第七章CCD應(yīng)用中的光學(xué)系統(tǒng)-副本

第七章CCD應(yīng)用中的光學(xué)系統(tǒng)以光電器件作為接收器的光學(xué)系統(tǒng)，稱為光電光學(xué)系統(tǒng)。一類為光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。一類為光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；光電光學(xué)系統(tǒng)分為兩大類：1光電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要用于光度測(cè)量，一般對(duì)成像質(zhì)量要求不高，結(jié)構(gòu)形式也比較簡(jiǎn)單。光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要求將整幅圖像同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，或用掃描方法把圖像的像素順序地轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)，因此光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)多屬于照相、投影、顯微和望遠(yuǎn)系統(tǒng)等。它們對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求較高，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。2在光電光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)系統(tǒng)的作用是把物體或待處理的圖像成像到光電器件(如CCD器件)上。因此，在確定系統(tǒng)原理方案時(shí)，首先要進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算。而光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算是根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)的有關(guān)公式進(jìn)行的。3一、理想光學(xué)系統(tǒng)的基本參數(shù)1.焦點(diǎn)、焦平面

2.主點(diǎn)、主平面3.節(jié)點(diǎn)、節(jié)平面7.1光學(xué)系統(tǒng)成像基本計(jì)算公式4二、理想光學(xué)系統(tǒng)的物像位置公式1.牛頓公式2.高斯公式5三、理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率1.垂軸放大率牛頓公式高斯公式62.軸向放大率73.角放大率84.三種放大率之間的關(guān)系角放大率垂軸放大率軸向放大率97.2光學(xué)元件的成像特性一、透鏡二、反射鏡

1.平面鏡成像

2.球面反射鏡成像三、平行平板10四、棱鏡

1.反射棱鏡

2.折射棱鏡五、光楔117.3光學(xué)系統(tǒng)中光闌的作用一、孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳二、視場(chǎng)光闌三、漸暈光闌四、消雜光光闌127.4常用光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成像特性以CCD器件作為接收器的光學(xué)系統(tǒng)，主要是由成像物鏡和CCD器件組成的，物體經(jīng)物鏡成像在CCD器件上，因此，成像物鏡的光學(xué)特性決定了系統(tǒng)的使用性能。13一、照相攝影物鏡的光學(xué)特性攝影物鏡的光學(xué)特性主要由三個(gè)參數(shù)決定，即焦距f/、相對(duì)孔徑D/f/和視場(chǎng)角2ω。1.物鏡的焦距f/

物鏡的焦距決定了物體在接收器上成像的大小。用不同焦距的物鏡對(duì)同一位置的目標(biāo)進(jìn)行成像時(shí)，焦距越大，所得到的像也就越大。14當(dāng)物體在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，由下圖8-34可知，物鏡的焦距f/、視場(chǎng)角2ω與像的大小y/之間的關(guān)系為y/=-f/tgωf/y/H/H-w/-w無(wú)限遠(yuǎn)物體成像15當(dāng)物體在有限距離時(shí)，如下圖所示，物像之間關(guān)系為y/=βy式中，β=-f/x=-x//f/，為所對(duì)應(yīng)共軛平面的垂軸放大率。f/y/H/H有限距離物體成像x/F/B/A/F-f-xAB-y16為滿足各種成像要求，物鏡焦距大小相差很大，短的只有幾毫米，長(zhǎng)的可達(dá)數(shù)米。使用變焦距鏡頭，當(dāng)其焦距改變時(shí)，可以獲得不同放大倍率的像。2.相對(duì)孔徑D/f/

物鏡入瞳的直徑與其焦距之比為物鏡的相對(duì)孔徑，用D/f/來(lái)表示。物鏡相對(duì)孔徑的大小決定了物鏡的分辨率、像面照度，并影響成像質(zhì)量。171)分辨率物鏡的分辨率是用物鏡對(duì)黑白相間的線條密度的分辨極限來(lái)描述的，即以單位長(zhǎng)度(1mm)內(nèi)可以分辨的線條數(shù)N來(lái)表示。若物鏡在像方焦平面上能分辨開(kāi)的二條線之間的最小距離為δ，則物鏡在焦平面上一毫米內(nèi)所能分辨開(kāi)的線條數(shù)N=1/δ=[1/(1.22λ)]D/f/(8-32)當(dāng)波長(zhǎng)λ=0.000555mm時(shí)，則上式可寫成

