2014光学系统设计5.ppt

1、光学系统设计 LENS DESIGN,卢春莲 哈尔滨工程大学理学院,第四部分 现代光学系统设计,激光光学系统 光纤光学系统 红外光学系统 扫描光学系统 傅里叶光学系统,高斯光束的特性,1）高斯光束在空间的场分布函数,高斯光束传播中的三个重要参数：高斯光束在位置z处的截面半径w(z)、波面曲率半径R(z)、相位因子 。,1、激光光学系统,高斯光束的特性,1、激光光学系统,2) 高斯光束的截面分布,A(z),A0(z),A0(z)/e,w(z),高斯光束截面的振幅分布曲线,r,高斯光束的截面半径为振幅下降到中心振幅A0(z)的1/e时的光束半径 。,高斯光束的特性,1、激光光学系统,3)高斯光束

2、的截面半径：,z,w0,w(z),R(z),高斯光束的传播,z,模拟效果图,高斯光束的特性,1、激光光学系统,4）高斯光束的曲率半径,高斯光束在位置z处的曲率半径R(z)可表示为：,可以看出，高斯光束在传播过程中，每一点处的光束波面的曲率半径均不一样，且经历了由无穷大开始逐渐减小，达到最小值后又开始增大，直到在无限远处又达到无穷大的过程。对高斯光束截面半径和曲率半径分析可知，激光的传播与点光源发出的同心光束的传播不同，同心光束的传播可仅由一个参数曲率半径来表征，而激光的传播则需要两个参数：高斯光束的截面半径和波面曲率半径。,高斯光束的特性,1、激光光学系统,5） 高斯光束的位相因子,基模高斯光

3、束的位相因子可表述为,相位因子描述了高斯光束传播过程中波面一点(x, y, z)相对于原点(0, 0, 0)的相位滞后。,高斯光束的特性,1、激光光学系统,6） 高斯光束的远场发散角,发散角是激光光束的重要参量，它描述了光束的发散程度。高斯光束的发散角可以用光斑半径分布双曲线的渐近线与z轴的夹角来表示，有：,高斯光束的特性,1、激光光学系统,7） 高斯光束传播的复数参数表示q参数,高斯光束的复曲率半径q(z)定义为:,当z=0，由上式可以得到:,可得:,同心球面波沿z轴传播时曲率半径满足：R=R0+z，对比上式，高斯光束的复曲率半径和同心球面波的波面曲率半径R的作用是相同的。,高斯光束的特性,

4、1、激光光学系统,两组参数都可以确定基模高斯光束的具体结构，一般来说，用束腰半径、波面曲率半径来描述高斯光束较直观，用复数参数来研究高斯光束的传播规律，特别是高斯光束通过光学系统的传播会更方便。,1、激光光学系统,高斯光束的透镜变换,1）高斯光束的成像规律,l,-l,-R1,C,C,高斯光束的透镜变换,R2,分析高斯光束经过理想透镜后的成像规律。对于高斯光束的成像，其物面可看作物方束腰所在位置，像面可看作像方束腰所在位置。如图所示，在紧贴透镜的前后面，曲率中心为C，曲率半径为-R1的高斯光束经焦距为f的透镜变换后，变成曲率中心为C，曲率半径为R2的高斯光束。在近轴区内可以将高斯光束的波面看成一

5、个球面波，则透镜前后的球面波满足成像公式：,1、激光光学系统,高斯光束的透镜变换,当透镜为薄透镜的时候，高斯光束在透镜前后具有相同的通光口径：,由复曲率半径表达式可得：,结合成像公式可得到：,即高斯光束的复曲率半径也满足近轴成像关系。,1、激光光学系统,高斯光束的透镜变换,已知高斯光束的束腰半径w0和束腰到透镜的距离-l，可以求出经过透镜变换后新的束腰半径w0和束腰位置l。高斯光束的束腰半径为w0，束腰到透镜的距离为-l，有,其中， q0为经透镜变换后的高斯光束在束腰处的参数。由于,解得,l,-l,-R1,C,C,R2,1、激光光学系统,高斯光束的透镜变换,当l=-f时，求得l=f，即当高斯光

