光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

1、現(xiàn)代光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)版權(quán)所有， 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc.常 軍B介紹 在光學(xué)、光電子學(xué)基本知識和相關(guān)知識的基礎(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n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。n學(xué)會解決這些問題的綜合分析和處理方法。n掌握進(jìn)行儀器中的光學(xué)總體設(shè)計(jì)的知識和能力。n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

2、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、Handbook of OpticsII (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)（Photoelectr

3、onics）應(yīng)運(yùn)而生，激光與光纖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。n從機(jī)理分：光傳感、光通訊、光學(xué)信息處理n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)

4、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、ProjectorScanner、相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)大型光學(xué)工程n天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡n空間光學(xué)哈勃、NGST、HRISn激光核聚變NIFn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n光學(xué)自身發(fā)展的推動激光、全息以及光子學(xué)、衍射光學(xué)n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)n國家和社會的需求國防、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、

5、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n發(fā)展到常規(guī)光學(xué)的極限，需要新技術(shù)、新手段n光學(xué)人才的短缺n美國在大型、高精度領(lǐng)域領(lǐng)先n德國在中型高精度領(lǐng)域領(lǐng)先n日本在中小型、中精度領(lǐng)域領(lǐng)先n中國處于中等水平但發(fā)展很快二、研究內(nèi)容和方法n應(yīng)用物理光學(xué)、幾何光學(xué)等知識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)研究光學(xué)總體性能（光度、成像以及噪聲）評價(jià)n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)n“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）

6、n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。n光學(xué)儀器的質(zhì)量指標(biāo)n功能指標(biāo)n可靠性指標(biāo)n工藝學(xué)指標(biāo)n人機(jī)學(xué)指標(biāo)n美學(xué)指標(biāo)n標(biāo)準(zhǔn)化（歸一化）指標(biāo)n經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)n專利權(quán)指標(biāo)n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)n光信息傳遞過程n評價(jià)光學(xué)總體性能標(biāo)準(zhǔn)與方法n光度特性光能n成像特性充分細(xì)節(jié)n噪音（對比）特性穩(wěn)定信號且有足夠?qū)Ρ刃阅茉u價(jià)一般方法n前蘇聯(lián)提出n主要物理量 J、MTF、D、L、f、 n中國有人提出（光信號強(qiáng)度）（分辨能力）（信噪比）（信息速率）100

7、1ftgCm2222OMMJkFn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)MTF 0.063方案2：棱鏡式光學(xué)系統(tǒng)通光效率 64.7%光學(xué)MTF 0.81n性能評價(jià)、比較n作用距離n成像質(zhì)量人眼接收到的像方MTFMTF眼=MTF物MTF光 MTF屏 =0.6 0.063 0.7=0.02 MTF眼有效 0.026n結(jié)論：應(yīng)選擇方案2四、光度量制與光度學(xué)基本公式n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)。n輻射源特性n光譜特性n能量特性n角度特性cosOII 輻射度量和光度量表 定義、符號、單位和

8、量綱對照表輻射度量制光度量制名稱表達(dá)式單位及符號名稱表達(dá)式單位及符號量綱輻 射能焦耳(J)光量流明秒(lm.s)ML2T輻 射密度J/m3光密度流 明 秒 / 米3(lm.s/m3)ML-1T-2輻 射通量瓦(W)光光通通量量流明(lm)ML2T-3面 輻射度W/m2面發(fā)光度lm /m2MT-3輻 射照度W/m2光光照照度度勒克斯(lx )MT-3輻 射強(qiáng)度W/sr發(fā)發(fā)光光強(qiáng)強(qiáng)度度坎德拉(cd)ML2T-3 -1輻 射亮度W/m2 .sr光光亮亮度度cd/m2MT-3 -1dSdEeedVdQWeedtdQeedsdReeddIeeddsdLee2dSdEppdVdQWppdtdQppdsdR

9、ppddIppddsdLpp2dQQre)(dQKQrp)()( 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n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)。n基本量n輻射通量（功率）、輻射強(qiáng)度、輻（射）出射度和輻射照度、輻射亮度n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dsdMee 人眼視見函數(shù) 視覺敏感波段可見光

10、（400760nm） 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（）。V(555)=1 V(600)=0.631 V(500)=0.323 n光出射度和光照度n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）n得到使近軸點(diǎn)成像理想的正弦條件：n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

11、物像空間不變式： 二、幾何光學(xué)基本定律 n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。n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。n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。n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n1) 球差;n2) 彗差

12、;n3) 像散;n4) 場曲;n5) 畸變;n6) 軸向色差;n7) 垂軸色差;n子午面和弧矢面的定義1、球差n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;n球差校正曲線圖2、彗差n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n1/f=(n-1)(1/r1-1/r2) ,不同顏色光焦距不同;n紅光的像面最長，紫光的像面最短；7、垂軸色差ny= f * tan (w);n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 n 光學(xué)信息

