光電測量的光學基礎

關于光電測量的光學基礎2知識要點●

光譜光視效能●

光度的基本物理量●

光度學基本定律●

光輻射在空氣中的傳播第2章光電測量的光學基礎●

常用的光學系統(tǒng)第2頁,共60頁，2024年2月25日，星期天3光譜---光波頻段的電磁波譜

紫外→可見光→紅外可見光譜

X射線（X光）：10~100nm一、物理光學基礎第3頁,共60頁，2024年2月25日，星期天4波動性粒子性---干涉、衍射、偏振---光電效應（物質相互作用）光由光子組成，每個光子能量僅與光的頻率有關：2.光的波粒二象性：電磁波方式傳播的粒子普朗克常數(shù)第4頁,共60頁，2024年2月25日，星期天5二、光度的基本物理量1）光通量（

v）---光功率（與輻射通量

e對應）單位：流明（lm）瓦（W）光通量與輻射通量之間的關系：Km---光功當量（人眼在明視條件下，波長555nm時，光輻射產生的光感覺效能）=683lm/W（理論計算值）—視見函數(shù)是光源發(fā)光強度和光線在物體表面的照度以及物體表面呈現(xiàn)的亮度的總稱第5頁,共60頁，2024年2月25日，星期天62)光量（光譜光能Qv）---光的能量（與輻射能Qe相對應）單位：流明

秒（lm

s）---光通量對時間的積分焦耳（J）二、光度的基本物理量第6頁,共60頁，2024年2月25日，星期天7---點輻射源在給定方向的單位立體角內輻射的光通量3）光強度（Iv）1坎德拉相當于均勻點光源在單位立體角內發(fā)出1流明的光通量。單位：坎德拉（lm·sr-1=candla=cd）二、光度的基本物理量第7頁,共60頁，2024年2月25日，星期天8光通量與發(fā)光強度之間的關系：---發(fā)光強度為Iv的光源在一定立體角內的輻射通量。所有方向上的發(fā)光強度相同時：立體角內的光通量：所有方向的光通量：二、光度的基本物理量第8頁,共60頁，2024年2月25日，星期天94）光亮度（Lv）---光強度dIv與面元dS在垂直于發(fā)光強度方向平面上的投影面積之比光源上某點處的面元dS在給定方向的光強度單位：cd·m-2

或者lm/sr·m2

二、光度的基本物理量第9頁,共60頁，2024年2月25日，星期天105）出射度（Mv）---單位面積光源所輻射的光通量單位：lm·m-26）照度（Ev）---投射到單位面積上的光通量單位：勒克斯（lx=lm·m-2）---接受光的面元上單位面積被輻射的光通量7）曝光量（Hv）---照度對時間的積分單位：lxs二、光度的基本物理量第10頁,共60頁，2024年2月25日，星期天11三、光度學基本定律1、余弦定律（布給定律）任意表面上的照度隨該表面法線與輻射能傳播方向之間的夾角余弦變化。第11頁,共60頁，2024年2月25日，星期天12三、光度學基本定律被光照的表面是理想漫反射表面（朗伯輻射表面）—朗伯余弦定律1、余弦定律（布給定律）第12頁,共60頁，2024年2月25日，星期天13三、光度學基本定律2、亮度守恒定律1）光束在同一種介質中傳輸?shù)?3頁,共60頁，2024年2月25日，星期天14三、光度學基本定律2、亮度守恒定律1）光束在同一種介質中傳輸L1=dI1/(dA1cosθ1)=d^2Φ/(dA1cosθ1d?1)

L2=d^2Φ/(dA2cosθ2d?2)

d?1=dA2cosθ2/r^2

d?2=dA1cosθ1/r^2

L1=L2

第14頁,共60頁，2024年2月25日，星期天15三、光度學基本定律2、亮度守恒定律2）光從一種介質傳輸?shù)搅硪环N介質考慮折射定律：nsinθ1=n'sinθ2

