第6章 光学系统设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量V与产生该光通量所
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。
注：应用中宜采用发光效率高的光源以节省能源。
2．光谱功率谱分布
光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长 有关，称为光谱的功 率分布。常见的有四种典型的分布，如图6-6所示。
第一节 光学系统 的组成与特点
❖光学系统本质上是一种传递信息的工具，其 目标就是观察的标本或欲测试的零件。如果 目标不是自放光体，则必须进行人工照明。 ❖按照功能，主要分成3类： ❖1、照相系统 ❖2、显微系统 ❖3、望远系统
作用：利用显微系统、照相系统、望远系统及调制器、滤波 器将来自被测对象的光变成光电传感器能接收的光
光电探测器的选择原则
❖ 探测器输出电信号大小与测量光信号大小的关系； ❖ 探测器的光谱响应范围与测量光信号的光谱范围是否一致； ❖ 探测器能探测的最小信号功率； ❖ 探测调制信号或脉冲光信号时，响应时间是否一致。
第三节 光源及照明系统
光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光电测量 往往起着关键的作用。本节将对光源的特性、光源的种类、照明光学系 统及光源选用等问题加以介绍。
人眼的屈光度误差及其校正
❖正常人眼完全放松时，眼睛的远点在无限 远，则称其为正常眼，反之，称为非正常 眼。非正常眼主要有以下三种类型： ❖ 近视眼：远点距为负值，有限远 ❖ 远视眼：远点距为正值，有限远 ❖ 散光眼： 两个垂直子午面的远点距不同
近视眼
-r
远视眼：
r
真空光电器件
光电探测器
固体光电器件
第六章 光学系统设计
❖ 第一节 光学系统的组成与特点 ❖ 第二节 人眼和光电探测器 ❖ 第三节 光源及照明系统 ❖ 第四节 放大镜 ❖ 第五节 显微系统 ❖ 第六节 望远系统 ❖ 第七节 投影系统和照相系统 ❖ 第八节 光电系统 参数 ❖ 第九节 相干变换与检测系统设计 ❖ 第十节 光电系统设计举例—激光干涉仪的设计
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
图6-6 典型光源功率谱分布
a )线状光谱 b )带状光谱 c )连续光谱 d )复合光谱
a如低压汞灯光谱；b如高压汞灯光谱；c 如白炽灯、卤素灯光谱；d如荧 光灯光谱。 注： 在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵 敏波长相一致；目视测量，可选用可见光谱辐射比较丰富的光源；目视瞄 准，宜选用绿光光源；彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯作光源。紫外和红 外测量，宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。
人眼的结构
巩膜
脉络膜 网膜
角膜
虹彩 前室
视轴
水晶体 后室
黄斑 盲点
简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型，ຫໍສະໝຸດ Baidu简约眼
折射面的曲率半径 像方介质的折射率 网膜的曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度
5.56mm 1.333 9.7 mm -16.70mm 22.26 mm 59.88D
屈光度D=1/f， f表示焦距。一般以焦距1米的透镜屈光度为1 D(即1焦度)。
由于人眼的局限性（频率高于24Hz，波长 在0.4-0.79μm之外，有害环境均无法工作 ），发展了各种光电器件，大大扩展了人 眼的感受范围。
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管 光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光电耦合器 光中断器 位置传感器PSD 自扫描光电二极管阵列SSPD 电荷耦合器件CCD 互补型金属氧化物半导体晶体管CMOS
第二节 人眼和光电探测器
❖人眼是一个完整的成像光学系统，同时又是 目视光学系统的接收器，可以看成是整个光 学系统的一个组成部分。 ❖一、人眼结构 ❖二、人眼的调节和适应 ❖三、人眼的分辨率和瞄准精度 ❖四、人眼的屈光度误差及其校正
人眼的结构
❖ 人眼的生理结构 ❖ 人眼的光学结构－简约眼 ❖ 人眼相当于照相机
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
远点：眼睛能看清的最远点称为远点，用r表示
近点：眼睛能看清的最近点称为近点，用p表示
调节范围：调节范围A表示为远点距和近点距的
倒数之差
A 1 1 R p rp
A、R、P的单位是屈光度（D），1D 1m1 。
眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围
年 龄 10 20 30 40 50 60 70 80
人眼的分辨力
❖ 明视距离：人眼在近距离工作时的通常 距离 250 mm.
