光電檢測原理與技術(shù)-第5章光學(xué)系統(tǒng)與專用光學(xué)元件.ppt

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1、第5章 光學(xué)系統(tǒng)及專用光學(xué)元件,光學(xué)系統(tǒng)及專用光學(xué)元件,5.1 光電檢測中的光學(xué)系統(tǒng) 5.2 常用物鏡簡介 5.3 探測器輔助光學(xué)系統(tǒng) 5.4 光電檢測中的計(jì)量部件 5.5 角反射器與極性分析器,,1. 光學(xué)系統(tǒng)的組成及功能,光學(xué)系統(tǒng)在光電檢測中的主要作用可歸納如下： （1）收集并接收來自檢測目標(biāo)的光輻射通量，供光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。 （2）觀察或瞄準(zhǔn)目標(biāo)，為正確對(duì)待測目標(biāo)進(jìn)行光電檢測，需要用人眼協(xié)助觀察或瞄準(zhǔn)目標(biāo)。 （3）確定目標(biāo)的方位，利用調(diào)制盤將目標(biāo)的光輻射通過編碼形成目標(biāo)的方位信息。 （4）實(shí)現(xiàn)大視場捕獲目標(biāo)與成像，這里主要是指利用光機(jī)掃描的方法，擴(kuò)大探測器的視場，從而實(shí)現(xiàn)利用小視場

2、的探測器在大視場中捕獲目標(biāo)；或者實(shí)現(xiàn)利用小視場探測器對(duì)大視場景物成像。,5.1 光電檢測中的光學(xué)系統(tǒng),（1）伽俐略望遠(yuǎn)鏡（Galileo telescope）,發(fā)散透鏡作目鏡，會(huì)聚透鏡作物鏡，物鏡的像方焦點(diǎn)和目鏡的物方焦點(diǎn)重合。,結(jié)構(gòu),,遠(yuǎn)物Q射來的平行光束，經(jīng)物鏡會(huì)聚后，原來應(yīng)成實(shí)像于Q, 這對(duì)于目鏡來說應(yīng)作虛物，最后成正立像PQ于無窮遠(yuǎn)處。,2. 望遠(yuǎn)系統(tǒng),角放大率M,,不用與用望遠(yuǎn)鏡時(shí)的視角分別為,故,伽里略望遠(yuǎn)鏡物鏡的像方焦距為正，目鏡,的像方焦距為負(fù)，放大本領(lǐng)為正值，故形成正,方的虛像。,規(guī)定：光軸以銳角方向轉(zhuǎn)向光線，順時(shí)針為正。,圖5-1 伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng),圖5-2 反射式伽利略望遠(yuǎn)

3、系統(tǒng),,,（2）開普勒望遠(yuǎn)鏡（Kepler telescope）,,焦距較長的正透鏡作物鏡，焦距較短的正透鏡作目鏡，物鏡的像方焦點(diǎn)和目鏡的物方焦點(diǎn)重合。,結(jié)構(gòu),特點(diǎn)：鏡筒長, 能放刻度尺（ 點(diǎn)處）, 視場大,,圖5-3 開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng),圖5-4 反射式天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),,,目鏡 目鏡，又稱接目鏡，通常是一個(gè)透鏡組，可以連接在各種不同光學(xué)設(shè)備，如是望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡，的后端。之所以如此命名，是因?yàn)楫?dāng)設(shè)備被使用時(shí)，它常是最接近使用者眼睛的透鏡。,（1）目鏡的放大率,也就是放大鏡的放大率。定義為通過放大鏡看物體時(shí)，其像對(duì)眼睛所張角的正切，與眼睛直接看物體時(shí)，在明視距離(250mm)上物體對(duì)眼睛所張角

