光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日被測對象光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)光電探測器調(diào)理電路光源控制電路計(jì)算機(jī)顯示與控制現(xiàn)代光學(xué)儀器構(gòu)成框圖作用：將光束變成平行光束、發(fā)散光束、會(huì)聚光束或其他形式結(jié)構(gòu)的光束作用：利用顯微系統(tǒng)、照相系統(tǒng)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)及調(diào)制器、濾波器將來自被測對象的光變成光電傳感器能接收的光第二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)：1、信息加載于光波，非接觸、不破壞2、光波傳播速度快，可實(shí)時(shí)測量控制3、波長短，測量精度高4、具有很高的空間分辨率5、可進(jìn)行圖像處理第三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)人眼和光電探測器

人眼是一個(gè)完整的成像光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)又是目視光學(xué)系統(tǒng)的接收器，可以看成是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。一、人眼結(jié)構(gòu)二、人眼的調(diào)節(jié)和適應(yīng)三、人眼的分辨率和瞄準(zhǔn)精度四、人眼的屈光度誤差及其校正第四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日人眼的結(jié)構(gòu)

人眼的生理結(jié)構(gòu)人眼的光學(xué)結(jié)構(gòu)－簡約眼人眼相當(dāng)于照相機(jī)第五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日人眼的結(jié)構(gòu)黃斑盲點(diǎn)角膜前室虹彩視軸后室水晶體鞏膜脈絡(luò)膜網(wǎng)膜第六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日簡約眼

眼睛簡化成一個(gè)折射球面的模型，即簡約眼

折射面的曲率半徑像方介質(zhì)的折射率網(wǎng)膜的曲率半徑物方焦距像方焦距光焦度5.56mm1.3339.7mm-16.70mm22.26mm59.88D屈光度D=1/f，f表示焦距。一般以焦距1米的透鏡屈光度為1D(即1焦度)。第八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日簡約眼模型n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7第九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日人眼與照相機(jī)

眼睛如同一只自動(dòng)變焦和自動(dòng)改變光圈大小的照相機(jī)。從光學(xué)角度看，眼睛中三個(gè)最重要的部分是水晶體、瞳孔和網(wǎng)膜，它們分別對應(yīng)與照相機(jī)中的鏡頭、光闌和底片。第十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日人眼的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)：眼睛通過睫狀肌作用改變光焦度的大小以看清不同距離物體的過程稱為調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)點(diǎn)：眼睛能看清的最遠(yuǎn)點(diǎn)稱為遠(yuǎn)點(diǎn)，用r表示近點(diǎn)：眼睛能看清的最近點(diǎn)稱為近點(diǎn)，用p表示調(diào)節(jié)范圍：調(diào)節(jié)范圍A表示為遠(yuǎn)點(diǎn)距和近點(diǎn)距的倒數(shù)之差

A、R、P的單位是屈光度（D），。

第十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日眼睛在不同年齡時(shí)的調(diào)節(jié)能力和調(diào)節(jié)范圍年齡1020304050607080近點(diǎn)距(cm)-7-10-14-22-40-20010040遠(yuǎn)點(diǎn)距（cm)2008040A=R-P(屈光度)141074.52.510.250第十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日人眼的適應(yīng)

眼睛能適應(yīng)不同亮暗環(huán)境的能力稱為適應(yīng)。適應(yīng)可分為明適應(yīng)和暗適應(yīng)。前者發(fā)生在由暗處到亮處時(shí)，適應(yīng)時(shí)間大約幾分鐘；后者發(fā)生在由亮處到暗處時(shí)，適應(yīng)時(shí)間大約30-60分鐘。

第十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日人眼的分辨力明視距離：人眼在近距離工作時(shí)的通常距離250mm.分辨力：眼睛能分辯兩個(gè)很靠近的點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率。D為瞳孔直徑。最小分辨角：能夠分辯的最近兩點(diǎn)對眼睛的張角稱為眼睛的最小分辯角：60秒最小分辨距離：在明視距離處（250mm）最小分辨角對應(yīng)的線量：0.0725mm。第十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日人眼的屈光度誤差及其校正

正常人眼完全放松時(shí)，眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)在無限遠(yuǎn)，則稱其為正常眼，反之，稱為非正常眼。非正常眼主要有以下三種類型：

近視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)距為負(fù)值，有限遠(yuǎn)

遠(yuǎn)視眼：遠(yuǎn)點(diǎn)距為正值，有限遠(yuǎn)

散光眼：

兩個(gè)垂直子午面的遠(yuǎn)點(diǎn)距不同第十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日近視眼

-r第十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日遠(yuǎn)視眼：

r第十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日光電探測器真空光電器件固體光電器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光電耦合器光中斷器位置傳感器PSD自掃描光電二極管陣列SSPD電荷耦合器件CCD互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管CMOS由于人眼的局限性（頻率高于24Hz，波長在0.4-0.79μm之外，有害環(huán)境均無法工作），發(fā)展了各種光電器件，大大擴(kuò)展了人眼的感受范圍。第十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日光電探測器的選擇原則探測器輸出電信號大小與測量光信號大小的關(guān)系；探測器的光譜響應(yīng)范圍與測量光信號的光譜范圍是否一致；探測器能探測的最小信號功率；探測調(diào)制信號或脈沖光信號時(shí)，響應(yīng)時(shí)間是否一致。第十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)光源及照明系統(tǒng)光電測量中，光是信息的載體，光源及照明系統(tǒng)的質(zhì)量對光電測量往往起著關(guān)鍵的作用。本節(jié)將對光源的特性、光源的種類、照明光學(xué)系統(tǒng)及光源選用等問題加以介紹。

注：應(yīng)用中宜采用發(fā)光效率高的光源以節(jié)省能源。一、光源的基本參數(shù)1．發(fā)光效率在給定的波長范圍內(nèi)，某一光源所發(fā)出的光通量與產(chǎn)生該光通量所需要的功率之比，稱為該光源的發(fā)光效率，表示為:（6－8）式中，為該光電測量系統(tǒng)的光譜范圍。第二十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日2．光譜功率譜分布光源輸出的功率與光譜有關(guān)，即與光的波長有關(guān)，稱為光譜的功率分布。常見的有四種典型的分布，如圖6-6所示。

圖6-6典型光源功率譜分布a)線狀光譜b)帶狀光譜c)連續(xù)光譜d)復(fù)合光譜a如低壓汞燈光譜；b如高壓汞燈光譜；c如白熾燈、鹵素?zé)艄庾V；d如熒光燈光譜。

注：在選擇光源的時(shí)候，應(yīng)選擇光譜功率分布的峰值波長與光電器件的靈敏波長相一致；目視測量，可選用可見光譜輻射比較豐富的光源；目視瞄準(zhǔn)，宜選用綠光光源；彩色攝像應(yīng)采用白熾燈、鹵素?zé)糇鞴庠?。紫外和紅外測量，宜選用相應(yīng)的紫外燈（氙燈、紫外汞燈）和紅外燈。第二十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日3．空間光強(qiáng)分布特征由于光源發(fā)光的各向異性，許多光源的發(fā)光強(qiáng)度在各個(gè)方向是不同的。若在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強(qiáng)度相同的點(diǎn)連線，就得到該光源在該截面的發(fā)光強(qiáng)度曲線，稱為配光曲線，如圖6-7所示為HG500型發(fā)光二極管的配光曲線。為提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。為了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦點(diǎn)應(yīng)位于光源的發(fā)光中心。