❖ 分辨力：眼睛能分辩两个很靠近的点的 能力称为眼睛的分辨率。D为瞳孔直径。
ψ 1.22λ D
❖ 最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼 睛的张角称为眼睛的最小分辩角：60秒
❖ 最小分辨距离：在明视距离处（250mm） 最小分辨角对应的线量：0.0725mm。
3．空间光强分布特征
由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同 的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线， 就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线，如图6-7所示 为HG500型发光二极管的配光曲线。
简约眼模型
R =5.56
n=1.0
n=1.33
R =9.7
人眼与照相机
眼睛如同一只自动变焦和自动 改变光圈大小的照相机。从光学角 度看，眼睛中三个最重要的部分是 水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对 应与照相机中的镜头、光阑和底片。
人眼的调节
调节：眼睛通过睫状肌作用改变光焦度的大小
以看清不同距离物体的过程称为调节。
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量V与产生该光通量所
需要的功率P 之比，称为该光源的发光效率，表示为:
V
2 d
1
P
P
（6－8）
式中，1 ~ 2 为该光电测量系统的光谱范围。
注：应用中宜采用发光效率高的光源以节省能源。
2．光谱功率谱分布
光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长 有关，称为光谱的功 率分布。常见的有四种典型的分布，如图6-6所示。
第一节 光学系统 的组成与特点
❖光学系统本质上是一种传递信息的工具，其 目标就是观察的标本或欲测试的零件。如果 目标不是自放光体，则必须进行人工照明。 ❖按照功能，主要分成3类： ❖1、照相系统 ❖2、显微系统 ❖3、望远系统
作用：利用显微系统、照相系统、望远系统及调制器、滤波 器将来自被测对象的光变成光电传感器能接收的光
光电探测器的选择原则
❖ 探测器输出电信号大小与测量光信号大小的关系； ❖ 探测器的光谱响应范围与测量光信号的光谱范围是否一致； ❖ 探测器能探测的最小信号功率； ❖ 探测调制信号或脉冲光信号时，响应时间是否一致。
第三节 光源及照明系统
光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光电测量 往往起着关键的作用。本节将对光源的特性、光源的种类、照明光学系 统及光源选用等问题加以介绍。
人眼的屈光度误差及其校正
❖正常人眼完全放松时，眼睛的远点在无限 远，则称其为正常眼，反之，称为非正常 眼。非正常眼主要有以下三种类型： ❖ 近视眼：远点距为负值，有限远 ❖ 远视眼：远点距为正值，有限远 ❖ 散光眼： 两个垂直子午面的远点距不同
近视眼
-r
远视眼：
r
真空光电器件
光电探测器
固体光电器件
第六章 光学系统设计
❖ 第一节 光学系统的组成与特点 ❖ 第二节 人眼和光电探测器 ❖ 第三节 光源及照明系统 ❖ 第四节 放大镜 ❖ 第五节 显微系统 ❖ 第六节 望远系统 ❖ 第七节 投影系统和照相系统 ❖ 第八节 光电系统 参数 ❖ 第九节 相干变换与检测系统设计 ❖ 第十节 光电系统设计举例—激光干涉仪的设计
近点距 (cm)
-7 -10 -14 -22 -40 -200 100 40
远点距 （cm)
200 80 40
A=R-P (屈光度)
14
10
7
4.5 2.5 1
0.2 5
0
人眼的适应
眼睛能适应不同亮暗环境的能力称为适应。
适应可分为明适应和暗适应。前者发生在 由暗处到亮处时，适应时间大约几分钟； 后者发生在由亮处到暗处时，适应时间大 约30-60分钟。
图6-6 典型光源功率谱分布
a )线状光谱 b )带状光谱 c )连续光谱 d )复合光谱
