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1、光电测试技术第三章 光电测试技术中常用的光学系统第一节 显微光学系统n n光电测试技术中常用的光学系统原理、基本组成和技术参数n n一、放大镜和放大率Lyn n放大镜的工作原理yyFF显微光学系统n n原理显微镜的分辨本领n n成像光学系统的分辨本领又称为分辨力，是光学系统可以分清细节的能力。n n显微镜的分辨力以其能分辨的物方最近的两个点之间的距离来衡量。n n两个准则：瑞利判据 道威判据显微物镜的分辨力只与物镜的数值孔径有关，而与目镜无关，显微物镜的分辨力只与物镜的数值孔径有关，而与目镜无关，数值孔径越大，分辨力越高。数值孔径越大，分辨力越高。显微镜的有效放大率n n目视显微镜的有效放大率
2、n n采用光电摄像器件时显微物镜的有效放大倍数n n4NA*4NA*d/d/500NA 1000NA 500NA,物镜的分辨力没有充分利用物镜的分辨力没有充分利用1000NA 物体的细节不会更清楚，无效放大物体的细节不会更清楚，无效放大显微系统的景深n n景深：光学系统同时清晰成像的物空间沿光轴方向的深度范围。n n几何景深，物理景深，调节景深。s几何景深原理图显微镜的几种重要光路n n远心光路是经常采用的一种显微镜光路，分为物方远心光路和像方远心光路。1、物方远心光路 在物镜的像方焦平面安置一个孔径光阑2、像方远心光路 在物方焦平面安置一个孔径光阑3、无限远像距系统物方远心光路B1B1B2在
3、物方远心光路中，孔径光阑处在像方焦点处。这时候，入射光瞳处在物方无穷远处，而出瞳与孔径光阑重合。在像方远心光路中，孔径光阑处在物方焦点处，出射光瞳在像方无限远处，入瞳与孔径光阑重合。远心光路可以降低和消除测量误差的。作用作用-消除消除/减少由于视差所引起的测量误差。减少由于视差所引起的测量误差。像方远心光路作用：消除作用：消除/减少测距误差。减少测距误差。主要用于被测物体大小已知，测量物所在距主要用于被测物体大小已知，测量物所在距离。离。无限远像距系统平行光路平行光路n n无限远像距系统的特点n装入分光镜的情况下，不产生双像重叠，不出现像的偏移和象散n抽出加入平行平面波片时，焦距不受影响n获得
4、均匀照度的像面视场。平行光平行光显微镜的选用n比较表 显微镜种类比较项目瞄准、读数测量用观察用准确性高高低低放大倍率低低高高像质要求高高低低工作距离、视场大大小小第二节 望远光学系统n n望远光学系统：天文观测，工程测量，工业计算，激光跟踪，雷达测距n n原理和性质望遠鏡的歷史n在17世紀初，荷蘭的一位眼鏡製造商漢斯里帕斯的徒弟發現了把凸透鏡和凹透鏡疊在一起可以讓遠處的物體變大。n1609年義大利物理學家、天文學家伽利略自製望遠鏡觀測天體，觀察到木星的四個衛星：木衛一、木衛二、木衛三和木衛四。伽里略的望遠鏡由凸透物鏡和凹透目鏡組成，這種望遠鏡被稱為伽利略式望遠鏡。n1611年德國天文學家開普勒
5、出版了天文光學，闡述瞭望遠鏡原理，他還把伽利略望遠鏡的凹透目鏡改成凸透目鏡，併為後來的天文學家所廣泛採用。這種望遠鏡被稱為開普勒式望遠鏡。n n需要指出的是，由于当时的望远镜采用单个透镜作为物镜，存在严重的色差，为了获得好的观测效果，需要用曲率非常小的透镜，这势必会造成镜身的加长。所以在很长的一段时间内，天文学家一直在梦想制作更长的望远镜，许多尝试均以失败告终。1757年，杜隆通过研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透镜的理论基础，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透镜。从此，消色差折射望远镜完全取代了长镜身望远镜。但是，由于技术方面的限制，很难铸造较大的火石玻璃，在消色差望远镜的初期，最多
