光电光学系统
光电光学技术研究
光电光学技术研究第一章：绪论随着科学技术的不断发展，光电光学技术这一领域的研究也得到了越来越多的关注。
光电光学技术是以光和电为基础的技术，旨在研究光的物理、化学和生物学特性，并利用光电设备获取、传输和处理光的信息。
光电光学技术被广泛应用于通信、显示、传感、医学、环境监测等领域，尤其在信息技术和生物医学领域中的应用取得了巨大的进展。
本文主要介绍光电光学技术的研究进展和应用，在研究中对光电光学技术进行综合评价，并指出发展方向和未来发展的趋势。
第二章：光电光学技术的研究进展光电光学技术是一个包涵了光学、电性质和信息处理的综合性学科，经过数十年的发展，已经形成了一系列的研究领域，如光电子学、光生物学、光物理学和光计算等。
2.1 光电子学光电子学是光电光学技术中的一个重要研究领域，主要研究光电效应、光导材料、半导体器件等相关问题。
在光电子学中，最为重要的是研究光电子器件，例如：太阳能电池、光电二极管、激光、LED发光二极管、线性和非线性光学材料，这些器件在信息显示和通讯技术领域有着广泛的应用。
2.2 光生物学光生物学是将光学与生物学相结合的学科，研究光在生物体内的物理特性、对生命体的影响和生物组织的光学特性。
目前，光生物学已经成为医学和生物工程领域中的一个重要前沿领域，使得生命科学和光学有了结合的契机。
光生物学已经在许多方面发挥了重要作用，比如神经生物学、生物成像、荧光检测、细胞研究、纳米医学等。
2.3 光物理学光物理学主要研究光的原理与性质，涉及光的辐射、传输、干涉、衍射、吸收、散射、极化和量子效应等。
在物理、化学和电子学等领域中，光物理学的研究和应用也占有重要的地位，如测量光的精度和时间、光致变色材料、光刻技术、激光等。
2.4 光计算光计算是一种利用光线传递信息的计算技术，光计算的基本思想是用光的干涉或散射来处理信息。
相比于传统的电子计算技术，光计算可获得更高的速度和可并行的性能，并且具有天然的非易失性等优势。
光电系统设计概述
2、数字电路设计
• 光电设计中的数字电路通过分析数字输人信号特性、系统对输出数字信号的 要求，进行数字输人测量电路和数字量控制输出电路的设计。根据对输人信 号特性和输出信号的负载能力要求考虑接口的设计。
4、系统可靠性设计
（1）硬件可靠性设计 1）元器件选择原则：满足性能要求、满足可靠性要求、降额设计、低功耗
设计。 2）电源抗干扰技术 3）系统接地技术 4）PCB设计技术 5）低功耗设计技术
（2）软件可靠性设计 硬件可靠性设计是尽可能切断外部干扰进人单片机系统，但由于干扰存在的
复杂性和随机性，硬件的可靠性设计并不能保证将各种干扰拒之门外，因此 要同时运用软件可靠性设计技术，两者结合可进步提高单片机系统的可靠性。 1）输入通道的软件可靠性 2）输出通道的软件可靠性 3）程序设计的可靠性 4）数字滤波技术
• 光电系统的分类从大类上通常分为主动光学系统和被动光学系统。 主动系统如激光测距、LED/激光位置检测、光学显示装置等。 被动系统包括图像增强器、红外成像仪、激光指示器和微光电视等。
光学系统的设计
• 光学设计通常始于空间光路布置，从简单的考虑镜头寻找对象/图像的距离 和尺寸、光圈、焦距长度等。
• 在明确对所设计光学系统的各项指标后，设计者要第一考虑的限制物理界面 的要求，进而根据系统要求和使用条件，决定满足使用要求的各种数据，拟 定出光学系统的原理图。
• 电子系统设计通常包含总体设计、模块设计、组装调试、性能测和文档总 结等环节。
1、模拟电路设计
• 模拟电路是电子系统的重要部分，也是影响整个系统成败的关键模块。需要 在分析模拟输入、输出信号需求的基础上。进行前向通道和后向通道电路的 设计。
第七章 CCD应用中的光学系统 - 副本资料
w/
2
D/
F1/(F2) 分划板 -f
l2/ 眼睛 目镜
A/// y/// B///
图8-37 望远系统成像原理
36
两面凸透镜
物镜：成倒立缩小的实像
目镜：成正立放大的虚像
望远镜原理
37
望远系统的视角放大率是物体经过望远系统所成的像对 人眼张角的正切值tgω/，与人眼直接观察物体时物体对人眼张 角的正切值tgω之比。其计算公式为 Г= tgω// tgω=-f/物/f/目 式中， f/物为望远物镜的焦距；f/目为目镜的焦距。 由此式可见，只有物镜的焦距大于目镜的焦距时，望远 系统才有视角放大作用。而且当目镜的焦距一定时，要求有
