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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(cè)系統(tǒng)

2011-01-27

       現(xiàn)代光電系統(tǒng)無一不把光學(xué)、精密機(jī)械、光電轉(zhuǎn)換、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)的數(shù)字化、圖像化、智能化和自動(dòng)化。為達(dá)到上述目的，除設(shè)計(jì)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(hào)采集與處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)處理與分析等都是實(shí)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(qiáng)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(cè)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(duì)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(jì)成像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，以減小物鏡軸外像點(diǎn)的像方視場(chǎng)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?yàn)閥"可看成是自發(fā)光圖像，目鏡的 光闌位置可單獨(dú)考慮。

二、光電檢測(cè)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(diǎn)，且與計(jì)算機(jī)結(jié)合，很容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)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(jiǎn)要介紹CCD光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理和光學(xué)系統(tǒng)特性。

CCD 光電檢測(cè)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(cè)物體，被檢測(cè)物體經(jīng)物鏡成像在CCD器件的靶面上（檢測(cè)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(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大和二值化處理后送入微機(jī)，再由微機(jī)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(cè)結(jié)果。

光電檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

     在CCD光電檢測(cè)系統(tǒng)中,CCD傳感器的參數(shù)選擇與被檢測(cè)物體的成像放大率和測(cè)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(cè)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(zhǎng)度，因此有 ，N為CCD的像素元個(gè)數(shù)， 為像素元的分辨率（像素大?。?，可得

     設(shè)光電檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度為 ，CCD傳感器上的測(cè)量精度 .

?

    例如我們選用2048線陣CCD作為光電檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器，其有效像素為2048個(gè)，每個(gè)像素的大小為14 ，因此CCD器件的有效光敏元長(zhǎng)度為設(shè)成像系統(tǒng)的放大率為.

被檢測(cè)物體的大尺寸不能超過57.344mm。該光電檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度為0.056mm。

     光電檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)原理圖，L3為成像物鏡，被檢測(cè)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(cè)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(jì)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(chǎng)內(nèi)的成像分辨率達(dá)到CCD的分辨率要求。

                                                        光電檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)
    光電檢測(cè)系統(tǒng)的照明系統(tǒng)是提供給被檢測(cè)物體一均勻的照明視場(chǎng)，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(chǎng)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?yàn)檎彰飨到y(tǒng)的孔徑光闌，經(jīng)L2成像在被檢測(cè)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(jì)要求，使得被檢測(cè)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(cè)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(cè)物體的半高度。
    為使照明系統(tǒng)均勻地照射物鏡L3的整個(gè)視場(chǎng)，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(jì)照明系統(tǒng)的必要條件，但并不充分，這是因?yàn)楫?dāng)照明系統(tǒng)所照射的被檢測(cè)物體視場(chǎng)較物鏡L3的視場(chǎng)大得很多時(shí)，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(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，在保證J1>J2的條件下，還應(yīng)兼顧被照明視場(chǎng)大小和物鏡數(shù)值孔徑角的匹配關(guān)系。