光电技术光电技术中的光学系统多媒体

光电技术中的光学系统光学系统是光电检测系统构成中的一个重要局部，在主动探测系统中，如何使光源发出的光能得到充分利用有效掩盖探测目标区域聚拢信号光能，尽可能地削减背景光和杂散光的干扰，对信号光能进展合理的安排，接收与分析，都离不开光学系统的设计。§1、常用的光学元器件一、透镜及透镜组以两个折射曲面为边界的透亮体称为透镜，通常以光学玻璃为原料，磨制成形后透镜。透镜由于两个外表的折射，对光束具有会聚或发散系统中不行缺少的光学零件。在实践中，单独一片透镜往往不能满足校正象差的要求，常常把几片透镜依据某种要求组合成一个透镜组。从成象和校正象差的角度动身，确成象和使用要求，又到达指定的相对孔径、视场等光学性能。通常不加特别说明而提到透镜或透镜组时，绝大多数场合是指球面透镜及其组过两球面的曲率中心的连线称为透镜的光轴与透镜外表的交点称为顶点。1、正透镜与负透镜FFFF〔a〕凸透镜 〔b〕凹透镜1透镜的焦距正透镜又称凸透镜，具有正的象面焦距，能对光束起会聚作用；负透镜又称凹透镜，具有负的象方焦距，能对光束起发散作用。正透镜通常有双凸、平凸、月凸三种形式，其共同特征是中心位置比边缘位置厚，负透镜通常有双凹、平凹和月凹三种形式，其共同特征是中心厚度比边缘薄。2、柱面透镜2柱透镜是柱面〔母线相互平行〕的称为柱面镜，其作用相当于一个光学平板，光焦度0，球面透镜，具有最大的光焦度。所以，当柱透镜的截面所打算。3、透镜组为了对色差、球差、慧差、象场弯曲、畸变使用各种不同焦距的透镜组合在一起组成透镜组。4、场镜工作在物镜象面四周的透镜称为场镜，其主要作用是：①提高边缘光束入射到探测器的能力；②在一样的主光学系统中，附加场镜可减小探测器的面积，使光能更加集中。如使用同样的探测器，可扩大视场，增参加射通量。③可让出象面位置放置调制盘，以解决无处放置调制盘的问题。④使探测器光敏面上的光照均匀化，可充分利用探测器性能，削减噪声影响。面〔消退象场弯曲现象。探测器D探测器D0d D1fofLLL3常用的接收光学系统为了到达以上的要求，在安排物镜、视场光阑、场镜、探测器的相对位置时，总是度。111L L f

和垂轴放DdD0

LL

LL，可得场镜的焦距fL

应满足的f f dLLD d(fL0)d0D df0f

L0

f 是物镜焦点到场镜距离；D0、d分别是物镜和探测器直径；取D1dL时，可计算fLfLdL，并可确定场镜口径为：DD2(fL10f)tanDL0ff0fL这时f

0 Lf。0。DD1 r

2f

tan0ddDfff0 L0LdDdDDf1D(ff0 L10)L比为：在ff0 L

状况下，DDd fL1fDD F1L00F0LFF＞L0F时，场镜具有集光作用。0下面引入光学增益G的概念。它定义0为：有、无某光学系统时，探测器接收到的光辐射通量之比。可见，有、无物镜时的光G为：0G 00AA0d0 G 00AA0d0 0GGA10 1A0d有、无场镜时间学增益的变化，用光学d增益倍数m表示，这时前式中的Ad