δ=0.5λ/(NA) 由以上公式可以看出，物镜在像差校正好以后，对一定波长的
光线，分辨率完全由物镜的数值孔径所决定。数值孔径越大，分辨
率越高。所以提高分辨率的主要途径是增大数值孔径。
31
当物方介质折射率为空气时，物镜最大的数值孔径为1，一 般只有0.9左右。而在物体和物镜之间浸以高折射率的液体，如
折射棱镜1273光学系统中光阑的作用一孔径光阑入射光瞳和出射光瞳二视场光阑三渐晕光阑四消杂光光阑1374常用光电图像转换系统的成像特性以ccd器件作为接收器的光学系统主要是由成像物镜和ccd器件组成的物体经物镜成像在ccd器件上因此成像物镜的光学特性决定了系统的使用性能
第七章 CCD应用中的光学系统
成下列形式
2 E0 ( )2 4 f ( ) 2
KL D
20
由上式可见，像面照度与相对孔径的平方成正比，相
对孔径越大，像面照度也越大。 轴外像点的照度与视场角有关，它与视场中心的 像面照度有以下关系 E E0 cos4 w 常见照相物镜的相对孔径为1∶4.5-1 ∶2。 在摄影物镜的外镜筒上，刻有与相对孔径对应的 数字和指标。数字为相对孔径的倒数，俗称为F数或 光圈数。
光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为
光学技术的应用和光电系统的设计
光学技术的应用和光电系统的设计随着科技的不断发展，光学技术的应用越来越广泛，其中光电系统的设计是光学技术应用的重要环节。
本文将探讨光学技术的应用以及光电系统的设计过程。
一、光学技术的应用1.1 显示技术随着智能手机的广泛普及，显示技术也得到了快速的发展。
常见的显示技术主要有LED、LCD和OLED. 在这些技术中，LED 灯是一种低能耗、长寿命的光源，而OLED则具有高对比度、观看角度广等优势。
1.2 通信技术光学通信技术是一种利用光传输信息的通信方式，它具有频宽大、传输距离远、抗干扰性强等优势。
通信技术在飞行、铁路、地铁、计算机等领域的广泛应用，成为现代社会的生命线。
1.3 生物医学技术光学技术在生物医学领域中有着极其广泛的应用，尤其是在荧光显微镜、近红外光谱、激光手术等方面。
光学技术有助于人们更加深入地探究生物学，从而提高人们的健康水平和医学技术的发展。
二、光电系统的设计过程光电系统的设计需要考虑多种因素，并且需要经历多个阶段。
下面将从设计目标、硬件选购、软件设计等多个方面介绍光电系统的设计过程。
2.1 设计目标首先需要考虑的是设计目标。
在光电系统的设计中，设计目标通常包括系统性能要求、应用领域、成本控制等。
在考虑这些因素时，设计者必须明确自己的设计目标，以确定系统设计的方向。
例如，针对无乘客线路的地铁系统，设计者需要根据线路长短、车头数量等因素，确定系统的控制方式和紧急措施。
2.2 硬件选购硬件选购是光电系统设计的重要环节。
在硬件选购中，需要考虑多种硬件设备，例如CCD摄像头、激光雷达、电源控制器、开发板等。
设计者需要根据系统的性能要求和安装环境等因素，选择适合的硬件设备。
在选购过程中，需要考虑诸如供应商可靠性、运行时的成本、维护和改进的灵活性，以及硬件组成对系统整体性能的影响等因素。
2.3 软件设计在进行硬件选购之后，设计者需要考虑软件设计。
软件设计涉及到算法的设计、界面的设计和软件测试等多个方面。
光学技术的应用和光电系统的设计
光学技术的应用和光电系统的设计光学技术是指利用可见光、红外线、紫外线等电磁波进行照明、成像、检测、通信等方面的技术，是现代科学技术中最重要的一个分支领域之一。
光学技术的应用范围非常广泛，包括医学、物理学、化学、工业制造等多个领域。
其中，光电系统的设计是其中一项重要的应用。
本文将从光学技术的应用和光电系统的设计两个方面进行探讨。
一、光学技术的应用1.医学应用在医学方面，光学技术广泛用于各种检测方法和治疗方法。
例如，在眼科领域中，利用激光修复近视，也可以利用激光进行白内障手术。
此外，光学技术还被用于扫描生物体内部的图像，这项技术被称为光学断层扫描（OCT）。
OCT技术可以帮助医生了解疾病进展的详细情况，还可以精确地追踪治疗过程。
