系统

可观察极快过程的高速成像系统也在不断发展。例如，中国脉冲相机的研发完成实现了超高速连续成像，能实时追踪识别超声速目标。

极长波与极短波方向

在波长的极长波和极短波两个方向上使用的光学成像仪器也在不断研制中。在长波方向上，主要研究长红外波和超远外波的光学仪器；在短波方向上，主要研制纳米级的极紫外光和软X光的波长成像光学仪器。

极高温与极低温条件

在温度的极高温和极低温条件下使用的光学成像仪器也在不断发展。例如，宽谱段高分辨率低温成像光谱仪制冷系统设计为国内在火星、金星、小行星等系统矿物的探测能力提升奠定了技术基础。

图像处理新技术

在图像处理新技术方面，研究图像复原的滤波技术、自适应技术、光折变技术等。计算成像以光学数码成像为基础发展，提高了信息计算分析的自由度，使得高维度视觉信息在尺度与分辨率上实现质的突破。

类似现象

光声成像

光声成像是指基于生物组织的光声效应完成三维成像。在光声效应过程中，物体吸收光照能量转换成热能，再进一步发生热弹性膨胀，从而产生并向外传播超声信号。光声成像多用于生物医疗领域，融合了光学成像和超声成像的特性。

光谱成像

光谱成像是指通过记录不同空间位置的光谱来捕捉物质的空间和光谱信息，感知物质的客观存在，了解物质的组分。光谱成像是利用光谱分析物体的波长、结构特征和化学特性等特征，需要光谱器件（色散元件或滤色片）协助完成。而光学成像主要基于几何光学的原理分析物体的颜色、亮度等物理特性，需要光学器件协助完成。