光电检测技术第四章ppt课件

1、第四章第四章 光学元器件光学元器件4.1 4.1 光学玻璃光学玻璃 一、无色光学玻璃种类一、无色光学玻璃种类 我国无色光学玻璃的牌号我国无色光学玻璃的牌号 能否属于生态玻璃能否属于生态玻璃 玻璃类型玻璃类型 玻璃型号玻璃型号 无色光学玻璃的数字代号无色光学玻璃的数字代号 A A，B B，C C的数值由玻璃的折射率的数值由玻璃的折射率ndnd及阿贝数及阿贝数d d 构成：其中构成：其中A A为折射率为折射率ndnd减减1 1后的个位数；后的个位数；B B为折射率为折射率ndnd小数点后的三小数点后的三位数；位数；C C为是阿贝数为是阿贝数dd的前三位数。的前三位数。表表4-14-1无色光学玻璃类

2、型及称号表无色光学玻璃类型及称号表 表表4-2 4-2 新种类光学玻璃新种类光学玻璃 二、无色光学玻璃的光学性能二、无色光学玻璃的光学性能 无机光学玻璃的折射率与光波长之间有以下阅历关系：无机光学玻璃的折射率与光波长之间有以下阅历关系： n n是波长为是波长为的折射率，的折射率，A0A0A5A5是计算折射率是计算折射率的常数的常数 色散系数也称为阿贝数色散系数也称为阿贝数d d nd nd 是玻璃对氦黄光折射率是玻璃对氦黄光折射率d d线波长线波长587.6nm587.6nm；nF nF 是是对紫光折射率对紫光折射率F F线线波长波长486.1 nm486.1 nm；nC nC 是对红光折射率

3、是对红光折射率C C线波长线波长656.3 656.3 nmnm，其中，其中nF nF nC nC称为中部色散，也是产品的等级考核目的。称为中部色散，也是产品的等级考核目的。856443222102AAAAAAnCFddnnn1表表4-3 4-3 无色玻璃的光学常数表无色玻璃的光学常数表 三、无色光学玻璃质量目的三、无色光学玻璃质量目的折射率、色散系数折射率、色散系数 光学均匀性光学均匀性 应力双折射应力双折射 条纹度条纹度 气泡度气泡度 光吸收系数光吸收系数 四、四、 有色光学玻璃有色光学玻璃 五、光学石英玻璃 石英玻璃是SiO2单一组分玻璃，由水晶、脉石英或合成硅化物如：SiCl4原料经高

4、温熔化或化学气相堆积CVD而成。石英玻璃的物理、化学特性是：高纯度、化学稳定、光谱透射宽、抗热冲击、耐高温变形、耐射线辐照、电绝缘等。掺入少量杂质元素的石英玻璃，可获得特殊性能，如：超低膨胀石英玻璃、荧光石英玻璃、颜色石英玻璃等。 表4-11 光学石英玻璃的牌号与称号 光学石英玻璃的光谱透射曲线光学石英玻璃的光谱透射曲线 六、透红外玻璃六、透红外玻璃 表表4-15 4-15 一些透红外玻璃的主要性能一些透红外玻璃的主要性能 七、透紫外玻璃七、透紫外玻璃 表表4-16 4-16 一些透紫外光学玻璃组成及运用一些透紫外光学玻璃组成及运用 附附附附 4.2 4.2 透镜元器件透镜元器件 1 1 正透

5、镜和负透镜正透镜和负透镜 2 2 柱面透镜柱面透镜 凡由两个母线相互平行的柱面，一个柱面和一个平面或凡由两个母线相互平行的柱面，一个柱面和一个平面或一个柱面和一个球面组成的透镜都称柱面透镜。一个柱面和一个球面组成的透镜都称柱面透镜。 当柱面透镜对一个点光源成像时，得到的是一条与母线当柱面透镜对一个点光源成像时，得到的是一条与母线方向一致的直线方向一致的直线 3 3 放大镜放大镜 普通眼睛于明视间隔普通眼睛于明视间隔250250毫米处看物，那么可得毫米处看物，那么可得M = 250 / f M = 250 / f 4 4 目镜目镜 在目视光学仪器中用于察看物体被物镜所成像的透镜组称为目镜在目视光

