光电系统设计理论基础

1、现代光电系统设计版权所有， 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc.常 军B介绍 在光学、光电子学基本知识和相关知识的基础上，对现代光学、光电子仪器以及工程中的光学总体设计问题进行归纳和分析，使其逐步走向科学化和系统化。教学目的与要求n在概括的高度上了解仪器光学中涉及的多方面光学问题的内在联系。n学会解决这些问题的综合分析和处理方法。n掌握进行仪器中的光学总体设计的知识和能力。n理论联系实践并重视经验积累。参考文献1、仪器光学，薛鸣球等。2、光学仪器通论，王之江。3、光学设计理论基础，王之江。4、成像光学，王之江、伍树

2、东。5、工程光学，郁道银、谈恒英。6、光学信息论，陶纯堪、陶纯匡。7、光学仪器设计学，清华大学。8、光电子成像器件原理，向世明、倪国强。9、Handbook of OpticsII (Devices,Measurements & Properties)主要内容第一章 绪论第二章 拉格朗日不变量第三章 光学传递函数第四章 光学系统外形尺寸及像差计算第五章 典型光学系统第一章 绪论一、现代光学和光学仪器的发展二、仪器光学研究内容和方法三、几个示例四、光度量制与光度学基本公式一、现代光学和光学仪器的发展 20世纪光学大发展的世纪，光子学(Photonics)、光电子学（Photoelectr

3、onics）应运而生，激光与光纤激光与光纤大大改变的人类生活面貌，也为以几何光学为主的传统光学仪器注入无限活力。以往光学仪器与精密机械密不可分，而现在以及将来则与光电子学、电、算发生愈来愈密切的联系，甚至有些就集成为MOEM。 我国光学发展基本始于50年代，由王大珩等老前辈创建的原长春光机所为我国光学仪器技术发展做出了开创性贡献。现代光学仪器与工程现代光学仪器是光学、精密机械、光电子学以及计算机科学和技术的综合体。 特点：应用广泛、技术密集 光学技术手册中光学仪器共分20多类。n从机理分：光传感、光通讯、光学信息处理n从用途分： 民用、军用光学计量与测量仪器工业用光刻设备、过程与质量检测仪器医

4、用激光与光谱分析仪器军用大型光学、光电经纬仪民用与信息领域DVD、HMD、ProjectorScanner、相机、数码相机、摄像机大型光学工程n天文光学望远镜n空间光学哈勃、NGST、HRISn激光核聚变NIFn光电对抗与靶场光测“军事上所用的以光子学为基础的技术包括：激光制导武器、红外夜视和高分辨力的卫星图像等”援引美国国防部新闻简报光学仪器与工程的现状与发展 热门且发展迅速n光学自身发展的推动激光、全息以及光子学、衍射光学n交叉学科和技术的融合光电子传感器、图像处理、自适应控制技术n国家和社会的需求国防、信息时代（主要是在信息获取和显示应用）故对其中的光学技术提出更高要求：新原理、新方案、

5、新技术的应用功能、指标和精度的新高度与机、电、算更佳的匹配和一体化n发展到常规光学的极限，需要新技术、新手段n光学人才的短缺n美国在大型、高精度领域领先n德国在中型高精度领域领先n日本在中小型、中精度领域领先n中国处于中等水平但发展很快二、研究内容和方法n应用物理光学、几何光学等知识着重讨论仪器中的光学总体问题研究能量、信息传递过程的有关环节研究能量、信息传递过程的有关环节研究光学总体性能（光度、成像以及噪声）评价研究光学总体性能（光度、成像以及噪声）评价n光学总体设计是光学仪器设计的先行和关键，确定光学方案给出光学设计参数n“老瓶新酒”探讨相关学科、技术提出的新问题（短波、红外和毫米波成像）

6、n掌握各类光学系统的水平和适用场合，又要从具体光学设计中跳出来，从生产实际出发，站在整体层面上具体问题具体分析。n光学仪器的质量指标n功能指标n可靠性指标n工艺学指标n人机学指标n美学指标n标准化（归一化）指标n经济性指标n专利权指标n光仪总体设计是分解上述指标、同时侧重结构设计，而仪器光学主要研究上述指标中所涉及的光学问题并解决它们。光学仪器设计n光信息传递过程n评价光学总体性能标准与方法n光度特性光能n成像特性充分细节n噪音（对比）特性稳定信号且有足够对比性能评价一般方法n前苏联提出n主要物理量 J、MTF、D、L、f、 n中国有人提出（光信号强度）（分辨能力）（信噪比）（信息速率）100

