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1、光电检测技术第四章第1页，本讲稿共40页表表4-14-1无色光学玻璃类型及名称表无色光学玻璃类型及名称表 第2页，本讲稿共40页表表4-2 4-2 新品种光学玻璃新品种光学玻璃 第3页，本讲稿共40页二、无色光学玻璃的光学性能二、无色光学玻璃的光学性能 无机光学玻璃的折射率与光波长之间有以下经验关系：无机光学玻璃的折射率与光波长之间有以下经验关系：n n是波长为是波长为的折射率，的折射率，A A0 0A A5 5是计算折射率的常数是计算折射率的常数 色散系数也称为阿贝数色散系数也称为阿贝数d d n nd d 是玻璃对氦黄光折射率（是玻璃对氦黄光折射率（d d线波长线波长587.6nm587.
2、6nm）；）；n nF F 是对紫光折射率（是对紫光折射率（F F线线波长波长486.1 nm486.1 nm）；）；n nC C 是对红光折射率（是对红光折射率（C C线波长线波长656.3 nm656.3 nm），其中），其中n nF F n nC C称为中部色散，也是产品的等级考核指标。称为中部色散，也是产品的等级考核指标。第4页，本讲稿共40页表表4-3 4-3 无色玻璃的光学常数表无色玻璃的光学常数表 第5页，本讲稿共40页三、无色光学玻璃质量指标三、无色光学玻璃质量指标1 1折射率、色散系数折射率、色散系数 2 2光学均匀性光学均匀性 3 3应力双折射应力双折射 4 4条纹度条纹度
3、 5 5气泡度气泡度 6 6光吸收系数光吸收系数 第6页，本讲稿共40页四、四、有色光学玻璃有色光学玻璃 第7页，本讲稿共40页五、光学石英玻璃 石英玻璃是石英玻璃是SiOSiO2 2单一组分玻璃，由水晶、脉石英或合成硅化物（如：单一组分玻璃，由水晶、脉石英或合成硅化物（如：SiClSiCl4 4）原料经高温熔化或化学气相沉积（原料经高温熔化或化学气相沉积（CVDCVD）而成。石英玻璃的物理、化学特性是：）而成。石英玻璃的物理、化学特性是：高纯度、化学稳定、光谱透射宽、抗热冲击、耐高温变形、耐射线辐照、电绝高纯度、化学稳定、光谱透射宽、抗热冲击、耐高温变形、耐射线辐照、电绝缘等。掺入少量杂质元
4、素的石英玻璃，可获得特殊性能，如：超低膨胀石英玻缘等。掺入少量杂质元素的石英玻璃，可获得特殊性能，如：超低膨胀石英玻璃、荧光石英玻璃、颜色石英玻璃等璃、荧光石英玻璃、颜色石英玻璃等。表表4-11 4-11 光学石英玻璃的牌号与名称光学石英玻璃的牌号与名称第8页，本讲稿共40页 光学石英玻璃的光谱透射曲线光学石英玻璃的光谱透射曲线 第9页，本讲稿共40页 六、透红外玻璃六、透红外玻璃 表表4-15 4-15 一些透红外玻璃的主要性能一些透红外玻璃的主要性能 第10页，本讲稿共40页七、透紫外玻璃七、透紫外玻璃 表表4-16 4-16 一些透紫外光学玻璃组成及应用一些透紫外光学玻璃组成及应用 第1
5、1页，本讲稿共40页附附第12页，本讲稿共40页附附第13页，本讲稿共40页 4.2 4.2 透镜元器件透镜元器件 1 1 正透镜和负透镜正透镜和负透镜 2 2 柱面透镜柱面透镜 凡由两个母线互相平行的柱面，一个柱面和一个平面或一个柱面和一个球面组成凡由两个母线互相平行的柱面，一个柱面和一个平面或一个柱面和一个球面组成的透镜都称柱面透镜。的透镜都称柱面透镜。当柱面透镜对一个点光源成像时，得到的是一条与母线方向一致的直线当柱面透镜对一个点光源成像时，得到的是一条与母线方向一致的直线 第14页，本讲稿共40页 3 3 放大镜放大镜 一般眼睛于明视距离一般眼睛于明视距离250250毫米处看物，则可得
6、毫米处看物，则可得M=250/M=250/f f 4 4 目镜目镜 在目视光学仪器中用于观察物体被物镜所成像的透镜组称为目镜在目视光学仪器中用于观察物体被物镜所成像的透镜组称为目镜 设目镜的焦距为设目镜的焦距为f fe e，则放大率为，则放大率为M Me e=250/=250/f fe e 第15页，本讲稿共40页 5 5 物镜物镜 (1)(1)显微镜物镜显微镜物镜 显微镜物镜为达到高的分辨本领，必须有尽可能大的数值孔径，显微镜的总放大率显微镜物镜为达到高的分辨本领，必须有尽可能大的数值孔径，显微镜的总放大率M M是物镜垂轴是物镜垂轴放大率放大率（简称物镜倍率）和目镜放大率（简称物镜倍率）和目
