現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)(II)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 機(jī)械工程學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)（II）實(shí)驗(yàn)報(bào)告_2014_年_ 12_月 25 日 題目： 現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)（II） 學(xué)號(hào)： 姓名： 班級(jí)： 實(shí)驗(yàn)一 激光拉曼熒光光譜實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解拉曼光譜的基本原理，理解它的光譜和能級(jí)躍遷特性。2.了解拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。3.測(cè)量四氯化碳的拉曼光譜，計(jì)算其中各譜線的位移值，并估計(jì)相應(yīng)的振動(dòng)能級(jí)的結(jié)構(gòu)。4.測(cè)量其他溶液的的拉曼光譜，并分析其特殊?！緝x器用具】LRS III激光拉曼/熒光光譜儀【實(shí)驗(yàn)原理】一、拉曼光譜原理簡(jiǎn)介印度物理學(xué)家拉曼（Raman）在1928年研究苯的光散射時(shí)發(fā)現(xiàn)，在散射光中除了有與入射光頻率相同的譜線外，還有與入射光頻率發(fā)生位移（頻率

2、增加或減少）、而且強(qiáng)度極弱的譜線。前者為已知的瑞利（Rayleigh）散射光，后者被命名為拉曼散射光。拉曼光譜與分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，因此能反映分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，所以研究分子的拉曼光譜能得到有關(guān)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，因而它在許多科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。1. 拉曼光譜的經(jīng)典理論根據(jù)電磁輻射的經(jīng)典理論，單色入射光輻射到物質(zhì)上時(shí)，能使其中的分子產(chǎn)生振蕩形成感生電偶極矩P。當(dāng)入射光光強(qiáng)不是很大時(shí)，在一級(jí)近似下，此感生偶極矩P與分子極化率以及入射光的電場(chǎng)強(qiáng)度E之間的近似關(guān)系為：P= E (1)一般情況下，分子極化率是原子座標(biāo)的函數(shù)，而且是各向異性的，因此它可由一個(gè)張量（ij）(i,j=x,y,

3、z)來描述，由此式(1)的各分量表示為：或者以矩陣形式表示為：由于分子中的原子總是在作熱振動(dòng)，即它們的原子核總是圍繞其平衡位置在作振動(dòng)，因而分子的極化率也在隨之發(fā)生著變化。按照一般的方法，將極化率的各分量在平衡位置附近按簡(jiǎn)正座標(biāo)展開成泰勒級(jí)數(shù)形式并只保持到一次項(xiàng)：其中，(ij)0是分子在平衡位置時(shí)的ij 值，通常為常數(shù)，Qk，Ql 是分子振動(dòng)的簡(jiǎn)正座標(biāo)。為簡(jiǎn)單期間，若只考慮一個(gè)（第k個(gè)）簡(jiǎn)正振動(dòng)，則上式簡(jiǎn)化為：式中k 也為常數(shù)。設(shè)分子的簡(jiǎn)正振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即 (6)入射光電場(chǎng)強(qiáng)度為： (7)將式(5)、(6)、(7)代入(1)式（只有一個(gè)分量的情況）得式中，第一項(xiàng)表示感生偶極矩以不變的頻率0輻

4、射，對(duì)應(yīng)于瑞利散射，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)分別表示感生偶極矩以頻率0k和0k輻射，分別對(duì)應(yīng)于拉曼散射中，稱為斯托克斯（Stokes）線和反斯托克斯線的兩條特征譜線。2. 拉曼光譜的量子理論按照量子理論，頻率為0的光子入射到分子上時(shí)，可能會(huì)發(fā)生彈性和非彈性兩種散射。在彈性散射過程中，光子與分子間沒有能量交換，光子僅僅改變其運(yùn)動(dòng)方向，而不改變其頻率。這種散射對(duì)于應(yīng)瑞利散射。在非彈性散射過程中，光子與分子存在著能量交換，光子不僅改變了運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)還可能把一部分能量傳遞給分子或從分子中得到一定的能量。在這兩種過程中，光子的頻率都發(fā)生了改變。光子失去能量的過程對(duì)應(yīng)于頻率減小，稱之為斯托克斯拉曼散射；而光子得到