6、只能磨制出10厘米的透镜。n十九世纪末，随着制造技术的提高，制造较大口径的折射望远镜成为可能，随之就出现了一个制造大口径折射望远镜的高潮。世界上现有的8架70厘米以上的折射望远镜有7架是在1885年到1897年期间建成的，其中最有代表性的是1897年建成的口径102厘米的叶凯士望远镜和1886年建成的口径91厘米的里克望远镜。折射望远镜的优点是焦距长，底片比例尺大，对镜筒弯曲不敏感，最适合于做天体测量方面的工作。但是它总是有残余的色差，同时对紫外、红外波段的辐射吸收很厉害。而巨大的光学玻璃浇制也十分困难，到1897年叶凯士望远镜建成，折射望远镜的发展达到了顶点，此后的这一百年中再也没有更大的折
7、射望远镜出现。这主要是因为从技术上无法铸造出大块完美无缺的玻璃做透镜，并且，由于重力使大尺寸透镜的变形会非常明显，因而丧失明锐的焦点。伽利略望远镜伽利略望远镜物镜物镜目镜目镜伽利略望远镜的放大倍率太小开普勒望远镜开普勒望远镜物镜物镜目镜目镜而开普勒望远镜的镜筒太长望遠鏡種類n n折射式望遠鏡：l l伽利略望遠鏡伽利略望遠鏡l l開普勒式望遠鏡開普勒式望遠鏡n n反射式望遠鏡：多用於天文觀測l l牛頓式牛頓式l lCassegrainCassegrainn n折反射式望遠鏡l lSchmidt-Schmidt-CassegrainCassegrain折射式望遠鏡的優點n影像穩定 l折射式望遠鏡鏡
8、筒密封，避免了空氣對流現象。n像差矯正l利用不同的透鏡組合來矯正像差n保 養l主鏡密封，不會被污濁空氣侵蝕，基本上不用保養。折射式望遠鏡的缺點n色 差l不同波長光波成像在焦點附近，所以望遠鏡出現彩色光環圍繞成像。矯正色差時要增加一塊不同折射率的透鏡，但矯正大口徑鏡就不容易。n鏡 筒 長l為了消除色差，設計望遠鏡時就要把焦距儘量增長，約主鏡口徑的十五倍，以六吋口徑計算，便是七呎半長，而且用起來又不方便，業餘製鏡者要造一座這樣長而穩定度高的腳架很是困難的一回事。n價 錢 貴l光線要穿過透鏡關係，所以要採用清晰度高，質地優良的玻璃，這樣價錢就貴許多。全部完成後的價錢也比同一口徑的反射鏡貴數倍至十數倍
9、。反射式与折反射式望远镜n n反射式光学系统通过在球面、椭球面、抛物面、双曲面等面型上镀上反射层，利用反射成像原理成像。n n牛顿望远镜n n卡塞格伦望远镜n n格里高利光学系统n n折返式光学系统斯密特光学系统和马克苏托夫光学系统反射式望遠鏡NewtonianCassegrain反射式望遠鏡的優點n n消 色 差l l任何可見光均聚焦於一點。任何可見光均聚焦於一點。n n鏡 筒 短l l通常鏡筒長度只有主鏡直徑八倍，通常鏡筒長度只有主鏡直徑八倍，所以比折射鏡筒約短兩倍。短的鏡所以比折射鏡筒約短兩倍。短的鏡筒操作力便，又容易製造穩定性高筒操作力便，又容易製造穩定性高的腳架。的腳架。n n價錢便
10、宜l l光線只在主鏡表面反射，製鏡者可光線只在主鏡表面反射，製鏡者可以購買較經濟的普通玻璃去製造反以購買較經濟的普通玻璃去製造反射鏡的主要部份。射鏡的主要部份。反射式望遠鏡的缺點n遮 光l對角鏡放置在主鏡前，把部份入射光線遮掉，而對角鏡支架又產生繞射，三支架或四支架的便形成六條或四條由光星發射出來的光線。可以利用焦比八至十的設計減低遮光率。n影像不穩定l開放式的鏡筒往往產生對流現象，很難完滿地解決問題。所以在高倍看行星表面精細部份時便顯出不容易了。n主鏡變形l溫度變化和機械因素，使主鏡變形，焦點也跟改變，形成球面差，球面差就是主鏡旁邊緣和近光軸的平行光線聚焦於不同地方，但小口徑鏡不成問題。n保
11、養l鍍上主鏡表面的鋁或銀，受空氣污染影響，要半年再鍍一次。不過一塊良好的真空電鍍鏡面可維持數年之久。反射式與折射式望遠鏡的選擇n折射望遠鏡由二塊透鏡組成，總共要磨四邊光學面，反射望遠鏡只需要磨一邊光學面，所以製造反射式望遠鏡花費較少時間。技術精良的話，一副自製的六吋口徑反射望遠鏡質素隨時超過市面出售的三吋折射望遠鏡。n至於選擇何種類形的望遠鏡則視乎個別天文愛好者的需要和喜愛而定。通常一枝四吋以下的折射望遠鏡已足夠作普通觀測研究的用途。若果興趣是觀察行星或雙星，便應該設計八吋口徑而放大倍數高的反射望遠鏡，因為如此大口徑的折射鏡十分難製造，價錢非常昂貴，而且又非常笨重。n從經濟和難度考慮，初學者最
