光学仪器_
发布时间:2022-09-22 22:32:33

  1、来历:1979年—Rochester—薛鸣球院士(蒋、胡、韩、杜、杨等)提

  ➢7路光学系统(通信光发射、接收系统,精信标发射、接收,粗信标发射、接收系统,提前量系统)集成

  iii) 对比性能—经光学系统后,接收器是否接收到稳定信号和足够对比度。

  (光信号强度)×(分辨率)×(信噪比或对比度)×(信息速率) ④ 图示法—王民强教授提出

  ③ 光源 — 影响物方信号波长λ选择与匹配 ④ 接收器 — 影响象方信号波长λ选择与匹配

  ⑤ 传输介质 — 影响信号强度,纯度,对比,噪声等等 ⑥ 外形尺寸 — 影响基本性能:

  ② 当一个光学系统接收器接收到光能不足时,重要途径是:提高该光学系统的拉氏不变量(2

  1)直线传播—光在各向同性介质中传播 2)独立传播—不同光源光传输各自路线)折射定律—入,折,法线共面,且sin sin n u n u = 4)反射定律—入、反、法线)费马原理—从物点到象点光经多次折反时,其光程为极值

  6)马吕斯定律—折射前波面任一点到折射后波面上相应点间的光路光程都相等(等光程定律)

  2、拉氏不变量与几何光学基本定律关系→ 一致,互导 例1:用费马原理推导J 解:

  定义:轴上点及其垂轴方向上的邻近点都成理想象,光学系统应满足的条件,称为正弦条件。

  B —轴外物(像)点,垂轴,邻近(η为小量) 从一般性考虑,θ角可能较大,d θ为小量。

  考虑一窄光束MA 及PA 之间的光束(通过轴外点B 也类似选取) 这样:MA —相当于光轴,d θ相当于u

  例如:一个画面进行二维扫描,画幅尺寸100×100,每mm 线⨯个象元素。

  视场(立体角)×孔径(面积)或 视场(面积)×孔径(立体角) 其中面积中的线度是以波长为单位。 实际上结果就是2J 3.证明与讨论:

  1)直线传播—光在各向同性介质中传播 2)独立传播—不同光源光传输各自路线)折射定律—入,折,法线共面,且sin sin n u n u = 4)反射定律—入、反、法线)费马原理—从物点到象点光经多次折反时,其光程为极值

  6)马吕斯定律—折射前波面任一点对折射后波面上相应点间的光路光程都相等(等光程定律)

  视场(面积)×孔径(立体角)其中线量以波长为单位。 ③ 信息量∝2J 二、注意之处

  1)眼睛位置近似在出瞳处。这是因为出瞳处光束垂轴尺寸最小,光线集中(由于有光栏象差,所以为近似)。

  i) 当望远系统的倍率0m Γ时,则说明目标上两点经望远镜放大后的分辨率(角)低于60,人眼接收时无法分辨,说明此设计不成功。 ii )当望远系统的倍率

  实际中:为使人眼观察舒适不累,认为望远镜放大后的分辨角为120为宜。 此时:D D

  说明望远镜Г与L 是存在矛盾的,当Г增加且L 减小时矛盾更大。 寻找出路:反射系统或折反射系统

  思考题:在分析二级光谱象差时,为什么只分析了第一组元,而没有考虑第二透镜的补偿作用?

  ii)摄影宽容度——感光材料能按比例记录景物最大和最小亮度的范围(特征曲线中的L )