2.物理学应用物理学是发展光学技术最早的学科之一。
在现代物理学中，光学技术被广泛应用于制造激光器、电子显微镜、光子半导体器件等。
另外，光学技术还被用于水下探测，如测量水下物体的距离和方向，以及探测水下生命体存在的迹象。
3.工业制造应用在工业制造领域中，利用光学技术可以制造高精度的设备和部件。
例如，在精密机械制造中，使用激光测距仪可以实现高精度的测量，这对于高要求的制造流程非常重要。
另外，在半导体工艺制造中，光学技术也被用于瞬时检测，以便能够及时发现和修复生产线上的故障。
二、光电系统的设计光电系统是光学技术的重要应用领域之一。
它是将光学与电子进行科学的整合，以实现各种所需的功能。
随着光学技术的不断进步和完善，越来越多的光电系统被用于各种应用程序。
以下是关于光电系统的应用的概述。
1.显示系统在光学技术中，LCD是一种常见的显示技术。
当然，这种技术有着一些固有的缺陷，例如偏色和对比度不佳等问题。
为了解决这些问题，曲面显示器和量子点显示技术被应用于LCD中。
此外，开发出了一种背光LED来更好的解决这些问题。
2.通讯系统光电技术在通讯领域也有着广泛的应用。
通过光纤传输数据，可以实现更高的数据传输速度，同时还可以更好地保护数据的安全性和完整性。
光电系统设计——方法、实用技术及应用
光电系统设计是一门涉及光学、电子和通信等多个领域知识的综合型学科，其在现代科技和工程领域中起着至关重要的作用。
光电系统的设计与应用涉及到光学元件、光电子器件、光电传感器、光电子通信等多个方面，涵盖了生产制造、信息传输、医疗健康、军事安全等各个领域。
本文将从方法、实用技术和应用三个方面对光电系统设计进行探讨。
一、方法1.1 光电系统设计的基本原理光电系统的设计主要基于光学原理和电子技术，通过光学元件和光电子器件的相互作用进行信息的采集、处理和传输。
其中，光学原理涉及到光的传播、反射、折射、色散等现象，而电子技术则包括了电磁波的接收、放大、调制、解调、数字化等技术手段。
1.2 光电系统设计的步骤光电系统设计的步骤一般包括需求分析、系统设计、元器件选型、系统集成、性能测试和应用推广等环节。
在需求分析阶段，需要明确系统的功能要求、使用环境和工作条件等信息；在系统设计阶段，需要根据需求分析的结果，确定系统的整体结构、功能模块和工作流程；在元器件选型阶段，需要根据设计要求，选择合适的光学元件、光电子器件和电子元器件；在系统集成阶段，需要进行硬件和软件的集成，确保系统的稳定运行和性能优良；在性能测试阶段，需要对系统进行功能测试和性能指标测试，以验证系统设计的有效性和可靠性；在应用推广阶段，需要将设计完成的光电系统投入到实际应用中，提高系统的经济效益和社会效益。
1.3 光电系统设计的关键技术在光电系统设计中，有一些关键技术是需要重点掌握和应用的，包括了光学成像技术、光电传感技术、光电通信技术、光电显示技术、光电测量技术等。
在这些技术中，光学成像技术是指利用光学器件将目标物体的信息转化为光学图像，用于观测和分析；光电传感技术是指利用光电传感器对光信号进行转换和探测，用于环境监测、医疗检测等领域；光电通信技术是指利用光纤或光无线传输技术进行信息通信和数据传输，具有高速、大容量和抗干扰能力强的特点；光电显示技术是指利用光电子器件将电子信号转化为光信号，进行信息显示和图像展示；光电测量技术是指利用光学测量原理获取目标物体的尺寸、形状、位置等信息，用于工程测量和科学研究等领域。
光电系统设计基础
光电系统设计基础
一、光电系统概述
光电系统是指利用光电转换原理将光信号转换为电信号，或将电信号转换为光信号的系统。
它包括了许多不同的元件和部件，如光源、传感器、激光器、探测器等。
二、光学基础知识
1. 光的本质：波动与粒子性
2. 光的传播：直线传播和折射
3. 光学仪器：凸透镜和凹透镜
三、光源的选择
1. 红外线发射二极管（IR LED）
2. 激光器（Laser）
3. 白炽灯（Incandescent Lamp）
四、传感器的选择
1. 充电耦合器件（CCD）
2. 互补金属氧化物半导体（CMOS）
3. 磁阻传感器
五、探测器的选择
1. 光敏二极管（Photodiode）
2. 红外线探测器（IR Detector）
3. 电荷耦合器件（CCD）