4、的正切之比。圖5-5所示為物體經(jīng)放大鏡成像的光路圖。,圖5-5 目鏡放大率的計(jì)算,由圖中可知虛像y對(duì)人眼張角的正為 。在明視距離處，物體y對(duì)眼睛張角的正切為 ，于是,將線放大率 代入上式,由式可知，放大率不僅與焦距 有關(guān)，還與眼瞳距放大鏡的距離有關(guān)。在望遠(yuǎn)系統(tǒng)中眼瞳常置于出瞳處，在焦點(diǎn) 之后，所以 上式可近似為,場鏡的焦距一般是接目鏡的2-3倍，鏡片間距是它們焦距之和的一半。其間隔為d。結(jié)構(gòu)原理如圖5-6所示。,,,圖5-6 惠更斯目鏡原理圖,構(gòu)成：由不相接觸的兩個(gè)平凸薄透鏡組成，凸面都向著物鏡，面向物體的稱為場鏡, 接近眼睛者稱為接目鏡。 作用

5、：用來放大其它光具組（物鏡）所成的像。,(2) 惠更斯目鏡,（3）冉斯登目鏡,它是由兩凸面相對(duì)的平凸透鏡組成，如圖5-7所示。間隔d比惠更斯目鏡小， ；主要參量；2 30o40o ， 。,,圖5-7 冉斯登目鏡,（4）凱涅耳目鏡,它是將冉斯登目鏡中的平凸透鏡均改為雙膠合透鏡，使像質(zhì)得到改善。主要參量： 240o50o ， 。,,凸面相向，平面向外.,,4. 光電檢測系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn),（1）光電探測器的大小和對(duì)應(yīng)視場的關(guān)系,系統(tǒng)半視場角 ，式中d為圓形探測器光敏面的直徑；f為物鏡焦距。設(shè)系統(tǒng)物鏡口徑為D、則相對(duì)孔徑為D/f，F(xiàn)數(shù)為fD。于是有,,,(5-2),,(5-3),

6、用數(shù)值孔徑NA表示為,(5-4),式中， u為 系統(tǒng)的孔徑角；n為物方空間的折射率。,,,,視場角,視場角是指以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點(diǎn)，以被測目標(biāo)的物象可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角。視場角的大小決定了光學(xué)儀器的視野范圍，視場角越大，視野就越大。通俗地說，目標(biāo)物體超過這個(gè)角就不會(huì)被收在鏡頭里。 視場角分物方視場角和像方視場角。一般光學(xué)設(shè)備的使用者關(guān)心的是物方視場角。對(duì)于大多數(shù)光學(xué)儀器,視場角的度量都是以成像物的直徑作為視場角計(jì)算的。如：望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等。而對(duì)于照相機(jī)、攝像機(jī)類的光學(xué)設(shè)備，由于其感光面是矩形的，因此常以矩形感光面對(duì)角線的成像物直徑計(jì)算視場角，如圖一左。也有以矩形的長邊尺寸

7、計(jì)算視場角的，如圖一右。計(jì)算方法可參看圖一。,（2）光學(xué)系統(tǒng)的焦深和景深,在衍射極限下，光學(xué)系統(tǒng)的焦深是成像面相對(duì)于理想像面前后移動(dòng)小量 ，像仍比較清晰。也就是說在這段距離內(nèi)，對(duì)應(yīng)某物點(diǎn)的光束橫截面積十分接近，把這段距離叫作焦深2 ，表示為,,(5-5),式中 n 像方折射率； F 光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)； 探測光輻射的波長。,以可見光、中紅外和遠(yuǎn)紅外三個(gè)光譜區(qū)中，三種典型波長的焦深為例，說明這一關(guān)系。計(jì)算結(jié)果列于表5-1中。表中可見，當(dāng)0.5m，2 8m，說明像面有確定的位置，隨著波長增加，2 按正比增加，當(dāng)10m，2 160m，這時(shí)很難斷定像面的確切位置。這是紅外系統(tǒng)的特點(diǎn)

8、之一。,與焦深相對(duì)應(yīng)的物空間中。物移動(dòng)某一距離x，只要其像面移動(dòng)不超過 ，那么仍可得到清晰的像。所以，對(duì)應(yīng)焦深在物空間中的范圍就是景深。利用牛頓公式可以計(jì)算出x為,(5-6),表5-1 不同波長時(shí)焦深的計(jì)算結(jié)果,（3）最小彌散斑及其角直徑,光學(xué)系統(tǒng)中影響成像質(zhì)量的因素主要是像差和衍射。系統(tǒng)的像差按照不同的設(shè)計(jì)有很大的差別。而衍射作用的大小可用計(jì)算艾里斑的方法來估計(jì)。當(dāng)斑內(nèi)占總衍射能量的84時(shí)，所對(duì)應(yīng)的角直徑分別為,,(5-7),(5-8),補(bǔ)： 透鏡的像差(Lens Aberrations),1 像差的基本概念,如果成像系統(tǒng)： 1）不能將一個(gè)物點(diǎn)唯一地變換成一個(gè)像點(diǎn)；,單色像差的來源,非近軸情