5、能量的過程對(duì)應(yīng)于頻率的增加，稱之為反斯托克斯拉曼散射。在圖1中，其中的虛能級(jí)實(shí)際上是不存在的。h為分子的相鄰兩個(gè)振動(dòng)能級(jí)的間隔?？梢钥闯?，斯托克斯線和反斯托克斯線與瑞利線之間的能量差分別為h(0-)-h0=h和h(0)-h0=h，其數(shù)值相等，符號(hào)相反。這說明拉曼譜線對(duì)稱地分布在瑞利線的兩側(cè)。一般情況下，分子的振動(dòng)能級(jí)遠(yuǎn)大于分子的熱運(yùn)動(dòng)能，所以按照玻爾茲曼分布，處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)E1能級(jí)的分子數(shù)，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于處于基態(tài)E0能級(jí)上的分子數(shù)。因此，斯托克斯線的強(qiáng)度要大于反斯托克斯線的強(qiáng)度。拉曼光譜的強(qiáng)度取決于躍遷矩陣元： （9）式中，m和n分別為上下兩能級(jí)的波函數(shù)。同時(shí)，由公式(4)或(5)可知，要產(chǎn)生拉曼

6、光譜，還必須有： （10）滿足公式(10)的條件，則稱該分子具有拉曼活性的。拉曼光譜的具體性質(zhì)和現(xiàn)象請(qǐng)參考相關(guān)的專業(yè)書籍。二、實(shí)驗(yàn)儀器和裝置本實(shí)驗(yàn)使用的儀器為：LRS-III型激光拉曼/熒光光譜儀（天津港東科技發(fā)展有限公司）。儀器的總體結(jié)構(gòu)如下圖所示：在該裝置中，激發(fā)光源采用波長(zhǎng)為532nm（波數(shù)為18797.0cm-1）的偏振半導(dǎo)體激光器，輸出功率不小于40mW。偏振方向可以通過一1/2波片調(diào)節(jié)。單色儀采用1200L/mm、閃耀波長(zhǎng)為500nm的光柵，相對(duì)孔徑比為D/f=1/5.5。光接收器為光電倍增管（日產(chǎn)R6249）。為提高信噪比，光強(qiáng)接收采用單光子計(jì)數(shù)器。整個(gè)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)有：波長(zhǎng)

7、范圍：200800nm（單色儀）；波長(zhǎng)準(zhǔn)確度：不大于0.4nm；波長(zhǎng)重復(fù)性：不大于0.2nm；雜散光：不大于10-3；線色散倒數(shù)：2.7nm/mm；譜線半寬度：不大于0.2nm（波長(zhǎng)在586nm處）?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 測(cè)量四氯化碳的拉曼光譜，計(jì)算其中各譜線的位移值，并估計(jì)相應(yīng)的振動(dòng)能級(jí)的結(jié)構(gòu)。2. 觀察苯和甲苯的拉曼光譜。觀察可知其光譜中心波長(zhǎng)大概為530nm?！緦?shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】1. 開機(jī)后整個(gè)裝置預(yù)熱10分鐘。2. 測(cè)量應(yīng)在暗室內(nèi)內(nèi)進(jìn)行。3. 禁止用眼睛直接觀察激光。4. 調(diào)節(jié)好光路以及偏振方向5. 啟動(dòng)測(cè)量軟件后，先要測(cè)定光子計(jì)數(shù)器的本底大小，并設(shè)置域值電平，一般為2122。實(shí)驗(yàn)四 傅里葉變