  iii)感光度S ——与在一定显影条件下产生一定摄影效果的曝光量H 成反比的值

  iv)灰雾——未曝光的卤化银中的银离子被还原,沉积在乳剂上,形成照相灰雾

  v)鉴别率R ——感光乳剂(材料)能够记录景物细节的本领 一般认为:底片上的光密度,D 0.5≥密

  考虑到光学系统有象差,所以二者匹配,说明0D =500从分辨率角度考虑应是合适的。

  (1) 透射式系统不可行——材料难选(重、贵、要求高) (2) 反射式系统有不足——优点——二级光谱为零

  1) B 组、C 组的焦距反号,产生的一些象差反号,可以互补,如象散、场曲可互

  2) 二级光谱:A 组元不产生;想办法让B 、C 组元产生的二级光谱互补。由二级光

  L 为2倍焦深 质量不行! 3)为减小二级光谱剩余量,调整B 、C 组元的倍率

  4)然后(A 、B 、C 组元确定后),在1p 处加场镜,使光瞳成像在C 组元透镜上,以便使轴外光线)因A 组元主要产生球差,但因反射系统比折射系统产生的高级球差小得多(约1

  设计计量光学系统物镜,要求象方线mm ,计量精度m μ1(即一个显微镜)

  测量工件时:位置可能有误差(与AB 有轴向位移)∴分划板上B 处不再是B 的

  采用图示系统(物方远心光路):主光线;不变,与分划板总交于B 点 由于测量时,分划板上定位点总是模糊斑中心,所以可以保证测量精度。 ② 对照明系统要求 A) 成象照明J J ≥ B )光孔转接原则→

  2) 孔径光栏放在第2组元上,所以第2 组元III S 、V S 是定数,与组元自身

  弯曲情况无关(∵0=p h ,相关项为常数) 3) 可弯曲第Ⅰ组元,校正第Ⅱ组元的 ⅤⅢ,S S

  光栏在后焦点处,弯曲趋势如图示,对轴上、轴外象差校正都有利(∵p i i ,都不大)。

  象差→可较好校正 为满足瞄准精度→采取远心光路 焦距f 可变,或倍率m 可变 共轭距不变 (象面稳定)

  ()常数 即为变焦方程式 是表达变焦距过程中,变倍组倍率与补偿组倍率应逆循的规律。

  2、当一个状态倍率已知时(为3020,m m ),如何求另一个状态倍率(32,m m )? 写出公式

  (由韦达定理) 由此证明:对应一个变倍组的移动(选择),就有两个补偿组的位置,而且这两个解互为倒数。

  3、进一步求解----当已知起始位置的3020,m m ,并且要满足变倍比Γ要求,怎么求解所要求的32,m m ? 由30

  1→○2→○3过程中,),(222↑↓↑l l m 因为希望以尽量少的透镜移动,产生尽量大的焦距、倍率变化,所以采取向上取段。

  这样与↑2m 趋势相同,且有可能比只向上取段轴向尺寸还小些。---称3.1组元移动路线组元为换根,那么如何实现这样的转换呢?

  希望两条补偿曲线B 处相切,即可实现。 所以要求2313、、m m =又11

  与起始状态相比:变倍组移动量167.0833.12221=-=-=长l l g 问:此时,补偿组元怎么移动,才能使像面稳定呢?

  3、求短焦时的参数——以起始状态(x 1-)为基准,求短焦(x 14.0)参数。

  4、求前固定组参数——选短焦状态(变倍组最靠近前固定组) 留足短12d (调焦时用) 为短12d

  7、几点说明: (1)、变倍组、补偿组的运动轨迹一般是非线)、光栏位置——一般放在上述图示位置

  在一光学系统中,从最后一个运动组元向左数去,有几个组元,就有几个完全补偿象面偏移的点。

  要求:电视变焦物镜,l=-300m ,摄像管面积9*12mm 2,特写时能显出半身象,变倍比6=Γ。 解: 分析:

  =500,D 由补偿组及后固定组尺寸确定,设计时取D/f=1/10左右,光

  (2)解决办法:把C 与A 联合设计,一起校正象差,即把A 的前固定组取“负”

  不大,f 不长,方案选取可为“光学补偿法”,四个稳定点。 (八)变焦距应用例三

  系统工作路径:目标—光学系统—电视摄像管靶面—监视器屏 (2)对光学系统要求①要跟踪—长焦距 ②快速搜索—大视场

  根据测试经验:要使探测与识别概率达到100%,则目标象至少应占2个电视行。

  ③. 若这种元件暗电流为0.5(毫微安),放大器噪声达其5~10倍,即达到5毫微安 ④. 由此算出信噪比130/5=26

  ⑤. 一般信噪比15~30时,可得到好的对比图像,证明取E=3 勒克司的照度是够用的。 ⑥. 设目标的亮度为B=0.1熙提,系统透过率0.6τ=,由照度

  ①. 为了具有更好的探测特性,将1000f →,则象面可占2.8电视行;

