空天光电探测1-2

空天光电探测技术第一章绪论1.1光电探测技术的基本概念1.2光电探测的应用1.3光电探测技术的分类第一章绪论1.1光电探测技术的基本概念光电探测是随传感器、计算机的发展而发展；光电探测是光学测量和电学处理的有机结合。第一章绪论1.1光电探测技术的基本概念光谱的概念第一章绪论1.2光电探测的应用弹道照相机光电经纬仪跟踪望远镜激光雷达、激光测距红外制导电视制导紫外告警系统第一章绪论1.3光电探测技术的分类嫦娥一号CCD立体相机嫦娥一号CCD立体相机拍摄的月球照片嫦娥一号CCD立体相机嫦娥一号CCD立体相机嫦娥一号CCD立体相机2007年11月20日——2009年3月1日：获得了至今为止最齐全、最清晰的全月图片。嫦娥一号CCD立体相机CCD立体相机原理：立体相机中配置了三条线阵CCD。它们分别用于获取正视、前视、后视的航迹图像“。前后视与正视间的夹角为17°。正视图像获得正射照片"前后视图像用于重构立体影像。方案1：三台独立的相机。三个完全相同的光学系统在它们各自的焦平面上各配置一条线阵CCD。该方案的优点是光学系统十分简单，可以有大的基高比，但结构松散，体积质量较大，航天环境一致性较差，调整配准较复杂。方案2：一个广角光学系统，在焦平面上平行地配置三片线阵CCD。由于空间分辨率要求较低，所以光学系统的焦距短（估计在20cm左右），即使视场角做得很大，线视场仍较小，在空间上难以在同一焦平面上配置三条线阵CCD。嫦娥一号CCD立体相机方案3：一个广角光学系统，在焦平面上配置一个1Kx1K的面阵CCD。光学系统视场角为40度。嫦娥一号CCD立体相机嫦娥一号CCD立体相机嫦娥一号CCD立体相机第二章光电探测的基础知识2.1几何光学基础2.2理想光学系统2.3光学成像系统2.4光源、光辐射2.1几何光学基础1.几何光学的基本定理费马原理：即光沿光程值为最小、最大或恒定的路程传播。（椭球凹面镜）光的直线传播定律：光的独立传播定律：以不同的方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光线独立传播。反射定律：折射定律：nSinI=n‘SinI’。？用费马原理证明折射定律2.1几何光学基础1.几何光学的基本定理2.1几何光学基础2.单折射球面近轴成像近轴光：即从A点发出离光轴很近的光线“（小于5º）近轴近似：物点发出的一束细光束经折射后仍交于一点。（忽略球差）u≈sinu2.1几何光学基础2.单折射球面近轴成像球差：轴上点发出的同心光束经光学系统各个球面折射以后，入射光线的孔径角不同，其出射光线与光轴交点的位置就不同。参见P222.1几何光学基础2.单折射球面近轴成像2.1几何光学基础3.球面反射镜根据成像折射公式对于反射成像，只需用令n’=-n带入上式即可得：2.1几何光学基础4.透镜定义：由两个折射面所限定的透明体称为透镜；薄透镜：透镜厚度远小于球面半径；凸透镜：中间厚，两边薄；凹透镜：中间薄，两边厚；2.1几何光学基础4.透镜两次应用球面折射成像公式可得透镜成像公式：则透镜焦距为：常用透镜成像公式：放大率：光焦度：焦距的倒数2.1几何光学基础5.平面反射镜物与像对称于平面镜，即物距和像距的值相等；物与像的大小相等，左右相反，成“镜像”；入射光方向不变，平面反射镜转动α角，反射光转动2α角。2.1几何光学基础6.平行光板：常用于分划板、半透半反射镜、滤光片、探测器窗口分划板半透半反镜2.1几何光学基础7.反射棱镜反射棱镜在发生全反射时几乎没有能量损失；不易变形和便于装调；反射面尺寸不大时常用反射棱镜来代替平面反射镜。2.1几何光学基础7.反射棱镜单反相机取景器采用五棱镜，以保证看到的景物与拍到的照片一致。2.1几何光学基础8.折射棱镜折射棱镜的作用是折射光线的方向，产生色散。2.2理想光学系统1.理想光学系统的基本特性理想光学系统定义：就是能对任意空间、任意宽度光束完善成像的光学系统。理想光学系统：物空间的任一个同心光束必对应于像空间的一共轭的同心光束。点成像一个点，线成像线，面成像面。除了平面镜是一种理想成像系统外，常见的各种成像器件几乎没有理想成像的。2.2理想光学系统2.理想光学系统成像基本概念焦点和焦平面焦面：过焦点的垂轴平面。物方焦点、像方焦点物方焦面、像方焦面2.2理想光学系统2.理想光学系统成像基本概念焦点和焦平面自物方无限远的轴外点发出的入射光线，经光学系统后，在像空间必定通过像方焦平面上轴外某一点；自物方焦平面上轴外点发出的入射光线，经光学系统后，其出射光线应为一束与光轴有一定倾斜角的平行光束。2.2理想光学系统2.理想光学系统成像基本概念主点和主面QH：物方主面Q′H′：像方主面2.2理想光学系统2.理想光学系统成像基本概念主点和主面横向放大率为+1的共轭平面为光学系统的主面;主面与光轴的交点成为主点。包括物方主点（面）和像方主点（面）。光线的多次实际偏折等效于在主平面上的一次偏折来代替。物方焦距：自物方主点H到物方焦点F的距离；像方焦距：自像方主点H′到像方焦点F′的距离；2.2理想光学系统2.理想光学系统成像基本概念节点和节平面节点是角放大率γ=+1的一对共轭点。凡通过物方节点入射的光线，其出射光线一定通过像方节点，其方向与入射光线平行。当光学系统处于同种介质，，节点和主点重合。2.2理想光学系统3.理想光学系统成像公式牛顿公式：以焦点为坐标原点计算物距和像距的公式ABA’B’QQ’HH’FF’RR’y-y’-xx’-f-ll’f’2.2理想光学系统3.理想光学系统成像公式ABA’B’QQ’HH’FF’RR’y-y’-xx’-f-ll’f’2.2理想光学系统3.理想光学系统成像公式高斯公式：以主点为坐标原点计算物距和像距的公式ABA’B’QQ’HH’FF’RR’y-y’-xx’-f-ll’f’2.2理想光学系统3.理想光学系统成像公式拉赫公式：

