光電技術(shù)光電技術(shù)中的光學(xué)系統(tǒng)多媒體

光電技術(shù)中的光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)是光電檢測系統(tǒng)構(gòu)成中的一個(gè)重要局部，在主動(dòng)探測系統(tǒng)中，如何使光源發(fā)出的光能得到充分利用有效掩蓋探測目標(biāo)區(qū)域聚攏信號(hào)光能，盡可能地削減背景光和雜散光的干擾，對信號(hào)光能進(jìn)展合理的安排，接收與分析，都離不開光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?！?、常用的光學(xué)元器件一、透鏡及透鏡組以兩個(gè)折射曲面為邊界的透亮體稱為透鏡，通常以光學(xué)玻璃為原料，磨制成形后透鏡。透鏡由于兩個(gè)外表的折射，對光束具有會(huì)聚或發(fā)散系統(tǒng)中不行缺少的光學(xué)零件。在實(shí)踐中，單獨(dú)一片透鏡往往不能滿足校正象差的要求，常常把幾片透鏡依據(jù)某種要求組合成一個(gè)透鏡組。從成象和校正象差的角度動(dòng)身，確成象和使用要求，又到達(dá)指定的相對孔徑、視場等光學(xué)性能。通常不加特別說明而提到透鏡或透鏡組時(shí)，絕大多數(shù)場合是指球面透鏡及其組過兩球面的曲率中心的連線稱為透鏡的光軸與透鏡外表的交點(diǎn)稱為頂點(diǎn)。1、正透鏡與負(fù)透鏡FFFF〔a〕凸透鏡 〔b〕凹透鏡1透鏡的焦距正透鏡又稱凸透鏡，具有正的象面焦距，能對光束起會(huì)聚作用；負(fù)透鏡又稱凹透鏡，具有負(fù)的象方焦距，能對光束起發(fā)散作用。正透鏡通常有雙凸、平凸、月凸三種形式，其共同特征是中心位置比邊緣位置厚，負(fù)透鏡通常有雙凹、平凹和月凹三種形式，其共同特征是中心厚度比邊緣薄。2、柱面透鏡2柱透鏡是柱面〔母線相互平行〕的稱為柱面鏡，其作用相當(dāng)于一個(gè)光學(xué)平板，光焦度0，球面透鏡，具有最大的光焦度。所以，當(dāng)柱透鏡的截面所打算。3、透鏡組為了對色差、球差、慧差、象場彎曲、畸變使用各種不同焦距的透鏡組合在一起組成透鏡組。4、場鏡工作在物鏡象面四周的透鏡稱為場鏡，其主要作用是：①提高邊緣光束入射到探測器的能力；②在一樣的主光學(xué)系統(tǒng)中，附加場鏡可減小探測器的面積，使光能更加集中。如使用同樣的探測器，可擴(kuò)大視場，增參加射通量。③可讓出象面位置放置調(diào)制盤，以解決無處放置調(diào)制盤的問題。④使探測器光敏面上的光照均勻化，可充分利用探測器性能，削減噪聲影響。面〔消退象場彎曲現(xiàn)象。探測器D探測器D0d D1fofLLL3常用的接收光學(xué)系統(tǒng)為了到達(dá)以上的要求，在安排物鏡、視場光闌、場鏡、探測器的相對位置時(shí)，總是度。111L L f

和垂軸放DdD0

LL

LL，可得場鏡的焦距fL

應(yīng)滿足的f f dLLD d(fL0)d0D df0f

L0

f 是物鏡焦點(diǎn)到場鏡距離；D0、d分別是物鏡和探測器直徑；取D1dL時(shí)，可計(jì)算fLfLdL，并可確定場鏡口徑為：DD2(fL10f)tanDL0ff0fL這時(shí)f

0 Lf。0。DD1 r

2f

tan0ddDfff0 L0LdDdDDf1D(ff0 L10)L比為：在ff0 L

狀況下，DDd fL1fDD F1L00F0LFF＞L0F時(shí)，場鏡具有集光作用。0下面引入光學(xué)增益G的概念。它定義0為：有、無某光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，探測器接收到的光輻射通量之比?？梢姡?、無物鏡時(shí)的光G為：0G 00AA0d0 G 00AA0d0 0GGA10 1A0d有、無場鏡時(shí)間學(xué)增益的變化，用光學(xué)d增益倍數(shù)m表示，這時(shí)前式中的Ad