  ,能量还够用; ⑥. 变焦类型选择——两种(机械、光补)皆可;以机械补偿法为优。

  2、讨论设计总长为1000,前工作距为100,变焦系统倍率50的显微投影物镜的可能性。

  3、设计20~200f =,正组补偿,1⨯-向上取段的变焦系统的高斯解。

  4、已知一望远物镜196f =,若要求二级光谱控制在1倍焦深之内,问能实现的最大

  定义—斯特列尔(K strehl )于1894年提出判断光学系统质量的指标:用有象差时的衍射图形中最大亮度(艾里斑亮度)与无象差时的最大亮度之比来表示,这个比值称为中心点亮度(S.D ),

  指标—当S.D ≥0.8时,认为系统是完善的, 应用—主要是望远镜、显微镜等小象差系统, 优点—比较严格、可靠, 缺点—计算复杂。

  定义—瑞利(Rayleigh )1879年提出:实际波面与参考波面之间最象差不超过4

  定义—光学系统能分辨开两个象点间最小距离称为系统的分辨率, 指标—由系统的具体情况而定, 应用—大象差系统, 优点—定量、方便,

  缺点—对小象差系统评价不确切(因为分辨率主要与相对孔径、照明条件及相关接收器有关)。

  成的衍射象(即星点象)的光强分布,定性评价光学系统的成像质量, 应用—把实际星点象与理想星点象进行比较,应用于一般镜头的检测, 优点—方便、直观, 缺点—不定量。

  (5) 还可用于光学成象过程各个环节(底片,大气抖动,摄象管,屏等),所以可

  一个非相干光学系统,可以看作是一低通线性滤波器。即给光学系统输入一个正弦信号(也就是给它一个光强正弦分布的目标),其输出是同频率的正弦信号,只不过象的对比有所下降(称为MTF ),位相发生移动(称为PTF ),而且对比降低的程度和位相移动的大小是空间频率(N )的函数,所以得出MTF (N )和PTF (N ),统称为OTF (N )。

  b b M (当01=b 时)无起伏,有最小的调制度,最差的对比。所以,调制度反映了物的对比情况。如果象的调制度为i M ,则调制传递函数为

  因为目标经光学系统成象,总有能量和对比的下降。 如图所示:易于分开(低频时):

  把物体分解成若干宽度无限窄的狭缝,每个狭缝经光学系统后,形成一扩散的能量分布,称为线扩散函数。

  式中N 为一维空间频率, δ为一维象面坐标;t s ,为二维空间频率,εη,为二维象面

  (由数学定理:共轭函数的fourier 变换等于其fourier 变换的自相关积分。)

  途径:r 、d 、n →计算垂轴象差y ∆、z ∆ →画出点列图→得到扩散函数→作数值积分→得出MTF 、PTF 公式:)( N MTF =

  途径:r 、d 、n →计算波象差),(y x w →计算光瞳函数),(y x f →作自相关积分→得出

  坐标意义:),(y x 为光瞳坐标 (εη,)为象面坐标 ),(t s 为二维空间频率坐标

  (1) 灯泡→非相干光源 (2) 滤光片→单色光 (3) 聚光镜→照明狭缝 2.显微物镜

  把狭缝成像在待测镜头的物方焦面上,要求此狭缝象宽度比待测系统线扩散函数的有效宽度小一个数量级,否则狭缝几何象掩盖了待测镜头质量好坏。 即要求显微镜本身质量要好,否则将影响待测镜头的检验结果。 3.平行光管

