第8章光电系统作用距离工程计算

1、光电系统设计光电系统设计-第八章第八章 光电系统作用距离光电系统作用距离工程计算工程计算 2光学系统设计光学系统设计 利用光学原理进行各利用光学原理进行各种搜索、探测、观察、识种搜索、探测、观察、识别、测量和分析记录等工别、测量和分析记录等工作的仪器称为光学仪器或作的仪器称为光学仪器或光电仪器。光电仪器。 3光学系统设计光学系统设计 光学光学/光电仪光电仪器的发展涉及器的发展涉及光学、精密机光学、精密机械、电子技术、械、电子技术、计算机的综合计算机的综合发展。发展。 光学系统设光学系统设计优劣决定着计优劣决定着光学系统性能光学系统性能和质量水平。和质量水平。 4本章内容本章内容2.1、光学仪器

2、及其发展、光学仪器及其发展2.2、光学设计及其发展、光学设计及其发展2.3、应掌握的光学设计基础、应掌握的光学设计基础2.4、光线追迹及像差校正常用方法、光线追迹及像差校正常用方法2.5、光学设计的大致类型及各类镜头的设计、光学设计的大致类型及各类镜头的设计差别差别2.6、设计举例、设计举例 5第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 光学仪器是人类认识与改造自然的工具。光学仪器是人类认识与改造自然的工具。X-射线粉末（多晶）衍射仪射线粉末（多晶）衍射仪 探索物质结构内部的奥秘并对物质进行微量、探索物质结构内部的奥秘并对物质进行微量、超微量分析而发明了光谱仪器。超微量分析而发明了光谱仪器

3、。 6第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展X-射线粉末（多晶）衍射射线粉末（多晶）衍射 X-射线粉末（多晶）衍射用来测量晶体物射线粉末（多晶）衍射用来测量晶体物质的晶胞参数，可测得晶系，无法知道组成晶体质的晶胞参数，可测得晶系，无法知道组成晶体元素参数和空间群。元素参数和空间群。 7第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展X-射线单晶衍射仪射线单晶衍射仪 8第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展X-射线单晶衍射射线单晶衍射 X-射线单晶衍射测得晶系、空间群、原子射线单晶衍射测得晶系、空间群、原子之间键长、键角等。之间键长、键角等。 9第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪

4、器及其发展原子吸收光谱仪原子吸收光谱仪 原子吸收光谱仪从光源辐射出具有待测原子吸收光谱仪从光源辐射出具有待测元素元素特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气特征谱线的光，通过试样蒸气时被蒸气中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱中待测元素基态原子所吸收，由辐射特征谱线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的线光被减弱的程度来测定试样中待测元素的含量。可测到含量。可测到10-9g/mL数量级。数量级。 10第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展原子吸收光谱原子吸收光谱 因因原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便等特点，现已广泛用于冶金、地质、采矿、等特点，现已广泛用于冶金

5、、地质、采矿、石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环境监测等方面的常量及微境监测等方面的常量及微痕量元素痕量元素分析。分析。 11第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展红外光谱仪红外光谱仪 红外光谱可以研究分子的结构和化学键，红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。推测分子的立体构型。 12第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展红外光谱红外光谱 红外光谱仪红外光谱仪应用于染织

6、工业、环境科学、应用于染织工业、环境科学、生物学、材料科学、高分子化学、催化、煤生物学、材料科学、高分子化学、催化、煤结构研究、石油工业、生物医学、结构研究、石油工业、生物医学、生物化学生物化学、药学、无机和配位化学基础研究、半导体材药学、无机和配位化学基础研究、半导体材料、日用化工等研究领域。料、日用化工等研究领域。 13第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展显微镜下的雪花显微镜下的雪花 为生物学和医学的需要发明了显微镜与各种人为生物学和医学的需要发明了显微镜与各种人体窥镜。体窥镜。 14第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展内窥镜内窥镜喉镜喉镜 15第一节第一节 光学仪器及