13、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”）n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 n對于數(shù)碼相機(jī)，最高有400萬pixelsn對135膠片：36mm24mm n國標(biāo)要求：50lp/mm（軸上），取平均值40 lp/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n1)自相關(guān)法；n2)快速傅立葉變換法；n3)點(diǎn)列圖方法。n 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)會議統(tǒng)一稱為光學(xué)傳遞函數(shù)（optca

14、l transfer function） n 1939年，-檢驗(yàn)照相物鏡發(fā)現(xiàn)“偽超分辨率”現(xiàn)象。 n 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n1948年，C.E.Shamnon 建立信息量量度概念和方法。 n1953年，O.H.Schade 研究電視過程的成像。 其它評價(jià)要求幾何像差波像差 分辨率 其中主要用于光學(xué)設(shè)計(jì)階段，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2細(xì)節(jié)，特征頻率?。?

15、n由人眼觀察，確定MTF值：n 人眼MTF=0.026；在 0.51,則 2、電視攝像物鏡 n電視系統(tǒng)（攝像管）特征頻率12 lp/mm； n1/3CCD Nyquist頻率77 lp/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）nM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。nM物-要求分辨物體亮度差20%，即 3、電影攝影物鏡 n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。=50 lp/mm處（驗(yàn)收鏡頭一般以此

16、N0的鑒別率板拍攝情況作標(biāo)準(zhǔn)） n電影膠片的截止頻率一般為：70100 lp/mm；n一般取特征頻率N0= 50 lp/mm下，MTF0 0.5。 4、望遠(yuǎn)系統(tǒng) n特征頻率接近截止頻率。nD徑要足夠大，以保證理想角分辨大于要求的角分辨能力。n處理方法與顯微鏡類似。 5、照相物鏡MTF指標(biāo) 35mm（畫幅3624mm2）照相鏡頭 級 特征頻率特征頻率 視場視場 孔徑孔徑 10 lp /mm 30 lp /mm 軸上軸上 軸外軸外 0.707y 軸上軸上 軸外軸外0.707y 全口徑全口徑 0.6 0.3 0.3 0.15 F8 0.75 0.4 0.4 0.2 n電影物鏡電影物鏡MTF指標(biāo)（提案

17、）指標(biāo)（提案） 特征頻率特征頻率 視場視場 孔徑孔徑 4060 lp /mm 70100 lp /mm 0.5y 0.707y 0.5y 0.707y 全口徑全口徑 0.5 0.5 （3050 lp/mm ） 0.15 0. 15 ( 5080 lp/mm ） n航攝制圖物鏡航攝制圖物鏡MTF指標(biāo)（提案）指標(biāo)（提案） 特征頻特征頻率率 視場視場 孔徑孔徑 15 lp /mm 0 20 30 40 全口徑全口徑 0.82(T) 0.48(T） 0.33(T) 0.44(T) 0.82(S) 0.54(S) 0.48(S) 0.24(S) 瑞利分辨率極限瑞利分辨率極限 理論分辨率極限理論分辨率極限

18、 顯微顯微物鏡物鏡 n n 望遠(yuǎn)望遠(yuǎn)物鏡物鏡 n n 照相照相物鏡物鏡 n n 第四章 光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸 和參數(shù)計(jì)算一、光學(xué)系統(tǒng)的分類二、設(shè)計(jì)實(shí)例一、 光學(xué)系統(tǒng)的分類1、 望遠(yuǎn)系統(tǒng)：物像均在無窮遠(yuǎn)的光學(xué)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。n外形尺寸：長度（軸向）/口徑（徑向）n參數(shù)：f,w（或畫幅），D/f確定外形尺寸的基本原則：n1、 拉氏不變量和象差的校正n2、 光度特性不同系統(tǒng)中的一般典型關(guān)系：n望遠(yuǎn)-倍率與長度的關(guān)系（倍率長度）n攝影-光度與象差n顯影-精度與孔徑n變焦-變焦比與像面穩(wěn)定3 變焦距光學(xué)系統(tǒng) nA) 變焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)(Variable focal length lens) -varifocal n焦距變、焦點(diǎn)也變，需像面移動補(bǔ)償像面位移；n應(yīng)用場合：手動調(diào)焦，投影鏡頭（focus環(huán)） nB) 變焦距光學(xué)系統(tǒng)（Zoom Lens）（變倍率鏡頭）n焦距變、焦點(diǎn)不變，即像面位移在焦深范圍內(nèi)。分為光學(xué)補(bǔ)償、機(jī)械補(bǔ)償兩大類。 n光學(xué)補(bǔ)償-運(yùn)動鏡組一體運(yùn)動（同向/同速） ;n優(yōu)點(diǎn)：不需凸輪（或螺旋線CA