第6章光学系统设计ppt课件.ppt

《第6章光学系统设计ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章光学系统设计ppt课件.ppt（161页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第六章 光学系统设计,第一节 光学系统的组成与特点 第二节 人眼和光电探测器 第三节 光源及照明系统第四节 放大镜 第五节 显微系统 第六节 望远系统 第七节 投影系统和照相系统 第八节 光电系统 参数第九节 相干变换与检测系统设计第十节 光电系统设计举例激光干涉仪的设计,第一节 光学系统 的组成与特点,光学系统本质上是一种传递信息的工具，其目标就是观察的标本或欲测试的零件。如果目标不是自放光体，则必须进行人工照明。按照功能，主要分成3类：1、照相系统2、显微系统3、望远系统,被测对象,光学系统,光学系统,光电探测器,调理电路,光源,控制电路,计算机,显示与控制,现代光学仪器构成框图,作用：将

2、光束变成平行光束、发散光束、会聚光束或其他形式结构的光束,作用：利用显微系统、照相系统、望远系统及调制器、滤波器将来自被测对象的光变成光电传感器能接收的光,光学系统的特点：1、信息加载于光波，非接触、不破坏2、光波传播速度快，可实时测量控制3、波长短，测量精度高4、具有很高的空间分辨率5、可进行图像处理,第二节 人眼和光电探测器,人眼是一个完整的成像光学系统，同时又是目视光学系统的接收器，可以看成是整个光学系统的一个组成部分。一、人眼结构二、人眼的调节和适应 三、人眼的分辨率和瞄准精度 四、人眼的屈光度误差及其校正,人眼的结构,人眼的生理结构人眼的光学结构简约眼人眼相当于照相机,人眼的结构,黄

3、斑,盲点,角膜,前室,虹彩,视轴,后室,水晶体,巩膜,脉络膜,网膜,简约眼眼睛简化成一个折射球面的模型，即简约眼,屈光度D=1/f， f表示焦距。一般以焦距1米的透镜屈光度为1 D(即1焦度)。,简约眼模型,n=1.33,n=1.0,R =5.56,R =9.7,人眼与照相机,眼睛如同一只自动变焦和自动改变光圈大小的照相机。从光学角度看，眼睛中三个最重要的部分是水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对应与照相机中的镜头、光阑和底片。,人眼的调节,调节：眼睛通过睫状肌作用改变光焦度的大小 以看清不同距离物体的过程称为调节。远点：眼睛能看清的最远点称为远点，用r表示近点：眼睛能看清的最近点称为近点，用p表示

4、调节范围：调节范围A表示为远点距和近点距的 倒数之差 A、R、P的单位是屈光度（D）， 。,眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围,人眼的适应,眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。 适应可分为明适应和暗适应。前者发生在由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟；后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大约30-60分钟。,人眼的分辨力,明视距离：人眼在近距离工作时的通常距离 250 mm.分辨力：眼睛能分辩两个很靠近的点的能力称为眼睛的分辨率。D为瞳孔直径。最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼睛的张角称为眼睛的最小分辩角：60秒最小分辨距离：在明视距离处（250mm）最小分辨角对应的线量：0.0725mm。,

5、人眼的屈光度误差及其校正,正常人眼完全放松时，眼睛的远点在无限 远，则称其为正常眼，反之，称为非正常眼。非正常眼主要有以下三种类型： 近视眼：远点距为负值，有限远 远视眼：远点距为正值，有限远 散光眼： 两个垂直子午面的远点距不同,近视眼,远视眼：,r,光电探测器,真空光电器件,固体光电器件,光电管,光电倍增管,真空摄像管,变像管,像增强管,光敏电阻,光电池,光电二极管,光电三极管,光电耦合器,光中断器,位置传感器PSD,自扫描光电二极管阵列SSPD,电荷耦合器件CCD,互补型金属氧化物半导体晶体管CMOS,由于人眼的局限性（频率高于24Hz，波长在0.4-0.79m之外，有害环境均无法工作）

6、，发展了各种光电器件，大大扩展了人眼的感受范围。,光电探测器的选择原则,探测器输出电信号大小与测量光信号大小的关系；探测器的光谱响应范围与测量光信号的光谱范围是否一致；探测器能探测的最小信号功率；探测调制信号或脉冲光信号时，响应时间是否一致。,第三节 光源及照明系统,光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光电测量往往起着关键的作用。本节将对光源的特性、光源的种类、照明光学系统及光源选用等问题加以介绍。,注：应用中宜采用发光效率高的光源以节省能源。,2光谱功率谱分布 光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长 有关，称为光谱的功率分布。常见的有四种典型的分布，如图6-6所示。,注： 在选

7、择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致；目视测量，可选用可见光谱辐射比较丰富的光源；目视瞄准，宜选用绿光光源；彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯作光源。紫外和红外测量，宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。,3空间光强分布特征 由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线，如图6-7所示为HG500型发光二极管的配光曲线。 为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦点应位于光源的