L1/n^2=L2/n'^2

基本幅亮度守恒第15頁,共60頁，2024年2月25日，星期天16三、光度學基本定律2、亮度守恒定律3）光傳輸過程中有光學系統(tǒng)L2=τ(n2/n1)^2L1光學系統(tǒng)的透射比τ<1一般光學系統(tǒng)的n1=n2光學系統(tǒng)無助于亮度的增加是通過材料或介質的光通量或輻射量與入射通量之比。第16頁,共60頁，2024年2月25日，星期天17三、光度學基本定律3、照度與距離的二次方反比定律理想點光源：dA=d?R^2

E=Φ/dAE=Φ/d?R^2

實際點光源（半徑為r）：E≈

πr^2Φ/d?R^2=πLr^2/R^2

第17頁,共60頁，2024年2月25日，星期天18四、光輻射在空氣中的傳播1、大氣衰減1）大氣分子吸收N2、O2：含量較多，但對可見光和紅外光幾乎不吸收；He、Ar、Xe、O3、Ne等：含量甚微，在可見光的近紅外區(qū)吸收譜線，不考慮其吸收作用；H2O、CO2：是可見光和紅外光最重要的吸收分子。大氣窗口第18頁,共60頁，2024年2月25日，星期天19四、光輻射在空氣中的傳播1、大氣衰減2）大氣分子散射瑞利散射：入射光在線度小于光波長的微粒上散射后散射光和入射光波長相同的現(xiàn)象；米氏散射：當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發(fā)生的散射。第19頁,共60頁，2024年2月25日，星期天20四、光輻射在空氣中的傳播2、空氣湍流效應大氣運動形式層流湍流d?l——光強閃爍

d≈l——像點抖動d?l——光束漂移—光束彎曲光束直徑湍流尺寸第20頁,共60頁，2024年2月25日，星期天21五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)1）放大鏡人眼直接觀察物體：人眼觀察物體時通常放在明視距離（L=250mm）第21頁,共60頁，2024年2月25日，星期天22五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)1）放大鏡第22頁,共60頁，2024年2月25日，星期天23五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)1）放大鏡tanω'=y'/(-x'+a')≈-y'/x'

y'=βy=-(x'/f')y

tanω'≈-y'/x'=y/f'

Γ=tanω'/tanω=250/f'第23頁,共60頁，2024年2月25日，星期天24五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)組成---物鏡、目鏡、照明系統(tǒng)現(xiàn)代光學系統(tǒng)---攝像器件（如CCD等）獲取物鏡所成的像（光敏面放在物鏡的像平面上）---省略目鏡2）顯微鏡光路原理第24頁,共60頁，2024年2月25日，星期天25五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)2）顯微鏡光路原理Γ=β×Γeβ=-Δ/f1'Γe=250/f2'Γ=-250Δ/f1'f2'第25頁,共60頁，2024年2月25日，星期天26五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微鏡的分辨本領顯微鏡的分辨力以其能分辨的物方最近的兩個點之間的距離來衡量。瑞利判據：道威判據：σ=0.61λ/NAσ=0.5λ/NA兩個相鄰像點的間隔等于愛里斑的半徑兩個相鄰像點的間隔為0.85α/β（α為愛里斑半徑，β為顯微物鏡放大倍率）第26頁,共60頁，2024年2月25日，星期天27五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微鏡的有效放大率——目視顯微鏡有效放大率2×0.00029×250mm≤σ'≤4×0.00029×250mm2×0.00029×250mm≤(0.5λ/NA)Γ≤4×0.00029×250mm523NA≤?！?046NA500NA≤Γ≤1000NA第27頁,共60頁，2024年2月25日，星期天28五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微鏡的有效放大率——采用光電攝像器件時2d/β≤0.5λ/NA

β≥4NAd/λ第28頁,共60頁，2024年2月25日，星期天29五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微系統(tǒng)的景深景深是指光學系統(tǒng)同時清晰成像的物空間沿光軸方向的深度范圍。幾何景深Δlg