N=1475D/f/(線/mm)(8-33)18

由上式知，攝影物鏡的理論分辨率完全由相對(duì)孔徑?jīng)Q定。相對(duì)孔徑越大，物鏡的分辨率越高。上式(8-33)所表示的分辨率是對(duì)視場(chǎng)中心而言的。在視場(chǎng)邊緣，分辨率將有所下降。又由于攝影物鏡一般都存在較大的剩余像差，因此它的實(shí)際分辨率要低于理論分辨率。192)像面照度對(duì)于小視場(chǎng)大孔徑或者大視場(chǎng)大孔徑光學(xué)系統(tǒng)，視場(chǎng)中心的像面照度公式為式中：n、n/分別表示物像方介質(zhì)的折射率；K表示系統(tǒng)的透過(guò)率；L表示光亮度；U/表示像方孔徑角。在攝像系統(tǒng)中，設(shè)物鏡位于空氣中(n/=n=1)，并引入入瞳的直徑D和光瞳處的放大率βζ，則上式可寫成下列形式20由上式可見(jiàn)，像面照度與相對(duì)孔徑的平方成正比，相對(duì)孔徑越大，像面照度也越大。

軸外像點(diǎn)的照度與視場(chǎng)角有關(guān)，它與視場(chǎng)中心的像面照度有以下關(guān)系

常見(jiàn)照相物鏡的相對(duì)孔徑為1∶4.5-1∶2。

在攝影物鏡的外鏡筒上，刻有與相對(duì)孔徑對(duì)應(yīng)的數(shù)字和指標(biāo)。數(shù)字為相對(duì)孔徑的倒數(shù)，俗稱為F數(shù)或光圈數(shù)。213.視場(chǎng)角2ω

物鏡的視場(chǎng)角決定了能在接收器上形成良好像的空間范圍，它與物鏡的焦距有關(guān)。當(dāng)物鏡焦距f/一定時(shí)，視場(chǎng)角2ω越大，成的像2y/也越大。而當(dāng)CCD器件尺寸(2y/)一定時(shí)，焦距越長(zhǎng)，視場(chǎng)角就越小。按視場(chǎng)角大小，物鏡分為標(biāo)準(zhǔn)(一般)物鏡、廣角物鏡和長(zhǎng)焦距物鏡。在攝影物鏡內(nèi)部一般都設(shè)有專門的光闌，以限制軸上物點(diǎn)光束的孔徑，即為孔徑光闌。為了使同一物鏡能適應(yīng)不同的拍攝條件，以控制像面照度，攝影物鏡中孔徑光闌的直徑可以連續(xù)變化。22

CCD器件敏感區(qū)域的尺寸決定了攝影物鏡成像范圍的大小。由于攝影物鏡多屬于大孔徑和大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)，它一般都是由多組透鏡組成的。為了提高軸外點(diǎn)的成像質(zhì)量，在鏡頭設(shè)計(jì)時(shí)，常常采用減小某些透鏡的通光口徑，以攔掉一部分軸外點(diǎn)成像光束來(lái)達(dá)到。因此，攝影系統(tǒng)的邊緣視場(chǎng)常有漸暈現(xiàn)象，即邊緣視場(chǎng)的照度低于中心視場(chǎng)。2324