12、適宜自製反射式望遠鏡。折反射式望遠鏡牛頓式望遠鏡望远镜的主要光学性能n n望远镜视角放大率望远镜视角放大率n n目视望远镜目视望远镜 视角放大率视角放大率 通过望远镜观察物体时候，物体的像对眼睛的张角与人眼直接观察物体时物对人眼的张角的正切望远镜分辨力和工作放大倍率n n望远镜的分辨力用极限分辨角来表示n n瑞利判据=1.22/Dn n 道威判据=/Dn n有效放大率n n工作放大率望远系统的景深n n调节景深 人眼从无穷远至明视距离的范围内自由调人眼从无穷远至明视距离的范围内自由调节，望远镜由于人眼的调节而能看清楚物体节，望远镜由于人眼的调节而能看清楚物体空间范围称为调节景深空间范围称为调节
13、景深n n几何景深 成清晰像的范围叫做几何景深成清晰像的范围叫做几何景深视觉放大率越大，调节景深就越小视觉放大率越大，调节景深就越小望远镜成清晰像的空间范围从望远镜前望远镜成清晰像的空间范围从望远镜前p到无穷远到无穷远准直、自准直望远镜n n准直技术：利用光线做基准实现瞄准或者角度测量的技术n n利用望远系统把视场光阑处分划板上的十字标记投射到某一调焦位置的参考靶上。第三节 摄影系统n n摄影光学系统：把空间或平面物体缩小成像于感光胶片或光电器件光敏面的光学系统。光学特性 n n照相物镜的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝光产生景物象。照相物镜的光学特性一般用焦距 、相对孔径 、视场角
14、 表示。此外还提出分辨率的要求，作为保证产品质量的技术条件。下面分别进行说明。n一、焦距n根抿光学系统垂轴放大率公式 n 对一般照相物镜来说，物距 通常在lm以上，n因此像平面十分靠近照相物镜的像方焦平面，即 ，所以有 。n由此可见，物镜焦距的大小，决定了底片上的像和实际被摄物体之间的比例尺，在物距一定的情况下，欲得到大比例尺的照片，则必须增大物镜焦距。例如用于拍摄数千米甚至上万米的远距离照相机，为了获得足够大的比例尺，必须采用长焦距照相物镜，其焦距一般为数百毫米，甚至可达数米。n n二、相对孔径二、相对孔径n n照照相相物物镜镜像像平平面面的的光光照照度度和和相相对对孔孔径径的的平平方方成正
15、比，听以照相物镜的相对孔径主要影响成正比，听以照相物镜的相对孔径主要影响 像平面光照度像平面光照度像平面光照度像平面光照度。为了满足对较暗景物的摄影，。为了满足对较暗景物的摄影，或者对高速运动物体的摄影，都需要采用大或者对高速运动物体的摄影，都需要采用大相对孔径的物镜，以提高像平面上的光照度。相对孔径的物镜，以提高像平面上的光照度。根据相对孔径大小不同，普通小型照相机物根据相对孔径大小不同，普通小型照相机物镜可分为镜可分为:弱光照相物镜（弱光照相物镜（在在1:6.31:6.3以下）以下）、普通物镜（、普通物镜（在在1:5.61:3.51:5.61:3.5）、强光）、强光物镜物镜（在在1:2.8
16、1:1.41:2.81:1.4）、超强光物镜）、超强光物镜（在在1:11:0.81:11:0.8）。）。n n 三、视场角三、视场角 n照照相相物物镜镜的的视视场场角角决决定定了了被被摄摄景景物物的的范范围围。不不同同照照相相机机画画面面的的尺尺寸寸是一定的，例如：是一定的，例如：n16mm16mm电影摄影机电影摄影机 l0.4*7.5 mml0.4*7.5 mm2 2n35mm 35mm 电影使影机电影使影机 22*16 mm22*16 mm2 2n135#135#照相机照相机 36*24 mm36*24 mm2 2n120#120#照相机照相机 55*55*5555 mm mm2 2n用用