7、镜放大率M Me e的乘积，它与物镜的数值孔径之间应有恰当的乘积，它与物镜的数值孔径之间应有恰当的比例关系。的比例关系。(2)(2)望远镜物镜望远镜物镜望望远远镜镜物物镜镜是是望望远远镜镜系系统统中中把把无无限限远远物物体体成成像像于于其其焦焦平平面面上上的的一一个个透透镜镜组组。在在无无透透镜镜转转像像系系统统的的简简单单望望远远镜镜中中，物物镜镜的的这这一一像像面面与与目目镜镜的的物物方方焦焦平平面面重重合合，眼眼睛睛通通过过目目镜镜观察这一物体的中间像。观察这一物体的中间像。第16页，本讲稿共40页4.3 4.3 反射元器件反射元器件 1 1 平面反射镜平面反射镜 平面镜的主要性质平面镜
8、的主要性质 对实物成虚像，物和像对称于反射面对实物成虚像，物和像对称于反射面 以坐标系以坐标系x x，y y，z z表示实物，它被镜所成的虚像为表示实物，它被镜所成的虚像为x,y,zx,y,z，将，将x,x,y,z y,z整体平移或旋转都不能使其各轴与整体平移或旋转都不能使其各轴与x x，y y，z z的对应轴同时重合，的对应轴同时重合，因此称因此称x,y,zx,y,z为为x x，y y，z z的镜像的镜像 保持入射光线方向不变，若平面镜偏转保持入射光线方向不变，若平面镜偏转角反射光线方向偏转角反射光线方向偏转2 2角角 第17页，本讲稿共40页 平面反射镜组平面反射镜组 二维平面二维平面 三
9、维立体三维立体第18页，本讲稿共40页 球面反射镜球面反射镜 球面镜分凸、凹两种，常用的是凹球面镜。球面镜分凸、凹两种，常用的是凹球面镜。设球面曲率半径为设球面曲率半径为R R，则球面镜的焦距为只，则球面镜的焦距为只R R2 2，这一数值与光的波长，这一数值与光的波长 无关，也就是说球面镜不产生色差无关，也就是说球面镜不产生色差 。第19页，本讲稿共40页 分束元件分束元件 第20页，本讲稿共40页 4.4 4.4 其他元器件其他元器件 1 1 光楔光楔 偏向角偏向角=(n-1)当光线垂直或近于垂直射人光楔时当光线垂直或近于垂直射人光楔时(如图如图4-15b4-15b所示所示)，光楔所产生的，
10、光楔所产生的 偏向角仅取决于的光楔的楔角和折射率。偏向角仅取决于的光楔的楔角和折射率。第21页，本讲稿共40页 2 2 干涉滤光片干涉滤光片 能从连续光谱中滤出所需波长范围的光的器件称为滤光片。能从连续光谱中滤出所需波长范围的光的器件称为滤光片。利用光的干涉原理制成的滤光片则称干涉滤光片。利用光的干涉原理制成的滤光片则称干涉滤光片。透过的光谱范围可以任意选定，光谱宽度从透过的光谱范围可以任意选定，光谱宽度从 几十几十 nm 到到 0.1 nm 滤光片按结构可分为：滤光片按结构可分为：法布里法布里珀罗型滤光片珀罗型滤光片 -干涉滤光片干涉滤光片 通带形状呈尖头型通带形状呈尖头型 多腔滤光片多腔滤
11、光片 -矩形滤光片矩形滤光片 通带形状呈矩型通带形状呈矩型 诱增透滤光片诱增透滤光片-在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系 干涉滤光片的光学性能指标：干涉滤光片的光学性能指标：中心波长位置、中心波长位置、通带半宽度、通带半宽度、透过率透过率 第22页，本讲稿共40页第23页，本讲稿共40页3 3 偏振片偏振片 可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片可以使天然光变成偏振光的光学元件叫偏振片(polarizer)(polarizer)。偏振片由二向色性材料制成偏振片由二向色性材料制成.当光波通过偏振片时当光波通过偏振片时,其中正交偏振分量之其中正交偏振分量之 一被
12、偏振片强烈吸收一被偏振片强烈吸收,而对另一分量则吸收较弱而对另一分量则吸收较弱,因此可以用偏振片将自然光因此可以用偏振片将自然光 转换为线偏振光转换为线偏振光.和偏振棱镜相比和偏振棱镜相比,它容许入射角大它容许入射角大,且可以制成较大孔径且可以制成较大孔径.由于偏振片对能量选择吸收由于偏振片对能量选择吸收,因此它不能应用在大功率场合。因此它不能应用在大功率场合。第24页，本讲稿共40页 人造偏振片有多种，其中一种的制定方法是将具有网状结构的聚乙烯醇高人造偏振片有多种，其中一种的制定方法是将具有网状结构的聚乙烯醇高 分子化合物薄膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液还原稳定后，分子化合物薄