8、換光譜實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、掌握傅里葉變換原理；2、掌握XGF-1型傅里葉變換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作。3、掌握傅里葉變換方法測(cè)定光源的輻射光譜；4、了解傅里葉變換光學(xué)在實(shí)際工程中的應(yīng)用?！緝x器用具】XGF-1型傅里葉變換光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、四維調(diào)節(jié)架、擴(kuò)束鏡(f = 4.5)、鈉燈、汞燈、計(jì)算機(jī)。【原理】1、基本原理：傅里葉變換過程實(shí)際上就是調(diào)制與解調(diào)的過程，通過調(diào)制我們將待測(cè)光的高頻率調(diào)制成我們可以掌控、接收的頻率。然后將接收到的信號(hào)送到解調(diào)器中進(jìn)行分解，得出待測(cè)光中的頻率成分及各頻率對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值。這樣我們就得到了待測(cè)光的光譜圖。下面介紹兩個(gè)方程：調(diào)制方程： 解調(diào)方程：調(diào)制過程：這一步由邁克耳孫干涉儀實(shí)現(xiàn)，

9、設(shè)一單色光進(jìn)入干涉儀后，它將被分成兩束后進(jìn)行干涉，干涉后的光強(qiáng)值為，（其中x為光程差，它隨動(dòng)鏡的移動(dòng)而變化，為單色光的波數(shù)值）。如果待測(cè)光為連續(xù)光譜，那么干涉后的光強(qiáng)為解調(diào)過程：我們把從接收器上采集到的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這一步就是解調(diào)過程。使用的方程就是解調(diào)方程，這個(gè)方程也是傅里葉變換光譜學(xué)中干涉圖光譜圖關(guān)系的基本方程。對(duì)于給定的波數(shù)，如果已知干涉圖與光程差的關(guān)系式I（x） ，就可以用解調(diào)方程計(jì)算的這波數(shù)處的光譜強(qiáng)度 I( ) 。為了獲得整個(gè)工作波數(shù)范圍的光譜圖，只需對(duì)所希望的波段內(nèi)的每一個(gè)波數(shù)反復(fù)按解調(diào)方程進(jìn)行傅里葉變換運(yùn)算就行了。2 、儀器結(jié)構(gòu)：傅里葉變換光譜實(shí)驗(yàn)裝置光路圖1-

10、 外置光源2-內(nèi)置光源（溴鎢燈）3-可變光欄4-準(zhǔn)直鏡5-平面反射鏡6-精密平移臺(tái)7-電機(jī)8-動(dòng)鏡9-干涉板10-補(bǔ)償板11-定鏡12-平面反射鏡13-接收器1 14-參考光源（He-Ne激光器）15-分束器16平面反射鏡17-接收器2 18-光源轉(zhuǎn)換鏡（物鏡）內(nèi)置光源選用溴鎢燈（12V 30W），待測(cè)光過準(zhǔn)直鏡后變成平行光進(jìn)入干涉儀，從干涉儀中出射后成為兩束相干光，并有一定的相位差。干涉光經(jīng)平面鏡12轉(zhuǎn)向后進(jìn)入接收器1。當(dāng)干涉儀的動(dòng)鏡部分做連續(xù)移動(dòng)改變光程差時(shí)，干涉圖的連續(xù)變化將被接收器接收，并被記錄系統(tǒng)以一定的數(shù)據(jù)間隔記錄下來。另外在零光程附近，可以通過觀察窗在接收器1的端面上看到白光干涉

11、的彩色斑紋。系統(tǒng)內(nèi)置的參考光源為He-Ne激光器，利用He-Ne激光器突出的單色性對(duì)其它光源的干涉圖進(jìn)行位移校正，有效的修正了掃描過程中由于電機(jī)速度變化造成的位移誤差?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1. 鈉燈輻射光譜的測(cè)定(1). 連接傅里葉變換光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其與計(jì)算機(jī)接口；(2). 打開實(shí)驗(yàn)裝置和待測(cè)光源的電源，預(yù)熱15分鐘；(3). 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用軟件；(4). 進(jìn)行采集前的參數(shù)設(shè)置工作；(5). 執(zhí)行采集命令，并將采集到的干涉圖數(shù)據(jù)在工作區(qū)中繪制成干涉圖；(6). 將采集到的干涉圖進(jìn)行傅立葉變換，得到干涉圖變換后的光譜圖2. 汞燈輻射光譜的測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟同上。【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】待測(cè)光源激光器信號(hào)采集結(jié)果得到