第二十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-7HG500發(fā)光二極管的配光曲線

第二十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日4．光源的溫度和顏色任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，就向外界發(fā)出輻射，稱為溫度輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，其輻射本領(lǐng)表示為：式中，為輻射本領(lǐng)；為吸收率，當(dāng)時(shí)的物體稱為絕對黑體。

黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對于一般的光源，它的某些特征常用黑體輻射特征近似地表示，其溫度常用色溫或相關(guān)色溫表示。色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。相關(guān)色溫：光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。注：在光電測量中為了減少光源溫度對測量的影響，應(yīng)采用冷光源或者設(shè)法減少熱輻射的影響。第二十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日二、光電測量中的常用光源

物體溫度大于絕對零度時(shí)就會(huì)向外輻射能量，輻射以光子形式進(jìn)行，我們就會(huì)看到光。1．太陽光

太陽向地球輻射熱我們稱之為陽光。陽光是復(fù)色光，太陽光源是很好的平行光源。

2．白熾燈白熾燈靠燈泡中的鎢絲被加熱而發(fā)光，它發(fā)出連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、簡單、可靠、壽命比較長，得到廣泛的應(yīng)用。真空鎢絲燈是將玻璃燈泡油成真空，充氣燈泡是燈泡內(nèi)充氬、氮等惰性氣體，鹵素?zé)羰菬襞輧?nèi)充有鹵族元素（氯化碘、溴化硼等）。

白熾燈的供電電壓對燈的參數(shù)（電流、功率、壽命和光通量）有很大的影響，其關(guān)系如下所示：第二十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日3．氣體放電光源

利用氣體放電原理來發(fā)光的光源稱為氣體放電光源。特點(diǎn)：

1）發(fā)光效率高，比白熾燈高2～10倍，可節(jié)省能源。

2）結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊。

3）壽命長，大約是白熾燈的2～10倍，可節(jié)省能源。

4）光色范圍大，如晉通高壓汞燈發(fā)光波長大約為400～500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色（589nm），氙燈近日色，而水銀熒光燈為復(fù)色。

由于以上特點(diǎn)氣體放電光源經(jīng)常被用于工程照明和光電測量之中。第二十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日4．半導(dǎo)體發(fā)光器件在電場的作用下使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件稱為半導(dǎo)體發(fā)光器件，又稱為注入式場致發(fā)光光源，通常稱為LED。

圖6-8半導(dǎo)體發(fā)光二級管a)原理圖b)外觀圖c)器件符號第二十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日常用發(fā)光二級管材料及性能如表6-1所示。材料光色

峰值波長

光譜光視效能紅65070黃589450綠565610紅外910紅外940表6-1發(fā)光二級管性能半導(dǎo)體發(fā)光二極管既是半導(dǎo)體器件也是發(fā)光器件，因此其工作參數(shù)有電學(xué)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)。第二十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日5．激光光源激光又稱為受激發(fā)射光，能激發(fā)出激光并能實(shí)現(xiàn)激光的持續(xù)發(fā)射的器件稱為激光器。激光特點(diǎn)：單色性好，相干能力強(qiáng)，方向性好、亮度高，在光電測量中常用作相干光源。激光器三大要素：激光工作物質(zhì)，激勵(lì)能源和光學(xué)諧振腔。激光器分類：固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器。激勵(lì)系統(tǒng)：光激勵(lì)、電激勵(lì)、核激勵(lì)和化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等。光學(xué)揩振腔用以提供光的反饋，以實(shí)現(xiàn)光的自激振蕩，對弱光進(jìn)行放大，并對振蕩光束方向和頻率進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)選頻，保證光的單色性和方向性。

第二十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日

在光電測量中應(yīng)用最多的是He-Ne氣體激光器，因?yàn)镠e-Ne激光器發(fā)出的激光單色性和方向性好。

He-Ne激光器的光振幅分布如圖6-9的高斯分布，其表達(dá)式為：（6－10）激光束的發(fā)散角：在球面鏡表面上，光斑半徑為：處的光斑半徑最小，稱為束腰半徑：第三十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-9高斯光束及束腰半徑第三十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日在選擇和使用He-Ne激光器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）要注意激光的模態(tài)。

在用He-Ne激光器作光電測量的光源時(shí)，一般都選用單模激光。激光的模態(tài)記作，其中為縱模序數(shù)，、為橫模序數(shù)。對于單模激光，其模態(tài)為。觀察激光輸出的光斑形狀發(fā)現(xiàn)，光斑形狀較為復(fù)雜，如圖6-10所示。圖6-10激光的橫模a）TEM00模b）TEM10模c）TEM13模d）TEM11模在光電測量中選用的激光光斑形狀應(yīng)為均勻的圓形光斑，即選TEM00橫模。第三十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日（2）功率。光電測量中所用的He-Ne激光光源功率一般在十幾之間。（3）穩(wěn)功率和穩(wěn)頻。He-Ne激光器輸出的功率變化較大，在精度較高的光電測量中，應(yīng)對He-Ne激光器穩(wěn)功率。此外，在相干測量中光的波長是測量基準(zhǔn)，因此要求波長很穩(wěn)定，而波長與光頻率的關(guān)系為：（6－14）由，上式可寫為：（6－15）因此，穩(wěn)波長實(shí)質(zhì)就是穩(wěn)光頻，即要采用穩(wěn)頻技術(shù)。另，穩(wěn)頻對穩(wěn)功率也有作用。（4）激光束的漂移。雖然He-Ne激光具有很好的方向性和單色性，但它也是有漂移的，當(dāng)作用精密尺寸測量和準(zhǔn)直測量時(shí)尤應(yīng)注意。第三十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體激光器：

簡稱LD，它是用半導(dǎo)體材料制成的面結(jié)型的二極管。原理圖如圖6-11、6-12所示

在使用半導(dǎo)體激光器時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）作為平行光照明時(shí)應(yīng)該用柱面鏡將光束整形，再用準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直。（2）頻率穩(wěn)定性。LD光的單色性、相干性較差，因此用LD作相干光源且測量距離又較大時(shí)，必須對LD穩(wěn)頻。LD的穩(wěn)頻法主要有吸收法和電控法。（3）調(diào)頻。改變LD的注入電流會(huì)使LD的輸出頻率產(chǎn)生的變化。如果注入電流是按某一頻率變化規(guī)律來變化，那么輸出的激光將被調(diào)頻。這種調(diào)頻是在LD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，故稱為內(nèi)調(diào)制。由此原理制成的半導(dǎo)體激光器可用于外差測量。第三十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-11半導(dǎo)體發(fā)光原理圖

