6-光学系统设计解析优秀PPT.ppt

第第6章章 光学系统设计光学系统设计1.1.概述概述2 2.光辐射源及特征光辐射源及特征3 3.信噪比的计算方法信噪比的计算方法4 4.光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定5.光电系统中参数的确定光电系统中参数的确定6.总体设计举例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目标（信息源）光学系统光学系统和机构和机构 接收器接收器 介质介质信号信号处理处理光源光源噪声噪声噪声噪声显示显示储存储存传输传输光学仪器中信息的传递光学仪器中信息的传递6.1 6.1 概述概述光学方法的独特有点：光学方法的独特有点：由由于于信信息息加加载载于于光光波波，故故是是一一种种非非接接触触和和破破坏坏测测量量，还还可可以以进进行行远远距距离离测测量量以以及及紧紧急急、恶恶劣劣环环境境中中测量。测量。光波传播速度快，可以进行实时测量和限制。光波传播速度快，可以进行实时测量和限制。精度高。精度高。具有很高的空间辨别率。具有很高的空间辨别率。可进行图像处理技术。可进行图像处理技术。6.1 6.1 概述概述光学系统基本上分为三类：照相系统 显微系统 望远系统6.1 6.1 概述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 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射度的基本物理量n辐辐射射能能Qe：一一种种以以电电磁磁波波的的形形式式放放射射、传传播播或或接接受的能量。受的能量。单单位：焦耳位：焦耳Jn辐辐射射通通量量e：单单位位时时间间内内通通过过确确定定面面积积放放射射、传传播播或或接接受受的的能能量量，又又称称辐辐射射功功率率Pe，是是辐辐射射能能的的时时间变间变更率。更率。单单位：瓦位：瓦n辐辐射射强强度度e：点点辐辐射射源源在在给给定定方方向向上上通通过过单单位位立立体体角角内内的的辐辐射射通通量量。单单位位：W/Sr（Sr=ds/r2：球面度）球面度）6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射度的基本物理量n辐辐射射照照度度Ee：投投射射在在单单位位面面积积上上的的辐辐射射通通量量。单单位位：W/m2n辐辐射射出出射射度度e：辐辐射射源源单单位位面面积积所所辐辐射射的的通通量量（也称（也称辐辐射本事）。射本事）。单单位：位：W/m2n辐辐射射亮亮度度e：辐辐射射表表面面定定向向放放射射的的辐辐射射强强度度。单单位：位：W/（m2Sr）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辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度/平方米Wm-2 sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度瓦特平方米Wm-26.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射度的基本物理量6.2 6.2 光辐射源及特征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 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射度的基本物理量n光量光量Qv：表示光照的能量。n发发光光强强度度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。n光光通通量量v：单位时间里通过某一面积的光能。单位：流明lm。n光光照照度度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 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射度的基本物理量n光光出出射射度度Mv：光光源源上上每每单单位位面面积积向向半半个个空空间间（2球面度）内球面度）内发发出的光通量出的光通量.n光光亮亮度度Lv：表表示示发发光光面面光光明明程程度度的的，指指发发光光表表面面在在指指定定方方向向的的发发光光强强度度与与垂垂直直且且指指定定方方向向的的发发光光面的面面的面积积之比，之比，单单位是坎德拉位是坎德拉/平方米。平方米。辐射度量与光度量的关系6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射度的基本物理量n光光度度量量和和辐辐射射度度量量的的定定义义、定定义义方方程程是是一一一一对对应应的的。辐辐射射度量下度量下标为标为e，光度量下，光度量下标为标为v。n光光度度量量只只在在可可见见光光区区（波波长长为为-nm)才才有有意意义义。