6-光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)解析

第6章光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.概述2.光輻射源及特征3.信噪比的計(jì)算方法4.光學(xué)系統(tǒng)根本參數(shù)確實(shí)定5.光電系統(tǒng)中參數(shù)確實(shí)定6.總體設(shè)計(jì)舉例光學(xué)儀器從本質(zhì)上講是一種傳遞信息的工具目標(biāo)〔信息源〕光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)

接收器

介質(zhì)信號(hào)處理光源噪聲噪聲顯示儲(chǔ)存?zhèn)鬏敼鈱W(xué)儀器中信息的傳遞6.1概述光學(xué)方法的獨(dú)特有點(diǎn)：①由于信息加載于光波，故是一種非接觸和破壞測(cè)量，還可以進(jìn)展遠(yuǎn)距離測(cè)量以及危急、惡劣環(huán)境中測(cè)量。②光波傳播速度快，可以進(jìn)展實(shí)時(shí)測(cè)量和掌握。③精度高。④具有很高的空間區(qū)分率。⑤可進(jìn)展圖像處理技術(shù)。6.1概述光學(xué)系統(tǒng)根本上分為三類：①照相系統(tǒng)②顯微系統(tǒng)③望遠(yuǎn)系統(tǒng)6.1概述輻射度量的根本單位

〔輻射度量是用能量單位描述輻射能的客觀物理量〕6.2光輻射源及特征 ——輻射度的根本物理量輻射能Qe：一種以電磁波的形式放射、傳播或承受的能量。單位：焦耳[J]輻射通量Φe：單位時(shí)間內(nèi)通過肯定面積放射、傳播或承受的能量，又稱輻射功率Pe，是輻射能的時(shí)間變化率。單位：瓦［Ｗ］輻射強(qiáng)度Ｉe：點(diǎn)輻射源在給定方向上通過單位立體角內(nèi)的輻射通量。單位：［W/Sr］〔Sr=ds/r2：球面度〕6.2光輻射源及特征 ——輻射度的根本物理量輻射照度Ee：投射在單位面積上的輻射通量。單位：［W/m2］輻射出射度Ｍe：輻射源單位面積所輻射的通量〔也稱輻射本事〕。單位：［W/m2］輻射亮度Ｌe：輻射外表定向放射的輻射強(qiáng)度。單位：［W/〔m2．Sr〕］名稱符號(hào)定義方程單位符號(hào)輻射能Q,焦耳J輻射能密度焦耳／立方米Jm-3輻射通量，輻射功率瓦特W輻射強(qiáng)度Ｉ瓦特／球面度Wsr-1輻射亮度Ｌ

瓦特／球面度/平方米Wm-2sr-1輻射出射度Ｍ瓦特／平方米Wm-2輻射照度Ｅ瓦特／平方米Wm-26.2光輻射源及特征 ——輻射度的根本物理量6.2光輻射源及特征 ——輻射度的根本物理量光度量的最根本單位

〔光度量是度量使人眼產(chǎn)生視覺效果的輻射的量〕6.2光輻射源及特征 ——輻射度的根本物理量光量Qv：表示光照的能量。發(fā)光強(qiáng)度Iv：光源在指定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：坎德拉〔Candela〕［cd］，它是國際單位制中七個(gè)根本單位之一。光通量Φv：單位時(shí)間里通過某一面積的光能。單位：流明［lm］。光照度Ev：單位面積所承受的入射光通量，單位：勒克斯［lx］。光度量的最根本單位

〔光度量是度量使人眼產(chǎn)生視覺效果的輻射的量〕6.2光輻射源及特征 ——輻射度的根本物理量光出射度Mv：光源上每單位面積向半個(gè)空間〔2π球面度〕內(nèi)發(fā)出的光通量.光亮度Lv：表示發(fā)光面光明程度的，指發(fā)光外表在指定方向的發(fā)光強(qiáng)度與垂直且指定方向的發(fā)光面的面積之比，單位是坎德拉/平方米。輻射度量與光度量的關(guān)系6.2光輻射源及特征 ——輻射度的根本物理量光度量和輻射度量的定義、定義方程是一一對(duì)應(yīng)的。輻射度量下標(biāo)為e，光度量下標(biāo)為v。光度量只在可見光區(qū)〔波長為３８０-７８０nm)才有意義。6.2光輻射源及特征 ——輻射度的根本物理量6.2光輻射源及特征 ——普朗克黑體輻射定律熱輻射能量取決于物體的溫度，確定黑體的單色輻射出射度Mλ(T)與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系遵循普朗克黑體輻射定律：式中：C1=2πc2hC2=hc/kh——普朗克常數(shù)k——波爾茲曼常數(shù)6.2光輻射源及特征 ——維恩位移定律依據(jù)黑體的單色輻射出射度與溫度、波長的關(guān)系可以看出：一樣溫度時(shí)，不同波長光波的單色輻射出射度不一樣，在某個(gè)波特長存在極值λm。溫度T越高，極值λm越小。λm以為μm單位T以K為單位6.2光輻射源及特征 ——瑞利-金斯定律λT>>C26.2光輻射源及特征 ——斯忒藩-玻爾茲曼定律一個(gè)黑體輻射出射度M(T)與黑體本身的熱力學(xué)溫度Ｔ的四次方成正比，即：M(T)=σT4式中σ=5.67051×10-8W/(m2K4)稱為斯忒潘常數(shù)。6.2光輻射源及特征 ——萬用黑體曲線在特定溫度下，某個(gè)波長λ對(duì)應(yīng)的輻射出射度與λm對(duì)應(yīng)的輻射出射度的比值與溫度無關(guān)：6.2光輻射源及特征 ——非黑體源的輻射對(duì)于實(shí)際的光源，其輻射出射度小于黑體的輻射出射度，它們的比值稱為放射率：6.2光輻射源及特征 ——色溫實(shí)際的發(fā)光體不是黑體，假設(shè)光源輻射在可見區(qū)和Tc溫度時(shí)確實(shí)定黑體的輻射完全一樣時(shí)，此時(shí)黑體的溫度Tc就稱此光源的色溫。通常人眼所見到的光線，是由7種色光的光譜疊加所組成。但其中有些光線偏藍(lán)，有些則偏紅，色溫就是特地用來量度和計(jì)算光線的顏色成分的方法。例如：標(biāo)準(zhǔn)燭光為1930K〔開爾文溫度單位〕；鎢絲燈為2760-2900K；熒光燈為3000K；閃光燈為3800K；中午陽光為5600K；電子閃光燈為6000K；藍(lán)天為12023-18000K。6.2光輻射源及特征 ——輻射出射度的計(jì)算方法當(dāng)計(jì)算某一波段上的輻射出射度時(shí)，可以通過查表的方式進(jìn)展計(jì)算：可以通過查表的方式得到可由斯忒藩-玻爾茲曼定律計(jì)算具有光譜選擇性的光輻射源是指其光譜出射度和黑體曲線不相匹配的光源。一般說來，它們具有較窄的波長。

