光電系統(tǒng)設(shè)計理論基礎(chǔ)演示文稿

光電系統(tǒng)設(shè)計理論基礎(chǔ)演示文稿當前第1頁\共有89頁\編于星期日\19點優(yōu)選光電系統(tǒng)設(shè)計理論基礎(chǔ)當前第2頁\共有89頁\編于星期日\19點介紹

在光學、光電子學基本知識和相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)代光學、光電子儀器以及工程中的光學總體設(shè)計問題進行歸納和分析，使其逐步走向科學化和系統(tǒng)化。

當前第3頁\共有89頁\編于星期日\19點教學目的與要求在概括的高度上了解儀器光學中涉及的多方面光學問題的內(nèi)在聯(lián)系。學會解決這些問題的綜合分析和處理方法。掌握進行儀器中的光學總體設(shè)計的知識和能力。理論聯(lián)系實踐并重視經(jīng)驗積累。當前第4頁\共有89頁\編于星期日\19點參考文獻1、《儀器光學》，薛鳴球等。2、《光學儀器通論》，王之江。3、《光學設(shè)計理論基礎(chǔ)》，王之江。4、《成像光學》，王之江、伍樹東。5、《工程光學》，郁道銀、談恒英。6、《光學信息論》，陶純堪、陶純匡。7、《光學儀器設(shè)計學》，清華大學。8、《光電子成像器件原理》，向世明、倪國強。9、《HandbookofOptics》II(Devices,Measurements&Properties)當前第5頁\共有89頁\編于星期日\19點主要內(nèi)容第一章緒論第二章拉格朗日不變量第三章光學傳遞函數(shù)第四章光學系統(tǒng)外形尺寸及像差計算第五章典型光學系統(tǒng)當前第6頁\共有89頁\編于星期日\19點第一章緒論一、現(xiàn)代光學和光學儀器的發(fā)展二、儀器光學研究內(nèi)容和方法三、幾個示例四、光度量制與光度學基本公式當前第7頁\共有89頁\編于星期日\19點一、現(xiàn)代光學和光學儀器的發(fā)展

20世紀—光學大發(fā)展的世紀，光子學(Photonics)、光電子學（Photoelectronics）應(yīng)運而生，激光與光纖大大改變的人類生活面貌，也為以幾何光學為主的傳統(tǒng)光學儀器注入無限活力。以往光學儀器與精密機械密不可分，而現(xiàn)在以及將來則與光電子學、電、算發(fā)生愈來愈密切的聯(lián)系，甚至有些就集成為MOEM。

我國光學發(fā)展基本始于50年代，由王大珩等老前輩創(chuàng)建的原長春光機所為我國光學儀器技術(shù)發(fā)展做出了開創(chuàng)性貢獻。當前第8頁\共有89頁\編于星期日\19點現(xiàn)代光學儀器與工程 現(xiàn)代光學儀器是光學、精密機械、光電子學以及計算機科學和技術(shù)的綜合體。

特點：應(yīng)用廣泛、技術(shù)密集

《光學技術(shù)手冊》中光學儀器共分20多類。當前第9頁\共有89頁\編于星期日\19點從機理分：光傳感、光通訊、光學信息處理從用途分：

民用、軍用—光學計量與測量儀器 工業(yè)用—光刻設(shè)備、過程與質(zhì)量檢測儀器 醫(yī)用—激光與光譜分析儀器 軍用—大型光學、光電經(jīng)緯儀 民用與信息領(lǐng)域—DVD、HMD、Projector Scanner、相機、數(shù)碼相機、攝像機……當前第10頁\共有89頁\編于星期日\19點大型光學工程天文光學望遠鏡空間光學—哈勃、NGST、HRIS激光核聚變—NIF光電對抗與靶場光測“軍事上所用的以光子學為基礎(chǔ)的技術(shù)包括：激光制導武器、紅外夜視和高分辨力的衛(wèi)星圖像等”

——援引美國國防部新聞簡報當前第11頁\共有89頁\編于星期日\19點光學儀器與工程的現(xiàn)狀與發(fā)展

熱門且發(fā)展迅速光學自身發(fā)展的推動—激光、全息以及光子學、衍射光學交叉學科和技術(shù)的融合—光電子傳感器、圖像處理、自適應(yīng)控制技術(shù)國家和社會的需求—國防、信息時代（主要是在信息獲取和顯示應(yīng)用）故對其中的光學技術(shù)提出更高要求：新原理、新方案、新技術(shù)的應(yīng)用功能、指標和精度的新高度與機、電、算更佳的匹配和一體化當前第12頁\共有89頁\編于星期日\19點發(fā)展到常規(guī)光學的極限，需要新技術(shù)、新手段光學人才的短缺美國在大型、高精度領(lǐng)域領(lǐng)先德國在中型高精度領(lǐng)域領(lǐng)先日本在中小型、中精度領(lǐng)域領(lǐng)先中國處于中等水平但發(fā)展很快當前第13頁\共有89頁\編于星期日\19點二、研究內(nèi)容和方法應(yīng)用物理光學、幾何光學等知識著重討論儀器中的光學總體問題

