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1、LOGO现代检测技术现代检测技术第第5 5章章 光路分析与光学器件光路分析与光学器件内内 容容基本光学关系式光路中的光现象光学元件-2-光束扫描大气调光基本光学关系式基本光学关系式守恒定律守恒定律对于波长为的辐射，将被吸收、被反射、被透射的能量分数依次记作(),(),()，可将能量守恒定律表示成反射和折射定律反射和折射定律电磁波在真空中的传播速度与在某物质中的传播速度之比称为该物质的绝对折射率，即-3-基本光学关系式基本光学关系式反射和折射定律反射和折射定律当光线在折射率n1的介质中传播时，频率为f的光线的波长会比在真空中传播时的波长要小，即设光在介质中传播的距离记为x，速度记为v，则光线在多
2、种不同介质中传播的总时间为又因为 vi=c0/ni，所以-4-基本光学关系式基本光学关系式反射和折射定律反射和折射定律snell折射定理：当光线从折射率为n1的介质进入n2的介质时，入射角1与折射角2之间满足如下约束：当光在两种不同折射率表面微元反射时，有反射定律:反射角等于入射角。-5-基本光学关系式基本光学关系式界面反射损失界面反射损失对于垂直入射的单色光，反射率可描述为对于非垂直的光照射到界面上时，反射率随入射角1和折射角2变化为-6-基本光学关系式基本光学关系式吸收定律吸收定律设照射在吸收物薄片上的辐射通量为，而透过的辐射通量为d。当入射通量增加时，光束中被吸收的光子数量也成比例地增加
3、，也就是说d与成整体；同样，由于与光束相互作用的吸收剂的数目和薄片的厚度db成正比，即设厚度从0到b的变化使得光通量从0变为，于是 -7-k-吸收系数基本光学关系式基本光学关系式吸收定律吸收定律在分子光谱中，吸收系数被分解成与物质组分以及浓度相关的两项，即在吸收光谱中，透过率表示为吸收度-8-光路中的光现象光路中的光现象波的叠加波的叠加干涉干涉干涉指两列或多列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。-9-牛顿环干涉图样光路中的光现象光路中的光现象波的叠加波的叠加衍射衍射当障碍物的线度与光波波长可比拟时，光线偏离直线传播，进入几何暗影区，并
4、形成明暗相间的条纹的现象。衍射也是波叠加的结果，表现为直线传播的光束在遇到障碍时的绕射。-10-单缝处波阵面分出半波带光路中的光现象光路中的光现象波的叠加波的叠加衍射衍射艾里斑 当单色平行光垂直照射到小孔上，产生衍射，衍射光被透镜L会聚到屏幕E上，形成明暗交替的圆环，中心光斑较亮。-11-夫琅和费圆孔衍射光路中的光现象光路中的光现象光学仪器的分辨率光学仪器的分辨率瑞利判据瑞利判据 当一个艾里斑的边缘，正好与另一个艾里斑的中心重合时，这两个艾里斑刚好能被区分开。光学仪器的分辨率光学仪器的分辨率根据瑞利判据，两个艾里斑中心对圆孔中心的张角，正好等于艾里斑半径对圆孔中心的张角时，这两个艾里斑恰好能被
5、区分可。因此，瑞利判据可用下式表示-12-光路中的光现象光路中的光现象光的偏振态与旋光光的偏振态与旋光光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做偏振。偏振光包括如下几种：线线偏偏振振光光，在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。部部分分偏偏振振光光，光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。椭椭圆圆偏偏振振光光，在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。圆圆偏偏振振光
6、光，旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。-13-光路中的光现象光路中的光现象光的偏振态与旋光光的偏振态与旋光偏振的度量偏振的度量 偏振度若与最大和最小振幅对应的光强分别为Imax和Imin，则偏振度的定义为 对于自然光：Imax=Imin，P=0，偏振度最小；线偏振光：Imin=0，P=1，偏振度最大；部分偏振光：0P1。-14-光路中的光现象光路中的光现象人为双折射现象人为双折射现象 有些各向异性介质在外力作用下会改变双折射性质，这类现象称为人为双折射现象人为双折射现象。电电光光效效应应在外界电场作用下会形成各向异性而产生双折射。在磁场作用下，也能使非晶体产生双折
7、射现象。光光弹弹性性效效应应玻璃、塑料等非晶体在通常情况下是各向同性的，但在机械应力（拉力或压力）作用下会变成各向异性而显示双折射现象。-15-光路中的光现象光路中的光现象旋光现象旋光现象线偏振光通过某些物质后，其偏振面将也会以光传播方向为轴线转过一定角度，这种现象称为旋光现象。能够产生旋光现象的物质称为旋光物质，又分两类：(1)右旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按顺时针方向转动的物质，如葡萄糖、石英;(2)左旋物质：迎着光的传播方向观看，使振动面按逆时针方向转动的物质，如果糖。-16-光路中的光现象光路中的光现象旋光现象旋光现象1）对于晶体旋光物质，振动面的旋转角与光在物质中所经过的距
8、离l成正比，即 =l 式中，为旋光率，与波长和物质性质有关。2）对于液体类旋转物质，振动面旋转的角度与光在物质中所经过的距离l、以及溶液浓度成正比，即 =lc 式中，c：溶液浓度；：旋光率，与波长和溶液性质与温度有关。-17-光路中的光现象光路中的光现象散射散射弹性散射弹性散射 通常，弹性散射被分成三类，即Rayleigh散射、Debye散射、Mie散射。也有人将Rayleigh散射、Debye散射归为一类，统称为Rayleigh-Debye散射。散射的类型与粒子相对于周围介质的折射率和粒子相对于入射辐射的波长有关。弹性散射的分类ns、nm散射体、介质的折射率，ds散射体的主要半径。-18-散