，就用1A1

代替。所以mmGG1 AAd11(D1)221(d)2D2d211F21020F21由于略小于物鏡與場鏡的1F數(shù)平方比。5、階梯透鏡〔菲涅耳透鏡〕4菲涅耳透鏡階梯透鏡是有階梯形不連續(xù)外表的透鏡。其“階梯”由一系列同心圓環(huán)狀帶區(qū)構(gòu)成，故又稱為環(huán)帶透鏡。假設(shè)一個(gè)透鏡焦距短而直徑大，透鏡就又厚又重，為了使它在保持F中可以依據(jù)需要相互調(diào)整，互不牽扯，有利于象差的校正。1820A、J菲涅耳首先在燈塔的導(dǎo)航燈系統(tǒng)中使用階梯透鏡，故文獻(xiàn)中又稱菲涅耳透鏡?，F(xiàn)在多用光學(xué)塑料制作〔壓塑但耐溫不高。常用于：電視放大鏡，投影儀上的聚光鏡，照相機(jī)取景用的場鏡，紅外保安系統(tǒng)的物鏡等。二、反射平面鏡與反射棱鏡反射鏡具有轉(zhuǎn)變光學(xué)系統(tǒng)光軸的作用和成象的作用，沒有色差的影響，成反象。1、平面反射鏡〔左〔右〕手系〔鏡象清楚度。2、球面反射鏡有凹面反射鏡〔類似于凸透鏡〕和凸面反射鏡〔類似于凹透鏡〕兩類，可以對物體成象，焦距為鏡面曲率半徑的一半，光軸轉(zhuǎn)180°。3、光錐FB 2uu E i iu0 1 u 21 2OnG圖5 光錐中的光線光的傳輸體，具有集光作用，常用的有空心與實(shí)心之分。如下圖，光錐頂角為2 ，光線進(jìn)入光錐前與光錐軸線夾角為u

，稱為入射角。0進(jìn)入光錐后光線與光軸夾角為u 光線第一1次與錐壁相遇時(shí)入射角

，反射后光線與光i1i軸夾角u 光線其次次與錐壁相遇反射時(shí)入2射角為i2

，反射后與錐軸夾角u3

……。由于sinu0

nsinu1

ΔBEF可見：(90 i1

)(90u1

)1801所以： i1

90u 1而 u2

90i1

u1

2經(jīng)其次次反射時(shí)，應(yīng)有：i 90u2

90u1

u 90i3

u1

………m 次反射時(shí)有：iim9u (m1umumu m1m

隨反射次數(shù)m 的增加而迅速減小，當(dāng)im

0時(shí)，光線不再向小端傳播，大端向小端傳播有一臨界角度存在相應(yīng)地有臨界入射角u0存在，它們與光錐頂角光錐材料折射率n 有關(guān)。2，光錐長度L，大端直徑R，小端直徑r，光電探測器放置在6所示：①視場光闌是光錐大端。作BF延長線，E，此即光錐的頂點(diǎn)；E為圓心，EFBBDD點(diǎn)。③延長BDω的邊緣光線，它與成象物鏡相交于A點(diǎn)，與光軸成角u c利用反射作圖法可證明入射角等于uc 的光線正好可以傳輸?shù)焦忮F小c端，入射角小于u 的光線均可以傳輸?shù)焦鈉錐小端。所以，從物理上說u 限制了系統(tǒng)c的視場角2 。DDωD0BucRaLrOF2EAlLf0a62DEDEaL(al)sinucRrRraLaRltaunc且所以，在光錐大、小端半徑及長度狀況cuc和入射孔D0。以上推導(dǎo)是在空心光錐的狀況下得出sinsincnsinuc4、光楔nn〔a〕 光楔7光楔及其應(yīng)用光楔是一個(gè)頂角