物鏡的光譜特性，即為各波段光線的透過(guò)率特性。在彩色攝影中，要求照片的顏色應(yīng)與原物的顏色相吻合。因此希望物鏡對(duì)各波段透過(guò)的光線，除在總強(qiáng)度上有一定損失外，不要使光譜組成發(fā)生變化。影響物鏡光譜特性的最主要因素是膜層的干涉特性和玻璃材料的吸收特性。在CCD應(yīng)用系統(tǒng)中，為了充分利用物鏡的分辨率，物鏡的光譜特性應(yīng)與使用條件密切配合，即要求物鏡最高分辨率的光線應(yīng)與照明波長(zhǎng)、CCD器件接收波長(zhǎng)相匹配，并使物鏡對(duì)該波長(zhǎng)的光線透過(guò)率盡可能提高。25[例]用CCD攝像系統(tǒng)觀察距離100m，0.5m×0.5m的目標(biāo)，若CCD器件的像元大小是10μm×10μm，假設(shè)目標(biāo)像占10000個(gè)像元，則成像物鏡的焦距應(yīng)為多少？若CCD器件是512×512像元，則該CCD攝像系統(tǒng)的視場(chǎng)角是多大？F26二、顯微系統(tǒng)與顯微物鏡1.顯微系統(tǒng)成像原理顯微系統(tǒng)是用來(lái)觀測(cè)近距離微小物體的光學(xué)系統(tǒng)。它是由物鏡和目鏡組成的，成像原理如圖8-36所示。物體AB位于物鏡的一倍和二倍焦距之間，經(jīng)物鏡成一放大倒立的實(shí)像A/B/于目鏡的物方焦平面處或焦面之內(nèi)，再經(jīng)目鏡放大成一虛像A//B//位于無(wú)限遠(yuǎn)或明視距離處。27孔徑光闌ABF1wF1/B//A//目鏡視場(chǎng)光闌A/B/A///B///F2F2/出瞳w/△物鏡圖8-36顯微系統(tǒng)的成像原理28目鏡：靠近眼睛的凸透鏡。物鏡：靠近被觀察物體的凸透鏡。物鏡和目鏡由凸透鏡組成。顯微鏡原理顯微鏡：29若接收器不是人的眼睛，而是光電器件(如CCD器件)，則可將CCD器件置于實(shí)像平面A/B/處。在顯微系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)成像特性的主要是顯微物鏡。2.顯微物鏡的光學(xué)特性顯微物鏡最重要的光學(xué)參數(shù)是數(shù)值孔徑，它影響了系統(tǒng)的分辨率、像面照度和成像質(zhì)量。所謂數(shù)值孔徑就是顯微鏡物方介質(zhì)的折射率n和物方孔徑角正弦之乘積，用符號(hào)NA來(lái)表示，即

NA=nsinU(8-37)301)顯微物鏡的分辨率顯微物鏡的分辨率是以它能夠分辨開(kāi)兩點(diǎn)間的最小距離δ來(lái)表示的，計(jì)算公式為δ=0.61λ/(NA)(8-38a)

當(dāng)被測(cè)物體本身不發(fā)光，按照明條件不同，分辨率也不同。被其他光源垂直照明時(shí)，其分辨率為

δ=λ/(NA)(8-38b)在斜照明情況下，分辨率為δ=0.5λ/(NA)(8-38c)

由以上公式可以看出，物鏡在像差校正好以后，對(duì)一定波長(zhǎng)的光線，分辨率完全由物鏡的數(shù)值孔徑所決定。數(shù)值孔徑越大，分辨率越高。所以提高分辨率的主要途徑是增大數(shù)值孔徑。31當(dāng)物方介質(zhì)折射率為空氣時(shí)，物鏡最大的數(shù)值孔徑為1，一般只有0.9左右。而在物體和物鏡之間浸以高折射率的液體，如n=1.5~1.7的油時(shí)，數(shù)值孔徑可達(dá)到1.5~1.6。這種在物體和物鏡之間浸以油等高折射率液體的物鏡稱為油浸物鏡。

2)顯微物鏡的放大率β

在CCD應(yīng)用中，為了充分利用物鏡的分辨率，使已被物鏡分辨開(kāi)的細(xì)節(jié)也能被CCD器件所分辨，則顯微物鏡要有足夠大的放大率。設(shè)CCD器件分辨的線距離為δ/，并取顯微物鏡的分辨率為0.5λ/(NA)，則二者之間的關(guān)系為[0.5λ/(NA)]*β=δ/