，就用1A1

代替。所以mmGG1 AAd11(D1)221(d)2D2d211F21020F21由于略小于物镜与场镜的1F数平方比。5、阶梯透镜〔菲涅耳透镜〕4菲涅耳透镜阶梯透镜是有阶梯形不连续外表的透镜。其“阶梯”由一系列同心圆环状带区构成，故又称为环带透镜。假设一个透镜焦距短而直径大，透镜就又厚又重，为了使它在保持F中可以依据需要相互调整，互不牵扯，有利于象差的校正。1820A、J菲涅耳首先在灯塔的导航灯系统中使用阶梯透镜，故文献中又称菲涅耳透镜。现在多用光学塑料制作〔压塑但耐温不高。常用于：电视放大镜，投影仪上的聚光镜，照相机取景用的场镜，红外保安系统的物镜等。二、反射平面镜与反射棱镜反射镜具有转变光学系统光轴的作用和成象的作用，没有色差的影响，成反象。1、平面反射镜〔左〔右〕手系〔镜象清楚度。2、球面反射镜有凹面反射镜〔类似于凸透镜〕和凸面反射镜〔类似于凹透镜〕两类，可以对物体成象，焦距为镜面曲率半径的一半，光轴转180°。3、光锥FB 2uu E i iu0 1 u 21 2OnG图5 光锥中的光线光的传输体，具有集光作用，常用的有空心与实心之分。如下图，光锥顶角为2 ，光线进入光锥前与光锥轴线夹角为u

，称为入射角。0进入光锥后光线与光轴夹角为u 光线第一1次与锥壁相遇时入射角

，反射后光线与光i1i轴夹角u 光线其次次与锥壁相遇反射时入2射角为i2

，反射后与锥轴夹角u3

……。由于sinu0

nsinu1

ΔBEF可见：(90 i1

)(90u1

)1801所以： i1

90u 1而 u2

90i1

u1

2经其次次反射时，应有：i 90u2

90u1

u 90i3

u1

………m 次反射时有：iim9u (m1umumu m1m

随反射次数m 的增加而迅速减小，当im

0时，光线不再向小端传播，大端向小端传播有一临界角度存在相应地有临界入射角u0存在，它们与光锥顶角光锥材料折射率n 有关。2，光锥长度L，大端直径R，小端直径r，光电探测器放置在6所示：①视场光阑是光锥大端。作BF延长线，E，此即光锥的顶点；E为圆心，EFBBDD点。③延长BDω的边缘光线，它与成象物镜相交于A点，与光轴成角u c利用反射作图法可证明入射角等于uc 的光线正好可以传输到光锥小c端，入射角小于u 的光线均可以传输到光c锥小端。所以，从物理上说u 限制了系统c的视场角2 。DDωD0BucRaLrOF2EAlLf0a62DEDEaL(al)sinucRrRraLaRltaunc且所以，在光锥大、小端半径及长度状况cuc和入射孔D0。以上推导是在空心光锥的状况下得出sinsincnsinuc4、光楔nn〔a〕 光楔7光楔及其应用光楔是一个顶角

很小的光学劈尖，其偏向角(n1)(n1)l微小线量或角量。例如图(n1)l5、反射棱镜一般平面反射镜均是在光学玻璃后外表镀反射膜通过玻璃—反射膜的界面进展反射。这时平板玻璃前外表也会产生反射象，并与抱负反射象成在同一方向〔前后相差两倍的玻璃光学厚度nd 这易使成象不清楚一种方法是利用反射膜—空气面进展反射。由于膜层暴露在空气中，外表简洁氧化会影响其反射性能另外也很易受到机械损伤。由于反射镜多为薄板，装配时简洁变形，影响成象质量，所以在一些简单的光学系统中，安装和固定格外困难。因此，在很多光学仪器里都使用反射棱镜。反射棱镜在光学系统中主要起转折光轴和转象倒象8是常见的几种反射棱镜。90°反射棱镜，出射光束与入射光束间夹角总是90；2转角棱镜可将光线2角度。如将夹角改为22.5°，则光轴转折4。〔a〕直角反射棱镜 〔b〕2转角棱镜8常见的几种反射棱镜〔c〕后向反射棱镜90°夹角。当一束光垂直于入射面入射时，经三个反射面反射后，将逆着入射光的方向射出。后向反射棱镜的最大好处是，当入射光偏离法线入射时，只要偏离角度不大，出射在光电测量中具有重要应用。6、分束镜分束镜是将入射光辐射通量分割成反射和透射两局部并保证两者有适当比例关可称为分色镜。分束镜一般是在平板玻璃上镀上一层析光膜〔使光局部透射，局部反射的膜层〕及象散〔因前后两外表反射束棱镜。9是彩色电视摄象机里使用的分色射〔入射角大于绿光的临界角蓝光通过；到达其次个反射面〔入射角大于红光的临界角〕时反射红光，让蓝光通过。三束光分别使用不同的摄象器件进展记录，并在储存介质里存储。绿光入射白光 蓝光红光9彩色电视摄象机里使用的分色棱镜三、光学窗口光学窗口主要用于将光学测量系统与界环境变化的影响。光学窗口作为透光材料，应保证在系统的工作波段范围内，有足够高的透光率，并不会产生有影响的噪声。在可见光区，可使用光学白玻璃；在紫外光一般玻璃吸取率很高，需使用Na

