現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)

1、現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)試講試講 朱君朱君第八章第八章 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)透鏡的傅立葉變換特性、傅立葉變換物鏡的光學(xué)設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)形式光學(xué)透鏡的傅立葉變換特性、傅立葉變換物鏡的光學(xué)設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)形式第一節(jié)第一節(jié) 激光光學(xué)系統(tǒng)激光光學(xué)系統(tǒng)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 高斯光束的特性、傳播、透鏡變換、聚焦和準(zhǔn)直高斯光束的特性、傳播、透鏡變換、聚焦和準(zhǔn)直第二節(jié)第二節(jié) 傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 掃描光學(xué)系統(tǒng)掃描光學(xué)系統(tǒng) 第四節(jié)第四節(jié) 光纖光學(xué)系統(tǒng)光纖光學(xué)系統(tǒng) 掃描方程式、光學(xué)掃描系統(tǒng)、掃描物鏡掃描方程式、光學(xué)掃描系統(tǒng)、掃描物鏡-f物鏡物鏡階躍、梯度折射率光纖、光纖束的傳光、傳

2、像特性、光纖光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成階躍、梯度折射率光纖、光纖束的傳光、傳像特性、光纖光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成第一節(jié)第一節(jié) 激光光學(xué)系統(tǒng)激光光學(xué)系統(tǒng)Laser- Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation“通過受激輻射實現(xiàn)光放大通過受激輻射實現(xiàn)光放大”， 19641964年錢學(xué)森建議改稱年錢學(xué)森建議改稱“激光激光”。背景知識背景知識19171917年：愛因斯坦年：愛因斯坦關(guān)于輻射的量子力學(xué)關(guān)于輻射的量子力學(xué)預(yù)言了原子受激輻射可能性；預(yù)言了原子受激輻射可能性；2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代：湯斯和肖洛提出光激射器理論；年代：湯斯和肖洛提出光激射器理論

3、；19601960年：梅曼年：梅曼(Maiman)(Maiman)制成世界上第一臺激光器；制成世界上第一臺激光器；19611961年：我國第一臺激光器在長春光機所創(chuàng)制成功。年：我國第一臺激光器在長春光機所創(chuàng)制成功。激光是激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計算機、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。世紀(jì)以來，繼原子能、計算機、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。19971997年：年：朱棣文朱棣文等因發(fā)明用激光冷卻原子的方法獲諾貝爾物理學(xué)獎。等因發(fā)明用激光冷卻原子的方法獲諾貝爾物理學(xué)獎。激光器種類激光器種類：固體、氣體、液體、半導(dǎo)體、化學(xué)、自由電子激光器等。：固體、氣體、液體、半導(dǎo)體、化學(xué)、自由電子激光器等

4、。激光器功率激光器功率：從中、小器件到高功率、高能量激光器。：從中、小器件到高功率、高能量激光器。工作模式工作模式：超短脈沖、短脈沖、準(zhǔn)連續(xù)、連續(xù)等。：超短脈沖、短脈沖、準(zhǔn)連續(xù)、連續(xù)等。波長波長：極紫外：極紫外(100nm) 可見光可見光亞毫米亞毫米(1.222mm)。激光檢測特點激光檢測特點(1)(1)非接觸性測量；非接觸性測量；(2)(2)待測工件與測量儀器間的距離可不必很接近；待測工件與測量儀器間的距離可不必很接近；(3)(3)不易受工作環(huán)境影響如熱電磁的影響；不易受工作環(huán)境影響如熱電磁的影響；(4)(4)信號的反應(yīng)時間短，測量快速，準(zhǔn)確性高；信號的反應(yīng)時間短，測量快速，準(zhǔn)確性高；(5)

5、(5)光信號容易轉(zhuǎn)換為電信號，易進行處理、放大和分析等；光信號容易轉(zhuǎn)換為電信號，易進行處理、放大和分析等；(6)(6)可測量動態(tài)物體?？蓽y量動態(tài)物體。1 1、激光的特性及應(yīng)用、激光的特性及應(yīng)用p方向性好方向性好：光束發(fā)散度光束發(fā)散度0.0010.001弧度?；《取亮度極高亮度極高：人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度超過氙燈幾百億倍。相上下，而紅寶石激光器的激光亮度超過氙燈幾百億倍。p能量密度極大、能量密度極大、強度高強度高：頻率范圍頻率范圍3.8463.846* *10101414HzHz到到7.8

6、957.895* *10101414HzHz；輸出輸出功率可小至使用氣體激光的一毫瓦、也可大到使用脈波固體激光的一萬億瓦。功率可小至使用氣體激光的一毫瓦、也可大到使用脈波固體激光的一萬億瓦。 激光光束為高斯光束激光光束為高斯光束-截面內(nèi)的光強分布為高斯分布。截面內(nèi)的光強分布為高斯分布。-準(zhǔn)直、測距、加工、武器等。準(zhǔn)直、測距、加工、武器等。p顏色極純顏色極純( (窄帶寬窄帶寬) )：被譽為單色性之冠的紅色氖燈，發(fā)光波長范圍仍有被譽為單色性之冠的紅色氖燈，發(fā)光波長范圍仍有0.000010.00001納米，認(rèn)為仍包含有幾十種紅色。氦氖激光器輸出的紅光，波長分納米，認(rèn)為仍包含有幾十種紅色。氦氖激光器輸

7、出的紅光，波長分布范圍窄到布范圍窄到2 210-910-9納米。納米。 p相干性好相干性好：時間相干性好，相干長度可達幾十公里。時間相干性好，相干長度可達幾十公里。 空間相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源?？臻g相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。-精密測厚、測角，全息攝影等。精密測厚、測角，全息攝影等。日常應(yīng)用日常應(yīng)用：光纖通信、：光纖通信、單個原子和分子的探測、單個原子和分子的探測、激光打印、激光打印、激光打標(biāo)、激光打標(biāo)、電腦電腦光驅(qū)、條形碼掃描、激光防偽、激光霓虹燈、光驅(qū)、條形碼掃描、激光防偽、激光霓虹燈、激光唱片、激光矯視、激光美激光唱片、激光矯視、激光美容、激光

8、滅蚊等。容、激光滅蚊等。產(chǎn)生激光的必要條件：產(chǎn)生激光的必要條件：激勵能源（使原子激發(fā)）激勵能源（使原子激發(fā)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（有合適的亞穩(wěn)態(tài)能級）光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）光學(xué)諧振腔（方向性，光放大，單色性）因激光束在諧振腔內(nèi)多次反射后形成，波面上各點振幅不等，光束截面邊緣部分因激光束在諧振腔內(nèi)多次反射后形成，波面上各點振幅不等，光束截面邊緣部分的光強比中心部分弱。其振幅的光強比中心部分弱。其振幅A A與光束截面半徑的關(guān)系為：與光束截面半徑的關(guān)系為：220reAA（8-1）A A0 0為光束截面中心振幅；為光束截面中心振幅；為與光束截面半徑有關(guān)的參數(shù)；為與光