nytanu=n′y′tanu′：此式对任何能成完善像的光学系统均成立

物方焦距与像方焦距的关系：根据拉赫公式与理想光学系统的物像关系在相同介质中牛顿公式变为：高斯公式变为：2.3光学系统中的光束限制1.光阑及其作用光学系统成像要求：物像共轭位置成像范围成像放大率成像光度视场角孔径角光束限制光阑2.3光学系统中的光束限制1.光阑及其作用光阑：凡在光学系统中对光束起着限制作用的实物都是光阑；孔径光阑：它是限制轴上物体成像光束立体角的光阑。视场光阑(简称视阑) ：它是限制物平面上或物空间中最大成像范围的光阑。它的位置是固定的，总是设在系统的实像平面或中间实像平面上。如照相机中的底片框就是视场光阑。若系统没有这种实像平面，则不存在视场光阑。2.3光学系统中的光束限制1.光阑及其作用渐晕光阑：这种光阑以减小轴外像差为目的，使物空间轴外点发出的、本来能通过上述两种光孔的成像光束只能部分通过，称渐晕光阑。渐晕光阑一般是透镜框。消杂光光阑：这种光阑不限制通过光学系统的成像光束，只限制那些从视场外射入系统的光，这些光通过光学系统的各折射面和仪器内壁进行反射和散射，到达像面，我们称之为杂光。而在一般光学系统中，常把镜管内壁加工成螺纹，并涂以黑色无光漆或者发黑来达到消杂光的目的。2.3光学系统中的光束限制2.孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳孔径光阑的作用：限制光学系统光束大小，控制入射到光学系统的光能量。P192.3光学系统中的光束限制2.孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳入射光瞳：孔径光阑通过其前面光学系统在物空间的像称为入射光瞳物方孔径角：入射光瞳对轴上物点的夹角出射光瞳：孔径光阑在像空间的像称为入射光瞳像方孔径角：出射光瞳对轴上像点的夹角P192.3光学系统中的光束限制2.孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳P192.3光学系统中的光束限制3.视场光阑、入射窗和出射窗定义：系统中决定物平面上或物空间中成像范围的光阑物方视场角：物方视场上下边缘对入瞳中心的张角像方视场角：像方视场上下边缘对出瞳中心的张角如果物位于无穷远处，则物方视场的太小以物方视场角来表示；如果物位于有限距离处，通常以线视场来表征物方视场的大小。P192.3光学系统中的光束限制3.视场光阑、入射窗和出射窗入射窗：视场光阑通过它前面的光学系统在物空间所成的像。出射窗：视场光阑通过它后面的光学系统在像空间所成的像。P212.3光学系统中的光束限制4.渐晕光阑系统中没有实像面，也没有中间实像面，此时则不存在视场光阑，视场也就没有清晰的边界，这种情况下视场仍可能受到渐晕光阑的限制。P212.3光学系统中的光束限制4.渐晕光阑、入射窗和出射窗渐晕光阑形成说明P212.3光学系统中的光束限制4.渐晕光阑渐晕光阑不存在的情况：人射窗和物平面重合，或者像平面和出射窗重合。P222.3光学系统中的光束限制5.光学系统的景深问题提出：对一定深度的空间在同一像平面上要求所成的像足够清晰，这就是景深问题。P21△=△1+△2

