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光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
光学系统及专用光学元件 5.1 光电检测中的光学系统 5.2 常用物镜简介 5.3 探测器辅助光学系统 5.4 光电检测中的计量部件 5.5 角反射器与极性分析器 视场角 视场角是指以光学仪器的镜头为顶点,以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围,视场角越大,视野就越大。通俗地说,目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。 视场角分物方视场角和像方视场角。一般光学设备的使用者关心的是物方视场角。对于大多数光学仪器,视场角的度量都是以成像物的直径作为视场角计算的。如:望远镜、显微镜等。而对于照相机、摄像机类的光学设备,由于其感光面是矩形的,因此常以矩形感光面对角线的成像物直径计算视场角,如图一左。也有以矩形的长边尺寸计算视场角的,如图一右。计算方法可参看图一。 双胶物镜与双分离物镜区别 双胶物镜通过正确设计,可以较好的校正球差、色差和慧差。但不能消除球差、像散及其他像差,受到相对孔径和视场限制,通常双胶物镜视场不超过10-12度,由于受到孔径高级球差的限制,相对孔径一般不超过1/4(除非焦距很小)。 双分离物镜可以利用其多出的变量减小孔径高级球差,相对孔径有可能扩大到1/3。双分离物镜的玻璃选择要求不像双胶合物镜那样严格,可采用折射率差和色散差都较大的玻璃组,以利于增大半径,减小高级球差。双分离物镜的两透镜之间空气间隙的大小及两透镜的同心度对象质影响很大,装配调整较困难。 在相同条件下(同样的玻璃组合),双分离的球差和彗差小,色差较大。双胶合的色差小,而球差和彗差较大。同时,双胶合玻璃选择的孔径要小些,而且胶合8cm以上的透镜,难度较大。因为要控制其气泡数。 把红外敏感元(响应元)粘贴到透镜上,形成光学接触,借以提高室温红外探测器信噪比的光学工艺。浸没后的探测器称为浸没型探测器或浸没器件;浸没用的光学透镜称为浸没透镜;浸没用的粘合材料称为浸没介质。浸没透镜通常用具有高折射率的透射材料锗(其折射率为4)制成。它的功能是扩大探测器的视场角,提高入射辐射的能流密度,从而提高探测器的信噪比。浸没透镜的形状可以取半球形,也可以取大于半球的超半球形。后者的集光效果更佳,无论浸没透镜做成何种形状,探测器的红外敏感元均粘贴在透镜平面端的中央。浸没介质应具有一定的折射率、良好的透射性和绝缘性。锗透镜通常选用折射率为2.45的硒砷铊硫玻璃作为浸没介质。由于硒砷铊硫的折射率小于锗的折射率,根据全反射原理可知,浸没器件能够接收到的辐射的最大入射角为37°46′。热敏电阻型红外探测器和某些室温光导型探测器常做成浸没型探测器。浸没透镜兼起窗口的作用;浸没型探测器的光谱响应范围受浸没透镜和浸没介质透射性质的限制。浸没器件的工作温度受浸没介质的限制。如果不计透射损失,用锗做浸没透镜的浸没器件的信噪比是非浸没器件的4~16倍。 论文--超半球型浸没透镜在指纹图像采集中的应用 5. 锁相细分法 ? 细分技术中利用锁相技术的原理如图5-60所示。其中关键是产生稳定的倍频信号输出。动光栅连续运动时,从变化的莫尔条纹中取出的光电信号频率为f,如要进行n倍细分则使倍频振荡器产生频率为F=nf的信号输出。采用锁相技术,以确保F跟踪f并始终是其n倍。方法是将倍频振荡器输出信号经n分频,再与光栅信号进行相位比较。 图5-60 锁相细分法框图 1. 码盘的工作原理 光学码盘是光学轴角编码器的角度基准光学元件,是将转角的模拟量转换为数字量(A/D)的有效工具。按照代码形成,编码器可分为增量式和绝对式两种。前述计量光栅是一种增量式的编码器,没有固定的零位。当编码器有绝对零位时,称其为绝对式编码器。光学码盘是一种绝对式编码器,按输出代码形式可以有二进制、二–十进制和六—十进制等。以二进制代码为基础进行编码的码盘。用透光和不透光两种状态表示“1”和“0”。并以每个码道代表二进制的一位数,对应在光学码盘上是黑白相间的一个圆环。若干这样的码道就构成按二进制规律的码盘图案。如图5-61所示为一个五码道组成的二进制码盘。图5-62所示为五位码盘的编码表和展开图。 ? 图5-61 二进制码盘 5.4.3 光学码盘及编码 二进制码盘的码道数n和码道编码容量M之间的关系为 其角度分辨率?与码道数n之间的关系为 (5-61) (5-60) 图5-62 五位二进制码盘编码和展开图 二进制码盘中内圈为高位码,外圈为低位码。 2. 格雷码码盘 循环码的形式很多,有格雷码、周期码以及反射码等。图5-63所示是一种典型的格雷码图案。它有五个码道,其编码表及展开图如图5-64所示。图中以黑线代表“0”,而白线代表“1”。 循环码的重要特点是: (1)代码从任何数转变到相
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