六、滤波器的应用
滤波器可以帮助去除噪声和干扰，同时提高信噪比。
常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。
七、光电系统的应用
1. 光电传感器
2. 光电开关
3. 光电编码器
八、总结
光电系统的设计需要考虑多个因素，如光源、传感器、探测器等的选择和应用，以及滤波器的使用。
在实际应用中，需要根据实际情况进行调整和优化。
光学系统
做可见光光源 做紫外光源，
司 M1—光源镜，
将光源发出的光聚在入射狭缝
S1—入射狭缝， 限制入射光
产
S2—出射狭缝，
限制单色器的出射光普带宽
品
M2、M3—球面镜， 将光束进行准直、会聚 M4-M7—反射镜， 折转光路、会聚能量
F—滤色片，
滤去高级光谱
G—光栅，
将复色光分为单色光
SM—扇形镜，
将一束单色光分参比、样品两路
M8-M10—反射镜， 将光束进行会聚、折转
PMT—光电倍增管， 接收光信号
1、19系列产品光学系统
国内高档紫外可见分光光度计
公
特点：
司
单色器为修正C-T系统，参照日本仪器布局设计的，其主光
线与系统光轴有一个夹角。
产
双光束光路
——提供参比光路，可扣除背景，提高测量精度
品
用一个光电倍增管作为两个通道的光电接收器
产
M3 —平面光栅
将复色光分解为单色光
品
M5， M6 —反射镜 光路折转、会聚 M7 —部分反射镜 分光
P1 —样品接收器
接收光信号
P2 —参比接收器
接收光信号
S1 —入射狭缝
限制入射光束
S2 —出射狭缝
限制出射光谱带宽
2、1810系列产品光学系统
国内中档紫外可见分光光度计
公
特点：
司
准双光束光路
高档仪器 19系列产品 普及型仪器 1880系列产品
适用于试样 多组份测量
无此类产品
三、公司现有产品光学系统
公
司
1、19系列产品光学系统
产
2、1880系列产品光学系统
品
光电分选机的工作原理
光电分选机的工作原理
光电分选机是一种利用光学和电子技术进行物料分选的设备，
其工作原理主要包括光学系统、传感器系统、信号处理系统和执行
系统四个部分。
首先，光学系统是光电分选机的核心部分，它利用光学原理对
物料进行分选。
物料经过进料系统进入光学系统，通过光学透镜和
光源的照射，物料表面的颜色、形状、大小等特征被反射或透射出来。
光学系统将这些特征转化为光信号，并传输到传感器系统。
传感器系统是光电分选机的感知和采集部分，它接收光学系统
传来的光信号，并将其转化为电信号。
传感器系统根据物料的特征，对其进行快速、准确的识别和分类，将不同特征的物料分开，并发
送给信号处理系统。
信号处理系统是光电分选机的智能控制中枢，它接收传感器系
统传来的电信号，对不同特征的物料进行识别和分类。
根据预设的
分选标准，信号处理系统对物料进行判断和处理，将符合要求的物
料送往执行系统，将不符合要求的物料排除。
执行系统是光电分选机的执行部分，它根据信号处理系统的指令，对物料进行分选和处理。
执行系统可以通过气流、机械臂等方式，将符合要求的物料分离出来，同时将不符合要求的物料排除，实现物料的有效分选和分类。
总的来说，光电分选机通过光学系统对物料进行感知和采集，传感器系统对物料进行识别和分类，信号处理系统对物料进行判断和处理，执行系统对物料进行分选和处理，从而实现物料的高效分选和分类。
光电分选机在食品加工、农产品加工、废旧回收等领域具有广泛的应用前景，为提高生产效率、降低成本、提升产品质量发挥着重要作用。
第3章 光电测试技术常用光学系统
2
18
2.准直、自准直光学系统
准直技术 --- 利用光线做基准实现瞄准或角度测量的技术 --- 利用望远系统把视场光阑处分划板上的十字标记投射到某 一调焦位置的参考靶上，并使十字标记中心与参考靶中心重合 由两个中心所表述的参考直线 --- 准直或准线 参考直线的方向 --- 望远系统光轴的方向 自准直--- 物镜前面的平面反射镜
37
2）临界照明 ---光源发出的光通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式
光源灯丝
成像
物平面
优点---视场范围内有最大的亮度，而且没有杂光 缺点---光源亮度的不均匀性将直接反映在物面上， 并且不满足光孔转接原则