圖6-12半導(dǎo)體激光器的工作原理圖第三十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日三、照明系統(tǒng)照明對光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量起著非常重要的作用，照明的種類繁多，用途也非常廣泛。本節(jié)只介紹光電系統(tǒng)中常用的照明方式。

（一）、照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求：

1）保證足夠的光能。

2）有足夠的照明范圍，照明均勻。

3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳。

4）應(yīng)盡量減少雜光進(jìn)入物鏡，以保證像面的對比度。

5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響。根據(jù)這些要求，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兩個(gè)原則：1）光孔轉(zhuǎn)接原則。即照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)該與物鏡的入瞳重合，否則照明光束不能充分利用。如圖6-13所示，由于光瞳不重合，成像光束僅為照明光束的一部分，光束的陰影部分被物鏡的入瞳遮擋，不能參與成像。第三十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-13光孔轉(zhuǎn)接示意圖

第三十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日2）照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量。拉赫不變量:表示光學(xué)系統(tǒng)在近軸區(qū)成像時(shí)，在物像共軛面上，物體的大小、成像光束的孔徑角、物空間介質(zhì)的折射率的乘積為一常數(shù)。是表征光學(xué)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要參數(shù),如圖6-14所示。

圖6-14拉赫來變量示意圖第三十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日在顯微光學(xué)系統(tǒng)的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，按照要求2），可得，如圖6-15所示。圖6-15顯微光學(xué)系統(tǒng)拉赫不變量示意圖

由于顯微鏡的放大倍率很高，成像光束的像方孔徑很小，并且被觀察的物體通常是不發(fā)光的，為了獲得清晰的圖像，必須保證充足的照明。第三十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日（二）照明的種類1．直接照明直接照明按照明方法分為透射光亮視場照明，反射光亮視場照明，透射光暗視場照明，反射光暗視場照明，分別如圖6-16a、b、c、d所示，圖中陰影部分為照明光場。按光源類型分為白熾燈照明、光纖照明等。

圖6-16直接照明四種類型a）透射光亮視場照明b）反射光亮視場照明c）透射光暗視場照明d）反射光暗視場照明第四十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日2．臨界照明

光源所出的光通過聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式稱為臨界照明。如圖6-17所示：

圖6-17臨界照明

照明光源燈絲成像到物平面上，這種照明在視場范圍內(nèi)有最大的亮度，而且沒有雜光。缺點(diǎn)是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，并且不滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。第四十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日3．遠(yuǎn)心柯勒照明如圖6-18所示，集光鏡將光源成像到聚光鏡的前焦面上，孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠(yuǎn)心光路，視場光闌被聚光鏡成像到物面上。

圖6-18遠(yuǎn)心柯勒照明缺點(diǎn)：臨界照明中物平面照度不均勻的；優(yōu)點(diǎn)：孔徑光闌大小可調(diào)，經(jīng)聚光鏡成像于物鏡的入瞳位置，滿足光孔轉(zhuǎn)接原則，又充分利用了光能?？讖焦怅@大小決定了照明系統(tǒng)的孔徑角、分辨力和對比度，視場光闌控制照明視場的大小，避免雜光進(jìn)入物鏡。第四十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日

4．光纖照明

光纖照明因照明均勻、亮度高、光源熱影響小而得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)照明光線端部排列形式和光束出射方向，分為環(huán)形光纖照明和同軸光纖照明等。

圖6-19所示是一環(huán)形光纖照明光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過聚光鏡耦合進(jìn)入光纖束，光纖束在另一端分束，形成一環(huán)形光纖排。光纖照明光能集中，能獲得較均勻的高亮度照明區(qū)域。并且照明部分遠(yuǎn)離光源，解決了光源散熱對被測物體的影響。圖6-19光纖照明

1-光源2-聚光鏡闌3-光纖束4-環(huán)形光纖排第四十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日5．同軸反射照明

如圖6-20所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過物鏡7投射到物體8上，物鏡本身兼做聚光鏡。物鏡將物面成像到CCD9的光敏面上。

這種照明系統(tǒng)可以檢測反射鏡面上的缺陷。如果被測表面是鏡面，則鏡面的反射光線全部進(jìn)入物鏡成像，因此整個(gè)圖像都是白色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點(diǎn)或者污漬時(shí)，所產(chǎn)生的漫反射光線進(jìn)入物鏡的甚少，因此圖像上將產(chǎn)生黑色的斑點(diǎn)。圖6-20同軸照明

1-光源2-集光鏡3-孔徑光4-視場光闌5-聚光鏡6-分光鏡7-物鏡8-物面9-CCD第四十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日

四、光源及照明系統(tǒng)的選擇

正確地選用光源是充分而又有效地滿足儀器使用要求的必要條件。在選擇光源時(shí)，一般應(yīng)考慮以下幾方面的問題。

1．光源的光譜能量分布特性

光源的光譜能量分布首先應(yīng)滿足儀器使用上的要求。例如在干涉儀中，光源的波長是儀器的標(biāo)準(zhǔn)器，因此其單色性應(yīng)滿足測量精度及測量范圍的要求。在非相干照明中，光源的光譜分布應(yīng)與接收器的光譜響應(yīng)相匹配，可節(jié)省能量，提高檢測信號的信噪比。在目視儀器中，視場的背景最好是適宜人眼的黃綠色，而將有害的紅外輻射（它可能引起儀器的熱變形）用濾色片濾去。若儀器中有幾個(gè)不同的接收器共用一個(gè)光源，則光源的光譜分布要能兼顧各接收器的響應(yīng)。

第四十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日2．光度特性在精密測量中，被測對象一般都不是發(fā)光體，所以必須進(jìn)行人工照明，使被測物體達(dá)到一定的照度。在以光電元件為接收器的儀器中，被測物體光照強(qiáng)度有利于提高信噪比及后繼電路的處理；而在目視儀器中，視場應(yīng)有足夠的照度，這在大屏幕投影測量系統(tǒng)中問題較為突出?？傊瑧?yīng)根據(jù)使用要求及接收器的性能來考慮對光源的光強(qiáng)要求。

3．發(fā)光面的形狀、尺寸及光源的結(jié)構(gòu)

在臨界照明系統(tǒng)中是將燈絲（發(fā)光體）成像在被測物面上，因此燈絲發(fā)光面的形狀與被測物相似才能獲得均勻而又有效的照明。在柯勒照明中，燈絲的像成在系統(tǒng)的入瞳上，若使燈絲（發(fā)光面）的形狀與入瞳相似，就能充分利用入瞳的孔徑而傳遞更多的光能。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)被測物面的形狀和入瞳形狀來選擇光源的發(fā)光面形狀。至于發(fā)光面的尺寸及光源的結(jié)構(gòu)尺寸，還與儀器的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，應(yīng)按儀器總體要求的尺寸來選用合適的光源結(jié)構(gòu)尺寸。第四十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日4．滿足光電系統(tǒng)的功能要求對于直接檢測系統(tǒng)，主要檢測的是信息的光功率，這時(shí)要求光源穩(wěn)定性要好，因?yàn)楣庠吹墓β什▌?dòng)是影響系統(tǒng)精度的主要因素。對于測距系統(tǒng)除了要求光源穩(wěn)定性外，還對光源的光功率有嚴(yán)格要求，因?yàn)闇y距系統(tǒng)的光功率直接影響作用距離。對于相干檢測系統(tǒng)，除了要求用相干光源外還對光源的單色性、穩(wěn)頻性能、平行性及光源尺寸等有要求。