6、束的束腰在透镜的物方焦面上时，经透镜变换后得到的高斯光束的束腰位于透镜的像方焦面上，显然和几何成像规则迥然不同。此时有,可证明此时的出射的高斯光束具有最大的束腰半径。,当-l0，这一点和几何成像规律也存在着差异。当-l-f时，此时高斯光束的束腰距透镜很远，有:,即,1、激光光学系统,高斯光束的透镜变换,由此可见，当满足束腰位置远离透镜的条件时，物高斯光束的束腰位置与经透镜变换后、像高斯光束的位置满足近轴光学的成像公式。此时束腰的放大率为：,1、激光光学系统,高斯光束的透镜变换,2）高斯光束的聚焦和准直,在一些应用场合，为了提高激光光束的光功率密度，需要对激光束聚焦；在另外一些场合，为了减小光束

7、的发散角，从而使能量不会随距离很快散开，需要对高斯光束进行准直。,高斯光束的聚焦是高斯光束透镜变换的重要应用之一。高斯光束能聚焦成极小的光斑，其尺寸可以达到波长的量级，因此功率密度极高。通常利用聚焦光束进行打孔、切割和焊接等多种加工；此外还可以利用聚焦光斑小、空间分辨率高的优势实现高密度信息储存。实现聚焦要求透镜变换后的新束腰小于原来的束腰。观察束腰半径公式知，经透镜变换后的束腰半径与z和f均有关。当物距足够大、焦距足够小时，激光束可以被聚焦为很小的光斑。,1、激光光学系统,高斯光束的透镜变换,对高斯光束进行准直的核心在于减小光束的发散角，提高方向性。但是高斯光束发散角公式可知，光斑大小和光束

8、的发散角之间成反比，因而激光束的准直实际上就是在发散角和光斑大小之间求得一个可满足要求的平衡。 高斯光束经单个透镜变换后，不可能获得平面波，但是根据高斯光束的性质知当焦距f很大且物方高斯光束的束腰很细时，高斯光束的发散角比较小，接近于平面波。 在实际应用中的激光准直系统中，通常采用二次透镜变换的方法，即第一次使用短焦距透镜对高斯光束进行压缩得到较小的w0，第二次使用焦距较大的透镜，减小高斯光束的发散角。,-l,高斯光束的准直,1、激光光学系统,激光光学系统的应用,超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括为三个方面，即飞秒激光在超

9、快领域内的应用、在超强领域内的应用和在超微细加工中的应用。飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的“相机”可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来。,超快超强激光：,1、激光光学系统,激光光学系统的应用,瞬态光学研究瞬态现象的光学诊断手段及瞬态过程伴有的光学现象，包括高速摄影和超短激光脉冲技术。,高速摄影： 快速记录瞬态过程时间放大镜。 现代精密高速摄影仪器已可分辨10-13 s，从而使人眼的时间分辨本领提高了12个数量级。 高速摄影技术已在各种科技领域中得到广泛的应用 。,1、激光光学系统,激光光学系统

10、的应用,1、激光光学系统,激光光学系统的应用,1、激光光学系统,激光光学系统的应用,1、激光光学系统,激光光学系统的应用,飞秒科学技术的发展已有近20年历史，80年代末泽维尔教授做了一系列试验，他用可能是世界上速度最快的激光闪光照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和新形成的过程。这种照相机用激光以几十万亿分之一秒的速度闪光，可以拍摄到反应中一次原子振荡的图像。他创立的这种物理化学被称为飞秒化学，即用高速照相机拍摄化学反应过程中的分子，记录其在反应状态下的图像，以研究化学反应。常规状态下，人们是看不见原子和分子的化学反应过程的，现在则可以通过飞秒化学技术研究单个原子的

11、运动过程。,超短激光脉冲技术：,1、激光光学系统,激光光学系统的应用,基本的原理在于“pump & probe”。首先，以第一个强激发脉冲（pump pulse）引起反应，同时决定时间零点。然后，利用第二个探测脉冲（probe pulse）在一段延迟时间之后，测量因分子振动的变化所引起的光吸收之改变，而知道分子处于何种状态。两个脉冲发射的时间间隔，可据由改变探测脉冲与激发脉冲之间所走过的距离差异（光程差），来作微细调整。由于光速每秒三十万公里，一飞秒的延迟时间需要约三百三十万分之一公尺的光程差，若利用精密的机械，即可轻易达成此一微小距离。接着，稍微改变两个激光照射的时间间隔（即改变光程差），并

