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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：由由于于信信息息加加载载于于光光波波，故故是是一一种种非非接接触触和和破破坏坏测测量量，还还可可以以进进行行远远距距离离测测量量以以及及危危险险、恶恶劣劣环环境境中中测量。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 光光辐射源及特征辐射源及特征辐射度的基本物理量n辐辐射射能能Qe：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳Jn辐辐射射通通量量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辐辐射射强强度度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 光光辐射源及特征辐射源及特征辐射度的基本物理量n辐辐射射照照度度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2n辐辐射射出出射射度度e：辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2n辐辐射射亮亮度度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-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-26.2 6.2 光光辐射源及特征辐射源及特征辐射度的基本物理量6.2 6.2 光光辐射源及特征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 光光辐射源及特征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发发光光强强度度Iv：光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。n光光通通量量v：单位时间里通过某一面积的光能。单位：流明lm。n光光照照度度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 光光辐射源及特征辐射源及特征辐射度的基本物理量n光光出出射射度度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光光亮亮度度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及特征辐射度的基本物理量n光光度度量量和和辐辐射射度度量量的的定定义义、定定义义方方程程是是一一一一对对应应的的。辐辐射射度量下标为度量下标为e，光度量下标为，光度量下标为v。n光光度度量量只只在在可可见见光光区区（波波长长为为-nm)才才有有意意义。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 光光辐射源及特征辐射源及特征普朗克黑体辐射定律普朗克黑体辐射定律 热热辐辐射射能能量量取取决决于于物物体体的的温温度度，绝绝对对黑黑体体的的单单色色辐辐射射出出射射度度M(T)与与热热力力学学温温度度T的的关关系系遵遵循循普普朗朗克克黑体辐射定律：黑体辐射定律：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6.2 6.2 光光辐射源及特征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相相同同温温度度时时，不不同同波波长长光光波波的的单单色色辐辐射射出出射射度度不不相相同同，在在某某个波长处存在极值个波长处存在极值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6.2 6.2 光光辐射源及特征辐射源及特征瑞利-金斯定律TC26.2 6.2 光光辐射源及特征辐射源及特征斯忒藩-玻尔兹曼定律 一一个个黑黑体体辐辐射射出出射射度度M(T)与与黑黑体体本本身身的的热热力力学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 光光辐射源及特征辐射源及特征万用黑体曲线万用黑体曲线 在在特特定定温温度度下下，某某个个波波长长对对应应的的辐辐射射出出射射度度与与m对对应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 光光辐射源及特征辐射源及特征非黑体源的辐射非黑体源的辐射 对对于于实实际际的的光光源源，其其辐辐射射出出射射度度小小于于黑黑体体的的辐辐射射出出射射度，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 光光辐射源及特征辐射源及特征色温色温 实实际际的的发发光光体体不不是是黑黑体体，如如果果光光源源辐辐射射在在可可见见区区和和Tc温温度度时时的的绝绝对对黑黑体体的的辐辐射射完完全全相相同同时时，此此时时黑黑体体的温度的温度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：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 光光辐射源及特征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 当当计计算算某某一一波波段段上上的的辐辐射射出出射射度度时时，可可以以通通过过查查表表的的方方式进行计算：式进行计算：可以通过查表的方式得到可以通过查表的方式得到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 具具有有光光谱谱选选择择性性的的光光辐辐射射源源是是指指其其光光谱谱出出射射度度和和黑黑体体曲曲线线不不相相匹匹配配的的光光源源。一一般般说说来来，它它们们具具有有较较窄窄的波长。的波长。6.2 6.2 光光辐射源及特征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 光光辐射源及特征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 光光辐射源及特征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辐射射通通过过大大气气时时，气气体体分分子子、水水汽汽、固固体体粒粒子子及及水水滴滴的的吸吸收收与与散散射射使使辐辐射射通通量量衰衰减减。散散射射而而引引起起的的衰衰减减与与辐辐射射波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 光光辐射源及特征辐射源及特征辐射的传输辐射的传输6.2 6.2 光光辐射源及特征辐射源及特征辐射的传输辐射的传输2.亮度定理亮亮度度是是人人对对光光的的强强度度的的感感受受。它它是是一一个个主主观观的的量量。亮亮度度的的单单位是坎德拉位是坎德拉/平方米（平方米（cd/m2）意意义义：当当光光束束穿穿过过没没有有损损失失的的光光学学系系统统时时其其基基本本亮亮度度保持不变。保持不变。6.2 6.2 光光辐射源及特征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 光光辐射源及特征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、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、尺寸及灯泡的结构发光面的形状、尺寸及灯泡的结构4.4.其其他他因因素素：光光源源的的供供电电系系统统复复杂杂与与否否、是是否否需需要要人人工冷却、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眼眼球球转转动动角角：水水平平面面内内由由光光轴轴往往耳耳方方向向至至95；水水平平面面内内由由光光轴轴往往鼻鼻方方向向至至65；垂垂直直面面内内向向上上60；垂垂直直面面内内向向下下72。n眼眼瞳瞳直直径径：在在目目视视仪仪器器中中仪仪器器的的出出瞳瞳应应与与眼眼瞳瞳相相适适应应，它与视场亮度有关。它与视场亮度有关。n眼眼瞳瞳位位置置：在在角角膜膜内内，至至角角膜膜顶顶点点越越4mm，至至眼眼睫睫毛毛约约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瞄准准就就是是使使标标志志物物与与被被测测物物体体相相重重合合，可可以以用用人人眼眼与与光光电系统来实现。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。双目光轴允许的最大不平行性双目光轴允许的最大不平行性：水水平平面面内内的的会会聚聚：33；水水平平面面内内的的发发散散：11；垂垂直直面面内内的发散：的发散：3030。观察舒适时允许的不平行性观察舒适时允许的不平行性：水水平平面面内内的的会会聚聚：11；水水平平面面内内的的发发散散：2020；垂垂直直面面内内的发散：的发散：1010。8.8.眼睛的时间分辨率眼睛的时间分辨率 正常照度下的时间分辨率为正常照度下的时间分辨率为120ms120ms。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