8、发光中心。,图6-7 HG500发光二极管的配光曲线,4光源的温度和颜色 任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 表示为：式中， 为辐射本领； 为吸收率，当 时的物体称为绝对黑体。,黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般的光源，它的某些特征常用黑体辐射特征近似地表示，其温度常用色温或相关色温表示。色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标点最近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。,注：在光电测量中为了减少光源温度对测

9、量的影响，应采用冷光源或者设法减少热辐射的影响。,二、光电测量中的常用光源,物体温度大于绝对零度时就会向外辐射能量，辐射以光子形式进行，我们就会看到光。,1太阳光 太阳向地球辐射热我们称之为阳光。阳光是复色光，太阳光源是很好的平行光源。,2白炽灯 白炽灯靠灯泡中的钨丝被加热而发光，它发出连续光谱。发光特性稳定、简单、可靠、寿命比较长，得到广泛的应用。 真空钨丝灯是将玻璃灯泡油成真空，充气灯泡是灯泡内充氩、氮等惰性气体，卤素灯是灯泡内充有卤族元素（氯化碘、溴化硼等）。,白炽灯的供电电压对灯的参数（电流、功率、寿命和光通量）有很大的影响，其关系如下所示：,3气体放电光源 利用气体放电原理来发光的光

10、源称为气体放电光源。 特点： 1）发光效率高，比白炽灯高210倍，可节省能源。 2）结构紧凑，耐震、耐冲击。 3）寿命长，大约是白炽灯的210倍，可节省能源。 4）光色范围大，如晋通高压汞灯发光波长大约为400500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色（589 nm），氙灯近日色，而水银荧光灯为复色。 由于以上特点气体放电光源经常被用于工程照明和光电测量之中。,4半导体发光器件 在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件称为半导体发光器件，又称为注入式场致发光光源，通常称为LED。,图6-8 半导体发光二级管a)原理图 b)外观图 c)器件符号,常用发光二级管材料及性能如表6-1所示。

11、,表6-1 发光二级管性能,半导体发光二极管既是半导体器件也是发光器件，因此其工作参数有电学参数和光学参数。,5激光光源 激光又称为受激发射光，能激发出激光并能实现激光的持续发射的器件称为激光器。激光特点：单色性好，相干能力强，方向性好、亮度高，在光电测量中 常用作相干光源。激光器三大要素：激光工作物质，激励能源和光学谐振腔。激光器分类：固体激光器、气体激光器和半导体激光器。激励系统：光激励、电激励、核激励和化学反应激励等。 光学揩振腔用以提供光的反馈，以实现光的自激振荡，对弱光进行放大，并对振荡光束方向和频率进行限制，实现选频，保证光的单色性和方向性。,在光电测量中应用最多的是He-Ne气体

12、激光器，因为He-Ne激光器发出的激光单色性和方向性好。 He-Ne激光器的光振幅分布如图6-9的高斯分布，其表达式为： （610）,激光束的发散角：,图6-9 高斯光束及束腰半径,在选择和使用He-Ne激光器时应注意以下几点：（1）要注意激光的模态。 在用He-Ne激光器作光电测量的光源时，一般都选用单模激光。激光的模态记作 ，其中 为纵模序数， 、 为横模序数。对于单模激光，其模态为 。,观察激光输出的光斑形状发现，光斑形状较为复杂，如图6-10所示。,图6-10 激光的横模a）TEM00模 b）TEM10模 c）TEM13模 d）TEM11模,在光电测量中选用的激光光斑形状应为均匀的圆形

13、光斑，即选TEM00横模。,（2）功率。 光电测量中所用的He-Ne激光光源功率一般在十几之间。,（3）稳功率和稳频。 He-Ne激光器输出的功率变化较大，在精度较高的光电测量中，应对He-Ne激光器稳功率。此外，在相干测量中光的波长是测量基准，因此要求波长很稳定，而波长与光频率的关系为： （614） 由 ，上式可写为： （615） 因此，稳波长实质就是稳光频，即要采用稳频技术。另，稳频对稳功率也有作用。,（4）激光束的漂移。 虽然He-Ne激光具有很好的方向性和单色性，但它也是有漂移的，当作用精密尺寸测量和准直测量时尤应注意。,半导体激光器： 简称LD，它是用半导体材料制成的面结型的二极管。

14、 原理图如图6-11、6-12所示,在使用半导体激光器时，应注意以下几点：（1）作为平行光照明时应该用柱面镜将光束整形，再用准直镜准直。（2）频率稳定性。 LD光的单色性、相干性较差，因此用LD作相干光源且测量距离又较大时，必须对LD稳频。LD的稳频法主要有吸收法和电控法。（3）调频。 改变LD的注入电流 会使LD的输出频率产生 的变化。如果注入电流是按某一频率变化规律来变化，那么输出的激光将被调频。这种调频是在LD内部实现的，故称为内调制。由此原理制成的半导体激光器可用于外差测量。,图6-11 半导体发光原理图,图6-12 半导体激光器的工作原理图,三、照明系统,照明对光学系统的成像质量起着