17、于于航航空空摄摄影影的的照照相相机机，画画面面要要大大得得多多，常常用用的的有有180*180*180180 mmmm2 2、240*240 mm240*240 mm2 2、360*360 mm360*360 mm2 2。n 照照相相机机的的视视场场角角和和画画面面尺尺寸寸之之间间的的关关系系，可可由由无无限限远远物物体体理理想想像高公式表示像高公式表示 n相机的幅面一定，即相机的幅面一定，即 一定，只要焦距确定，视场角便随之而定。一定，只要焦距确定，视场角便随之而定。由上式可看到，当相机幅面一定时，由上式可看到，当相机幅面一定时，越小，则越小，则 越大，因此短焦越大，因此短焦距镜头，也就是大
18、视场镜头。根据视场角的大小，照相物镜可分为距镜头，也就是大视场镜头。根据视场角的大小，照相物镜可分为:窄角镜头（窄角镜头（在在4040以下）、常角镜头（以下）、常角镜头（=45=45）、广角镜头（）、广角镜头（=70=70100100）、超广角镜头（）、超广角镜头（在在100100以上）。以上）。n n四、分辨率四、分辨率n n 照照相相物物镜镜分分辨辨率率表表示示照照相相物物镜镜分分辨辨被被摄摄物物体体细细节节的的能能力力，是是衡衡量量照照相相辨辨成成像像质质量量的的重重要要指指标标之之一一，通通常常用用像像平平面面上上每每毫毫米米能能分分辨辨开开黑黑白白线线条条的的对数表示，照相物镜的理想
19、分辨率对数表示，照相物镜的理想分辨率n n由由公公式式可可见见，即即相相对对孔孔径径越越大大，分分辨辨率率越越高高。由由于于实实际际照照相相物物镜镜存存在在像像差差，实际分辨率比理想分辨率低。实际分辨率比理想分辨率低。变焦距物镜n最近十多年以来，变焦距物镜获得了较大发展。由干最近十多年以来，变焦距物镜获得了较大发展。由干变焦距物镜能在一定范田内迅速改变系统的焦距，得变焦距物镜能在一定范田内迅速改变系统的焦距，得到不同比例的像，因此它在新闻采访，影片摄制和电到不同比例的像，因此它在新闻采访，影片摄制和电视转播等场合，使用特别方便。而且在电影和电视的视转播等场合，使用特别方便。而且在电影和电视的连
20、续变焦过程中，随着物像之间倍率的连续变化，像连续变焦过程中，随着物像之间倍率的连续变化，像面景物的大小连续改变，可以使观众产生一种由近及面景物的大小连续改变，可以使观众产生一种由近及远或由远及近的感觉，更是定焦距物镜难以达到的。远或由远及近的感觉，更是定焦距物镜难以达到的。目前变焦距物镜的应用日益广泛，开始主要用于电影目前变焦距物镜的应用日益广泛，开始主要用于电影和电视摄影，现在巳逐步扩大到和电视摄影，现在巳逐步扩大到135#照相机和小型照相机和小型电影放映机上，但仍以电杉和电视摄影为主。电影放映机上，但仍以电杉和电视摄影为主。n 变焦距物镜的基本原理是利用系统中两个或两个以变焦距物镜的基本原
21、理是利用系统中两个或两个以上透镜组的移动，改变系统的组合焦距，而同时保持上透镜组的移动，改变系统的组合焦距，而同时保持且后像面位置不变，使系统在变焦过程中获得连续清且后像面位置不变，使系统在变焦过程中获得连续清晰的像。晰的像。第四节 投影仪光学系统n投影仪是将一定大小的物体，用光源照明以后成像在屏幕上进行观察或测量的一种光学仪器，例如电影放映机、幻灯机、印相放大机，计置用投影仪等。对干投影仪所成的像，除了要求成像清晰，物像相似成像清晰，物像相似而外，还要求像足够亮，也就是要求有足够的像面光照度像足够亮，也就是要求有足够的像面光照度，并且整个像面光照度尽可能一致，后面这两个要求决定了投影系统的主
22、要特点。n投影系统一般由两部分构成，一部分是照明系统;另一部分是投影物镜，照明系统的作用是把光源的光通量尽可能多的聚集到投影物镜中去，并使被投影物体照明均匀，投影物镜的作用是把投影物体成像在屏幕上，并保证成像清惭，物像相似。投影系统根据照明方式不同，可以分成两大类。一、临界照明。二、柯勒照明。投影物镜n n一、投影物镜的作用及光学特性n n投影物镜的作用是将被光源照明的投影物体成像在屏幕上，保证成像清晰照明系统合理配合，保证屏幕上有足够的光照度。投影物镜的光学特性，通常用视场、数值孔径，放大率等表示，下面分别进行说明。（一）视场n n投影系统中，成像范围不用视场角表示，而投影系统中，成像范围不