研究能量、信息傳遞過程的有關(guān)環(huán)節(jié) 研究光學總體性能（光度、成像以及噪聲）評價光學總體設(shè)計是光學儀器設(shè)計的先行和關(guān)鍵，確定光學方案給出光學設(shè)計參數(shù)“老瓶新酒”—探討相關(guān)學科、技術(shù)提出的新問題（短波、紅外和毫米波成像）掌握各類光學系統(tǒng)的水平和適用場合，又要從具體光學設(shè)計中跳出來，從生產(chǎn)實際出發(fā)，站在整體層面上具體問題具體分析。當前第14頁\共有89頁\編于星期日\19點光學儀器的質(zhì)量指標功能指標可靠性指標工藝學指標人機學指標美學指標標準化（歸一化）指標經(jīng)濟性指標專利權(quán)指標光儀總體設(shè)計是分解上述指標、同時側(cè)重結(jié)構(gòu)設(shè)計，而儀器光學主要研究上述指標中所涉及的光學問題并解決它們。當前第15頁\共有89頁\編于星期日\19點光學儀器設(shè)計光信息傳遞過程評價光學總體性能標準與方法光度特性—光能成像特性—充分細節(jié)噪音（對比）特性—穩(wěn)定信號且有足夠?qū)Ρ犬斍暗?6頁\共有89頁\編于星期日\19點性能評價一般方法前蘇聯(lián)提出主要物理量—J、MTF、D、L、f'、中國有人提出

（光信號強度）（分辨能力）（信噪比）（信息速率）近期提出：計算光學信息量當前第17頁\共有89頁\編于星期日\19點三、幾個示例戰(zhàn)車潛望目視系統(tǒng)方案1：透鏡式光學系統(tǒng)通光效率36.8%光學MTF0.063當前第18頁\共有89頁\編于星期日\19點方案2：棱鏡式光學系統(tǒng)通光效率64.7%光學MTF0.81當前第19頁\共有89頁\編于星期日\19點性能評價、比較 作用距離 成像質(zhì)量 人眼接收到的像方MTF MTF眼=MTF物MTF光

MTF屏 =0.60.0630.7=0.02

MTF眼有效0.026結(jié)論：應(yīng)選擇方案2當前第20頁\共有89頁\編于星期日\19點四、光度量制與光度學基本公式光學系統(tǒng)傳輸輻射能的能力強弱，是除了光學特性和成像質(zhì)量以外的另一個重要性能指標。輻射源特性光譜特性

X-射線源、紫外光源、可見光源、紅外輻射源 連續(xù)光譜源、帶狀光譜源能量特性 以輻射功率（光通量）、輻射（光）強度、面輻射度和輻射（光）亮度角度特性

點光源、朗伯輻射源、激光光源當前第21頁\共有89頁\編于星期日\19點

當前第22頁\共有89頁\編于星期日\19點輻射度量和光度量表定義、符號、單位和量綱對照表其中發(fā)光強度是SI的七個基本單位之一，最新定義為坎德拉是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為5401012赫茲單色輻射（對應(yīng)波長在標準空氣中為555.016nm)，且在此方向上的輻射強度為1/683瓦每球面度。當前第23頁\共有89頁\編于星期日\19點光度學基礎(chǔ)及其基本公式研究可見光/電磁波輻射的測試、計量和計算的學科稱為光度學/輻射度學?；玖枯椛渫浚üβ剩?、輻射強度、輻（射）出射度和輻射照度、輻射亮度光通量（功率）、發(fā)光強度、光出射度和光照度、光亮度

有時輻（射）出射度也叫面輻射度 光出射度也叫面發(fā)光度當前第24頁\共有89頁\編于星期日\19點人眼視見函數(shù)視覺敏感波段—可見光（400~760nm）為了表示人眼對不同波長輻射敏感差別，定義函數(shù)V()，稱為視見函數(shù)（光譜光視效率）。

V(555)=1V(600)=0.631V(500)=0.323當前第25頁\共有89頁\編于星期日\19點光出射度和光照度光亮度當前第26頁\共有89頁\編于星期日\19點

第二章拉氏不變量一、

Lagramge-Helmholz不變量二、幾何光學基本定律三、像差理論四、拉氏不變量與光學信息量當前第27頁\共有89頁\編于星期日\19點

一、Lagramge-Helmholz不變量

n--折射率，u--孔徑角，y--物高（u、y為近軸量）表示在同軸光學系統(tǒng)的近軸區(qū)存在一個對整個系統(tǒng)的不變量。J是由幾何光學引出的：當前第28頁\共有89頁\編于星期日\19點u--孔徑角，y--物高（u、y為近軸量）當前第29頁\共有89頁\編于星期日\19點得到使近軸點成像理想的正弦條件：將近軸條件推廣到整個空間，就得到理想光學系統(tǒng)的物像空間不變式：