  〉’测f ,正弦板的空间频率可低些,因为在待测镜头焦面来衡量,相当于正弦板空间频率提高了

  对扫描获得的光电信号进行处理,记录各频率的信号强度。 补充:OTF 测量简化图及原理分析 1. 简图

  (3) 扫描运动中,通过正弦板后的光通量为卷积 ∴扫描后到光电管上的能量分布为

  3、把水晶体、视网膜、神经系统等因素综合考虑得 ①人眼截止频率150~200 lp mm ,

  式中a 是与底片性能有关的系数,是由实验测量的。 例如:测N=15时的MTF(N)=0.8

  如电视摄像管(氧化铅摄像管),靶面微晶结构,打在靶面上的电子束分布近似呈高斯分布,可等效于矩形分布宽度为20—40m μ(称为孔栏效应)。

  3、补充:在电路上用孔栏校正,使15lp mm 即400行扫描时的(15)MTF ≈1 孔栏校正方法:

  号变换后,电子束传递给预放、中放、视放,再在荧屏上显示(转换为光信号)。由于电子束的电子直径0d ≠,则使矩形波失真(称为孔栏失真:

  例如:卫星相机:已知0()M MTF MTF 大气物镜目标、、、MTF MTF 象移底片、,最后用人眼看底片。

  这样做之后,得出唯一传函值(某一频率时),然后选取不同频率计算,即得出:

  ①选择低对比对应的0MTF (一般0MTF =0.5) ②由使用要求确定系统必须的最低频率0N

  ③从MTF~N 曲线MTF 对应的N ,如果0N N ≥则系统满足要求,且N 大的质量好。

  ①根据使用要求,确定特征频率0S ②由系统整体要求确定0MTF ③从MTF~N 曲线MTF MTF ≥则系统满足要求,且MTF 大的质量好 4、说明:

  *由此表明,对MFT 起决定作用的并非波差绝对值,而是波差偏导数(变化率)

  我国电视系统采用的标准是625行/幅,其中有50行是消隐的(两头),还要考虑有效分解系数,所以实际有效行数,Z=320~440行/幅。 a)对1

  电视摄像系统水平方向有效象元素数受电视发射的频带宽度的限制,为使运动有连续感,电视每秒运行30幅,每幅625行

  我国黑白电视的频带宽6.5兆周。彩色频宽为8---10兆周,其中1.5~3.5兆周为彩色所用,实际折合黑白电视也是6.5兆周左右。

  电影制片厂一般以0N 50/lp mm =的鉴别率平板拍摄的情况为标准,所以把

  1 、OTF 定义----光学系统被看作为低通线性滤波器,传递信号后,空间频率(N )不变,对比下降(MTF ),位相错动)(PTF ,称为光学传递函数,MTF 为对比(调制)传递函数,PTF 为位相传递函数。

  1单值化 : ① 色光— 加权求和 ② 视场—加权求和 ③ 方位—相乘开方

  ④ 象面位置—选最佳象面 ⑤ 孔径—选常用孔径 2常用评价方法: ① 低对比分辨率法

  ⅰ 根据使用要求定特征频率0S ⅱ 由系统整体要求定0MTF ⅲ 计算得出

  1. 定义——星体测量相机是在夜间对恒星和其他运动物体进行连续或多次曝光摄影的光学测量设备。

  因为地球自转,所以像 :⎩⎨⎧飞行目标象是长线段线段),不是一点;恒星象是一个短划(小

  又因为安装旋转快门,间歇曝光,所以目标像的长线段又分割成许多小段(目标像是短小线. 系统性能要求

  —大些)(度)精度高(判别位置角精—长些)(即要求传递信息多传递能量多大视场高精度

  若0ωω,成像比原来(相对不动)时小了,E 变大了,所以用1/0ωω修正。 若0ωω同上分析。

  3) 例:人造卫星飞行高度H=500km ,=ω0.01弧度,要求拍照具有六等星

  的照度,则要求人造卫星反射太阳光后的发光强度为 1.6)1000500()