9、束截面半徑有關(guān)的參數(shù)；r r為光束截面半徑。為光束截面半徑。)(zeA /00AAOr圖圖8-1 高斯光束截面高斯光束截面r=r=時：時： 高斯光束的名義截面半徑高斯光束的名義截面半徑：振幅下降到中心振幅：振幅下降到中心振幅1/e1/e或強度的或強度的1/e1/e2 2時所對應(yīng)的光束截面半徑。時所對應(yīng)的光束截面半徑。eAA0（8-2）2 2、激光的名義截面半徑、激光的名義截面半徑 沿沿Z Z軸方向傳播激光束的基爾霍夫公式表示：軸方向傳播激光束的基爾霍夫公式表示：;22: ) 1(;222nknyxrc波數(shù)為常數(shù))()(2(exp)()(exp)(),(22222zzRyxzkizyxzczyx

10、E(8-3)分別稱為高斯光束的分別稱為高斯光束的截面半徑截面半徑、波面曲率半徑波面曲率半徑、和和位相因子。位相因子。二、高斯光束的傳播二、高斯光束的傳播(傍軸均勻媒質(zhì)中可看著球面波傍軸均勻媒質(zhì)中可看著球面波)200z高斯光束的瑞利長度或共焦參數(shù)高斯光束的瑞利長度或共焦參數(shù)三個重要參數(shù)三個重要參數(shù)(人為定義人為定義)-z處波面相位處波面相位)(z)(zR)(z-z處波面的曲率半徑處波面的曲率半徑-z處光斑截面半徑處光斑截面半徑)(zRz0圖圖8-2 8-2 高斯光束的傳播高斯光束的傳播z)(z 當(dāng)光束從束腰傳播到當(dāng)光束從束腰傳播到 處時，光束半徑處時，光束半徑 ，即光斑，即光斑面積增大為最小值的

11、兩倍，該范圍稱為瑞利范圍，從束腰到該處的長度稱面積增大為最小值的兩倍，該范圍稱為瑞利范圍，從束腰到該處的長度稱為高斯光束的瑞利長度為高斯光束的瑞利長度（Rayleigh） 。0zz 0( )2z瑞利長度瑞利長度 一般認(rèn)為基模高斯光束在瑞利長度范圍內(nèi)近似平行，故瑞利長度也一般認(rèn)為基模高斯光束在瑞利長度范圍內(nèi)近似平行，故瑞利長度也稱準(zhǔn)直距離。高斯光束的束腰半徑越小，其準(zhǔn)直距離越長，準(zhǔn)直性越好。稱準(zhǔn)直距離。高斯光束的束腰半徑越小，其準(zhǔn)直距離越長，準(zhǔn)直性越好。 高斯光束在傍軸近似條件下高斯光束在傍軸近似條件下等相位面是球形等相位面是球形，曲率中心與曲率半徑都，曲率中心與曲率半徑都隨傳播過程而不斷改變，

12、等相位面上光場振幅分布是非均勻的高斯分布。隨傳播過程而不斷改變，等相位面上光場振幅分布是非均勻的高斯分布。 高斯光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換后仍保持高斯分布的特性高斯光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換后仍保持高斯分布的特性, ,而其而其q q參數(shù)的變換滿足參數(shù)的變換滿足高斯高斯光束變換的光束變換的ABCDABCD定律定律。1、高斯光束的截面半徑高斯光束的截面半徑21200212200)(1 )(1 )(zzzz（8-4） (z)(z)與光束的傳播距離與光束的傳播距離z z、波長、波長和有和有0 0有關(guān)有關(guān), ,軌跡為一對雙曲線。軌跡為一對雙曲線。 當(dāng)當(dāng)z=0z=0時時(0)=0 ，是光束截面最小處的光束截面半徑，稱其為

13、，是光束截面最小處的光束截面半徑，稱其為高斯高斯光束的束腰光束的束腰。高斯光束在均勻的透明介質(zhì)中傳播時。高斯光束在均勻的透明介質(zhì)中傳播時, , 其光束截面半徑其光束截面半徑(z)(z)與與z z不成線性關(guān)系，這與同心光束在均勻介質(zhì)中的傳播完全不同。不成線性關(guān)系，這與同心光束在均勻介質(zhì)中的傳播完全不同。1)(022022zzz圖圖8-2 8-2 高斯光束的傳播高斯光束的傳播z00)(zR)(z2、高斯光束的波、高斯光束的波(陣陣)面面曲率半徑面面曲率半徑)(1 )(1 )(20220zzzzzzR（8-5）當(dāng)當(dāng)z=0z=0時時: :)(zR束腰處波面為平面波。束腰處波面為平面波。對對z求導(dǎo)得求導(dǎo)

14、得R(z)的極值的極值:0202240201)(zzzdzzdR（8-6）)(zRz高斯光束的波面又變成平面波。高斯光束的波面又變成平面波。此處此處02022)(zzR（8-7）此為此為高斯光束波面最小曲率半徑值。高斯光束波面最小曲率半徑值。圖圖8-2 8-2 高斯光束的傳播高斯光束的傳播0z00z00202)(zzR 共焦參數(shù)物理意義：高斯光束傳播過程中的兩特殊點，兩波陣面半徑最小，共焦參數(shù)物理意義：高斯光束傳播過程中的兩特殊點，兩波陣面半徑最小，兩對稱點互為其波面球心兩對稱點互為其波面球心。注：等相面曲率中心隨注：等相面曲率中心隨光束的傳播而移動。光束的傳播而移動。224020221224

15、02021)(zZzdzzd3、高斯光束的位相因子、高斯光束的位相因子01201tantan)(zzzz（8-8） 高斯光束的截面半徑軌跡為一對雙曲線，用其漸近線表示遠場發(fā)散程度。高斯光束的截面半徑軌跡為一對雙曲線，用其漸近線表示遠場發(fā)散程度。02圖圖8-3 8-3 高斯光束的發(fā)散角高斯光束的發(fā)散角 發(fā)散角發(fā)散角常稱高斯光束的孔徑角。常稱高斯光束的孔徑角。隨束腰隨束腰半徑的增大而減小，故準(zhǔn)直時可采用光學(xué)變換的半徑的增大而減小，故準(zhǔn)直時可采用光學(xué)變換的方法，使其束腰增大。方法，使其束腰增大。0Z=00zz 022Z=0dzdlimtan（8-9）4、高斯光束的復(fù)參數(shù)表示、高斯光束的復(fù)參數(shù)表示高斯

16、光束的傳播由二個參數(shù)高斯光束的傳播由二個參數(shù)(z)(z)、R(z)R(z)來表征，常用一個復(fù)參數(shù)來表示：來表征，常用一個復(fù)參數(shù)來表示：（8-11）)()(1)(12zizRzq02000)0(11iziqqq)(1 )(20zzzzR21200)(1 )(zzzzqzq0)(光束沿光束沿z軸傳播時，同心光束的傳播只與曲率半徑有關(guān)：軸傳播時，同心光束的傳播只與曲率半徑有關(guān)：zRR0高斯光束的復(fù)參數(shù)和同心球面光束的波面曲率半徑高斯光束的復(fù)參數(shù)和同心球面光束的波面曲率半徑R的作用相同。的作用相同。球面波的波前曲率半徑球面波的波前曲率半徑R等于傳輸距離等于傳輸距離Z高斯光束的復(fù)曲率半徑高斯光束的復(fù)曲率