7、1ftgCm2222OMMJkFn近期提出：计算光学信息量三、几个示例战车潜望目视系统方案1：透镜式 光学系统通光效率 36.8% 光学MTF 0.063方案2：棱镜式光学系统通光效率 64.7%光学MTF 0.81n性能评价、比较n作用距离n成像质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结论：应选择方案2四、光度量制与光度学基本公式n光学系统传输辐射能的能力强弱，是除了光学特性和成像质量以外的另一个重要性能指标。n辐射源特性n光谱特性n能量特性n角度特性cosOII 辐射度量和光度量表 定义、符号、单位和

8、量纲对照表辐射度量制光度量制名称表达式单位及符号名称表达式单位及符号量纲辐 射能焦耳(J)光量流明秒(lm.s)ML2T辐 射密度J/m3光密度流 明 秒 / 米3(lm.s/m3)ML-1T-2辐 射通量瓦(W)光光通通量量流明(lm)ML2T-3面 辐射度W/m2面发光度lm /m2MT-3辐 射照度W/m2光光照照度度勒克斯(lx )MT-3辐 射强度W/sr发发光光强强度度坎德拉(cd)ML2T-3 -1辐 射亮度W/m2 .sr光光亮亮度度cd/m2MT-3 -1dSdEeedVdQWeedtdQeedsdReeddIeeddsdLee2dSdEppdVdQWppdtdQppdsdR

9、ppddIppddsdLpp2dQQre)(dQKQrp)()( 其中发光强度是SI的七个基本单位之一，最新定义为坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为5401012赫兹单色辐射（对应波长在标准空气中为555.016nm)，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦每球面度。光度学基础及其基本公式n研究可见光/电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为光度学/辐射度学。n基本量n辐射通量（功率）、辐射强度、辐（射）出射度和辐射照度、辐射亮度n光通量（功率）、发光强度、光出射度和光照度、光亮度有时辐（射）出射度也叫面辐射度 光出射度也叫面发光度dsdMee 人眼视见函数 视觉敏感波段可见光

10、（400760nm） 为了表示人眼对不同波长辐射敏感差别，定义函数V()，称为（）。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 拉氏不变量一、 Lagramge-Helmholz不变量 二、几何光学基本定律三、像差理论四、拉氏不变量与光学信息量 一、Lagramge-Helmholz不变量 n-折射率，u-孔径角，y-物高（u、y为近轴量）表示在同轴光学系统的近轴区存在一个对整个系统的不变量。J是由几何光学引出的：u-孔径角，y-物高（u、y为近轴量）n得到使近轴点成像理想的正弦条件：n将近轴条件推广到整个空间，就得到理想光学系统的

11、物像空间不变式： 二、几何光学基本定律 n光的直线传播定律 在各向同性的均匀介质中，光沿直线方向传播。n光的独立传播定律 不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。n光的折射定律和反射定律 费马原理（Fermat）（极值原理） 光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次折射或反射，其光程为极值。马吕斯定律（Malus）（等光程定律）光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，且入射波面与出射波面对应点之间均为定值。n折、反射定律、费马原理和马吕斯定律，三者中任意一个可视为几何光学三个基本定律之一，而另两个则为其推论。 三、像差理论n1) 球差;n2) 彗差

12、;n3) 像散;n4) 场曲;n5) 畸变;n6) 轴向色差;n7) 垂轴色差;n子午面和弧矢面的定义1、球差n平行光线入射,在轴上交点不都相同,和近轴像面之间的差别为球差;n球差校正曲线图2、彗差n子午面上孔径和下孔径交点和主光线之间的距离为子午彗差;同理为弧矢彗差;3、场曲4、像散5、畸变 A)理想 B) 正畸变 C)负畸变6、轴向色差n1/f=(n-1)(1/r1-1/r2) ,不同颜色光焦距不同;n红光的像面最长，紫光的像面最短；7、垂轴色差ny= f * tan (w);n不同波长,折射率不同,焦距不同,所以像高不同,差别就是垂轴色差;像差公式四、拉氏不变量与光学信息量 n 光学信息

13、量一般是多维的，此处侧重于“空间信息量”（另外包括“时间信息量”）n空间信息量的度量: 一般，用在像面能分辨多少个点来定义 n对于数码相机，最高有400万pixelsn对135胶片：36mm24mm n国标要求：50lp/mm（轴上），取平均值40 lp/mm（轴上、轴外）即，每毫米100个、80个点可分辨第三章、光学传递函数 一、评价方法二、典型成像系统的特征频率法 光学传递函数是点/线扩展函数的傅立叶变换n1)自相关法；n2)快速傅立叶变换法；n3)点列图方法。n 20世纪40年代，把傅立叶分析方法应用于到光学中，并使用了电子计算机。1961年，国际光学会议统一称为光学传递函数（optca

