光電測試技術(shù)

光電測試技術(shù)第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三章光電測試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)顯微光學(xué)系統(tǒng)光電測試技術(shù)中常用的光學(xué)系統(tǒng)原理、基本組成和技術(shù)參數(shù)一、放大鏡和放大率Lωy第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日放大鏡的工作原理y’yFF第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日顯微光學(xué)系統(tǒng)原理第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的分辨本領(lǐng)成像光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)又稱為分辨力，是光學(xué)系統(tǒng)可以分清細節(jié)的能力。顯微鏡的分辨力以其能分辨的物方最近的兩個點之間的距離來衡量。兩個準則：瑞利判據(jù)道威判據(jù)顯微物鏡的分辨力只與物鏡的數(shù)值孔徑有關(guān)，而與目鏡無關(guān)，數(shù)值孔徑越大，分辨力越高。第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的有效放大率目視顯微鏡的有效放大率采用光電攝像器件時顯微物鏡的有效放大倍數(shù)β≥4NA*d/λ500NA≤?！?000NAΓ≤

500NA,物鏡的分辨力沒有充分利用?！?000NA物體的細節(jié)不會更清楚，無效放大第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日顯微系統(tǒng)的景深景深：光學(xué)系統(tǒng)同時清晰成像的物空間沿光軸方向的深度范圍。幾何景深，物理景深，調(diào)節(jié)景深。s幾何景深原理圖第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的幾種重要光路遠心光路是經(jīng)常采用的一種顯微鏡光路，分為物方遠心光路和像方遠心光路。1、物方遠心光路在物鏡的像方焦平面安置一個孔徑光闌2、像方遠心光路在物方焦平面安置一個孔徑光闌3、無限遠像距系統(tǒng)第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日物方遠心光路B1B1’B2在物方遠心光路中，孔徑光闌處在像方焦點處。這時候，入射光瞳處在物方無窮遠處，而出瞳與孔徑光闌重合。在像方遠心光路中，孔徑光闌處在物方焦點處，出射光瞳在像方無限遠處，入瞳與孔徑光闌重合。遠心光路可以降低和消除測量誤差的。第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日作用-------消除/減少由于視差所引起的測量誤差。

第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日像方遠心光路第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日作用：消除/減少測距誤差。主要用于被測物體大小已知，測量物所在距離。第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日無限遠像距系統(tǒng)平行光路第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日無限遠像距系統(tǒng)的特點裝入分光鏡的情況下，不產(chǎn)生雙像重疊，不出現(xiàn)像的偏移和象散抽出加入平行平面波片時，焦距不受影響獲得均勻照度的像面視場。平行光第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日顯微鏡的選用比較表顯微鏡種類比較項目瞄準、讀數(shù)測量用觀察用準確性高低放大倍率低高像質(zhì)要求高低工作距離、視場大小第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)望遠光學(xué)系統(tǒng)望遠光學(xué)系統(tǒng)：天文觀測，工程測量，工業(yè)計算，激光跟蹤，雷達測距原理和性質(zhì)第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日望遠鏡的歷史在17世紀初，荷蘭的一位眼鏡製造商漢斯·里帕斯的徒弟發(fā)現(xiàn)了把凸透鏡和凹透鏡疊在一起可以讓遠處的物體變大。1609年義大利物理學(xué)家、天文學(xué)家伽利略自製望遠鏡觀測天體，觀察到木星的四個衛(wèi)星：木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四。伽里略的望遠鏡由凸透物鏡和凹透目鏡組成，這種望遠鏡被稱為伽利略式望遠鏡。1611年德國天文學(xué)家開普勒出版了《天文光學(xué)》，闡述瞭望遠鏡原理，他還把伽利略望遠鏡的凹透目鏡改成凸透目鏡，併為後來的天文學(xué)家所廣泛採用。這種望遠鏡被稱為開普勒式望遠鏡。第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日

需要指出的是，由于當時的望遠鏡采用單個透鏡作為物鏡，存在嚴重的色差，為了獲得好的觀測效果，需要用曲率非常小的透鏡，這勢必會造成鏡身的加長。所以在很長的一段時間內(nèi)，天文學(xué)家一直在夢想制作更長的望遠鏡，許多嘗試均以失敗告終。

1757年，杜隆通過研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透鏡的理論基礎(chǔ)，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透鏡。從此，消色差折射望遠鏡完全取代了長鏡身望遠鏡。但是，由于技術(shù)方面的限制，很難鑄造較大的火石玻璃，在消色差望遠鏡的初期，最多只能磨制出10厘米的透鏡。