6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射度的基本物理量6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征普朗克黑体辐射定律普朗克黑体辐射定律 热热辐辐射射能能量量取取决决于于物物体体的的温温度度，确确定定黑黑体体的的单单色色辐辐射射出出射射度度M(T)与与热热力力学学温温度度T的的关关系系遵遵循循普普朗朗克克黑体黑体辐辐射定律：射定律：式中：式中：C1=2c2hC2=hc/kh普朗克常数普朗克常数k波波尔尔兹兹曼常数曼常数6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征维恩位移定律依据黑体的依据黑体的单单色色辐辐射出射度与温度、波射出射度与温度、波长长的关系可以看出：的关系可以看出：相相同同温温度度时时，不不同同波波长长光光波波的的单单色色辐辐射射出出射射度度不不相相同同，在在某某个波特个波特长长存在极存在极值值m。温度温度T越高，极越高，极值值m越小。越小。m以以为为m单单位位T以以K为单为单位位6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征瑞利-金斯定律TC26.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征斯忒藩-玻尔兹曼定律 一一个个黑黑体体辐辐射射出出射射度度M(T)与与黑黑体体本本身身的的热热力力学学温度的四次方成正比，即：温度的四次方成正比，即：M(T)=T4式中式中=5.6705110-8 W/(m2 K4)称称为为斯忒潘常数。斯忒潘常数。6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征万用黑体曲线万用黑体曲线 在在特特定定温温度度下下，某某个个波波长长对对应应的的辐辐射射出出射射度度与与m对对应应的的辐辐射出射度的比射出射度的比值值与温度无关：与温度无关：6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征非黑体源的辐射非黑体源的辐射 对对于于实实际际的的光光源源，其其辐辐射射出出射射度度小小于于黑黑体体的的辐辐射射出出射射度，它度，它们们的比的比值值称称为为放射率：放射率：6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征色温色温 实实际际的的发发光光体体不不是是黑黑体体，假假如如光光源源辐辐射射在在可可见见区区和和Tc温温度度时时的的确确定定黑黑体体的的辐辐射射完完全全相相同同时时，此此时时黑黑体体的温度的温度Tc就称此光源的色温。就称此光源的色温。通通常常人人眼眼所所见见到到的的光光线线，是是由由7种种色色光光的的光光谱谱叠叠加加所所组组成成。但但其其中中有有些些光光线线偏偏蓝蓝，有有些些则则偏偏红红，色色温温就就是特地用来量度和是特地用来量度和计计算光算光线线的的颜颜色成分的方法。色成分的方法。例例如如：标标准准烛烛光光为为1930K（开开尔尔文文温温度度单单位位）；钨钨丝丝灯灯为为2760-2900K；荧荧光光灯灯为为3000K；闪闪光光灯灯为为3800K；中中午午阳阳光光为为5600K；电电子子闪闪光光灯灯为为6000K；蓝蓝天天为为12000-18000K。6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射出射度的计算方法辐射出射度的计算方法 当当计计算算某某一一波波段段上上的的辐辐射射出出射射度度时时，可可以以通通过过查查表表的的方方式式进进行行计计算：算：可以通可以通过查过查表的方式得到表的方式得到可由斯忒藩可由斯忒藩-玻玻尔尔兹兹曼定律曼定律计计算算 具具有有光光谱谱选选择择性性的的光光辐辐射射源源是是指指其其光光谱谱出出射射度度和和黑黑体体曲曲线线不不相相匹匹配配的的光光源源。一一般般说说来来，它它们们具具有有较较窄窄的波长。的波长。6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征光谱选择放射光谱选择放射(a)(a)砷化镓磷砷化镓磷LED (b)LED (b)镓磷镓磷LED (c)LED (c)碳弧灯碳弧灯 (d)150W(d)150W氙弧氙弧6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征相干辐射源相干辐射源相干相干长度是能度是能够发生干涉的最大生干涉的最大光程差。光程差。振动方向相同；振动方向相同；振动频率相同；振动频率相同；相位相同或相位差保持恒定相位相同或相位差保持恒定太阳的辐照度太阳的辐照度 月亮和水星的辐照度月亮和水星的辐照度 6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征自然辐射源自然辐射源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取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，而吸取引起的衰减则具有选择性。