2.3光学系统中的光束限制5.光学系统的景深景深与入瞳、焦距、拍摄距离的关系入瞳直径愈大，焦距愈大，景深愈小拍摄距离愈远，景深愈大P212.4像差1.概述实际光学系统中，只有平面反射镜在理论上具有理想光学系统的性质。其它光学系统都不能以一定宽度的光束对一定大小的物体成完善像。物体上任一点发出的光束通过光学系统后不能会聚为一点，而形成一弥散斑，或者使像不能严格地表现出原物形状，这就是像差。P212.4像差2.球差通过入射光瞳上不同环带的光线，经过光学系统后会聚在光轴上的不同点。这些点与近轴光的像点之差称为轴向球差。球差与物高无关而与入射光瞳口径三次方成正比。它使理想像平面中各像点都成为同样大小的圆斑。轴上物点只有球差这一种像差。P252.4像差2.球差P252.4像差3.畸变轴外点由于球差的影响，不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度yx′不等于理想的像高，其差别就是系统的畸变。初级畸变仅与物高三次方成正比的。若仅有畸变，得到的像是清晰的，只是像的形状与物不相似。2.4像差3.畸变2.4像差4.慧差彗差，轴外物点发出的通过入射光瞳不同环带的光线，会在理想像平面上形成半径变化的并且沿视场半径方向偏移的像圈。它们的组合会使物点的像成为形状同彗星相似的弥散斑。与物高一次方、入射光瞳口径二次方成正比的像差。2.4像差4.慧差2.4像差5.场曲和像散场曲：所有物平面上的点都有相应的像点，但分布在一个球面上；若采用弯成此种形状的底片，则可获得处处清晰的像。此时在理想像平面上，像点呈现为圆斑。像散：则轴外物点的光线通过光学系统后聚焦成两条焦线。在这两条焦线的中点，光束形成最小弥散圆。若将底片弯成处处都在这样的位置，则可获得处处像点弥散成最小的圆形斑。此时在理想像平面上，像点呈椭圆斑。与物高二次方、入射光瞳口径一次方成正比的像差。2.4像差5.场曲和像散场曲2.4像差5.场曲和像散像散2.4像差6.单色像差单色像差是指即使在高度单色光时也会产生的像差，按产生的效果，又分成使像模糊和使像变形两类。前一类有球面像差、慧形像差和像散。后一类有像场弯曲和畸变。单色像差，仅与物高和入射光瞳口径的幂总共三次方成正比，称为三级像差（又称初级像差），此外还有与物高和入射光瞳口径的幂总共高于三次方的成正比像差，称为高级像差。2.4像差7.色差透明介质对不同波长的单色光具有不同的折射率，轴上物点用不同色光成像时成像位置的差异称为轴向色差。2.4像差8.像差曲线像差一般用像差曲线的方式表示比较直观。

