光学系统设计模板

第6章光学系统设计1.概述2.光辐射源及特征3.信噪比的计算方法4.光学系统基本参数的确定5.光电系统中参数的确定6.总体设计举例光学仪器从本质上讲是一种传递信息的工具目标（信息源）光学系统和机构接收器介质信号处理光源噪声噪声显示储存传输光学仪器中信息的传递6.1概述光学方法的独特有点：①由于信息加载于光波，故是一种非接触和破坏测量，还可以进行远距离测量以及危险、恶劣环境中测量。②光波传播速度快，可以进行实时测量和控制。③精度高。④具有很高的空间分辨率。⑤可进行图像处理技术。6.1概述光学系统基本上分为三类：①照相系统②显微系统③望远系统6.1概述辐射度量的基本单位（辐射度量是用能量单位描述辐射能的客观物理量）6.2光辐射源及特征——辐射度的基本物理量辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳[J]辐射通量Φe：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］（Sr=ds/r2：球面度）6.2光辐射源及特征——辐射度的基本物理量辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：［W/m2］辐射出射度Ｍe：辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［W/m2］辐射亮度Ｌe：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：［W/（m2．Sr）］名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳／立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度Ｉ瓦特／球面度Wsr-1辐射亮度Ｌ瓦特／球面度/平方米Wm-2sr-1辐射出射度Ｍ瓦特／平方米Wm-2辐射照度Ｅ瓦特／平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ/ddI/cos/2dAddLcos/dAdI＝dAdM/dAdE/6.2光辐射源及特征——辐射度的基本物理量6.2光辐射源及特征——辐射度的基本物理量光度量的最基本单位（光度量是度量使人眼产生视觉效果的辐射的量）6.2光辐射源及特征——辐射度的基本物理量光量Qv：表示光照的能量。发光强度Iv：光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。单位：坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制中七个基本单位之一。光通量Φv：单位时间里通过某一面积的光能。单位：流明［lm］。光照度Ev：单位面积所接受的入射光通量，单位：勒克斯［lx］。光度量的最基本单位（光度量是度量使人眼产生视觉效果的辐射的量）6.2光辐射源及特征——辐射度的基本物理量光出射度Mv：光源上每单位面积向半个空间（2π球面度）内发出的光通量.光亮度Lv：表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。辐射度量与光度量的关系6.2光辐射源及特征——辐射度的基本物理量光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，光度量下标为v。光度量只在可见光区（波长为３８０-７８０nm)才有意义。6.2光辐射源及特征——辐射度的基本物理量6.2光辐射源及特征——普朗克黑体辐射定律热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单色辐射出射度Mλ(T)与热力学温度T的关系遵循普朗克黑体辐射定律：式中：C1=2πc2hC2=hc/kh——普朗克常数k——波尔兹曼常数2151()1CTCMTe6.2光辐射源及特征——维恩位移定律根据黑体的单色辐射出射度与温度、波长的关系可以看出：相同温度时，不同波长光波的单色辐射出射度不相同，在某个波长处存在极值λm。温度T越高，极值λm越小。λm以为μm单位T以K为单位2897.8mT6.2光辐射源及特征——瑞利-金斯定律2151()1CTCMTe14422()CTckTMTCλTC26.2光辐射源及特征——斯忒藩-玻尔兹曼定律一个黑体辐射出射度M(T)与黑体本身的热力学温度Ｔ的四次方成正比，即：M(T)=σT4式中σ=5.67051×10-8W/(m2K4)称为斯忒潘常数。6.2光辐射源及特征——万用黑体曲线在特定温度下，某个波长λ对应的辐射出射度与λm对应的辐射出射度的比值与温度无关：6.2光辐射源及特征——非黑体源的辐射对于实际的光源，其辐射出射度小于黑体的辐射出射度，它们的比值称为发射率：6.2光辐射源及特征——色温实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见区和Tc温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的温度Tc就称此光源的色温。通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱叠加所组成。但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度和计算光线的颜色成分的方法。例如：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为5600K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。6.2光辐射源及特征——辐射出射度的计算方法当计算某一波段上的辐射出射度时，可以通过查表的方式进行计算：210()[(,)(,)]()MTfTfTMTd2(,)fT可以通过查表的方式得到0()MTd可由斯忒藩-玻尔兹曼定律计算具有光谱选择性的光辐射源是指其光谱出射度和黑体曲线不相匹配的光源。一般说来，它们具有较窄的波长。6.2光辐射源及特征——光谱选择发射(a)砷化镓磷LED(b)镓磷LED(c)碳弧灯(d)150W氙弧6.2光辐射源及特征——相干辐射源相干长度是能够发生干涉的最大光程差。①振动方向相同；②振动频率相同；③相位相同或相位差保持恒定太阳的辐照度月亮和水星的辐照度6.2光辐射源及特征——天然辐射源1.大气中的传输特性辐射通过大气时，气体分子、水汽、固体粒子及水滴的吸收与散射使辐射通量衰减。散射而引起的衰减与辐射波长的关系是平滑的，而吸收引起的衰减则具有选择性。6.2光辐射源及特征——辐射的传输6.2光辐射源及特征——辐射的传输2.亮度定理亮度是人对光的强度的感受。它是一个主观的量。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）122212LLnn意义：当光束穿过没有损失的光学系统时其基本亮度保持不变。6.2光辐射源及特征——辐射的传输3*.像面照度（成像系统像面的光照度）计算6.2光辐射源及特征——辐射的传输4*.相干检测的天线定理每一个光学系统都有自己的光瞳——孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗。对于由两个以上基本光学系统组成的复杂光学系统，前组基本光学系统的光瞳应与后组基本光学系统的光瞳统一。6.4光学系统基本参数的确定——光孔转接原则6.4光学系统基本参数的确定——物像空间不变式原则选择光源时一般应考虑以下几个方面：1.光谱能量分布特征2.光照度特征3.发光面的形状、尺寸及灯泡的结构4.其他因素：光源的供电系统复杂与否、是否需要人工冷却、使用寿命、更换方便程度以及价格等因素。6.4光学系统基本参数的确定——光源6.4光学系统基本参数的确定——人的眼睛1.眼睛的光学参数焦距：f=-16.68mm，f’=22.29mm;视场：眼球不动时5°；眼球转动角：水平面内由光轴往耳方向至95°；水平面内由光轴往鼻方向至65°；垂直面内向上60°；垂直面内向下72°。眼瞳直径：在目视仪器中仪器的出瞳应与眼瞳相适应，它与视场亮度有关。眼瞳位置：在角膜内，至角膜顶点越4mm，至眼睫毛约8mm。2.眼睛的屈光度调节正常人的明视近点为250mm，明视远点为无穷远，即屈光度调节范围为4SD（屈光度）。但随着年龄增长，调节能力减小。3.眼睛的衬度分辨阈值4.眼睛的空间分辨率6.4光学系统基本参数的确定——人的眼睛6.4光学系统基本参数的确定——人的眼睛5.眼睛的瞄准精度瞄准就是使标志物与被测物体相重合，可以用人眼与光电系统来实现。6.眼睛的估读数度6.4光学系统基本参数的确定——人的眼睛7.双眼视觉双眼有关的参数如下：双目瞳孔间的距离：55mm～74mm。双目光轴允许的最大不平行性：水平面内的会聚：3°；水平面内的发散：1°；垂直面内的发散：30′。观察舒适时允许的不平行性：水平面内的会聚：1°；水平面内的发散：20′；垂直面内的发散：10′。8.眼睛的时间分辨率正常照度下的时间分辨率为120ms。6.4光学系统基本参数的确定——人的眼睛