6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射的传输辐射的传输6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射的传输辐射的传输2.亮度定理亮亮度度是是人人对对光光的的强强度度的的感感受受。它它是是一一个个主主观观的的量量。亮亮度度的的单单位是坎德拉位是坎德拉/平方米（平方米（cd/m2）意意义义：当当光光束束穿穿过过没没有有损损失失的的光光学学系系统统时时其其基基本本亮亮度度保持不保持不变变。6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射的传输辐射的传输3*.像面照度（成像系统像面的光照度）成像系统像面的光照度）计算6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征辐射的传输辐射的传输4*.相干检测的天线定理 每一个光学系统都有自己的光瞳每一个光学系统都有自己的光瞳孔径光阑、孔径光阑、入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗。对于由两入瞳、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困难光学系统，前组个以上基本光学系统组成的困难光学系统，前组基本光学系统的光瞳应与后组基本光学系统的光基本光学系统的光瞳应与后组基本光学系统的光瞳统一。瞳统一。6.46.4光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定光孔转接原则光孔转接原则6.46.4光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定物像空间不变式原则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：选择光源时一般应考虑以下几个方面：1.1.光谱能量分布特征光谱能量分布特征2.2.光照度特征光照度特征3.3.发光面的形态、尺寸及灯泡的结构发光面的形态、尺寸及灯泡的结构4.4.其其他他因因素素：光光源源的的供供电电系系统统困困难难与与否否、是是否否须须要要人人工冷却、运用寿命、更换便利程度以及价格等因素。工冷却、运用寿命、更换便利程度以及价格等因素。6.46.4光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定光源光源6.46.4光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定人的眼睛人的眼睛1.眼睛的光学参数眼睛的光学参数n焦距：焦距：f=-16.68mm，f=22.29mm;n视场视场：眼球不：眼球不动时动时5；n眼眼球球转转动动角角：水水平平面面内内由由光光轴轴往往耳耳方方向向至至95；水水平平面面内内由由光光轴轴往往鼻鼻方方向向至至65；垂垂直直面面内内向向上上60；垂垂直直面面内内向向下下72。n眼眼瞳瞳直直径径：在在目目视视仪仪器器中中仪仪器器的的出出瞳瞳应应与与眼眼瞳瞳相相适适应应，它与它与视场视场亮度有关。亮度有关。n眼眼瞳瞳位位置置：在在角角膜膜内内，至至角角膜膜顶顶点点越越4mm，至至眼眼睫睫毛毛约约8mm。2.2.眼睛的屈光度调整眼睛的屈光度调整 正常人的明视近点为正常人的明视近点为250mm250mm，明视远点为无穷远，明视远点为无穷远，即屈光度调整范围为即屈光度调整范围为4 SD4 SD（屈光度）。但随着年龄增（屈光度）。但随着年龄增长，调整实力减小。长，调整实力减小。3.3.眼睛的衬度辨别阈值眼睛的衬度辨别阈值4.4.眼睛的空间辨别率眼睛的空间辨别率6.46.4光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定人的眼睛人的眼睛6.46.4光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定人的眼睛人的眼睛5.眼睛的瞄准精度眼睛的瞄准精度瞄瞄准准就就是是使使标标记记物物与与被被测测物物体体相相重重合合，可可以以用用人人眼眼与与光光电电系系统统来来实现实现。6.6.眼睛的估读数度眼睛的估读数度 6.46.4光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定人的眼睛人的眼睛7.7.双眼视觉双眼视觉 双眼有关的参数如下：双眼有关的参数如下：双目瞳孔间的距离：双目瞳孔间的距离：55mm55mm74mm74mm。双目光轴允许的最大不平行性：双目光轴允许的最大不平行性：水水平平面面内内的的会会聚聚：33；水水平平面面内内的的发发散散：11；垂垂直直面面内内的发散：的发散：3030。视察舒适时允许的不平行性：视察舒适时允许的不平行性：水水平平面面内内的的会会聚聚：11；水水平平面面内内的的发发散散：2020；垂垂直直面面内内的发散：的发散：1010。8.8.眼睛的时间辨别率眼睛的时间辨别率 正常照度下的时间辨别率为正常照度下的时间辨别率为120ms120ms。6.46.4光学系统基本参数的确定光学系统基本参数的确定人的眼睛人的眼睛