很小的光學(xué)劈尖，其偏向角(n1)(n1)l微小線量或角量。例如圖(n1)l5、反射棱鏡一般平面反射鏡均是在光學(xué)玻璃后外表鍍反射膜通過玻璃—反射膜的界面進(jìn)展反射。這時(shí)平板玻璃前外表也會(huì)產(chǎn)生反射象，并與抱負(fù)反射象成在同一方向〔前后相差兩倍的玻璃光學(xué)厚度nd 這易使成象不清楚一種方法是利用反射膜—空氣面進(jìn)展反射。由于膜層暴露在空氣中，外表簡潔氧化會(huì)影響其反射性能另外也很易受到機(jī)械損傷。由于反射鏡多為薄板，裝配時(shí)簡潔變形，影響成象質(zhì)量，所以在一些簡單的光學(xué)系統(tǒng)中，安裝和固定格外困難。因此，在很多光學(xué)儀器里都使用反射棱鏡。反射棱鏡在光學(xué)系統(tǒng)中主要起轉(zhuǎn)折光軸和轉(zhuǎn)象倒象8是常見的幾種反射棱鏡。90°反射棱鏡，出射光束與入射光束間夾角總是90；2轉(zhuǎn)角棱鏡可將光線2角度。如將夾角改為22.5°，則光軸轉(zhuǎn)折4?！瞐〕直角反射棱鏡 〔b〕2轉(zhuǎn)角棱鏡8常見的幾種反射棱鏡〔c〕后向反射棱鏡90°夾角。當(dāng)一束光垂直于入射面入射時(shí)，經(jīng)三個(gè)反射面反射后，將逆著入射光的方向射出。后向反射棱鏡的最大好處是，當(dāng)入射光偏離法線入射時(shí)，只要偏離角度不大，出射在光電測量中具有重要應(yīng)用。6、分束鏡分束鏡是將入射光輻射通量分割成反射和透射兩局部并保證兩者有適當(dāng)比例關(guān)可稱為分色鏡。分束鏡一般是在平板玻璃上鍍上一層析光膜〔使光局部透射，局部反射的膜層〕及象散〔因前后兩外表反射束棱鏡。9是彩色電視攝象機(jī)里使用的分色射〔入射角大于綠光的臨界角藍(lán)光通過；到達(dá)其次個(gè)反射面〔入射角大于紅光的臨界角〕時(shí)反射紅光，讓藍(lán)光通過。三束光分別使用不同的攝象器件進(jìn)展記錄，并在儲(chǔ)存介質(zhì)里存儲(chǔ)。綠光入射白光 藍(lán)光紅光9彩色電視攝象機(jī)里使用的分色棱鏡三、光學(xué)窗口光學(xué)窗口主要用于將光學(xué)測量系統(tǒng)與界環(huán)境變化的影響。光學(xué)窗口作為透光材料，應(yīng)保證在系統(tǒng)的工作波段范圍內(nèi)，有足夠高的透光率，并不會(huì)產(chǎn)生有影響的噪聲。在可見光區(qū)，可使用光學(xué)白玻璃；在紫外光一般玻璃吸取率很高，需使用Na

Cl、石英、鍺等作為窗口材料。在中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)，則常使用各種光學(xué)塑料材料，如聚砜、聚氯乙烯等。四、光闌由一點(diǎn)發(fā)出能進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)成象的光束，其立體角的大小〔從而輸入能量〕是由透鏡的有效直徑所打算的。在光學(xué)系統(tǒng)中，透鏡和其它光學(xué)元件的邊緣起到了限制成象光束的作用，稱之為光闌。光闌的通光孔一般為圓形，中心與光軸重合，光闌平面與光軸垂直，以保證共軸性。種：MωSMωSNLMAω底片LNBMFLN〔a〕孔徑光闌