球差、色球差曲线畸变像差曲线2.4像差9.波像差把实际波面和理想波面之间的光程差，作为衡量该像点质量优劣的指标，称为波像差。2.5光路计算光线的光路计算又称光线追迹或描光路；主要是计算理想成像与实际成像的差异，以计算光路的像差；实际光路计算的基本公式为2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（1）几何像质曲线球差曲线：球差曲线纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差），使用这个曲线图，一要注意球差的大小，二要注意曲线的形状特别是代表几种色光的几条曲线之间的分开程度，如果单根曲线还可以，但是曲线间距离很大，说明系统的位置色差很严重。2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（1）几何像质曲线球差曲线2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（1）几何像质曲线轴外细光束像差曲线：这一般是由两个曲线图构成图中左边的是像散场曲曲线，右边的是畸变，不同颜色表示不同色光，T和S分别表示子午和弧矢量，同色的T和S间的距离表示像散的大小，纵坐标为视场，右图横坐标是场曲，左图是畸变的百分比值，左图中几种不同色曲线间距是放大色差值。2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（1）几何像质曲线轴外细光束像差曲线2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（2）点列图由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。在大像差光学系统中，用几何光线追迹所确定的光能分布与实际成像情况的光强度分布是相当符合的。其作法是把光学系统入瞳的一半分成为大量的等面积小面元，并把发自物点且穿过每一个小面元中心的光线，认为是代表通过入瞳上小面元的光能量。2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（2）点列图2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（2）点列图2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（3）传递函数调制传递函数MTF反映一定空间频率下像的对比度与物的对比度之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能力。高频传递函数反映了物体细节传递能力；低频传递函数反映物体轮廓传递能力；中频传递函数反映对物体层次的传递能力。2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（3）传递函数2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（3）传递函数圆形孔径光学系统的OTF2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（3）传递函数原始图像经过孔径为50mm之后的图像2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（3）传递函数原始图像经过孔径为100mm之后的图像2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（3）传递函数经过孔径为50mm之后的图像经过孔径为100mm之后的图像2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（4）波像差光程差曲线：图中几个曲线图分别是不同视场子午和弧矢方向上的光程差，不同颜色表示不同色光。下方表格的数据为纵坐标（光程差）的最大值，单位一般用波长。2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（4）波像差波面三维图：此图是设定视场和色光的波像差三维分布图，下方表格中的数字给出了波差的大小。2.6像质评价与检测常见像质评价方法——（4）波像差干涉图：这是模拟系统波差在干涉仪上测出的干涉图图形。图中给出的是设定视场和色光的干涉图。2.6像质评价与检测光学系统像质检验——（1）星点检验这是一种光学车间里，特别是显微物镜生产中非常常用的检验方法；检验时使用带有微孔的星点板，一般用眼睛直接观察星点板的星点像；对于显微物镜等小像差系统主要看星点像的大小和形状，同时也可以看出物镜的装配质量，如偏心等误差的情况。需要检验者有一定的经验。2.6像质评价与检测光学系统像质检验——（1）星点检验通过考察一个点光源（通常称为星点）经光学系统后在像面及像面前后不同截面所成的衍射像（通常称为星点像）的光强分布，定性的评定光学系统的成像质量，这就是星点检验法。球差的星点图彗差的星点图2.6像质评价与检测光学系统像质检验——（2）分辨率测量投影鉴别率：左图是光学车间常用的投影鉴别率仪，使用时只要将被测镜头装夹好，将投影图调至最清晰就可以对各个方向上的分辨率进行判度，适用于大批量生产的光学检验，或调试使用。2.6像质评价与检测光学系统像质检验——（2）分辨率测量分辨率板：测试数码相机分辨率的ISO12233鉴别率板使用时按照相应标准的照明要求照明，使用数码相机对此板实拍后对数码照片可以判读出相机的分辨率。望远镜等可以使用加在平行光管上的鉴别率板测试2.6像质评价与检测光学系统像质检验——（2）分辨率测量分辨率板：2.6像质评价与检测光学系统像质检验——（3）传递函数测量传函测量要使用光学传递函数测试仪，下图是一台传函测试仪，使用时只要将被测物镜装夹好，将光点调到最小，就可以得到这个物镜传函曲线图。2.6像质评价与检测光学系统像质检验——（4）波面测量波面测量使用的是波面干涉仪，可以测量光学表面的面型，和光学系统的波差等。2.7光学成像系统1.眼睛——眼睛的结构杆状细胞锥状细胞2.7光学成像系统1.眼睛——眼睛的缺陷及矫正（a）正常眼（b）近视眼（c）远视眼（a）近视眼的矫正（b）远视眼的矫正2.7光学成像系统眼睛——眼睛的缺陷及矫正散光：折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不同的焦距，矫正应配戴柱面透镜。斜视：水晶体位置不正或折射面曲率异常，矫正应配戴光楔。2.7光学成像系统1.眼睛——眼睛的调节和适应远点：人眼在完全自然放松状态下能看清楚的最远点近点：当睫状肌在最紧张时眼睛能看清楚的最近的点视度：与视网膜共轭的物面，到眼睛物方主点的距离的倒数。医学上通常把1视度称为100度。所以，远点距离-2m时，视度为一0.5D，叫作近视50度；远点距离2m时，视度为0.5D，叫作远视50度。2.7光学成像系统1.眼睛——眼睛的分辨率眼睛能分辨两个靠近点的能力，称为眼睛的分辨率。眼睛的极限分辨角为：

