光电系统设计理论基础文稿演示
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民用、军用—光学计量与测量仪器 工业用—光刻设备、过程与质量检测仪器 医用—激光与光谱分析仪器 军用—大型光学、光电经纬仪 民用与信息领域—DVD、HMD、Projector
Scanner、相机、数码相机、摄像机……
大型光学工程
天文光学望远镜 空间光学—哈勃、NGST、HRIS 激光核聚变—NIF 光电对抗与靶场光测
一、现代光学和光学仪器的发展
20世纪—光学大发展的世纪，光子学 (Photonics)、光电子学（Photoelectronics）应运而
生，激光与光纤大大改变的人类生活面貌，也为
以几何光学为主的传统光学仪器注入无限活力。 以往光学仪器与精密机械密不可分，而现在以及 将来则与光电子学、电、算发生愈来愈密切的联
光电系统设计理论基础文稿演示
优选光电系统设计理论基础
介绍
在光学、光电子学基本知 识和相关知识的基础上，对现 代光学、光电子仪器以及工程 中的光学总体设计问题进行归 纳和分析，使其逐步走向科学 化和系统化。
教学目的与要求
在概括的高度上了解仪器光学中涉及的 多方面光学问题的内在联系。
学会解决这些问题的综合分析和处理方 法。
单位及符号
流明秒(lm.s)
掌握进行仪器中的光学总体设计的知识 和能力。
理论联系实践并重视经验积累。
参考文献
1、《仪器光学》，薛鸣球等。 2、《光学仪器通论》，王之江。 3、《光学设计理论基础》，王之江。 4、《成像光学》，王之江、伍树东。 5、《工程光学》，郁道银、谈恒英。 6、《光学信息论》，陶纯堪、陶纯匡。 7、《光学仪器设计学》，清华大学。 8、《光电子成像器件原理》，向世明、倪国强。 9、《Handbook of Optics》II
四、光度量制与光度学基本公式
光学系统传输辐射能的能力强弱，是除了光学特 性和成像质量以外的另一个重要性能指标。
辐射源特性
光谱特性
X-射线源、紫外光源、可见光源、红外辐射源 连续光谱源、带状光谱源
能量特性
以辐射功率（光通量） 、辐射（光）强度、面辐射度和辐
射（光）亮度
角度特性
I IO cos
系，甚至有些就集成为MOEM。
我国光学发展基本始于50年代，由王大珩 等老前辈创建的原长春光机所为我国光学仪器技 术发展做出了开创性贡献。
现代光学仪器与工程 现代光学仪器是光学、精密机械、光电子 学以及计算机科学和技术的综合体。
特点：应用广泛、技术密集
《光学技术手册》中光学仪器共分20多类。
从机理分：光传感、光通讯、光学信息处理 从用途分：
故对其中的光学技术提出更高要求：
新原理、新方案、新技术的应用
功能、指标和精度的新高度
与机、电、算更佳的匹配和一体化
发展到常规光学的极限，需要新技术、 新手段
光学人才的短缺 美国在大型、高精度领域领先 德国在中型高精度领域领先 日本在中小型、中精度领域领先 中国处于中等水平但发展很快
二、研究内容和方法
方案1：透镜式
光学系统通光效率 36.8% 光学MTF 0.063
方案2：棱镜式
光学系统通光效率 64.7% 光学MTF 0.81
性能评价、比较 作用距离 成像质量 人眼接收到的像方MTF MTF眼=MTF物 MTF光 MTF屏 =0.6 0.063 0.7=0.02
MTF眼有效 0.026 结论：应选择方案2
“军事上所用的以光子学为基础的技术包括：激 光制导武器、红外夜视和高分辨力的卫星图像 等” ——援引美国国防部新闻简报
光学仪器与工程的现状与发展 热门且发展迅速
光学自身发展的推动—激光、全息以 及光子学、衍射光学
交叉学科和技术的融合—光电子传感 器、图像处理、自适应控制技术
国家和社会的需求—国防、信息时代 （主要是在信息获取和显示应用）
光学仪器的质量指标
功能指标 可靠性指标 工艺学指标 人机学指标 美学指标 标准化（归一化）指标 经济性指标 专利权指标
光仪总体设计是分解上述指标、同时侧 重结构设计，而仪器光学主要研究上述 指标中所涉及的光学问题并解决它们。
