应用光学_08.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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发展，各种新型光学系统不断出现：,激光光学系统,傅立叶光学系统,扫描光学系统,光纤光学系统,光电光学系统,这些新型系统一般多用激光束，受光束传输特性和成像机理的要求，与传统的成像光学系统均有差异。,8-1,激光束光学系统,激光优点：亮度高、单色性好、方向性强。,广泛应用：激光加工（打孔、打标、焊接、热处理、成模）,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,共同涉及：激光在各种介质中的传输及经过系统的变换特性。,研究激光束的传输变换特性及激光束光学系统的设计是激光应用的重要问题。,一、高斯光束的特性,普通光源：点光源,均匀球面波,(,波面上各点振幅,相同,),；,激光光源：光束截面内光强分布不均匀，即波面上各点的振幅,A(r,),不等，一般可以近似认为呈如下高斯分布：,r,：光束截面半径；,w,：与光束截面半径有关的参数。,高斯光束：光斑无限延伸，截面中心处振幅最大，,r,A,(,r,),截面半径：以,r,=,w,时的光束截面半径作为激光束的名义截面半径。,这时：,即激光束名义截面半径为振幅,A,下降到中心振幅,A,0,的,1/,e,时所对应的光束截面半径。,w,(,z,),A,0,/,e,r,二、高斯光束的传播,由激光腔衍射理论：在均匀透明介质中，沿,z,轴方向传播的高斯光束的光场分布为：,式中：,c,为常数因子。,r,2,=,x,2,+,y,2,，,k,=2,/,为波数；,w,(,z,),、,R,(,z,),和,(,z,),分别为高斯光束的截面半径、波面曲率半径和位相因子，为高斯光束传播的三个重要参数。,高斯光束的截面半径,高斯光束截面半径,w,(,z,),的表达式：,表明：,w,(,z,),与光束的传播距离,z,、波长和,w,0,有关，,z,=0,：,w,(0)=,w,0,此即为高斯光束的,束腰半径,。,可见：,1),高斯光束的束腰半径,w,0,是光束截面最小处的光束截面半径，该最小处称为高斯光束的,束腰,。,2),光束截面半径,w,(,z,),与,z,成线非性关系，与同心光束完全不同。,随,z,呈双曲线关系变化，双曲线的渐近线方向表示高斯光束在时的发散程度，其与光束对称轴的夹角,称为远场发散角：,z,w,(,z,),w,0,R,(,z,),z,可见：激光束发散角与束腰半径成反比，束腰半径越小，光束发散角越大。,高斯光束的波面曲率半径,波面曲率半径的表达式为：,可见：当,z,=0,时，,R,(0)=,，说明束腰处的波面为平面波，当,z,时，,R,()=,，在其他各处均为球面波，但不同心。,把,R,(,z,),对,z,求导数，可得,R,(,z,),的极值：,即,此处的波面半径为：,高斯光束的位相因子,这表明：高斯光束在,z,=,z,0,处波面曲线半径最小。因此，从束腰开始，波面由平面波变为球面波，波面半径减小，到,z,0,处达到最小后再逐渐增大，直至再达到,。,通常，,z,0,=,w,0,2,/,称为高斯光束的,共焦参量,，在激光束准直应用中，,2,z,0,又被看作为,准直长度,。,高斯光束的位相因子表达式为：,可见，在束腰处的位相为,0,，在,z,0,处，位相为,2n/4,。,高斯光束传播与同心光束的传播不同：,同心光束的传播反应在曲率半径一个参量的变化；而高斯光束的传播必须由,w,(,z,),和,R,(,z,),两个参量的变化决定。