2.7光学成像系统1.眼睛——眼睛的分辨率对眼睛而言，上式中的D就是瞳孔的直径；成人瞳孔直径一般为2-4mm，呈正圆形根据大量的统计，对波长5500Ǻ的光线而言，在良好的照明下，一般可以认为ε=60”=1′。

1m=1000μm；1μm=1000nm；1nm=10Ǻ2.7光学成像系统2.放大镜视放大率Г：表示仪器扩大视角的能力。Г等于同一目标用仪器观察时的视角ω′和人眼直接观察时的视角ω的正切之比，即：人眼最好成像于无穷远：人眼在完全放松的状态下，无限远目标成像在视网膜上。为了使人眼在观察物体时不至于疲劳，目标通过仪器之后一般应成像在无限远，或者出射平行光。

2.7光学成像系统2.放大镜——放大镜成像光路

2.7光学成像系统2.放大镜——放大率放大镜成像放大率计算像对人眼张角的正切：物体直接对人眼张角的正切：

明视距离：在合适的光照度下，一般人的眼睛看前面25厘米处的物体是不费力的，很舒适，这个距离称为明视距离。2.7光学成像系统2.放大镜——放大率在使用放大镜时应使物位于物方焦面上，于是有：放大镜的放大率由焦距决定，焦距越短则放大率越大

2.7光学成像系统2.放大镜——光束限制于视场

2.7光学成像系统2.放大镜——光束限制于视场放大镜总是与眼睛一起使用，所以整个系统有两个光阑：放大镜镜框和眼瞳；眼瞳是系统的孔径光阑，也是出射光瞳。而镜框为渐晕光阑，也是入射窗和出射窗。由于放大镜通光口径的限制，视场外围有渐晕而无明晰的边界。决定像方无渐晕成像范围的B′1点、50％渐晕的B′2点和可能成像的最边缘点B′3，对应的视场角分别为ω′1、ω′2、ω′3。

2.7光学成像系统2.放大镜——光束限制于视场其中，h是放大镜镜框半径，d为眼睛至放大镜的距离。由此可见，放大镜镜框越大，眼睛越靠近放大镜，则视场就越大。

2.7光学成像系统2.放大镜——光束限制于视场可见，在放大镜的直径和眼瞳位置一定时，放大率越大，线视场越小。这就要求放大镜的放大率不能做得太大，一般不超过15×。

2.7光学成像系统3.显微镜——显微成像光路物镜L1，目镜L2

2.7光学成像系统3.显微镜——放大率显微镜总的放大率Г应该是物镜放大率β和目镜放大率Г2的乘积；物镜的放大率为：△为物体经物镜所成的像到和物镜焦距的间隔，成为光学筒长。物镜的像再被目镜放大，其放大率为：其中，f2′为目镜的焦距。显微镜的总放大率为：

2.7光学成像系统3.显微镜——放大率根据组合系统的焦距公式，显微镜的组合焦距f′应为则有：物镜放大率分别为4×、10×、40×、100×；目镜放大率分别为5×、10×、15×；显微镜放大率就有12种，从20×到1500×。

2.7光学成像系统3.显微镜——分辨率和有效放大率显微镜的分辨率为其中，λ为照明光的波长，NA为物镜的数值孔径。当显微镜的物方介质为空气时，物镜可能具有的最大数值孔径为1，一般只能达到0.9左右。而当在物体与物镜之间浸以液体时（一般浸以n=1.5～1.6甚至1.7的油或高折射率的液体），数值孔径可达1.5～1.6。