光学仪器设计 光信息传递过程
评价光学总体性能标准与方法
点光源、朗伯辐射源、激光光源
名称 辐射 能
辐射 密度
辐射 通量 面辐 射度 辐射 照度 辐射 强度 辐射 亮度
辐射度量和光度量
表 定义、符号、单位和量纲对照表
辐射度量制 表达式
Qeห้องสมุดไป่ตู้ Qr()d
We
dQe dV
e
dQe dt
Re
de ds
Ee
de dS
Ie
d e d
Le
d 2e d s• d
单位及符号 名称
光度量制 表达式
焦耳(J) J/m3 瓦(W) W/m2 W/m2 W/sr
W/m2 .sr
光量
光密 度
光通 量 面发 光度 光照 度 发光 强度 光亮 度
Qp K()Qr()d
Wp
dQ p dV
p
dQp dt
Rp
d p ds
Ep
d p dS
Ip
d p d
Lp
d 2p ds• d
应用物理光学、几何光学等知识着重讨论仪器中 的光学总体问题
研究能量、信息传递过程的有关环节 研究光学总体性能（光度、成像以及噪声）评价
光学总体设计是光学仪器设计的先行和关键，确 定光学方案给出光学设计参数
“老瓶新酒”—探讨相关学科、技术提出的新问 题（短波、红外和毫米波成像）
掌握各类光学系统的水平和适用场合，又要从具 体光学设计中跳出来，从生产实际出发，站在整 体层面上具体问题具体分析。
光度特性—光能 成像特性—充分细节 噪音（对比）特性—稳定信号且有足够对
比
性能评价一般方法
前苏联提出 Cm1tg
f' 100
中国有人提出
（光信号强度） （分辨能力） （信噪比） （信息速率）
近期提出：计算光学信息量
FkJ22•M2MO 2
主要物理量— J、MTF、D、L、f'、
三、几个示例 战车潜望目视系统
(Devices,Measurements & Properties)
主要内容
第一章 绪论 第二章 拉格朗日不变量 第三章 光学传递函数 第四章 光学系统外形尺寸及像差计算 第五章 典型光学系统
第一章 绪论
一、现代光学和光学仪器的发展 二、仪器光学研究内容和方法 三、几个示例 四、光度量制与光度学基本公式
Scanner、相机、数码相机、摄像机……
大型光学工程
天文光学望远镜 空间光学—哈勃、NGST、HRIS 激光核聚变—NIF 光电对抗与靶场光测
一、现代光学和光学仪器的发展
20世纪—光学大发展的世纪，光子学 (Photonics)、光电子学（Photoelectronics）应运而
生，激光与光纤大大改变的人类生活面貌，也为
以几何光学为主的传统光学仪器注入无限活力。 以往光学仪器与精密机械密不可分，而现在以及 将来则与光电子学、电、算发生愈来愈密切的联
光电系统设计理论基础文稿演示
优选光电系统设计理论基础
介绍
在光学、光电子学基本知 识和相关知识的基础上，对现 代光学、光电子仪器以及工程 中的光学总体设计问题进行归 纳和分析，使其逐步走向科学 化和系统化。
教学目的与要求
在概括的高度上了解仪器光学中涉及的 多方面光学问题的内在联系。
学会解决这些问题的综合分析和处理方 法。
单位及符号
流明秒(lm.s)
掌握进行仪器中的光学总体设计的知识 和能力。
理论联系实践并重视经验积累。
参考文献
1、《仪器光学》，薛鸣球等。 2、《光学仪器通论》，王之江。 3、《光学设计理论基础》，王之江。 4、《成像光学》，王之江、伍树东。 5、《工程光学》，郁道银、谈恒英。 6、《光学信息论》，陶纯堪、陶纯匡。 7、《光学仪器设计学》，清华大学。 8、《光电子成像器件原理》，向世明、倪国强。 9、《Handbook of Optics》II
四、光度量制与光度学基本公式
光学系统传输辐射能的能力强弱，是除了光学特 性和成像质量以外的另一个重要性能指标。
辐射源特性
光谱特性
X-射线源、紫外光源、可见光源、红外辐射源 连续光谱源、带状光谱源
能量特性
以辐射功率（光通量） 、辐射（光）强度、面辐射度和辐
射（光）亮度
角度特性
I IO cos
