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現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)：紅外夜視光學(xué)系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)

2011-01-27

       現(xiàn)代光電系統(tǒng)無一不把光學(xué)、精密機械、光電轉(zhuǎn)換、電子和計算機技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)其系統(tǒng)的數(shù)字化、圖像化、智能化和自動化。為達(dá)到上述目的，除設(shè)計各種不同用途的光電光學(xué)系統(tǒng)外，光電能量轉(zhuǎn)換或光電圖像轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)信號采集與處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和計算機處理與分析等都是實現(xiàn)上述目的所不可缺少的重要環(huán)節(jié)。由于本章篇幅所限，下面主要介紹二種光電光學(xué)系統(tǒng)。

一、紅外夜視光學(xué)系統(tǒng)

      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(lǐng)，因此紅外光探測系統(tǒng)在衛(wèi)星攝影、軍事目標(biāo)跟蹤和夜視觀察等方面得到了廣泛應(yīng)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(xué)圖像，所以必須把紅外光所成的圖像轉(zhuǎn)變成人眼可視的光學(xué)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(yuǎn)物鏡，L2為觀察目鏡，在望遠(yuǎn)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(yuǎn)物鏡應(yīng)盡量設(shè)計成像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，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(yīng)和變像管的接收靶面重合，y'經(jīng)紅外變像管后成倒像為y",y"應(yīng)與變像管的顯示屏重合，經(jīng)目鏡放大后供人眼觀察。因為y"可看成是自發(fā)光圖像，目鏡的 光闌位置可單獨考慮。

二、光電檢測系統(tǒng)

      由于CCD光電器件具有高靈敏度、高分辨率、數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)點，且與計算機結(jié)合，很容易實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化。因此近年來利用CCD作為光電轉(zhuǎn)換 器件的尺寸自動檢測系統(tǒng)、自動定位系統(tǒng)、圖像掃描系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。下面簡要介紹CCD光電檢測系統(tǒng)的基本原理和光學(xué)系統(tǒng)特性。

CCD 光電檢測系統(tǒng)的原理框圖，由光源發(fā)出的光經(jīng)照明系統(tǒng)均勻照射被檢測物體，被檢測物體經(jīng)物鏡成像在CCD器件的靶面上（檢測系統(tǒng)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(jīng)放大和二值化處理后送入微機，再由微機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，后由顯示和打印系統(tǒng)輸出檢測結(jié)果。

光電檢測系統(tǒng)原理框圖

     在CCD光電檢測系統(tǒng)中,CCD傳感器的參數(shù)選擇與被檢測物體的成像放大率和測量精度有關(guān)。設(shè)成像系統(tǒng)的放大率為 ，根據(jù)幾何光學(xué)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(shù)， 為像素元的分辨率（像素大小），可得

     設(shè)光電檢測系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)成像系統(tǒng)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(tǒng)的測量精度為0.056mm。

     光電檢測系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)原理圖，L3為成像物鏡，被檢測物體經(jīng)L3以一準(zhǔn)確的放大率成像在CCD光敏元件上。為了保證系統(tǒng)的測量精度，成像系統(tǒng)應(yīng)有嚴(yán)格的放 大率要求，即成像系統(tǒng)除嚴(yán)格校正畸變像差外，還應(yīng)設(shè)計成物方遠(yuǎn)心光路，其孔徑光闌位于L3的像方焦面處。此外，成像系統(tǒng)還應(yīng)嚴(yán)格校正其它各種像差，使其在 全視場內(nèi)的成像分辨率達(dá)到CCD的分辨率要求。

                                                        光電檢測系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)
    光電檢測系統(tǒng)的照明系統(tǒng)是提供給被檢測物體一均勻的照明視場，因此該照明系統(tǒng)多采用柯拉照明形式。L1為照明系統(tǒng)的聚光鏡，為照明系統(tǒng)的場鏡。光源經(jīng)L1成像在L2的物方焦面處，再經(jīng)L2成像在無限遠(yuǎn)，與成像物鏡L3的入射光瞳重合。L1的透鏡框為照明系統(tǒng)的孔徑光闌，經(jīng)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(shè)計要求，使得被檢測物體得到均勻的光照度。
表征照明系統(tǒng)傳遞光能量大小的拉赫不變量J1為
式中，n1為光源一側(cè)的介質(zhì)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(zhì)折射率，u2為物鏡L3的數(shù)值孔徑角，y2為被檢測物體的半高度。
    為使照明系統(tǒng)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(shù)值孔徑角，照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于成像系統(tǒng)的拉赫不變量，即有J1>J2
   J1>J2是設(shè)計照明系統(tǒng)的必要條件，但并不充分，這是因為當(dāng)照明系統(tǒng)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(shù)值孔徑角的光線成像。因此在設(shè)計照明系統(tǒng)時，在保證J1>J2的條件下，還應(yīng)兼顧被照明視場大小和物鏡數(shù)值孔徑角的匹配關(guān)系。