12、不断地反复实验，即可得到许多数据，将这些不同时间所得到的数据串连在一起，则彷佛能实际观察到化学反应的整个经过。,1、激光光学系统,激光光学系统的应用,化学分子在飞秒激光作用下的分离过程,2、光纤光学系统,纤芯n1,包层n2,保护套,光纤的基本结构,光纤是由光纤预制棒拉伸而成的细长光学纤维。由于能够将光信号约束在狭小的纤芯中传播较远的距离且衰减很小，光纤在通信、医学、工业、国防、传感等领域得到了重要应用。光纤根据其传光特性分为两种，一种是阶跃型光纤，即光纤的纤芯和包层分别为折射率不同的均匀透明介质，因此光线在阶跃型光纤内的传输是以全反射和直线传播的方式进行。另一种是梯度折射率光纤，即光纤的中心到

13、边缘折射率呈梯度变化，因此光线在光纤内的传播轨迹呈曲线形式。,2、光纤光学系统,阶跃型光纤,n1,I,I,U,阶跃型光纤,n2,阶跃型光纤的剖面如图所示。为使光线约束在纤芯层中传播，必须满足全反射条件：其一、要求纤芯折射率n1包层折射率n2；其二、入射孔径角U要小于一个临界值，使得进入光纤的光线到达纤芯和包层的光滑分界面时，入射角I大于临界角Im。依据折射定律，孔径角U与入射角I的关系可表示为：,1) 阶跃光纤的导光原理,2、光纤光学系统,阶跃型光纤,根据全反射定律有:,结合前两式可以得到:,即要光线在光纤内发生全反射，则入射在光纤输入端面的光线最大入射角Um应满足上式。,2、光纤光学系统,阶

14、跃型光纤,2） 阶跃光纤的数值孔径,我们定义 为光纤的数值孔径NA，即,光纤的数值孔径是光纤的重要参数，它代表着光纤的传光能力，即能传输多大立体角内的光线。要想使光纤通过较多的光线，就必须增大光纤的数值孔径，根据上式，须增大n1和n2的差值。,2、光纤光学系统,阶跃型光纤,3）光纤耦合系统,光纤中传输的光来自光源的辐射，在光纤通信中，要求将半导体激光器发出的激光耦合进通信光纤，目前常见的耦合方式有单透镜耦合和双透镜耦合两种。由于半导体激光器发光区和光纤纤芯尺寸都很小，所以采用单透镜方式对透镜的成像质量和系统容差要求都很高；双透镜耦合光路，其特点是容差相对较大、设计灵活、结构型式利于像差平衡、可

15、在中间平行光路中插入光学元件而不影响耦合系统光学性能等。,半导体激光器与光纤的耦合,2、光纤光学系统,阶跃型光纤,半导体激光器受其结构限制，通常发光区尺寸很小(通信用的半导体激光器发光区尺寸约12.5um)，按照衍射原理，其发散角较大：数值孔径在快轴方向约0.30.6，而普通单模光纤的数值孔径一般在0.10.2。所以对于双透镜光路，常需要一块短焦距、大数值孔径的非球面透镜压缩发散角，而后面需要一块长焦距、小数值孔径的聚焦镜实现准直后光束与单模光纤的有效匹配。,2、光纤光学系统,阶跃型光纤,小功率的半导体激光器的输出场和单模光纤中的光场都可以用基模高斯光束描述，因此，半导体激光器与单模光纤的耦合

16、可以看作高斯光束通过光学系统变换后，与另一个高斯分布场的耦合匹配问题，耦合效率T的高低取决于两者模式匹配的程度，可用下式计算：,其中， 和 分别为光纤横截面和入射于其上的聚焦光束的复振幅分布。,2、光纤光学系统,梯度折射率光纤,梯度折射率光纤的特点是光纤横截面内的折射率不是均匀分布，而是和位置有关，一般是轴线处折射率最高、远离轴线折射率逐渐降低。梯度折射率光纤的这一特点使得光线在其内传播时轨迹不是直线，而是曲线。,梯度折射率光纤中的光线传播,z,r,U0,O,U0,U,分析梯度折射率光纤的数值孔径，图中的z轴左边与光纤光轴重合，r表示光纤的径向坐标。若有一光线入射在光纤端面的光轴处O点，其入射

