第2章光电测量的光学基础.

1第2章光电测量的光学基础2知识要点●光谱光视效能●光度的基本物理量●光度学基本定律●光辐射在空气中的传播第2章光电测量的光学基础●常用的光学系统3光谱---光波频段的电磁波谱紫外→可见光→红外可见光谱X射线（X光）：10~100nm一、物理光学基础4波动性粒子性---干涉、衍射、偏振---光电效应（物质相互作用）光由光子组成，每个光子能量仅与光的频率有关：2.光的波粒二象性：电磁波方式传播的粒子普朗克常数3410626196.6h5二、光度的基本物理量1）光通量（v）---光功率（与辐射通量e对应）单位：流明（lm）瓦（W）光通量与辐射通量之间的关系：Km---光功当量（人眼在明视条件下，波长555nm时，光辐射产生的光感觉效能）=683lm/W（理论计算值）—视见函数)(V是光源发光强度和光线在物体表面的照度以及物体表面呈现的亮度的总称62)光量（光谱光能Qv）---光的能量（与辐射能Qe相对应）单位：流明秒（lms）---光通量对时间的积分焦耳（J）二、光度的基本物理量7---点辐射源在给定方向的单位立体角内辐射的光通量3）光强度（Iv）1坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内发出1流明的光通量。单位：坎德拉（lm·sr-1=candla=cd）二、光度的基本物理量8光通量与发光强度之间的关系：---发光强度为Iv的光源在一定立体角内的辐射通量。所有方向上的发光强度相同时：立体角内的光通量：所有方向的光通量：二、光度的基本物理量94）光亮度（Lv）---光强度dIv与面元dS在垂直于发光强度方向平面上的投影面积之比光源上某点处的面元dS在给定方向的光强度单位：cd·m-2或者lm/sr·m2二、光度的基本物理量105）出射度（Mv）---单位面积光源所辐射的光通量单位：lm·m-26）照度（Ev）---投射到单位面积上的光通量单位：勒克斯（lx=lm·m-2）---接受光的面元上单位面积被辐射的光通量7）曝光量（Hv）---照度对时间的积分单位：lxs二、光度的基本物理量11三、光度学基本定律1、余弦定律（布给定律）任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化。AEv''AEvcos'AAcos'EEO'AA12三、光度学基本定律被光照的表面是理想漫反射表面（朗伯辐射表面）—朗伯余弦定律dA0IIdAIL00cosdAILLL0cos0II1、余弦定律（布给定律）13三、光度学基本定律2、亮度守恒定律r1dA2dA121d2d1）光束在同一种介质中传输14三、光度学基本定律2、亮度守恒定律1）光束在同一种介质中传输L1=dI1/(dA1cosθ1)=d^2Φ/(dA1cosθ1dΩ1)L2=d^2Φ/(dA2cosθ2dΩ2)dΩ1=dA2cosθ2/r^2dΩ2=dA1cosθ1/r^2L1=L215三、光度学基本定律2、亮度守恒定律2）光从一种介质传输到另一种介质L1dA1122L2nn'考虑折射定律：nsinθ1=n'sinθ2L1/n^2=L2/n'^2基本幅亮度守恒16三、光度学基本定律2、亮度守恒定律3）光传输过程中有光学系统L2=τ(n2/n1)^2L1光学系统的透射比τ1一般光学系统的n1=n2光学系统无助于亮度的增加是通过材料或介质的光通量或辐射量与入射通量之比。17三、光度学基本定律3、照度与距离的二次方反比定律dAOdR理想点光源：dA=dΩR^2E=Φ/dAE=Φ/dΩR^2实际点光源（半径为r）：E≈πr^2Φ/dΩR^2=πLr^2/R^218四、光辐射在空气中的传播1、大气衰减1）大气分子吸收N2、O2：含量较多，但对可见光和红外光几乎不吸收；He、Ar、Xe、O3、Ne等：含量甚微，在可见光的近红外区吸收谱线，不考虑其吸收作用；H2O、CO2：是可见光和红外光最重要的吸收分子。大气窗口19四、光辐射在空气中的传播1、大气衰减2）大气分子散射瑞利散射：入射光在线度小于光波长的微粒上散射后散射光和入射光波长相同的现象；米氏散射：当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。20四、光辐射在空气中的传播2、空气湍流效应大气运动形式层流湍流d»l——光强闪烁d≈l——像点抖动d«l——光束漂移—光束弯曲光束直径湍流尺寸21五、光电测试技术中常用的光学系统yL1、显微光学系统1）放大镜人眼直接观察物体：Lytan人眼观察物体时通常放在明视距离（L=250mm）250tany22五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统1）放大镜y'yF'F'f'f'x'a'p眼瞳23五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统1）放大镜tanω'=y'/(-x'+a')≈-y'/x'y'=βy=-(x'/f')ytanω'≈-y'/x'=y/f'Γ=tanω'/tanω=250/f'24五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统组成---物镜、目镜、照明系统现代光学系统---摄像器件（如CCD等）获取物镜所成的像（光敏面放在物镜的像平面上）---省略目镜2）显微镜光路原理25五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统2）显微镜光路原理Γ=β×Γeβ=-Δ/f1'Γe=250/f2'Γ=-250Δ/f1'f2'26五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的分辨本领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。瑞利判据：道威判据：σ=0.61λ/NAσ=0.5λ/NA两个相邻像点的间隔等于爱里斑的半径两个相邻像点的间隔为0.85α/β（α为爱里斑半径，β为显微物镜放大倍率）27五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的有效放大率——目视显微镜有效放大率2×0.00029×250mm≤σ'≤4×0.00029×250mm2×0.00029×250mm≤(0.5λ/NA)Γ≤4×0.00029×250mm523NA≤Γ≤1046NA500NA≤Γ≤1000NA28五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的有效放大率——采用光电摄像器件时σ2d显微系统物镜CCD像面2d/β≤0.5λ/NAβ≥4NAd/λ29五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微系统的景深景深是指光学系统同时清晰成像的物空间沿光轴方向的深度范围。