15、非常重要的作用，照明的种类繁多，用途也非常广泛。本节只介绍光电系统中常用的照明方式。,（一）、照明系统的设计原则 照明系统的设计应满足下列要求： 1）保证足够的光能。 2）有足够的照明范围，照明均匀。 3）照明光束应充满物镜的入瞳。 4）应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。 5）合理安排布局，避免光源高温的有害影响。,根据这些要求，照明系统设计应满足两个原则：1）光孔转接原则。即照明系统的出瞳应该与物镜的入瞳重合，否则照明光束不能充分利用。如图6-13所示，由于光瞳不重合，成像光束仅为照明光束的一部分，光束的阴影部分被物镜的入瞳遮挡，不能参与成像。,图6-13 光孔转接示意图,2）照明

16、系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量。 拉赫不变量:表示光学系统在近轴区成像时，在物像共轭面上，物体的大小 、成像光束的孔径角 、物空间介质的折射率 的乘积为一常数。是表征光学系统性能的一个重要参数,如图6-14所示。,图6-14 拉赫来变量示意图,在显微光学系统的照明系统设计中，按照要求2），可得 ，如图6-15所示。,图6-15 显微光学系统拉赫不变量示意图,由于显微镜的放大倍率很高，成像光束的像方孔径很小，并且被观察的物体通常是不发光的，为了获得清晰的图像，必须保证充足的照明。,（二）照明的种类1直接照明 直接照明按照明方法分为透射光亮视场照明，反射光亮视场照明，透射光暗视场照明

17、，反射光暗视场照明，分别如图6-16a、b、c、d所示，图中阴影部分为照明光场。按光源类型分为白炽灯照明、光纤照明等。,图6-16直接照明四种类型a）透射光亮视场照明 b）反射光亮视场照明 c）透射光暗视场照明 d）反射光暗视场照明,2临界照明 光源所出的光通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式称为临界照明。如图6-17所示：,图6-17 临界照明,照明光源灯丝成像到物平面上，这种照明在视场范围内有最大的亮度，而且没有杂光。缺点是光源亮度的不均匀性将直接反映在物面上，并且不满足光孔转接原则。,3远心柯勒照明 如图6-18所示，集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上

18、，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上。,图6-18 远心柯勒照明,缺点：临界照明中物平面照度不均匀的；优点：孔径光阑大小可调，经聚光镜成像于物镜的入瞳位置，满足光孔转接原则，又充分利用了光能。孔径光阑大小决定了照明系统的孔径角、分辨力和对比度，视场光阑控制照明视场的大小，避免杂光进入物镜。,4光纤照明 光纤照明因照明均匀、亮度高、光源热影响小而得到广泛应用。根据照明光线端部排列形式和光束出射方向，分为环形光纤照明和同轴光纤照明等。,图6-19所示是一环形光纤照明光源，光源发出的光经过聚光镜耦合进入光纤束，光纤束在另一端分束，形成一环形光纤排。光纤照明光能集中，能获得较均匀的高亮度照

19、明区域。并且照明部分远离光源，解决了光源散热对被测物体的影响。,图6-19 光纤照明 1-光源 2-聚光镜阑 3-光纤束 4-环形光纤排,5同轴反射照明 如图6-20所示，光源发出的光经过物镜7投射到物体8上，物镜本身兼做聚光镜。物镜将物面成像到CCD9的光敏面上。,这种照明系统可以检测反射镜面上的缺陷。如果被测表面是镜面，则镜面的反射光线全部进入物镜成像，因此整个图像都是白色。当镜面上有腐蚀斑点或者污渍时，所产生的漫反射光线进入物镜的甚少，因此图像上将产生黑色的斑点。,图6-20 同轴照明 1-光源 2-集光镜 3-孔径光 4-视场光阑 5-聚光镜 6-分光镜 7-物镜 8-物面 9-CCD

20、,四、光源及照明系统的选择,正确地选用光源是充分而又有效地满足仪器使用要求的必要条件。在选择光源时，一般应考虑以下几方面的问题。,1光源的光谱能量分布特性 光源的光谱能量分布首先应满足仪器使用上的要求。例如在干涉仪中，光源的波长是仪器的标准器，因此其单色性应满足测量精度及测量范围的要求。在非相干照明中，光源的光谱分布应与接收器的光谱响应相匹配，可节省能量，提高检测信号的信噪比。在目视仪器中，视场的背景最好是适宜人眼的黄绿色，而将有害的红外辐射（它可能引起仪器的热变形）用滤色片滤去。若仪器中有几个不同的接收器共用一个光源，则光源的光谱分布要能兼顾各接收器的响应。,2光度特性 在精密测量中，被测对

