空天光電探測1-2

空天光電探測技術(shù)第一章緒論1.1光電探測技術(shù)的基本概念1.2光電探測的應(yīng)用1.3光電探測技術(shù)的分類第一章緒論1.1光電探測技術(shù)的基本概念光電探測是隨傳感器、計算機的發(fā)展而發(fā)展；光電探測是光學(xué)測量和電學(xué)處理的有機結(jié)合。第一章緒論1.1光電探測技術(shù)的基本概念光譜的概念第一章緒論1.2光電探測的應(yīng)用彈道照相機光電經(jīng)緯儀跟蹤望遠鏡激光雷達、激光測距紅外制導(dǎo)電視制導(dǎo)紫外告警系統(tǒng)第一章緒論1.3光電探測技術(shù)的分類嫦娥一號CCD立體相機嫦娥一號CCD立體相機拍攝的月球照片嫦娥一號CCD立體相機嫦娥一號CCD立體相機嫦娥一號CCD立體相機2007年11月20日——2009年3月1日：獲得了至今為止最齊全、最清晰的全月圖片。嫦娥一號CCD立體相機CCD立體相機原理：立體相機中配置了三條線陣CCD。它們分別用于獲取正視、前視、后視的航跡圖像“。前后視與正視間的夾角為17°。正視圖像獲得正射照片"前后視圖像用于重構(gòu)立體影像。方案1：三臺獨立的相機。三個完全相同的光學(xué)系統(tǒng)在它們各自的焦平面上各配置一條線陣CCD。該方案的優(yōu)點是光學(xué)系統(tǒng)十分簡單，可以有大的基高比，但結(jié)構(gòu)松散，體積質(zhì)量較大，航天環(huán)境一致性較差，調(diào)整配準較復(fù)雜。方案2：一個廣角光學(xué)系統(tǒng)，在焦平面上平行地配置三片線陣CCD。由于空間分辨率要求較低，所以光學(xué)系統(tǒng)的焦距短（估計在20cm左右），即使視場角做得很大，線視場仍較小，在空間上難以在同一焦平面上配置三條線陣CCD。嫦娥一號CCD立體相機方案3：一個廣角光學(xué)系統(tǒng)，在焦平面上配置一個1Kx1K的面陣CCD。光學(xué)系統(tǒng)視場角為40度。嫦娥一號CCD立體相機嫦娥一號CCD立體相機嫦娥一號CCD立體相機第二章光電探測的基礎(chǔ)知識2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)2.2理想光學(xué)系統(tǒng)2.3光學(xué)成像系統(tǒng)2.4光源、光輻射2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)1.幾何光學(xué)的基本定理費馬原理：即光沿光程值為最小、最大或恒定的路程傳播。（橢球凹面鏡）光的直線傳播定律：光的獨立傳播定律：以不同的方向通過空間某點時，彼此互不影響，各光線獨立傳播。反射定律：折射定律：nSinI=n‘SinI’。？用費馬原理證明折射定律2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)1.幾何光學(xué)的基本定理2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)2.單折射球面近軸成像近軸光：即從A點發(fā)出離光軸很近的光線“（小于5o）近軸近似：物點發(fā)出的一束細光束經(jīng)折射后仍交于一點。（忽略球差）u≈sinu2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)2.單折射球面近軸成像球差：軸上點發(fā)出的同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各個球面折射以后，入射光線的孔徑角不同，其出射光線與光軸交點的位置就不同。參見P222.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)2.單折射球面近軸成像2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)3.球面反射鏡根據(jù)成像折射公式對于反射成像，只需用令n’=-n帶入上式即可得：2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)4.透鏡定義：由兩個折射面所限定的透明體稱為透鏡；薄透鏡：透鏡厚度遠小于球面半徑；凸透鏡：中間厚，兩邊?。话纪哥R：中間薄，兩邊厚；2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)4.透鏡兩次應(yīng)用球面折射成像公式可得透鏡成像公式：則透鏡焦距為：常用透鏡成像公式：放大率：光焦度：焦距的倒數(shù)2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)5.平面反射鏡物與像對稱于平面鏡，即物距和像距的值相等；物與像的大小相等，左右相反，成“鏡像”；入射光方向不變，平面反射鏡轉(zhuǎn)動α角，反射光轉(zhuǎn)動2α角。2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)6.平行光板：常用于分劃板、半透半反射鏡、濾光片、探測器窗口分劃板半透半反鏡2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)7.反射棱鏡反射棱鏡在發(fā)生全反射時幾乎沒有能量損失；不易變形和便于裝調(diào)；反射面尺寸不大時常用反射棱鏡來代替平面反射鏡。2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)7.反射棱鏡單反相機取景器采用五棱鏡，以保證看到的景物與拍到的照片一致。2.1幾何光學(xué)基礎(chǔ)8.折射棱鏡折射棱鏡的作用是折射光線的方向，產(chǎn)生色散。2.2理想光學(xué)系統(tǒng)1.理想光學(xué)系統(tǒng)的基本特性理想光學(xué)系統(tǒng)定義：就是能對任意空間、任意寬度光束完善成像的光學(xué)系統(tǒng)。理想光學(xué)系統(tǒng)：物空間的任一個同心光束必對應(yīng)于像空間的一共軛的同心光束。點成像一個點，線成像線，面成像面。除了平面鏡是一種理想成像系統(tǒng)外，常見的各種成像器件幾乎沒有理想成像的。2.2理想光學(xué)系統(tǒng)2.理想光學(xué)系統(tǒng)成像基本概念焦點和焦平面焦面：過焦點的垂軸平面。物方焦點、像方焦點物方焦面、像方焦面2.2理想光學(xué)系統(tǒng)2.理想光學(xué)系統(tǒng)成像基本概念焦點和焦平面自物方無限遠的軸外點發(fā)出的入射光線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，在像空間必定通過像方焦平面上軸外某一點；自物方焦平面上軸外點發(fā)出的入射光線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，其出射光線應(yīng)為一束與光軸有一定傾斜角的平行光束。2.2理想光學(xué)系統(tǒng)2.理想光學(xué)系統(tǒng)成像基本概念主點和主面QH：物方主面Q′H′：像方主面2.2理想光學(xué)系統(tǒng)2.理想光學(xué)系統(tǒng)成像基本概念主點和主面橫向放大率為+1的共軛平面為光學(xué)系統(tǒng)的主面;主面與光軸的交點成為主點。包括物方主點（面）和像方主點（面）。光線的多次實際偏折等效于在主平面上的一次偏折來代替。物方焦距：自物方主點H到物方焦點F的距離；像方焦距：自像方主點H′到像方焦點F′的距離；2.2理想光學(xué)系統(tǒng)2.理想光學(xué)系統(tǒng)成像基本概念節(jié)點和節(jié)平面節(jié)點是角放大率γ=+1的一對共軛點。凡通過物方節(jié)點入射的光線，其出射光線一定通過像方節(jié)點，其方向與入射光線平行。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)處于同種介質(zhì)，，節(jié)點和主點重合。2.2理想光學(xué)系統(tǒng)3.理想光學(xué)系統(tǒng)成像公式牛頓公式：以焦點為坐標原點計算物距和像距的公式ABA’B’QQ’HH’FF’RR’y-y’-xx’-f-ll’f’2.2理想光學(xué)系統(tǒng)3.理想光學(xué)系統(tǒng)成像公式ABA’B’QQ’HH’FF’RR’y-y’-xx’-f-ll’f’2.2理想光學(xué)系統(tǒng)3.理想光學(xué)系統(tǒng)成像公式高斯公式：以主點為坐標原點計算物距和像距的公式ABA’B’QQ’HH’FF’RR’y-y’-xx’-f-ll’f’2.2理想光學(xué)系統(tǒng)3.理想光學(xué)系統(tǒng)成像公式拉赫公式：