几何景深Δlg物理景深Δlp调节景深ΔlrΔl=Δlg+Δlp+Δlr30五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微系统的景深—几何景深sBMNAB'M'N'A'Δlg=nz'/βNAz'=250×0.00029εΔlg=nε/7ΓNA31五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微系统的景深—物理景深由于光的衍射效应，一个点经过理想光学系统成像为一个衍射光斑。当物点偏离对准平面时，衍射光斑的能量分布将发生变化，当偏离量很小时，衍射光斑的能量分布是允许的。2)(2NAnlp32五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微系统的景深—调节景深由于人眼具有调节功能，能够看清不同距离的目标。25.62PlrP（单位：屈光度D）：人眼近点的发散度，即近点距离的倒数。33五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路物方远心光路像方远心光路无限远像距系统34五、光电测试技术中常用的光学系统OA1A2B1B2B1'B2'物镜分划板非远心光路1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路——物方远心光路物方远心光路OA1A2B1B2B1'（B2'）物镜分划板F'孔径光阑（出瞳）在光学系统中，不论是限制成像光束的光孔，或者是限制成像范围的光孔或框，都统称为“光阑”孔径光阑：为限制入射光束大小的孔。其大小和位置对透镜所成像的清晰程度、正确性和亮度都有决定性的作用。如照相机镜头上的圆形光阑（俗称光圈）35五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路——像方远心光路像方远心光路AB物镜分划板孔径光阑（入瞳）FA'B'标尺36五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路——无限远像距系统无限远物镜AB辅助物镜A'B'-f1f2'''12ff垂轴放大倍率：37五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统3）显微镜的几种重要光路——无限远像距系统（1）无限远物镜和辅助物镜之间为平行光线，当中装入分光镜的情况下，不产生双像重叠，也不会出现像的偏移和像散。（2）无限远物镜和辅助物镜之间抽出或插入平行平面波片（滤色片、偏振片）时，焦距不受影响。（3）无限远像距系统可获得均匀照度的像面视场（由于同倍率的无限远物镜的光束的偏转角比有限筒长小，孔径边缘光线的入射角相对减少，在透镜表面损失减少，使像面照度较均匀）38五、光电测试技术中常用的光学系统1、显微光学系统4）显微物镜的选用（1）用于瞄准、读数和测量用的显微镜，对物镜放大率的准确性有严格要求，一般允差（0.1~0.5）%；而用于观察的生物显微物镜和金相显微物镜的放大率允差为8%。（2）用于瞄准和读数的显微镜放大倍率不高，一般在1×~50×之间，而金相显微镜和生物显微镜因为要观察物的细节，放大率一般较大，约在100×左右。（3）瞄准、读数和测量用的显微镜要严格地消像差，像质要求高。（4）瞄准和读数用显微镜的工作距和视场都较大，而生物显微镜和金相显微镜为了提高分辨力，其工作距和视场都较小，数值孔径较大。摄影镜头因制作不精密，或人为的损害，不能将一点所发出的光线聚焦于底片感光膜上的同一位置，使影像变形，或失焦模糊不清。金属或合金内部结构39五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统物镜的像方焦点和目镜的物方焦点重合---入射的平行光束仍保持平行出射1）望远光学系统的原理和性质40五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统1）望远光学系统的原理和性质垂轴放大倍率:角放大倍率:轴向放大倍率:''12ff212)''(ff''21ff41五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统2）望远镜的主要光学性能望远镜视角放大率望远镜的分辨力和工作放大倍率望远系统的景深42五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统2）望远镜的主要光学性能——视角放大率tan'tan由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说大得多，则''21ff43五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统2）望远镜的主要光学性能——分辨力和工作放大倍率望远镜的分辨力用极限分辨角表示瑞利判据：道威判据：D22.1D''60人眼的极限分辨角约为60“，因此在能分辨空间两个物点，应满足：44五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统2）望远镜的主要光学性能——景深（1）调节景深'2xx物体至物方焦点的距离像至目镜像方焦点的距离（2）几何景深Dp人眼的分辨力00029.045五、光电测试技术中常用的光学系统光源聚光镜分光镜分划板物镜平面镜目镜自准直光学系统2、望远光学系统3）准直、自准直望远镜分划板物镜反射镜d'f平面反射镜与光轴不垂直时的光路2tan'fd46五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统4）反射式与折反式望远物镜牛顿光学系统卡塞格伦光学系统格里高利光学系统折反式光学系统反射式47主镜次镜F'卡塞格伦光学系统主镜次镜F'牛顿光学系统五、光电测试技术中常用的光学系统2、望远光学系统4）反射式与折反式望远物镜主镜次镜F'格里高利光学系统48五、光电测试技术中常用的光学系统3、摄影光学系统组成---摄影物镜+感光元件（光电成像器件）光路原理491）摄影系统的主要技术参数物镜焦距f'：决定了成像的大小相对孔径D/f'或光圈数f'/D：决定了像面的照度视场角2w：决定了成像范围五、光电测试技术中常用的光学系统3、摄影光学系统501）摄影系统的主要技术参数——视场五、光电测