2.7光学成像系统3.显微镜——分辨率和有效放大率眼睛分辨的角距离为2′～4′，则在明视距离250mm处能分辨两点之间的距离σ′为：250×2×0.00029≤σ′≤250×4×0.00029换算到显微镜的物镜前方，相当于分辨率要乘以放大率，取σ1=0.5λ/NA，则得到：

250×2×0.00029≤0.5λГ/NA≤250×4×0.00029设所用光线的波长为550nm，上式成为或近似写成500NA<Г<1000NA

2.7光学成像系统3.显微镜——显微镜实例

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜光路扩大视角：像对眼睛的张角大于物体本身对眼睛的张角平行光射入望远系统后，仍以平行光出射

（a）开普勒望远镜；（b）伽利略望远镜2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜光路开普勒望远镜：实像位置上安装一块分划板，便于测量，同时分划板可以作为视场光阑；目镜的口径足够大时，光束没有渐晕现象；这是因为视场光阑与实像平面重合，系统的入射窗和物平面重合的缘故。由于开普勒望远镜成的是倒立的像，为了便于观察和瞄准，在使用时一般要加入倒像系统，使像正立。

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜光路伽利略望远镜：结构紧凑，筒长较短，较为轻便，光能损失少；并且使物体呈正立的像；但是伽利略望远镜没有中间实像，不能安装分划板，因而不能用来瞄准和定位，所以应用较少。

2.7光学成像系统4.望远镜——放大率望远系统没有专门设置孔径光阑，物镜框就是孔径光阑，也是入射光瞳；目镜的焦距不得小于6mm，以保持一定的出瞳距

2.7光学成像系统4.望远镜——放大率望远系统的视放大率为f物′和f目′；分别是物镜和目镜的焦距，D和D′分别是入瞳和出瞳直径手持式望远镜的放大倍率一般不超过10×，大地测量仪器中的望远镜，放大倍率约为30×；天文望远镜的倍率则非常高。

2.7光学成像系统4.望远镜——放大率远镜的极限分辨角为对波长为550nm的光线而言：若以60"作为人眼的分辨率极限，为使望远镜所能分辨的细节也能被人眼分辨，则望远镜的视放大率和它的极限分辨角Ф应满足Ф=60"/Г

2.7光学成像系统4.望远镜——放大率可得到望远镜应具备的最小视放大率为所以，若要求分辨角减小，视放大率应该增大。或者说望远镜的视放大率越大，它的精度就越高。

以上为正常放大率，按此设计的望远镜观测时易于疲劳，所以设计望远镜时，工作放大率宜大于正常放大率，通常为正常放大率的1.5～2.1倍。

2.7光学成像系统4.望远镜——望远物镜物镜的光学特性主要有三个：焦距f′、相对孔径D／f′和视场2ω；望远镜一般为长焦距、小视场；大地测量仪器中的望远镜，视场仅1º～2º；天文望远镜的视场则是以分计的；而一般低倍的观察用望远镜，视场也在10º以下。

2.7光学成像系统4.望远镜——望远物镜望远镜焦距相对孔径D/f视场

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜结构由于物镜视场不大，并且视场边缘的成像质量允许适当降低，因此只须校正球差、彗差和轴向色差，轴外像差可不予考虑，其结构相对比较简单，可分为三种结构型式：折射式、反射式和折反式望远物镜。折射式望远物镜：这类物镜要达到上述像质要求并无困难，但要求高质量时，要同时校正二级光谱和色球差就相当不易。后者通常只能通过不同程度地减小相对孔径才能实现。这类物镜常用的型式有双胶合物镜、双分离物镜、三分离物镜和内调焦物镜。

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜结构反射式望远物镜：主要用于天文望远镜中，因天文望远镜需要很大的口径，而大口径的折射物镜无论在材料的熔制，还是在透镜的加工和安装上都很困难。因此，口径大于1m时都用反射式。反射式物镜完全没有色差，可用于很宽的波段。但反射面的加工要求比折射面高得多；表面的局部误差和变形对像质的影响也很大。反射式物镜有两种型式：卡塞格伦（Cassegrain）系统和格里高利（Gregory）系统。