在光電儀器的設(shè)計(jì)中，光源及照明系統(tǒng)有著十分重要的地位，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)使用要求選擇合適的光源和照明系統(tǒng)。在選用光源時(shí)還應(yīng)考慮光源的供電系統(tǒng)復(fù)雜與否、是否需要人工冷卻、使用壽命、更換方便程度以及價(jià)格等因素。設(shè)計(jì)時(shí)可采取一定措施來改變光源的某些性能，例如對普通的鎢絲燈，改變燈絲電壓后，電流、溫度、光通量、發(fā)光效率以及壽命等均隨之變化。第四十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則光孔轉(zhuǎn)接原則：多組基本光學(xué)系統(tǒng)組成的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，前組基本光學(xué)系統(tǒng)的光瞳應(yīng)與后組基本光學(xué)系統(tǒng)的光瞳統(tǒng)一。物像空間不變式原則：由多個(gè)基本光學(xué)系統(tǒng)組成的共軸系統(tǒng)，物方的介質(zhì)折射率、物高和物方孔徑角三者的乘積等于像方的介質(zhì)折射率、像高、像方孔徑角三者的乘積，總是一個(gè)常數(shù)J。第四十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)放大鏡放大鏡概述放大鏡的工作原理放大鏡的視放大率放大鏡的光束限制第四十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日放大鏡概述放大鏡又稱助視鏡，當(dāng)被觀察物體的細(xì)節(jié)對眼睛的張角小于最小分辯角（1’）時(shí)，眼睛便無法分辯其細(xì)節(jié)，只能借助于目視光學(xué)儀器將其放大后再去觀察。由此引入視覺放大率。第五十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日放大鏡的工作原理圖第五十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日視覺放大率

定義：通過目視光學(xué)儀器觀察物體時(shí)，其像對眼睛張角的正切與直接看物體時(shí)物體對眼睛張角的正切之比

視放大率是一種主觀放大率（用人眼測量像的大?。煌谇懊娼榻B的三種客觀放大率。第五十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日放大鏡的視放大率

當(dāng)人眼直接觀察物體時(shí)，一般把物體放在明視距離處（D=250mm）當(dāng)人眼通過放大鏡觀察物體時(shí)視放大率其中第五十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日一般有當(dāng)時(shí)（物體放在放大鏡的物方焦點(diǎn)上）當(dāng)時(shí)（正常眼一般把觀察點(diǎn)調(diào)焦到明視距離處）當(dāng)時(shí)第五十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日目鏡放大鏡不僅可以直接對物體放大成像，而且也可以對一組光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)像放大成像，用于這種場合的放大鏡又稱作目睛。第五十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日放大鏡的光束限制放大鏡與人眼組合成一個(gè)組合系統(tǒng)孔徑光闌：人眼瞳孔，又是出瞳視場光闌：放大鏡，又是出、入窗視場光闌與物（像面）不重合，必產(chǎn)生漸暈第五十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日放大鏡的光束限制圖第五十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日提高放大鏡放大率的可能性一般說，我們將確定為放大鏡的視放大率。放大率取決于焦距，與焦距成反比。當(dāng)單透鏡的焦距不能減小時(shí)，放大率受到限制，于是，有了顯微鏡。第五十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第五節(jié)顯微系統(tǒng)

顯微系統(tǒng)的構(gòu)成顯微鏡的成像原理顯微鏡的視放大率顯微鏡的分辨力顯微鏡的有效放大率顯微鏡中的光束限制第五十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微系統(tǒng)的構(gòu)成照明系統(tǒng)＋成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)=物鏡＋目鏡

第六十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日

顯微鏡成像系統(tǒng)工作原理第六十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡成像系統(tǒng)工作原理第六十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的視放大率（一）人眼直接觀察物體人眼觀察顯微鏡的像顯微鏡的視放大率第六十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的視放大率（二）

顯微鏡為兩次放大，放大率為兩次放大的乘積顯微鏡實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)組合的放大鏡

第六十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的視放大率公式=－第六十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日對顯微鏡成像的幾點(diǎn)分析物平面應(yīng)位于物鏡的物方焦點(diǎn)到兩倍焦距之間，以實(shí)現(xiàn)物鏡的一級放大。物平面應(yīng)位于整個(gè)顯微鏡組合物方焦點(diǎn)以外，并十分靠近物方焦點(diǎn)處，以使得物體經(jīng)顯微鏡成像于250mm以外至∞處。顯微鏡可以通過調(diào)換不同倍率的物鏡和目鏡，方便迅速地獲得顯微鏡的多種放大率。

顯微鏡因?yàn)橛兄虚g實(shí)像，可以在中間實(shí)像處放置分劃板，能實(shí)現(xiàn)對物體的瞄準(zhǔn)和測量。第六十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日例6-1：如果要求讀數(shù)顯微鏡的瞄準(zhǔn)精度為0.001mm，求顯微鏡的放大率。解

人眼直接觀察0.001mm的物體所對應(yīng)的視角為人眼的視角分辨力為60〃，因此要求顯微鏡的視放大率為第六十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日分析如果使用10×的目鏡，則根據(jù)公式可以求得物鏡的放大倍數(shù)為由此可知，使用一個(gè)8×的顯微物鏡即能滿足要求。第六十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的光束限制－孔徑光闌

低倍物鏡為單組透鏡，物鏡框?yàn)榭讖焦怅@高倍物鏡為多組透鏡，后組透鏡框?yàn)榭讖焦怅@測量顯微鏡用物方遠(yuǎn)心光路，孔徑光闌設(shè)置在物鏡的像方焦平面上孔徑光闌經(jīng)目鏡所成的像即為顯微鏡的出瞳，觀察時(shí)，眼瞳要與出瞳重合。顯微鏡的光束大小常用NA表示出瞳直徑與入射光束的大小及放大率有關(guān)NA：數(shù)值孔徑第六十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的光束限制－視場光闌顯微鏡要求無漸暈成像，因而視場光闌須設(shè)置在物鏡實(shí)像平面上。顯微鏡的線視場為顯微鏡屬于小視場系統(tǒng)。第七十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的分辨力

顯微鏡的分辨力取決于光學(xué)系統(tǒng)對光的衍射狀況。根據(jù)瑞利判斷，兩個(gè)相鄰像點(diǎn)之間的間隔等于艾里斑的半徑時(shí)，則能被光學(xué)系統(tǒng)分辨。顯微鏡的分辨力用所能分辨的物方最小距離表示道威判斷：第七十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日提高顯微鏡分辨力的可能性顯微鏡的分辨力主要取決于顯微物鏡的數(shù)值孔徑NA提高數(shù)值孔徑的方法是增大孔徑角，物方孔徑角U最大可達(dá)60°~70°，因此，顯微物鏡屬于大孔徑系統(tǒng)。提高數(shù)值孔徑的另一方法是提高物方空間的折射率，“油浸物鏡”便是用于這一目的。（如杉木油或二碘甲烷等），可使數(shù)值孔徑達(dá)到1.5光學(xué)顯微鏡的極限分辨距約為λ/3。第七十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日提高顯微鏡分辨力的可能性提高顯微鏡分辨率的另一途徑就是用電子束來代替光。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，運(yùn)動(dòng)的電子具有波動(dòng)性，而且速度越快，它的“波長”就越短。電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級（10-9m）。第七十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的有效放大率