17、角大小为U0，折射曲线在O点的切线与轴的夹角为U0，依据折射定律有：,2、光纤光学系统,梯度折射率光纤,根据分析，在梯度折射率光纤中连续运用折射定律可得：,式中，U为轨迹曲线上任意一点的切线与轴的夹角。r越大，n(r)越小，U角越小。若r=R时，U=0,则表示光线的轨迹在此处为拐点，曲线开始向下弯曲，由上式可得,式中，n(R)表示r=R处的折射率。,z,r,U0,O,U0,U,2、光纤光学系统,梯度折射率光纤,由此可得梯度折射率光纤子午光线的数值孔径：,将前式代入该式得到：,从上式可以看出，径向梯度折射率光纤子午线的数值孔径与n(0)和n(R)有关。,从上式可以看出，径向梯度折射率光纤子午线的

18、数值孔径与n(0)和n(R)有关。,2、光纤光学系统,梯度折射率光纤,梯度折射率光纤近轴子午光线的传播轨迹为正弦变化时，其折射率的变化近似为抛物线型分布，且近轴子午光线具有聚焦作用。所以梯度折射率光纤又被称为自聚焦光纤。这种自聚焦光纤可以让不同孔径角的光线汇聚于同一点，因而可有效地防止光信号的时间展宽。由于梯度折射率光纤在传播方向上呈现周期性的会聚和发散，可利用不同长度的梯度折射率光纤实现不同的成像功能，这时候梯度折射率光纤的作用类似于一个成像透镜，称为自聚焦透镜。,2、光纤光学系统,梯度折射率光纤,取自聚焦透镜的周期为P(也称作自聚焦透镜的节距)，上图给出了不同长度下自聚焦透镜的成像规律。从

19、图中可以看出：当自聚焦透镜的长度为0.25P时，平行光入射将会聚于透镜端面附近。当自聚焦透镜的长度为0.5P时，端面的轴上点物成1：1的点像，且为倒立实像。当自聚焦透镜的长度为0.75P时，其作用与0.25P相似，但用于成像时正倒立情况与0.25P相反。当自聚焦透镜的长度为1P时，端面的轴上点物成1：1的点像，且为正立实像。,不同长度的自聚焦透镜的成像规律,2、光纤光学系统,光纤光学系统的应用,由于光纤束具有传光和传像特性，因此作为传光和传像的光学元件，在许多光学系统中得到了广泛应用。例如内窥镜光学系统、光纤高速摄影系统、光纤全息内窥镜系统、光纤潜望系统等。,传像光纤束的功能是传输图像，因此必

20、须有一幅图像输入到传像束的输入端面。在一般的光纤系统中，担任这一任务的是成像物镜，它可把不同大小和距离的物体成像在传像束的输入端面。,2、光纤光学系统,光纤光学系统的应用,对物镜光轴上的像点A来说，其成像光束的立体角相对光轴是对称的，而对轴外像点B来说，其成像光束的立体角是相对主光线对称的。由图可看出，轴上像点A的光束正入射在传像束的输入端面上，而轴外像点B的光束是斜入射在传像束的输入端面上，当物镜L的像方孔径角u和光纤的数值孔径角相等时，轴上像点A的光束能全部进入传像束中传输，而轴外像点B的光束，由于其主光线与传像束的输入端法线成一夹角（视场角），使得光束的一部分下光线的入射角大于传像束的数