17、半徑束腰處復(fù)曲率半徑束腰處復(fù)曲率半徑)(zq0qzqizzzzizzzq00202011)(1llO2R1RO三、高斯光束的透鏡變換三、高斯光束的透鏡變換近軸區(qū)：近軸區(qū)：fll111(8-13)fRR11112FFLfRR11112由由C和和C共軛：共軛：zL圖圖8-5 高斯光束的透鏡變換高斯光束的透鏡變換2RC1R020212Czz當(dāng)透鏡為薄透鏡時，高斯光束在透鏡當(dāng)透鏡為薄透鏡時，高斯光束在透鏡L L前后波面上通光口徑相等：前后波面上通光口徑相等：12復(fù)參數(shù)也滿足近軸成像關(guān)系復(fù)參數(shù)也滿足近軸成像關(guān)系物點物點對應(yīng)像點對應(yīng)像點OO圖圖8-4 球面波經(jīng)透鏡變換球面波經(jīng)透鏡變換)(ff222211i

18、Rq21fqq11112四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直1、高斯光束通過薄透鏡的變換關(guān)系、高斯光束通過薄透鏡的變換關(guān)系、C位于物方束腰處時：位于物方束腰處時：0z波面為平面波。波面為平面波。0)(z)(zR0200)(iziqqCqC0202L00CCBAl)0(q)(/ )(BqAq)(Cq圖圖8-5 高斯光束的透鏡變換高斯光束的透鏡變換 已知入射高斯光束束腰半徑已知入射高斯光束束腰半徑 ，束腰位置與透鏡的距離為，束腰位置與透鏡的距離為 ，透鏡的焦距，透鏡的焦距為為 ，分析不同位置分析不同位置 可確定經(jīng)薄透鏡后高斯光束特性。可確定經(jīng)薄透鏡后高斯光束特性。0f )(Cql0( )q

19、 AqlA面處：面處：; lz B面處：面處：ffAqBq11)(1)(1;Blz四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直、C位于透鏡像方束腰處時位于透鏡像方束腰處時0202L00ClCBACl)0(q)(/ )(BqAq)(Cq02202)(zlfzfiqC高斯光束束腰變換式高斯光束束腰變換式0222)()(zflflfflC022202021111Im1zfflqC022222211iiRbabibaaqCCC0220202202)()()(zlfzfizlfzlflflCClBqCq)()(令令biaCq)(1、高斯光束通過薄透鏡的變換關(guān)系、高斯光束通過薄透鏡的變換關(guān)系四、高斯光束聚

20、焦和準(zhǔn)直四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直0202L00ClCBAl)0(q)(/ )(BqAq)(Cq 束腰半徑是高斯光束所有光斑半徑的最小值，可將其類比為幾何光學(xué)中光束的束腰半徑是高斯光束所有光斑半徑的最小值，可將其類比為幾何光學(xué)中光束的焦點，滿足上述條件時可以用幾何光學(xué)的方法對近軸高斯光束作粗略研究。焦點，滿足上述條件時可以用幾何光學(xué)的方法對近軸高斯光束作粗略研究。2202021)(flfzflz或)()()()(20222fllfflffzflflfflfll111llflf00、高斯光束束腰位置滿足以下條件、高斯光束束腰位置滿足以下條件1、高斯光束通過薄透鏡的變換關(guān)系、高斯光束通過薄透鏡的變換關(guān)

21、系022202021111zffl近軸成像關(guān)系近軸成像關(guān)系或或 時，由束腰位置關(guān)系公式：時，由束腰位置關(guān)系公式：z四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直、高斯光束束腰位于透鏡前高斯光束束腰位于透鏡前(物方物方)焦面焦面0202Llf /BACll/)0(q)(/ )(BqAq2、高斯光束通過薄透鏡的變換特性、高斯光束通過薄透鏡的變換特性fflz ; 0FF設(shè)像方束腰位置在設(shè)像方束腰位置在C處，利用前述計算方法得：處，利用前述計算方法得：C結(jié)論：結(jié)論：fzflflfflC0222)()(0220222020211111Im1zfzfflqC00fC020z變換后光束束腰位于像方焦面；變換后

22、光束束腰位于像方焦面；束腰半徑為極大值；束腰半徑為極大值；出射光束有最小發(fā)散角出射光束有最小發(fā)散角( )( )。0tan-與幾何光學(xué)中成像完全不同與幾何光學(xué)中成像完全不同四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直3、高斯光束的聚焦、高斯光束的聚焦時 lz00時zzzll00)(11111122222020202220202lfzlfzffl透鏡焦距一定時，像方束腰尺寸隨光束位置的變化而變化。透鏡焦距一定時，像方束腰尺寸隨光束位置的變化而變化。 時有：時有：fz)(0lffzz020220202111flflf時有：時有：00lfz0fl /0fl 圖圖8-6(a) 激光聚焦系統(tǒng)激光聚焦系統(tǒng)

23、通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)減小像方通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)減小像方高斯光束的束腰半徑。高斯光束的束腰半徑。三法：三法：物方高斯光束束腰位于透鏡上、物方高斯光束束腰位于透鏡上、束腰束腰遠離透鏡、減小焦距。遠離透鏡、減小焦距。四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直四、高斯光束聚焦和準(zhǔn)直4、高斯光束的準(zhǔn)直、高斯光束的準(zhǔn)直 利用光學(xué)系統(tǒng)壓縮高斯光束的利用光學(xué)系統(tǒng)壓縮高斯光束的遠場發(fā)散角遠場發(fā)散角( (激光測距和雷達等激光測距和雷達等) )。Z=時高斯光束的發(fā)散角：時高斯光束的發(fā)散角：02過薄透鏡后發(fā)散角過薄透鏡后發(fā)散角:02022202021111zffl2022021112ffl 當(dāng)當(dāng)00為有限值時，無論為有限值時，無論 、 取

24、何值，都不可能滿足取何值，都不可能滿足 ，故單透鏡不能將，故單透鏡不能將高斯光束轉(zhuǎn)換為平面波。高斯光束轉(zhuǎn)換為平面波。0flfflzf 02一短焦距聚焦透鏡先壓縮高斯光束束腰半徑一短焦距聚焦透鏡先壓縮高斯光束束腰半徑一長焦透鏡減小高斯光束的發(fā)散角一長焦透鏡減小高斯光束的發(fā)散角1L2L020l021f 02 2f圖圖8-6(b) 激光準(zhǔn)直系統(tǒng)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)-倒置的望遠系統(tǒng)倒置的望遠系統(tǒng)透射、反射或者折透射、反射或者折-反射望遠鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)的高斯光束變換反射望遠鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)的高斯光束變換第二節(jié)第二節(jié) 傅里葉傅里葉(Fourier)變換光學(xué)系統(tǒng)變換光學(xué)系統(tǒng) 傅里葉變換運算可通過電子計算機來實現(xiàn)，但由于二維圖