有效放大率是對設(shè)計(jì)顯微鏡提出的技術(shù)要求有效放大率的確定原則：

被顯微鏡分辨的細(xì)節(jié)經(jīng)顯微鏡放大后也要能被人眼所分辨。

第七十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的實(shí)際放大率

取人眼觀察2’~4’時(shí)第七十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡應(yīng)用的拓展

從對物體成像的特點(diǎn)來分，對近距離成像的光學(xué)系統(tǒng)都可以歸類于顯微鏡，近代顯微鏡常在系統(tǒng)中加入其它鏡組，以擴(kuò)大顯微鏡的功能。第七十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日筒長無限的顯微物鏡

優(yōu)點(diǎn)：物鏡和輔助物鏡之間是平行光，有利于裝配和調(diào)整，可以在其間加入棱鏡、濾光片和偏振片，而不會(huì)引起像點(diǎn)位置的變化及產(chǎn)生雙像、疊影等。

物鏡輔助物鏡第七十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日顯微攝影系統(tǒng)－

顯微鏡與攝影系統(tǒng)組合攝影物鏡直接置于目鏡的后方，使目鏡所成的虛像，成像在照相底片或CCD上。攝影物鏡直接代替目鏡，該目鏡稱為攝影目鏡，為使整個(gè)共軛物像距不致于太大，目鏡應(yīng)設(shè)計(jì)成負(fù)光組。

第七十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日數(shù)字顯微鏡顯微物鏡的像面上，直接放置CCD接收器，連接到計(jì)算機(jī)上，還可以對顯微鏡的圖像進(jìn)行測量和實(shí)時(shí)處理，圖像的大小也可以通過CCD靶面上的象素面積計(jì)算出來

第七十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第六節(jié)望遠(yuǎn)系統(tǒng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的組成望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分類及特點(diǎn)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨力望遠(yuǎn)系統(tǒng)的有效放大率望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束限制望遠(yuǎn)鏡的輔助系統(tǒng)目鏡第八十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)系統(tǒng)的組成及工作原理組成：物鏡+目鏡特點(diǎn)：物鏡的像方焦點(diǎn)重合于目鏡的物方焦點(diǎn)。無焦系統(tǒng)第八十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)鏡的工作原理圖改變目鏡位置可以觀察近距離物體第八十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率人眼直接觀察事物體對人眼的張角與物體對儀器的張角相等望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視放大率等于儀器的角放大率視放大率還可以表示為

第八十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分類柯普勒型特點(diǎn)：目鏡焦距為正光組有中間實(shí)像，成倒像結(jié)構(gòu)長伽利略型特點(diǎn)：目鏡焦距為負(fù)光組無中間實(shí)像，成正立像結(jié)構(gòu)短第八十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日開普勒型伽利略型第八十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)鏡的分辨力理論極限分辨角

望遠(yuǎn)鏡的分辨力取決于入瞳直徑D（mm）第八十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日有效放大率和工作放大率

有效放大率是指望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨角經(jīng)放大后也恰能被人眼極限分辨角的放大率，即望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率與人眼分辨率相匹配的放大率。

Γ=60″/φ=D/2.3工作放大率是指滿足人眼極限分辨率2—3倍時(shí)的放大率.

Γ=D相對孔徑：D/f’。f’為物鏡焦距，

D為入瞳直徑第八十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日例題

經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡視覺放大率，使用夾線瞄準(zhǔn)形式，求望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)精度。解夾線瞄準(zhǔn)形式下眼睛的瞄準(zhǔn)精度則望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)精度第八十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光束限制孔徑光闌：望遠(yuǎn)鏡的物鏡框就是孔徑光闌，也是入瞳，出瞳位于目鏡像方焦點(diǎn)外側(cè)附近。視場光闌：物鏡像方焦面上的分劃板是視場光闌，直徑為：

或第八十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日開普勒型和伽利略型

光束限制的比較

孔徑光闌：物鏡框眼瞳視場光闌：分劃板物鏡框（有漸暈）漸暈光闌：目鏡視場大?。?/p>

類型：開普勒型伽利略型第九十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)鏡中的輔助系統(tǒng)－轉(zhuǎn)像系統(tǒng)

透鏡轉(zhuǎn)像一般有兩種形式，單組正透鏡和雙組正透鏡棱鏡轉(zhuǎn)像第九十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)單透鏡組轉(zhuǎn)像雙透鏡組轉(zhuǎn)像第九十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)第九十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日望遠(yuǎn)鏡中的輔助系統(tǒng)－場鏡場鏡是一個(gè)正透鏡組，將其放置在物鏡的焦面上，可以在不改變系統(tǒng)放大率的前提下，改變軸外光束的走向，降低其在目鏡上的高度，或讓更多的光線通過系統(tǒng)，

場鏡物鏡目鏡第九十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日目鏡目鏡的放大率目鏡的孔徑與視場目鏡的視度調(diào)節(jié)第九十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日目鏡的放大率目鏡相當(dāng)于放大鏡將位于焦點(diǎn)附近的物體成像于無限遠(yuǎn)至250mm處。第九十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日目鏡的孔徑和視場目鏡用反向光路來分析入瞳即為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳，略大于人眼的瞳孔直徑，焦距為25mm左右。目鏡相對孔徑較小，屬小孔徑系統(tǒng)

目鏡視場為較大，屬大視場系統(tǒng)第九十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日目鏡的視度調(diào)節(jié)目鏡的調(diào)節(jié)是為了適應(yīng)不同視度的人眼需要目鏡的前后調(diào)節(jié)可以讓物體的物距發(fā)生變化而獲得不同遠(yuǎn)近距離的像，與人眼的遠(yuǎn)點(diǎn)距相匹配。目鏡的調(diào)節(jié)量第九十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第七節(jié)照相和投影系統(tǒng)攝影（照相）系統(tǒng)

包括光學(xué)照相機(jī)、電視攝像機(jī)、CCD攝像機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等

投影系統(tǒng)

幻燈機(jī)、書寫投影儀、液晶投影儀、放映機(jī)等第九十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日照相系統(tǒng)組成

由攝影物鏡和感光器件組成

感光器件：感光膠片、CCD、電子光學(xué)變像管、電視攝像管物鏡

主要參數(shù)：焦距：f；視場：；相對孔徑：或光圈數(shù)：第一百頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日攝影物鏡（一）焦距

焦距決定成像的大小比例拍攝遠(yuǎn)處物體拍攝近處物體航攝鏡頭的焦距可達(dá)數(shù)百毫米甚至數(shù)米第一百零一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日攝影物鏡（二）相對孔徑