12、干涉圖變換后的光譜圖【思考題】1. 實(shí)驗(yàn)中使用的擴(kuò)展光源需注意哪些要求？為什么？答：方向性、單色性好，單色性好才能形成干涉實(shí)驗(yàn)五 電子散斑干涉實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解電子散斑干涉原理；2、掌握干涉光路及圖像處理軟件；3、學(xué)會(huì)使用XGS-I型電子散斑干涉(ESPI)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來測(cè)量三維面內(nèi)和離面位移和振動(dòng)；4、運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行無損檢測(cè)?！緝x器用具】激光器、平面鏡、擴(kuò)束鏡、分光鏡、成像透鏡、CCD攝像機(jī)、圖象采集卡、計(jì)算機(jī)?！驹怼?、基本原理電子散斑干涉實(shí)驗(yàn)原理見下圖 電子散斑干涉技術(shù)是利用被測(cè)物體的粗糙表面所造成的漫反射光與參考光之間的干涉進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)激光照射在被測(cè)物體表面時(shí)，其漫反射在探測(cè)器件C

13、CD表面的光場(chǎng)分布為：其中，是光的振幅，是被測(cè)物體反射后的光波相位。電子散斑干涉技術(shù)與全息技術(shù)類似需要一束參考光。參考光的探測(cè)器表面的光場(chǎng)分布可以表示為： 這兩束物光與參考光在CCD表面上形成光強(qiáng)I(r)為： 當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生形變后，表面各點(diǎn)的散斑場(chǎng)振幅基本不變，而相位將改變?yōu)榧炊冃吻昂蟮膮⒖脊獠ňS持不變。這樣一來，變形后的合成光強(qiáng)I (r)為： 對(duì)于全息干涉，它是把兩個(gè)不同時(shí)刻的光強(qiáng)記錄在同一干版，即產(chǎn)生疊加效應(yīng)，而電子散斑則是對(duì)兩個(gè)光強(qiáng)進(jìn)行相減處理。 可見，處理后的光強(qiáng)是一個(gè)含有高頻載波項(xiàng) ( )+ (r)/2 的低頻條紋sin(r)/2)。該低頻條紋取決于物體形變引起的光波相位改變。這個(gè)

14、光波相位變化與物體形變關(guān)系不難從光波傳播的理論推導(dǎo)出來，即有 其中是所用的激光波長(zhǎng)，是激光與物體表面法線的夾角，d1是物體形變的離面位移，d2 是物體形變的面內(nèi)位移。 在一般情況下，照明角度較小，即cos1，sin0，所以這種單光術(shù)照明的電子散斑干涉對(duì)離面位移比較敏感，而對(duì)面內(nèi)位移不敏感，這和全息干涉技術(shù)相類似。因?yàn)楣獬滩钍钱a(chǎn)生相位變化的主要原因，而光程差又主要和物體形變有關(guān)。 設(shè)物體的離面形變?yōu)閐(x,y)，相應(yīng)的相位改變?yōu)?2/2d(x,y),如果=2n時(shí)，變化前后的散斑圖象完全相同。于是有d(x,y) = n/2 其中，n 是干涉條紋的級(jí)數(shù)，當(dāng)n(x,y)=0,1,2.時(shí)，觀察到暗條紋。

15、2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)XGS-I型電子散斑干涉(ESPI)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下圖（1）被測(cè)物體被測(cè)物體有兩個(gè)，一是通電加熱的被測(cè)物體1，一是手動(dòng)調(diào)節(jié)的被測(cè)物體2，二者都是為了產(chǎn)生一定量的形變。被測(cè)物體1主體是60mm×60mm×15mm的金屬鋁塊，上部有三根電阻絲，接通電源后，電阻絲發(fā)熱，鋁塊受熱膨脹，使得被測(cè)物體表面產(chǎn)生形變，上面較高，下面較低，呈梯形.附帶變壓器，可調(diào)范圍為0伏-110伏.調(diào)節(jié)的電壓越高，物體形變?cè)娇?，注意防止物體形變過快，以至妨礙實(shí)驗(yàn)效果.注意，在開始新的實(shí)驗(yàn)之前，要確定被測(cè)物體是經(jīng)過冷卻的。在測(cè)試階段得到的一次實(shí)例數(shù)據(jù)如下，相應(yīng)示意曲線見下圖(電壓為最大，

