6 光学系统设计

1、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：由于信息加载于光波，故是一种由于信息加载于光波，故

2、是一种非接触非接触和破坏测和破坏测量，还可以进行量，还可以进行远距离远距离测量以及危险、恶劣环境中测量以及危险、恶劣环境中测量。测量。光波传播光波传播速度快速度快，可以进行实时测量和控制。，可以进行实时测量和控制。精度高精度高。具有很高的空间分辨率。具有很高的空间分辨率。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辐射能辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能

3、量。单位：焦耳Jn辐射通量辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦n辐射强度辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr（Sr=ds/r2：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辐射照度辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2n辐射出射度辐射出射度e ：辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2n辐射亮度辐射亮度e ：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：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-

4、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-2dvdQw/PwdtdQ /ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/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 发光强度发光强度Iv：光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。 单

5、位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。n 光通量光通量v：单位时间里通过某一面积的光能。单位：流明lm。n 光照度光照度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 光出射度光出射度Mv：光源上每单位面积向半个空间（2球面度）内发出的光通量.n 光亮度光亮度Lv：表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/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

6、及特征辐射度的基本物理量n光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为射度量下标为e，光度量下标为，光度量下标为v。n光度量只在可见光区（波长为光度量只在可见光区（波长为-nm)才有意才有意义。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 热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单热辐射能量取决于物体的温度，绝对黑体的单色辐射出射度色辐射出射度M(T)与热力学温度与热力学温度T的关系遵循普朗的关系遵循普朗克黑体辐射定律：克黑体辐射定

7、律：式中：式中：C1=2c2hC2=hc/kh普朗克常数普朗克常数k波尔兹曼常数波尔兹曼常数2151( )1CTCMTe6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征维恩位移定律根据黑体的根据黑体的单色辐射出射度单色辐射出射度与与温度温度、波长波长的关系可以看出：的关系可以看出：n相同温度时，不同波长光波的单色辐射出射度不相同，在相同温度时，不同波长光波的单色辐射出射度不相同，在某个波长处存在极值某个波长处存在极值m。n温度温度T越高，极值越高，极值m越小。越小。m以为以为m单位单位T以以K为单位为单位2897.8mT6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征瑞利-金斯定律2151( )1CT

8、CMTe14422( )CTckTMTCTC26.2 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 一个黑体辐射出射度一个黑体辐射出射度M(T)与黑体本身的热力学与黑体本身的热力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)称为斯忒潘常数。称为斯忒潘常数。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 在特定温度下，某个波长在特定温度下，某个波长对应的辐射出射度与对应的辐射出射度与m对应对应的辐射出射度的比值与温度无关：的辐射出射度的比值与温度无关：6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特

9、征非黑体源的辐射非黑体源的辐射 对于实际的光源，其辐射出射度小于黑体的辐射出射对于实际的光源，其辐射出射度小于黑体的辐射出射度，它们的比值称为发射率：度，它们的比值称为发射率：6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征色温色温 实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见实际的发光体不是黑体，如果光源辐射在可见区和区和Tc温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此时温度时的绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的温度黑体的温度Tc就称此光源的色温。就称此光源的色温。 通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱叠加所组成。但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门用来量度和计算光线的颜色成分的方法。 例如：

10、标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为5600K；电子闪光灯为6000K；蓝天为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 当计算某一波段上的辐射出射度时，可以通过查表的方当计算某一波段上的辐射出射度时，可以通过查表的方式进行计算：式进行计算：210( ) (, )(, )( )MTfTfTMT d2(, )fT可以通过查表的方式得到可以通过查表的方式得到0( )MT d可由斯忒藩可由斯忒藩-玻尔兹曼定律计算玻尔兹曼定律计算 具有光谱选择性的光辐

11、射源是指其光谱出射度具有光谱选择性的光辐射源是指其光谱出射度和黑体曲线不相匹配的光源。一般说来，它们具有和黑体曲线不相匹配的光源。一般说来，它们具有较窄的波长。较窄的波长。 6.2 6.2 光辐射源及特征光辐射源及特征光谱选择发射光谱选择发射(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长度是能够发生干涉的最大相干长度是能够发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

12、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天然辐射源天然辐射源1. 大气中的传输特性 辐射通过大气时，气体分子、水汽、固体粒子及水滴的辐射通过大气时，气体分子、水汽、固体粒子及水滴的吸收与散射使辐射通量衰减。散射而引起的衰减与辐射波吸收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，而吸收引起的衰减则具有选择性。长的关系是平滑的，而吸收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.

13、 亮度定理亮度亮度是人对光的强度的感受。它是一个主观的量。亮度的单是人对光的强度的感受。它是一个主观的量。亮度的单位是坎德拉位是坎德拉/平方米（平方米（cd/m2） 122212LLnn意义：当光束穿过没有损失的光学系统时其意义：当光束穿过没有损失的光学系统时其基本亮基本亮度度保持不变。保持不变。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

14、、出瞳、视场光阑、入窗、出窗。入瞳、出瞳、视场光阑、入窗、出窗。对于由两对于由两个以上基本光学系统组成的复杂光学系统，前组个以上基本光学系统组成的复杂光学系统，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.发光面的形状、尺寸及

15、灯泡的结构发光面的形状、尺寸及灯泡的结构4.4.其他因素：光源的供电系统复杂与否、是否需要人其他因素：光源的供电系统复杂与否、是否需要人工冷却、使用寿命、更换方便程度以及价格等因素。工冷却、使用寿命、更换方便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：眼球不动时视场：眼球不动时5；n眼球转动角：水平面内由光轴往耳方向至眼球转动角：水平面内由光轴往耳方向至95；水平面；水平面内由光轴

16、往鼻方向至内由光轴往鼻方向至65；垂直面内向上；垂直面内向上60；垂直面内；垂直面内向下向下72。n眼瞳直径：在目视仪器中仪器的出瞳应与眼瞳相适应，眼瞳直径：在目视仪器中仪器的出瞳应与眼瞳相适应，它与视场亮度有关。它与视场亮度有关。n眼瞳位置：在角膜内，至角膜顶点越眼瞳位置：在角膜内，至角膜顶点越4mm，至眼睫毛约，至眼睫毛约8mm。2.2.眼睛的屈光度调节眼睛的屈光度调节 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，即屈光度调节范围为即屈光度调节范围为4 SD4 SD（屈光度）。但随着年龄增（屈光度）。但随着年龄增长，调节能力减小。长，调节能

17、力减小。3.3.眼睛的衬度分辨阈值眼睛的衬度分辨阈值4. 眼睛的空间分辨率眼睛的空间分辨率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准就是使标瞄准就是使标志物与被测物体相重志物与被测物体相重合，可以用人眼与光合，可以用人眼与光电系统来实现。电系统来实现。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