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現代光學系統：紅外夜視光學系統、光電檢測系統

2011-01-27

       現代光電系統無一不把光學、精密機械、光電轉換、電子和計算機技術結合起來，實現其系統的數字化、圖像化、智能化和自動化。為達到上述目的，除設計各種不同用途的光電光學系統外，光電能量轉換或光電圖像轉換、數據信號采集與處理、模數轉換和計算機處理與分析等都是實現上述目的所不可缺少的重要環節。由于本章篇幅所限，下面主要介紹二種光電光學系統。

一、紅外夜視光學系統

      由于紅外光輻射具有較強的輻射能量和在大氣中具有較高的穿透本領，因此紅外光探測系統在衛星攝影、軍事目標跟蹤和夜視觀察等方面得到了廣泛應用。但由于紅外 光輻射對人眼不敏感，不可能用人眼來直接接收紅外光所成的光學圖像，所以必須把紅外光所成的圖像轉變成人眼可視的光學圖像。例如用于軍事上的紅外夜視觀察 儀器，其原理如圖L1為望遠物鏡，L2為觀察目鏡，在望遠物鏡的像面和觀察目鏡的物面之間加入一紅外變像管，其作用是把紅外光所成的圖像變成可視光圖像。 為了使紅外變像管的接收靶面能獲得均勻的像面光照度，望遠物鏡應盡量設計成像方遠心系統，以減小物鏡軸外像點的像方視場角。物鏡L1所成的不可見圖像y' 應和變像管的接收靶面重合，y'經紅外變像管后成倒像為y",y"應與變像管的顯示屏重合，經目鏡放大后供人眼觀察。因為y"可看成是自發光圖像，目鏡的 光闌位置可單獨考慮。

二、光電檢測系統

      由于CCD光電器件具有高靈敏度、高分辨率、數據采集方便等優點，且與計算機結合，很容易實現檢測系統的自動化和數字化。因此近年來利用CCD作為光電轉換 器件的尺寸自動檢測系統、自動定位系統、圖像掃描系統得到越來越廣泛的應用。下面簡要介紹CCD光電檢測系統的基本原理和光學系統特性。

CCD 光電檢測系統的原理框圖，由光源發出的光經照明系統均勻照射被檢測物體，被檢測物體經物鏡成像在CCD器件的靶面上（檢測系統多采用線陣CCD），CCD 輸出反映物體大小或位置的脈沖信號，此信號經放大和二值化處理后送入微機，再由微機進行數據采集與處理，后由顯示和打印系統輸出檢測結果。

光電檢測系統原理框圖

     在CCD光電檢測系統中,CCD傳感器的參數選擇與被檢測物體的成像放大率和測量精度有關。設成像系統的放大率為 ，根據幾何光學成像理論，則有

     式中y為被檢測物體的大小，y'為其像的大小。由于y'不能大于CCD的有效光敏元大長度，因此有 ，N為CCD的像素元個數， 為像素元的分辨率（像素大小），可得

     設光電檢測系統的測量精度為 ，CCD傳感器上的測量精度 .

?

    例如我們選用2048線陣CCD作為光電檢測系統的傳感器，其有效像素為2048個，每個像素的大小為14 ，因此CCD器件的有效光敏元長度為設成像系統的放大率為.

被檢測物體的大尺寸不能超過57.344mm。該光電檢測系統的測量精度為0.056mm。

     光電檢測系統的光學系統原理圖，L3為成像物鏡，被檢測物體經L3以一準確的放大率成像在CCD光敏元件上。為了保證系統的測量精度，成像系統應有嚴格的放 大率要求，即成像系統除嚴格校正畸變像差外，還應設計成物方遠心光路，其孔徑光闌位于L3的像方焦面處。此外，成像系統還應嚴格校正其它各種像差，使其在 全視場內的成像分辨率達到CCD的分辨率要求。

                                                        光電檢測系統的光學系統
    光電檢測系統的照明系統是提供給被檢測物體一均勻的照明視場，因此該照明系統多采用柯拉照明形式。L1為照明系統的聚光鏡，為照明系統的場鏡。光源經L1成像在L2的物方焦面處，再經L2成像在無限遠，與成像物鏡L3的入射光瞳重合。L1的透鏡框為照明系統的孔徑光闌，經L2成像在被檢測物面處，與成像物鏡L3的入射窗重合，滿足柯拉照明的設計要求，使得被檢測物體得到均勻的光照度。
表征照明系統傳遞光能量大小的拉赫不變量J1為
式中，n1為光源一側的介質折射率，u1為聚光鏡的孔徑角，y1為光源燈絲的半高度。
表征成像物鏡傳遞光能量大小的拉赫不變量j2為
   式中，n2為被檢測物方的介質折射率，u2為物鏡L3的數值孔徑角，y2為被檢測物體的半高度。
    為使照明系統均勻地照射物鏡L3的整個視場，且使光線能充滿物鏡L3的數值孔徑角，照明系統的拉赫不變量應大于成像系統的拉赫不變量，即有J1>J2
   J1>J2是設計照明系統的必要條件，但并不充分，這是因為當照明系統所照射的被檢測物體視場較物鏡L3的視場大得很多時，即使J1>J2, 物鏡也難以充滿數值孔徑角的光線成像。因此在設計照明系統時，在保證J1>J2的條件下，還應兼顧被照明視場大小和物鏡數值孔徑角的匹配關系。