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜结构

（a）卡塞格伦（Cassegrain）（b）格里高利（Gregory）2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜结构折反式望远物镜：以球面反射镜为基础，再加入用于校正像差的折射元件，这就是折反射物镜。比较著名的有施密特（Schmidt）物镜、马克苏托夫（Maksutov）物镜和同心系统。

施密特（Schmidt）物镜马克苏托夫（Maksutov）物镜2.7光学成像系统4.望远镜——平行光管平行光管是许多光学仪器的检校仪器和光学测量仪器的主要部件之一。它的作用是供给无限远的物象给出一束平行光。平行光管的基本结构望远物镜的焦面上安装一块分划板或一个小孔光阑即成。

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜目镜望远镜目镜的作用相当于放大镜。它把物镜所成的像放大后成像在人眼的远点，以便进行观察。对于正常人眼睛，远点在无限远。因此，一般要求物镜所成的像平面应与目镜的物方焦平面重合。目镜的光学特性主要有三个：像方视场角2ω′、相对出瞳距离l′/f′和工怍距离s。

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜目镜像方视场角2ω无论是提高望远镜的视放大率Г或者视场角ω，都需要相应地提高目镜的视场。一般目镜的视场为40º～50º，广角目镜的视场为60º～80º，90º以上的目镜称为特广角目镜。双眼仪器的目镜视场不超过75º。当目镜的视场一定时，增大望远镜的视放大率Г必然要减小系统的视场2ω

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜目镜相对出瞳距离l′x/f′望远镜的总长度L等于目镜和物镜焦距之和，即

L=f′物+f′目=f′目（1-Г）

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜目镜工作距离s：目镜第一面顶点到物方焦平面的距离称为目镜的工作距离；目视光学仪器为了适应远视眼和近视眼使用，视度是可以调节的。视度的调节范围一般为±5视度。当要求负视度时，目镜必须移近物镜的像平面。

2.7光学成像系统4.望远镜——望远镜目镜简单的望远镜目镜和物镜的相对孔径相等，但是目镜的焦距一般比物镜焦距小得多，所用透镜组也较多。目镜的球差和轴向色差一般都比较小。由于目镜的视场大，和视场有关的彗差、像散、畸变和垂轴色差都相应增大，目镜主要需要校正这五种像差。望远镜视场边缘的成像质量一般都比视场中心差。在装有瞄准或测量分划板的望远镜中，物镜（包括棱镜）和目镜应尽可能分别校正像差。如果没有分划板，设计时可使物镜和目镜的像差互相补偿。

2.7光学成像系统4.望远镜——哈勃望远镜

以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒，相较下，只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。2.7光学成像系统4.望远镜——哈勃望远镜

镜片的瑕疵：点源的影像被扩散成超过一弧秒半径的圆；主镜边缘薄了一点，存在1/20波长的加工误差，2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统摄影系统由摄影物镜和感光元组成常见的摄影系统：照相机、电视摄像机、CCD摄像机可变光阑即为系统的孔径光阑，一般为圆形底片框为视场光阑，一般为圆形或矩形

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学特性物镜的焦距f‘焦距长则摄得的像放大倍率大，物镜的焦距f＇、视场角2ω和像的大小y＇之间的关系式为：

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学特性普通照相机标准镜头的焦距为38～60mm广角镜头的焦距为24～38mm超广角镜头的焦距小于24mm中焦镜头的焦距为60～135mm摄远镜头的焦距为135～300mm超摄远镜头的焦距大于300mm。

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学特性

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学特性相对孔径：D/f‘相对孔径的大小决定了分辨率、像面照度和景深分辨率：摄影物镜的分辨率用单位长度（1mm）内可以分辨出的线对数N来表示，按瑞利判据，物镜的理论分辨率为：N=D/（1.22λf′）当λ=555nm，为：N=1475D/f′线对/mm视场的边缘，分辨率有所下降，再加上像差的影响，实际的分辨率更低

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学特性像面照度（E0）：根据光度学理论，当物体位于无穷远时，摄影视场中心像面照度是：

τ为系统的透过率；L为物体的亮度大视场边缘的照度与视场中心的照度关系为：

E=E0Cos4ω＇

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学特性为了改变像面照度，一般照相物镜都利用可变光阑来控制孔径光阑的大小。使用者根据天气情况按镜头上的刻度值选择使用。分档的方法一般是按每一刻度值对应的像平面照度依次减半。由于像平面的照度与相对孔径的平方成正比，所以相对孔径按1/等比级数变化，光圈数F按公比为的等比级数变化。