25、像的信息容傅里葉變換運算可通過電子計算機來實現(xiàn)，但由于二維圖像的信息容量大，且需一定的計算時間，而由光學(xué)成像透鏡組成的相干光學(xué)處理系統(tǒng)，量大，且需一定的計算時間，而由光學(xué)成像透鏡組成的相干光學(xué)處理系統(tǒng)，具備二維圖像的傅里葉變換特性具備二維圖像的傅里葉變換特性,可簡單而迅速地完成類似任務(wù)。可簡單而迅速地完成類似任務(wù)。一、相干光學(xué)處理系統(tǒng)一、相干光學(xué)處理系統(tǒng) 由標(biāo)量衍射理論可知，振幅分布為由標(biāo)量衍射理論可知，振幅分布為f (x , y)的物體，其夫朗和費遠場的物體，其夫朗和費遠場衍射的振幅分布為：衍射的振幅分布為：dxdyfyyfxxiyxfyxFffff2exp),(),(式中式中(x, y)

26、為物面坐標(biāo)，為物面坐標(biāo)，(xf, yf)為衍射場坐標(biāo)，令：為衍射場坐標(biāo)，令：fyv，fxuff dxdyvyuxiyxfvuF2exp),(),( 可見夫朗和費衍射過程就是一個完全的傅立葉變換，其衍射場即為頻可見夫朗和費衍射過程就是一個完全的傅立葉變換，其衍射場即為頻譜面。若將頻譜面再進行一次傅氏變換，則得：譜面。若將頻譜面再進行一次傅氏變換，則得：),(yxf 經(jīng)二次經(jīng)二次傅里葉變換傅里葉變換(夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射)后仍可得到后仍可得到原函數(shù)原函數(shù) ，只不過函，只不過函數(shù)的坐標(biāo)發(fā)生了倒置。若在第一次變換后的頻譜面上插入各種不同用途的空間濾波數(shù)的坐標(biāo)發(fā)生了倒置。若在第一次變換后的頻譜面上插

27、入各種不同用途的空間濾波器或掩膜板來改變輸入物體的頻譜狀態(tài)，就可以達到各種光學(xué)圖像的處理目的。器或掩膜板來改變輸入物體的頻譜狀態(tài)，就可以達到各種光學(xué)圖像的處理目的。dudvyvxuivuFyxf2exp),(),(圖圖8-7 相干光學(xué)處理系統(tǒng)相干光學(xué)處理系統(tǒng)(4f系統(tǒng)系統(tǒng))ff 1Lff 2L相相干干平平行行光光頻譜面頻譜面輸入面輸入面輸出面輸出面 傅里葉變換物鏡滿足某些特定的成像要求時，上述傅里葉變換物鏡滿足某些特定的成像要求時，上述4f系統(tǒng)可獲得嚴(yán)格系統(tǒng)可獲得嚴(yán)格的傅里葉變換關(guān)系。為了獲得清晰而位置正確的夫瑯和費衍射圖像的傅里葉變換關(guān)系。為了獲得清晰而位置正確的夫瑯和費衍射圖像(嚴(yán)格嚴(yán)格的

28、物面傅里葉頻譜的物面傅里葉頻譜)，傅里葉變換物鏡應(yīng)滿足以下成像要求，傅里葉變換物鏡應(yīng)滿足以下成像要求: 具有相同衍射具有相同衍射角的光線經(jīng)透鏡變換后，應(yīng)聚焦于焦平面上的一點角的光線經(jīng)透鏡變換后，應(yīng)聚焦于焦平面上的一點; 不同衍射角的光線經(jīng)不同衍射角的光線經(jīng)透鏡變換后，應(yīng)聚焦于焦面上的不同點處，形成各級頻譜。透鏡變換后，應(yīng)聚焦于焦面上的不同點處，形成各級頻譜。頻譜面頻譜面物面物面-ff nnmm圖圖8-8 傅里葉透鏡的成像特性傅里葉透鏡的成像特性傅里葉變換物鏡傅里葉變換物鏡成像關(guān)系：成像關(guān)系：1 1、像方焦面作為像面，物在、像方焦面作為像面，物在 ，孔闌位于前焦面以構(gòu)成像方遠心光路；傅，孔闌位于

29、前焦面以構(gòu)成像方遠心光路；傅氏物鏡必須在對氏物鏡必須在對 的物體校正像差的同時，對孔闌位置校正像差。的物體校正像差的同時，對孔闌位置校正像差。2 2、輸入面當(dāng)作物面，像在、輸入面當(dāng)作物面，像在 ，孔闌位于其后焦面上以構(gòu)成物方遠心光路；，孔闌位于其后焦面上以構(gòu)成物方遠心光路；傅氏物鏡必須在對有限距離物面校正像差的同時，校正孔闌位置像差。傅氏物鏡必須在對有限距離物面校正像差的同時，校正孔闌位置像差。3 3、因光路可逆，上面二者是一致的，傅氏物鏡須對二對共軛面校正像差。、因光路可逆，上面二者是一致的，傅氏物鏡須對二對共軛面校正像差?？钻@孔闌輸入面輸入面像面像面頻譜面頻譜面ff ff 物面物面輸入面輸

30、入面孔孔 闌闌頻譜面頻譜面圖圖8-9 像方遠心系統(tǒng)像方遠心系統(tǒng)圖圖8-10 物方遠心系統(tǒng)物方遠心系統(tǒng)二、傅立葉變換物鏡的光學(xué)設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)型式二、傅立葉變換物鏡的光學(xué)設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)型式,.)2, 1, 0( sinkkdkdkk/sin設(shè)設(shè)k k級衍射光在后焦面上的像高為級衍射光在后焦面上的像高為y y k k，則其應(yīng)滿足如下關(guān)系時：，則其應(yīng)滿足如下關(guān)系時：dkffykksin傅里葉變換物鏡傅里葉變換物鏡像差校正要求：像差校正要求：p 對入瞳位置校正球差和彗差；對入瞳位置校正球差和彗差；p 對物面位置校正球差、彗差、像散和場曲；對物面位置校正球差、彗差、像散和場曲；p 像差公差應(yīng)達到衍射極限，

31、即波像差不大于像差公差應(yīng)達到衍射極限，即波像差不大于 /4/4。 設(shè)輸入物體為一維光柵，其光柵常數(shù)設(shè)輸入物體為一維光柵，其光柵常數(shù)( (即柵距即柵距) )為為d d，其，其k k級衍射光與光軸的夾級衍射光與光軸的夾角應(yīng)滿足光柵方程：角應(yīng)滿足光柵方程： y y k k才呈線性分布，才能在物鏡后焦面上得到正確的傅氏變換。上式表明：傅才呈線性分布，才能在物鏡后焦面上得到正確的傅氏變換。上式表明：傅立葉變換物鏡必須滿足正弦條件。立葉變換物鏡必須滿足正弦條件。k級衍射光的像高：級衍射光的像高：kkfysin理想光學(xué)系統(tǒng)像高：理想光學(xué)系統(tǒng)像高：kkfytan傅氏變換物鏡應(yīng)產(chǎn)生畸變量：傅氏變換物鏡應(yīng)產(chǎn)生畸變