38
3）远心柯勒照明
集光镜 --- 光源成像到聚光镜的前焦面上 孔径光阑 --- 聚光镜的物方焦面上（像方远心光路） 视场光阑 --- 成像到物面上（聚光镜） --- 消除了临界照明中物平面照度不均匀的缺点 孔径光阑---大小可调，经聚光镜成像于物镜的入瞳位置 （满足光孔转接原则，充分利用了光能） 孔径光阑大小 ---- 决定照明系统的孔径角、分辨力和对比度； 视场光阑 --- 控制照明视场的大小，避免杂光进入物镜
接收器的尺寸一定 --- 物镜焦距与视场角成反比
拍摄远方物体时，物方最大视场角为
tg max y' max / 2 f '
y´max---感光元件的对角线长度
24
2) 相对孔径和分辨力 D ---入瞳直径（或物镜口径）与物镜焦距之比 f' 影响着物镜的鉴别率和像面照度 光圈（F 数） --- 相对孔径的倒数
NA n sin u
n---物方介质的折射率; u --- 物方孔径角 与分辨本领的关系 --- 瑞利判据或道威判据（显微系统） 投影仪的分辨力经放大倍后应与人眼的分辨本领相适应
光电检测技术
如何选择最佳负载：作光电池伏安特性曲线，过Voc和Isc作特性曲线的切线，他们相交与PQ点，连接PQ点和原点O的直线即为最佳负载线。次直线与特性曲线交与PM，最大输出功率PM等于矩形O IM PM VM面积，此时流过负载RM上的电流为IM RM上的压降为VM
1、光电检测基本模型：光发射机（光源、光学系统）---光学信道（大气、光纤、水）---光接收机
2、光电检测技术优缺点：缺点：外界干扰光影响大，使用温度有限 优点：非接触式测量，响应速度快，检测范围宽，应用广。
3、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子，或导电率发生改变，或产生电动势等，这种因光照而引起物体电学性质的改变统称为光电效应。
4、外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应。
4.1、本征吸收：半导体材料吸收光电原因，在于光与处于各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。其中最主要的光吸收是由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的，称为本征吸收；
14.5、PMT 的引起暗电流Id的因素：1）光电阴极和第一倍增极的热电子发射。2）极间漏电流，由于光电倍增管各级绝缘强度不够或极间灰尘放电引起漏电流。3）离子和光电反馈作用；4）场致放射；5）放射性同位素和宇宙射线的影响；
14.6、减少暗电流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法：1）主要是选好PMT的极间电压。2）在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；3）在倍增管输出电路中加一选频或锁相放大滤波暗电流;4）利用冷却法减少热电子发射；
工作原理：？？？
29、光电检测电路由光电器件、输入电路、和前置放大器
30、将光电信号转换成0，1数字量的过程称为光电信号的二值化处理。
光学系统的解释和概念
光学系统的解释和概念光学系统是指由光源、光学元件和检测器等组成的系统，用于控制、操控和测量光的性质和行为。
光学系统的核心概念是光的传播、折射、反射、干涉、衍射和散射等现象，以及光场的性质和光学元件的设计与制造。
光学系统是研究光的传播和转换行为的重要工具，广泛应用于光学显微镜、望远镜、光纤通信、激光、光电子器件等各个领域。
在物理学、工程学、生物学、医学以及材料科学等领域中，光学系统被广泛应用于研究、开发和应用。
光学系统的主要组成部分包括光源、光学元件和检测器。
光源是光学系统的能量源，常见的光源包括天然光源（如太阳、火焰等）和人工光源（如白炽灯、荧光灯、激光器等）。
光源的稳定性和强度决定了光学系统的稳定性和检测灵敏度。
光学元件是对光进行控制和操控的器件，包括光学透镜、凸透镜、凹透镜、棱镜、反射镜等。
光学元件能够通过透射、反射、干涉、衍射等方式改变光的方向、形状和能量分布。