nytanu=n′y′tanu′：此式對任何能成完善像的光學(xué)系統(tǒng)均成立

物方焦距與像方焦距的關(guān)系：根據(jù)拉赫公式與理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系在相同介質(zhì)中牛頓公式變?yōu)椋焊咚构阶優(yōu)椋?.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制1.光闌及其作用光學(xué)系統(tǒng)成像要求：物像共軛位置成像范圍成像放大率成像光度視場角孔徑角光束限制光闌2.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制1.光闌及其作用光闌：凡在光學(xué)系統(tǒng)中對光束起著限制作用的實物都是光闌；孔徑光闌：它是限制軸上物體成像光束立體角的光闌。視場光闌(簡稱視闌) ：它是限制物平面上或物空間中最大成像范圍的光闌。它的位置是固定的，總是設(shè)在系統(tǒng)的實像平面或中間實像平面上。如照相機中的底片框就是視場光闌。若系統(tǒng)沒有這種實像平面，則不存在視場光闌。2.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制1.光闌及其作用漸暈光闌：這種光闌以減小軸外像差為目的，使物空間軸外點發(fā)出的、本來能通過上述兩種光孔的成像光束只能部分通過，稱漸暈光闌。漸暈光闌一般是透鏡框。消雜光光闌：這種光闌不限制通過光學(xué)系統(tǒng)的成像光束，只限制那些從視場外射入系統(tǒng)的光，這些光通過光學(xué)系統(tǒng)的各折射面和儀器內(nèi)壁進行反射和散射，到達像面，我們稱之為雜光。而在一般光學(xué)系統(tǒng)中，常把鏡管內(nèi)壁加工成螺紋，并涂以黑色無光漆或者發(fā)黑來達到消雜光的目的。2.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制2.孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳孔徑光闌的作用：限制光學(xué)系統(tǒng)光束大小，控制入射到光學(xué)系統(tǒng)的光能量。P192.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制2.孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳入射光瞳：孔徑光闌通過其前面光學(xué)系統(tǒng)在物空間的像稱為入射光瞳物方孔徑角：入射光瞳對軸上物點的夾角出射光瞳：孔徑光闌在像空間的像稱為入射光瞳像方孔徑角：出射光瞳對軸上像點的夾角P192.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制2.孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳P192.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制3.視場光闌、入射窗和出射窗定義：系統(tǒng)中決定物平面上或物空間中成像范圍的光闌物方視場角：物方視場上下邊緣對入瞳中心的張角像方視場角：像方視場上下邊緣對出瞳中心的張角如果物位于無窮遠處，則物方視場的太小以物方視場角來表示；如果物位于有限距離處，通常以線視場來表征物方視場的大小。P192.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制3.視場光闌、入射窗和出射窗入射窗：視場光闌通過它前面的光學(xué)系統(tǒng)在物空間所成的像。出射窗：視場光闌通過它后面的光學(xué)系統(tǒng)在像空間所成的像。P212.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制4.漸暈光闌系統(tǒng)中沒有實像面，也沒有中間實像面，此時則不存在視場光闌，視場也就沒有清晰的邊界，這種情況下視場仍可能受到漸暈光闌的限制。P212.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制4.漸暈光闌、入射窗和出射窗漸暈光闌形成說明P212.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制4.漸暈光闌漸暈光闌不存在的情況：人射窗和物平面重合，或者像平面和出射窗重合。P222.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制5.光學(xué)系統(tǒng)的景深問題提出：對一定深度的空間在同一像平面上要求所成的像足夠清晰，這就是景深問題。P21△=△1+△2

