光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

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

教學(xué)目的與要求在概括的高度上了解儀器光學(xué)中涉及的多方面光學(xué)問題的內(nèi)在聯(lián)系。學(xué)會(huì)解決這些問題的綜合分析和處理方法。掌握進(jìn)行儀器中的光學(xué)總體設(shè)計(jì)的知識(shí)和能力。理論聯(lián)系實(shí)踐并重視經(jīng)驗(yàn)積累。參考文獻(xiàn)1、《儀器光學(xué)》，薛鳴球等。2、《光學(xué)儀器通論》，王之江。3、《光學(xué)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)》，王之江。4、《成像光學(xué)》，王之江、伍樹東。5、《工程光學(xué)》，郁道銀、談恒英。6、《光學(xué)信息論》，陶純堪、陶純匡。7、《光學(xué)儀器設(shè)計(jì)學(xué)》，清華大學(xué)。8、《光電子成像器件原理》，向世明、倪國強(qiáng)。9、《HandbookofOptics》II(Devices,Measurements&Properties)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(xué)傳遞函數(shù)第四章光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸及像差計(jì)算第五章典型光學(xué)系統(tǒng)第一章緒論一、現(xiàn)代光學(xué)和光學(xué)儀器的發(fā)展二、儀器光學(xué)研究內(nèi)容和方法三、幾個(gè)示例四、光度量制與光度學(xué)基本公式一、現(xiàn)代光學(xué)和光學(xué)儀器的發(fā)展

20世紀(jì)—光學(xué)大發(fā)展的世紀(jì)，光子學(xué)(Photonics)、光電子學(xué)（Photoelectronics）應(yīng)運(yùn)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(xué)為主的傳統(tǒng)光學(xué)儀器注入無限活力。以往光學(xué)儀器與精密機(jī)械密不可分，而現(xiàn)在以及將來則與光電子學(xué)、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(xué)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(jī)所為我國光學(xué)儀器技術(shù)發(fā)展做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)?，F(xiàn)代光學(xué)儀器與工程 現(xiàn)代光學(xué)儀器是光學(xué)、精密機(jī)械、光電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的綜合體。

特點(diǎn)：應(yīng)用廣泛、技術(shù)密集

《光學(xué)技術(shù)手冊》中光學(xué)儀器共分20多類。從機(jī)理分：光傳感、光通訊、光學(xué)信息處理從用途分：

民用、軍用—光學(xué)計(jì)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(xué)、光電經(jīng)緯儀 民用與信息領(lǐng)域—DVD、HMD、Projector Scanner、相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)……大型光學(xué)工程天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡空間光學(xué)—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(xué)為基礎(chǔ)的技術(shù)包括：激光制導(dǎo)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(bào)光學(xué)儀器與工程的現(xiàn)狀與發(fā)展

熱門且發(fā)展迅速光學(xué)自身發(fā)展的推動(dòng)—激光、全息以及光子學(xué)、衍射光學(xué)交叉學(xué)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(huì)的需求—國防、信息時(shí)代（主要是在信息獲取和顯示應(yīng)用）故對其中的光學(xué)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(biāo)和精度的新高度與機(jī)、電、算更佳的匹配和一體化發(fā)展到常規(guī)光學(xué)的極限，需要新技術(shù)、新手段光學(xué)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)展很快二、研究內(nèi)容和方法應(yīng)用物理光學(xué)、幾何光學(xué)等知識(shí)著重討論儀器中的光學(xué)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(xué)總體性能（光度、成像以及噪聲）評價(jià)光學(xué)總體設(shè)計(jì)是光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的先行和關(guān)鍵，確定光學(xué)方案給出光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)“老瓶新酒”—探討相關(guān)學(xué)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(xué)系統(tǒng)的水平和適用場合，又要從具體光學(xué)設(shè)計(jì)中跳出來，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，站在整體層面上具體問題具體分析。光學(xué)儀器的質(zhì)量指標(biāo)功能指標(biāo)可靠性指標(biāo)工藝學(xué)指標(biāo)人機(jī)學(xué)指標(biāo)美學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化（歸一化）指標(biāo)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)專利權(quán)指標(biāo)光儀總體設(shè)計(jì)是分解上述指標(biāo)、同時(shí)側(cè)重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而儀器光學(xué)主要研究上述指標(biāo)中所涉及的光學(xué)問題并解決它們。光學(xué)儀器設(shè)計(jì)光信息傳遞過程評價(jià)光學(xué)總體性能標(biāo)準(zhǔn)與方法光度特性—光能成像特性—充分細(xì)節(jié)噪音（對比）特性—穩(wěn)定信號(hào)且有足夠?qū)Ρ刃阅茉u價(jià)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(hào)強(qiáng)度）

（分辨能力）

（信噪比）

（信息速率）近期提出：計(jì)算光學(xué)信息量三、幾個(gè)示例戰(zhàn)車潛望目視系統(tǒng)方案1：透鏡式光學(xué)系統(tǒng)通光效率36.8%光學(xué)MTF0.063方案2：棱鏡式光學(xué)系統(tǒng)通光效率64.7%光學(xué)MTF0.81性能評價(jià)、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 =0.6