光学元件的种类和性质决定了光学系统的功能和性能。
检测器是光学系统中用于接收和测量光的器件，常见的检测器有光电二极管、光电倍增管、光电二极管阵列等。
检测器能够将光信号转换为电信号，并通过信号处理技术得到有关光的信息。
光学系统的行为和性质可以使用光学理论来描述和解释。
光学理论是研究光的传播、传输、转换和相互作用规律的理论体系，包括几何光学、物理光学和量子光学等。
几何光学主要研究近似光线传播的规律和光学元件的设计和使用；物理光学主要研究光的波动性质和干涉、衍射等现象；量子光学主要研究光的微粒性质和激光等应用。
光学系统的设计和优化是将光学理论应用于实际问题的关键步骤。
在设计光学系统时，需要考虑光源的特性、光学元件的种类和性质、光学系统的结构和布局等因素，以实现所需的光学功能和性能。
通过光学设计软件和光学测试设备，可以对光学系统进行模拟、优化和验证。
光学系统在现代科学技术中发挥着重要作用。
在生物医学领域，光学系统被用于显微镜、光谱分析等应用，用于观察和研究生物体的结构和功能；在通信领域，光学系统被用于光纤通信，实现大容量、高速度的信息传输；在材料科学领域，光学系统被用于材料分析和制备，用于研究材料的光学性质和应用；在激光技术领域，光学系统被用于激光器和激光加工设备，实现激光束的控制和操控。
第一章 智能光电系统基础
1.光电系统概述
• 光电系统是在光学仪器的基础上，融合电子技 术、光电技术、激光技术和计算机技术而发展 起来的。一般说来，它比传统的光学仪器具有 更高的精度、更高的自动化程度和更先进的显 示手段，具有新的性能特点和使用优势。例如， 它能把辐射通量中包含的目标尺寸、形状、位 置、能量等信息转变为电信号，并经过特种处 理（包括从噪声中提取信息）提取有用信息， 再予以显示和记录。
硫化铅(PbS)、锑化铟（InSb)、碲镉汞
（Hg0.8Cd0.2Te)
3. 光伏探测器件
（1）硅光电池：工作时不需要外加偏压，其短
路电流与入射光功率成线性关系，开路光电压
与入射功率成对数关系。
因此，光电池都是以电流源的形式来使用，
负载电阻越小，光电池工作越接近于短路状态，
线性就越好。
（2）光电二极管：
测量装置 执行机构 前向通道 后向通道 微 型 计 算 机 人机交互通道 数据通信通道
2.主要特点： (1)具有自动校准能力。 (2)具有处理数据能力。 (3)能自动修正测量误差。 (4)具有自适应能力。 (5)具有自检和自诊断能力。 (6)具有对外接口能力。 (7)具有良好的用户界面。
3 光源
但当入射光功率较大时，线性变差。它的响应时间很短，硅管
约为0.5~1.0ns。光电倍增管对窄宽度脉冲的响应很好，但在 0.8~1.1um区，雪崩光电二极管具有更好的窄脉冲探测度。
（3）光电三极管
在一定的光强范围内，光电三极管的输出光
电流与入射光强之间接近于线性关系。当光强
变化3~5个数量级时，光电流就将出现明显的非
1.常用图像传输系统的成像特性
1.照相摄影物镜 (1)焦距f：决定于目标在接收器上成像的大小。 对同一位置的目标而言，焦距越大，所得到的 像也越大。焦距可从几毫米到几米不等。 (2)相对孔径D/f：其大小决定了物镜的分辨率、 像面照度，并影响成像质量。相对孔径越大， 物镜的分辨率越高，像面照度越大。1/4.5~1/2 (3)视场角2ω ：决定了能在接收器上成像的空间 范围。当f一定时，视场角越大，成像的尺寸也 越大。对一定尺寸的CCD器件，其像敏面尺寸 一定，f越长， 2ω 就越小。
光学系统与光电探测器
光学系统与光电探测器光电仪器研发的前提是社会需求，设计者把需求转化成仪器的质量指标和设计参数通过相关的资料、专利、文献的查询和必要的实验验证，然后进行总体设计（或综合化设计）。
尽管现代光电仪器是多个高新技术的综合体，但作为主要子系统的光学系统仍然是光电仪器总体设计的关键。
光学系统是光电系统中获取目标信息的第一环节，它大体可以分成能量传输系统和图像传输系统两大类。
前者的作用在于收集或传输尽可能多的光能量信息，主要用于光度测量方面；后者多用于摄取目标的图像，要求将整幅图像或用扫描方法把图像传输到探测器上，把图像的像素顺序转换成光电信号。
