光电测量的光学基础

关于光电测量的光学基础第1页，课件共60页，创作于2023年2月知识要点●

光谱光视效能●

光度的基本物理量●

光度学基本定律●

光辐射在空气中的传播第2章光电测量的光学基础●

常用的光学系统2第2页，课件共60页，创作于2023年2月光谱---光波频段的电磁波谱

紫外→可见光→红外可见光谱

X射线（X光）：10~100nm一、物理光学基础3第3页，课件共60页，创作于2023年2月波动性粒子性---干涉、衍射、偏振---光电效应（物质相互作用）光由光子组成，每个光子能量仅与光的频率有关：2.光的波粒二象性：电磁波方式传播的粒子普朗克常数4第4页，课件共60页，创作于2023年2月二、光度的基本物理量1）光通量（v）---光功率（与辐射通量e对应）单位：流明（lm）瓦（W）光通量与辐射通量之间的关系：Km---光功当量（人眼在明视条件下，波长555nm时，光辐射产生的光感觉效能）=683lm/W（理论计算值）—视见函数是光源发光强度和光线在物体表面的照度以及物体表面呈现的亮度的总称5第5页，课件共60页，创作于2023年2月2)光量（光谱光能Qv）---光的能量（与辐射能Qe相对应）单位：流明秒（lms）---光通量对时间的积分焦耳（J）二、光度的基本物理量6第6页，课件共60页，创作于2023年2月---点辐射源在给定方向的单位立体角内辐射的光通量3）光强度（Iv）1坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内发出1流明的光通量。单位：坎德拉（lm·sr-1=candla=cd）二、光度的基本物理量7第7页，课件共60页，创作于2023年2月光通量与发光强度之间的关系：---发光强度为Iv的光源在一定立体角内的辐射通量。所有方向上的发光强度相同时：立体角内的光通量：所有方向的光通量：二、光度的基本物理量8第8页，课件共60页，创作于2023年2月4）光亮度（Lv）---光强度dIv与面元dS在垂直于发光强度方向平面上的投影面积之比光源上某点处的面元dS在给定方向的光强度单位：cd·m-2或者lm/sr·m2

二、光度的基本物理量9第9页，课件共60页，创作于2023年2月5）出射度（Mv）---单位面积光源所辐射的光通量单位：lm·m-26）照度（Ev）---投射到单位面积上的光通量单位：勒克斯（lx=lm·m-2）---接受光的面元上单位面积被辐射的光通量7）曝光量（Hv）---照度对时间的积分单位：lxs二、光度的基本物理量10第10页，课件共60页，创作于2023年2月三、光度学基本定律1、余弦定律（布给定律）任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化。11第11页，课件共60页，创作于2023年2月三、光度学基本定律被光照的表面是理想漫反射表面（朗伯辐射表面）—朗伯余弦定律1、余弦定律（布给定律）12第12页，课件共60页，创作于2023年2月三、光度学基本定律2、亮度守恒定律1）光束在同一种介质中传输13第13页，课件共60页，创作于2023年2月三、光度学基本定律2、亮度守恒定律1）光束在同一种介质中传输L1=dI1/(dA1cosθ1)=d^2Φ/(dA1cosθ1dΩ1)

L2=d^2Φ/(dA2cosθ2dΩ2)

dΩ1=dA2cosθ2/r^2

dΩ2=dA1cosθ1/r^2

L1=L2

14第14页，课件共60页，创作于2023年2月三、光度学基本定律2、亮度守恒定律2）光从一种介质传输到另一种介质考虑折射定律：nsinθ1=n'sinθ2

L1/n^2=L2/n'^2

基本幅亮度守恒15第15页，课件共60页，创作于2023年2月三、光度学基本定律2、亮度守恒定律3）光传输过程中有光学系统L2=τ(n2/n1)^2L1光学系统的透射比τ<1一般光学系统的n1=n2光学系统无助于亮度的增加是通过材料或介质的光通量或辐射量与入射通量之比。16第16页，课件共60页，创作于2023年2月三、光度学基本定律3、照度与距离的二次方反比定律理想点光源：dA=dΩR^2