第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日十九世紀末，隨著制造技術(shù)的提高，制造較大口徑的折射望遠鏡成為可能，隨之就出現(xiàn)了一個制造大口徑折射望遠鏡的高潮。世界上現(xiàn)有的8架70厘米以上的折射望遠鏡有7架是在1885年到1897年期間建成的，其中最有代表性的是1897年建成的口徑102厘米的葉凱士望遠鏡和1886年建成的口徑91厘米的里克望遠鏡。

折射望遠鏡的優(yōu)點是焦距長，底片比例尺大，對鏡筒彎曲不敏感，最適合于做天體測量方面的工作。但是它總是有殘余的色差，同時對紫外、紅外波段的輻射吸收很厲害。而巨大的光學(xué)玻璃澆制也十分困難，到1897年葉凱士望遠鏡建成，折射望遠鏡的發(fā)展達到了頂點，此后的這一百年中再也沒有更大的折射望遠鏡出現(xiàn)。這主要是因為從技術(shù)上無法鑄造出大塊完美無缺的玻璃做透鏡，并且，由于重力使大尺寸透鏡的變形會非常明顯，因而喪失明銳的焦點。

第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日伽利略望遠鏡物鏡目鏡伽利略望遠鏡的放大倍率太小第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日開普勒望遠鏡物鏡目鏡而開普勒望遠鏡的鏡筒太長第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日望遠鏡種類折射式望遠鏡：伽利略望遠鏡開普勒式望遠鏡反射式望遠鏡：多用於天文觀測牛頓式Cassegrain折反射式望遠鏡Schmidt-Cassegrain第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日折射式望遠鏡的優(yōu)點影像穩(wěn)定折射式望遠鏡鏡筒密封，避免了空氣對流現(xiàn)象。像差矯正利用不同的透鏡組合來矯正像差保養(yǎng)主鏡密封，不會被污濁空氣侵蝕，基本上不用保養(yǎng)。第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日折射式望遠鏡的缺點色差不同波長光波成像在焦點附近，所以望遠鏡出現(xiàn)彩色光環(huán)圍繞成像。矯正色差時要增加一塊不同折射率的透鏡，但矯正大口徑鏡就不容易。鏡筒長為了消除色差，設(shè)計望遠鏡時就要把焦距儘量增長，約主鏡口徑的十五倍，以六吋口徑計算，便是七呎半長，而且用起來又不方便，業(yè)餘製鏡者要造一座這樣長而穩(wěn)定度高的腳架很是困難的一回事。價錢貴光線要穿過透鏡關(guān)係，所以要採用清晰度高，質(zhì)地優(yōu)良的玻璃，這樣價錢就貴許多。全部完成後的價錢也比同一口徑的反射鏡貴數(shù)倍至十數(shù)倍。第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日反射式與折反射式望遠鏡反射式光學(xué)系統(tǒng)通過在球面、橢球面、拋物面、雙曲面等面型上鍍上反射層，利用反射成像原理成像。牛頓望遠鏡卡塞格倫望遠鏡格里高利光學(xué)系統(tǒng)折返式光學(xué)系統(tǒng)斯密特光學(xué)系統(tǒng)和馬克蘇托夫光學(xué)系統(tǒng)第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日反射式望遠鏡NewtonianCassegrain第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日反射式望遠鏡的優(yōu)點消色差任何可見光均聚焦於一點。鏡筒短通常鏡筒長度只有主鏡直徑八倍，所以比折射鏡筒約短兩倍。短的鏡筒操作力便，又容易製造穩(wěn)定性高的腳架。價錢便宜光線只在主鏡表面反射，製鏡者可以購買較經(jīng)濟的普通玻璃去製造反射鏡的主要部份。第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日反射式望遠鏡的缺點遮光對角鏡放置在主鏡前，把部份入射光線遮掉，而對角鏡支架又產(chǎn)生繞射，三支架或四支架的便形成六條或四條由光星發(fā)射出來的光線?？梢岳媒贡劝酥潦脑O(shè)計減低遮光率。影像不穩(wěn)定開放式的鏡筒往往產(chǎn)生對流現(xiàn)象，很難完滿地解決問題。所以在高倍看行星表面精細部份時便顯出不容易了。主鏡變形溫度變化和機械因素，使主鏡變形，焦點也跟改變，形成球面差，球面差就是主鏡旁邊緣和近光軸的平行光線聚焦於不同地方，但小口徑鏡不成問題。保養(yǎng)鍍上主鏡表面的鋁或銀，受空氣污染影響，要半年再鍍一次。不過一塊良好的真空電鍍鏡面可維持數(shù)年之久。第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日反射式與折射式望遠鏡的選擇折射望遠鏡由二塊透鏡組成，總共要磨四邊光學(xué)面，反射望遠鏡只需要磨一邊光學(xué)面，所以製造反射式望遠鏡花費較少時間。技術(shù)精良的話，一副自製的六吋口徑反射望遠鏡質(zhì)素隨時超過市面出售的三吋折射望遠鏡。至於選擇何種類形的望遠鏡則視乎個別天文愛好者的需要和喜愛而定。通常一枝四吋以下的折射望遠鏡已足夠作普通觀測研究的用途。若果興趣是觀察行星或雙星，便應(yīng)該設(shè)計八吋口徑而放大倍數(shù)高的反射望遠鏡，因為如此大口徑的折射鏡十分難製造，價錢非常昂貴，而且又非常笨重。從經(jīng)濟和難度考慮，初學(xué)者最適宜自製反射式望遠鏡。第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日折反射式望遠鏡第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日牛頓式望遠鏡第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日望遠鏡的主要光學(xué)性能望遠鏡視角放大率目視望遠鏡視角放大率