  星象E E ,但曝光时间100≈星象背t t 所以可能 背星象E E ≈

  气体分子,尘散射水、汽—吸收埃等— 透过系数:)sec exp(Z ⋅-=τρ

  ⎨⎧Z 大气质量(好坏)—天顶距—τ 如25.0=τ(大气能见度50km ,好天气)时,

  ⎪⎨⎧===Z 。;好天气;较好天气恶劣天气系数(随天气变化),—为单位,

  —对比如何—分辨能力;—像点尺寸大小 1、运动物体角速度在底片上产生的像移量

  A 、物体自身不动,如恒星。但星体相机安装在地球上,随地球转动,与物体有相对转动。

  动的角速度目标物体相对于仪器运—t ω 例如:ω=15弧度/秒(赤道上一点的地球自转角速度),f =750,t =2秒时,

  设底片分辨率N (mm l p /),则点光源在底片上成像直径为(如右图)

  为减小像转d 的影响,应有:综合象转d t f d ≤⋅=ω(因为像转d 是一条短线

  如星相机450=f ,在使用常规玻璃一般设计时,则二级光谱为:

  T b ——背景在底片上的透过率 T a ——目标在底片上的透过率 T ab ——目标加背景在底片上的透过率

  设:目标在底片上光密度D a ,背景在底片上光密度D b ,则目标加背景

  γ——底片选择后,即为已知, C p ——由曲线可查(根据像点尺寸d ), ∴由此式可求出目标应该有的曝光量H a 。

  由此查出该底片所需背景曝光量H b =0.155(勒克司·秒)。 ③代上式解出H a =0.06(勒克司·秒)。

  设一恒星在地面上照度E m ,光学系统透光率η,曝光时间t ,通光口径D ,像点尺寸d ,

  1、底片一定时,不同视场的星数与星等关系 由天文观测得出下图;其中底片尺寸一定。

  及以上图表,可间接计算出星数与D ,f 的关系。 ※所以计算流程是:①在底片尺寸(像方视场)一定时,②由星数要求选f →③用上表查出m(星等)→④确定E m (在Z 、τ等条件下)

  →由2/D f Hd E m ηω=→求口径0D 。 三、目标与背景在底片上曝光量之比C ①背景在底片上曝光量

  像点中心的偏移——主光线在实际像面上交点位置与点扩散中心位置之差。产生主要原因是存在彗差、倍率色差,要校正。 2. 畸变应很好校正——影响测量精度。

  3. 像差控制原则——像差引起像点弥散要满足总的像点尺寸要求。 例:总的像点尺寸d =0.06~0.1,则要求像差引起的扩散: ≤象差d 0.03~0.05 。

  抖δ 式中: m —星等;τ— 大气质量(好坏);Z —天顶距;k —系数(随天气情况改变);D — 光学系统口径(以cm 为单位)

  抖f d 。 3、光学系统像差产生的像点扩散 ——光d 由像差计算结果确定。 其中二级光谱产生的像点扩散 ——kD d eF =。 4、温度变化产生的像点扩散 ——)/(f D L d ∆=位移。 5、底片散射产生的像点扩散 ——2/N =底d 综合实际像点尺寸: 底位移抖光综合222

  其中象转d 为划线,可确切计算出来后补偿掉。 四、目标在底片上应有的曝光量 1、表观对比度 b

  H b ——由最佳判读要求得到; γ——选择底片后即可得到。 五、光学系统参数选择 1、星等m 与D ,f 关系:

  式中:H ——曝光量; d ——像点尺寸; η——光学系统透过率; ω——角速度。 2、视场角p u 与m 、星数关系

  见星等m (横坐标)与星数(纵坐标)下的光学系统视场p u 与f 关系图表。 3、光学系统参数选择计算流程

  若计算出口径D 不太合适,或需要修正,则再重复上述流程。 六、光学系统技术要求及质量评价 1、重点要求

  ①像点中心偏均方根值,因为它影响判读精度; ②畸变应较好地校正,因为它影响测量精度。

  ①点列图法——80%能量集中的范围作为像点尺寸大小; ②传递函数方法——底片