21、象一般都不是发光体，所以必须进行人工照明，使被测物体达到一定的照度。在以光电元件为接收器的仪器中，被测物体光照强度有利于提高信噪比及后继电路的处理；而在目视仪器中，视场应有足够的照度，这在大屏幕投影测量系统中问题较为突出。 总之，应根据使用要求及接收器的性能来考虑对光源的光强要求。,3发光面的形状、尺寸及光源的结构 在临界照明系统中是将灯丝（发光体）成像在被测物面上，因此灯丝发光面的形状与被测物相似才能获得均匀而又有效的照明。在柯勒照明中，灯丝的像成在系统的入瞳上，若使灯丝（发光面）的形状与入瞳相似，就能充分利用入瞳的孔径而传递更多的光能。因此设计时应根据被测物面的形状和入瞳形状来选择光源的发

22、光面形状。至于发光面的尺寸及光源的结构尺寸，还与仪器的结构尺寸有关，应按仪器总体要求的尺寸来选用合适的光源结构尺寸。,4满足光电系统的功能要求 对于直接检测系统，主要检测的是信息的光功率，这时要求光源稳定性要好，因为光源的功率波动是影响系统精度的主要因素。 对于测距系统除了要求光源稳定性外，还对光源的光功率有严格要求，因为测距系统的光功率直接影响作用距离。 对于相干检测系统，除了要求用相干光源外还对光源的单色性、稳频性能、平行性及光源尺寸等有要求。,在光电仪器的设计中，光源及照明系统有着十分重要的地位，设计者应根据使用要求选择合适的光源和照明系统。 在选用光源时还应考虑光源的供电系统复杂与否、

23、是否需要人工冷却、使用寿命、更换方便程度以及价格等因素。 设计时可采取一定措施来改变光源的某些性能，例如对普通的钨丝灯，改变灯丝电压后，电流、温度、光通量、发光效率以及寿命等均随之变化。,光学系统总体设计原则,光孔转接原则：多组基本光学系统组成的复杂光学系统，前组基本光学系统的光瞳应与后组基本光学系统的光瞳统一。物像空间不变式原则：由多个基本光学系统组成的共轴系统，物方的介质折射率、物高和物方孔径角三者的乘积等于像方的介质折射率、像高、像方孔径角三者的乘积，总是一个常数J。,第四节 放大镜,放大镜概述放大镜的工作原理放大镜的视放大率放大镜的光束限制,放大镜概述,放大镜又称助视镜，当被观察物体的

24、细节对眼睛的张角小于最小分辩角（1）时，眼睛便无法分辩其细节，只能借助于目视光学仪器将其放大后再去观察。由此引入视觉放大率。,放大镜的工作原理图,视觉放大率,定义：通过目视光学仪器观察物体时，其像对眼睛张角的正切与直接看物体时物体对眼睛张角的正切之比 视放大率是一种主观放大率（用人眼测量像的大小），不同于前面介绍的三种客观放大率。,放大镜的视放大率,当人眼直接观察物体时，一般把物体放在明视距离处（D=250 mm）当人眼通过放大镜观察物体时视放大率,其中,一般有,当 时（物体放在放大镜的物方焦点上）当 时（正常眼一般把观察点调焦到明视距离处）当 时,目镜,放大镜不仅可以直接对物体放大成像， 而

25、且也可以对一组光学系统的实像放大成像，用于这种场合的放大镜又称作目睛。,放大镜的光束限制,放大镜与人眼组合成一个组合系统孔径光阑：人眼瞳孔，又是出瞳视场光阑：放大镜，又是出、入窗视场光阑与物（像面）不重合，必产生渐晕,放大镜的光束限制图,提高放大镜放大率的可能性,一般说，我们将 确定为放大镜的视放大率。放大率取决于焦距，与焦距成反比。当单透镜的焦距不能减小时，放大率受到限制，于是，有了显微镜。,第五节 显微系统,显微系统的构成显微镜的成像原理显微镜的视放大率显微镜的分辨力显微镜的有效放大率显微镜中的光束限制,显微系统的构成,照明系统成像系统成像系统= 物镜目镜,显微镜成像系统工作原理,显微镜成

26、像系统工作原理,显微镜的视放大率（一）,人眼直接观察物体人眼观察显微镜的像显微镜的视放大率,显微镜的视放大率（二）,显微镜为两次放大，放大率为两次放大的乘积显微镜实质上就是一个组合的放大镜,显微镜的视放大率公式,=,对显微镜成像的几点分析,物平面应位于物镜的物方焦点到两倍焦距之间，以实现物镜的一级放大。物平面应位于整个显微镜组合物方焦点以外，并十分靠近物方焦点处，以使得物体经显微镜成像于250mm以外至处。显微镜可以通过调换不同倍率的物镜和目镜，方便迅速地获得显微镜的多种放大率。 显微镜因为有中间实像，可以在中间实像处放置分划板，能实现对物体的瞄准和测量。,例6-1：如果要求读数显微镜的瞄准精