21、值孔径角，而使其不能通过传像束，相当于几何光学中栏光作用。而且随着物镜视场角的增大，像点B的栏光增多，使得传像束输出图像的边缘变得较暗，这是光纤光学系统所不能允许的。,2、光纤光学系统,光纤光学系统的应用,为了克服上述缺陷，光纤光学系统的成像物镜应设计成像方远心系统。由于像方远心系统的孔径光阑位于物镜L的前焦面处，使得物镜的像方主光线平行于物镜光轴，轴外像点B的光束与轴上像点A一样，正入射在传像束的输入端面，使得轴外像点不存在拦光现像，可获得与输入图像光强分布近乎一致的输出图像。,2、光纤光学系统,光纤光学系统的应用,为了观察传像束的输出图像，在传像束的输出端面之后需连接目镜或光电图像转换器件

22、，因此对传像束的后置光学系统也应有一定的要求。这是因为传像束输出端的光束发散角受光纤束的传光特性所限，它不同于自发光物体，而是以光纤数值孔径角的大小发散光线，因此后置光学系统应设计成物方远心光学系统，如图所示。其后置光学系统的孔径光阑位于物镜的后焦面上，使其物方主光线平行于物镜光轴，才能获得相匹配的光束衔接。,2、光纤光学系统,光纤光学系统的应用,若把传像束的输入端和输出端的光学系统连接起来，如图所示，传像束的输入、输出端面相当于前后二个光学系统的中间像面，其光瞳位置是衔接的，尤如不存在传像束的二个光学系统组合一样。但我们不能完全将其看成是二个光学系统的组合，这是因为二个光学系统的组合，只要考

23、虑光瞳位置的衔接就可以了，而在光纤光学系统中，除考虑光瞳位置的衔接外，前后光学系统的光瞳大小还必须单独考虑。例如前方成像系统的像方孔径角小于传像束的数值孔径角时，则后方成像系统的相对孔径不应以前方成像系统的像方孔径角为准，原则上应以传像束的数值孔径角为准，这是因为光纤束的传光特性决定其出射光束以充满光纤的数值孔径角出射的，若不满足上述要求，则后方成像系统就会限制传像束的光能传输。,2、光纤光学系统,光纤光学系统的应用,2、光纤光学系统,光纤光学系统的应用,3、红外光学系统,红外光学系统的特点,红外光学系统是指发射或接受红外光波的系统。单从能量传递和成像角度考虑，红外光学系统和其他光学系统没有本

24、质区别，但由于其工作波长位于红外波段，因而红外光学系统在透镜材料、光学质量评价、工作方式等方面有着自身的特点：(1) 红外辐射集中在波长大于1um的不可见光区域，而大多数工作于可见光波段的光学材料对此区域不透明或透过率较低。而且，在可透红外光的光学材料中，只有几款材料能获得较大的尺寸和良好的机械性能。正因为此，反射式、折反式结构的红外光学系统占有重要的地位。,3、红外光学系统,红外光学系统的特点,(2) 大多数红外光学系统需要配备红外探测器使用，因而判断红外光学系统的成像性能的指标要以它和探测器匹配的灵敏度、信噪比作为主要评定依据，而不是以光学系统的分辨率为主，这一点和数码相机系统的设计相似。

25、(3) 红外探测器的接受面积一般都很小，因而红外光学系统的视场都不大，在像差校正时主要考虑轴上点、轴外点可少考虑(满足正弦条件即可)；特别是反射系统，色差也不用考虑。为提高系统探测的灵敏度，其相对孔径通常较大，因此小视场、大孔径是红外光学系统的普遍特征。,3、红外光学系统,红外光学系统的特点,(4) 有些红外热成像、红外跟踪成像系统要求在一个较大的视场范围内搜索目标或成像，前面说过红外光学系统的视场一般较小，因而需要配合光机扫描装置来扩大成像视场。一个典型的扫描光学系统如上图所示。由于扫描摆镜安置在成像系统之前，因此此结构对成像质量的影响较小，但体积比较庞大、相应的功耗也大。为此，有的红外光学

26、系统的扫描摆镜被安置在会聚光路中以缩小扫描摆镜尺寸，但成像光路中引入扫描摆镜会影响成像质量，在系统像差均衡时要充分考虑这一点。,3、红外光学系统,红外光学系统的特点,(5) 常见红外波段的波长约为可见光的5-20倍，依据衍射受限的爱里斑角半径公式： ，波长 越长、弥散斑越大，从而系统分辨率越差。为提高分辨率，需要提高系统的孔径D。,3、红外光学系统,典型红外光学系统,目前应用的红外系统按其工作性质可分为四类：探测、测量装置，如辐射计、测温仪等；跟踪装置，用于对运动目标进行跟踪、测量及导弹制导等；搜索装置，用于森林防火、入侵探测等；成像装置，用于观察景物图像及分析景物特性，如热像仪。,1）红外测