當前第30頁\共有89頁\編于星期日\19點二、幾何光學基本定律

㈠光的直線傳播定律在各向同性的均勻介質(zhì)中，光沿直線方向傳播。㈡光的獨立傳播定律不同光源發(fā)出的光在空間某點相遇時，彼此互不影響，各光束獨立傳播。㈢光的折射定律和反射定律當前第31頁\共有89頁\編于星期日\19點當前第32頁\共有89頁\編于星期日\19點費馬原理（Fermat）（極值原理）光從一點傳播到另一點，其間無論經(jīng)過多少次折射或反射，其光程為極值。當前第33頁\共有89頁\編于星期日\19點馬呂斯定律（Malus）（等光程定律）

光線束在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播時，始終保持著與波面的正交性，且入射波面與出射波面對應(yīng)點之間均為定值。當前第34頁\共有89頁\編于星期日\19點折、反射定律、費馬原理和馬呂斯定律，三者中任意一個可視為幾何光學三個基本定律之一，而另兩個則為其推論。當前第35頁\共有89頁\編于星期日\19點三、像差理論1)球差;2)彗差;3)像散;4)場曲;5)畸變;6)軸向色差;7)垂軸色差;當前第36頁\共有89頁\編于星期日\19點子午面和弧矢面的定義當前第37頁\共有89頁\編于星期日\19點1、球差平行光線入射,在軸上交點不都相同,和近軸像面之間的差別為球差;當前第38頁\共有89頁\編于星期日\19點球差校正曲線圖當前第39頁\共有89頁\編于星期日\19點2、彗差子午面上孔徑和下孔徑交點和主光線之間的距離為子午彗差;同理為弧矢彗差;當前第40頁\共有89頁\編于星期日\19點3、場曲當前第41頁\共有89頁\編于星期日\19點4、像散當前第42頁\共有89頁\編于星期日\19點5、畸變當前第43頁\共有89頁\編于星期日\19點A)理想B)正畸變C)負畸變當前第44頁\共有89頁\編于星期日\19點6、軸向色差1/f’=(n-1)(1/r1-1/r2),不同顏色光焦距不同;紅光的像面最長，紫光的像面最短；當前第45頁\共有89頁\編于星期日\19點當前第46頁\共有89頁\編于星期日\19點7、垂軸色差y=f*tan(w);不同波長,折射率不同,焦距不同,所以像高不同,差別就是垂軸色差;當前第47頁\共有89頁\編于星期日\19點當前第48頁\共有89頁\編于星期日\19點像差公式當前第49頁\共有89頁\編于星期日\19點四、拉氏不變量與光學信息量光學信息量一般是多維的，此處側(cè)重于“空間信息量”（另外包括“時間信息量”）空間信息量的度量:一般，用在像面能分辨多少個點來定義

對于數(shù)碼相機，最高有400萬pixels對135膠片：36mm×24mm

國標要求：50lp/mm（軸上），取平均值40lp/mm（軸上、軸外）即，每毫米100個、80個點可分辨當前第50頁\共有89頁\編于星期日\19點第三章、光學傳遞函數(shù)

一、評價方法二、典型成像系統(tǒng)的特征頻率法當前第51頁\共有89頁\編于星期日\19點光學傳遞函數(shù)是點/線擴展函數(shù)的傅立葉變換1)自相關(guān)法；2)快速傅立葉變換法；3)點列圖方法。當前第52頁\共有89頁\編于星期日\19點

20世紀40年代，把傅立葉分析方法應(yīng)用于到光學中，并使用了電子計算機。1961年，國際光學會議統(tǒng)一稱為光學傳遞函數(shù)（optcaltransferfunction）

1939年，--檢驗照相物鏡發(fā)現(xiàn)“偽超分辨率”現(xiàn)象。

1946年，P.M.Duffieux已將Fourier變換用于光學。認為“非相干光學系統(tǒng)可看作一個低通線性濾波器”。

發(fā)展歷史當前第53頁\共有89頁\編于星期日\19點1948年，C.E.Shamnon建立信息量量度概念和方法。

1953年，O.H.Schade研究電視過程的成像。當前第54頁\共有89頁\編于星期日\19點當前第55頁\共有89頁\編于星期日\19點其它評價要求⑴幾何像差⑵波像差

⑶分辨率

其中⑴⑵主要用于光學設(shè)計階段，⑶用于生產(chǎn)過程中檢驗（主觀性大），像差與實際質(zhì)量沒有簡單的數(shù)量關(guān)系。當前第56頁\共有89頁\編于星期日\19點二、典型成像系統(tǒng)的特征頻率法