光学系统的基本特性有：数值孔径（NA）或相对孔径（D／f＇）；线视场或视场角（2ω）；系统的横向放大率或焦距（r＇）；还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如入瞳直径（D）、出瞳直径（D＇）、工作距离、共轭距、座装距等。
1．常用光电图像转换系统的光学特性（1）显微物镜的光学特性显微镜是指为提高人们获得微小细节信息能力的光学仪器，是用来观测近距离微小物体的光学系统。
传统的显微目视系统由显微物镜和目镜组成。
在光电显微系统中则由显微物镜成一次像，通过光学接口把物镜一次像成于CCD靶面上。
（2）望远物镜的光学特性望远系统用于观测远距离物体。
以CCD器件为接收器件的光电望远系统，CCD器件置于望远物镜的像方焦平面处。
影响望远系统成像特性的主要是望远物镜，望远物镜是一个小孔径、小视场系统，其光学特性参数主要有焦距y相对孔径D／y＇（＜1／5）和视场角（2ω≤10°）等。
特性参数决定了望远系统的分辨率、像面照度、成像质量和结构尺寸。
（3）照相物镜的光学特性照相物镜是同时具有大相对孔径和大视场的光学系统，其传统功能是把外界景物成像在感光底片上，对于数码相机来说则成像在CCD（或CMOS）器件上。
光电显微镜的光学系统设计
光电显微镜的光学系统设计王培芳;向阳;王继凯;王琪【摘要】光电显微镜具有很高的灵敏度,能够消除测量过程中的主观性,提高测量过程的自动化与准确度.为了提高光电显微镜的测量精度,本文采用物方远心的原理设计了一应用于比长仪的物方远心光电显微镜.设计结果:视放大倍率Γ=100倍,物方线视场2 y=0.5mm,数值孔径NA=0.2,分辨率σ=1.68μm,工作距离28.5mm,光学系统波像差小于1/4λ,传递函数接近衍射极限.光电显微镜的光学测量误差小于0.7%.%Photoelectric microscope has a high sensitivity and can eliminate the subjectivity in the process of measure-ment,improving the automation and accuracy of the measurement process. In order to improve the measurement preci-sion of the photoelectric microscope, this paper uses the tele-centric principle to design photoelectric microscope which is applied in length comparator. The system result:Γ=100,the object side view 2y=0.5mm,numerical aperture NA=0.2, the resolution of the σ=1.68μm, working distance=28.5mm. The optical system of wave aberration is less than 1/4λand transfer function is close to the diffraction limit. finally,the visual measurement error being less than 0.7%.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(038)005【总页数】5页(P17-21)【关键词】光学设计;光电显微镜;放大倍率;比长仪【作者】王培芳;向阳;王继凯;王琪【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】O439动态光电显微镜［1］是应用于比长仪上瞄准动态刻尺，测量光学刻尺上刻划误差的一种设备。
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§8.6 光电光学系统
现代光电系统无一不把光学、精密机械、光电转换、电子和计算机技术结合起来，实现其系统的数字化、图像化、智能化和自动化。