13、膜作为片基，把它浸入碘液中，再经过硼酸水溶液还原稳定后，再把它定向拉伸再把它定向拉伸 4-5 4-5 倍，使大分子定向排列。即经拉伸后，使高分子材料由倍，使大分子定向排列。即经拉伸后，使高分子材料由 网状结构变成线状结构，碘分子则整齐地被吸附在该薄膜上而具有起偏或检偏网状结构变成线状结构，碘分子则整齐地被吸附在该薄膜上而具有起偏或检偏 性能，这种偏振片称为性能，这种偏振片称为 H-H-偏振片。偏振高，可达偏振片。偏振高，可达 99.5 99.5，适用于整个可，适用于整个可 见光范围。其应用范围广；缺点是强度差，不能受潮，易退偏振等。见光范围。其应用范围广；缺点是强度差，不能受潮，易退偏振等。图
14、中小朋友手中拿着一块方形偏振片，图中小朋友手中拿着一块方形偏振片，右上方还有一块偏振片，它们的透光方向右上方还有一块偏振片，它们的透光方向 互相垂直，两个偏振片重叠在一起的部分，互相垂直，两个偏振片重叠在一起的部分，透射光最弱透射光最弱 。第25页，本讲稿共40页偏振棱镜：偏振棱镜：尼科耳棱镜尼科耳棱镜 尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的双折射现象制成的一种偏振仪尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的双折射现象制成的一种偏振仪 器。取一块长度约为宽度三倍的方解石晶体，将两端切去一部分，使主截面上器。取一块长度约为宽度三倍的方解石晶体，将两端切去一部分，使主截面上 的角度为的角度为6868度
15、。将晶体沿着垂直于主截面及两端面的度。将晶体沿着垂直于主截面及两端面的ANAN切开，再用加拿大树胶切开，再用加拿大树胶 粘合起来。粘合起来。第26页，本讲稿共40页 渥拉斯顿（渥拉斯顿（Wollaston)Wollaston)棱镜棱镜 它由两个方解石直角棱镜组成。两棱镜的光轴相互垂直。它由两个方解石直角棱镜组成。两棱镜的光轴相互垂直。自然光垂直入自然光垂直入 射到射到ABAB面上，面上，o o 光和光和e e 光以不同的速度沿同一方向传播。当它们进入第二棱光以不同的速度沿同一方向传播。当它们进入第二棱 镜以后，由于两棱镜的光轴相互垂直，所以又由于镜以后，由于两棱镜的光轴相互垂直，所以又由于n
16、no o n ne e，所以，所以 e e2 2远离法线，远离法线，o o2 2靠近法线，两束光在第二棱镜中分开。靠近法线，两束光在第二棱镜中分开。第27页，本讲稿共40页 4.5 4.5 光调制器光调制器 在检测技术中需要光调制的原因是：在检测技术中需要光调制的原因是：(1)(1)在光电检测中常常有自然光或其他杂散光与检测的光信号混合在一起，在光电检测中常常有自然光或其他杂散光与检测的光信号混合在一起，使它们成为干扰和噪声的来源。为了使有用的光信号与它们区别开来，使它们成为干扰和噪声的来源。为了使有用的光信号与它们区别开来，光信号应以某一频率变化。光信号应以某一频率变化。(2)(2)各种光电
17、器件由于温度、暗发射或外加电场的作用，当无外界光信号各种光电器件由于温度、暗发射或外加电场的作用，当无外界光信号 作用时，在其工作回路中都会有暗电流产生，它是噪声源之作用时，在其工作回路中都会有暗电流产生，它是噪声源之。若采。若采 用调制检测则可消除探测器暗电流的影响。用调制检测则可消除探测器暗电流的影响。(3)(3)与直流放大器相比，交流放大器的稳定性高，零点漂移小，受电源电与直流放大器相比，交流放大器的稳定性高，零点漂移小，受电源电 压波动、温度、老化的影响较小。如果与光信号的调制特性相匹配，压波动、温度、老化的影响较小。如果与光信号的调制特性相匹配，采用选频放大或锁相放大等技术方案，又可
18、有效地抑制噪声，从而实采用选频放大或锁相放大等技术方案，又可有效地抑制噪声，从而实 现高精度的检测。现高精度的检测。第28页，本讲稿共40页一、光强度调制一、光强度调制 1 1 调制盘调制盘 调制盘调制盘 调制线光源调制线光源第29页，本讲稿共40页 2 2 利用电磁感应的机械调制利用电磁感应的机械调制 3 3 受抑全反射调制器受抑全反射调制器 4 4 移动光轴的调制器移动光轴的调制器第30页，本讲稿共40页二、光相位调制二、光相位调制 光相位调制应包括两部分：光相位调制应包括两部分：一是产生光波相位变化的物理机理；一是产生光波相位变化的物理机理；二是光的干涉。二是光的干涉。1 1 利用干涉现象实现光相位调制利用干涉现象实现光相位调制第31页，本讲稿共40页 2 2 利用声光效应的光相位调制利用声光效应的光相位调制第32页，本讲稿共40页第33页，本讲稿共40页第34页，本讲稿共40页第35页，本讲稿共40页第36页，本讲稿共40页第37页，本讲稿共40页第38页，本讲稿共40页第39页，本讲稿共40页第40页，本讲稿共40页