光電測(cè)量的光學(xué)基礎(chǔ)

關(guān)于光電測(cè)量的光學(xué)基礎(chǔ)第1頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三知識(shí)要點(diǎn)●

光譜光視效能●

光度的基本物理量●

光度學(xué)基本定律●

光輻射在空氣中的傳播第2章光電測(cè)量的光學(xué)基礎(chǔ)●

常用的光學(xué)系統(tǒng)2第2頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三光譜---光波頻段的電磁波譜

紫外→可見光→紅外可見光譜

X射線（X光）：10~100nm一、物理光學(xué)基礎(chǔ)3第3頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三波動(dòng)性粒子性---干涉、衍射、偏振---光電效應(yīng)（物質(zhì)相互作用）光由光子組成，每個(gè)光子能量僅與光的頻率有關(guān)：2.光的波粒二象性：電磁波方式傳播的粒子普朗克常數(shù)4第4頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三二、光度的基本物理量1）光通量（v）---光功率（與輻射通量e對(duì)應(yīng)）單位：流明（lm）瓦（W）光通量與輻射通量之間的關(guān)系：Km---光功當(dāng)量（人眼在明視條件下，波長555nm時(shí)，光輻射產(chǎn)生的光感覺效能）=683lm/W（理論計(jì)算值）—視見函數(shù)是光源發(fā)光強(qiáng)度和光線在物體表面的照度以及物體表面呈現(xiàn)的亮度的總稱5第5頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三2)光量（光譜光能Qv）---光的能量（與輻射能Qe相對(duì)應(yīng)）單位：流明秒（lms）---光通量對(duì)時(shí)間的積分焦耳（J）二、光度的基本物理量6第6頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三---點(diǎn)輻射源在給定方向的單位立體角內(nèi)輻射的光通量3）光強(qiáng)度（Iv）1坎德拉相當(dāng)于均勻點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出1流明的光通量。單位：坎德拉（lm·sr-1=candla=cd）二、光度的基本物理量7第7頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三光通量與發(fā)光強(qiáng)度之間的關(guān)系：---發(fā)光強(qiáng)度為Iv的光源在一定立體角內(nèi)的輻射通量。所有方向上的發(fā)光強(qiáng)度相同時(shí)：立體角內(nèi)的光通量：所有方向的光通量：二、光度的基本物理量8第8頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三4）光亮度（Lv）---光強(qiáng)度dIv與面元dS在垂直于發(fā)光強(qiáng)度方向平面上的投影面積之比光源上某點(diǎn)處的面元dS在給定方向的光強(qiáng)度單位：cd·m-2或者lm/sr·m2

二、光度的基本物理量9第9頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三5）出射度（Mv）---單位面積光源所輻射的光通量單位：lm·m-26）照度（Ev）---投射到單位面積上的光通量單位：勒克斯（lx=lm·m-2）---接受光的面元上單位面積被輻射的光通量7）曝光量（Hv）---照度對(duì)時(shí)間的積分單位：lxs二、光度的基本物理量10第10頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三三、光度學(xué)基本定律1、余弦定律（布給定律）任意表面上的照度隨該表面法線與輻射能傳播方向之間的夾角余弦變化。11第11頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三三、光度學(xué)基本定律被光照的表面是理想漫反射表面（朗伯輻射表面）—朗伯余弦定律1、余弦定律（布給定律）12第12頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三三、光度學(xué)基本定律2、亮度守恒定律1）光束在同一種介質(zhì)中傳輸13第13頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三三、光度學(xué)基本定律2、亮度守恒定律1）光束在同一種介質(zhì)中傳輸L1=dI1/(dA1cosθ1)=d^2Φ/(dA1cosθ1d?1)

L2=d^2Φ/(dA2cosθ2d?2)

d?1=dA2cosθ2/r^2

d?2=dA1cosθ1/r^2

L1=L2

14第14頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三三、光度學(xué)基本定律2、亮度守恒定律2）光從一種介質(zhì)傳輸?shù)搅硪环N介質(zhì)考慮折射定律：nsinθ1=n'sinθ2

L1/n^2=L2/n'^2

基本幅亮度守恒15第15頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三三、光度學(xué)基本定律2、亮度守恒定律3）光傳輸過程中有光學(xué)系統(tǒng)L2=τ(n2/n1)^2L1光學(xué)系統(tǒng)的透射比τ<1一般光學(xué)系統(tǒng)的n1=n2光學(xué)系統(tǒng)無助于亮度的增加是通過材料或介質(zhì)的光通量或輻射量與入射通量之比。16第16頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三三、光度學(xué)基本定律3、照度與距離的二次方反比定律理想點(diǎn)光源：dA=d?R^2