或

β=(2NA/λ)*δ/(8-39)32由此式可見(jiàn)，對(duì)一定波長(zhǎng)的光，當(dāng)CCD器件的分辨率為已知時(shí)，顯微物鏡的放大率取決于物鏡的分辨率或者說(shuō)取決于物鏡的數(shù)值孔徑。在CCD實(shí)際應(yīng)用中，常常取比按式(8-39)確定的放大率更高些。若使用比式(8-39)確定的放大率還小些的放大率時(shí)，則被物鏡分辨開(kāi)的細(xì)節(jié)，不能被CCD器件所分辨。顯微物鏡的放大率與數(shù)值孔徑都是相匹配的，其關(guān)系見(jiàn)表8-l，在選用物鏡時(shí)可以作參考。1.62.546.310162540506380100(油浸)代碼消色差物鏡——0.10—0.22—0.400.65—0.85—1.25—平場(chǎng)消色差物鏡0.040.070.100.150.220.320.400.650.750.850.951.25PC平場(chǎng)半復(fù)消色差物鏡———0.200.300.400.600.75—0.90—1.30PB平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡——0.160.200.300.400.650.80—0.95—1.30PF放大率最小數(shù)值孔徑分類表8-1顯微物鏡的放大率與數(shù)值孔徑的匹配關(guān)系33在顯微系統(tǒng)中，物鏡框?yàn)榭讖焦怅@。對(duì)由多組透鏡組成的復(fù)雜物鏡，通常以最后一組透鏡框?yàn)榭讖焦怅@。而對(duì)測(cè)量用的顯微系統(tǒng)，一般孔徑光闌設(shè)在物鏡的像方焦平面處，以形成物方遠(yuǎn)心光路，提高測(cè)量精度。

CCD器件的尺寸(2y/)大小決定了成像范圍的大小。它與顯微系統(tǒng)物方線視場(chǎng)2y的關(guān)系為β=2y//2y顯微物鏡的視場(chǎng)一般比較小，而且要求像面上有均勻的照度，因此顯微系統(tǒng)要求成像光束無(wú)漸暈。34三、望遠(yuǎn)系統(tǒng)與望遠(yuǎn)物鏡1.望遠(yuǎn)系統(tǒng)成像原理望遠(yuǎn)系統(tǒng)是用來(lái)觀測(cè)遠(yuǎn)距離物體的光學(xué)系統(tǒng)。它也是由物鏡和目鏡組成的，并且物鏡的像方焦點(diǎn)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合，光學(xué)間隔Δ=0。因此，它是使入射的平行光束仍保持平行地射出的光學(xué)系統(tǒng)。其成像原理如圖8-37所示，無(wú)限遠(yuǎn)物體經(jīng)物鏡成像于物鏡的像方焦平面處，再經(jīng)目鏡成像于無(wú)限遠(yuǎn)。若接收器為光電器件CCD，則可將接收器置于實(shí)像平面A/B/處。35圖8-37望遠(yuǎn)系統(tǒng)成像原理孔徑光闌D-w視場(chǎng)光闌分劃板出瞳眼睛f1/-f2目鏡l2/F1/(F2)B/A/B///A///y/y///D/Lw/物鏡36兩面凸透鏡物鏡：成倒立縮小的實(shí)像目鏡：成正立放大的虛像望遠(yuǎn)鏡原理37望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視角放大率是物體經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)系統(tǒng)所成的像對(duì)人眼張角的正切值tgω/，與人眼直接觀察物體時(shí)物體對(duì)人眼張角的正切值tgω之比。其計(jì)算公式為Г=tgω//tgω=-f/物/f/目式中，f/物為望遠(yuǎn)物鏡的焦距；f/目為目鏡的焦距。由此式可見(jiàn)，只有物鏡的焦距大于目鏡的焦距時(shí)，望遠(yuǎn)系統(tǒng)才有視角放大作用。而且當(dāng)目鏡的焦距一定時(shí)，要求有大的視角放大率，就必須加大物鏡的焦距，這樣會(huì)使望遠(yuǎn)系統(tǒng)的長(zhǎng)度L=f/物+f/目增大。382.望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)特性與顯微系統(tǒng)一樣，影響望遠(yuǎn)系統(tǒng)成像特性的主要是望遠(yuǎn)物鏡。望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)特性用焦距f/、相對(duì)孔徑D/f/和視場(chǎng)角2ω表示。天文望遠(yuǎn)鏡主要用入射光瞳直徑D表示通光能力。這些特性參數(shù)決定了望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率、像面照度、成像質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸。因此，如何根據(jù)使用要求，正確確定這些參數(shù)和合理地選擇物鏡是十分重要的。1)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率望遠(yuǎn)系統(tǒng)的分辨率就是指望遠(yuǎn)物鏡的分辨率。在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，分辨率是用極限分辨角來(lái)表示的。把剛好能分辨開(kāi)的兩點(diǎn)對(duì)物鏡入瞳中心的張角，稱為極限分辨角。其計(jì)算公式為:39分辨角（單位弧度）和物鏡口徑及波長(zhǎng)有關(guān)：f