6、学仪器中用于察看物体被物镜所成像的透镜组称为目镜 设目镜的焦距为设目镜的焦距为fefe，那么放大率为，那么放大率为Me = 250 / fe Me = 250 / fe 5 5 物镜物镜 (1) (1)显微镜物镜显微镜物镜 显微镜物镜为到达高的分辨身手，必需有尽能够大的数值孔径，显微镜物镜为到达高的分辨身手，必需有尽能够大的数值孔径，显微镜的总放大率显微镜的总放大率MM是物镜垂轴放大率是物镜垂轴放大率简称物镜倍率和目镜简称物镜倍率和目镜放大率放大率MeMe的乘积，它与物镜的数值孔径之间应有恰当的比例关系。的乘积，它与物镜的数值孔径之间应有恰当的比例关系。 (2) (2) 望远镜物镜望远镜物镜望

7、远镜物镜是望远镜系统中把无限远物体成像于其焦平面上的一个望远镜物镜是望远镜系统中把无限远物体成像于其焦平面上的一个透镜组。在无透镜转像系统的简单望远镜中，物镜的这一像面与目透镜组。在无透镜转像系统的简单望远镜中，物镜的这一像面与目镜的物方焦平面重合，眼睛经过目镜察看这一物体的中间像。镜的物方焦平面重合，眼睛经过目镜察看这一物体的中间像。4.3 4.3 反射元器件反射元器件 1 1 平面反射镜平面反射镜 平面镜的主要性质平面镜的主要性质 对实物成虚像，物和像对称于反射面对实物成虚像，物和像对称于反射面 以坐标系以坐标系x x，y y，z z表示实物，它被镜所成的虚像为表示实物，它被镜所成的虚像为

8、x,y,zx,y,z，将，将x, x, y,z y,z整体平移或旋转都不能使其各轴与整体平移或旋转都不能使其各轴与x x，y y，z z的的对应轴同时重合，对应轴同时重合， 因此称因此称x,y,zx,y,z为为x x，y y，z z的镜像的镜像 坚持入射光线方向不变，假设平面镜偏转坚持入射光线方向不变，假设平面镜偏转角反射角反射光线方向偏转光线方向偏转22角角 平面反射镜组平面反射镜组 二维平面二维平面 三维立体三维立体 球面反射镜球面反射镜 球面镜分凸、凹两种，常用的是凹球面镜。球面镜分凸、凹两种，常用的是凹球面镜。 设球面曲率半径为设球面曲率半径为R R，那么球面镜的焦距为只，那么球面镜的

9、焦距为只R R2 2，这一数值与光的波长，这一数值与光的波长 无关，也就是说球面镜不产生色差无关，也就是说球面镜不产生色差 。 分束元件分束元件 4.4 4.4 其他元器件其他元器件 1 1 光楔光楔 偏向角偏向角= (n - 1) = (n - 1) 当光线垂直或近于垂直射人光楔时当光线垂直或近于垂直射人光楔时( (如图如图4-15b4-15b所示所示) )，光，光楔所产生的楔所产生的 偏向角仅取决于的光楔的楔角和折射率。偏向角仅取决于的光楔的楔角和折射率。 2 2 干涉滤光片干涉滤光片 能从延续光谱中滤出所需波长范围的光的器件称为滤光片。能从延续光谱中滤出所需波长范围的光的器件称为滤光片。

10、 利用光的干涉原理制成的滤光片那么称干涉滤光片。利用光的干涉原理制成的滤光片那么称干涉滤光片。 透过的光谱范围可以恣意选定，光谱宽度从透过的光谱范围可以恣意选定，光谱宽度从 几十几十 nm nm 到到 0.1 0.1 nmnm 滤光片按构造可分为：滤光片按构造可分为： 法布里法布里珀罗型滤光片珀罗型滤光片 - - 干涉滤光片干涉滤光片 通带外形呈尖头型通带外形呈尖头型 多腔滤光片多腔滤光片 - - 矩形滤光片矩形滤光片 通带外形呈矩型通带外形呈矩型 诱增透滤光片诱增透滤光片 - - 在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系 干涉滤光片的光学性能目的：干涉滤光片的光学

11、性能目的： 中心波长位置、中心波长位置、 通带半宽度、通带半宽度、 透过率透过率 3 3 偏振片偏振片 可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片(polarizer)(polarizer)。 偏振片由二向色性资料制成偏振片由二向色性资料制成. . 当光波经过偏振片时当光波经过偏振片时, , 其中正交偏振其中正交偏振分量之分量之 一被偏振片剧烈吸收一被偏振片剧烈吸收, , 而对另一分量那么吸收较弱而对另一分量那么吸收较弱, , 因此可以用偏因此可以用偏振片将自然光振片将自然光 转换为线偏振光转换为线偏振光. . 和偏振棱镜相比和偏振棱镜相比, , 它允许入