27、度为0.001mm，求显微镜的放大率。,解 人眼直接观察0.001mm的物体所对应的视角为 人眼的视角分辨力为60，因此要求显微镜的视放大率为,分析,如果使用10的目镜，则根据公式可以求得物镜的放大倍数为由此可知，使用一个8的显微物镜即能满足要求。,显微镜的光束限制孔径光阑,低倍物镜为单组透镜，物镜框为孔径光阑高倍物镜为多组透镜，后组透镜框为孔径光阑测量显微镜用物方远心光路，孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上孔径光阑经目镜所成的像即为显微镜的出瞳 ，观察时，眼瞳要与出瞳重合 。显微镜的光束大小常用NA表示出瞳直径与入射光束的大小及放大率有关,NA：数值孔径,显微镜的光束限制视场光阑,显微镜要求无

28、渐晕成像，因而视场光阑须设置在物镜实像平面上 。显微镜的线视场为,显微镜属于小视场系统。,显微镜的分辨力,显微镜的分辨力取决于光学系统对光的衍射状况。 根据瑞利判断，两个相邻像点之间的间隔等于艾里斑的半径时，则能被光学系统分辨。显微镜的分辨力用所能分辨的物方最小距离表示道威判断：,提高显微镜分辨力的可能性,显微镜的分辨力主要取决于显微物镜的数值孔径NA提高数值孔径的方法是增大孔径角，物方孔径角U最大可达6070，因此，显微物镜属于大孔径系统。提高数值孔径的另一方法是提高物方空间的折射率，“油浸物镜”便是用于这一目的。（如杉木油或二碘甲烷等），可使数值孔径达到1.5光学显微镜的极限分辨距约为/3

29、。,提高显微镜分辨力的可能性,提高显微镜分辨率的另一途径就是用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级（10-9m）。,显微镜的有效放大率,有效放大率是对设计显微镜提出的技术要求有效放大率的确定原则： 被显微镜分辨的细节经显微镜放大后也要能被人眼所分辨。,显微镜的实际放大率,取人眼观察2 4时,显微镜应用的拓展,从对物体成像的特点来分，对近距离成像的光学系统都可以归类于显微镜，近代显微镜常在系统中加入其它镜组，以扩大显微镜的功能。,筒长无限

30、的显微物镜,优点：物镜和辅助物镜之间是平行光，有利于装配和调整，可以在其间加入棱镜、滤光片和偏振片，而不会引起像点位置的变化及产生双像、叠影等。,物镜 辅助物镜,显微摄影系统显微镜与摄影系统组合,摄影物镜直接置于目镜的后方，使目镜所成的虚像，成像在照相底片或CCD上。摄影物镜直接代替目镜，该目镜称为摄影目镜，为使整个共轭物像距不致于太大，目镜应设计成负光组。,数字显微镜,显微物镜的像面上，直接放置CCD接收器，连接到计算机上，还可以对显微镜的图像进行测量和实时处理，图像的大小也可以通过CCD靶面上的象素面积计算出来,第六节 望远系统,望远系统的组成望远系统的放大率望远系统的分类及特点望远系统的

31、分辨力望远系统的有效放大率望远系统的光束限制望远镜的辅助系统目镜,望远系统的组成及工作原理,组成：物镜+目镜特点：物镜的像方焦点重合于目镜的物方焦点。无焦系统,望远镜的工作原理图,改变目镜位置可以观察近距离物体,望远系统的放大率,人眼直接观察事物体对人眼的张角与物体对仪器的张角相等望远系统的视放大率等于仪器的角放大率视放大率还可以表示为,望远系统的分类,柯普勒型 特点：目镜焦距为正光组 有中间实像，成倒像 结构长伽利略型 特点：目镜焦距为负光组 无中间实像，成正立像 结构短,开普勒型,伽利略型,望远镜的分辨力,理论极限分辨角 望远镜的分辨力取决于入瞳直径D（mm）,有效放大率和工作放大率,有效

32、放大率是指望远系统的分辨角经放大后也恰能被人眼极限分辨角的放大率，即望远系统的分辨率与人眼分辨率相匹配的放大率。 =60/=D/2.3工作放大率是指满足人眼极限分辨率23倍时的放大率. =D相对孔径：D/f 。 f 为物镜焦距， D为入瞳直径,例题 经纬仪望远镜视觉放大率，使用夹线瞄准形式，求望远镜的瞄准精度。,解 夹线瞄准形式下眼睛的瞄准精度 则望远镜的瞄准精度,望远系统的光束限制,孔径光阑 ：望远镜的物镜框就是孔径光阑，也是入瞳，出瞳位于目镜像方焦点外侧附近。视场光阑 ：物镜像方焦面上的分划板是视场光阑，直径为： 或,开普勒型和伽利略型光束限制的比较,孔径光阑： 物镜框 眼瞳视场光阑： 分