〔b〕照相機(jī)中的視場光闌 〔c〕漸暈光闌10影響光學(xué)系統(tǒng)成象范圍和質(zhì)量的幾種光闌1、孔徑光闌限制軸上物點(diǎn)成象光束立體角的光闌10-〔a〕所過孔徑光闌的光線均可通過出射光瞳并布滿出射光瞳。有的光學(xué)系統(tǒng)對孔徑光闌的位置有肯定的要求。例如目視儀器如望遠(yuǎn)鏡與顯微鏡，要求出射光瞳應(yīng)處于目鏡后不遠(yuǎn)處，以便眼睛與之協(xié)作，到達(dá)良好的觀看效果；在面處，以提高測量精度。2、視場光闌限制物空間物體成象范圍的光闌稱為視場光闌。在光學(xué)系統(tǒng)中，視場光闌有方形的，也有圓形的，依據(jù)用途而定。10-〔b〕是一簡潔的照相機(jī)示意圖。M-N的成象光束的大小〔從而掌握輸入能量，象面照度，可隨外界景物光照強(qiáng)弱而調(diào)整，前的底片框限制了象平面〔從而物平面〕的成象范圍。在底片框以外，由于框的遮擋，物體不能成象在膠片上。所以，底片框A-B的，而望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的視場光闌一般是圓形的，裝置在物鏡的象平面上。3、漸暈光闌框，如透鏡框，棱鏡框都能起到限制光束的作用。都可以看作是一個(gè)光闌。例如，在上例照相機(jī)中，當(dāng)透鏡孔徑肯定時(shí)，軸外物點(diǎn)不能布滿孔徑光闌M-N，而被透鏡框所遮的大小〔角寬度束有限制作用。這樣，軸外點(diǎn)斜光束的寬度要比軸上點(diǎn)光束的寬度小，因此，象平面上邊緣局部就比象平面中心暗，且區(qū)分率下降，這現(xiàn)象稱“漸暈闌稱漸暈光闌。如圖10-〔c〕所示。在光學(xué)系統(tǒng)中，漸暈光闌多為透鏡框，可以有一個(gè)，也可以有幾個(gè)。漸暈光闌被它前面的光學(xué)系統(tǒng)在物空間所成的象，稱為入射窗；它在物面空間對用。所以，一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)入射光瞳和入射確定了。4、消雜光光闌下緣由產(chǎn)生：①非成象光束射向儀器內(nèi)壁的外表，并由內(nèi)壁反射通過系統(tǒng)的出射光瞳射出。件折射時(shí)，伴隨有局部光能的反射，這些反射光束經(jīng)儀器內(nèi)壁及光學(xué)零件外表屢次反射和折射而產(chǎn)生雜散光；③由于光學(xué)零件外表的劃痕、塵埃、麻點(diǎn)、拋光不良、光學(xué)材料內(nèi)部不均勻及非學(xué)系統(tǒng)的成象質(zhì)量，是格外有害的，必需加以消退。探測器孔徑光闌

消雜光光闌 視場光闌11消雜光光闌在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中完全消退雜散光是影響。因此，在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，在滿足成象質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能削減折射面，以盡量削減由折射面反射的光；另外，透鏡孔射光的相對影響；同時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的工作距散狀雜散光射向象面。光學(xué)系統(tǒng)中限制雜散光干擾的光闌稱消雜光光闌，常用于較重要、對成象質(zhì)量要求較高的光學(xué)儀器，如天文望遠(yuǎn)鏡、長焦距鏡筒內(nèi)壁加工成內(nèi)螺紋〔或打毛煮黑處理或涂以黑色無光漆散光；在儀器物鏡前加遮光罩，以阻攔視場11所示。等處理。五、濾波〔色〕片信息的某一〔顏色〕的光進(jìn)展接收，這時(shí)，待測信息的其它頻率〔顏色〕的光譜成分濾除，而僅讓攜帶信息的光譜成份通過，這就需要用到濾色片〔又稱濾光片或?yàn)V波片。部吸取〔帶阻透過〔帶通濾色片，它們是在透亮介質(zhì)材料〔玻璃〕中光全部吸取，所以這種濾色片在入，出射兩面觀看都呈現(xiàn)一種顏色〔透光顏色。另一種濾光片是在透亮介質(zhì)材料外表加鍍反光膜 0.5 0.50 0.85