通過望遠鏡觀察物體時候，物體的像對眼睛的張角ω’與人眼直接觀察物體時物對人眼的張角ω的正切第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日望遠鏡分辨力和工作放大倍率望遠鏡的分辨力用極限分辨角φ來表示瑞利判據(jù)φ=1.22λ/D

道威判據(jù)φ=λ/D有效放大率工作放大率第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日望遠系統(tǒng)的景深調(diào)節(jié)景深

人眼從無窮遠至明視距離的范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，望遠鏡由于人眼的調(diào)節(jié)而能看清楚物體空間范圍稱為調(diào)節(jié)景深幾何景深

成清晰像的范圍叫做幾何景深視覺放大率越大，調(diào)節(jié)景深就越小望遠鏡成清晰像的空間范圍從望遠鏡前p到無窮遠第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日準直、自準直望遠鏡準直技術(shù)：利用光線做基準實現(xiàn)瞄準或者角度測量的技術(shù)利用望遠系統(tǒng)把視場光闌處分劃板上的十字標記投射到某一調(diào)焦位置的參考靶上。第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)攝影系統(tǒng)攝影光學(xué)系統(tǒng)：把空間或平面物體縮小成像于感光膠片或光電器件光敏面的光學(xué)系統(tǒng)。第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日光學(xué)特性照相物鏡的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝光產(chǎn)生景物象。照相物鏡的光學(xué)特性一般用焦距、相對孔徑、視場角表示。此外還提出分辨率的要求，作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)條件。下面分別進行說明。第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、焦距根抿光學(xué)系統(tǒng)垂軸放大率公式

對一般照相物鏡來說，物距通常在lm以上，因此像平面十分靠近照相物鏡的像方焦平面，即，所以有。由此可見，物鏡焦距的大小，決定了底片上的像和實際被攝物體之間的比例尺，在物距一定的情況下，欲得到大比例尺的照片，則必須增大物鏡焦距。例如用于拍攝數(shù)千米甚至上萬米的遠距離照相機，為了獲得足夠大的比例尺，必須采用長焦距照相物鏡，其焦距一般為數(shù)百毫米，甚至可達數(shù)米。

第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、相對孔徑照相物鏡像平面的光照度和相對孔徑的平方成正比，聽以照相物鏡的相對孔徑主要影響像平面光照度。為了滿足對較暗景物的攝影，或者對高速運動物體的攝影，都需要采用大相對孔徑的物鏡，以提高像平面上的光照度。根據(jù)相對孔徑大小不同，普通小型照相機物鏡可分為:弱光照相物鏡（在1:6.3以下）、普通物鏡（在1:5.6~1:3.5）、強光物鏡（在1:2.8~1:1.4）、超強光物鏡（在1:1~1:0.8）。