=1.22λ/D

目視觀測(cè)最敏感的波長(zhǎng)為0.555μm，當(dāng)D用mm做單位，目視分辨角的角秒值為：f"=140"/D

照相觀測(cè)最敏感的波長(zhǎng)為0.44μm，當(dāng)D用mm做單位，照相觀測(cè)分辨角的角秒值為：f"=110"/D40，式中D為望遠(yuǎn)系統(tǒng)入瞳的直徑，單位為毫米。圖8-37所示的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，物鏡框即為孔徑光闌，也是系統(tǒng)的入瞳，物鏡的口徑即為入瞳直徑。如果接收器為CCD器件，則在CCD器件上分辨的線距離δ/與物鏡分辨角之間的關(guān)系為，式中f/為物鏡的焦距。由此式可見(jiàn)，當(dāng)物鏡的分辨角一定時(shí)，要想在CCD器件上得到比較大的分辨線距離δ/

，就必須要加大物鏡的焦距，這樣又會(huì)使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸增大。412)視場(chǎng)角2ω

望遠(yuǎn)系統(tǒng)的視場(chǎng)是用視場(chǎng)角即物體的邊緣對(duì)入瞳中心的張角2ω來(lái)表示的。由圖8-37可知，視場(chǎng)角可用下式來(lái)計(jì)算式中：f1/為物鏡的焦距；2y/為CCD器件敏感區(qū)尺寸的大小。

CCD器件尺寸大小限制了望遠(yuǎn)系統(tǒng)物方視場(chǎng)的大小。42望遠(yuǎn)鏡的性能指標(biāo):望遠(yuǎn)鏡最基本的性能指標(biāo)有視角放大率(俗稱放大倍率)、入射孔徑和視場(chǎng)(也稱視界、視野)。望遠(yuǎn)鏡視角放大率可以這樣計(jì)算：用肉眼觀察一個(gè)目標(biāo)時(shí)，它的兩個(gè)邊緣對(duì)眼睛形成的張角是l度；用望遠(yuǎn)鏡觀察同一目標(biāo)，張角是10度；兩個(gè)張角之比1:10，就是視角放大率。入射孔徑一般等于望遠(yuǎn)鏡前面的物鏡的最大通光口徑。視場(chǎng)指用望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)所能看到的目標(biāo)范圍。

望遠(yuǎn)鏡這三個(gè)指標(biāo)一般標(biāo)注在望遠(yuǎn)鏡的外殼上。例如標(biāo)有7×50，表示視角放大率為7倍，入射孔徑為50毫米；又如7-15×50，表示連續(xù)變倍望遠(yuǎn)鏡放大率為7倍至15倍。標(biāo)注視場(chǎng)大小有兩種格式：一種直接用角度表示，如70；另一種對(duì)l千米遠(yuǎn)目標(biāo)能看到的范圍表示，例如標(biāo)有130m/l000m，表示能看到l千米遠(yuǎn)處130米寬度范圍內(nèi)的目標(biāo)。有的廠家使用英制單位表示，如340ft／1000yd，表示能看到1000碼(合914.4米)處340英尺(合l03.6米)寬度范圍內(nèi)的目標(biāo)。一般情況下，放大倍率越大，入射孔徑越大，望遠(yuǎn)鏡的性能越好，越能看清目標(biāo)細(xì)節(jié)，但同時(shí)視場(chǎng)越小，外形尺寸越大。望遠(yuǎn)鏡的這幾個(gè)性能是相互制約的，而且放大倍率越大，手持望遠(yuǎn)鏡抖動(dòng)的影響越大，野外大氣抖動(dòng)的影響也越大，觀察效果反而不好。所以高倍望遠(yuǎn)鏡(約15倍以上)最好使用支架。此外，放大倍數(shù)與入射孔徑對(duì)分辨目標(biāo)細(xì)節(jié)也有匹配關(guān)系。如果入射孔徑小，倍數(shù)再高也對(duì)分辨細(xì)節(jié)沒(méi)有幫助。因此，單純追求高倍率是沒(méi)有意義的。

