X第8章 Microsoft PowerPoint 演示文稿

第一节激光光学系统第二节傅里叶变换光学系统第三节扫描光学系统第四节阶跃型光纤光学系统

第五节梯度折射率光纤光学系统第六节光电光学系统第八章现代光学系统

随着激光技术、光纤技术和光电技术的不断发展，各种不同用途的新型光学系统相继出现，这些光学系统由于受光束的传输特性和成像机理的要求，与经典的光学系统相比，均有不同的差异。本章简要介绍几种新型的光学系统。1第一节激光光学系统

60年代激光的出现不仅为人们提供了一种崭新的光源,更重要的是它促使光学领域发生了巨大的变革,在经典光学的基础上形成了激光束光学、全息光学、傅立叶光学、集成光学等现代光学新学科。一、光束截面内的光强成高斯分布

激光束在均匀介质中的传播规律与普通光束不同。优点:亮度高、单色性好、方向性强应用:激光加工、激光精密测量与定位、光学信息处理全息术、模式识别、光计算、光通信等。本节主要介绍激光束的传播规律。2

激光光束截面内的光强分布是不均匀的。

r—光束截面半径

光束波面的振幅A呈高斯型函数分布

—高斯光束的名义截面半径

注意：激光束在均匀介质中的传播时都在变化，但在当振幅下降到中心振幅的1/e时的光束截面半径值。的物理意义：任意一个截面内振幅分布函数保持不变。3二、高斯光束的传播

1、轴向光场分布公式

2、高斯光束的截面半径

由光束截面半径所确定的连线是双曲线—束腰半径高斯光束：非线性4结论：高斯光束在均匀的透明介质中传播时，其光束截面半径与不成线性关系，而是一种非线性关系。3、高斯光束的波面曲率半径

讨论：高斯光束在束腰处，其波面为平面波。

①②束腰处—平面波面非束腰处—曲面5③高斯光束的波面又变成平面波。

高斯光束在传播过程中，光束波面的曲率半径由逐渐变小，达到最小后又开始变大，直至达到无限远时变成无穷大。结论：4、高斯光束的发散角普通氦氖激光器：6结论：由激光器发出的激光束，既不同于点光源所发出的球面波，又不同于平行光束的平面波，而是一种在传输过程中光束横向光场分布始终不变但曲率中心不断变化的球面波，所以激光束是一种具有特殊结构的高斯光束。

三、高斯光束的透镜变换1、球面波经透镜的变换

同心光束的传播：一个曲率半径参数，高斯光束的传播：两个参数（和）来表征。72、高斯光束的透镜变换注意：R1、R2并非利用外资的前后方高斯光速的束腰到利用外资L的距离。82、高斯光束的透镜变换求:已知:9

四、高斯光束的聚焦和准直

1、高斯光束的聚焦

2、高斯光束的准直束腰的横向放大率

高斯光束经单个透镜变换不能获得平行波

—用短焦距透镜10二次透镜变换激光准直：短焦距减小焦距大减小11第二节傅里叶（Fourier）变换光学系统

一、光学透镜的傅里叶变换特性

1、系统光学透镜:成像、传递信息、计算元件傅里叶变换镜头：为具有傅立叶变换能力而设计的镜头具备二维图象的傅立叶变换特性122、夫琅和费衍射

具有相同衍射角的光线经透镜变换后，聚焦于焦平面上的一点，而不同衍射角的光线经透镜变换后，聚焦于焦面上的不同点处，形成各级频谱。

13把像方焦面作为像面，则物面应位于物方无限远，孔径光阑应位于透镜L的前焦面上，构成像方远心光路。3、像方远心光路14把输入面作为物面，则其像面在像方无限远，其孔径光阑位置应位于透镜L的后焦面上，构成物方远心光路。4、物方远心光路

15二、傅里叶变换物镜的光学设计要求及结构型式1、光学设计要求

为了获得清晰的夫琅和费衍射图像和正确的傅里叶变换关系，傅里叶变换物镜应对光瞳位置校正球差和彗差，对物面位置校正球差、彗差、像散和场曲，像差公差应达到衍射极限，即波像差不大于。2、结构型式单光组结构型式