第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、視場角照相物鏡的視場角決定了被攝景物的范圍。不同照相機畫面的尺寸是一定的，例如：16mm電影攝影機l0.4*7.5mm235mm電影使影機22*16mm2135#照相機36*24mm2120#照相機55*55mm2用于航空攝影的照相機，畫面要大得多，常用的有180*180mm2、240*240mm2、360*360mm2。照相機的視場角和畫面尺寸之間的關(guān)系，可由無限遠物體理想像高公式表示相機的幅面一定，即一定，只要焦距確定，視場角便隨之而定。由上式可看到，當相機幅面一定時，越小，則越大，因此短焦距鏡頭，也就是大視場鏡頭。根據(jù)視場角的大小，照相物鏡可分為:窄角鏡頭（在40°以下）、常角鏡頭（=45）、廣角鏡頭（=70°~100°）、超廣角鏡頭（在100°以上）。

第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日四、分辨率照相物鏡分辨率表示照相物鏡分辨被攝物體細節(jié)的能力，是衡量照相辨成像質(zhì)量的重要指標之一，通常用像平面上每毫米能分辨開黑白線條的對數(shù)表示，照相物鏡的理想分辨率由公式可見，即相對孔徑越大，分辨率越高。由于實際照相物鏡存在像差，實際分辨率比理想分辨率低。第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日變焦距物鏡最近十多年以來，變焦距物鏡獲得了較大發(fā)展。由干變焦距物鏡能在一定范田內(nèi)迅速改變系統(tǒng)的焦距，得到不同比例的像，因此它在新聞采訪，影片攝制和電視轉(zhuǎn)播等場合，使用特別方便。而且在電影和電視的連續(xù)變焦過程中，隨著物像之間倍率的連續(xù)變化，像面景物的大小連續(xù)改變，可以使觀眾產(chǎn)生一種由近及遠或由遠及近的感覺，更是定焦距物鏡難以達到的。目前變焦距物鏡的應(yīng)用日益廣泛，開始主要用于電影和電視攝影，現(xiàn)在巳逐步擴大到135#照相機和小型電影放映機上，但仍以電杉和電視攝影為主。變焦距物鏡的基本原理是利用系統(tǒng)中兩個或兩個以上透鏡組的移動，改變系統(tǒng)的組合焦距，而同時保持且后像面位置不變，使系統(tǒng)在變焦過程中獲得連續(xù)清晰的像。。第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)投影儀光學(xué)系統(tǒng)投影儀是將一定大小的物體，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，計置用投影儀等。對干投影儀所成的像，除了要求成像清晰，物像相似而外，還要求像足夠亮，也就是要求有足夠的像面光照度，并且整個像面光照度盡可能一致，后面這兩個要求決定了投影系統(tǒng)的主要特點。投影系統(tǒng)一般由兩部分構(gòu)成，一部分是照明系統(tǒng);另一部分是投影物鏡，照明系統(tǒng)的作用是把光源的光通量盡可能多的聚集到投影物鏡中去，并使被投影物體照明均勻，投影物鏡的作用是把投影物體成像在屏幕上，并保證成像清慚，物像相似。投影系統(tǒng)根據(jù)照明方式不同，可以分成兩大類。一、臨界照明。二、柯勒照明。第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日投影物鏡一、投影物鏡的作用及光學(xué)特性投影物鏡的作用是將被光源照明的投影物體成像在屏幕上，保證成像清晰照明系統(tǒng)合理配合，保證屏幕上有足夠的光照度。投影物鏡的光學(xué)特性，通常用視場、數(shù)值孔徑，放大率等表示，下面分別進行說明。第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日（一）視場投影系統(tǒng)中，成像范圍不用視場角表示，而直接用投影物體的最大尺寸—線視場表示。屏幕尺寸是確定的。例如測量用投影儀的屏幕是圓形的，常見的屏幕尺寸有、等，屏幕框?qū)嶋H上就是投影系統(tǒng)的視場光闌，它的大小決定了物鏡的線視場。根播放大率公式將已知屏幕尺寸代入，便可根據(jù)放大率求出投影物鏡的最大線視場。例如一個100X的投影物鏡，屏幕直徑為1500mm，最大的視線場為第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日（二）數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑可以影響分辨本領(lǐng)，影屏照度和景深。瑞利判據(jù)道威判據(jù)第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日（三）垂軸放大率物鏡的垂軸放大率是根據(jù)零件的測量精度和標準圖樣繪制精度提出來的第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日第五節(jié)照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)的設(shè)計原則保證足夠的光能有足夠的照明范圍，照明均勻照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳應(yīng)盡量減少雜光進入物鏡，保證像面的對比度合理安排布局，避免光源高溫的有害影響。第五十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日兩個原則光孔轉(zhuǎn)接原則照明系統(tǒng)的出瞳應(yīng)該和物鏡的入瞳重合，保證光束充分利用照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)該大于物鏡的拉赫不變