16、即110V，環(huán)境溫度為22)： 被測(cè)物體2是靠手動(dòng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生形變的，正面上部的金屬片接受激光的照射，背面上部的螺絲用來粗調(diào)，下面的螺旋測(cè)微器旋鈕用來細(xì)調(diào)。（2）激光器采用He-Ne激光器，功率為1.5mW，波長(zhǎng)632.8 nm,附有專用電源. （3）外部光路由透鏡、反射鏡等組成透鏡組，完成分光、反射、成象、產(chǎn)生光斑等功能. 光路圖見上面的“電子散斑結(jié)構(gòu)圖”. （4）探測(cè)系統(tǒng)采用黑白CCD攝像機(jī)，有效象素?cái)?shù)不低于752(H)×582(V). （5）數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)收集采用黑白圖象采集卡，NTSC制信號(hào)，分辨率設(shè)定為640 ×480 ×16位.圖象的實(shí)時(shí)顯示、過程控制、數(shù)據(jù)

17、的分析及處理由配套軟件完成.計(jì)算機(jī)的分辨率推薦調(diào)整為1024 ×768 ×16位.此時(shí)效果最好.打印機(jī)推薦為彩色打印機(jī). 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 (1) 連接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電纜和黑白攝像機(jī)與圖象采集卡之間的視頻電纜；(2) 打開激光器的電源；(3) 調(diào)整各個(gè)光學(xué)器件的位置及角度，直到在白屏上清楚的看到邁克爾孫（Michelson）干涉條紋后，固定各個(gè)器件的位置，將白屏撤掉，在它的位置上擺放黑白攝像機(jī)；(4) 打開其它儀器的電源，注意把被測(cè)物體的可調(diào)電源的電壓調(diào)到0；(5) 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，將顯示器的分辨率設(shè)置為1024×768×16位,運(yùn)行控制程序；(6) 首先設(shè)置采圖方

18、式為手動(dòng)，點(diǎn)擊“控制”菜單里“開始”菜單，或者點(diǎn)擊工具條上的“開始”按鈕，或者直接按F1鍵，調(diào)整黑白攝像機(jī)的位置，直到在主工作區(qū)看到實(shí)時(shí)顯示的清晰的邁克爾孫（Michelson）干涉條紋；(7) 設(shè)置顯示模式、采集方式、保存路徑、采圖速度等參數(shù)；(8) 將被測(cè)物體的可調(diào)電源的電壓調(diào)到適當(dāng)值，(電壓值視具體情況而定，以便控制被測(cè)物體形變的速度，進(jìn)而控制實(shí)驗(yàn)的速度)；(9) 點(diǎn)擊“控制”菜單里“開始”菜單，或者點(diǎn)擊工具條上的“開始”按鈕，或者直接按F1鍵，開始采集圖象。若采集方式為手動(dòng)，可以隨時(shí)點(diǎn)擊“控制”菜單里“抓圖并保存”菜單，或者點(diǎn)擊工具條上的“抓圖”按鈕，或者直接按F4鍵來采集一幅圖象到設(shè)

19、置好的保存路徑中，也會(huì)將此圖加入到左側(cè)的圖象列表中，同時(shí)主工作區(qū)右側(cè)會(huì)給出一些信息提示；若采集方式為自動(dòng)，則控制程序按照用戶設(shè)置好的參數(shù)，每間隔一定時(shí)間，采集一幅圖象到設(shè)置好的保存路徑中，也會(huì)將此圖加入到左側(cè)的圖象列表中，同時(shí)主工作區(qū)右側(cè)會(huì)給出一些信息提示；(10) 處理采集到的數(shù)據(jù)；(11) 退出控制程序；(12) 關(guān)閉各個(gè)儀器的電源；(13) 整理儀器?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果】【思考題】1. 試討論引起引起測(cè)試過程中誤差的因素，并如何克服？答：測(cè)量形變過程中如果物體有少量位移可能造成誤差，克服方法縮短記錄時(shí)間。2. 試討論使用電子散斑法測(cè)量三維面內(nèi)和離面位移以及振動(dòng)之間需要注意的差別，為什么？答：測(cè)量