E=Φ/dAE=Φ/dΩR^2

实际点光源（半径为r）：E≈

πr^2Φ/dΩR^2=πLr^2/R^2

17第17页，课件共60页，创作于2023年2月四、光辐射在空气中的传播1、大气衰减1）大气分子吸收N2、O2：含量较多，但对可见光和红外光几乎不吸收；He、Ar、Xe、O3、Ne等：含量甚微，在可见光的近红外区吸收谱线，不考虑其吸收作用；H2O、CO2：是可见光和红外光最重要的吸收分子。大气窗口18第18页，课件共60页，创作于2023年2月四、光辐射在空气中的传播1、大气衰减2）大气分子散射瑞利散射：入射光在线度小于光波长的微粒上散射后散射光和入射光波长相同的现象；米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。19第19页，课件共60页，创作于2023年2月四、光辐射在空气中的传播2、空气湍流效应大气运动形式层流湍流d»l——光强闪烁

d≈l——像点抖动d«l——光束漂移—光束弯曲光束直径湍流尺寸20第20页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统1）放大镜人眼直接观察物体：人眼观察物体时通常放在明视距离（L=250mm）21第21页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统1）放大镜22第22页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统1）放大镜tanω'=y'/(-x'+a')≈-y'/x'

y'=βy=-(x'/f')y

tanω'≈-y'/x'=y/f'

Γ=tanω'/tanω=250/f'23第23页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统组成---物镜、目镜、照明系统现代光学系统---摄像器件（如CCD等）获取物镜所成的像（光敏面放在物镜的像平面上）---省略目镜2）显微镜光路原理24第24页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统2）显微镜光路原理Γ=β×Γeβ=-Δ/f1'Γe=250/f2'Γ=-250Δ/f1'f2'25第25页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的分辨本领显微镜的分辨力以其能分辨的物方最近的两个点之间的距离来衡量。瑞利判据：道威判据：σ=0.61λ/NAσ=0.5λ/NA两个相邻像点的间隔等于爱里斑的半径两个相邻像点的间隔为0.85α/β（α为爱里斑半径，β为显微物镜放大倍率）26第26页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的有效放大率——目视显微镜有效放大率2×0.00029×250mm≤σ'≤4×0.00029×250mm2×0.00029×250mm≤(0.5λ/NA)Γ≤4×0.00029×250mm523NA≤Γ≤1046NA500NA≤Γ≤1000NA27第27页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的有效放大率——采用光电摄像器件时2d/β≤0.5λ/NA

β≥4NAd/λ28第28页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微系统的景深景深是指光学系统同时清晰成像的物空间沿光轴方向的深度范围。几何景深Δlg

物理景深Δlp

调节景深ΔlrΔl=Δlg+Δlp+Δlr29第29页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微系统的景深—几何景深Δlg=nz'/βNAz'=250×0.00029εΔlg=nε/7ΓNA30第30页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微系统的景深—物理景深由于光的衍射效应，一个点经过理想光学系统成像为一个衍射光斑。当物点偏离对准平面时，衍射光斑的能量分布将发生变化，当偏离量很小时，衍射光斑的能量分布是允许的。31第31页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微系统的景深—调节景深由于人眼具有调节功能，能够看清不同距离的目标。P（单位：屈光度D）：人眼近点的发散度，即近点距离的倒数。32第32页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路物方远心光路像方远心光路无限远像距系统33第33页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路——物方远心光路在光学系统中，不论是限制成像光束的光孔，或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为“光阑”孔径光阑：为限制入射光束大小的孔。其大小和位置对透镜所成像的清晰程度、正确性和亮度都有决定性的作用。如照相机镜头上的圆形光阑（俗称光圈）34第34页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路——像方远心光路35第35页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路——无限远像距系统垂轴放大倍率：36第36页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路——无限远像距系统（1）无限远物镜和辅助物镜之间为平行光线，当中装入分光镜的情况下，不产生双像重叠，也不会出现像的偏移和像散。（2）无限远物镜和辅助物镜之间抽出或插入平行平面波片（滤色片、偏振片）时，焦距不受影响。（3）无限远像距系统可获得均匀照度的像面视场（由于同倍率的无限远物镜的光束的偏转角比有限筒长小，孔径边缘光线的入射角相对减少，在透镜表面损失减少，使像面照度较均匀）37第37页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统4）显微物镜的选用（1）用于瞄准、读数和测量用的显微镜，对物镜放大率的准确性有严格要求，一般允差（0.1~0.5）%；而用于观察的生物显微物镜和金相显微物镜的放大率允差为8%。（2）用于瞄准和读数的显微镜放大倍率不高，一般在1×~50×之间，而金相显微镜和生物显微镜因为要观察物的细节，放大率一般较大，约在100×左右。（3）瞄准、读数和测量用的显微镜要严格地消像差，像质要求高。（4）瞄准和读数用显微镜的工作距和视场都较大，而生物显微镜和金相显微镜为了提高分辨力，其工作距和视场都较小，数值孔径较大。摄影镜头因制作不精密，或人为的损害，不能将一点所发出的光线聚焦于底片感光膜上的同一位置，使影像变形，或失焦模糊不清。金属或合金内部结构38第38页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合---入射的平行光束仍保持平行出射

