光电光学系统

§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。