2.3光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制5.光學(xué)系統(tǒng)的景深景深與入瞳、焦距、拍攝距離的關(guān)系入瞳直徑愈大，焦距愈大，景深愈小拍攝距離愈遠，景深愈大P212.4像差1.概述實際光學(xué)系統(tǒng)中，只有平面反射鏡在理論上具有理想光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)。其它光學(xué)系統(tǒng)都不能以一定寬度的光束對一定大小的物體成完善像。物體上任一點發(fā)出的光束通過光學(xué)系統(tǒng)后不能會聚為一點，而形成一彌散斑，或者使像不能嚴格地表現(xiàn)出原物形狀，這就是像差。P212.4像差2.球差通過入射光瞳上不同環(huán)帶的光線，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后會聚在光軸上的不同點。這些點與近軸光的像點之差稱為軸向球差。球差與物高無關(guān)而與入射光瞳口徑三次方成正比。它使理想像平面中各像點都成為同樣大小的圓斑。軸上物點只有球差這一種像差。P252.4像差2.球差P252.4像差3.畸變軸外點由于球差的影響，不同視場的主光線通過光學(xué)系統(tǒng)后與高斯像面的交點高度yx′不等于理想的像高，其差別就是系統(tǒng)的畸變。初級畸變僅與物高三次方成正比的。若僅有畸變，得到的像是清晰的，只是像的形狀與物不相似。2.4像差3.畸變2.4像差4.慧差彗差，軸外物點發(fā)出的通過入射光瞳不同環(huán)帶的光線，會在理想像平面上形成半徑變化的并且沿視場半徑方向偏移的像圈。它們的組合會使物點的像成為形狀同彗星相似的彌散斑。與物高一次方、入射光瞳口徑二次方成正比的像差。2.4像差4.慧差2.4像差5.場曲和像散場曲：所有物平面上的點都有相應(yīng)的像點，但分布在一個球面上；若采用彎成此種形狀的底片，則可獲得處處清晰的像。此時在理想像平面上，像點呈現(xiàn)為圓斑。像散：則軸外物點的光線通過光學(xué)系統(tǒng)后聚焦成兩條焦線。在這兩條焦線的中點，光束形成最小彌散圓。若將底片彎成處處都在這樣的位置，則可獲得處處像點彌散成最小的圓形斑。此時在理想像平面上，像點呈橢圓斑。與物高二次方、入射光瞳口徑一次方成正比的像差。2.4像差5.場曲和像散場曲2.4像差5.場曲和像散像散2.4像差6.單色像差單色像差是指即使在高度單色光時也會產(chǎn)生的像差，按產(chǎn)生的效果，又分成使像模糊和使像變形兩類。前一類有球面像差、慧形像差和像散。后一類有像場彎曲和畸變。單色像差，僅與物高和入射光瞳口徑的冪總共三次方成正比，稱為三級像差（又稱初級像差），此外還有與物高和入射光瞳口徑的冪總共高于三次方的成正比像差，稱為高級像差。2.4像差7.色差透明介質(zhì)對不同波長的單色光具有不同的折射率，軸上物點用不同色光成像時成像位置的差異稱為軸向色差。2.4像差8.像差曲線像差一般用像差曲線的方式表示比較直觀。