,高斯光束的复曲率半径,定义高斯光束的复曲率半径如下：,当,z,=0,时，因为：,R,(0)=,w,(0)=,w,0,，则：,把,R,(,z,),和,w,(,z,),的表达式代入,q,(,z,),的定义式，得：,即,q,(,z,)=,q,0,+,z,这和同心球面波的传播规律,R,=,R,0,+,z,一样。这表明,:,高斯光束的复曲率半径与同心球面波的波面半径作用相同。,三、高斯光束的透镜变换,理想光学系统成像的高斯公式为：,由于物像点对应的是理想球面波，经过透镜变换前、后波面的曲率半径,R,1,、,R,2,亦满足上式。,对于高斯光束来说，在近轴区亦可以看作是球面波，到达透镜经过变换前后的球面波半径,R,1,、,R,2,同样满足高斯公式，即：,-,R,z,C,R,-,z,C,2,w,0,2,w,0,w,w,考虑薄透镜，则变换前后，高斯光束的孔径应相等，即：,需要说明的是：,这里,R,和,R,是经透镜变换前后，高斯光束在透镜处物像方的波面半径，而不是物像方束腰到透镜的距离。,由复曲率半径的定义式，有：,代入上述成像公式，并注意,w,(,z,)=,w,(,z,),，则有：,可见：高斯光束的复曲率半径,q,也满足物像公式。,实际应用：已知高斯光束变换前束腰半径,w,0,和到透镜的距离,z,求解变换后的束腰位置,z,和半径,w,0,。求解过程：,1),由,w,0,和,z,，求变换前透镜上的,w,(,z,),和,R,(,z,),；,2)利用变换公式，求解变换后的,w,(,z,),和,R,(,z,),；,3),再由,w,(,z,),和,R,(,z,),计算出射光束的,w,0,和,z,。,高斯光束的透镜变换规律分析,设高斯光束的束腰半径为,w,0,，束腰距透镜的距离为,z,，则由复曲率半径的传播规律，有：,变换前：,q,=,q,0,+,z,设变换后有：,q,=,q,0,+,z,将变换前的复曲率半径代入成像公式，有：,于是，得：,讨论：,1),当物方束腰离透镜很远，即：,f,+,z,z,0,时，有：,可见，在这种情况下，与同心光束的传播规律一致。,2),当,z,=-,f,时，,z,=,f,。这表明：,高斯光束的束腰位于透镜物方焦面时，变换后的束腰位于透镜的像方焦面,，,显然，与几何光学规律迥异！,这时，像方束腰半径为：,这表明：当,z,=-,f,时，变换后的束腰半径取得极大值，即出射光束具有最大束腰半径。,或写为,：,四、高斯光束的聚焦与准直,高斯光束的聚焦,激光束聚焦的应用广泛：打孔、打标、焊接、镂空雕刻、光盘数据读写、集成电路光刻、图文传真等。,上述分析：当,z,，,w,0,0,，,z,=,f,，这时,理论上可获得良好的聚焦。,当,z,f,时，有：,即：,可见：要想获得良好的聚焦：,短焦距、短波长，,同时入射在透镜上的光束的截面半径越大越好！,高斯光束的准直,在许多应用中，希望光束发散角越小越好。这种压缩光束发散角以获得平行光束过程称为准直。如：激光测距、激光雷达、激光卫星通信、光学信息处理等。,当发散角较小时，有：,经过物镜变换后光束的发散角为：,将变换后的束腰半径代入，得：,该式表明：,1),不管,z,和,f,取何值，,0,，说明单透镜不能获得平面波。,2),当,z,=,-,f,时，有：,=,w,0,/,f,。因此，要获得较小的发散角,必须减小,w,0,，加大透镜焦距,f,。,倒置望远镜系统实现光束准直,用二次透镜变换：先用短焦镜头压缩光束的腰斑半径,w,0,，再用长焦镜头压缩发散角,，这样二个透镜构成一个倒置的望远镜系统。