32、量：)tan(sinkkfy 由于傅氏變換物鏡成對使用，且頻譜面對稱設(shè)置，因此在相干光學(xué)處由于傅氏變換物鏡成對使用，且頻譜面對稱設(shè)置，因此在相干光學(xué)處理理4f4f系統(tǒng)中，輸出面畸變可自動消除。系統(tǒng)中，輸出面畸變可自動消除。滿足上面要求的傅氏變換透鏡的結(jié)構(gòu)型式有滿足上面要求的傅氏變換透鏡的結(jié)構(gòu)型式有單光組單光組和和對稱型對稱型兩種結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)。頻譜面輸入面ff FFHH圖圖8-11 傅氏變換透鏡的單光組結(jié)構(gòu)形式傅氏變換透鏡的單光組結(jié)構(gòu)形式 特點：特點：采用雙膠合或雙分離組形式，能校正正弦差和球差，但因存在軸外像采用雙膠合或雙分離組形式，能校正正弦差和球差，但因存在軸外像差，視場角和相對孔徑較小

33、。差，視場角和相對孔徑較小。圖圖8-11 傅氏變換透鏡的對稱結(jié)構(gòu)形式傅氏變換透鏡的對稱結(jié)構(gòu)形式 特點：特點：p采用兩組對稱的反遠距光組，使主面外移，使物鏡主面位置外移，物和像方焦采用兩組對稱的反遠距光組，使主面外移，使物鏡主面位置外移，物和像方焦點距小于焦距，減小了外形尺寸。同樣外形尺寸下，其焦距可加長一倍左右，可點距小于焦距，減小了外形尺寸。同樣外形尺寸下，其焦距可加長一倍左右，可處理的物面和譜面變大，有利于發(fā)揮光學(xué)處理系統(tǒng)的作用；處理的物面和譜面變大，有利于發(fā)揮光學(xué)處理系統(tǒng)的作用；p正負(fù)組合，有利于校正像面彎曲和其它軸外像差；正負(fù)組合，有利于校正像面彎曲和其它軸外像差；p結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對

34、較高。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對較高。f H頻譜面F輸入面FHf第三節(jié)第三節(jié) 掃描光學(xué)系統(tǒng)掃描光學(xué)系統(tǒng) 掃描光學(xué)系統(tǒng)：掃描光學(xué)系統(tǒng)：光束傳播方向隨時間變化而改變的光學(xué)光束傳播方向隨時間變化而改變的光學(xué)系統(tǒng)。掃描光學(xué)系統(tǒng)在現(xiàn)代光學(xué)和光電技術(shù)中具有極其重要系統(tǒng)。掃描光學(xué)系統(tǒng)在現(xiàn)代光學(xué)和光電技術(shù)中具有極其重要作用，例如使用激光束掃描裝置可實現(xiàn)以時間為順序的圖像作用，例如使用激光束掃描裝置可實現(xiàn)以時間為順序的圖像電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎S目視圖像。本節(jié)介紹掃描光學(xué)系統(tǒng)的特性電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎S目視圖像。本節(jié)介紹掃描光學(xué)系統(tǒng)的特性及掃描物鏡的設(shè)計要求。及掃描物鏡的設(shè)計要求。 應(yīng)用：應(yīng)用：激光打印機、激光掃描儀、激光掃描測量儀

35、、星激光打印機、激光掃描儀、激光掃描測量儀、星載激光測高儀、衛(wèi)星推掃式成像系統(tǒng)、艦用光電桅桿、機載載激光測高儀、衛(wèi)星推掃式成像系統(tǒng)、艦用光電桅桿、機載光電偵察吊艙等。光電偵察吊艙等。2 2、表征掃描特性的三個參數(shù)：掃描系統(tǒng)的孔徑大小、表征掃描特性的三個參數(shù)：掃描系統(tǒng)的孔徑大小D D、孔徑、孔徑的形狀因子的形狀因子a a和最大掃描角和最大掃描角。 由上式可見，孔徑大小由上式可見，孔徑大小D D和形狀因子和形狀因子a a決定了掃描系統(tǒng)的極決定了掃描系統(tǒng)的極限分辨角，即決定了掃描系統(tǒng)的掃描光點大小和成像質(zhì)量。限分辨角，即決定了掃描系統(tǒng)的掃描光點大小和成像質(zhì)量。一、掃描方程式一、掃描方程式1 1、光束

36、掃描的形式：光學(xué)透鏡掃描、棱鏡掃描、反射鏡掃描、光束掃描的形式：光學(xué)透鏡掃描、棱鏡掃描、反射鏡掃描、全息掃描和聲光掃描等。全息掃描和聲光掃描等。根據(jù)瑞利衍射理論，掃描系統(tǒng)的衍射極限分辨角為：根據(jù)瑞利衍射理論，掃描系統(tǒng)的衍射極限分辨角為：Dasin（8-29） 掃描系統(tǒng)其掃描孔徑不同，孔徑形狀因子也不同，下表給掃描系統(tǒng)其掃描孔徑不同，孔徑形狀因子也不同，下表給出了各種不同掃描孔徑的形狀因子出了各種不同掃描孔徑的形狀因子a a的數(shù)值。的數(shù)值?？讖叫螤羁讖叫螤罹匦尉匦螆A形圓形梯形梯形三角形三角形形狀因子形狀因子a11.221.51.67 若掃描系統(tǒng)的最大掃描角若掃描系統(tǒng)的最大掃描角( (掃描范圍掃描

37、范圍) )為為 ，則掃描系統(tǒng)，則掃描系統(tǒng)的掃描點數(shù)的掃描點數(shù)N N為：為： 上式為掃描系統(tǒng)的掃描方程式，它表明掃描系統(tǒng)的掃描點數(shù)上式為掃描系統(tǒng)的掃描方程式，它表明掃描系統(tǒng)的掃描點數(shù)與掃描光束的波長與掃描光束的波長和掃描系統(tǒng)的三個參數(shù)和掃描系統(tǒng)的三個參數(shù)(a、和和D)有關(guān)。有關(guān)。（8-30）aDN/二、常用光學(xué)掃描系統(tǒng)二、常用光學(xué)掃描系統(tǒng) 掃描光學(xué)系統(tǒng)的種類很多，有光機掃描、光柵掃描、聲光掃描光學(xué)系統(tǒng)的種類很多，有光機掃描、光柵掃描、聲光掃描和電光掃描等。本節(jié)只討論光學(xué)掃描系統(tǒng)。主要技術(shù)有：掃描和電光掃描等。本節(jié)只討論光學(xué)掃描系統(tǒng)。主要技術(shù)有：p激光掃描檢測技術(shù)：利用激光束的掃描運動來檢測物體的

38、激光掃描檢測技術(shù)：利用激光束的掃描運動來檢測物體的幾何尺寸；幾何尺寸；p相位調(diào)制掃描技術(shù)：測量的精度到微米級時，必須把掃描相位調(diào)制掃描技術(shù)：測量的精度到微米級時，必須把掃描的時間測量改變成掃描的位相測量；的時間測量改變成掃描的位相測量；p光掃描定位技術(shù)：以激光掃描線所在的平面為基準(zhǔn)平面，光掃描定位技術(shù)：以激光掃描線所在的平面為基準(zhǔn)平面，并在工件上固定三個二象限光電管接收激光；并在工件上固定三個二象限光電管接收激光；p表面特征檢測掃描技術(shù)：常用有反射式和干涉式兩種。表面特征檢測掃描技術(shù)：常用有反射式和干涉式兩種。FxF圖圖8-12 8-12 物鏡掃描系統(tǒng)物鏡掃描系統(tǒng)平行光束平行光束 光學(xué)掃描系統(tǒng)