14、l transfer function） n 1939年，-检验照相物镜发现“伪超分辨率”现象。 n 1946年，P.M.Duffieux 已将Fourier变换用于光学。认为“非相干光学系统可看作一个低通线性滤波器”。 发展历史n1948年，C.E.Shamnon 建立信息量量度概念和方法。 n1953年，O.H.Schade 研究电视过程的成像。 其它评价要求几何像差波像差 分辨率 其中主要用于光学设计阶段，用于生产过程中检验（主观性大），像差与实际质量没有简单的数量关系。二、典型成像系统的特征频率法 1、显微系统 （要求：可分辨、不求层次、照明好、对比高）若要求分辨2细节，特征频率取：

15、n由人眼观察，确定MTF值：n 人眼MTF=0.026；在 0.51,则 2、电视摄像物镜 n电视系统（摄像管）特征频率12 lp/mm； n1/3CCD Nyquist频率77 lp/mm 像素： 752（H）582（V） 尺寸： 4.8（H）3.6（V）mm2 分辨率：470电视行（垂直）nM电-包括从摄像管（CCD）到荧光屏显示的全过程，一般取0.6左右。nM物-要求分辨物体亮度差20%，即 3、电影摄影物镜 n质量要求中的清晰度，是对细节的分辨能力。即通常讲的目标细节的成像虚实程度，是决定特征频率的主要因素。摄影要求的层次是决定调制度值的主要因素。=50 lp/mm处（验收镜头一般以此

16、N0的鉴别率板拍摄情况作标准） n电影胶片的截止频率一般为：70100 lp/mm；n一般取特征频率N0= 50 lp/mm下，MTF0 0.5。 4、望远系统 n特征频率接近截止频率。nD径要足够大，以保证理想角分辨大于要求的角分辨能力。n处理方法与显微镜类似。 5、照相物镜MTF指标 35mm（画幅3624mm2）照相镜头 级 特征频率特征频率 视场视场 孔径孔径 10 lp /mm 30 lp /mm 轴上轴上 轴外轴外 0.707y 轴上轴上 轴外轴外0.707y 全口径全口径 0.6 0.3 0.3 0.15 F8 0.75 0.4 0.4 0.2 n电影物镜电影物镜MTF指标（提案

17、）指标（提案） 特征频率特征频率 视场视场 孔径孔径 4060 lp /mm 70100 lp /mm 0.5y 0.707y 0.5y 0.707y 全口径全口径 0.5 0.5 （3050 lp/mm ） 0.15 0. 15 ( 5080 lp/mm ） n航摄制图物镜航摄制图物镜MTF指标（提案）指标（提案） 特征频特征频率率 视场视场 孔径孔径 15 lp /mm 0 20 30 40 全口径全口径 0.82(T) 0.48(T） 0.33(T) 0.44(T) 0.82(S) 0.54(S) 0.48(S) 0.24(S) 瑞利分辨率极限瑞利分辨率极限 理论分辨率极限理论分辨率极限

18、 显微显微物镜物镜 n n 望远望远物镜物镜 n n 照相照相物镜物镜 n n 第四章 光学系统外形尺寸 和参数计算一、光学系统的分类二、设计实例一、 光学系统的分类1、 望远系统：物像均在无穷远的光学系统。视角放大倍率的定义 :2、 显微系统： 主要是对线性放大。n外形尺寸：长度（轴向）/口径（径向）n参数：f,w（或画幅），D/f确定外形尺寸的基本原则：n1、 拉氏不变量和象差的校正n2、 光度特性不同系统中的一般典型关系：n望远-倍率与长度的关系（倍率长度）n摄影-光度与象差n显影-精度与孔径n变焦-变焦比与像面稳定3 变焦距光学系统 nA) 变焦点光学系统(Variable focal length lens) -varifocal n焦距变、焦点也变，需像面移动补偿像面位移；n应用场合：手动调焦，投影镜头（focus环） nB) 变焦距光学系统（Zoom Lens）（变倍率镜头）n焦距变、焦点不变，即像面位移在焦深范围内。分为光学补偿、机械补偿两大类。 n光学补偿-运动镜组一体运动（同向/同速） ;n优点：不需凸轮（或螺旋线CA