12、射角大它允许入射角大, , 且可以制成较且可以制成较大孔径大孔径. . 由于偏振片对能量选择吸收由于偏振片对能量选择吸收, , 因此它不能运用在大功率场所。因此它不能运用在大功率场所。 人造偏振片有多种，其中一种的制定方法是将具有网状构造的聚乙烯醇高人造偏振片有多种，其中一种的制定方法是将具有网状构造的聚乙烯醇高 分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液复原稳定后，分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液复原稳定后， 再把它定向拉伸再把它定向拉伸 4-5 4-5 倍，使大分子定向陈列。即经拉伸后，使高分子资料由倍，使大分子定向陈列。即经拉伸后，使高分子资料由 网

13、状构造变成线状构造，碘分子那么整齐地被吸附在该薄膜上而具有起偏或检网状构造变成线状构造，碘分子那么整齐地被吸附在该薄膜上而具有起偏或检偏偏 性能，这种偏振片称为性能，这种偏振片称为 H - H - 偏振片。偏振高，可达偏振片。偏振高，可达 99.5 99.5 ，适用于整个可，适用于整个可 见光范围。其运用范围广；缺陷是强度差，不能受潮，易退偏振等。见光范围。其运用范围广；缺陷是强度差，不能受潮，易退偏振等。 图中小朋友手中拿着一块方形偏振片，图中小朋友手中拿着一块方形偏振片， 右上方还有一块偏振片，它们的透光方向右上方还有一块偏振片，它们的透光方向 相互垂直，两个偏振片重叠在一同的部分，相互垂

14、直，两个偏振片重叠在一同的部分， 透射光最弱透射光最弱 。偏振棱镜：偏振棱镜： 尼科耳棱镜尼科耳棱镜 尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的双折射景象制成的一种偏振仪尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的双折射景象制成的一种偏振仪 器。取一块长度约为宽度三倍的方解石晶体，将两端切去一部分，使主截面上器。取一块长度约为宽度三倍的方解石晶体，将两端切去一部分，使主截面上 的角度为的角度为6868度。将晶体沿着垂直于主截面及两端面的度。将晶体沿着垂直于主截面及两端面的ANAN切开，再用加拿大树胶切开，再用加拿大树胶 粘合起来。粘合起来。 渥拉斯顿渥拉斯顿Wollaston)Wollaston)棱镜棱

15、镜 它由两个方解石直角棱镜组成。两棱镜的光轴相互垂直。它由两个方解石直角棱镜组成。两棱镜的光轴相互垂直。 自然光垂直入自然光垂直入 射到射到ABAB面上，面上，o o 光和光和e e 光以不同的速度沿同一方向传播。当它们进入第二棱光以不同的速度沿同一方向传播。当它们进入第二棱 镜以后，由于两棱镜的光轴相互垂直，所以又由于镜以后，由于两棱镜的光轴相互垂直，所以又由于no ne no ne ，所以，所以 e2e2远离法远离法线，线， o2o2接近法线，两束光在第二棱镜中分开。接近法线，两束光在第二棱镜中分开。 4.5 4.5 光调制器光调制器 在检测技术中需求光调制的缘由是：在检测技术中需求光调制

16、的缘由是： (1) (1)在光电检测中经常有自然光或其他杂散光与检测的光信号在光电检测中经常有自然光或其他杂散光与检测的光信号混合在一同，混合在一同， 使它们成为干扰和噪声的来源。为了使有用的光信号与它使它们成为干扰和噪声的来源。为了使有用的光信号与它们区别开来，们区别开来， 光信号应以某一频率变化。光信号应以某一频率变化。 (2) (2)各种光电器件由于温度、暗发射或外加电场的作用，当无各种光电器件由于温度、暗发射或外加电场的作用，当无外界光信号外界光信号 作用时，在其任务回路中都会有暗电流产生，它是噪声源作用时，在其任务回路中都会有暗电流产生，它是噪声源之之。假设采。假设采 用调制检测那么可消除探测器暗电流的影响。用调制检测那么可消除探测器暗电流的影响。 (3) (3)与直流放大器相比，交流放大器的稳定性高，零点漂移小，与直流放大器相比，交流放大器的稳定性高，零点漂移小，受电源电受电源电 压动摇、温度、老化的影响较小。假设与光信号的调制特压动摇、温度、老化的影响较小。假设与光信号的调制特性相匹配，性相匹配， 采用选频放大或锁相放大等技术方案，又可有效地抑制噪采用选频放大或锁相放大等技术方案，又可有效地抑制噪声，从而实声，从而实 现高精度的检测。现高精