E=Φ/dAE=Φ/d?R^2

實(shí)際點(diǎn)光源（半徑為r）：E≈

πr^2Φ/d?R^2=πLr^2/R^2

17第17頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三四、光輻射在空氣中的傳播1、大氣衰減1）大氣分子吸收N2、O2：含量較多，但對(duì)可見光和紅外光幾乎不吸收；He、Ar、Xe、O3、Ne等：含量甚微，在可見光的近紅外區(qū)吸收譜線，不考慮其吸收作用；H2O、CO2：是可見光和紅外光最重要的吸收分子。大氣窗口18第18頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三四、光輻射在空氣中的傳播1、大氣衰減2）大氣分子散射瑞利散射：入射光在線度小于光波長的微粒上散射后散射光和入射光波長相同的現(xiàn)象；米氏散射：當(dāng)大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射。19第19頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三四、光輻射在空氣中的傳播2、空氣湍流效應(yīng)大氣運(yùn)動(dòng)形式層流湍流d?l——光強(qiáng)閃爍

d≈l——像點(diǎn)抖動(dòng)d?l——光束漂移—光束彎曲光束直徑湍流尺寸20第20頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)1）放大鏡人眼直接觀察物體：人眼觀察物體時(shí)通常放在明視距離（L=250mm）21第21頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)1）放大鏡22第22頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)1）放大鏡tanω'=y'/(-x'+a')≈-y'/x'

y'=βy=-(x'/f')y

tanω'≈-y'/x'=y/f'

Γ=tanω'/tanω=250/f'23第23頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)組成---物鏡、目鏡、照明系統(tǒng)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)---攝像器件（如CCD等）獲取物鏡所成的像（光敏面放在物鏡的像平面上）---省略目鏡2）顯微鏡光路原理24第24頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)2）顯微鏡光路原理Γ=β×Γeβ=-Δ/f1'Γe=250/f2'Γ=-250Δ/f1'f2'25第25頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微鏡的分辨本領(lǐng)顯微鏡的分辨力以其能分辨的物方最近的兩個(gè)點(diǎn)之間的距離來衡量。瑞利判據(jù)：道威判據(jù)：σ=0.61λ/NAσ=0.5λ/NA兩個(gè)相鄰像點(diǎn)的間隔等于愛里斑的半徑兩個(gè)相鄰像點(diǎn)的間隔為0.85α/β（α為愛里斑半徑，β為顯微物鏡放大倍率）26第26頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微鏡的有效放大率——目視顯微鏡有效放大率2×0.00029×250mm≤σ'≤4×0.00029×250mm2×0.00029×250mm≤(0.5λ/NA)?！?×0.00029×250mm523NA≤Γ≤1046NA500NA≤?！?000NA27第27頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微鏡的有效放大率——采用光電攝像器件時(shí)2d/β≤0.5λ/NA

β≥4NAd/λ28第28頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微系統(tǒng)的景深景深是指光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)清晰成像的物空間沿光軸方向的深度范圍。幾何景深Δlg

物理景深Δlp

調(diào)節(jié)景深ΔlrΔl=Δlg+Δlp+Δlr29第29頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微系統(tǒng)的景深—幾何景深Δlg=nz'/βNAz'=250×0.00029εΔlg=nε/7ΓNA30第30頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微系統(tǒng)的景深—物理景深由于光的衍射效應(yīng)，一個(gè)點(diǎn)經(jīng)過理想光學(xué)系統(tǒng)成像為一個(gè)衍射光斑。當(dāng)物點(diǎn)偏離對(duì)準(zhǔn)平面時(shí)，衍射光斑的能量分布將發(fā)生變化，當(dāng)偏離量很小時(shí)，衍射光斑的能量分布是允許的。31第31頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微系統(tǒng)的景深—調(diào)節(jié)景深由于人眼具有調(diào)節(jié)功能，能夠看清不同距離的目標(biāo)。P（單位：屈光度D）：人眼近點(diǎn)的發(fā)散度，即近點(diǎn)距離的倒數(shù)。32第32頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路物方遠(yuǎn)心光路像方遠(yuǎn)心光路無限遠(yuǎn)像距系統(tǒng)33第33頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路——物方遠(yuǎn)心光路在光學(xué)系統(tǒng)中，不論是限制成像光束的光孔，或者是限制成像范圍的光孔或框，都統(tǒng)稱為“光闌”孔徑光闌：為限制入射光束大小的孔。其大小和位置對(duì)透鏡所成像的清晰程度、正確性和亮度都有決定性的作用。如照相機(jī)鏡頭上的圓形光闌（俗稱光圈）34第34頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路——像方遠(yuǎn)心光路35第35頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路——無限遠(yuǎn)像距系統(tǒng)垂軸放大倍率：36第36頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路——無限遠(yuǎn)像距系統(tǒng)（1）無限遠(yuǎn)物鏡和輔助物鏡之間為平行光線，當(dāng)中裝入分光鏡的情況下，不產(chǎn)生雙像重疊，也不會(huì)出現(xiàn)像的偏移和像散。（2）無限遠(yuǎn)物鏡和輔助物鏡之間抽出或插入平行平面波片（濾色片、偏振片）時(shí)，焦距不受影響。（3）無限遠(yuǎn)像距系統(tǒng)可獲得均勻照度的像面視場（由于同倍率的無限遠(yuǎn)物鏡的光束的偏轉(zhuǎn)角比有限筒長小，孔徑邊緣光線的入射角相對(duì)減少，在透鏡表面損失減少，使像面照度較均勻）37第37頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)1、顯微光學(xué)系統(tǒng)4）顯微物鏡的選用（1）用于瞄準(zhǔn)、讀數(shù)和測(cè)量用的顯微鏡，對(duì)物鏡放大率的準(zhǔn)確性有嚴(yán)格要求，一般允差（0.1~0.5）%；而用于觀察的生物顯微物鏡和金相顯微物鏡的放大率允差為8%。（2）用于瞄準(zhǔn)和讀數(shù)的顯微鏡放大倍率不高，一般在1×~50×之間，而金相顯微鏡和生物顯微鏡因?yàn)橐^察物的細(xì)節(jié)，放大率一般較大，約在100×左右。（3）瞄準(zhǔn)、讀數(shù)和測(cè)量用的顯微鏡要嚴(yán)格地消像差，像質(zhì)要求高。（4）瞄準(zhǔn)和讀數(shù)用顯微鏡的工作距和視場都較大，而生物顯微鏡和金相顯微鏡為了提高分辨力，其工作距和視場都較小，數(shù)值孔徑較大。攝影鏡頭因制作不精密，或人為的損害，不能將一點(diǎn)所發(fā)出的光線聚焦于底片感光膜上的同一位置，使影像變形，或失焦模糊不清。金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)38第38頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)物鏡的像方焦點(diǎn)和目鏡的物方焦點(diǎn)重合---入射的平行光束仍保持平行出射