23、用视场角表示，而直接用投影物体的最大尺寸直接用投影物体的最大尺寸线视场表示。线视场表示。屏幕尺寸是确定的。例如测量用投影仪的屏屏幕尺寸是确定的。例如测量用投影仪的屏幕是圆形的，常见的屏幕尺寸有幕是圆形的，常见的屏幕尺寸有 、等，、等，屏幕框实际上就是投影系统的视场光阑，它屏幕框实际上就是投影系统的视场光阑，它的大小决定了物镜的线视场。根播放大率公的大小决定了物镜的线视场。根播放大率公式式n n将已知屏幕尺寸代入将已知屏幕尺寸代入 ，便可根据放大率，便可根据放大率 求出投影物镜的最大线视场。求出投影物镜的最大线视场。n n例如一个例如一个100100X X的投影物镜，屏幕直径为的投影物镜，屏幕直
24、径为1500mm1500mm，最大的视线场为，最大的视线场为（二）数值孔径n n数值孔径可以影响分辨本领，影屏照度和景深。n n瑞利判据 道威判据（三）垂轴放大率n物镜的垂轴放大率是根据零件的测量精度和标准图样绘制精度提出来的第五节 照明系统n n照明系统的设计原则n n保证足够的光能n n有足够的照明范围，照明均匀n n照明光束应充满物镜的入瞳n n应尽量减少杂光进入物镜，保证像面的对比度n n合理安排布局，避免光源高温的有害影响。两个原则n n光孔转接原则 照明系统的出瞳应该和物镜的入瞳重合，保证光束充分利用n n 照明系统的拉赫不变量应该大于物镜的拉赫不变量。光学系统在近轴区成像时，在物
25、象的共轭面上，物体大小光学系统在近轴区成像时，在物象的共轭面上，物体大小y，成像光束孔径角，成像光束孔径角u，物空间折射率，物空间折射率n的乘绩为一个常数。的乘绩为一个常数。照明的种类n n一 直接照明n n1 透射光亮视场照明n n2 反射光亮视场照明n n3 透射光暗视场照明n n4 反射光暗视场照明n n二 临界照明n n三 远心科勒照明n n四 光纤照明n n五 同轴反射照明一、临界照明n照明系统把光源成像在投影物体上，要求光源通过照明系照明系统把光源成像在投影物体上，要求光源通过照明系统所成的像大于投影面积。为了保证照明均匀，要求发光统所成的像大于投影面积。为了保证照明均匀，要求发光
26、体本身尽可能均匀发光。这种系统多用于投影物体面积比体本身尽可能均匀发光。这种系统多用于投影物体面积比较小的情形。例如，电影放映机就是采用这种系统。这类较小的情形。例如，电影放映机就是采用这种系统。这类系统中的照明器又有两种系统中的照明器又有两种:一种是用反射镜，如图一种是用反射镜，如图1所示。所示。光源通常用电弧或短弧氙灯光源通常用电弧或短弧氙灯;另一种是用透镜组，光源通常另一种是用透镜组，光源通常用强光放映灯泡，如图用强光放映灯泡，如图2所示。为了充分利用光能量，一般所示。为了充分利用光能量，一般在灯泡后放一球面反射镜。反射镜的球心和灯丝重合。灯在灯泡后放一球面反射镜。反射镜的球心和灯丝重合
27、。灯丝经球面反射成像在原来的位置上。调整灯泡的位置，可丝经球面反射成像在原来的位置上。调整灯泡的位置，可以使灯丝像正好位于灯丝的间隙之间，如图以使灯丝像正好位于灯丝的间隙之间，如图3所示。这样可所示。这样可以提高发光体的平均光亮度，并且易于达到均匀的照明。以提高发光体的平均光亮度，并且易于达到均匀的照明。二、柯勒照明二、柯勒照明n照明系统把光源成像在投影物镜的入瞳上，如图10-35所示。这种照明方式多数用于大面积的投影仪中，例如幻灯机和放大机。这种照明方式的优点是容易在像平面上获得均匀的照明。一艘在灯源后面同样放一球面反射镜，以增加光能的利用率。n在某些用于计量的投影仪中，为了避免调焦不准而引起的测量误差，投影物镜采用物方远心光路光纤照明n n优点 均匀，亮度高，光源热影响小。n n分类 环形光纤照明，同轴光纤照明