系，甚至有些就集成为MOEM。
我国光学发展基本始于50年代，由王大珩 等老前辈创建的原长春光机所为我国光学仪器技 术发展做出了开创性贡献。
现代光学仪器与工程 现代光学仪器是光学、精密机械、光电子 学以及计算机科学和技术的综合体。
特点：应用广泛、技术密集
《光学技术手册》中光学仪器共分20多类。
从机理分：光传感、光通讯、光学信息处理 从用途分：
故对其中的光学技术提出更高要求：
新原理、新方案、新技术的应用
功能、指标和精度的新高度
与机、电、算更佳的匹配和一体化
发展到常规光学的极限，需要新技术、 新手段
光学人才的短缺 美国在大型、高精度领域领先 德国在中型高精度领域领先 日本在中小型、中精度领域领先 中国处于中等水平但发展很快
二、研究内容和方法
方案1：透镜式
光学系统通光效率 36.8% 光学MTF 0.063
方案2：棱镜式
光学系统通光效率 64.7% 光学MTF 0.81
性能评价、比较 作用距离 成像质量 人眼接收到的像方MTF MTF眼=MTF物 MTF光 MTF屏 =0.6 0.063 0.7=0.02
MTF眼有效 0.026 结论：应选择方案2
“军事上所用的以光子学为基础的技术包括：激 光制导武器、红外夜视和高分辨力的卫星图像 等” ——援引美国国防部新闻简报
光学仪器与工程的现状与发展 热门且发展迅速
光学自身发展的推动—激光、全息以 及光子学、衍射光学
交叉学科和技术的融合—光电子传感 器、图像处理、自适应控制技术
国家和社会的需求—国防、信息时代 （主要是在信息获取和显示应用）
光学仪器的质量指标
功能指标 可靠性指标 工艺学指标 人机学指标 美学指标 标准化（归一化）指标 经济性指标 专利权指标
光仪总体设计是分解上述指标、同时侧 重结构设计，而仪器光学主要研究上述 指标中所涉及的光学问题并解决它们。
光学仪器设计 光信息传递过程
评价光学总体性能标准与方法
点光源、朗伯辐射源、激光光源
名称 辐射 能
辐射 密度
辐射 通量 面辐 射度 辐射 照度 辐射 强度 辐射 亮度
辐射度量和光度量
表 定义、符号、单位和量纲对照表
辐射度量制 表达式
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单位及符号 名称
光度量制 表达式
焦耳(J) J/m3 瓦(W) W/m2 W/m2 W/sr
W/m2 .sr
光量
光密 度
光通 量 面发 光度 光照 度 发光 强度 光亮 度
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Wp
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d p dS
Ip
d p d
Lp
d 2p ds• d
应用物理光学、几何光学等知识着重讨论仪器中 的光学总体问题
研究能量、信息传递过程的有关环节 研究光学总体性能（光度、成像以及噪声）评价
光学总体设计是光学仪器设计的先行和关键，确 定光学方案给出光学设计参数
“老瓶新酒”—探讨相关学科、技术提出的新问 题（短波、红外和毫米波成像）
掌握各类光学系统的水平和适用场合，又要从具 体光学设计中跳出来，从生产实际出发，站在整 体层面上具体问题具体分析。
光度特性—光能 成像特性—充分细节 噪音（对比）特性—稳定信号且有足够对
比
性能评价一般方法
前苏联提出 Cm1tg
f' 100
中国有人提出
（光信号强度） （分辨能力） （信噪比） （信息速率）
近期提出：计算光学信息量
FkJ22•M2MO 2
主要物理量— J、MTF、D、L、f'、
三、几个示例 战车潜望目视系统
(Devices,Measurements & Properties)
主要内容
第一章 绪论 第二章 拉格朗日不变量 第三章 光学传递函数 第四章 光学系统外形尺寸及像差计算 第五章 典型光学系统
第一章 绪论
一、现代光学和光学仪器的发展 二、仪器光学研究内容和方法 三、几个示例 四、光度量制与光度学基本公式