球差、色球差曲線畸變像差曲線2.4像差9.波像差把實際波面和理想波面之間的光程差，作為衡量該像點質(zhì)量優(yōu)劣的指標，稱為波像差。2.5光路計算光線的光路計算又稱光線追跡或描光路；主要是計算理想成像與實際成像的差異，以計算光路的像差；實際光路計算的基本公式為2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（1）幾何像質(zhì)曲線球差曲線：球差曲線縱坐標是孔徑，橫坐標是球差（色球差），使用這個曲線圖，一要注意球差的大小，二要注意曲線的形狀特別是代表幾種色光的幾條曲線之間的分開程度，如果單根曲線還可以，但是曲線間距離很大，說明系統(tǒng)的位置色差很嚴重。2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（1）幾何像質(zhì)曲線球差曲線2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（1）幾何像質(zhì)曲線軸外細光束像差曲線：這一般是由兩個曲線圖構(gòu)成圖中左邊的是像散場曲曲線，右邊的是畸變，不同顏色表示不同色光，T和S分別表示子午和弧矢量，同色的T和S間的距離表示像散的大小，縱坐標為視場，右圖橫坐標是場曲，左圖是畸變的百分比值，左圖中幾種不同色曲線間距是放大色差值。2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（1）幾何像質(zhì)曲線軸外細光束像差曲線2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（2）點列圖由一點發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，因像差使其與像面的交點不再集中于同一點，而形成了一個散布在一定范圍的彌散圖形，稱為點列圖。在大像差光學(xué)系統(tǒng)中，用幾何光線追跡所確定的光能分布與實際成像情況的光強度分布是相當(dāng)符合的。其作法是把光學(xué)系統(tǒng)入瞳的一半分成為大量的等面積小面元，并把發(fā)自物點且穿過每一個小面元中心的光線，認為是代表通過入瞳上小面元的光能量。2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（2）點列圖2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（2）點列圖2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（3）傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF反映一定空間頻率下像的對比度與物的對比度之比。能反映不同空間頻率、不同對比度的傳遞能力。高頻傳遞函數(shù)反映了物體細節(jié)傳遞能力；低頻傳遞函數(shù)反映物體輪廓傳遞能力；中頻傳遞函數(shù)反映對物體層次的傳遞能力。2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（3）傳遞函數(shù)2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（3）傳遞函數(shù)圓形孔徑光學(xué)系統(tǒng)的OTF2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（3）傳遞函數(shù)原始圖像經(jīng)過孔徑為50mm之后的圖像2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（3）傳遞函數(shù)原始圖像經(jīng)過孔徑為100mm之后的圖像2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（3）傳遞函數(shù)經(jīng)過孔徑為50mm之后的圖像經(jīng)過孔徑為100mm之后的圖像2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（4）波像差光程差曲線：圖中幾個曲線圖分別是不同視場子午和弧矢方向上的光程差，不同顏色表示不同色光。下方表格的數(shù)據(jù)為縱坐標（光程差）的最大值，單位一般用波長。2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（4）波像差波面三維圖：此圖是設(shè)定視場和色光的波像差三維分布圖，下方表格中的數(shù)字給出了波差的大小。2.6像質(zhì)評價與檢測常見像質(zhì)評價方法——（4）波像差干涉圖：這是模擬系統(tǒng)波差在干涉儀上測出的干涉圖圖形。圖中給出的是設(shè)定視場和色光的干涉圖。2.6像質(zhì)評價與檢測光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢驗——（1）星點檢驗這是一種光學(xué)車間里，特別是顯微物鏡生產(chǎn)中非常常用的檢驗方法；檢驗時使用帶有微孔的星點板，一般用眼睛直接觀察星點板的星點像；對于顯微物鏡等小像差系統(tǒng)主要看星點像的大小和形狀，同時也可以看出物鏡的裝配質(zhì)量，如偏心等誤差的情況。需要檢驗者有一定的經(jīng)驗。2.6像質(zhì)評價與檢測光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢驗——（1）星點檢驗通過考察一個點光源（通常稱為星點）經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在像面及像面前后不同截面所成的衍射像（通常稱為星點像）的光強分布，定性的評定光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，這就是星點檢驗法。球差的星點圖彗差的星點圖2.6像質(zhì)評價與檢測光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢驗——（2）分辨率測量投影鑒別率：左圖是光學(xué)車間常用的投影鑒別率儀，使用時只要將被測鏡頭裝夾好，將投影圖調(diào)至最清晰就可以對各個方向上的分辨率進行判度，適用于大批量生產(chǎn)的光學(xué)檢驗，或調(diào)試使用。2.6像質(zhì)評價與檢測光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢驗——（2）分辨率測量分辨率板：測試數(shù)碼相機分辨率的ISO12233鑒別率板使用時按照相應(yīng)標準的照明要求照明，使用數(shù)碼相機對此板實拍后對數(shù)碼照片可以判讀出相機的分辨率。望遠鏡等可以使用加在平行光管上的鑒別率板測試2.6像質(zhì)評價與檢測光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢驗——（2）分辨率測量分辨率板：2.6像質(zhì)評價與檢測光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢驗——（3）傳遞函數(shù)測量傳函測量要使用光學(xué)傳遞函數(shù)測試儀，下圖是一臺傳函測試儀，使用時只要將被測物鏡裝夾好，將光點調(diào)到最小，就可以得到這個物鏡傳函曲線圖。2.6像質(zhì)評價與檢測光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢驗——（4）波面測量波面測量使用的是波面干涉儀，可以測量光學(xué)表面的面型，和光學(xué)系統(tǒng)的波差等。2.7光學(xué)成像系統(tǒng)1.眼睛——眼睛的結(jié)構(gòu)桿狀細胞錐狀細胞2.7光學(xué)成像系統(tǒng)1.眼睛——眼睛的缺陷及矯正（a）正常眼（b）近視眼（c）遠視眼（a）近視眼的矯正（b）遠視眼的矯正2.7光學(xué)成像系統(tǒng)眼睛——眼睛的缺陷及矯正散光：折射面曲率異常，兩個互相垂直的方向有不同的焦距，矯正應(yīng)配戴柱面透鏡。斜視：水晶體位置不正或折射面曲率異常，矯正應(yīng)配戴光楔。2.7光學(xué)成像系統(tǒng)1.眼睛——眼睛的調(diào)節(jié)和適應(yīng)遠點：人眼在完全自然放松狀態(tài)下能看清楚的最遠點近點：當(dāng)睫狀肌在最緊張時眼睛能看清楚的最近的點視度：與視網(wǎng)膜共軛的物面，到眼睛物方主點的距離的倒數(shù)。醫(yī)學(xué)上通常把1視度稱為100度。所以，遠點距離-2m時，視度為一0.5D，叫作近視50度；遠點距離2m時，視度為0.5D，叫作遠視50度。2.7光學(xué)成像系統(tǒng)1.眼睛——眼睛的分辨率眼睛能分辨兩個靠近點的能力，稱為眼睛的分辨率。眼睛的極限分辨角為：