33、划板 物镜框（有渐晕）渐晕光阑： 目镜 视场大小：,类型： 开普勒型 伽利略型,望远镜中的辅助系统转像系统,透镜转像 一般有两种形式，单组正透镜和双组正透镜 棱镜转像,透镜转像系统,单透镜组转像,双透镜组转像,棱镜转像系统,望远镜中的辅助系统场镜,场镜是一个正透镜组，将其放置在物镜的焦面上，可以在不改变系统放大率的前提下，改变轴外光束的走向，降低其在目镜上的高度，或让更多的光线通过系统，,场镜,物镜,目镜,目镜,目镜的放大率目镜的孔径与视场目镜的视度调节,目镜的放大率,目镜相当于放大镜 将位于焦点附近的物体成像于无限远至250mm处。,目镜的孔径和视场,目镜用反向光路来分析 入瞳即为望远系统的

34、出瞳，略大于人眼的瞳孔直径，焦距为25mm左右。目镜相对孔径 较小，属小孔径系统 目镜视场为 较大，属大视场系统,目镜的视度调节,目镜的调节是为了适应不同视度的人眼需要目镜的前后调节可以让物体的物距发生变化而获得不同远近距离的像，与人眼的远点距相匹配。目镜的调节量,第七节 照相和投影系统,摄影（照相）系统 包括光学照相机、电视摄像机、CCD摄像机和数码照相机等 投影系统 幻灯机、书写投影仪、液晶投影仪、放映机等,照相系统,组成 由摄影物镜和感光器件组成 感光器件：感光胶片、CCD、电子光学变像管、 电视摄像管 物镜 主要参数：焦距：f ； 视场： ； 相对孔径： 或光圈数：,摄影物镜（一）,焦

35、距 焦距决定成像的大小比例 拍摄远处物体 拍摄近处物体 航摄镜头的焦距可达数百毫米甚至数米,摄影物镜（二）,相对孔径 相对孔径决定像面照度 中心 边缘 光圈分值的方法：每增大一挡光圈值，对应的像平面照度依次减半。光圈值按公比 的等比级数变化,摄影物镜（三）,视场 视场决定摄影系统成像的范围，视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。 长焦距和短焦距物镜分别称作远摄物镜和广角物镜。普通照相机标准镜头的焦距介于两者之间,常用接收器规格,同一视场采用不同的接收器，要求的物镜焦距也不相同。胶片的尺寸大，要求物镜的焦距也大。CCD接收器小，镜头焦距也小。使用 6-15mm 镜头和一定大小CCD的数码相机

36、与使用 28-72mm镜头的传统胶卷相机的视场范围可以是完全一样的。使问题更复杂化的是，数码相机中使用的CCD 大小并非完全一样。一般人使用 135mm 胶卷的相机时，很容易根据视场要求选择镜头的类型。为使数码相机的此参数也容易识别，许多制造商都将CCD镜头的焦距用等价135mm胶片的焦距来标称，称作等价135mm典型的值。,普通相机与数码相机镜头的等价焦距,分辨力,摄影系统的分辨率是以像平面上每毫米内能分辨开的线对数来表示，其大小取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。摄影胶片的分辨力很容易达到200l/mm，CCD的分辨力取决于象素的大小，目前CCD的象素尺寸为614微米，对应的线对数为853

37、5l/mm。,摄影物镜的调焦,对不同距离的物体成像时，要保证像面位置不变，需要改变物镜位置，这一过程称为调焦外调焦 整组调焦 前组调焦内调焦,思考题,有一照相物镜，焦距为50 mm，拍摄不同距离时需进行调焦。当拍摄距离为1m时，计算物镜相对于拍摄距离时的调焦距离和方向。,思考题,上例中 若整组物镜由前片和后片组成，采用物镜中的前片进行调焦，设前片的焦距为 mm 。计算相对于拍摄距离时的调焦距离和方向 。,思考题,两透镜组成的系统，f1=500mm， f2=-400mm ，两透镜间距d =300mm，求组合透镜的焦距。若用透镜观察200m处的物体，负透镜应如何移动调焦才能使得像面的位置不变，此时

38、透镜组的焦距又为多少,投影系统,组成 照明系统投影物镜 照明系统：大多数采用柯拉照明方式 投影物镜： 主要参数：放大率 焦距 相对孔径 视场,投影物镜的光学参数,垂轴放大率由银幕尺寸对图片尺寸之比确定焦距 视场相对孔径,第八节 光电系统参数,直接光电检测系统的光学系统参数确定的主要依据是光电检测器件的噪声等效功率NEP。,（一）入瞳直径的计算 考虑图6-41所示的光电系统。,图6-41 光电系统1光源 2滤光片 3探测器,在光电系统中，要使系统能够正常工作，光学系统的作用应使检测器对特定光源的辐射能通量的响应至少应等于 。而 与所用探测的噪声等效功率NEP有关，即 ,通过光学系统入瞳进入系统的