39、分為物鏡掃描、物鏡光學(xué)掃描系統(tǒng)分為物鏡掃描、物鏡前掃描和物鏡后掃描三種形式，其中以前掃描和物鏡后掃描三種形式，其中以物鏡掃描物鏡掃描的掃描形式最為簡單，只要使的掃描形式最為簡單，只要使物鏡運動即可達到光束掃描的目的。物鏡運動即可達到光束掃描的目的。 調(diào)整物鏡光軸和平行光束中心軸調(diào)整物鏡光軸和平行光束中心軸線間的距離，可得到任意半徑的掃描線間的距離，可得到任意半徑的掃描圓。所得的掃描圓的最大直徑小于物圓。所得的掃描圓的最大直徑小于物鏡鏡L L的直徑。的直徑。 若物鏡若物鏡L L繞平行光束的中心軸線繞平行光束的中心軸線轉(zhuǎn)動，則平行光束的聚焦點在物鏡轉(zhuǎn)動，則平行光束的聚焦點在物鏡L L的焦平面上掃描

40、出半徑為的焦平面上掃描出半徑為x x的圓。的圓。 物鏡后掃描系統(tǒng)：物鏡后掃描系統(tǒng)：掃描反射鏡位于物鏡之后，其優(yōu)點是物鏡口徑小，掃描反射鏡位于物鏡之后，其優(yōu)點是物鏡口徑小，掃描物鏡只要求校正軸上點像差。物鏡后掃描系統(tǒng)的缺點是掃描象面為一掃描物鏡只要求校正軸上點像差。物鏡后掃描系統(tǒng)的缺點是掃描象面為一曲面，因此不利于圖像的接收與轉(zhuǎn)換。曲面，因此不利于圖像的接收與轉(zhuǎn)換。圖圖8-13 8-13 物鏡后掃描系統(tǒng)物鏡后掃描系統(tǒng)LDLRDLf L 物鏡前掃描系統(tǒng)：物鏡前掃描系統(tǒng)：把掃描反射鏡置于物鏡之前，克服了物鏡后掃描系把掃描反射鏡置于物鏡之前，克服了物鏡后掃描系統(tǒng)的缺陷。只要物鏡嚴(yán)格地校正軸上點和軸外點

41、像差，可獲得很好的掃描統(tǒng)的缺陷。只要物鏡嚴(yán)格地校正軸上點和軸外點像差，可獲得很好的掃描成像，且掃描成像面為一平面。成像，且掃描成像面為一平面。一般光學(xué)掃描系統(tǒng)多采用物鏡前掃描形式一般光學(xué)掃描系統(tǒng)多采用物鏡前掃描形式。圖圖8-14 8-14 物鏡前掃描系統(tǒng)物鏡前掃描系統(tǒng) 為了保證物鏡前掃描系統(tǒng)在掃描像面上得到均勻的像面照度和尺寸為了保證物鏡前掃描系統(tǒng)在掃描像面上得到均勻的像面照度和尺寸一致的掃描像點，掃描物鏡一般設(shè)計成像方遠心光路，使其像方主光線一致的掃描像點，掃描物鏡一般設(shè)計成像方遠心光路，使其像方主光線始終垂直于掃描像平面，這種掃描系統(tǒng)又稱其為始終垂直于掃描像平面，這種掃描系統(tǒng)又稱其為遠心掃

42、描系統(tǒng)遠心掃描系統(tǒng)。若要保。若要保證遠心掃描特性，除掃描物鏡作遠心物鏡設(shè)計要求外，對提供給掃描物證遠心掃描特性，除掃描物鏡作遠心物鏡設(shè)計要求外，對提供給掃描物鏡的成像光束也必須滿足遠心光路的要求，即只有掃描反射鏡的轉(zhuǎn)動軸鏡的成像光束也必須滿足遠心光路的要求，即只有掃描反射鏡的轉(zhuǎn)動軸心與掃描物鏡的物方焦點重合時，才能使軸外掃描光束的中心光線（主心與掃描物鏡的物方焦點重合時，才能使軸外掃描光束的中心光線（主光線）通過物鏡的物方焦點，構(gòu)成光線）通過物鏡的物方焦點，構(gòu)成像方遠心光路像方遠心光路。三、掃描物鏡三、掃描物鏡-f物鏡物鏡)()(tFty（8-318-31） 物鏡前掃描光學(xué)系統(tǒng)物鏡前掃描光學(xué)系

43、統(tǒng)的光束入射角是隨時間而變化的，且的光束入射角是隨時間而變化的，且通過掃描物鏡在垂直于光軸的像平面上成像，因此像平面上的通過掃描物鏡在垂直于光軸的像平面上成像，因此像平面上的成像位置成像位置 應(yīng)為光束入射角應(yīng)為光束入射角 的函數(shù)，一般可表示為：的函數(shù)，一般可表示為：)(ty)(t 當(dāng)光束入射角當(dāng)光束入射角 以等角速度變化時，以等角速度變化時， 為常量。若為常量。若想在掃描成像面上作等速掃描成像，應(yīng)使想在掃描成像面上作等速掃描成像，應(yīng)使 為常量。為常量。)(tdttd)(dttyd/ )( 對等角速度掃描的光束，若通過掃描物鏡在垂直于光軸的對等角速度掃描的光束，若通過掃描物鏡在垂直于光軸的像平面

44、上等速掃描成像，其掃描物鏡所得到的像高應(yīng)為像平面上等速掃描成像，其掃描物鏡所得到的像高應(yīng)為 ，即與角即與角 呈線性關(guān)系，這就是通常把掃描物鏡稱作為呈線性關(guān)系，這就是通常把掃描物鏡稱作為f f物鏡物鏡的原因所在。的原因所在。f 普通物鏡的理想像高為：普通物鏡的理想像高為：tanfyf f掃描物鏡成像應(yīng)滿足：掃描物鏡成像應(yīng)滿足：fy為滿足線性，為滿足線性，f f掃描物鏡須產(chǎn)生符合下式的畸變量掃描物鏡須產(chǎn)生符合下式的畸變量 ：tan)(tanffq（8-338-33）f f掃描物鏡分辨率：掃描物鏡分辨率： fDDfaf /22. 1（8-348-34）22. 1a（該掃描光束的孔徑為圓形）（該掃描光

45、束的孔徑為圓形） 掃描系統(tǒng)的相對孔徑越大，其物鏡分辨率越高。但分辨率較高時，掃描系統(tǒng)的相對孔徑越大，其物鏡分辨率越高。但分辨率較高時，物鏡的設(shè)計復(fù)雜而麻煩，制造成本增大，所以掃描物鏡一般應(yīng)根據(jù)實際物鏡的設(shè)計復(fù)雜而麻煩，制造成本增大，所以掃描物鏡一般應(yīng)根據(jù)實際使用要求來選取分辨率。使用要求來選取分辨率。 激光束為高亮度光源，激光掃描系統(tǒng)中只要分辨率滿足掃描成像光點激光束為高亮度光源，激光掃描系統(tǒng)中只要分辨率滿足掃描成像光點的大小即可；制造半導(dǎo)體集成電路中的圖形發(fā)生器和掩膜檢查儀，其光點的大小即可；制造半導(dǎo)體集成電路中的圖形發(fā)生器和掩膜檢查儀，其光點尺寸一般在尺寸一般在0.0010.0010.00