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)1.眼睛——眼睛的分辨率對眼睛而言，上式中的D就是瞳孔的直徑；成人瞳孔直徑一般為2-4mm，呈正圓形根據(jù)大量的統(tǒng)計，對波長5500?的光線而言，在良好的照明下，一般可以認為ε=60”=1′。

1m=1000μm；1μm=1000nm；1nm=10?2.7光學(xué)成像系統(tǒng)2.放大鏡視放大率Г：表示儀器擴大視角的能力。Г等于同一目標用儀器觀察時的視角ω′和人眼直接觀察時的視角ω的正切之比，即：人眼最好成像于無窮遠：人眼在完全放松的狀態(tài)下，無限遠目標成像在視網(wǎng)膜上。為了使人眼在觀察物體時不至于疲勞，目標通過儀器之后一般應(yīng)成像在無限遠，或者出射平行光。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)2.放大鏡——放大鏡成像光路

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)2.放大鏡——放大率放大鏡成像放大率計算像對人眼張角的正切：物體直接對人眼張角的正切：

明視距離：在合適的光照度下，一般人的眼睛看前面25厘米處的物體是不費力的，很舒適，這個距離稱為明視距離。2.7光學(xué)成像系統(tǒng)2.放大鏡——放大率在使用放大鏡時應(yīng)使物位于物方焦面上，于是有：放大鏡的放大率由焦距決定，焦距越短則放大率越大

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)2.放大鏡——光束限制于視場

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)2.放大鏡——光束限制于視場放大鏡總是與眼睛一起使用，所以整個系統(tǒng)有兩個光闌：放大鏡鏡框和眼瞳；眼瞳是系統(tǒng)的孔徑光闌，也是出射光瞳。而鏡框為漸暈光闌，也是入射窗和出射窗。由于放大鏡通光口徑的限制，視場外圍有漸暈而無明晰的邊界。決定像方無漸暈成像范圍的B′1點、50％漸暈的B′2點和可能成像的最邊緣點B′3，對應(yīng)的視場角分別為ω′1、ω′2、ω′3。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)2.放大鏡——光束限制于視場其中，h是放大鏡鏡框半徑，d為眼睛至放大鏡的距離。由此可見，放大鏡鏡框越大，眼睛越靠近放大鏡，則視場就越大。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)2.放大鏡——光束限制于視場可見，在放大鏡的直徑和眼瞳位置一定時，放大率越大，線視場越小。這就要求放大鏡的放大率不能做得太大，一般不超過15×。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)3.顯微鏡——顯微成像光路物鏡L1，目鏡L2

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)3.顯微鏡——放大率顯微鏡總的放大率Г應(yīng)該是物鏡放大率β和目鏡放大率Г2的乘積；物鏡的放大率為：△為物體經(jīng)物鏡所成的像到和物鏡焦距的間隔，成為光學(xué)筒長。物鏡的像再被目鏡放大，其放大率為：其中，f2′為目鏡的焦距。顯微鏡的總放大率為：