39、辐射能通量为：,（二）探测器位于像面上的光电系统的光学结构及其参数 光电检测器的灵敏面位于像平面上或其附近，设计方法如下： 要求光源的像尽可能和光敏面大小相同，位置一致；使光学系统中的入瞳不产生渐晕。,光学系统的结构型式取决于物方孔径角 。如果 ，可用单透镜； ，则选用双透镜； 时，应采用三透镜。,图6-42 光源位于不同位置时的光电系统a）光源位于有限距离 b）光源位于无限远,2光源位于无限远处的单组透镜系统 图6-42b所示的结构中，检测器位于系统后焦平面上。 当光源和检测器确定后，物方孔径角和入瞳直径 可由式（6-66）和式（6-67）确定。对于光源位于无限远的情形， ，则 ，因此:,无

40、限远物体的尺寸用它的张角 表征，如果光源是圆形的，它所对的张角是 ，光源面积是 ，则入瞳直径为:,3筒长为无穷远的光学系统 该系统由前后两组透镜组成，光源1位于前组透镜的前焦平面上，检测器位于后透镜的后焦平面上，用薄透镜表示每组透镜，如图6-43所示。系统的放大率为:,图6-43 筒长为无穷远的光学系统1光源 2探测器,（三）光源像大于检测器的光电系统的光学参数,式（6-74）和式（6-75）也可应用于光源像恰好和检测器光敏面尺寸匹配的情况，检测器的面积由辐射源的像面积 代替，记为:,当光源位于无限远时，则,（四）检测器位于出瞳面上的光电系统的光学结构 把检测器安置在出瞳面上的最简单的光学系统

41、必须有两组透镜，由单透镜构成的该种系统示于图6-44中。前组透镜将光源成像于视场光阑上，在物方空间，光源的视场角为 。后组透镜将前组透镜成像于系统的出瞳面 上，即检测的光敏面上。,与其它结构设计一样，该系统设计时，应首先选定所使用的光源和检测器。如果光源位于有限距离上，物方孔径角由式（6-66）确定。,图6-44 检测器位于出瞳面上的结构1光源 2检测器,第九节 相干变换与检测系统设计,利用相干变换的方法来携带被测信息，可将信息加载于相干光波的振幅、频率和相位之中，因此相干检测比直接检测手段更丰富，测试精度和分辨力更高。,此时，干涉条纹不随时间改变，呈稳定的空间分布。随着相位差的变化，干涉条纹

42、强度的分布表现为有偏置的正弦分布。以此为基础形成的干涉测量技术称为干涉条纹检测技术。 当两束光的频率不同，即式（6-78）中 时，干涉条纹将以的角频率随时间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。,干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而后者又取决于光传输介质的折射率 对光的传播距离 的线积分，即,从式（6-80）中可以看出，光波传播介质折射率和光程长度都将导致相干光相位的变化，从而引起干涉条纹强度的改变。,二、干涉条纹光强检测法及其设计,在干涉场中确定的位置上用光电器件直接检测干涉条纹的光强变化称为条纹光强检测法。图6-45给出了一维干涉测长的实例。 由式（6-78）可知，单频光相干时，合成

43、信号的瞬时光强为：,若 随时间表变化，则合成光强是对 的积分：,图6-45 条纹光强检测a）原理示意图 b）波形图,式(6-85)表明， 越大，光强随相位的变化越明显，因此相干度 是衡量干涉条纹光强对比度的重要指标。在进行干涉条纹光强检测系统设计时应设法提高相干度。,上式表明光程差（测量范围） 越小，光源的单色性越好（ 小），值越大。式中的 是相干长度，当 等于相干长度时，干涉条纹消失。因此在做干涉条纹光强检测系统设计时，应尽量使其测量范围远小于相干长度。即选择相干性好的光源，测量范围又不必过大。,2光源的光束发散角影响 对于光干涉测量系统除了要求光源的单色性好以外，还要求平行光照明，否则引起

44、相位变化。对于平行平板干涉的情况，入射光束若有发散角 变化，而入射光不垂直反射镜的偏角为 时（见图6-46），可以算出由此引起的相干度 为,这表明由于 和 会引起空间每条相干光线的光程差不同，而使对比度下降。因此在设计时应采用好的平行光照明。且光线应垂直于反射镜入射。,图6-46 入射光束平行度的影响,3光电检测器的接收孔径光阑的影响 光电信号的质量不仅取决于干涉条纹的相干度，而且取决于接收器光阑和条纹宽度之间的比例关系。图6-47中，条纹光强空间分布为:,在任一位置 处，光电检测器的输出 为：,由此，对于不同位置 ，光电检测器的输出：,混频效率 或光阑宽度与条纹宽度之比 直接影响电信号的幅值