46、5mm0.005mm之間之間 ，高密度圖像存儲器光點尺寸在，高密度圖像存儲器光點尺寸在0.0050.0050.05mm0.05mm之間，傳真機、印刷機和打印機等光點尺寸在之間，傳真機、印刷機和打印機等光點尺寸在0.05mm0.05mm以上。以上。 掃描物鏡的軸上點和軸外點應(yīng)具有相同的成像質(zhì)量和掃描掃描物鏡的軸上點和軸外點應(yīng)具有相同的成像質(zhì)量和掃描點大小，為此除嚴(yán)格校正軸上和軸外點像差外，還應(yīng)滿足無漸點大小，為此除嚴(yán)格校正軸上和軸外點像差外，還應(yīng)滿足無漸暈和平像場的設(shè)計要求。暈和平像場的設(shè)計要求。2Lyf（8-358-35）fy 掃描物鏡焦距、成像寬度掃描物鏡焦距、成像寬度L L與光束的最大掃描

47、角關(guān)系：與光束的最大掃描角關(guān)系：據(jù)式據(jù)式 求得掃描系統(tǒng)的相對孔徑。求得掃描系統(tǒng)的相對孔徑。/22. 1fD 大多大多f f物鏡屬大視場小相對孔徑的像方遠心光學(xué)系統(tǒng)物鏡屬大視場小相對孔徑的像方遠心光學(xué)系統(tǒng)其軸上點光線在透鏡上的入射高度較低，軸外點光線在透鏡其軸上點光線在透鏡上的入射高度較低，軸外點光線在透鏡上的入射高度較高，因此校正軸外點像差是上的入射高度較高，因此校正軸外點像差是f f物鏡設(shè)計的主物鏡設(shè)計的主要著眼點。要著眼點。圖圖8-14 掃描物鏡的成像特性掃描物鏡的成像特性入瞳入瞳像面像面 f 物鏡的結(jié)構(gòu)形式物鏡的結(jié)構(gòu)形式 為滿足保留畸變和像方遠心光路的要求，在結(jié)構(gòu)選型上，多采用多片為滿足

48、保留畸變和像方遠心光路的要求，在結(jié)構(gòu)選型上，多采用多片分離式的負(fù)彎月形物鏡，光焦度的分配為負(fù)分離式的負(fù)彎月形物鏡，光焦度的分配為負(fù)- -正正- -負(fù)的形式。前兩組正負(fù)焦負(fù)的形式。前兩組正負(fù)焦距和間隔滿足總光焦度的要求，有利于場曲校正，做到平像場設(shè)計；第三距和間隔滿足總光焦度的要求，有利于場曲校正，做到平像場設(shè)計；第三組為負(fù)組，位于像面附近，有利于滿足像方遠心光路。組為負(fù)組，位于像面附近，有利于滿足像方遠心光路?？钻@孔闌( (入瞳入瞳) )三維激光掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù) 通過通過高速激光發(fā)射器運用激光測距原理（包括脈沖激光高速激光發(fā)射器運用激光測距原理（包括脈沖激光和相位激光），瞬時測得空間三

49、維坐標(biāo)值的測量儀器。和相位激光），瞬時測得空間三維坐標(biāo)值的測量儀器。 相位激光測距原理：通過測量調(diào)制的激光信號在待測距離相位激光測距原理：通過測量調(diào)制的激光信號在待測距離上往返傳播所形成的相移，間接測出激光傳播時間，再根據(jù)激上往返傳播所形成的相移，間接測出激光傳播時間，再根據(jù)激光傳播速度，求出待測距離。光傳播速度，求出待測距離。應(yīng)用：文物保護、管道設(shè)計、地形測繪、隧道挖方量計算。應(yīng)用：文物保護、管道設(shè)計、地形測繪、隧道挖方量計算。激激光光共共聚聚焦焦掃掃描描顯顯微微鏡鏡 主要組成： 激光共聚焦顯微鏡主要有四部分組成：1、顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)。2、掃描裝置。3、激光光源。4、檢測系統(tǒng)。整套儀器由計算機

50、控制，各部件之間的操作切換都可在計算機操作平臺界面中方便靈活地進行。激光共聚焦掃描顯微系統(tǒng)圖像激光共聚焦掃描顯微系統(tǒng)圖像第四節(jié)第四節(jié) 光纖光學(xué)系統(tǒng)光纖光學(xué)系統(tǒng) 光學(xué)纖維由于其具有傳光、傳像和傳輸其它光信號的功光學(xué)纖維由于其具有傳光、傳像和傳輸其它光信號的功能，因此在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國防和通訊事業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)能，因此在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國防和通訊事業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。光纖按其傳光特性分為二種，一種是用。光纖按其傳光特性分為二種，一種是階躍型折射率光纖階躍型折射率光纖，即光纖的內(nèi)芯和外包皮分別為折射率不同的均勻透明介質(zhì)，光即光纖的內(nèi)芯和外包皮分別為折射率不同的均勻透明介質(zhì)，光線在光纖內(nèi)以全反射和直

51、線傳播的方式進行。另一種是線在光纖內(nèi)以全反射和直線傳播的方式進行。另一種是梯度折梯度折射率光纖射率光纖，即光纖的中心到邊緣折射率呈梯度變化，光線在光，即光纖的中心到邊緣折射率呈梯度變化，光線在光纖內(nèi)的傳播軌跡呈曲線形式。纖內(nèi)的傳播軌跡呈曲線形式。1 1、光纖的分類、光纖的分類 按折射率分布的方式：階躍折射率光纖和梯度折射率光纖按折射率分布的方式：階躍折射率光纖和梯度折射率光纖。按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量：單模光纖和多模光纖。按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量：單模光纖和多模光纖。按傳輸?shù)钠駪B(tài)：單模光纖又可進一步分保偏光纖非保偏光纖。按傳輸?shù)钠駪B(tài)：單模光纖又可進一步分保偏光纖非保偏光纖。光纖基礎(chǔ)知識光纖基礎(chǔ)知識 按制造

52、光纖的材料分，有：按制造光纖的材料分，有：高純度熔石英光纖高純度熔石英光纖 特點：材料的光傳輸損耗低，有的波長可低到特點：材料的光傳輸損耗低，有的波長可低到0.2dB0.2dBkmkm，一般均小于一般均小于ldBldBkmkm；多組分玻璃纖維多組分玻璃纖維 特點：芯特點：芯- -皮折射率可在較大范圍內(nèi)變化，因而有利于制造皮折射率可在較大范圍內(nèi)變化，因而有利于制造大數(shù)值孔徑的光纖，但材料損耗大，在可見光波段一般大數(shù)值孔徑的光纖，但材料損耗大，在可見光波段一般為為:1dB:1dBm m塑料光纖塑料光纖 特點：成本低，缺點是材料損耗大，溫度性能較差；特點：成本低，缺點是材料損耗大，溫度性能較差；紅外

