第 8 章现代光学系统

第8章现代光学系统 • §8.1 激光光学系统 • §8.2 傅立叶变换光学系统 • §8.3 扫描光学系统 • §8.4 阶跃型光纤光学系统 • §8.5 梯度折射率光纤光学系统 • §8.6 光电光学系统

A A0 w(z) A0 /e O r 高斯光束截面现代光学系统 §8 现代光学系统 §8-1 激光光学系统激光：亮度高、单色性好、方向性强应用：激光加工、激光精密测量与定位、光学信息处理和全息术、模式识别和光计算、光通信…… 一、高斯光束的特性

光束波面上各点的振幅不相等： 呈高斯型函数分布。当r＝w时，现代光学系统常以r=w时的光束截面半径作为激光束的名义截面半径。表明高斯光束的名义截面半径w是：当振幅A下降到中心振幅A0的1/e时所对应的光束截面半径。

w(z) w0 z R(z) z 现代光学系统 • 二、高斯光束的传播 • w(z)、R(z)、F(z) • （一）高斯光束的截面半径 • 双曲线 • 当z=0时，w(0)=w0 ——高斯光束的束腰半径 • 与同心光束在均匀介质中的传播相比： • 高斯光束的光束截面半径w(z)与 z是非线性关系。总结

现代光学系统 • （二）高斯光束的波面曲率半径 • 当z=0时，R(0)=∞——高斯光束束腰处，波面为平面波。 • 上式对z求导，得：代入上式： • （1）当时，，曲率半径最小。 • （2）当z=∞时，R(z)→∞，高斯波面又变成平面波。 • 传播过程：∞→最小→∞ w(z) w0 z R(z) z 总结

q w0 z 现代光学系统 • （三）高斯光束的位相因子 • 用双曲线的渐近线表示高斯光束的远场发散程度。 • 渐近线与光束对称轴的夹角q——高斯光束的孔径角(发散角) • 与同心光束（R）传播不同： • 高斯光束的传播必须由两个参数： w(z)、 R(z)来表征。总结

R1 R2 1 2 C’ C 2w0 2w’0 R1 R2 O’ F F’ O -R1 R2 z z’ -l l’ 球面波经透镜转换高斯光束经透镜转换现代光学系统三、高斯光束的透镜变换总结 1、近轴区：满足物像位置关系 2、薄透镜时：w2＝w1 3、当z = -f ’ 时，z’ = f ’ ；且束腰半径w’0为极大值，出射光束有最大值

现代光学系统 • 四、高斯光束的聚焦和准直 • （一）高斯光束的聚焦 • 打孔、焊接、光盘读写、图像传输 • 当z→∞，即入射光束的束腰远离透镜时，出射光束的束腰半径 w’0→0，即光束可获得高质量的聚焦光点 • w’0除与 z有关外，还与f’有关，尽可能采用短焦距透镜。总结

现代光学系统 （二）高斯光束的准直激光测距、激光雷达：要求光束发散角小高斯光束经单透镜变换后，不能获得平面波。但当z = -f ’时，减小w0，增加f’。较大焦距的变换透镜

L2 L1 2w0’ 2w0” 2w0 z f1’ -f2 激光准直系统现代光学系统激光准直系统多采用二次透镜变换形式：第一次:压缩高斯光束的束腰半径，常用短焦距的聚焦系统；第二次:减小高斯光束的发散角，常用较大焦距的变换透镜；

频谱面 输入面 -f’ f’ 现代光学系统 §8-2 傅立叶变换光学系统图像识别、图像增强与恢复、图像传输与变换、功率谱分析、全息术中的傅立叶全息存储数学运算傅立叶变换一、傅立叶物镜应满足的成像要求： 1、相同衍射角的光线经透镜变换后，应聚焦于焦平面上的一点; 2、不同衍射角的光线经透镜变换后，应聚焦于焦平面上不同点,形成各级频谱。小结傅立叶变换物镜通常要对两对共轭面校正像差。

现代光学系统 二、傅立叶变换物镜的结构形式： 1、单光组结构形式：校正球差和正弦差。但有轴外像差，视场角和相对孔径较小。 2、傅立叶变换物镜为对称型：两组对称的反远距透镜组，使物镜主面外移，从而|FF’ |<f ’ ，减小了外形尺寸。此外，正负透镜组合，可校正像面弯曲和其它轴外像差。但结构复杂，造价高。

现代光学系统 傅立叶物镜的结构型式

现代光学系统 §8-3 扫描光学系统光束传播方向随时间变化而改变的光学系统激光束扫描装置：以时间为顺序的图像电信号→→二维目视图像激光存储器、激光打印机、高速摄影系统一、扫描方程式：透镜、棱镜、反射镜、全息、声光衍射极限分辨角：扫描点数：扫描系统的参数：孔径D、形状因子a、最大扫描角q