9、況下，三次冪以上項(xiàng)不能忽略,,,,,,,-u,u,,P,P,,,,,三級(jí)像差(或初級(jí)像差)----5種：,1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和場曲(curvature of field) 4) 畸變(distortion),2 球差(Spherical aberration),軸上物點(diǎn)發(fā)出的大孔徑光線不聚焦于一點(diǎn),球差,近軸光線,非近軸光線,非近軸光線,非近軸光線,非近軸光線,球差的定量：,dL = f-s,dL 0 --- 正球差,dL < 0 --- 負(fù)球差,圖示：不同大小球差的照片,球差的校正：,變折射率透

10、鏡,,中間折射率大,加光闌；,復(fù)合透鏡，如正負(fù)透鏡組合、 球面曲率及折射率的配合等； 非球面透鏡；,,3 慧差(Coma),慧差的產(chǎn)生,靠近光軸的物點(diǎn)發(fā)出的大孔徑光線不聚焦于一點(diǎn),,,X,Y,慧尾形的彌散像,dH 0 --- 正慧差,dH < 0 --- 負(fù)慧差,慧差的定量：,,不同大小慧差的照片,慧差的校正：,復(fù)合透鏡；,加光闌；,,不暈點(diǎn)---同時(shí)消除了球差和慧差的一對(duì)共軛點(diǎn),非球面透鏡；,4 像散(Astigmatism)和場曲（Curvature of field）,,最小彌散圓,主光線,子午焦線,弧矢焦線,,,軸外物點(diǎn)發(fā)出的同心光束，水平方向和豎直方向的光線的聚焦點(diǎn)在不同平面上,像散

11、的產(chǎn)生,像散現(xiàn)象,,,,,,ls,lt,最小彌散圓,主光線,子午焦線,弧矢焦線,,,子午面：主光線和光軸的平面,弧矢面：包含光軸并垂直于子午面的平面,慧差的定量：,dL 0 -- 正像散差,dL < 0 -- 負(fù)像散差,,,,,場曲的產(chǎn)生,物平面對(duì)應(yīng)的子午面、弧矢面、最小彌散圓平面為曲面,場曲,,與像散結(jié)伴而生,,像散和場曲的校正：,復(fù)合透鏡,加光闌,,非球面透鏡；,5 畸變(Distortion),,類似于正球差，入射角度大的出射光線比理想成像光線向光軸偏折得更厲害,離光軸遠(yuǎn)的物點(diǎn)放大率變小,,,光闌在透鏡前面,桶形畸變,,光闌在透鏡后面，情況相反,枕形畸變,,光闌消除畸變,6 色差(Chr

12、omatic aberration),色差的產(chǎn)生,色差的消除,1. 折射式物鏡,可見及近紅外區(qū)域中常用折射式物鏡。,（1）單片折射式物鏡 結(jié)構(gòu)簡單,用于像質(zhì)要求較低的系統(tǒng)中.有以下結(jié)論：,透鏡形狀要按材料的折射率和波長來確定。 視場增大，像散增大。 當(dāng)工作在光譜范圍較寬時(shí)，如某個(gè)大氣窗口中，其色差將相當(dāng)嚴(yán)重。 光敏面較小的檢測系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)視場又很小，可采用單片透鏡。,優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等。,5.2 常用物鏡簡介,圖5-8,美國探測金星的水手II號(hào)宇宙飛船上，所用紅外輻射計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)。由鍺物鏡和鍺超半球浸沒透鏡組成，并組合消像差。主要參量為：D=32mm，f= 9.55mm，視場0.9