27、温仪系统,红外测温仪是用于测量目标物体的辐射温度或其他辐射特性的仪器。,3、红外光学系统,典型红外光学系统,目标辐射通过物镜L1会聚，经分束镜分成两路，一路通过分束镜后聚焦在分划板上，作为瞄准之用；另一路被反射光路折转90度后会聚于探测器。光线在到达探测器之前要经过调制盘进行调制，调制盘边缘按等间距开槽，表面镀反射膜，因此兼作反射镜使用。调制盘安装在马达上旋转，转到开口处时目标辐射可到达探测器，而转到叶片处时，目标辐射被阻挡。这时参考辐射源信号被叶片反射镜反射后到达探测器上。这样调制盘就把目标的辐射和参考辐射源的信号交替的射向探测器，这时我们就可以通过探测器的输出对目标辐射和参考辐射源信号进行

28、鉴别和比较，并用调节参考辐射源的方法使目标辐射和比较光信号平衡。测温仪的温度指示可由辐射源的标定给出。,3、红外光学系统,典型红外光学系统,3、红外光学系统,典型红外光学系统,2）红外热像仪系统,红外热像仪和红外测温仪一样，可以获得被测物体表面的温度，主要不同之处在于测温仪一般仅获得物体一点的温度，而热像仪可以获得物体的整个温度分布情况、并以图像的形式显示出来，因而可分析物体各部分的发射本领的差异。,3、红外光学系统,典型红外光学系统,2）红外热像仪系统,红外热像仪可安装在飞机机头下方(称作红外前视仪)，用来摄取前下方地面景物的热图像，供机上人员实时观察。而地面热像仪分为医用热像仪和工业用热像

29、仪二大类。它们的工作原理是一样的，主要差别仅在于工业热像仪的空间分辨率和热分辨率低一些。此外，由于工业热像仪拍摄的是工业热图，温度较高，常采InSb探测器，而医用热像仪拍摄的是人体，温度为37左右，因此常采用HgCdTe探测器。,3、红外光学系统,典型红外光学系统,如前所述，红外热成像系统的瞬间视场较小，需要扫描系统来扩大视场。之前给出的是将扫描摆镜放在成像系统之前的一种结构形式；将扫描镜放在成像系统中的一种光路如上图所示。图中扫描装置5和6放在近似平行的光路中，其中5为八面转鼓，可实现行扫描；6为平面摆镜，可完成帧扫描。,红外热成像系统光路示意图,1保护玻璃 2主镜 3次镜 4望远系统后组透

30、镜 5八面外反射行扫描转鼓 6平面摆动帧扫描镜 7准直镜 8探测器,3、红外光学系统,典型红外光学系统,红外热像仪的应用优势： 穿透烟雾和尘埃的能力很强 目标伪装困难 远距离、全天候观察 有很高的温度灵敏度和较高的空间分辨能力,3、红外光学系统,典型红外光学系统,3）红外跟踪系统,红外跟踪系统用于对运动目标的跟踪。当目标在接收系统视场内运动时，便出现了目标相对于系统测量基准的偏离量，系统测量元件测量出目标的相对偏离量，并输出相应的误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动系统的测量元件向目标方向运动，减小其相对偏离量，使测量基准对准目标，从而实现对目标的跟踪。,3、红外光学系统,典型红外光学系统,上

31、图描述了一种红外跟踪系统的光路示意图。由目标辐射来的红外辐射经保护窗口1照射到主镜2上，经聚焦并反射到次反射镜3上，由次镜3反射后成像于调制盘4上，光锥5和浸没透镜6将透过调制盘后的光能汇聚在探测器7上。红外辐射经调制盘调制后成为调制信号，目标像点在调制盘上所处的位置与目标在空间相对光轴的位置是一一对应的，因此，通过光学系统聚焦以及调制盘调制后的信号，可以确定目标偏离光轴的大小和方位。,红外跟踪系统光路示意图,1保护窗口 2主镜 3次镜 4调制盘 5光锥 6浸没透镜 7探测器,3、红外光学系统,典型红外光学系统,4） 红外夜视系统（微光系统 ）,3、红外光学系统,典型红外光学系统,4） 红外夜