相對孔徑?jīng)Q定像面照度

中心邊緣

光圈分值的方法：每增大一擋光圈值，對應(yīng)的像平面照度依次減半。光圈值按公比的等比級數(shù)變化

F1.422.845.68111622第一百零二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日攝影物鏡（三）視場視場決定攝影系統(tǒng)成像的范圍，視場的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。長焦距和短焦距物鏡分別稱作遠(yuǎn)攝物鏡和廣角物鏡。普通照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距介于兩者之間

第一百零三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日常用接收器規(guī)格

名稱長×寬（mm）

名稱長×寬（mm）135膠片36×241〞CCD12.8×9.6120膠片60×602/3〞CCD8.8×6.616mm電影膠片

10.4×7.51/2〞CCD6.4×4.835mm電影膠片

22×161/3〞CCD4.4×3.3航攝膠片180×1801/4〞CCD3.2×2.4230×230第一百零四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日同一視場采用不同的接收器，要求的物鏡焦距也不相同。膠片的尺寸大，要求物鏡的焦距也大。CCD接收器小，鏡頭焦距也小。使用

6-15mm鏡頭和一定大小CCD的數(shù)碼相機(jī)與使用

28-72mm鏡頭的傳統(tǒng)膠卷相機(jī)的視場范圍可以是完全一樣的。使問題更復(fù)雜化的是，數(shù)碼相機(jī)中使用的CCD大小并非完全一樣。一般人使用

135mm膠卷的相機(jī)時(shí)，很容易根據(jù)視場要求選擇鏡頭的類型。為使數(shù)碼相機(jī)的此參數(shù)也容易識別，許多制造商都將CCD鏡頭的焦距用等價(jià)135mm膠片的焦距來標(biāo)稱，稱作「等價(jià)135mm」典型的值。

第一百零五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日普通相機(jī)與數(shù)碼相機(jī)鏡頭的等價(jià)焦距

135mm膠片相機(jī)典型的數(shù)碼相機(jī)

視場范圍<20mm

<4.3mm

超廣角

21~35mm

4.7~7.5mm

廣角

50mm

10.7mm

普通

70~200mm

14~43mm

遠(yuǎn)攝

第一百零六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日分辨力攝影系統(tǒng)的分辨率是以像平面上每毫米內(nèi)能分辨開的線對數(shù)來表示，其大小取決于物鏡的分辨率和接收器的分辨率。攝影膠片的分辨力很容易達(dá)到200l/mm，CCD的分辨力取決于象素的大小，目前CCD的象素尺寸為6～14微米，對應(yīng)的線對數(shù)為85～35l/mm。

第一百零七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日攝影物鏡的調(diào)焦對不同距離的物體成像時(shí)，要保證像面位置不變，需要改變物鏡位置，這一過程稱為調(diào)焦外調(diào)焦整組調(diào)焦前組調(diào)焦內(nèi)調(diào)焦第一百零八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日思考題有一照相物鏡，焦距為50mm，拍攝不同距離時(shí)需進(jìn)行調(diào)焦。當(dāng)拍攝距離為1m時(shí)，計(jì)算物鏡相對于拍攝距離時(shí)的調(diào)焦距離和方向。

第一百零九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日思考題

上例中若整組物鏡由前片和后片組成，采用物鏡中的前片進(jìn)行調(diào)焦，設(shè)前片的焦距為

mm。計(jì)算相對于拍攝距離時(shí)的調(diào)焦距離和方向。第一百一十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日思考題兩透鏡組成的系統(tǒng)，f1′=500mm，f2′=-400mm，兩透鏡間距d=300mm，求組合透鏡的焦距。若用透鏡觀察200m處的物體，負(fù)透鏡應(yīng)如何移動(dòng)調(diào)焦才能使得像面的位置不變，此時(shí)透鏡組的焦距又為多少第一百一十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日投影系統(tǒng)組成照明系統(tǒng)＋投影物鏡照明系統(tǒng)：大多數(shù)采用柯拉照明方式投影物鏡：主要參數(shù)：放大率焦距相對孔徑視場第一百一十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日投影物鏡的光學(xué)參數(shù)垂軸放大率由銀幕尺寸對圖片尺寸之比確定焦距視場相對孔徑第一百一十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第八節(jié)光電系統(tǒng)參數(shù)

直接光電檢測系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)確定的主要依據(jù)是光電檢測器件的噪聲等效功率NEP。

（一）入瞳直徑的計(jì)算考慮圖6-41所示的光電系統(tǒng)。圖6-41光電系統(tǒng)1—光源2—濾光片3—探測器第一百一十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日

在光電系統(tǒng)中，要使系統(tǒng)能夠正常工作，光學(xué)系統(tǒng)的作用應(yīng)使檢測器對特定光源的輻射能通量的響應(yīng)至少應(yīng)等于。而與所用探測的噪聲等效功率NEP有關(guān)，即

≥

通過光學(xué)系統(tǒng)入瞳進(jìn)入系統(tǒng)的輻射能通量為：

假設(shè)所有輻射能通量到達(dá)具有響應(yīng)度為的檢測器的光敏面上，則檢測器的閾值響應(yīng)度為

則物方孔徑角為:系統(tǒng)的入瞳直徑為：(6－66)(6－67)第一百一十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日（二）探測器位于像面上的光電系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)光電檢測器的靈敏面位于像平面上或其附近，設(shè)計(jì)方法如下：要求光源的像盡可能和光敏面大小相同，位置一致；使光學(xué)系統(tǒng)中的入瞳不產(chǎn)生漸暈。1．光源位于有限距離的單組透鏡系統(tǒng)如圖6-42a

所示，此時(shí)，，則式（6-66）可寫為：

上式成立的條件是光學(xué)系統(tǒng)沒有漸暈，沒有使用濾光片。

光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式取決于物方孔徑角。如果≤，可用單透鏡；≤，則選用雙透鏡；≤時(shí)，應(yīng)采用三透鏡。第一百一十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-42光源位于不同位置時(shí)的光電系統(tǒng)a）光源位于有限距離b）光源位于無限遠(yuǎn)第一百一十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日

2．光源位于無限遠(yuǎn)處的單組透鏡系統(tǒng)

圖6-42b所示的結(jié)構(gòu)中，檢測器位于系統(tǒng)后焦平面上。當(dāng)光源和檢測器確定后，物方孔徑角和入瞳直徑可由式（6-66）和式（6-67）確定。對于光源位于無限遠(yuǎn)的情形，>>，則，因此:

無限遠(yuǎn)物體的尺寸用它的張角表征，如果光源是圓形的，它所對的張角是，光源面積是，則入瞳直徑為:

第一百一十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日3．筒長為無窮遠(yuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)該系統(tǒng)由前后兩組透鏡組成，光源1位于前組透鏡的前焦平面上，檢測器位于后透鏡的后焦平面上，用薄透鏡表示每組透鏡，如圖6-43所示。系統(tǒng)的放大率為:物方孔徑角為:前組透鏡的口徑為:兩透鏡組的間距為，在不發(fā)生漸暈情況下，后組透鏡的口徑為:

如果較大，則是相當(dāng)大的，其漸暈是不可避免的。第一百一十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-43筒長為無窮遠(yuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)1—光源2—探測器第一百二十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日（三）光源像大于檢測器的光電系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)

當(dāng)光源像大于檢器光敏面的尺寸時(shí)，從像空間開始設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)是合理的。光源在檢測器光敏面上的光照度為:因?yàn)楣庠聪翊笥跈z測器光敏面的尺寸，故射到檢測器上的輻射能通量為:檢測器的輸出信號為:根據(jù)上述二式，像方孔徑角為:(6－74)如果光源位于無限遠(yuǎn)，則，我們得到：

(6－75)

式（6-74）和式（6-75）也可應(yīng)用于光源像恰好和檢測器光敏面尺寸匹配的情況，檢測器的面積由輻射源的像面積代替，記為:當(dāng)光源位于無限遠(yuǎn)時(shí)，則第一百二十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日（四）檢測器位于出瞳面上的光電系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)

把檢測器安置在出瞳面上的最簡單的光學(xué)系統(tǒng)必須有兩組透鏡，由單透鏡構(gòu)成的該種系統(tǒng)示于圖6-44中。前組透鏡將光源成像于視場光闌上，在物方空間，光源的視場角為。后組透鏡將前組透鏡成像于系統(tǒng)的出瞳面上，即檢測的光敏面上。

與其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一樣，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先選定所使用的光源和檢測器。如果光源位于有限距離上，物方孔徑角由式（6-66）確定。

圖6-44檢測器位于出瞳面上的結(jié)構(gòu)1—光源2—檢測器第一百二十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第九節(jié)相干變換與檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用相干變換的方法來攜帶被測信息，可將信息加載于相干光波的振幅、頻率和相位之中，因此相干檢測比直接檢測手段更豐富，測試精度和分辨力更高。

光干涉是指可能相干的兩束或多束光波相疊加，它們的合成信號的光強(qiáng)度隨時(shí)間或空間有規(guī)律的變化。干涉測量的作用就是把光波的相位關(guān)系或頻率狀態(tài)以及它們隨時(shí)間的變化關(guān)系以光強(qiáng)度的空間分布或隨時(shí)間變化的形式檢測出來。

一、光學(xué)干涉和干涉測量

以雙光束干涉為例，設(shè)兩相干平面波的振動(dòng)分別為：兩束光合成時(shí)，所形成干涉條紋的強(qiáng)度分布可表示成：第一百二十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日當(dāng)兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時(shí)，有即，有：(6－78)

此時(shí)，干涉條紋不隨時(shí)間改變，呈穩(wěn)定的空間分布。隨著相位差的變化，干涉條紋強(qiáng)度的分布表現(xiàn)為有偏置的正弦分布。以此為基礎(chǔ)形成的干涉測量技術(shù)稱為干涉條紋檢測技術(shù)。當(dāng)兩束光的頻率不同，即式（6-78）中時(shí)，干涉條紋將以的角頻率隨時(shí)間波動(dòng)，形成光學(xué)拍頻信號，也叫外差干涉信號。

干涉條紋的強(qiáng)度取決于相干光的相位差，而后者又取決于光傳輸介質(zhì)的折射率對光的傳播距離的線積分，即對于均勻介質(zhì)，上式可簡化為:(6－80)對上式中的變量和作全微分可得到相位化量:

從式（6-80）中可以看出，光波傳播介質(zhì)折射率和光程長度都將導(dǎo)致相干光相位的變化，從而引起干涉條紋強(qiáng)度的改變。第一百二十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日二、干涉條紋光強(qiáng)檢測法及其設(shè)計(jì)

在干涉場中確定的位置上用光電器件直接檢測干涉條紋的光強(qiáng)變化稱為條紋光強(qiáng)檢測法。圖6-45給出了一維干涉測長的實(shí)例。由式（6-78）可知，單頻光相干時(shí)，合成信號的瞬時(shí)光強(qiáng)為：

用的平均值等效表示這一積分值，得：（6－84）比例因子稱為兩光束的相干度，上式中

（6－85）

若隨時(shí)間表變化，則合成光強(qiáng)是對的積分：

第一百二十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-45條紋光強(qiáng)檢測a）原理示意圖b）波形圖第一百二十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日

式(6-85)表明，越大，光強(qiáng)隨相位的變化越明顯，因此相干度是衡量干涉條紋光強(qiáng)對比度的重要指標(biāo)。在進(jìn)行干涉條紋光強(qiáng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)法提高相干度。

上式表明光程差（測量范圍）越小，光源的單色性越好（小），值越大。式中的是相干長度，當(dāng)?shù)扔谙喔砷L度時(shí)，干涉條紋消失。因此在做干涉條紋光強(qiáng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使其測量范圍遠(yuǎn)小于相干長度。即選擇相干性好的光源，測量范圍又不必過大。

1．光的單色性和測量范圍對相干度的影響相干光源波長的非單色性（波長變動(dòng)范圍）會(huì)引起不同波長不同初相位的疊加，從而會(huì)降低相干度。若入射光的波長為，則相干度為：（6－86）第一百二十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日2．光源的光束發(fā)散角影響對于光干涉測量系統(tǒng)除了要求光源的單色性好以外，還要求平行光照明，否則引起相位變化。對于平行平板干涉的情況，入射光束若有發(fā)散角變化，而入射光不垂直反射鏡的偏角為時(shí)（見圖6-46），可以算出由此引起的相干度為

這表明由于和會(huì)引起空間每條相干光線的光程差不同，而使對比度下降。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用好的平行光照明。且光線應(yīng)垂直于反射鏡入射。

第一百二十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-46入射光束平行度的影響第一百二十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日3．光電檢測器的接收孔徑光闌的影響光電信號的質(zhì)量不僅取決于干涉條紋的相干度，而且取決于接收器光闌和條紋寬度之間的比例關(guān)系。圖6-47中，條紋光強(qiáng)空間分布為:

在任一位置處，光電檢測器的輸出為：

由此，對于不同位置，光電檢測器的輸出：

混頻效率或光闌寬度與條紋寬度之比直接影響電信號的幅值，可使干涉區(qū)域充分占據(jù)接收光闌，通過加大條紋寬度來增大值。第一百三十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-47干涉條紋與接收光闌的關(guān)系第一百三十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日4．合理選擇透射與反射比，獲得等光強(qiáng)干涉相干涉兩路光的波振幅相等時(shí)，條紋對比度為1，即得到最好的條紋對比度，使信噪比大為增加。獲得等光強(qiáng)干涉核心是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使相干的兩路光的透射率與反射率之比近似為1。如圖6-45所示為邁克爾遜干涉儀。為了獲得等光強(qiáng)干涉，要求分光鏡的反射率與透射率大致相等，測量鏡與反射鏡的反射率大致相等。5．共光路設(shè)計(jì)遵守共光路設(shè)計(jì)原則可以減小外界溫度變化和機(jī)械振動(dòng)等對干涉測量的影響。使測量光路與參考光路處于相同的外部工作環(huán)境下，有利于提高相干檢測系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。為了獲得共光路干涉可采用如下方法：將參考鏡與被測物（或測量鏡）放在同一光路中，如圖6-48所示米勒干涉儀。完全共路可采用散射板或渥拉斯頓棱鏡等分光，圖6-49是散射板共路干涉儀原理圖。第一百三十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-48米勒干涉儀原理圖第一百三十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-49散射板式共路干涉儀原理圖1—光源2—聚光鏡3—針孔4—散射板5—被測凹面6—投影物鏡7—成像物鏡8—觀察屏第一百三十四頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日三、干涉條紋相位檢測法及其設(shè)計(jì)