物理景深Δlp

調節(jié)景深ΔlrΔl=Δlg+Δlp+Δlr第29頁,共60頁，2024年2月25日，星期天30五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微系統(tǒng)的景深—幾何景深Δlg=nz'/βNAz'=250×0.00029εΔlg=nε/7ΓNA第30頁,共60頁，2024年2月25日，星期天31五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微系統(tǒng)的景深—物理景深由于光的衍射效應，一個點經過理想光學系統(tǒng)成像為一個衍射光斑。當物點偏離對準平面時，衍射光斑的能量分布將發(fā)生變化，當偏離量很小時，衍射光斑的能量分布是允許的。第31頁,共60頁，2024年2月25日，星期天32五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微系統(tǒng)的景深—調節(jié)景深由于人眼具有調節(jié)功能，能夠看清不同距離的目標。P（單位：屈光度D）：人眼近點的發(fā)散度，即近點距離的倒數(shù)。第32頁,共60頁，2024年2月25日，星期天33五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路物方遠心光路像方遠心光路無限遠像距系統(tǒng)第33頁,共60頁，2024年2月25日，星期天34五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路——物方遠心光路在光學系統(tǒng)中，不論是限制成像光束的光孔，或者是限制成像范圍的光孔或框，都統(tǒng)稱為“光闌”孔徑光闌：為限制入射光束大小的孔。其大小和位置對透鏡所成像的清晰程度、正確性和亮度都有決定性的作用。如照相機鏡頭上的圓形光闌（俗稱光圈）第34頁,共60頁，2024年2月25日，星期天35五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路——像方遠心光路第35頁,共60頁，2024年2月25日，星期天36五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路——無限遠像距系統(tǒng)垂軸放大倍率：第36頁,共60頁，2024年2月25日，星期天37五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)3）顯微鏡的幾種重要光路——無限遠像距系統(tǒng)（1）無限遠物鏡和輔助物鏡之間為平行光線，當中裝入分光鏡的情況下，不產生雙像重疊，也不會出現(xiàn)像的偏移和像散。（2）無限遠物鏡和輔助物鏡之間抽出或插入平行平面波片（濾色片、偏振片）時，焦距不受影響。（3）無限遠像距系統(tǒng)可獲得均勻照度的像面視場（由于同倍率的無限遠物鏡的光束的偏轉角比有限筒長小，孔徑邊緣光線的入射角相對減少，在透鏡表面損失減少，使像面照度較均勻）第37頁,共60頁，2024年2月25日，星期天38五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)1、顯微光學系統(tǒng)4）顯微物鏡的選用（1）用于瞄準、讀數(shù)和測量用的顯微鏡，對物鏡放大率的準確性有嚴格要求，一般允差（0.1~0.5）%；而用于觀察的生物顯微物鏡和金相顯微物鏡的放大率允差為8%。（2）用于瞄準和讀數(shù)的顯微鏡放大倍率不高，一般在1×~50×之間，而金相顯微鏡和生物顯微鏡因為要觀察物的細節(jié)，放大率一般較大，約在100×左右。（3）瞄準、讀數(shù)和測量用的顯微鏡要嚴格地消像差，像質要求高。（4）瞄準和讀數(shù)用顯微鏡的工作距和視場都較大，而生物顯微鏡和金相顯微鏡為了提高分辨力，其工作距和視場都較小，數(shù)值孔徑較大。攝影鏡頭因制作不精密，或人為的損害，不能將一點所發(fā)出的光線聚焦于底片感光膜上的同一位置，使影像變形，或失焦模糊不清。金屬或合金內部結構第38頁,共60頁，2024年2月25日，星期天39五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)物鏡的像方焦點和目鏡的物方焦點重合---入射的平行光束仍保持平行出射