20、離面位移抓取圖片為發(fā)生位移前后的圖片，測(cè)量震動(dòng)時(shí)抓取圖片的時(shí)間間隔應(yīng)該較短，因?yàn)檎饎?dòng)測(cè)量是測(cè)量位移與時(shí)間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)六 數(shù)字式光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量和透鏡像質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 了解光學(xué)鏡頭傳遞函數(shù)測(cè)量的基本原理；2、 掌握傳遞函數(shù)測(cè)量和成像品質(zhì)評(píng)價(jià)的近似方法；3、 學(xué)習(xí)抽樣、平均和統(tǒng)計(jì)算法?！緝x器用具】導(dǎo)軌、多用途LED面光源、雙膠合透鏡、分光鏡、波形發(fā)生器、CCD攝像機(jī)、CCD光闌、圖象采集卡、計(jì)算機(jī)?！驹怼抗鈱W(xué)傳遞函數(shù)（Optical transfer function, OTF）表征光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同空間頻率的目標(biāo)的傳遞性能，廣泛用于對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)。傅里葉光學(xué)證明了光學(xué)成像過程可以

21、近似作為線形空間中的不變系統(tǒng)來處理，從而可以在頻域中討論光學(xué)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。任何二維物體o(x, y)都可以分解成一系列x方向和y方向的不同空間頻率(x,y)簡(jiǎn)諧函數(shù)(物理上表示正弦光柵)的線性疊加： (1)式中o(x,y)為o(x, y)的傅里葉譜，它正是物體所包含的空間頻率(x,y)的成分含量，其中低頻成分表示緩慢變化的背景和大的物體輪廓，高頻成分則表征物體的細(xì)節(jié)。當(dāng)該物體經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，各個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)發(fā)生兩個(gè)變化：首先是調(diào)制度（或反差度）下降，其次是相位發(fā)生變化，這一綜合過程可表為 (2)式中i(x,y)表示像的傅里葉譜。H(x,y)稱為光學(xué)傳遞函數(shù)，是一個(gè)復(fù)函數(shù)，它的模為調(diào)制度

22、傳遞函數(shù)（modulation transfer function, MTF），相位部分則為相位傳遞函數(shù)（phase transfer function, PTF）。顯然，當(dāng)H=1時(shí)，表示像和物完全一致，即成像過程完全保真，像包含了物的全部信息，沒有失真,光學(xué)系統(tǒng)成完善像。由于光波在光學(xué)系統(tǒng)孔徑光欄上的衍射以及像差（包括設(shè)計(jì)中的余留像差及加工、裝調(diào)中的誤差），信息在傳遞過程中不可避免要出現(xiàn)失真，總的來講，空間頻率越高，傳遞性能越差。對(duì)像的傅里葉譜i(x,y)再作一次逆變換，就得到象的復(fù)振幅分布：調(diào)制度m定義為 (4)式中Amax和Amin分別表示光強(qiáng)的極大值和極小值。光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)可表

23、為給定空間頻率下像和物的調(diào)制度之比： (5)除零頻以外，MTF的值永遠(yuǎn)小于1。MTF(x,y)表示在傳遞過程中調(diào)制度的變化，一般說MTF越高，系統(tǒng)的像越清晰。平時(shí)所說的光學(xué)傳遞函數(shù)往往是指調(diào)制度傳遞函數(shù)MTF。圖1給出一個(gè)光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)MTF曲線，不同視場(chǎng)的MTF不相同。 在生產(chǎn)檢驗(yàn)中，為了提高效率，通常采用如下近似處理：（1）使用某幾個(gè)甚至某一個(gè)空間頻率0下的MTF來評(píng)價(jià)像質(zhì)。（2）由于正弦光柵較難制作，常常用矩形光柵作為目標(biāo)物。本實(shí)驗(yàn)用CCD對(duì)矩形光柵的象進(jìn)行抽樣處理，測(cè)定象的歸一化的調(diào)制度，并觀察離焦對(duì)MTF的影響。該裝置實(shí)際上是數(shù)字式MTF儀的模型。 一個(gè)給定空間頻率下的滿幅調(diào)制(調(diào)制