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)3.顯微鏡——放大率根據(jù)組合系統(tǒng)的焦距公式，顯微鏡的組合焦距f′應(yīng)為則有：物鏡放大率分別為4×、10×、40×、100×；目鏡放大率分別為5×、10×、15×；顯微鏡放大率就有12種，從20×到1500×。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)3.顯微鏡——分辨率和有效放大率顯微鏡的分辨率為其中，λ為照明光的波長，NA為物鏡的數(shù)值孔徑。當(dāng)顯微鏡的物方介質(zhì)為空氣時，物鏡可能具有的最大數(shù)值孔徑為1，一般只能達到0.9左右。而當(dāng)在物體與物鏡之間浸以液體時（一般浸以n=1.5～1.6甚至1.7的油或高折射率的液體），數(shù)值孔徑可達1.5～1.6。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)3.顯微鏡——分辨率和有效放大率眼睛分辨的角距離為2′～4′，則在明視距離250mm處能分辨兩點之間的距離σ′為：250×2×0.00029≤σ′≤250×4×0.00029換算到顯微鏡的物鏡前方，相當(dāng)于分辨率要乘以放大率，取σ1=0.5λ/NA，則得到：

250×2×0.00029≤0.5λГ/NA≤250×4×0.00029設(shè)所用光線的波長為550nm，上式成為或近似寫成500NA<Г<1000NA

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)3.顯微鏡——顯微鏡實例

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡光路擴大視角：像對眼睛的張角大于物體本身對眼睛的張角平行光射入望遠系統(tǒng)后，仍以平行光出射

（a）開普勒望遠鏡；（b）伽利略望遠鏡2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡光路開普勒望遠鏡：實像位置上安裝一塊分劃板，便于測量，同時分劃板可以作為視場光闌；目鏡的口徑足夠大時，光束沒有漸暈現(xiàn)象；這是因為視場光闌與實像平面重合，系統(tǒng)的入射窗和物平面重合的緣故。由于開普勒望遠鏡成的是倒立的像，為了便于觀察和瞄準，在使用時一般要加入倒像系統(tǒng)，使像正立。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡光路伽利略望遠鏡：結(jié)構(gòu)緊湊，筒長較短，較為輕便，光能損失少；并且使物體呈正立的像；但是伽利略望遠鏡沒有中間實像，不能安裝分劃板，因而不能用來瞄準和定位，所以應(yīng)用較少。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——放大率望遠系統(tǒng)沒有專門設(shè)置孔徑光闌，物鏡框就是孔徑光闌，也是入射光瞳；目鏡的焦距不得小于6mm，以保持一定的出瞳距

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——放大率望遠系統(tǒng)的視放大率為f物′和f目′；分別是物鏡和目鏡的焦距，D和D′分別是入瞳和出瞳直徑手持式望遠鏡的放大倍率一般不超過10×，大地測量儀器中的望遠鏡，放大倍率約為30×；天文望遠鏡的倍率則非常高。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——放大率遠鏡的極限分辨角為對波長為550nm的光線而言：若以60"作為人眼的分辨率極限，為使望遠鏡所能分辨的細節(jié)也能被人眼分辨，則望遠鏡的視放大率和它的極限分辨角Ф應(yīng)滿足Ф=60"/Г

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——放大率可得到望遠鏡應(yīng)具備的最小視放大率為所以，若要求分辨角減小，視放大率應(yīng)該增大。或者說望遠鏡的視放大率越大，它的精度就越高。

以上為正常放大率，按此設(shè)計的望遠鏡觀測時易于疲勞，所以設(shè)計望遠鏡時，工作放大率宜大于正常放大率，通常為正常放大率的1.5～2.1倍。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠物鏡物鏡的光學(xué)特性主要有三個：焦距f′、相對孔徑D／f′和視場2ω；望遠鏡一般為長焦距、小視場；大地測量儀器中的望遠鏡，視場僅1o～2o；天文望遠鏡的視場則是以分計的；而一般低倍的觀察用望遠鏡，視場也在10o以下。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠物鏡望遠鏡焦距相對孔徑D/f視場

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡結(jié)構(gòu)由于物鏡視場不大，并且視場邊緣的成像質(zhì)量允許適當(dāng)降低，因此只須校正球差、彗差和軸向色差，軸外像差可不予考慮，其結(jié)構(gòu)相對比較簡單，可分為三種結(jié)構(gòu)型式：折射式、反射式和折反式望遠物鏡。折射式望遠物鏡：這類物鏡要達到上述像質(zhì)要求并無困難，但要求高質(zhì)量時，要同時校正二級光譜和色球差就相當(dāng)不易。后者通常只能通過不同程度地減小相對孔徑才能實現(xiàn)。這類物鏡常用的型式有雙膠合物鏡、雙分離物鏡、三分離物鏡和內(nèi)調(diào)焦物鏡。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡結(jié)構(gòu)反射式望遠物鏡：主要用于天文望遠鏡中，因天文望遠鏡需要很大的口徑，而大口徑的折射物鏡無論在材料的熔制，還是在透鏡的加工和安裝上都很困難。因此，口徑大于1m時都用反射式。反射式物鏡完全沒有色差，可用于很寬的波段。但反射面的加工要求比折射面高得多；表面的局部誤差和變形對像質(zhì)的影響也很大。反射式物鏡有兩種型式：卡塞格倫（Cassegrain）系統(tǒng)和格里高利（Gregory）系統(tǒng)。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡結(jié)構(gòu)