1）望遠光學系統(tǒng)的原理和性質第39頁,共60頁，2024年2月25日，星期天40五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)1）望遠光學系統(tǒng)的原理和性質垂軸放大倍率:角放大倍率:軸向放大倍率:第40頁,共60頁，2024年2月25日，星期天41五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)2）望遠鏡的主要光學性能望遠鏡視角放大率望遠鏡的分辨力和工作放大倍率望遠系統(tǒng)的景深第41頁,共60頁，2024年2月25日，星期天42五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)2）望遠鏡的主要光學性能——視角放大率由于物體到眼睛的距離相對于望遠鏡的長度來說大得多，則第42頁,共60頁，2024年2月25日，星期天43五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)2）望遠鏡的主要光學性能——分辨力和工作放大倍率望遠鏡的分辨力用極限分辨角表示瑞利判據：道威判據：人眼的極限分辨角約為60“，因此在能分辨空間兩個物點，應滿足：第43頁,共60頁，2024年2月25日，星期天44五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)2）望遠鏡的主要光學性能——景深（1）調節(jié)景深物體至物方焦點的距離像至目鏡像方焦點的距離（2）幾何景深人眼的分辨力第44頁,共60頁，2024年2月25日，星期天45五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)3）準直、自準直望遠鏡第45頁,共60頁，2024年2月25日，星期天46五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)4）反射式與折反式望遠物鏡牛頓光學系統(tǒng)卡塞格倫光學系統(tǒng)格里高利光學系統(tǒng)折反式光學系統(tǒng)反射式第46頁,共60頁，2024年2月25日，星期天47五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)2、望遠光學系統(tǒng)4）反射式與折反式望遠物鏡第47頁,共60頁，2024年2月25日，星期天48五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)3、攝影光學系統(tǒng)組成---攝影物鏡+感光元件（光電成像器件）光路原理第48頁,共60頁，2024年2月25日，星期天491）攝影系統(tǒng)的主要技術參數(shù)物鏡焦距f'：決定了成像的大小相對孔徑D/f'或光圈數(shù)f'/D：決定了像面的照度視場角2w：決定了成像范圍五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)3、攝影光學系統(tǒng)第49頁,共60頁，2024年2月25日，星期天501）攝影系統(tǒng)的主要技術參數(shù)——視場五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)3、攝影光學系統(tǒng)視場的大小由物鏡的焦距和接收器的尺寸決定。一般來說，焦距越長，像的尺寸越大。拍攝遠處物體時，成像在物鏡的像方焦平面附近：像的大小為：y'=-f'tanw物方最大視場角為：tanwmax=y'max/2f'拍攝近處物體時，像的大小取決于物鏡的垂軸放大率像的大小為：為底片或其他感光元件的對角線長度第50頁,共60頁，2024年2月25日，星期天511）攝影系統(tǒng)的主要技術參數(shù)——相對孔徑和分辨力五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)3、攝影光學系統(tǒng)相對孔徑（D/f'）影響物鏡的鑒別率和像面照度。攝影系統(tǒng)的分辨力取決于物鏡的分辨力和接收器的分辨力。分辨力以像平面上每毫米內能分開的線對數(shù)表示。1/N=1/NL+1/NrNL=1/σ=D/1.22λf'系統(tǒng)的分辨力物鏡的分辨力接收器的分辨力第51頁,共60頁，2024年2月25日，星期天522）攝影物鏡五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)3、攝影光學系統(tǒng)普通攝影物鏡—f=20~500mm，D/f‘=1:9~1:2.8，視場角可達64度。

大孔徑攝影物鏡—相對孔徑大，像面照度更大，分辨力更高廣角攝影物鏡—焦距小，成像范圍更大遠攝物鏡—相同工作距或相同筒長下能得到較大的光學放大倍率變焦物鏡—通過軸向移動一個或多個子光組從而改變光學間隔來改變焦距第52頁,共60頁，2024年2月25日，星期天532）攝影物鏡——遠攝物鏡五、光電測試技術中常用的光學系統(tǒng)3、攝影光學系統(tǒng)H'——像方主點M'H'平面——像方主平面H