为达到上述目的，除设计各种不同用途的光电光学系统外，光电能量转换或光电图像转换、数据信号采集与处理、模数转换和计算机处理与分析等都是实现上述目的所不可缺少的重要环节。
由于本章篇幅所限，下面主要介绍二种光电光学系统。
一、红外夜视光学系统
由于红外光辐射具有较强的辐射能量和在大气中具有较高的穿透本领，因此红外光探测系统在卫星摄影、军事目标跟踪和夜视观察等方面得到了广泛应用。
但由于红外光辐射对人眼不敏感，不可能用人眼来直接接收红外光所成的光学图像，所以必须把红外光所成的图像转变成人眼可视的光学图像。
例如用于军事上的红外夜视观察仪器，其原理如图L1为望远物镜，L2为观察目镜，在望远物镜的像面和观察目镜的物面之间加入一红外变像管，其作用是把红外光所成的图像变成可视光图像。
为了使红外变像管的接收靶面能获得均匀的像面光照度，望远物镜应尽量设计成像方远心系统，以减小物镜轴外像点的像方视场角。
物镜L1所成的不可见图像y'应和变像管的接收靶面重合，y'经红外变像管后成倒像为y",y"应与变像管的显示屏重合，经目镜放大后供人眼观察。
因为y"可看成是自发光图像，目镜的光阑位置可单独考虑。
二、光电检测系统
由于CCD光电器件具有高灵敏度、高分辨率、数据采集方便等优点，且与计算机结合，很容易实现检测系统的自动化和数字化。
因此近年来利用CCD作为光电转换器件的尺寸自动检测系统、自动定位系统、图像扫描系统得到越来越广泛的应用。
下面简要介绍CCD光电检测系统的基本原理和光学系统特性。
CCD光电检测系统的原理框图，由光源发出的光经照明系统均匀照射被检测物体，被检测物体经物镜成像在CCD器件的靶面上（检测系统多采用线阵CCD），
CCD输出反映物体大小或位置的脉冲信号，此信号经放大和二值化处理后送入微机，再由微机进行数据采集与处理，最后由显示和打印系统输出检测结果。
光电检测系统原理框图
在CCD光电检测系统中,CCD传感器的参数选择与被检测物体的成像放大率和测量精度有关。
设成像系统的放大率为，根据几何光学成像理论，则有
式中y为被检测物体的大小，y'为其像的大小。
由于y'不能大于CCD的有效光敏元最大长度，因此有，N为CCD的像素元个数，为像素元的分辨率（像素大小），可得
,
设光电检测系统的测量精度为，CCD传感器上的测量精度为
要想保证CCD传感器上的精度为，至少应占有二个CCD像素元大小的量，即
,
例如我们选用2048线阵CCD作为光电检测系统的传感器，其有效像素为2048个，每个像素的大小为14，因此CCD器件的有效光敏元长度为
设成像系统的放大率为，
被检测物体的最大尺寸不能超过57.344mm。
该光电检测系统的测量精度为0.056mm。
光电检测系统的光学系统原理图，L3为成像物镜，被检测物体经L3以一准确的放大率成像在CCD光敏元件上。
为了保证系统的测量精度，成像系统应有严格的放大率要求，即成像系统除严格校正畸变像差外，还应设计成物方远心光路，其孔径光阑位于L3的像方焦面处。
此外，成像系统还应严格校正其它各种像差，使其在全视场内的成像分辨率达到CCD的分辨率要求。
光电检测系统的光学系统
光电检测系统的照明系统是提供给被检测物体一均匀的照明视场，因此该照明系统多采用柯拉照明形式。
L1为照明系统的聚光镜，为照明系统的场镜。
光源经L1成像在L2的物方焦面处，再经L2成像在无限远，与成像物镜L3的入射光瞳重合。
L1的透镜框为照明系统的孔径光阑，经L2成像在被检测物面处，与成像物镜L3的入射窗重合，满足柯拉照明的设计要求，使得被检测物体得到均匀的光照度。
表征照明系统传递光能量大小的拉赫不变量J1为
式中，n1为光源一侧的介质折射率，u1为聚光镜的孔径角，y1为光源灯丝的半高度。
表征成像物镜传递光能量大小的拉赫不变量j2为
式中，n2为被检测物方的介质折射率，u2为物镜L3的数值孔径角，y2为被检测物体的半高度。
为使照明系统均匀地照射物镜L3的整个视场，且使光线能充满物镜L3的数值孔径角，照明系统的拉赫不变量应大于成像系统的拉赫不变量，即有J1>J2
J1>J2是设计照明系统的必要条件，但并不充分，这是因为当照明系统所照射的被检测物体视场较物镜L3的视场大得很多时，即使J1>J2, 物镜也难以充满数值孔径角的光线成像。
因此在设计照明系统时，在保证J1>J2的条件下，还应兼顾被照明视场大小和物镜数值孔径角的匹配关系。