（a）卡塞格倫（Cassegrain）（b）格里高利（Gregory）2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡結(jié)構(gòu)折反式望遠物鏡：以球面反射鏡為基礎(chǔ)，再加入用于校正像差的折射元件，這就是折反射物鏡。比較著名的有施密特（Schmidt）物鏡、馬克蘇托夫（Maksutov）物鏡和同心系統(tǒng)。

施密特（Schmidt）物鏡馬克蘇托夫（Maksutov）物鏡2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——平行光管平行光管是許多光學(xué)儀器的檢校儀器和光學(xué)測量儀器的主要部件之一。它的作用是供給無限遠的物象給出一束平行光。平行光管的基本結(jié)構(gòu)望遠物鏡的焦面上安裝一塊分劃板或一個小孔光闌即成。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡目鏡望遠鏡目鏡的作用相當(dāng)于放大鏡。它把物鏡所成的像放大后成像在人眼的遠點，以便進行觀察。對于正常人眼睛，遠點在無限遠。因此，一般要求物鏡所成的像平面應(yīng)與目鏡的物方焦平面重合。目鏡的光學(xué)特性主要有三個：像方視場角2ω′、相對出瞳距離l′/f′和工怍距離s。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡目鏡像方視場角2ω?zé)o論是提高望遠鏡的視放大率Г或者視場角ω，都需要相應(yīng)地提高目鏡的視場。一般目鏡的視場為40o～50o，廣角目鏡的視場為60o～80o，90o以上的目鏡稱為特廣角目鏡。雙眼儀器的目鏡視場不超過75o。當(dāng)目鏡的視場一定時，增大望遠鏡的視放大率Г必然要減小系統(tǒng)的視場2ω

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡目鏡相對出瞳距離l′x/f′望遠鏡的總長度L等于目鏡和物鏡焦距之和，即

L=f′物+f′目=f′目（1-Г）

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡目鏡工作距離s：目鏡第一面頂點到物方焦平面的距離稱為目鏡的工作距離；目視光學(xué)儀器為了適應(yīng)遠視眼和近視眼使用，視度是可以調(diào)節(jié)的。視度的調(diào)節(jié)范圍一般為±5視度。當(dāng)要求負視度時，目鏡必須移近物鏡的像平面。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——望遠鏡目鏡簡單的望遠鏡目鏡和物鏡的相對孔徑相等，但是目鏡的焦距一般比物鏡焦距小得多，所用透鏡組也較多。目鏡的球差和軸向色差一般都比較小。由于目鏡的視場大，和視場有關(guān)的彗差、像散、畸變和垂軸色差都相應(yīng)增大，目鏡主要需要校正這五種像差。望遠鏡視場邊緣的成像質(zhì)量一般都比視場中心差。在裝有瞄準或測量分劃板的望遠鏡中，物鏡（包括棱鏡）和目鏡應(yīng)盡可能分別校正像差。如果沒有分劃板，設(shè)計時可使物鏡和目鏡的像差互相補償。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——哈勃望遠鏡

以地面為基地的望遠鏡解析力只有0.5-1.0弧秒，相較下，只要口徑2.5米的望遠鏡就能達到理論上衍射的極限值0.1弧秒。2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——哈勃望遠鏡

鏡片的瑕疵：點源的影像被擴散成超過一弧秒半徑的圓；主鏡邊緣薄了一點，存在1/20波長的加工誤差，2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)攝影系統(tǒng)由攝影物鏡和感光元組成常見的攝影系統(tǒng)：照相機、電視攝像機、CCD攝像機可變光闌即為系統(tǒng)的孔徑光闌，一般為圓形底片框為視場光闌，一般為圓形或矩形

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性物鏡的焦距f‘焦距長則攝得的像放大倍率大，物鏡的焦距f＇、視場角2ω和像的大小y＇之間的關(guān)系式為：

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性普通照相機標準鏡頭的焦距為38～60mm廣角鏡頭的焦距為24～38mm超廣角鏡頭的焦距小于24mm中焦鏡頭的焦距為60～135mm攝遠鏡頭的焦距為135～300mm超攝遠鏡頭的焦距大于300mm。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性相對孔徑：D/f‘相對孔徑的大小決定了分辨率、像面照度和景深分辨率：攝影物鏡的分辨率用單位長度（1mm）內(nèi)可以分辨出的線對數(shù)N來表示，按瑞利判據(jù)，物鏡的理論分辨率為：N=D/（1.22λf′）當(dāng)λ=555nm，為：N=1475D/f′線對/mm視場的邊緣，分辨率有所下降，再加上像差的影響，實際的分辨率更低

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性像面照度（E0）：根據(jù)光度學(xué)理論，當(dāng)物體位于無窮遠時，攝影視場中心像面照度是：

