光电测试技术3

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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一、放大镜和放大率Lyn放大镜的工作原理yyFF显微光学系统n原理显微镜的分辨本领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 ，数值孔径越大，分辨力越高。显微镜的有效放大率n目视显微镜的有效放大率n采用光电摄像器件时显微物镜的 有效放大倍数n4NA*d/500NA 1000NA 500NA,

2、 物镜的分辨力没有充分利用1000NA 物体的细节不会更清楚，无效放大显微系统的景深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

3、，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-消除/减少由于视差所引起的测量误差。 像方远心光路作用：消除/减少测距误差。 主要用于被测物体大小已知，测量物所在距 离。 无限远像距系统平行光路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获得均匀照度的像面视场。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 用观察用准确性高低放大倍率低高像质要求高低工作距离、视场大小第二节 望远光学系统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原理和性质望遠鏡的歷史n在17

4、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 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

5、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

6、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。伽利略望远镜物镜目镜伽利略望远镜的放大倍率太小开普勒望远镜物镜目镜而开普勒望远

7、镜的镜筒太长望遠鏡種類n折射式望遠鏡：l伽利略望遠鏡l開普勒式望遠鏡n反射式望遠鏡：多用於天文觀測l牛頓式lCassegrainn折反射式望遠鏡lSchmidt-Cassegrain折射式望遠鏡的優點n影像穩定 l折射式望遠鏡鏡筒密封，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

8、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。反射式与折反射式望远镜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牛顿望远镜n卡塞格伦望远镜n格里高利光学系统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消 色 差l任何可見光均聚焦於一點。n鏡 筒 短l通常鏡筒長

9、度只有主鏡直徑八倍， 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 的腳架。n價錢便宜l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 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

10、聚焦於不同地方，但小口徑鏡不 成問題。n保養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

11、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望远镜视角放大率n目视望远镜 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望远镜的分辨力用极限分辨角 来表示n瑞利判据 =1.22/Dn 道威判据 =/Dn有效放大率n工作放大率望远系统的景深n调节景深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 空间范围称为调节景深n几何景深成清晰像的范围叫做几何景深视觉放大率越大，调节景深就越小望远镜成清

12、晰像的空间范围从望远镜前p到无穷远准直、自准直望远镜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 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

13、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二、相对孔径n照相物镜像平面的光照度和相对孔径的平方 成正比，听以照相物镜的相对孔径主要影响像平面光照度。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 机物镜可分为:弱光照相物镜

14、（ 在1:6.3 以下）、普通物镜（ 在1:5.61:3.5） 、强光物镜（ 在1:2.81:1.4）、超强 光物镜（ 在1:11:0.8）。 n 三、视场角 n照相物镜的视场角决定了被摄景物的范围。不同照相机画面的尺寸 是一定的，例如：n16mm电影摄影机 l0.4*7.5 mm2n35mm 电影使影机 22*16 mm2n135#照相机 36*24 mm2n120#照相机 55*55 mm2n用于航空摄影的照相机，画面要大得多，常用的有180*180 mm2、 240*240 mm2、360*360 mm2。n 照相机的视场角和画面尺寸之间的关系，可由无限远物体理想 像高公式表示 n相机的

15、幅面一定，即 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， 越小，则 越大，因此短焦 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（ 在40以下）、常角镜头（ =45）、广角镜头（ =70100）、超广角镜头（ 在100以上）。 n四、分辨率n 照相物镜分辨率表示照相物镜分 辨被摄物体细节的能力，是衡量照相 辨成像质量的重要指标之一，通常用 像平面上每毫米能分辨开黑白线条的 对数表示，照相物镜的理想分辨率n由公式可见，即相对孔径越大，分辨 率越高。由于实际照相物镜存在像差 ，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

16、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 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 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 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 和电视摄影，现在巳逐步扩大到135#照相机和小型 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 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 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