53、光纖紅外光纖 特點：可透過近紅外（特點：可透過近紅外（1 1 5m5m）或中紅外（）或中紅外（10m10m）的光波；的光波；液芯光纖液芯光纖 特點：纖芯為液體，可滿足特殊需要特點：纖芯為液體，可滿足特殊需要；晶體光纖晶體光纖 特點：纖芯為晶體，可用于制造各種有源和無源器件特點：纖芯為晶體，可用于制造各種有源和無源器件。2 2、光纖基本結(jié)構(gòu)、光纖基本結(jié)構(gòu)鍍膜鍍膜纖衣纖衣核心核心光在小于臨界角光在小于臨界角時被鍍膜吸收時被鍍膜吸收入射角入射角 反射角反射角特性特性p核心的折射率大于纖衣核心的折射率大于纖衣p 鍍膜是撞擊的吸收體鍍膜是撞擊的吸收體p 光以全反射傳播光以全反射傳播單模光纖和多模光纖優(yōu)缺

54、點比較：單模光纖和多模光纖優(yōu)缺點比較： 單模光纖承載信息容量大，模間色散小，但難制造，且一般須半導(dǎo)體單模光纖承載信息容量大，模間色散小，但難制造，且一般須半導(dǎo)體激光器激勵；激光器激勵； 多模光纖相對較易制造，可使用多模光纖相對較易制造，可使用LEDLED作為光源，但存在模間色散，傳作為光源，但存在模間色散，傳輸帶寬相對較窄。輸帶寬相對較窄。 直徑小于一個波長的是單模，光線在介質(zhì)中扭曲，不管以什么角度入直徑小于一個波長的是單模，光線在介質(zhì)中扭曲，不管以什么角度入射只能傳輸一道信號。直徑大于一個波長的是多模，光線在介質(zhì)中折射，射只能傳輸一道信號。直徑大于一個波長的是多模，光線在介質(zhì)中折射，以不同的

55、角度入射能夠傳輸不同的信號。以不同的角度入射能夠傳輸不同的信號。3 3、單模光纖和多模光纖、單模光纖和多模光纖4 4、發(fā)光器的種類、發(fā)光器的種類發(fā)光二極管發(fā)光二極管光源光源多模激光光源激光光源單模SCSC型光纖連接器：型光纖連接器：外殼呈矩形，緊固方式是采用插拔銷閂式，不需旋轉(zhuǎn)。外殼呈矩形，緊固方式是采用插拔銷閂式，不需旋轉(zhuǎn)。此類連接器價格低廉，插拔操作方便，抗壓強度較高，安裝密度高。此類連接器價格低廉，插拔操作方便，抗壓強度較高，安裝密度高。STST型光纖連接器：型光纖連接器：外殼呈圓形，緊固方式為螺絲扣。此類連接器適用于各外殼呈圓形，緊固方式為螺絲扣。此類連接器適用于各種光纖網(wǎng)絡(luò)，操作簡便

56、，且具有良好的互換性。種光纖網(wǎng)絡(luò)，操作簡便，且具有良好的互換性。5 5、常用的光纖連接器、常用的光纖連接器 LC LC型連接器：型連接器：BellBell研究所開發(fā)，采用操作方便的模塊化研究所開發(fā)，采用操作方便的模塊化插孔閂鎖機理制成。其所采用的插針和套筒的尺寸是普通插孔閂鎖機理制成。其所采用的插針和套筒的尺寸是普通SCSC、FCFC等所用尺寸的一半，為等所用尺寸的一半，為1.25mm1.25mm。這樣可以提高光纖。這樣可以提高光纖配線架中光纖連接器的密度。配線架中光纖連接器的密度。光源光源放大器放大器光電二光電二極管極管判決器判決器6 6、光纖系統(tǒng)組成、光纖系統(tǒng)組成7 7、光纖的制造、光纖的

57、制造外部汽相氧化法外部汽相氧化法汽相軸向沉積法汽相軸向沉積法改進的化學(xué)汽油沉積法改進的化學(xué)汽油沉積法等離子體活性化化學(xué)汽相沉積法等離子體活性化化學(xué)汽相沉積法直接熔化法（雙坩鍋法）直接熔化法（雙坩鍋法）汽相氧化過程汽相氧化過程 光纖可視為圓柱波導(dǎo)，光線的軌跡可以在通過光纖軸線的光纖可視為圓柱波導(dǎo)，光線的軌跡可以在通過光纖軸線的主截面內(nèi)，也可以不在通過光纖軸線的主截面內(nèi)。要完整的確主截面內(nèi)，也可以不在通過光纖軸線的主截面內(nèi)。要完整的確定一條光線，必須用兩個參量，即光線在界面的入射角定一條光線，必須用兩個參量，即光線在界面的入射角 和光和光線與光纖軸線的夾角線與光纖軸線的夾角 。 偏斜光線的螺旋路經(jīng)

58、及其在偏斜光線的螺旋路經(jīng)及其在纖芯橫截面上的投影纖芯橫截面上的投影一、一、階躍型光纖階躍型光纖的基本原理的基本原理PrQQP(a)1n2nPrQ(b)1n2n子午光線的鋸齒路徑子午光線的鋸齒路徑圖圖8-16 8-16 階躍型光纖階躍型光纖入射角入射角U U時與折射角時與折射角UU滿足下式：滿足下式：0222121201201)(1sin1sinnnnnnnnInnUmInnInnInnUnnU2010100101sin1cos)90sin(sinsin根據(jù)全反射定律有根據(jù)全反射定律有: :12sinsinnnIIm定義定義 為光纖的數(shù)值孔徑：為光纖的數(shù)值孔徑：max0sinUn（當(dāng)光纖位于空氣

59、中時）（當(dāng)光纖位于空氣中時） 2221maxsinnnUNA2221max0sinnnUnNA（8-368-36）02221sinnnnU入射在光纖輸入端面的光線最大入射角入射在光纖輸入端面的光線最大入射角 應(yīng)滿足上式。應(yīng)滿足上式。 maxU 光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收光能的多少，要想使光光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收光能的多少，要想使光纖通過較多的光能，必須增大纖通過較多的光能，必須增大n n1 1和和n n2 2的差值。當(dāng)光纖的直的差值。當(dāng)光纖的直徑不變且不彎曲時，光線在光纖子午面內(nèi)傳播，由光纖出徑不變且不彎曲時，光線在光纖子午面內(nèi)傳播，由光纖出射端面射出的光線出射角是不變的，但其射出方向視其

60、在射端面射出的光線出射角是不變的，但其射出方向視其在光纖內(nèi)的反射次數(shù)而定，若光線在光纖內(nèi)的反射次數(shù)為偶光纖內(nèi)的反射次數(shù)而定，若光線在光纖內(nèi)的反射次數(shù)為偶數(shù)時，出射光線方向與入射光線方向相同，若光線在光纖數(shù)時，出射光線方向與入射光線方向相同，若光線在光纖內(nèi)的反射次數(shù)為奇數(shù)時，出射光線方向與入射光線方向?qū)?nèi)的反射次數(shù)為奇數(shù)時，出射光線方向與入射光線方向?qū)ΨQ于光纖的光軸。稱于光纖的光軸。 2221max0sinnnUnNA 一束平行光或一束會聚光入射在光纖的端面時，其出射一束平行光或一束會聚光入射在光纖的端面時，其出射光已不是一束平行光或發(fā)散光，平行光束變成一錐面平行光光已不是一束平行光或發(fā)散光，平