437.5照明系統(tǒng)在CCD應(yīng)用中，有些光學(xué)系統(tǒng)需要人工照明物體才能保證CCD接收面上得到足夠的照度。下面介紹照明方法和照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。一、照明方法照明系統(tǒng)主要由光源和聚光鏡組成。聚光鏡的作用是為了使目標(biāo)物得到充分的照明，以保證像平面有足夠的照度。照明方式一般有臨界照明和柯拉照明兩種。441.臨界照明光源經(jīng)過(guò)聚光鏡后，成像于物平面上的照明方法稱為臨界照明，如圖8-39所示。若忽略光能的損失，則光源像亮度與光源本身相同。因此，這種照明方法相當(dāng)于在物平面上放置光源，因此有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光能利用率高的優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是，如果光源表面亮度不均勻，或明顯地表現(xiàn)出細(xì)小的結(jié)構(gòu)，如燈絲等，則會(huì)使物體表面照度不均勻，從而使接收器上的光能量分布不均勻，從而影響成像質(zhì)量和測(cè)量精度。45圖8-39臨界照明462.柯拉照明

為了克服臨界照明中物平面照明不均勻的缺點(diǎn)，可以采用柯拉照明的方式。柯拉照明是將光源成像在物鏡的入射光瞳處，如圖8-40所示?？吕彰鞅仨殱M足以下成像關(guān)系。光源1經(jīng)輔助聚光鏡2成像在光闌4處；輔助聚光鏡2經(jīng)聚光鏡5成像于物平面6上；聚光鏡5把它焦點(diǎn)處的光闌4成像于無(wú)限遠(yuǎn)，與成像物鏡的入瞳重合(設(shè)物鏡的入瞳位于無(wú)限遠(yuǎn))。47123456圖8-40柯拉照明48

由于柯拉照明不是直接把光源，而是把被光源均勻照明了的輔助聚光鏡2(也稱為柯拉鏡)成像在物平面上，因此，柯拉照明的優(yōu)點(diǎn)是可以使物體得到均勻地照明。其缺點(diǎn)是這種照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光能損失較大。在光學(xué)系統(tǒng)中，一般對(duì)成像質(zhì)量和測(cè)量精度要求較高的系統(tǒng)，均采用柯拉照明方式。49二、聚光鏡的作用聚光鏡是照明系統(tǒng)中的重要組成部分，它的主要作用是會(huì)聚光能，并使光束經(jīng)聚光鏡以后，均勻地照明物體，而且要充滿物鏡的孔徑。如圖8-41所示，用光源1照明物體3。當(dāng)不加聚光鏡2時(shí)，物體3所能接收到的光束限于2Us角度以內(nèi)。而加入聚光鏡2以后，在角度2Uθ以內(nèi)的光束均可以被利用。由于進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光能量正比于上述角度的平方，所以在照明系統(tǒng)中采用聚光鏡是十分必要的。123USUq圖8-41聚光透鏡50三、照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為了使接收器(或像面)獲得足夠的照度并且使照度分布均勻，設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮三個(gè)問(wèn)題，即照明系統(tǒng)提供的光能量問(wèn)題、光能量的利用率問(wèn)題和能量在像平面上的分布問(wèn)題。