,2,w,0,2,w,0,2,w,0,-,f,2,-,f,1,z,L,1,L,2,8-2,傅立叶变换光学系统,傅立叶变换光学系统是光学信息处理的基本系统，它实现二维图像的识别、增强、恢复、传输、变换、功率谱分析和傅立叶全息存储等，其数学基础是傅立叶变换理论，而傅立叶变换系统则是实现这种数学变换的摸拟“计算机”。而数字计算机难以实现大容量高速实时的运算。,一、光学透镜的傅立叶变换特性,由标量衍射理论可知，振幅分布为,f,(,x,y,),的物体，其夫朗和费远场衍射的振幅分布为：,式中：,(,x,y,),为物面坐标，,(,x,f,y,f,),为衍射场坐标，令：,则上式改写为：,可见：夫朗和费衍射过程就是一个完全的傅立叶变换，其衍射场即为频谱面。若将频谱面再进行一次傅氏变换则得：,显然：令,x,=,-,x,，,y,=,-,y,，则有：,f,(,x,y,)=,f,(,x,y,),，可见：物函数,f,(,x,y,),经过二次傅氏变换后，得到倒置的原函数,f,(,x,y,),。,y,x,-f,f,f,y,x,-f,L,1,L,2,输入面,频谱面,输出面,相 干,平行光,如果在频谱面上插入各种不同用途的空间滤波器或掩模板，改变输入物体的频谱状态，就可以达到各种光学图像的实时快速处理目的。,这种系统即为相干光学处理中的,4,f,系统,。只要傅氏变换透镜满足某些特定的成像要求,4,f,系统即能实现严格的傅氏变换。,相干平行光垂直照明位于,L,1,前焦面上的输入物面，因在输入面发生衍射,不同角度的衍射光经,L,1,后,在其后焦面,(,频谱面,),上形成夫朗和费衍射图像，获得严格傅氏变换的条件：,具有相同衍射角,m,(,或,n,),的光线应聚焦在焦面,上同一点；,不同衍射角的光线聚焦,在不同点，形成各级频谱。,频谱面,物 面,-f,f,n,n,m,m,对应的成像关系：,若把像方焦面作为像面，则物在,，孔阑位于前焦面，构成像方远心光路；因此，傅氏变换物镜必须在对的物体校正像差的同时，还必须对孔阑位置校正像差。,若把输入面当作物面，则像在，孔阑位于其后焦面上，构成物方远心光路；因此，物镜必须在对有限距离物面校正像差的同时，校正孔阑像差。,根据光路可逆原理，这二者是一致的，因此，,傅氏变换物镜必须对二对共轭面校正像差！,-f,f,-f,f,孔 阑,频谱面,物 面,输入面,孔 阑,输入面,像 面,频谱面,二、傅立叶变换物镜的光学设计要求及结构型式,设输入物体为一维光栅，其光栅常数,(,即栅距,),为,d,，其,k,级衍射光与光轴的夹角应满足光栅方程：,或,设,k,级衍射光在后焦面上的像高为,y,k,，则应满足如下关系：,y,k,才呈线性分布，才能在物镜后焦面上得到正确的傅氏变换。上式表明：,傅立叶变换物镜必须满足正弦条件。,像差校正要求：,对孔阑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,/4,。,因,k,级衍射光的像高,y,k,=,f,sin,k,理想光学系统的像高,y,k,=,f,tg,故,傅氏变换物镜应产生畸变量：,但由于傅氏变换物镜是成对使用的，且频谱面对称设置，因此在相干光学处理,4,f,系统中，输出面的畸变是自动消除的。,傅氏变换透镜的结构型式,单光组结构,采用一个双胶合或双分离组，能很好地校正正弦差和球差，因轴外像差不能校正，其视场角和相对孔径较小。,-f,f,F,F,H,H,频谱面,输入面,对称型傅氏变换物镜,采用两组对称的反远距光组：使主面外移，使物像方焦点距小于焦距，减小了外形尺寸。同样外形尺寸下，其焦距可加长一倍左右，可处理的物面和谱面变大，有利于发挥系统的作用。