7、其发展光学仪器及其发展 为观察远距离的目的和军事需要发明了各种望为观察远距离的目的和军事需要发明了各种望远镜、瞄准镜。远镜、瞄准镜。潜望镜潜望镜瞄准镜瞄准镜 16第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展高速摄影高速摄影 为满足人们日常生活需要发明了各种静态和高为满足人们日常生活需要发明了各种静态和高速照相设备。速照相设备。 17第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展哈勃天文望远镜哈勃天文望远镜 为研究天体运动规律和探索宇宙奥秘而发展天为研究天体运动规律和探索宇宙奥秘而发展天文光学仪器。文光学仪器。距地球两千八百万光年的宽边帽星系距地球两千八百万光年的宽边帽星系 181、光学理论的

8、发展、光学理论的发展古典光学古典光学几何光学几何光学应用光学应用光学近代光学近代光学物理光学物理光学薄膜光学薄膜光学傅里叶光学傅里叶光学量子光学量子光学纤维光学纤维光学自适应光学自适应光学激光激光二元光学二元光学第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 19第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 自适应光学自适应光学太阳表面原始图像太阳表面原始图像太阳表面自适应校正图像太阳表面自适应校正图像 20 自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的自适应光学是补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的最有前景的技术；成像过程中波前畸变的最有前景的技术； 遥远的星系达到地球表面的望

9、远镜时，因为受大遥远的星系达到地球表面的望远镜时，因为受大气扰动和湍流的影响，图像质量大大降低，这也气扰动和湍流的影响，图像质量大大降低，这也是为何科学家要将哈勃望远镜送到地球高空轨道是为何科学家要将哈勃望远镜送到地球高空轨道的原因；的原因； 通过复杂的算法，如果在地面上能通过光学方法通过复杂的算法，如果在地面上能通过光学方法消除大气的影响，则在地面上就相当于在地球高消除大气的影响，则在地面上就相当于在地球高空轨道上，成本可以大大降低，地面上也可以建空轨道上，成本可以大大降低，地面上也可以建造巨大的望远镜系统；造巨大的望远镜系统； 自适应光学就是为达到上述目的而发展起来的。自适应光学就是为达到

10、上述目的而发展起来的。第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 21自自适适应应技技术术校校正正天天王王星星第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 22第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 傅里叶光学傅里叶光学傅里叶光学傅里叶光学 傅里叶光学运用频谱傅里叶光学运用频谱分析方法对广泛的光学现象分析方法对广泛的光学现象作了新的诠释。其主要内容作了新的诠释。其主要内容包括标量衍射理论、透镜成包括标量衍射理论、透镜成像规律以及用频谱分析方法像规律以及用频谱分析方法分析光学系统性质等；其应分析光学系统性质等；其应用领域包括空间滤波、光学用领域包括空间滤波、光学信息处理、光学系统质

11、量的信息处理、光学系统质量的评估、全息术以及傅里叶光评估、全息术以及傅里叶光谱学的研究等。谱学的研究等。 232、新设计的发展、新设计的发展第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 光学设计：计算机辅助设计光学设计：计算机辅助设计 机构设计：光机一体化，光机电一体化机构设计：光机一体化，光机电一体化 性能、成本的平衡性能、成本的平衡 243、新材料、新工艺、新器件的发展、新材料、新工艺、新器件的发展第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 新材料：提高仪器的精度和稳定性新材料：提高仪器的精度和稳定性 新工艺：多层镀膜、高速精磨、精加工，提高元新工艺：多层镀膜、高速精磨、精加工，提高

12、元件质量，降低成本件质量，降低成本 新器件：基于电子科学发展的光电器件新器件：基于电子科学发展的光电器件 254、电子技术的发展、电子技术的发展第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机ENIAC于于1946年在美国研制年在美国研制成功，成功，ENIAC问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了下列四代。发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了下列四代。第一代（第一代（19461957年）是电子计算机，它的基本电子元件年）是电子计算机，它的基本电子元件是电子管。是

13、电子管。 第二代（第二代（19581970年）是晶体管计算机。年）是晶体管计算机。1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后晶体管取年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。第三代代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。第三代（19631970年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，展，1958年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成电路。电路。 第四代（第四代（1971年年目前）是大规模集成电路计算机。目前）是大规模集成电路计算机。随着集成了上千甚至