干涉條紋相位檢測法是用式（6-80）直接檢測相位的變化，有很好的穩(wěn)定性和很高的精度。

圖6-50是相位檢測的泰曼—格林干涉儀原理圖，它在參考鏡處使用壓電器件驅(qū)動(dòng)參考鏡作周期性的運(yùn)動(dòng)。壓電器件驅(qū)動(dòng)可以采用階梯波、正弦波、鋸齒波等。不同的驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生的參考鏡運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，因此求解的方法也不同。圖6-50相位檢測的泰曼—格林干涉儀第一百三十五頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日

干涉條紋相位檢測系統(tǒng)要求相位檢測精度高和相位信號穩(wěn)定，對該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要注意：1.參考鏡的驅(qū)動(dòng)應(yīng)重復(fù)性好，且驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定。2.參考鏡采用階梯波驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于階梯波的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)過程是：驅(qū)動(dòng)—靜止（采樣）—驅(qū)動(dòng)—靜止（采樣），因此信息采集是間歇的，在采樣過程中應(yīng)避免壓電器件蠕變影響。當(dāng)采用正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)是連續(xù)的，由于振幅與檢測點(diǎn)處波面相位差成正弦關(guān)系，當(dāng)采用相位鎖定法檢測相位時(shí)有原理誤差存在。而鋸齒波法沒有原理誤差。3.由于參考路與測量路是分置的，因此環(huán)境溫度和振動(dòng)的影響是重要誤差因素，因而采用共光路的相位干涉儀是好方法。4.相位檢測精度是關(guān)鍵，參考鏡的不同驅(qū)動(dòng)方式，其相位檢測方法是不一樣的，采用精度高且方法簡便的相位檢測是十分重要的。第一百三十六頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日四、干涉條紋的外差檢測系統(tǒng)

光學(xué)外差檢測是將包含有被測信息的相干光調(diào)制波和作為基準(zhǔn)的本機(jī)振蕩光波，在滿足波前匹配條件下在光電檢測器上進(jìn)行光學(xué)混頻。（一）光學(xué)外差檢測原理光學(xué)外差檢測的原理如圖6-51a所示。設(shè)入射信號光波的復(fù)振幅和參考光波的復(fù)振幅分別為在光混頻器上的輸出光強(qiáng)為:當(dāng)和足夠接近，探測器的輸出信號變成:

第一百三十七頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-51光學(xué)外差探測原理a）原理圖b）頻譜分布圖第一百三十八頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日（二）光外差檢測的特性光外差干涉測量具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）檢測能力強(qiáng)；（2）轉(zhuǎn)換增益高；（3）信噪比高；（4）濾波性好；（5）穩(wěn)定性和可靠性高。（三）光外差檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1．光外差檢測的空間條件信號光和本振光的波前必須重合，也就是說，必須保持信號光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直。為了研究兩光束波前不重合對外差檢測的影響，假設(shè)信號和本振光都是平面波。如圖6-52所示，信號光的波前和本振光的波前有一夾角。分析中，假定本振光垂直入射，并令本振光為

第一百三十九頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日圖6-52光外差探測的空間關(guān)系第一百四十頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日信號光

光混頻器輸出的瞬時(shí)光電流為積分后，可得光電器件檢測到的信號為

由以上各式知，瞬時(shí)中頻電流的大小與失配角有關(guān)，為0時(shí)電流達(dá)到最大。實(shí)際中很難調(diào)到零，為了得到盡可能大的中頻輸出，只有，因此

上式表明，波長越長，光電檢測器尺寸越小，容許的失配角就越大。波長越短，空間準(zhǔn)直要求也越苛刻。第一百四十一頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日2．光外差檢測的頻率條件光外差探測除了要求信號和本振光必須保持空間準(zhǔn)直、共軸以外，還要求兩者具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定度。一般情況下，為了獲得單色性好的激光輸出，必須選用單模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器作為相干檢測的光源。信號光和本振光的頻率漂移如不能限制在一定的范圍內(nèi)，則光外差檢測系統(tǒng)的性能就會(huì)變壞。所以，在光外差檢測中，需要采用專門措施穩(wěn)定信號光和本振光的頻率和相位。通常兩束光取自同一激光器，通過頻率偏移取得本振光，而信號光用調(diào)制的方法得到。通過頻率偏移獲得本振光的方法：1.利用塞曼效應(yīng)使激光器輸出的激光發(fā)生分裂，獲得頻移（1.5～1.8）

MHZ的本振光；2.利用半導(dǎo)體激光器注入電流變化來獲得偏頻；3.利用聲光調(diào)制器改變聲頻使一級衍射光產(chǎn)生頻移；4.利用光入射到旋轉(zhuǎn)的衍射光柵或波片來獲得偏頻。第一百四十二頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日3．光外差檢測的偏振條件在光混頻器上要求信號光與本振光的偏振方向一致，這樣兩束光才能按光束疊加規(guī)律進(jìn)行合成。一般情況下都是通過在光電接收器的前面放置檢偏器來實(shí)現(xiàn)的。分別讓兩束信號中偏振方向與檢偏器透光方向相同的信號通過，以此來獲得兩束偏振方向相同的光信號。4．外差檢測的功率穩(wěn)定外差檢測的信噪比，式中為本機(jī)振蕩功率，它若不穩(wěn)定將會(huì)引起很大的噪聲，因此外差檢測要求本振光功率要穩(wěn)，除了采用穩(wěn)頻率和穩(wěn)功率技術(shù)來穩(wěn)定之外，在光路中采用雙通道混頻技術(shù)來減小的影響是十分有效的。第一百四十三頁，共一百五十七頁，2022年，8月28日第十節(jié)光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例—激光干涉儀的設(shè)計(jì)

干涉儀是基于光波干涉原理設(shè)計(jì)成的儀器，干涉測量的最大特點(diǎn)是它具有很高的靈敏度和精度。本節(jié)以激光干涉儀設(shè)計(jì)為例說明光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。一、干涉儀的一般特性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一般干涉儀主要由四部分組成：光源及照明系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)、觀察接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。

干涉儀按其用途，可分為兩類：一類是用來測量條紋的彎曲量；另一類是用來測量干涉場指定點(diǎn)上條紋的移動(dòng)量。在干涉儀中，將限制光源大小的光闌稱為干涉儀的入射光瞳，可觀測干涉圖的平面