,正负组合，有利于校正像面弯曲和其它轴外像差；对称结构：垂轴像差自动消除。,结构相对复杂，成本相对较高。,频谱面,输入面,f,-f,F,H,H,F,8-3,扫描光学系统,扫描光学系统：使光束传播方向随时间的变化而改变的光,学系统，如使用激光束扫描装置实现以时间为序列的图像电信,号转变为二维的目视图像。,激光打印机、激光扫描仪、激光扫描测量仪、星载激光测,高仪、卫星推扫式成像系统、舰用光电桅杆、机载光电侦察吊,舱等应用广泛。,一、扫描方程式,光束扫描的实现方式：,透镜扫描、棱镜扫描、反射镜扫描,全息扫描、声光扫描。,扫描特性参数：,扫描系统的孔径大小,D,孔径的形状因子,a,最大扫描角,孔径大小和形状因子,根据瑞利衍射理论，扫描系统的衍射极限分辨角：,可见：扫描系统的极限分辨角由孔径大小,D,和形状因子,a,决定。,不同的扫描系统，扫描孔径的形状是不同的：,孔径形状,圆 形,矩 形,梯 形,三角形,形状因子,a,1.22,1,1.5,1.67,最大扫描角,(,扫描范围,),设最大扫描范围为,，则扫描系统的扫描点数,N,为：,扫描方程式,：,扫描系统的扫描点数与扫描光束的波长,和扫描系统的孔径大小,D,、形状因子,a,和扫描范围,有关,。,二、光学扫描系统,物镜扫描系统,：,扫描形式简单，运动物镜即能实现扫描功能：,一束平行激光光束平行于物镜光轴入射,相距,x,，物镜严格校正像差后光束聚焦在焦点,F,处。,物镜绕光束轴转，则聚焦点在物镜焦平面上扫描出半径为,x,的圆,.,调整物镜光轴与光束中心轴的距离,x,，可得任意半径的扫描圆。,扫描圆的最大直径小于物镜的直径。,光学扫描系统,物镜扫描,物镜前扫描,物镜后扫描,x,F,F,f,物镜后扫描系统,扫描反射镜位于物镜之后。,优点：,物镜口径相对较小，只要能满足扫描光束的口径要求即可。,扫描物镜只要求对轴上点校正像差。,缺点：,扫描像面为一曲面，不利于扫描图像的接收与转换,.,L,R,D,F,物镜前扫描系统,为克服物镜后扫描的缺陷，将扫描平面镜置于物镜之前，称为,物镜前扫描系统,。,物镜严格校正轴上点和轴外点像差，则可获得良好的扫描成像且扫描像面为平面。,为保证扫描像面照度均匀，并获得一致的扫描像点，扫描物镜一般设计成像方远心光路，即：使其像方主光线始终垂直于扫描像平面。,远心扫描系统：,物镜作远心光路设计，提供给扫描物镜的光束也要满足远心要求,扫描反射镜的转动轴心位于物镜物方焦点,.,F,L,f,D,三、扫描物镜,(,f,物镜,),物镜前扫描光学系统光束扫描角,(,t,),，因此，扫描像点在扫描像平面上位置,y,(,t,),是扫描角的函数：,y,(,t,)=,F,(,t,),两边对时间,t,微分，得：,设扫描角等角速度变化，即,d,(,t,)/d,t,=C,，若要扫描像点在扫描像平面上作等速扫描成像，显然：,d,F,/dC,，则：,F,(,t,)=,C,1,(,t,)+,C,2,代入前式，并引入成像关系条件，略去常数项，有：,y,(,t,)=,f,(,t,),即满足等速扫描的条件是扫描物镜的像高为,f,（与扫描角成线性关系）。这样：,可将以一定时间间隔扫描的信息，按一定的时间间隔记录在像平面上。,f,物镜的畸变要求,f,物镜与普通光学系统的成像关系不同：普通物镜的理想像高与视场角,呈非线性关系：,y,=,f,tg,为使,f,物镜的像高与扫描角呈线性关系，像差校正时，必须保留如下畸变值：,Y=,f,(,tg,),根据扫描系统的衍射分辨角关系，得,f,物镜的分辨率为：,可见：,扫描系统的相对孔径越大，物镜分辨率越高,。