现代光学系统讲解.ppt

四、光电检测系统 光源 照明系统 被测物体 成像系统 CCD器件 放大电路 二值化处理 微机控制 显示与打印 1、光电监测系统原理框图 在CCD光电检测系统中，CCD传感器的参数选择与被检测物体的成像放大率和测量精度有关。 [例] 某一光电检测系统采用2048线阵CCD作为光电检测系统的传感器，每个像素大上为14μm，假设成像系统放大率为0.5，求被检测物的最大尺寸以及光电检测系统的测量精度。 CCD器件的有效光敏元长度为： 被检测物的最大尺寸： 光电检测系统的测量精度： 解： * * 激光束的特点：单色性好、相干性强、光亮度高、光束截面内强度分布不均匀。 自发辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光相干性差，方向散乱。 * 这个振幅分布函数是一个高斯分布，所以称激光光束为高斯光束 留下垂直线条的结构信息，像面上不再出现水平线条的结构信息。 通过物面产生的衍射平面光波空间频率来分析物面结构的方法就是傅里叶光学研究的内容。 总结： 夫琅和费衍射可以用傅里叶变换这个数学工具来描述。 由于衍射光波与复振幅函数 E( x,y ) 是密切相关的，因此，通常用衍射出的平面光波的空间频率分布反映物面的结构。 注意： 平面光波的方向用它在x , y ，z 轴的空间频率来描述。 3 傅里叶变换与光学信息处理 光学信息处理是以二维图像作为媒介来进行图像的识别、图像的增强与恢复、图像的传输与变换、功率谱分析等。 由光学透镜组成那个的相干光学处理系统，可简单迅速地完成二维图像的傅里叶变换运算。 1、傅里叶变换光学系统——4f 光学变换系统 P：输入面（物面）；F：频谱面；P’ 输出面（像面）。 在相干光学信息处理中，此系统称为 4f 系统。 -f x y f’ -f f’ y’ x’ 输入面 频谱面 L2 L1 输出面 相干平行光 光学信息处理4f系统 从物平面P到频谱面F，第一次夫琅和费衍射： 当物体在透镜的前焦面上时，在透镜的后焦面上得到准确的傅里叶变换，衍射场即为频谱面。 C0 是光束走过 2f 距离产生的位相延迟。 从频谱面F到像面P’（输出面） ，第二次夫琅和费衍射： 定理： 同样，从 F 面P′到也是准确的傅里叶变换，但坐标方向相反，在像面上得到原物体得像，只是物像倒置。 任何一个光波（例如通过透明图片的光波）都可以看成是一系列平行光的叠加。并且在一般情况下，这些平行光的振幅、相位和传播方向各不相同。但是这些平行光和原光波之间满足傅里叶变换，这些不同方向的平行光，则称为原光波的空间谱。 平行光经过理想透镜后，将在透镜的后焦面上汇聚成一点，它在焦平面上的位置与入射方向形成对应关系。不同方向的平行光落在后焦平面的不同位置上。后焦平面上的光波，恰好是前焦平面上光波的傅里叶变换。 在一定条件下，障碍物处的光场分布和通过障碍物后的光场分布之间，满足傅里叶变换的关系。 2、 阿贝成像理论与波特实验 1）、阿贝成像理论 物平面 频谱面 像面 采用相干光波垂直照明物体，可以把物体看成一个复杂的衍射光栅，衍射光波在透镜的后焦面形成物体的夫琅和费衍射图样。 事实上光波在传播中还要物镜孔径的限制，经过第二次衍射才能传播到像面。把后焦面上的点看作相干的次级波源，发出惠更斯子波，在像面相干叠加产生物体的像。 由于物镜大小的限制，物体的频率分量只有一部分参与成像，其中一些高频成分被丢失，因而产生像的失真，即影响像的清晰度或分辨率。 因此光学系统的作用类似于一个低通滤波器，滤掉了物体的高频成分，这正是任何光学系统不能传递全部细节的根本原因。 结论： 第一次夫琅和费衍射是物体的复振幅分布被分解而得到其空间频谱，第二次夫琅和费衍射是频谱中所有的傅里叶频谱分量在像面叠加而综合成像的复振幅分布。 2）、波特实验 频谱面 物面 像面 在频谱面放置狭缝、圆屏等掩模版来改变物面的频谱，从而观察像面发生的变化，这一过程成为空间滤波。这些掩模版称为空间滤波器。 图象滤波（1） 4、光学信息处理 图象滤波（2）水平狭缝光栏 图象滤波（3）垂直狭缝光栏 图象滤波（4）低通滤波 图象滤波（5）基频滤波 3、傅里叶变换物镜 为了获得清晰的夫琅和费衍射图像和正确的傅里叶变换关系，傅里叶变换物镜应对光瞳位置校正球差和慧差，对物面位置校正球差、彗差、像散和场曲，其像差公差应达到衍射极限，即波像差不大于λ/4。 采用双胶合或双分离形式，可使正弦差和球差得到很好的校正。但由于轴外像差的存在，其视场角和