1）望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的原理和性質(zhì)39第39頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)1）望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的原理和性質(zhì)垂軸放大倍率:角放大倍率:軸向放大倍率:40第40頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)2）望遠(yuǎn)鏡的主要光學(xué)性能望遠(yuǎn)鏡視角放大率望遠(yuǎn)鏡的分辨力和工作放大倍率望遠(yuǎn)系統(tǒng)的景深41第41頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)2）望遠(yuǎn)鏡的主要光學(xué)性能——視角放大率由于物體到眼睛的距離相對(duì)于望遠(yuǎn)鏡的長度來說大得多，則42第42頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)2）望遠(yuǎn)鏡的主要光學(xué)性能——分辨力和工作放大倍率望遠(yuǎn)鏡的分辨力用極限分辨角表示瑞利判據(jù)：道威判據(jù)：人眼的極限分辨角約為60“，因此在能分辨空間兩個(gè)物點(diǎn)，應(yīng)滿足：43第43頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)2）望遠(yuǎn)鏡的主要光學(xué)性能——景深（1）調(diào)節(jié)景深物體至物方焦點(diǎn)的距離像至目鏡像方焦點(diǎn)的距離（2）幾何景深人眼的分辨力44第44頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)3）準(zhǔn)直、自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡45第45頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)4）反射式與折反式望遠(yuǎn)物鏡牛頓光學(xué)系統(tǒng)卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)格里高利光學(xué)系統(tǒng)折反式光學(xué)系統(tǒng)反射式46第46頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)2、望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)4）反射式與折反式望遠(yuǎn)物鏡47第47頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)3、攝影光學(xué)系統(tǒng)組成---攝影物鏡+感光元件（光電成像器件）光路原理48第48頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三1）攝影系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)物鏡焦距f'：決定了成像的大小相對(duì)孔徑D/f'或光圈數(shù)f'/D：決定了像面的照度視場角2w：決定了成像范圍五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)3、攝影光學(xué)系統(tǒng)49第49頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三1）攝影系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)——視場五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)3、攝影光學(xué)系統(tǒng)視場的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。一般來說，焦距越長，像的尺寸越大。拍攝遠(yuǎn)處物體時(shí)，成像在物鏡的像方焦平面附近：像的大小為：y'=-f'tanw物方最大視場角為：tanwmax=y'max/2f'拍攝近處物體時(shí)，像的大小取決于物鏡的垂軸放大率像的大小為：為底片或其他感光元件的對(duì)角線長度50第50頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三1）攝影系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)——相對(duì)孔徑和分辨力五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)3、攝影光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑（D/f'）影響物鏡的鑒別率和像面照度。攝影系統(tǒng)的分辨力取決于物鏡的分辨力和接收器的分辨力。分辨力以像平面上每毫米內(nèi)能分開的線對(duì)數(shù)表示。1/N=1/NL+1/NrNL=1/σ=D/1.22λf'系統(tǒng)的分辨力物鏡的分辨力接收器的分辨力51第51頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三2）攝影物鏡五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)3、攝影光學(xué)系統(tǒng)普通攝影物鏡—f=20~500mm，D/f‘=1:9~1:2.8，視場角可達(dá)64度。

大孔徑攝影物鏡—相對(duì)孔徑大，像面照度更大，分辨力更高廣角攝影物鏡—焦距小，成像范圍更大遠(yuǎn)攝物鏡—相同工作距或相同筒長下能得到較大的光學(xué)放大倍率變焦物鏡—通過軸向移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)子光組從而改變光學(xué)間隔來改變焦距52第52頁，講稿共60頁，2023年5月2日，星期三2）攝影物鏡——遠(yuǎn)攝物鏡五、光電測(cè)試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)3、攝影光學(xué)系統(tǒng)H'—