照明系統(tǒng)提供的光能量與光源的發(fā)光強(qiáng)度、光源的尺寸和聚光鏡的孔徑角有關(guān)，當(dāng)光源的發(fā)光強(qiáng)度一定時(shí)，光源的面積越大，聚光鏡的孔徑角越大，照明系統(tǒng)所提供的光能量越多。即照明系統(tǒng)提供光能量的大小是由它的拉赫不變量決定的，即J1=n1u1y1(8-44)式中，n1為物方介質(zhì)折射率；y1為燈絲半高；u1為聚光鏡的孔徑角。51照明系統(tǒng)所提供的光能量能不能全部進(jìn)入成像系統(tǒng)取決于兩者之間的銜接關(guān)系。為了使照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)很好地銜接起來(lái)，在光學(xué)計(jì)算時(shí)應(yīng)使照明系統(tǒng)的拉赫不變量J1=n1u1y1等于或大于成像系統(tǒng)的拉赫不變量，即：J1=n1u1y1≥J2=n2u2y2(8-45)式中，y2為物體半高；u2為成像系統(tǒng)的孔徑角；n2為成像系統(tǒng)物方介質(zhì)折射率。52圖8-42簡(jiǎn)要地說(shuō)明了成像關(guān)系。所有進(jìn)入聚光系統(tǒng)的光線全部包括在光管L1L2L2L1內(nèi)而進(jìn)入成像系統(tǒng)，從而光能量得到了充分利用。圖中L1為聚光鏡，L2為成像物鏡。y1-u1-u2y2L1L2圖8-42照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)的銜接關(guān)系L1L253為了使像面照度分布均勻，必須恰當(dāng)?shù)匕才懦上裎镧R、聚光鏡和物體的相互位置，以保證像面上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成像光束在成像物鏡出瞳處的光束截面相同。因而在放映和投影系統(tǒng)中，要使物體靠近聚光鏡或靠近光源的像平面，才能使像平面得到均勻的照度分布。如圖8-43所示，光源C1A1B1被聚光鏡L1所成的像C1/A1/B1/與成像物鏡L2重合，物體C2A2B2靠近聚光鏡經(jīng)物鏡成像于C2/A2/B2/

。由于物體上各點(diǎn)以同樣大小的光束經(jīng)物鏡成像，因此像面上將有均勻的照度分布，此系統(tǒng)屬于柯拉照明。C1B1A1B2/C2/A2/B1/C1/A1/C2B2A2L1L2圖8-43照明系統(tǒng)原理圖547.6遠(yuǎn)心光路在CCD動(dòng)態(tài)測(cè)試中的應(yīng)用在光電檢測(cè)中，常常對(duì)工件作線性尺寸的測(cè)量。特別在生產(chǎn)線上對(duì)工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，如測(cè)鋼絲直徑、玻管直徑等，為了提高測(cè)量精度，常采用遠(yuǎn)心光路。其測(cè)量原理如下。對(duì)物體(工件)大小的測(cè)量，是將物體按一定的倍率要求，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD的接收面上。光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后，經(jīng)微機(jī)處理，可數(shù)字顯示測(cè)量結(jié)果。55按此方法進(jìn)行物體線性尺寸測(cè)量時(shí)，光電器件與物鏡之間的距離(裝調(diào)好后)應(yīng)保持不變，測(cè)量精度在很大程度上取決于像平面與光電器件接收面的重合程度。由于在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，工件常常沿光軸方向有所擺動(dòng)，則使像平面與光電接收面不可能真正重合，因而產(chǎn)生了誤差。如圖8-44所示，圖中P1/P/P2/為物鏡的出瞳，B1/B2/表示被測(cè)工件像的大小，M1M2為光電器件接收面。由于二者不重合，使像點(diǎn)B1/和B2/在M1M2上形成彌散斑。那么，在CCD器件接收面上，實(shí)際測(cè)量像的大小為M1M2

，顯然它與真實(shí)的像長(zhǎng)B1/B2/是不同的。消除或減小測(cè)量誤差可通過(guò)控制軸外點(diǎn)主光線的方向來(lái)達(dá)到。56出瞳P1’P2’P’B1’B2’M1M2物體像分劃板-Uz’