Cl、石英、锗等作为窗口材料。在中红外和远红外区，则常使用各种光学塑料材料，如聚砜、聚氯乙烯等。四、光阑由一点发出能进入光学系统成象的光束，其立体角的大小〔从而输入能量〕是由透镜的有效直径所打算的。在光学系统中，透镜和其它光学元件的边缘起到了限制成象光束的作用，称之为光阑。光阑的通光孔一般为圆形，中心与光轴重合，光阑平面与光轴垂直，以保证共轴性。种：MωSMωSNLMAω底片LNBMFLN〔a〕孔径光阑

〔b〕照相机中的视场光阑 〔c〕渐晕光阑10影响光学系统成象范围和质量的几种光阑1、孔径光阑限制轴上物点成象光束立体角的光阑10-〔a〕所过孔径光阑的光线均可通过出射光瞳并布满出射光瞳。有的光学系统对孔径光阑的位置有肯定的要求。例如目视仪器如望远镜与显微镜，要求出射光瞳应处于目镜后不远处，以便眼睛与之协作，到达良好的观看效果；在面处，以提高测量精度。2、视场光阑限制物空间物体成象范围的光阑称为视场光阑。在光学系统中，视场光阑有方形的，也有圆形的，依据用途而定。10-〔b〕是一简洁的照相机示意图。M-N的成象光束的大小〔从而掌握输入能量，象面照度，可随外界景物光照强弱而调整，前的底片框限制了象平面〔从而物平面〕的成象范围。在底片框以外，由于框的遮挡，物体不能成象在胶片上。所以，底片框A-B的，而望远镜、显微镜的视场光阑一般是圆形的，装置在物镜的象平面上。3、渐晕光阑框，如透镜框，棱镜框都能起到限制光束的作用。都可以看作是一个光阑。例如，在上例照相机中，当透镜孔径肯定时，轴外物点不能布满孔径光阑M-N，而被透镜框所遮的大小〔角宽度束有限制作用。这样，轴外点斜光束的宽度要比轴上点光束的宽度小，因此，象平面上边缘局部就比象平面中心暗，且区分率下降，这现象称“渐晕阑称渐晕光阑。如图10-〔c〕所示。在光学系统中，渐晕光阑多为透镜框，可以有一个，也可以有几个。渐晕光阑被它前面的光学系统在物空间所成的象，称为入射窗；它在物面空间对用。所以，一个光学系统当入射光瞳和入射确定了。4、消杂光光阑下缘由产生：①非成象光束射向仪器内壁的外表，并由内壁反射通过系统的出射光瞳射出。件折射时，伴随有局部光能的反射，这些反射光束经仪器内壁及光学零件外表屡次反射和折射而产生杂散光；③由于光学零件外表的划痕、尘埃、麻点、抛光不良、光学材料内部不均匀及非学系统的成象质量，是格外有害的，必需加以消退。探测器孔径光阑