0.063

0.7=0.02

MTF眼有效

0.026結(jié)論：應(yīng)選擇方案2四、光度量制與光度學(xué)基本公式光學(xué)系統(tǒng)傳輸輻射能的能力強(qiáng)弱，是除了光學(xué)特性和成像質(zhì)量以外的另一個(gè)重要性能指標(biāo)。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(qiáng)度、面輻射度和輻射（光）亮度角度特性

點(diǎn)光源、朗伯輻射源、激光光源

輻射度量和光度量表定義、符號(hào)、單位和量綱對照表其中發(fā)光強(qiáng)度是SI的七個(gè)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(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為5401012赫茲單色輻射（對應(yīng)波長在標(biāo)準(zhǔn)空氣中為555.016nm)，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683瓦每球面度。光度學(xué)基礎(chǔ)及其基本公式研究可見光/電磁波輻射的測試、計(jì)量和計(jì)算的學(xué)科稱為光度學(xué)/輻射度學(xué)?；玖枯椛渫浚üβ剩?、輻射強(qiáng)度、輻（射）出射度和輻射照度、輻射亮度光通量（功率）、發(fā)光強(qiáng)度、光出射度和光照度、光亮度

有時(shí)輻（射）出射度也叫面輻射度 光出射度也叫面發(fā)光度人眼視見函數(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光出射度和光照度光亮度

第二章拉氏不變量一、

Lagramge-Helmholz不變量二、幾何光學(xué)基本定律三、像差理論四、拉氏不變量與光學(xué)信息量

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(xué)系統(tǒng)的近軸區(qū)存在一個(gè)對整個(gè)系統(tǒng)的不變量。J是由幾何光學(xué)引出的：u--孔徑角，y--物高（u、y為近軸量）得到使近軸點(diǎn)成像理想的正弦條件：將近軸條件推廣到整個(gè)空間，就得到理想光學(xué)系統(tǒng)的物像空間不變式：

二、幾何光學(xué)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(dú)立傳播定律不同光源發(fā)出的光在空間某點(diǎn)相遇時(shí)，彼此互不影響，各光束獨(dú)立傳播。㈢光的折射定律和反射定律費(fèi)馬原理（Fermat）（極值原理）光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)，其間無論經(jīng)過多少次折射或反射，其光程為極值。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(shí)，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(diǎn)之間均為定值。折、反射定律、費(fèi)馬原理和馬呂斯定律，三者中任意一個(gè)可視為幾何光學(xué)三個(gè)基本定律之一，而另兩個(gè)則為其推論。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;子午面和弧矢面的定義1、球差平行光線入射,在軸上交點(diǎn)不都相同,和近軸像面之間的差別為球差;球差校正曲線圖2、彗差子午面上孔徑和下孔徑交點(diǎn)和主光線之間的距離為子午彗差;同理為弧矢彗差;3、場曲4、像散5、畸變A)理想B)正畸變C)負(fù)畸變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；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;像差公式四、拉氏不變量與光學(xué)信息量光學(xué)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(shí)間信息量”）空間信息量的度量:一般，用在像面能分辨多少個(gè)點(diǎn)來定義

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

國標(biāo)要求：50lp/mm（軸上），取平均值40lp/mm（軸上、軸外）即，每毫米100個(gè)、80個(gè)點(diǎn)可分辨第三章、光學(xué)傳遞函數(shù)

一、評價(jià)方法二、典型成像系統(tǒng)的特征頻率法光學(xué)傳遞函數(shù)是點(diǎn)/線擴(kuò)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(diǎn)列圖方法。

20世紀(jì)40年代，把傅立葉分析方法應(yīng)用于到光學(xué)中，并使用了電子計(jì)算機(jī)。1961年，國際光學(xué)會(huì)議統(tǒng)一稱為光學(xué)傳遞函數(shù)（optcaltransferfunction）

1939年，--檢驗(yàn)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(xué)。認(rèn)為“非相干光學(xué)系統(tǒng)可看作一個(gè)低通線性濾波器”。

發(fā)展歷史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。其它評價(jià)要求⑴幾何像差⑵波像差

⑶分辨率

其中⑴⑵主要用于光學(xué)設(shè)計(jì)階段，⑶用于生產(chǎn)過程中檢驗(yàn)（主觀性大），像差與實(shí)際質(zhì)量沒有簡單的數(shù)量關(guān)系。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(xì)節(jié)，特征頻率?。河扇搜塾^察，確定MTF值：人眼MTF=0.026；在0.5～1,則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）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3、電影攝影物鏡

質(zhì)量要求中的清晰度，是對細(xì)節(jié)的分辨能力。即通常講的目標(biāo)細(xì)節(jié)的成像虛實(shí)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(yàn)收鏡頭一般以此N0的鑒別率板拍攝情況作標(biāo)準(zhǔn)）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。4、望遠(yuǎn)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。5、照相物鏡MTF指標(biāo)

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

電影物鏡MTF指標(biāo)（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）航攝制圖物鏡MTF指標(biāo)（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)

瑞利分辨率極限

理論分辨率極限

顯微物鏡