,但分辨率越高，物镜相对孔径越大，设计变得复杂，成本增大，所以，,应根据实际使用要求选取合适的分辨率,，不同的扫描系统有不同的分辨率要求。,f,物镜的分辨率,扫描物镜的焦距,f,与扫描成像宽度,L,和光束的最大扫描角,有关，由：,y,=,f,，得：,f,物镜像差要求,扫描物镜的轴外点与轴上点应具有相同的成像质量和扫描点大小，因此，除严格校正轴上点像差和轴外点像差外，还应满足无渐晕和平像场的设计要求。,特点：大多数,f,物镜属于大视,场小孔径的像方远心光学系统，,轴上点光线的入射高度较小，轴,上像差容易校正。轴外光线的入,射高度大，轴外像差大，校正相,对困难。因此：,校正轴外像差是,f物镜的主要着眼点,。,入瞳,像面,f,物镜的结构形式,为满足保留畸变和像方远心光路的要求，在结构选型上，多采用多片分离式的负弯月形物镜，光焦度的分配为负,-,正,-,负的形式。前两组正负焦距和间隔满足总光焦度的要求，有利于场曲校正，做到平像场设计；第三组为负组，位于像面附近，有利于满足像方远心光路。,孔阑,(,入瞳,),8-4,光电光学系统,现代光电系统集光学、精密机械、光电转换、电子技术、控制技术及计算机技术于一体，实现系统的数字化、图像化、智能化和自动化。,一、红外夜视光学系统,红外辐射在大气中具有较强的穿透本领，因此，红外探测广泛应用于军事、国防、安全等众多领域，如：卫星遥感、军事目标跟踪、报警、制导、夜视等。,但是：人眼不能直接接收红外光图像，必须将其转换为人眼所能观察的可视的光学图像。,红外夜视观察仪：,利用红外变像管将红外图像转换为可见光图像，然后供人眼观察。该仪器装配部队，供夜间侦察用。,荧光屏,光电,阴极,变像管,红外夜视观察仪,为使红外物镜在变像管接收耙面上获得均匀的像面辐照度,红外望远物镜的设计应尽量采用像方远心光路,以减小物镜轴外像点的像方视场角。,变像管的荧光屏位于目镜焦面上,可看作是自发光图像,因此目镜的光阑位置可以单独考虑。,w,-w,出瞳,目镜,F,2,红外,物镜,入瞳,F,1,二、光电检测系统,CCD,：,Charge Coupled Devices,电荷耦合器件,优点：具有灵敏度高、分辨率高和数据采集方便，与计算机结合方便，可实现检测的自动化和数字化。,随着,CCD,、,CMOS,技术的成熟,应用广泛：尺寸自动检测、自动定位、图像扫描、图像识别。,光电检测系统的原理：,光,源,照明,系统,被测,物体,成像,系统,CCD,器件,放大,电路,微机,控制,计算,机,尺寸,计算,显,示,打,印,A/D,转换,二值化,处理,CCD,参数选择与被检物体的成像放大率和测量精度密切相关。,CCD,的主要参数：像素数,(M,),N,，,像素大小,测量范围与精度,设,CCD,的像素大小,和像素数,N,，成像系统的放大率为,，则系统的测量范围：,设系统的测量精度为，,CCD,光敏面上的精度为，则：,=,系统的测量精度取决于图像处理时边缘提取的精度。如采用二值化处理，则,2,，则有：,以,TCD1500,线阵,CCD,为例：,N,5000,，,7,，则其有效光敏面长度：,N,50000.007,35mm,设成像系统放大率,0.1,，则：,y,N,/,=35/0.1=350mm,采用二值化处理的精度：,2,/,=20.007/0.1=0.14mm,提高精度：加大放大率,(,测量范围减小,),或采用边缘提取。,成像光学系统的要求：,严格校正像差，尤其是畸变，否则，应进行畸变修正；,具有严格的成像放大率；,按物方远心光路设计。,照明系统：,为获得均匀的照明，宜采用柯拉照明方式。,成像光学系统及其照明,本 章 结 束,