对称型

16第三节扫描光学系统

光束传播方向随时间变化而改变的光学系统

一、扫描方程式D：扫描系统的孔径大小N：扫描系统的扫描点数：扫描系统的最大扫描角：各种扫描系统的衍射分辨角：各种不同扫描孔径的形状因子17二、光学扫描系统1、物镜扫描物镜扫描：

只要运动物镜即可达到光束扫描的目的。原理：

一束平行光平行于物镜L的光轴入射，平行光束的中心距物镜光轴为，当物镜L严格校正像差后，平行光通过物镜L后一定聚焦于焦平面上的光轴处。

182、物镜后扫描3、物镜前扫描

扫描反射镜位于物镜之后优点：物镜口径相对较小

。缺点：扫描像面为一曲面。扫描反射镜置于物镜之前

优点：只要物镜严格地校正轴上点和轴外点像差，即可获得很好的扫描成像，且扫描成像面为一平面。19三、扫描物镜—物镜

1、物镜成像特性

属大视场小相对孔径的像方远心光学系统。轴上点光线在透镜上的入射高度低于轴外点光线在透镜上的入射高度较高，应校正轴外点像差。

202、扫描物镜的结构型式多采用多片分离式的负弯月形物镜引入成像关系的条件，并略去常数项，则有21第四节阶跃型光纤光学系统

一、阶跃型光纤的基本原理结构：内芯和外包皮由折射率不同的均匀透明介质构成全反射

光纤的数值孔径入射角大于临界角1、原理光密—光疏22

一束平行光或一束会聚光入射在光纤的端面时，其出射光已不再是一束平行光或会聚光。平行光束一锥面平行光束会聚光束一锥面发散光束。2、光纤光束的传光特性23圆锥型光纤弯曲状光纤

243、光纤的实际传光特性

射出光纤端面的光束应看成为充满光纤数值孔径角的发散光束。25二、阶跃型光纤束的传光、传像特性

1、传光束光纤端面的反射损失

内芯材料吸收

内芯与外包皮的界面反射损失

填充系数和数值孔径的影响

2、传像束

传输图像的分辨率

重要指标

①与组成传像束的单根光纤直径有关；②与光纤束的排列方式和排列紧密程度有关。26传像束正方形排列正六角形排列27三、阶跃型光纤光学系统传像束的输入图象传像束前置光学系统像方远心系统

28传像束后置光学系统

物方远心光学系统

光纤光学系统

29第五节梯度折射率光纤光学系统一、径向梯度折射率光纤

光纤的中心到边缘折射率呈梯度变化，因此光线在光纤内的传播轨迹呈曲线形式。径向、轴向、球形梯度三种分布

1、光线在多层介质中的折射折射光线的轨迹——折线

2、光线在梯度折射率介质中的折射折射光线的轨迹变成——曲线303、梯度折射率光纤中的光线传播若近轴子午光线的传播轨迹为正弦变化时，其折射率的变化近似为抛物线型分布，且近轴子午光线具有聚焦作用。径向梯度折射率光纤子午光线的数值孔径与和有关。

31二、自聚焦透镜的特性

3、梯度折射率光纤中的光线传播若近轴子午光线的传播轨迹为正弦变化时，其折射率的变化近似为抛物线型分布，且近轴子午光线具有聚焦作用。自聚焦透镜：

当自聚焦光纤用作成像时，称为自聚焦透镜。32

三、自聚焦透镜成像

自聚焦透镜的焦距：呈周期性变化

自聚焦透镜的等效光组周期长度A—折射率分布系数331、图解法求物像关系

2、解析法求物像关系——为光纤光轴处的折射率

34第六节光电光学系统一、红外夜视光学系统红外夜视观察仪器

35二、光电检测系统

CCD光电检测系统的原理框图

光电检测系统的光学系统原理图

CCD光电器件具有高灵敏度、高分辨率、数据采集方便等优点，与计算机结合，很容易实现检测系统的自动化和数字化。36

1．已知氦氖激光器输出的激光束束腰半径为0.5mm，波长为632.8nm