m mm0 m +m12濾光片的透過率曲線厚度可以做到對某些波長的光無衰減透過F-P干預(yù)具。例如HB-850截止濾光片，＜850mm的光幾乎無阻通過〔透射率大于85%，而＞850mm乎不能透過〔透過率小于1%。六、偏振片W、B赫勒帕思在1852年覺察碘化硫酸金雞鈉〔奎寧〕針狀結(jié)晶體有雙色性的吸取0.1mm的晶體已能完全吸取O光，但晶粒太小，當(dāng)時(shí)無法產(chǎn)生偏振光。直到1934作用。等膠體枯燥后，將它夾在兩塊平板?！睵olaroi膜浸透了碘制成的。現(xiàn)在，由于塑料工業(yè)的進(jìn)展，已有很多種變種偏振片。質(zhì)量好的，平行偏振光的透光率可達(dá)80%光透光率則小于1%。兩偏振片透光方向垂直放置，透光率小于1%，但不能全黑。雖然塑料偏振片有偏振不純及透光較弱的缺點(diǎn)，但它幾乎具有180的角孔徑，又不象〔直徑可大至幾十厘米量生產(chǎn)。所以在實(shí)際應(yīng)用中，大都用這種偏振片〔如觀看立體電影的偏振眼鏡，偏光顯微鏡中的偏光鏡，光彈儀的起偏與檢偏器，汽車防大燈炫目的偏振貼膜等。七、光柵光柵在光電技術(shù)中主要用作分光器件，如光柵單色儀，光柵光譜儀等。常用的分光波長而變化的特點(diǎn)將光譜分開?！?光學(xué)成象系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、光學(xué)照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)要滿足以下要求：保證有足夠的光能量；要有足夠大的照明范圍；被照物面照度要均勻；被照明物體上各點(diǎn)發(fā)出的光束應(yīng)布滿成象系統(tǒng)物鏡的入射光瞳；盡可能限制視場以外的雜光進(jìn)入視場，以免降低象面的比照度和區(qū)分率；間來安放燈具及其它零件等。個(gè)原則：①光孔轉(zhuǎn)接原則：照明系統(tǒng)的照明光束就是成象系統(tǒng)的成象光束；②照明系統(tǒng)后拉赫不變量J照應(yīng)大于等于成象系統(tǒng)的拉赫不變量J 成。量。J nyu，其中n 是介質(zhì)折射率；y 物〔象〕高度；u 是成象光束孔徑角。常用的照明方式有：1、直接照明光源直接照明物體，構(gòu)造簡潔，但需要較大的發(fā)光面積，且被照物面亮度不很均勻。常見的如照相機(jī)的閃光燈，室外照相的自然光，顯微鏡上的反光鏡與光源系統(tǒng)等。2、臨界照明它將光源發(fā)光面用聚光鏡成象在物面13所示。照明光束同時(shí)也就是成象光束。聚光鏡L1將光源S發(fā)出OL2將物體發(fā)出的光成象于象面I。在這兒，照明系統(tǒng)的L1的大小打算，其出射光瞳應(yīng)成足J ≥J 視場光闌可設(shè)在光源處其出成照了被照物面的大小。SOISOIL1 213臨界照明光學(xué)系統(tǒng)〔在象面上看到燈絲的象可承受：明效果大大改善。3、柯拉照明為了抑制臨界照明中物面照度不均勻14所示。這就是遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)和非遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)。遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)1孔徑光闌放置在集光鏡L1

的后焦面上，12限制了照明光源的最大孔徑角。集光鏡L把光源成象在視場光闌處視場光闌置于聚光鏡L 的前焦面。從光源的象上每一點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過聚光鏡后都成為平行光將物體放在聚光鏡后，孔徑光闌的共軛面上，可以使物面上任一點(diǎn)都得到光源上每一點(diǎn)的均勻照明。12非遠(yuǎn)心照明系統(tǒng)1它將孔徑光闌靠近或緊貼集光鏡L 放12置，將聚光鏡L2