1、顯微系統(tǒng)（要求：可分辨、不求層次、照明好、對比高）若要求分辨2μ細節(jié)，特征頻率取：由人眼觀察，確定MTF值：人眼MTF=0.026；當前第57頁\共有89頁\編于星期日\19點在0.5～1,則當前第58頁\共有89頁\編于星期日\19點2、電視攝像物鏡

電視系統(tǒng)（攝像管）特征頻率12lp/mm；1/3″CCDNyquist頻率77lp/mm像素：752（H）×582（V）尺寸：4.8（H）×3.6（V）mm2分辨率：470電視行（垂直）當前第59頁\共有89頁\編于星期日\19點M電--包括從攝像管（CCD）到熒光屏顯示的全過程，一般取0.6左右。M物--要求分辨物體亮度差20%，即當前第60頁\共有89頁\編于星期日\19點3、電影攝影物鏡

質(zhì)量要求中的清晰度，是對細節(jié)的分辨能力。即通常講的目標細節(jié)的成像虛實程度，是決定特征頻率的主要因素。攝影要求的層次是決定調(diào)制度值的主要因素。=50lp/mm處（驗收鏡頭一般以此N0的鑒別率板拍攝情況作標準）當前第61頁\共有89頁\編于星期日\19點電影膠片的截止頻率一般為：70～100lp/mm；一般取特征頻率N0=50lp/mm下，MTF0≥0.5。當前第62頁\共有89頁\編于星期日\19點4、望遠系統(tǒng)

特征頻率接近截止頻率。D徑要足夠大，以保證理想角分辨大于要求的角分辨能力。處理方法與顯微鏡類似。當前第63頁\共有89頁\編于星期日\19點5、照相物鏡MTF指標

35mm（畫幅36×24mm2）照相鏡頭Ⅰ級特征頻率

視場孔徑

10lp/mm

30lp/mm

軸上

軸外0.707y

軸上

軸外0.707y全口徑

0.6

0.30.3

0.15

F80.750.40.40.2

當前第64頁\共有89頁\編于星期日\19點電影物鏡MTF指標（提案）特征頻率

視場

孔徑

40～60lp/mm70～100lp/mm0.5y0.707y0.5y0.707y全口徑

0.50.5（30～50lp/mm）0.150.

15

(50～80lp/mm）當前第65頁\共有89頁\編于星期日\19點航攝制圖物鏡MTF指標（提案）

特征頻率

視場

孔徑

15lp/mm

0°20°

30°

40°

全口徑

0.82(T)

0.48(T）

0.33(T)

0.44(T)0.82(S)0.54(S)

0.48(S)

0.24(S)

當前第66頁\共有89頁\編于星期日\19點

瑞利分辨率極限

理論分辨率極限

顯微物鏡

望遠物鏡

照相物鏡

當前第67頁\共有89頁\編于星期日\19點第四章光學系統(tǒng)外形尺寸

和參數(shù)計算

一、光學系統(tǒng)的分類二、設(shè)計實例當前第68頁\共有89頁\編于星期日\19點一、光學系統(tǒng)的分類

1、望遠系統(tǒng)：物像均在無窮遠的光學系統(tǒng)。視角放大倍率的定義:2、顯微系統(tǒng)：

主要是對線性放大。當前第69頁\共有89頁\編于星期日\19點外形尺寸：長度（軸向）/口徑（徑向）參數(shù)：f',w（或畫幅'），D/f確定外形尺寸的基本原則：1、拉氏不變量和象差的校正2、光度特性不同系統(tǒng)中的一般典型關(guān)系：望遠--倍率與長度的關(guān)系（倍率↑→長度↑）攝影--光度與象差顯影--精度與孔徑變焦--變焦比與像面穩(wěn)定當前第70頁\共有89頁\編于星期日\19點3變焦距光學系統(tǒng)A)變焦點光學系統(tǒng)(Variablefocallengthlens)--varifocal焦距變、焦點也變，需像面移動補償像面位移；應(yīng)用場合：手動調(diào)焦，投影鏡頭（focus環(huán)）當前第71頁\共有89頁\編于星期日\19點B)變焦距光學系統(tǒng)（ZoomLens）（變倍率鏡頭）焦距變、焦點不變，即像面位移在焦深范圍內(nèi)。分為光學補償、機械補償兩大類。光學補償--運動鏡組一體運動（同向/同速）;優(yōu)點：不需凸輪（或螺旋線CAM）;缺點：長，輕微像面位;當前第72頁\共有89頁\編于星期日\19點光學補償原理:物象交換原則就是簡單的光學補償法

當前第73頁\共有89頁\編于星期日\19點最多有3個實根，即三個