a如低压汞灯光谱；b如高压汞灯光谱；c 如白炽灯、卤素灯光谱；d如荧 光灯光谱。 注： 在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵 敏波长相一致；目视测量，可选用可见光谱辐射比较丰富的光源；目视瞄 准，宜选用绿光光源；彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯作光源。紫外和红 外测量，宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。
人眼的结构
巩膜
脉络膜 网膜
角膜
虹彩 前室
视轴
水晶体 后室
黄斑 盲点
简约眼
眼睛简化成一个折射球面的模型，ຫໍສະໝຸດ Baidu简约眼
折射面的曲率半径 像方介质的折射率 网膜的曲率半径 物方焦距 像方焦距 光焦度
5.56mm 1.333 9.7 mm -16.70mm 22.26 mm 59.88D
屈光度D=1/f， f表示焦距。一般以焦距1米的透镜屈光度为1 D(即1焦度)。
由于人眼的局限性（频率高于24Hz，波长 在0.4-0.79μm之外，有害环境均无法工作 ），发展了各种光电器件，大大扩展了人 眼的感受范围。
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管 光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光电耦合器 光中断器 位置传感器PSD 自扫描光电二极管阵列SSPD 电荷耦合器件CCD 互补型金属氧化物半导体晶体管CMOS
第二节 人眼和光电探测器
❖人眼是一个完整的成像光学系统，同时又是 目视光学系统的接收器，可以看成是整个光 学系统的一个组成部分。 ❖一、人眼结构 ❖二、人眼的调节和适应 ❖三、人眼的分辨率和瞄准精度 ❖四、人眼的屈光度误差及其校正
人眼的结构
❖ 人眼的生理结构 ❖ 人眼的光学结构－简约眼 ❖ 人眼相当于照相机
被测 对象
光学系统 光学系统
光电探测器 光源
调理电路
作用：将光束变成平行光束、发散光束、 会聚光束或其他形式结构的光束
控制电路
计算机 显示与控制
现代光学仪器构成框图
❖光学系统的特点： ❖1、信息加载于光波，非接触、不破坏 ❖2、光波传播速度快，可实时测量控制 ❖3、波长短，测量精度高 ❖4、具有很高的空间分辨率 ❖5、可进行图像处理
远点：眼睛能看清的最远点称为远点，用r表示
近点：眼睛能看清的最近点称为近点，用p表示
调节范围：调节范围A表示为远点距和近点距的
倒数之差
A 1 1 R p rp
A、R、P的单位是屈光度（D），1D 1m1 。
眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围
年 龄 10 20 30 40 50 60 70 80
人眼的分辨力
❖ 明视距离：人眼在近距离工作时的通常 距离 250 mm.
❖ 分辨力：眼睛能分辩两个很靠近的点的 能力称为眼睛的分辨率。D为瞳孔直径。
ψ 1.22λ D
❖ 最小分辨角：能够分辩的最近两点对眼 睛的张角称为眼睛的最小分辩角：60秒
❖ 最小分辨距离：在明视距离处（250mm） 最小分辨角对应的线量：0.0725mm。
3．空间光强分布特征
由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同 的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线， 就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线，如图6-7所示 为HG500型发光二极管的配光曲线。
简约眼模型
R =5.56
n=1.0
n=1.33
R =9.7
人眼与照相机
眼睛如同一只自动变焦和自动 改变光圈大小的照相机。从光学角 度看，眼睛中三个最重要的部分是 水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对 应与照相机中的镜头、光阑和底片。
人眼的调节
调节：眼睛通过睫状肌作用改变光焦度的大小
以看清不同距离物体的过程称为调节。