1）望远光学系统的原理和性质39第39页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统1）望远光学系统的原理和性质垂轴放大倍率:角放大倍率:轴向放大倍率:40第40页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统2）望远镜的主要光学性能望远镜视角放大率望远镜的分辨力和工作放大倍率望远系统的景深41第41页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统2）望远镜的主要光学性能——视角放大率由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说大得多，则42第42页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统2）望远镜的主要光学性能——分辨力和工作放大倍率望远镜的分辨力用极限分辨角表示瑞利判据：道威判据：人眼的极限分辨角约为60“，因此在能分辨空间两个物点，应满足：43第43页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统2）望远镜的主要光学性能——景深（1）调节景深物体至物方焦点的距离像至目镜像方焦点的距离（2）几何景深人眼的分辨力44第44页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统3）准直、自准直望远镜45第45页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统4）反射式与折反式望远物镜牛顿光学系统卡塞格伦光学系统格里高利光学系统折反式光学系统反射式46第46页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统4）反射式与折反式望远物镜47第47页，课件共60页，创作于2023年2月五、光电测试技术中常用的光学系统3、摄影光学系统组成---摄影物镜+感光元件（光电成像器件）光路原理48第48页，课件共60页，创作于2023年2月1）摄影系统的主要技术参数物镜焦距f'：决定了成像的大小相对孔径D/f'或光圈数f'/D：决定了像面的照度视场角2w：决定了成像范围五、光电测试技术中常用的光学系统3、摄影光学系统49第49页，课件共60页，创作于2023年2月1）摄影系统的主要技术参数——视场五、光电测试技术中常用的光学系统3、摄影光学系统视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。一般来说，焦距越长，像的尺寸越大。拍摄远处物体时，成像在物镜的像方焦平面附近：像的大小为：y'=-f'tanw物方最大视场角为：tanwmax=y'max/2f'拍摄近处物体时，像的大小取决于物镜的垂轴放大率像的大小为：为底片或其他感光元件的对角线长度50第50页，课件共60页，创作于2023年2月1）摄影系统的主要技术参数——相对孔径和分辨力五、光电测试技术中常用的光学系统3、摄影光学系统相对孔径（D/f'）影响物镜的鉴别率和像面照度。摄影系统的分辨力取决于物镜的分辨力和接收器的分辨力。分辨力以像平面上每毫米内能分开的线对数表示。1/N=1/NL+1/NrNL=1/σ=D/1.22λf'系统的分辨力物镜的分辨力接收器的分辨力51第51页，课件共60页，创作于2023年2月2）摄影物镜五、光电测试技术中常用的光学系统3、摄影光学系统普通摄影物镜—f=20~500mm，D/f‘=1:9~1:2.8，视场角可达64度。

大孔径摄影物镜—相对孔径大，像面照度更大，分辨力更高广角摄影物镜—焦距小，成像范围更大远摄物镜—相同工作距或相同筒长下能得到较大的光学放大倍率变焦物镜—通过轴向移动一个或多个子光组从而改变光学间隔来改变焦距52第52页，课件共60页，创作于2023年2月2）摄影物镜——远摄物镜五、光电测试技术中常用的光学系统3、摄影光学