τ為系統(tǒng)的透過率；L為物體的亮度大視場邊緣的照度與視場中心的照度關(guān)系為：

E=E0Cos4ω＇

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性為了改變像面照度，一般照相物鏡都利用可變光闌來控制孔徑光闌的大小。使用者根據(jù)天氣情況按鏡頭上的刻度值選擇使用。分檔的方法一般是按每一刻度值對應(yīng)的像平面照度依次減半。由于像平面的照度與相對孔徑的平方成正比，所以相對孔徑按1/等比級數(shù)變化，光圈數(shù)F按公比為的等比級數(shù)變化。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性視場角2ω：物鏡的視場角決定了能在接收器上成良好像的空間范圍。由公式可知，當(dāng)物鏡焦距f‘一定時，視場角2ω越大，成的像2y’也越大。當(dāng)接收器尺寸2y＇一定時，焦距越長，視場角越小。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)特性當(dāng)物鏡的相對孔徑和視場角一定時，像差與焦距成正比。但像差的容限并不因焦距的增大而放寬，所以必須減小相對孔徑的值，以滿足長焦距的要求。對于大相對孔徑的物鏡來說，同時要求大視場是難于實現(xiàn)的。實際上，常根據(jù)物鏡的具體用途滿足其主要的性能參數(shù)即可。

2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭組成：物鏡框、光欄系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)、變焦系統(tǒng)。

視場角：2ω=8o；焦距：f′=500mm；相對孔徑：D/f′=1/5.62.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——攝影系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭

（a）天塞物鏡（b）雙高斯物鏡普通攝影物鏡大孔徑攝影物鏡廣角物鏡遠攝物鏡變焦距物鏡焦距f＇20～500mm50mm70mm≥3m3～10倍相對孔徑D/f＇1:10～1:2.81:21:5.61:81:24視場角2ω60o40o～60o122o≤10o40o物鏡結(jié)構(gòu)天塞雙高斯反遠距型折反型2.7光學(xué)成像系統(tǒng)4.望遠鏡——投影系統(tǒng)投影系統(tǒng)：用光源照明以后成像在屏幕上進行觀察或測量的一種光學(xué)儀器。例如電影放映機、幻燈機、印相放大機、計量用投影儀等

例：航空遙感相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計用途：地球靜止軌道區(qū)域凝視成像監(jiān)視；（36000km）要求：大視場、大相對孔徑光譜覆蓋范圍為0.5μm～0.7μm像元分辨率≤10m瞬時地面幅寬90km×90km;擺動地面幅寬900km×450km。探測器面元9000×9000,單元尺寸10μm;例：航空遙感相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計CCD尺寸為：9000面元×10μm=90mm系統(tǒng)焦距f：AafH例：航空遙感相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計相對孔徑取決于2個方面首先是受衍射斑大小和入射光能量的限制,因此相對孔徑不能太小另外,受光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計難度和系統(tǒng)尺寸要求的限制,因此,相對孔徑又不能太大。根據(jù)衍射分辨率的要求可以求出系統(tǒng)的F數(shù)為5,口徑為7.2m,最終取光學(xué)系統(tǒng)口徑為4m。例：航空遙感相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計使用CODEV軟件設(shè)計優(yōu)化后得到的結(jié)構(gòu)例：航空遙感相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)采用三反射鏡系統(tǒng)例：航空遙感相機光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線紅外輻射基礎(chǔ)熱輻射：一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。紅外輻射基礎(chǔ)——紅外輻射基本定律1、黑體輻射定律紅外輻射基礎(chǔ)——紅外輻射基本定律2、維恩位移定律：λmax為輻射的峰值波長（單位米）T為黑體的絕對溫度（單位開爾文）b

為比例常數(shù)，稱為維恩位移常數(shù)，數(shù)值等于2.8977685(51)×10–3mK紅外輻射基礎(chǔ)——紅外輻射基本定律2、維恩位移定律：根據(jù)普朗克定律：為求出使得u

取得最大值的λ，令u(λ)對λ的導(dǎo)數(shù)為0紅外輻射基礎(chǔ)——紅外輻射基本定律3、斯特藩-玻爾茲曼定律一個黑體表面單位面積在單位時間內(nèi)輻射出的總能量（稱為物體的輻射度或能量通量密度）Φ

與黑體本身的熱力學(xué)溫度T（又稱絕對溫度）的四次方成正比紅外輻射基礎(chǔ)——紅外輻射基本定律4、基爾霍夫定律：物體的輻射出射度和吸收比的比值，與物體的性質(zhì)無關(guān)，只是頻率和溫度的適普函數(shù)。實際物體的輻射出射度與吸收比之間的關(guān)系：而發(fā)射率ε的定義即為所以有ε=α。紅外輻射基礎(chǔ)——紅外輻射基本定律5、常用紅外輻射物理量輻射能量（Q）：單位：焦耳（J）輻射功率（P）：單位時間輻射的能量，單位：瓦（W）輻射出射度（M）：輻射源單位面積向2π空間發(fā)出的輻射功率，單位：瓦/平方厘米（W/cm2）輻射強度（I）：點源輻射源向單位立體角內(nèi)輻射的功率，單位：瓦/球面度（W/Sr）輻射亮度（L）：擴展源單位面積向單位立體角輻射的功率，單位：瓦/平方厘米·球面度（W/cm2·sr）

紅外輻射基礎(chǔ)——紅外輻射基本定律

2.8光源和光輻射1.自然光源月球輻射：一是月球反射