45、，可使干涉区域充分占据接收光阑，通过加大条纹宽度来增大 值。,图6-47 干涉条纹与接收光阑的关系,4合理选择透射与反射比，获得等光强干涉 相干涉两路光的波振幅 相等时，条纹对比度为1，即得到最好的条纹对比度，使信噪比大为增加。获得等光强干涉核心是光学系统设计时应使相干的两路光的透射率与反射率之比近似为1。 如图6-45所示为迈克尔逊干涉仪。为了获得等光强干涉，要求分光镜的反射率与透射率大致相等，测量镜与反射镜的反射率大致相等。,5共光路设计 遵守共光路设计原则可以减小外界温度变化和机械振动等对干涉测量的影响。使测量光路与参考光路处于相同的外部工作环境下，有利于提高相干检测系统的精度和稳定性。

46、 为了获得共光路干涉可采用如下方法： 将参考镜与被测物（或测量镜）放在同一光路中，如图6-48所示米勒干涉仪。 完全共路可采用散射板或渥拉斯顿棱镜等分光，图6-49是散射板共路干涉仪原理图。,图6-48 米勒干涉仪原理图,图6-49 散射板式共路干涉仪原理图1光源 2聚光镜 3针孔 4散射板 5被测凹面 6投影物镜 7成像物镜 8观察屏,三、干涉条纹相位检测法及其设计,干涉条纹相位检测法是用式（6-80）直接检测相位 的变化，有很好的稳定性和很高的精度。,图6-50是相位检测的泰曼格林干涉仪原理图，它在参考镜处使用压电器件驱动参考镜作周期性的运动。 压电器件驱动可以采用阶梯波、正弦波、锯齿波等

47、。不同的驱动方式产生的参考镜运动规律不同，因此求解 的方法也不同。,图6-50相位检测的泰曼格林干涉仪,干涉条纹相位检测系统要求相位检测精度高和相位信号稳定，对该系统设计时要注意：1. 参考镜的驱动应重复性好，且驱动稳定。2. 参考镜采用阶梯波驱动时，由于阶梯波的特点，驱动过程是：驱动静止（采样）驱动静止（采样），因此信息采集是间歇的，在采样过程中应避免压电器件蠕变影响。当采用正弦波驱动时驱动是连续的，由于振幅与检测点处波面相位差成正弦关系，当采用相位锁定法检测相位时有原理误差存在。而锯齿波法没有原理误差。3. 由于参考路与测量路是分置的，因此环境温度和振动的影响是重要误差因素，因而采用共光路

48、的相位干涉仪是好方法。4. 相位检测精度是关键，参考镜的不同驱动方式，其相位检测方法是不一样的，采用精度高且方法简便的相位检测是十分重要的。,四、干涉条纹的外差检测系统,光学外差检测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在光电检测器上进行光学混频。（一）光学外差检测原理 光学外差检测的原理如图6-51a所示。设入射信号光波的复振幅和参考光波的复振幅分别为,在光混频器上的输出光强为:,当和足够接近，探测器的输出信号变成 :,图6-51 光学外差探测原理a）原理图 b）频谱分布图,（二）光外差检测的特性 光外差干涉测量具有以下优点： （1）检测能力强； （2

49、）转换增益高； （3）信噪比高； （4）滤波性好； （5）稳定性和可靠性高。,（三）光外差检测系统设计要点 1光外差检测的空间条件 信号光和本振光的波前必须重合，也就是说，必须保持信号光和本振光在空间上的角准直。 为了研究两光束波前不重合对外差检测的影响，假设信号和本振光都是平面波。如图6-52所示，信号光的波前和本振光的波前有一夹角。分析中，假定本振光垂直入射，并令本振光为,图6-52 光外差探测的空间关系,信号光,由以上各式知，瞬时中频电流的大小与失配角 有关，为0时电流达到最大。实际中很难调到零，为了得到尽可能大的中频输出，只有 ，因此,上式表明，波长越长，光电检测器尺寸越小，容许的失配

50、角就越大。波长越短，空间准直要求也越苛刻。,2光外差检测的频率条件 光外差探测除了要求信号和本振光必须保持空间准直、共轴以外，还要求两者具有高度的单色性和频率稳定度。一般情况下，为了获得单色性好的激光输出，必须选用单模运转的激光器作为相干检测的光源。 信号光和本振光的频率漂移如不能限制在一定的范围内，则光外差检测系统的性能就会变坏。所以，在光外差检测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率和相位。通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得本振光，而信号光用调制的方法得到。,通过频率偏移获得本振光的方法：1. 利用塞曼效应使激光器输出的激光发生分裂，获得频移（1.51.8） MHZ的本振光；