消杂光光阑 视场光阑11消杂光光阑在实际光学系统中完全消退杂散光是影响。因此，在设计光学系统时，在满足成象质量的前提下，应尽可能削减折射面，以尽量削减由折射面反射的光；另外，透镜孔射光的相对影响；同时，光学系统的工作距散状杂散光射向象面。光学系统中限制杂散光干扰的光阑称消杂光光阑，常用于较重要、对成象质量要求较高的光学仪器，如天文望远镜、长焦距镜筒内壁加工成内螺纹〔或打毛煮黑处理或涂以黑色无光漆散光；在仪器物镜前加遮光罩，以阻拦视场11所示。等处理。五、滤波〔色〕片信息的某一〔颜色〕的光进展接收，这时，待测信息的其它频率〔颜色〕的光谱成分滤除，而仅让携带信息的光谱成份通过，这就需要用到滤色片〔又称滤光片或滤波片。部吸取〔带阻透过〔带通滤色片，它们是在透亮介质材料〔玻璃〕中光全部吸取，所以这种滤色片在入，出射两面观看都呈现一种颜色〔透光颜色。另一种滤光片是在透亮介质材料外表加镀反光膜 0.5 0.50 0.85

m mm0 m +m12滤光片的透过率曲线厚度可以做到对某些波长的光无衰减透过F-P干预具。例如HB-850截止滤光片，＜850mm的光几乎无阻通过〔透射率大于85%，而＞850mm乎不能透过〔透过率小于1%。六、偏振片W、B赫勒帕思在1852年觉察碘化硫酸金鸡钠〔奎宁〕针状结晶体有双色性的吸取0.1mm的晶体已能完全吸取O光，但晶粒太小，当时无法产生偏振光。直到1934作用。等胶体枯燥后，将它夹在两块平板玻〔Polaroi膜浸透了碘制成的。现在，由于塑料工业的进展，已有很多种变种偏振片。质量好的，平行偏振光的透光率可达80%光透光率则小于1%。两偏振片透光方向垂直放置，透光率小于1%，但不能全黑。虽然塑料偏振片有偏振不纯及透光较弱的缺点，但它几乎具有180的角孔径，又不象〔直径可大至几十厘米量生产。所以在实际应用中，大都用这种偏振片〔如观看立体电影的偏振眼镜，偏光显微镜中的偏光镜，光弹仪的起偏与检偏器，汽车防大灯炫目的偏振贴膜等。七、光栅光栅在光电技术中主要用作分光器件，如光栅单色仪，光栅光谱仪等。常用的分光波长而变化的特点将光谱分开。§2光学成象系统设计一、光学照明系统照明系统要满足以下要求：保证有足够的光能量；要有足够大的照明范围；被照物面照度要均匀；被照明物体上各点发出的光束应布满成象系统物镜的入射光瞳；尽可能限制视场以外的杂光进入视场，以免降低象面的比照度和区分率；间来安放灯具及其它零件等。个原则：①光孔转接原则：照明系统的照明光束就是成象系统的成象光束；②照明系统后拉赫不变量J照应大于等于成象系统的拉赫不变量J 成。量。J nyu，其中n 是介质折射率；y 物〔象〕高度；u 是成象光束孔径角。常用的照明方式有：1、直接照明光源直接照明物体，构造简洁，但需要较大的发光面积，且被照物面亮度不很均匀。常见的如照相机的闪光灯，室外照相的自然光，显微镜上的反光镜与光源系统等。2、临界照明它将光源发光面用聚光镜成象在物面13所示。照明光束同时也就是成象光束。聚光镜L1将光源S发出OL2将物体发出的光成象于象面I。在这儿，照明系统的L1的大小打算，其出射光瞳应成足J ≥J 视场光阑可设在光源处其出成照了被照物面的大小。SOISOIL1 213临界照明光学系统〔在象面上看到灯丝的象可承受：明效果大大改善。3、柯拉照明为了抑制临界照明中物面照度不均匀14所示。这就是远心照明系统和非远心照明系统。远心照明系统1孔径光阑放置在集光镜L1