24、度m=1)的矩形光柵目標(biāo)物如圖2(a)所示。如果光學(xué)系統(tǒng)生成完善像，則抽樣的結(jié)果只有0和1兩個(gè)數(shù)據(jù)，像仍為矩形光柵。在軟件中對(duì)像進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)，其直方圖為一對(duì)函數(shù)，位于0和1。見圖2(b)及2(c)如上所述，由于衍射及光學(xué)系統(tǒng)像差的共同效應(yīng)，實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的像不再是矩形光柵，如圖3(a)所示，波形的最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min的差代表像的調(diào)制度。對(duì)圖3(a)所示圖形實(shí)施抽樣處理，其直方圖見圖3(b)。找出直方圖高端的極大值mH和低端極大值mL，它們的差mH- mL近似代表在該空間頻率下的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的值。為了比較全面地評(píng)價(jià)像質(zhì)，不但要測(cè)量出高、中、低不同頻率下的MTF，從而大體給出MTF曲

25、線，還應(yīng)測(cè)定不同視場(chǎng)下的MTF曲線?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1. 將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中光學(xué)及機(jī)械調(diào)整部件安裝好，固定到導(dǎo)軌上，CCD與圖像卡相連。2. 調(diào)節(jié)各光學(xué)元件，中心等高對(duì)正。適當(dāng)調(diào)節(jié)待測(cè)透鏡和CCD的相對(duì)位置，通過物距和像距的控制，使波形發(fā)生器的像清晰地成在CCD的靶面上。打開圖像采集軟件，以屏幕中得到最清晰的像為準(zhǔn)（像的清晰程度受待測(cè)透鏡的成像質(zhì)量影響，找到相對(duì)最清晰的位置即可）。3. 波形發(fā)生器只使用有水平條紋和豎直條紋的單元的部分，將該部分在光路中對(duì)正。該部分由多個(gè)不同空間頻率的條紋單元組成，選擇想要測(cè)量的空間頻率的條紋單元，移動(dòng)波形發(fā)生器使該單元至屏幕中心。4. 點(diǎn)擊界面左側(cè)的“局部存儲(chǔ)”快捷按

26、鈕，或點(diǎn)擊界面上方的“圖像處理”，選擇下拉菜單中的“局部存儲(chǔ)”，此時(shí)整個(gè)圖像靜止（左側(cè)大恒標(biāo)識(shí)中的紅圈停止轉(zhuǎn)動(dòng)），屏幕上會(huì)出現(xiàn)一紅色方框（沿對(duì)角線拖動(dòng)大小可變，敲擊空格鍵紅框消失，界面解除靜止，再次敲擊空格鍵，界面又將靜止）。將該方框平拖至水平條紋部分，雙擊方框內(nèi)部分，將所采集圖像的文件存至Mcad文件夾中。如此再將豎直條紋部分、全白部分、全黑部分采集圖像的文件也存至Mcad文件夾中。5. 運(yùn)行Mcad文件夾中的MTF-new.MCD文件，打開MTF數(shù)據(jù)處理程序。將先前保存在Mcad文件夾中的四個(gè)文件的文件名分別復(fù)制入相應(yīng)位置的引號(hào)內(nèi)，該程序會(huì)將處理結(jié)果展示在下面，并在最后給出水平方向和豎直方向的MTF值。6. 局部存儲(chǔ)時(shí)的紅色方框應(yīng)包含三條以上的亮條紋或黑條紋。7. 光源可以分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)三色光，可以用來分別測(cè)出三種波長(zhǎng)光照明下的MTF值?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果】紅光綠光藍(lán)光【思考題】1. 評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的方法有哪些？答：瑞利判斷