光电系统设计理论基础

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。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、《HandbookofOptics》II(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：

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“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）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主要物理量—J、MTF、D、L、f'、

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：计算光学信息量三、几个示例战车潜望目视系统方案1：透镜式光学系统通光效率36.8%光学MTF0.063方案2：棱镜式光学系统通光效率64.7%光学MTF0.81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

点光源、朗伯辐射源、激光光源

辐射度量和光度量表定义、符号、单位和量纲对照表其中发光强度是SI的七个基本单位之一，最新定义为坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为5401012赫兹单色辐射（对应波长在标准空气中为555.016nm)，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦每球面度。光度学基础及其基本公式研究可见光/电磁波辐射的测试、计量和计算的学科称为光度学/辐射度学。基本量辐射通量（功率）、辐射强度、辐（射）出射度和辐射照度、辐射亮度光通量（功率）、发光强度、光出射度和光照度、光亮度

有时辐（射）出射度也叫面辐射度 光出射度也叫面发光度人眼视见函数视觉敏感波段—可见光（400~760nm）为了表示人眼对不同波长辐射敏感差别，定义函数V(

)，称为视见函数（光谱光视效率）。

V(555)=1V(600)=0.631V(500)=0.323光出射度和光照度光亮度

第二章拉氏不变量一、

Lagramge-Helmholz不变量二、几何光学基本定律三、像差理论四、拉氏不变量与光学信息量

一、Lagramge-Helmholz不变量

n--折射率，u--孔径角，y--物高（u、y为近轴量）表示在同轴光学系统的近轴区存在一个对整个系统的不变量。J是由几何光学引出的：u--孔径角，y--物高（u、y为近轴量）得到使近轴点成像理想的正弦条件：将近轴条件推广到整个空间，就得到理想光学系统的物像空间不变式：

二、几何光学基本定律

㈠光的直线传播定律在各向同性的均匀介质中，光沿直线方向传播。㈡光的独立传播定律不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。㈢光的折射定律和反射定律费马原理（Fermat）（极值原理）光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次折射或反射，其光程为极值。马吕斯定律（Malus）（等光程定律）

光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，且入射波面与出射波面对应点之间均为定值。折、反射定律、费马原理和马吕斯定律，三者中任意一个可视为几何光学三个基本定律之一，而另两个则为其推论。三、像差理论1)球差;2)彗差;3)像散;4)场曲;5)畸变;6)轴向色差;7)垂轴色差;子午面和弧矢面的定义1、球差平行光线入射,在轴上交点不都相同,和近轴像面之间的差别为球差;球差校正曲线图2、彗差子午面上孔径和下孔径交点和主光线之间的距离为子午彗差;同理为弧矢彗差;3、场曲4、像散5、畸变A)理想B)正畸变C)负畸变6、轴向色差1/f’=(n-1)(1/r1-1/r2),不同颜色光焦距不同;红光的像面最长，紫光的像面最短；7、垂轴色差y=f*tan(w);不同波长,折射率不同,焦距不同,所以像高不同,差别就是垂轴色差;像差公式四、拉氏不变量与光学信息量光学信息量一般是多维的，此处侧重于“空间信息量”（另外包括“时间信息量”）空间信息量的度量:一般，用在像面能分辨多少个点来定义

对于数码相机，最高有400万pixels对135胶片：36mm×24mm

国标要求：50lp/mm（轴上），取平均值40lp/mm（轴上、轴外）即，每毫米100个、80个点可分辨第三章、光学传递函数

一、评价方法二、典型成像系统的特征频率法光学传递函数是点/线扩展函数的傅立叶变换1)自相关法；2)快速傅立叶变换法；3)点列图方法。

20世纪40年代，把傅立叶分析方法应用于到光学中，并使用了电子计算机。1961年，国际光学会议统一称为光学传递函数（optcaltransferfunction）

1939年，--检验照相物镜发现“伪超分辨率”现象。

1946年，P.M.Duffieux已将Fourier变换用于光学。认为“非相干光学系统可看作一个低通线性滤波器”。

发展历史1948年，C.E.Shamnon建立信息量量度概念和方法。

1953年，O.H.Schade研究电视过程的成像。其它评价要求⑴几何像差⑵波像差

⑶分辨率

其中⑴⑵主要用于光学设计阶段，⑶用于生产过程中检验（主观性大），像差与实际质量没有简单的数量关系。二、典型成像系统的特征频率法

1、显微系统（要求：可分辨、不求层次、照明好、对比高）若要求分辨2μ细节，特征频率取：由人眼观察，确定MTF值：人眼MTF=0.026；在0.5～1,则2、电视摄像物镜

电视系统（摄像管）特征频率12lp/mm；1/3″CCDNyquist频率77lp/mm像素：752（H）×582（V）尺寸：4.8（H）×3.6（V）mm2分辨率：470电视行（垂直）M电--包括从摄像管（CCD）到荧光屏显示的全过程，一般取0.6左右。M物--要求分辨物体亮度差20%，即3、电影摄影物镜

质量要求中的清晰度，是对细节的分辨能力。即通常讲的目标细节的成像虚实程度，是决定特征频率的主要因素。摄影要求的层次是决定调制度值的主要因素。=50lp/mm处（验收镜头一般以此N0的鉴别率板拍摄情况作标准）电影胶片的截止频率一般为：70～100lp/mm；一般取特征频率N0=50lp/mm下，MTF0≥0.5。4、望远系统

特征频率接近截止频率。D径要足够大，以保证理想角分辨大于要求的角分辨能力。处理方法与显微镜类似。5、照相物镜MTF指标

35mm（画幅36×24mm2）照相镜头Ⅰ级特征频率

视场孔径

10lp/mm

30lp/mm

轴上

轴外0.707y

轴上

轴外0.707y全口径

0.6

0.30.3

0.15

F80.750.40.40.2

电影物镜MTF指标（提案）特征频率

视场

孔径

40～60lp/mm70～100lp/mm0.5y0.707y0.5y0.707y全口径

0.50.5（30～50lp/mm）0.150.

15

(50～80lp/mm）航摄制图物镜MTF指标（提案）

特征频率

视场

孔径

15lp/mm

0°20°

30°

40°

全口径

0.82(T)

0.48(T）

0.33(T)

0.44(T)0.82(S)0.54(S)

0.48(S)

0.24(S)

瑞利分辨率极限

理论分辨率极限

显微物镜