6.2光輻射源及特征 ——光譜選擇放射(a)砷化鎵磷LED(b)鎵磷LED(c)碳弧燈(d)150W氙弧6.2光輻射源及特征 ——相干輻射源相干長度是能夠發(fā)生干預(yù)的最大光程差。①振動(dòng)方向一樣；②振動(dòng)頻率一樣；③相位一樣或相位差保持恒定太陽的輻照度月亮和水星的輻照度

6.2光輻射源及特征 ——自然輻射源1.大氣中的傳輸特性輻射通過大氣時(shí)，氣體分子、水汽、固體粒子及水滴的吸取與散射使輻射通量衰減。散射而引起的衰減與輻射波長的關(guān)系是平滑的，而吸取引起的衰減則具有選擇性。6.2光輻射源及特征 ——輻射的傳輸6.2光輻射源及特征 ——輻射的傳輸2.亮度定理亮度是人對(duì)光的強(qiáng)度的感受。它是一個(gè)主觀的量。亮度的單位是坎德拉/平方米〔cd/m2〕意義：當(dāng)光束穿過沒有損失的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)其根本亮度保持不變。6.2光輻射源及特征 ——輻射的傳輸3*.像面照度〔成像系統(tǒng)像面的光照度〕計(jì)算6.2光輻射源及特征 ——輻射的傳輸4*.相干檢測(cè)的天線定理每一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)都有自己的光瞳——孔徑光闌、入瞳、出瞳、視場(chǎng)光闌、入窗、出窗。對(duì)于由兩個(gè)以上根本光學(xué)系統(tǒng)組成的簡單光學(xué)系統(tǒng)，前組根本光學(xué)系統(tǒng)的光瞳應(yīng)與后組根本光學(xué)系統(tǒng)的光瞳統(tǒng)一。6.4光學(xué)系統(tǒng)根本參數(shù)確實(shí)定 ——光孔轉(zhuǎn)接原則

6.4光學(xué)系統(tǒng)根本參數(shù)確實(shí)定 ——物像空間不變式原則選擇光源時(shí)一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：1.光譜能量分布特征2.光照度特征3.發(fā)光面的外形、尺寸及燈泡的構(gòu)造4.其他因素：光源的供電系統(tǒng)簡單與否、是否需要人工冷卻、使用壽命、更換便利程度以及價(jià)格等因素。6.4光學(xué)系統(tǒng)根本參數(shù)確實(shí)定 ——光源6.4光學(xué)系統(tǒng)根本參數(shù)確實(shí)定 ——人的眼睛1.眼睛的光學(xué)參數(shù)焦距：f=-16.68mm，f’=22.29mm;視場(chǎng)：眼球不動(dòng)時(shí)5°；眼球轉(zhuǎn)動(dòng)角：水平面內(nèi)由光軸往耳方向至95°；水平面內(nèi)由光軸往鼻方向至65°；垂直面內(nèi)向上60°；垂直面內(nèi)向下72°。眼瞳直徑：在目視儀器中儀器的出瞳應(yīng)與眼瞳相適應(yīng)，它與視場(chǎng)亮度有關(guān)。眼瞳位置：在角膜內(nèi)，至角膜頂點(diǎn)越4mm，至眼睫毛約8mm。2.眼睛的屈光度調(diào)整正常人的明視近點(diǎn)為250mm，明視遠(yuǎn)點(diǎn)為無窮遠(yuǎn)，即屈光度調(diào)整范圍為4SD〔屈光度〕。但隨著年齡增長，調(diào)整力量減小。3.眼睛的襯度區(qū)分閾值4.眼睛的空間區(qū)分率6.4光學(xué)系統(tǒng)根本參數(shù)確實(shí)定 ——人的眼睛6.4光學(xué)系統(tǒng)根本參數(shù)確實(shí)定 ——人的眼睛5.眼睛的瞄準(zhǔn)精度

瞄準(zhǔn)就是使標(biāo)志物與被測(cè)物體相重合，可以用人眼與光電系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。6.眼睛的估讀數(shù)度

6.4光學(xué)系統(tǒng)根本參數(shù)確實(shí)定 ——人的眼睛7.雙眼視覺雙眼有關(guān)的參數(shù)如下：