32、视系统（微光系统 ）,3、红外光学系统,典型红外光学系统,4） 红外夜视系统（微光系统 ）,3、红外光学系统,典型红外光学系统,4） 红外夜视系统（微光系统 ）,像增强管与变像管 像增强管是将微弱的可见光图像增强，使之成为明亮的可见图像的真空电子器件。变像管是将不可见光的图像变成可见图像的真空电子器件。在像增强管和变像管中，当外来辐射图像成像于光电阴极时，光电阴极发射电子，电子经加速或经电子透镜聚焦并加速后，轰击荧光屏使之产生较亮的可见图像。1934年，G.霍尔斯特等人制出第一只红外变像管。工作时，在平面阴极与平面荧光屏之间加高电压，阴极与荧光屏距离很近。这是一种近贴聚焦系统。此后又出现静电聚

33、焦和电磁聚焦的成像系统。,3、红外光学系统,典型红外光学系统,4） 红外夜视系统（微光系统 ）,红外变像管的基本结构： 对于波长小于1.15m的近红外辐射，变像管利用银-氧-铯光电阴极，直接进行变像。 对于波长大于1.15m的红外辐射，因没有合适的光电阴极，利用光电导技术进行间接变像。光电导技术的变像原理：入射的红外辐射图像经红外物镜成像在光电导靶上，在靶面上形成相应的电势分布图像；当电子枪发射的电子束在偏转磁场的作用下，入射到靶面上时，就会受到电势图像的调制；原入射的电子束中有一部分电子再经偏转磁场和电场的作用而返回到荧光屏上，使之发出荧光。红外变像管的应用：军事、公安等方面的红外夜视仪器；

34、暗室管理、物理实验、激光器校准和夜间生物活动的观察。,3、红外光学系统,典型红外光学系统,3、红外光学系统,典型红外光学系统,4、扫描光学系统,光束传播方向随时间变化而改变的光学系统称其为扫描光学系统。可以实现以时间为顺序的图像电信号转变为二维目视图像，在激光存储器、激光打印机和高速摄影系统中都有广泛的应用。扫描光学系统分为：物镜扫描、物镜前扫描和物镜后扫描。,物镜扫描系统,4、扫描光学系统,一束平行光平行于物镜L的光轴入射，且平行光束的中心距物镜光轴为x，当物镜L严格校正像差后，平行光通过物镜L后一定聚焦于焦平面上的光轴处。若物镜L绕平行光束的中心轴线转动，则平行光束的聚焦点在物镜L的焦平面

35、上扫描出半径为x的圆，当调整物镜光轴与平行光束中心轴线间的距离时，可得到任意半径的扫描圆，所得扫描圆的最大直径应小于物镜L的直径。特点：扫描形式最简单，只运动物镜即可达到光束扫描的目的。,物镜后扫描系统,4、扫描光学系统,特点：优点是物镜口径相对较小（只要满足扫描光束的口径要求），且扫描物镜只要求校正轴上点像差即可。缺点是扫描像面为一曲面，不利于图像的接收与转换。,物镜前扫描系统,4、扫描光学系统,为了克服后扫描系统的缺陷，把扫描反射镜置于物镜之前，称其为物镜前扫描系统。只要物镜严格地校正轴上点和轴外点像差，即可获得很好的扫描成像，且扫描成像面为一平面。因此一般的光学扫描系统多采用物镜前扫描形