緊貼視場光闌放置，物面S光源L1集光鏡

孔徑光闌

O2視場光闌 L 物面聚光鏡2〔a〕遠(yuǎn)心照明光學(xué)系統(tǒng)L L1 2S光源集光鏡

孔徑光闌 視場光闌

O聚光鏡 物面〔b〕非遠(yuǎn)心照明光學(xué)系統(tǒng)14柯拉照明的兩種方式1 2 LLL1 2 2L2

2以保證視場中光源發(fā)出的有效光全部被L2會(huì)聚到物面上。二、光學(xué)成象系統(tǒng)1、點(diǎn)源探測對距探測系統(tǒng)很遠(yuǎn)的有限光源發(fā)出的光，我們可把它看作是一個(gè)點(diǎn)源，入射光可近似看作是平行光。由于光源很遠(yuǎn)，入射光〔由入射光瞳直徑打算〕成正比。的構(gòu)造形式有兩種：平面上，成點(diǎn)象；短。探 探測 測器 器〔a〕透鏡成象系統(tǒng) 〔b〕反射鏡成象系統(tǒng)15點(diǎn)源探測成象系統(tǒng)2、長度測量成象系統(tǒng)測量長度的。長度測量系統(tǒng)大致有兩種狀況的距離，如大地測量。率應(yīng)預(yù)先標(biāo)定。這時(shí)，象長除以垂軸放大率就得到物長。在儀器調(diào)整中，要求象平面與〔如在測量平面上放置一個(gè)線陣CCD測長陣列量的影響，可以使用物面遠(yuǎn)心光路。如圖16(a)所示，A、B是物體，A、B是其在1 1象平面上的象，A1B1 AB。如由于調(diào)整不MNMN≠AB，從而產(chǎn)生測量誤差。視差越大，光束1 1對光軸傾角越大，測量誤差也越大。16〔b〕所示。在物鏡的象方焦射光瞳，其入射光瞳處于物空間無限遠(yuǎn)處。必通過光闌中心的象面焦點(diǎn)F主光線都平行于光軸。假設(shè)物體在AB處，在測量平面上長度為MN。假設(shè)由于調(diào)焦不AB1 1

面上，則其共軛面將后移至MN 面上，而在測量平面上形成由彌散斑1 1MN1 1

的投影象。但是，由于物體移光線仍過MNA1B1的象長仍為MN并不影響測量結(jié)果。 平面這時(shí)由放大關(guān)系 L

L

yL。y1 1BB1MABLA1N〔a〕由于調(diào)焦不準(zhǔn)引起的測量誤差A(yù)AMM1A1BB1NN1L〔b〕物方遠(yuǎn)心光路16物方遠(yuǎn)心光路同樣，由于調(diào)焦不準(zhǔn)，使物體的象與測量平面不重合時(shí)，會(huì)影響測量結(jié)果。為消退F的主光線均成為平行于光軸的直線。這樣，17所示。17象方遠(yuǎn)心光路§3光學(xué)濾波技術(shù)們對信號(hào)的檢測，必需對其進(jìn)展抑制。光電技術(shù)中噪聲的來源主要有：光源背景噪聲、等了系統(tǒng)信噪比，而且可能使探測器過載，消滅設(shè)計(jì)壓力大大減輕。一、空間濾波間各個(gè)方向。其中既有信號(hào)光，也有具有干探探測器物體遮光罩 物鏡 視場光闌18用遮光罩進(jìn)展空間濾波入空間角有肯定大小，如遠(yuǎn)處的點(diǎn)源，我們18所示。遠(yuǎn)處光源發(fā)出擾，可實(shí)行在物鏡前加遮光罩，其通光孔徑可以大大抑制雜散光干擾。光根本屬于連續(xù)頻譜，期中高頻重量很少，頻譜面〔透鏡焦平面〕上設(shè)置空間濾波器，〔濾掉零級(jí)頻譜，就可以將背景光幾乎全部濾掉，大大提高了信號(hào)光的信噪比。二、光譜濾波使用空間濾波方法可以把傳播方向與信號(hào)光傳播方向全都的干擾光卻無能為力，強(qiáng)。如我們大地測量中，主動(dòng)測量信號(hào)本身時(shí)格外弱，而同方向傳播的背景光則強(qiáng)的多。所以我們除了使用空間濾波方法外，還需使用光譜濾波方法將背景光干擾中與信號(hào)光譜不重疊的局部光譜濾除。例如，使用發(fā)光二極管的光譜寬度大約在±50