9、射散射类类型型对对折射率的要求折射率的要求对对大小的要求大小的要求Rayleigh|ns/nm-1|1ds0.5Debye|ns/nm-1|0.10.5ds0ds光路中的光现象光路中的光现象RayleighRayleigh散射散射 Rayleigh散射是散射体的大小远比入射光束波长小的分子、原子这样一些粒子产生的散射。在这种情况下，可以把散射体当作二次发射的点光源。对单个粒子而言，用非偏振辐射可获得一个关于散射角为对称的散射照度 其中，是以m3为单位的粒子极化性，是入射辐射的波长，是入射和散射光线间的角度，E0是入射光束的辐射照度，d是散射中心到探测器之间的距离。瑞利散射是造成天空是蓝色的、初
10、升太阳是红色的原因。-19-光路中的光现象光路中的光现象康普顿散射康普顿散射康普顿研究了X射线被较轻物质散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。实验发现：(1)散射光中除了和原波长0相同的谱线外还有0的谱线。(2)波长的改变量=0随散射角(散射方向和入射方向之间的夹角)的增大而增加.(3)对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量相同。波长为的散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。-20-光路中的光现象光路中的光现象非弹性散射非弹性散射Raman散射 Raman散射是激光与大气中液体和气体分子之间的一
11、种非弹性相互作用过程，产生了向长波或短波方向的移动。Brillouin散射光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发。-21-光学元件光学元件成像与导光元件成像与导光元件成像与导光元件主要有反射镜、透镜、光纤。(1)反射镜反射镜常用的反射镜有平面镜、球面镜、抛物面镜。(2)透镜透镜透镜是一种将光线聚合或分散的设备。(3)光纤光纤光纤全称光导纤维，是利用全反射规律而使光沿着弯曲途径传播的光学元件。-22-光学元件光学元件成像与导光元件成像与导光元件光纤不仅在通信领域取得了广泛的应用，而且在分光广度计中也用来实现不同
12、地点的光传输。光纤构造图，实际的光纤在薄层之外还有保护层-23-光学元件光学元件成像与导光元件成像与导光元件-24-n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01光学元件光学元件成像与导光元件成像与导光元件-25-当r=90的临界状态时，定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）arcsinNA是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。光学元件光学元件滤光与分光器件滤光与分光器件滤光与分光器件一般包括滤光片、棱镜、光栅、分光器。(1)滤光片滤光片按照滤光特性分为长波通、短波通
13、、带通和带阻四大类。(2)棱镜棱镜是由透光材料（如玻璃、水晶等）做成的多面体。棱镜的色散 如果平行的入射光由1，2，3三色光组成，且123，通过棱镜后，就分成三束不同方向的光，且偏向角不同。-26-光学元件光学元件滤光与分光器件滤光与分光器件棱镜的色散-27-不同波长的光在棱镜中的色散光学元件光学元件滤光与分光器件滤光与分光器件(3)光栅可以使入射光的振幅或相位（或两者同时）受到周期性空间调制的光学元件。(4)分光器分光器有两种类型，一种是空域实现的光束分路装置；一种是频域实现的不同波长的不同位置显示。-28-光学元件光学元件单色仪、多色仪和干涉仪单色仪、多色仪和干涉仪单色仪单色仪 单色仪是将
14、复合光分出单色光的装置(1)棱镜单色仪-29-1-入射狭缝 2-准直透镜 3-色散元件4-聚焦透镜 5-焦面 6-出射狭缝 光学元件光学元件(2)光栅单色仪单色仪还可以用光栅作为色散元件，反射光栅是由磨平的金属表面上刻划许多平行的、等距离的槽构成。辐射由每一刻槽反射，反射光束之间的干涉造成色散。-30-光栅及光栅单色仪光学元件光学元件干涉仪干涉仪(1)迈克尔逊干涉仪-31-光学元件光学元件干涉仪干涉仪(2)马赫泽德干涉仪-32-光学元件光学元件干涉仪干涉仪(3)法布里珀罗干涉仪-33-光束扫描光束扫描机械扫描机械扫描机械扫描方法虽然原始，扫描速度慢，但其扫描角度大而且受温度影响小，光的损耗小，
15、而且适用于各种光波长的扫描，因此，机械扫描方法在目前仍然是一种常用的光束扫描方法。电光扫描电光扫描电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向。-34-光束扫描光束扫描声光扫描声光扫描超声频率改变fs引起光束偏转角的变化为-35-大气调光大气调光吸收和散射出视场降低了目标信号，紊流和微粒前向散射使图像失真，进入视场的散射和路径辐射降低了目标的对比度。-36-大气调光大气调光大气衰减大气衰减衰减就是辐射沿着视线传输时总的减少量，包括吸收和散射，谱透过率为 R为路径长度；()为谱衰减系数。由于衰减的存在，目标的表观对比度也会受到影响，表观对比度为-37-大气调光大气调光大气分子的吸收光波在大气中传播时，大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。-38-大气调光大气调光大气分子散射在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射。瑞利散射系数的经验公式为m瑞利散射系数 N单位体积中的分子数A分子的散射截面积 光波长大气气溶胶的衰减大气中有大量的粒度在 0.03 m到2000 m之间的固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气气溶胶。-39-LOGO