的后焦面上，12限制了照明光源的最大孔径角。集光镜L把光源成象在视场光阑处视场光阑置于聚光镜L 的前焦面。从光源的象上每一点发出的光经过聚光镜后都成为平行光将物体放在聚光镜后，孔径光阑的共轭面上，可以使物面上任一点都得到光源上每一点的均匀照明。12非远心照明系统1它将孔径光阑靠近或紧贴集光镜L 放12置，将聚光镜L2

紧贴视场光阑放置，物面S光源L1集光镜

孔径光阑

O2视场光阑 L 物面聚光镜2〔a〕远心照明光学系统L L1 2S光源集光镜

孔径光阑 视场光阑

O聚光镜 物面〔b〕非远心照明光学系统14柯拉照明的两种方式1 2 LLL1 2 2L2

2以保证视场中光源发出的有效光全部被L2会聚到物面上。二、光学成象系统1、点源探测对距探测系统很远的有限光源发出的光，我们可把它看作是一个点源，入射光可近似看作是平行光。由于光源很远，入射光〔由入射光瞳直径打算〕成正比。的构造形式有两种：平面上，成点象；短。探 探测 测器 器〔a〕透镜成象系统 〔b〕反射镜成象系统15点源探测成象系统2、长度测量成象系统测量长度的。长度测量系统大致有两种状况的距离，如大地测量。率应预先标定。这时，象长除以垂轴放大率就得到物长。在仪器调整中，要求象平面与〔如在测量平面上放置一个线阵CCD测长阵列量的影响，可以使用物面远心光路。如图16(a)所示，A、B是物体，A、B是其在1 1象平面上的象，A1B1 AB。如由于调整不MNMN≠AB，从而产生测量误差。视差越大，光束1 1对光轴倾角越大，测量误差也越大。16〔b〕所示。在物镜的象方焦射光瞳，其入射光瞳处于物空间无限远处。必通过光阑中心的象面焦点F主光线都平行于光轴。假设物体在AB处，在测量平面上长度为MN。假设由于调焦不AB1 1

面上，则其共轭面将后移至MN 面上，而在测量平面上形成由弥散斑1 1MN1 1

的投影象。但是，由于物体移光线仍过MNA1B1的象长仍为MN并不影响测量结果。 平面这时由放大关系 L

L

yL。y1 1BB1MABLA1N〔a〕由于调焦不准引起的测量误差AAMM1A1BB1NN1L〔b〕物方远心光路16物方远心光路同样，由于调焦不准，使物体的象与测量平面不重合时，会影响测量结果。为消退F的主光线均成为平行于光轴的直线。这样，17所示。17象方远心光路§3光学滤波技术们对信号的检测，必需对其进展抑制。光电技术中噪声的来源主要有：光源背景噪声、等了系统信噪比，而且可能使探测器过载，消灭设计压力大大减轻。一、空间滤波间各个方向。其中既有信号光，也有具有干探探测器物体遮光罩 物镜 视场光阑18用遮光罩进展空间滤波入空间角有肯定大小，如远处的点源，我们18所示。远处光源发出扰，可实行在物镜前加遮光罩，其通光孔径可以大大抑制杂散光干扰。光根本属于连续频谱，期中高频重量很少，频谱面〔透镜焦平面〕上设置空间滤波器，〔滤掉零级频谱，就可以将背景光几乎全部滤掉，大大提高了信号光的信噪比。二、光谱滤波使用空间滤波方法可以把传播方向与信号光传播方向全都的干扰光却无能为力，强。如我们大地测量中，主动测量信号本身时格外弱，而同方向传播的背景光则强的多。所以我们除了使用空间滤波方法外，还需使用光谱滤波方法将背景光干扰中与信号光谱不重叠的局部光谱滤除。例如，使用发光二极管的光谱宽度大约在±50