14、上万个电子元件的大规模集成电路和超随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了第四代。 265、光学仪器的类别、光学仪器的类别第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 光学计量仪器：测试、标定、传递光学计量仪器：测试、标定、传递 物理光学仪器：发射光谱仪器，吸收光谱仪器，偏振、干物理光学仪器：发射光谱仪器，吸收光谱仪器，偏振、干涉和衍射测量仪器涉和衍射测量仪器 显微镜：读数显微镜，生物显微镜，高温金相显微镜等显微镜：读数显微镜，生物显微镜，高温金相显微镜等 测绘仪器：大地测量仪器，摄影测量

15、仪器测绘仪器：大地测量仪器，摄影测量仪器 光学测试仪器：测量光学器件光学测试仪器：测量光学器件 天文光学仪器天文光学仪器 军用光学军用光学/光电仪器光电仪器 医用光学仪器医用光学仪器 照相机照相机 电影机械电影机械 275、光学仪器发展简史及其发展趋势、光学仪器发展简史及其发展趋势第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 第二次世界大战前：望远镜，显微镜，像差，衍第二次世界大战前：望远镜，显微镜，像差，衍射成像射成像 第二次世界大战至第二次世界大战至20世纪世纪50年代：军转民年代：军转民 20世纪世纪60年代以来：计算机，激光，光纤年代以来：计算机，激光，光纤 28发展趋势：发展趋势：

16、第一节第一节 光学仪器及其发展光学仪器及其发展 数字化和自动化数字化和自动化 激光技术激光技术 全息术全息术 纤维光学纤维光学 计算机计算机 29第二节第二节 光学设计及其发展光学设计及其发展1、光学设计概述、光学设计概述 30 基于光电技术的应用系统就更多了，主基于光电技术的应用系统就更多了，主要应用在工业生产、军事、医疗等领域：要应用在工业生产、军事、医疗等领域： 医用医用CT 安防视频监控安防视频监控 数码摄像机数码摄像机/照相机照相机 扫描仪扫描仪 军事目标识别与探测军事目标识别与探测 三维成像三维成像 遥感遥感 等等等等第三节第三节 应掌握的光学设计基础应掌握的光学设计基础 31第四

17、节第四节 光线追迹及像差校正常用方法光线追迹及像差校正常用方法光电系统的性能与光电探测器的发展密切相关。光电系统的性能与光电探测器的发展密切相关。 光电系统的发展离不开各种类型的光学系统。光电系统的发展离不开各种类型的光学系统。 信息光电系统从信息论的观点看，实质是一个信息光电系统从信息论的观点看，实质是一个信息接收系统，信息论的各种信息处理方法、信息接收系统，信息论的各种信息处理方法、现代控制理论和方法都是光电系统的基础。现代控制理论和方法都是光电系统的基础。 新型集成电路和微机技术的发展使光电系统的新型集成电路和微机技术的发展使光电系统的自动化、智能化程度迅速提高。自动化、智能化程度迅速提

18、高。人造光源的发展，特别是各种新型激光器的出人造光源的发展，特别是各种新型激光器的出现，为光电系统提供了携带信息的优质媒体。现，为光电系统提供了携带信息的优质媒体。光电系统的发展还与组成系统各部件的技术现光电系统的发展还与组成系统各部件的技术现状有关，譬如伺服机构、制冷器、新材料、天状有关，譬如伺服机构、制冷器、新材料、天线、射频等。线、射频等。 32第五节第五节 光学设计的大致类型及各类镜头的设计差别光学设计的大致类型及各类镜头的设计差别 基础支撑薄弱基础支撑薄弱 和无线电技术相比，在材料、器件、工和无线电技术相比，在材料、器件、工艺等方面有较大差距。艺等方面有较大差距。 目前在多数光电系统中，光学系统的比目前在多数光电系统中，光学系统的比重较少，譬如摄像机、照相机、光纤通信、重较少，譬如摄像机、照相机、光纤通信、红外制导、遥感等领域，只是扮演一个前红外制导、遥感等领域，只是扮演一个前端光信号的采集作用，