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学特性视场角2ω：物镜的视场角决定了能在接收器上成良好像的空间范围。由公式可知，当物镜焦距f‘一定时，视场角2ω越大，成的像2y’也越大。当接收器尺寸2y＇一定时，焦距越长，视场角越小。

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学特性当物镜的相对孔径和视场角一定时，像差与焦距成正比。但像差的容限并不因焦距的增大而放宽，所以必须减小相对孔径的值，以满足长焦距的要求。对于大相对孔径的物镜来说，同时要求大视场是难于实现的。实际上，常根据物镜的具体用途满足其主要的性能参数即可。

2.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学镜头组成：物镜框、光栏系统、调焦系统、变焦系统。

视场角：2ω=8º；焦距：f′=500mm；相对孔径：D/f′=1/5.62.7光学成像系统4.望远镜——摄影系统的光学镜头

（a）天塞物镜（b）双高斯物镜普通摄影物镜大孔径摄影物镜广角物镜远摄物镜变焦距物镜焦距f＇20～500mm50mm70mm≥3m3～10倍相对孔径D/f＇1:10～1:2.81:21:5.61:81:24视场角2ω60º40º～60º122º≤10º40º物镜结构天塞双高斯反远距型折反型2.7光学成像系统4.望远镜——投影系统投影系统：用光源照明以后成像在屏幕上进行观察或测量的一种光学仪器。例如电影放映机、幻灯机、印相放大机、计量用投影仪等

例：航空遥感相机光学系统设计用途：地球静止轨道区域凝视成像监视；（36000km）要求：大视场、大相对孔径光谱覆盖范围为0.5μm～0.7μm像元分辨率≤10m瞬时地面幅宽90km×90km;摆动地面幅宽900km×450km。探测器面元9000×9000,单元尺寸10μm;例：航空遥感相机光学系统设计CCD尺寸为：9000面元×10μm=90mm系统焦距f：AafH例：航空遥感相机光学系统设计相对孔径取决于2个方面首先是受衍射斑大小和入射光能量的限制,因此相对孔径不能太小另外,受光学系统设计难度和系统尺寸要求的限制,因此,相对孔径又不能太大。根据衍射分辨率的要求可以求出系统的F数为5,口径为7.2m,最终取光学系统口径为4m。例：航空遥感相机光学系统设计使用CODEV软件设计优化后得到的结构例：航空遥感相机光学系统设计光学系统采用三反射镜系统例：航空遥感相机光学系统设计光学系统MTF曲线红外辐射基础热辐射：一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大。红外辐射基础——红外辐射基本定律1、黑体辐射定律红外辐射基础——红外辐射基本定律2、维恩位移定律：λmax为辐射的峰值波长（单位米）T为黑体的绝对温度（单位开尔文）b

为比例常数，称为维恩位移常数，数值等于2.8977685(51)×10–3mK红外辐射基础——红外辐射基本定律2、维恩位移定律：根据普朗克定律：为求出使得u

取得最大值的λ，令u(λ)对λ的导数为0红外辐射基础——红外辐射基本定律3、斯特藩-玻尔兹曼定律一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量（称为物体的辐射度或能量通量密度）Φ

与黑体本身的热力学温度T（又称绝对温度）的四次方成正比红外辐射基础——红外辐射基本定律4、基尔霍夫定律：物体的辐射出射度和吸收比的比值，与物体的性质无关，只是频率和温度的适普函数。实际物体的辐射出射度与吸收比之间的关系：而发射率ε的定义即为所以有ε=α。红外辐射基础——红外辐射基本定律5、常用红外辐射物理量辐射能量（Q）：单位：焦耳（J）辐射功率（P）：单位时间辐射的能量，单位：瓦（W）辐射出射度（M）：辐射源单位面积向2π空间发出的辐射功率，单位：瓦/平方厘米（W/cm2）辐射强度（I）：点源辐射源向单位立体角内辐射的功率，单位：瓦/球面度（W/Sr）辐射亮度（L）：扩展源单位面积向单位立体角辐射的功率，单位：瓦/平方厘米·球面度（W/cm2·sr）

红外辐射基础——红外辐射基本定律

2.8光源和光辐射1.自然光源月球辐射：一是月球反射