物镜后扫描系统 物镜扫描系统 f ’ x x 现代光学系统二、光学扫描系统物镜扫描、物镜前扫描、物镜后扫描物镜后扫描：物镜口径小，且只要求校正轴上点像差。但扫描像面为曲面，不利于图像接收与转换。

现代光学系统 物镜前扫描：物镜设计成像方远心光路，使像方主光线始终垂直于扫描像平面。物镜严格校正轴上点和轴外点像差，且扫描成像面为一平面。

扫描物镜的成像特性 扫描物镜的结构型式现代光学系统三、扫描物镜——fq 物镜大视场、小相对孔径的像方远心光路

现代光学系统 §8-4 阶跃型光纤光学系统光学纤维(光纤)：传光、传像、传输其它光信号光纤的分类：阶跃型折射率光纤、梯度折射率光纤一、阶跃型光纤束的传光、传像特性阶跃型光纤既可传递光能，又具有可挠性光纤束：传光束——传递光能；传像束——传递图像。 (一)传光束光纤束应有一定的光能透射比。影响光纤束光能透射比的因素: 光纤束的端面反射损失、内芯材料吸收、内芯与外皮的界面反射损失、光纤束的填充系数和数值孔径等。

3 1 物 2 传输过来的像 3 可弯曲的纤维束现代光学系统 (二)传像束每一根光纤好比一个像元分辨率：与单根光纤直径、光纤束的排列方式、排列紧密程度有关。 s六  s正排列方式不同，相邻单丝光纤间的距离不同，取样间隔也就不同，光纤束的分辨率就不同。且不同截面方向上分辨率也不一样。

s六 s正 填充系数 90.7%78.5% 分辨率：00、600、1200 00、900 300、900、1500 450、1350

传像束的输入图像 传像束前置光学系统现代光学系统 (三)阶跃型光纤光学系统内窥镜光学系统、光纤高速摄影系统、光纤全息内窥镜系统、光纤潜望系统光纤束射出的光线分布是不均匀的，中心处最密，最大孔径角处光线越疏。即光能的分布呈高斯函数型。

传像束后置光学系统 光纤光学系统现代光学系统

现代光学系统 §8-5 梯度折射率光纤光学系统径向梯度折射率分布：光轴横截面径向方向上折射率是变化的轴向梯度折射率分布：折射率是沿光轴方向变化的，与光轴垂直的横截面上折射率是均匀的。球形梯度折射率分布：折射率是以点对称而变化的，等折射率面为球面。一、径向梯度折射率光纤二、自聚焦透镜的特性三、自聚焦透镜成像

现代光学系统 §8-6 光电光学系统光、机、电、算、光电转换数字化、图像化、智能化、自动化一、红外夜视光学系统红外光：较强的辐射能量、较高的穿透本领——卫星摄影、军事目标跟踪、夜视观察变像管：将红外光成的图像→→可视光图像。（人眼对红外光不敏感）

现代光学系统 二、光电检测系统 CCD：高灵敏度、高分辨率、数据采集方便，且与计算机结合实现检测系统的自动化和数字化。照明系统被测物体成像系统 CCD器件光源显示与打印微机控制二值化处理放大电路光电检测系统原理图

光电检测系统的光学系统 现代光学系统

第9章光学系统的像质评价 • 瑞利判断：根据成像波面相对理想波面的变形程度判断像质。 Wl/4 便于应用；但要求要严格，不允许存在局部缺陷，只适用于小像差系统 • 中心点亮度：系统存在像差时成像衍射斑的中心亮度，和不存在像差时成像衍射斑的中心亮度之比来表示成像质量。 S.D≥0.8 也只适用于小像差系统，评价质量高，但计算复杂，不便于应用。

光学系统的像质评价 • 分辨率：反映光学系统能分辨物体细节的能力。指标单一，便于测量，使用方便，应用广泛；但质量不高，且不完善。 3个缺点 • 点列图：由于像差的存在，使点像形成一个分布在一定范围内的弥散图形。利用这些点的密集程度来衡量成像质量。简单易行，但计算量大。

光学系统的像质评价 • 光学传递函数：基于把物体看作是由各种频率的谱组成。也就是把物体的光场分布函数展开成傅里叶级数(物函数为周期函数)或傅里叶积分(物函数为非周期函数)的形式。物体经光学系统传递后，频率不变，但对比度下降，相位发生推移，并在某一频率处截止，即对比度为0 。既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果（相对孔径）有关。评价全面、完善、且质量高，同时适于大、小像差系统。

绪论第1章几何光学基本定律与成像概念第2章理想光学系统第3章平面与平面系统第4章光学系统中的光束限制第5章光度学基础第6章光线的光路计算及像差理论第7章典型光学系统第8章现代光学系统第9章光学系统的像质评价工程光学

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