36、式。,远心扫描系统,4、扫描光学系统,为了保证物镜前扫描系统在扫描像面上得到均匀的像面照度和尺寸一致的扫描像点，扫描物镜一般设计成像方远心光路，使其像方主光线始终垂直于扫描像平面，这种扫描系统又称其为远心扫描系统。若要保证远心扫描特性，除扫描物镜作远心物镜设计要求外，对提供给扫描物镜的成像光束也必须满足远心光路的要求，即只有扫描反射镜的转动轴心与扫描物镜的物镜焦点重合时，才能使轴外扫描光束的中心光线（主光线）通过物镜的物方焦点，构成像方远心光路。,4、扫描光学系统,远心扫描透镜 CO2 10.6um/9.6um远心扫描透镜是经过特殊设计, 为了使聚焦光束的主光线在任何视场角的情况下都垂直于焦平

37、面，这是通过使镜头的出射瞳在像空间无限远来实现的。 远心扫描镜头在减小聚焦光斑的崎变和钻孔角度方面有特殊优势, 因而被广泛的应用于精密激光打标和钻孔中，其中一个典型的应用是电子线路板的钻孔。 设计中要求至少有一片透镜的尺寸大于扫描范围, 所以在实际应用中通常只有小扫描范围的远心镜头是可行的。,远心扫描系统,扫描物镜f物镜,4、扫描光学系统,物镜前扫描光学系统的光束入射角是随时间而变化的，且通过扫描物镜在垂直于光轴的像平面上成像，因此像平面上的成像位置y(t)应为光束入射角(t)的函数，y(t)=f(t)。对等角速度扫描的光束，若要通过扫描物镜在垂直于光轴的像平面上等速扫描成像，其扫描物镜所得到

38、的像高为f，即与角呈线性关系，以满足按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，这就是通常把扫描物镜称作为f物镜的原因。人为引进负畸变实现反射镜转动扫描时，物方光束角扫描和像方光束线扫描保持线性关系，保证不失真。,扫描物镜结构形式,4、扫描光学系统,轴上点光线在透镜上的入射高度较低，轴外点光线在透镜上的入射高度较高，因此校正轴外点像差，是f物镜设计的主要着眼点。为了满足f物镜残存一定的畸变量和像方远心光路的要求，其结构型式多采用多片分离式的负弯月形物镜。如图为扫描物镜常用的结构形式。光焦度的分配为负-正-负形式，前两组正负焦距和间隔满足总的光焦度要求，有利于平像场物镜设计，第三组

39、为负组，位于像面附近，有利于满足像方远心光路的要求。,傅里叶光学,5、傅里叶光学系统,现代光学的一个分支，将通信理论中使用的傅里叶分析方法移植到光学领域而形成的新学科。在通信理论中，要研究线性网络怎样收集和传输电信号，一般采用线性理论和傅里叶频谱分析方法。在光学领域中，光学系统是一个线性系统，也可采用线性理论和傅里叶变换理论研究光在光学系统中的传播。,利用透镜前后焦面上光场分布互为傅里叶变换的关系，可以分析各种图像的空间频谱，对图像进行识别和分类，利用透镜的傅里叶性质经空间滤波，可以使一个光学系统具有数学模拟运算能力，称为“光计算机”。,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,1）傅里叶

40、变换光学系统 4f 光学变换系统,P：输入面（物面）；F：频谱面；P 输出面（像面）。,则是E( x1,y1)的菲涅耳衍射。,在光学信息处理中，此系统称为 4f 系统。,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,1）傅里叶变换光学系统 4f 光学变换系统,结论：当物体在透镜的前焦面上时，在透镜的后焦面上得到准确的傅里叶变换。,当d0=f 时，有,E(x,h)是E(x1,y1) 准确的傅里叶变换。,其中，C0 是光束走过 2f 距离产生的位相延迟。,注意：准确与非准确傅里叶变换之间的差别只是 C 与 C0。,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,1）傅里叶变换光学系统 4f 光学变换

41、系统,同样，从 F 面P到也是准确的傅里叶变换，但坐标方向相反。,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,2）光学信息处理图象滤波（1）,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,2）光学信息处理图象滤波（2）水平狭缝光栏,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,2）光学信息处理图象滤波（3）垂直狭缝光栏,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,2）光学信息处理图象滤波（4）基频滤波,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,2）光学信息处理图象滤波（5）低频滤波,傅里叶变换与光学信息处理,5、傅里叶光学系统,用傅里叶变换处理图像,作业,1、给出光纤光学系统的应用实例 2、简述红外光学系统的特点,