13、o0.9o，探測器尺寸0.150.15mm2，浸沒透鏡縮小比是1/15，彌散斑直徑約為0.01mm。,圖5-8 紅外輻射計(jì)的光學(xué)系統(tǒng),（2）多片式折射物鏡（組合透鏡),圖5-9為三片薄透鏡組成的消球差物鏡。第一片為平凸鏡、目的是使其球差最小。,圖5-9 三片式消球差物鏡,圖5-10所示為雙分離消色差物鏡，用于中紅外33.5波段，氟化鎂鏡片折射率較低，無需鍍?cè)鐾改ぃ蚧\鏡片折射率高，應(yīng)對(duì)以4m為中心的波段鍍?cè)鐾改?。典型參?shù)為：f100mm，F(xiàn)4，4.1m處的透射比90，到1m和7.8m處透射比下降為30%。,圖5-10 雙分離消色差物鏡,雙膠物鏡與雙分離物鏡區(qū)別,雙膠物鏡通過正確設(shè)計(jì)，可以較

14、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，受到相對(duì)孔徑和視場限制，通常雙膠物鏡視場不超過10-12度，由于受到孔徑高級(jí)球差的限制，相對(duì)孔徑一般不超過1/4（除非焦距很小）。 雙分離物鏡可以利用其多出的變量減小孔徑高級(jí)球差，相對(duì)孔徑有可能擴(kuò)大到1/3。雙分離物鏡的玻璃選擇要求不像雙膠合物鏡那樣嚴(yán)格，可采用折射率差和色散差都較大的玻璃組，以利于增大半徑，減小高級(jí)球差。雙分離物鏡的兩透鏡之間空氣間隙的大小及兩透鏡的同心度對(duì)象質(zhì)影響很大，裝配調(diào)整較困難。 在相同條件下（同樣的玻璃組合），雙分離的球差和彗差小，色差較大。雙膠合的色差小，而球差和彗差較大。同時(shí)，雙膠合玻璃選擇的孔徑要小些，

15、而且膠合8cm以上的透鏡，難度較大。因?yàn)橐刂破錃馀輸?shù)。,圖5-11,為具有較大視場和相對(duì)孔徑的柯克物鏡，D/f1:4.5, 2=50o。該物鏡可變參量有6個(gè)面和兩個(gè)間隔(8個(gè)變量)，在滿足焦距要求后，還有7個(gè)變量，正好用以校正7種初級(jí)像差。,圖5-11 三片式柯克物鏡,2. 反射式物鏡,（1）單反射物鏡,圖5-12,為球面反射鏡，像質(zhì)接近單透鏡。但無色差，價(jià)格便宜。小孔徑使用時(shí)，像質(zhì)較好。但隨視場增大、F數(shù)減小則像質(zhì)很快變壞。有時(shí)可在系統(tǒng)的球心處加一補(bǔ)償透鏡，以消除球差改善像質(zhì)。,圖5-12 球面反射鏡,圖5-13,為拋物面反射鏡、是由拋物線 回轉(zhuǎn)而成，r0為拋切線頂點(diǎn)的曲率半徑。物鏡焦

16、距f= r0/2。使用中兩種結(jié)構(gòu)形式如圖5-14所示。圖()為同軸式工作，擋去一部分有效光束；圖()為離軸式工作，光路安排方式較好，但裝調(diào)較困難。,,圖5-13 拋物面反射鏡,（a）同軸式,（b）離軸式,圖5-14 拋物面反射鏡的兩種結(jié)構(gòu)形式,二次曲面中的雙曲面和橢球面均有共軛點(diǎn)P與P存在，如圖5-15所示。在P與P間成像無像差存在。但軸外點(diǎn)成像時(shí)，慧差大，像質(zhì)不好。,圖5-15 雙曲面、橢球面的共軛關(guān)系,（2）雙反射物鏡,雙反射物鏡是由主鏡和次鏡組成。光束首先經(jīng)主鏡反射到次鏡，再由次鏡反射輸出。 圖5-16是由拋物面主鏡和平面次鏡構(gòu)成的牛頓系統(tǒng)，圖中（b）為牛頓補(bǔ)充型系統(tǒng)。它們的像質(zhì)與單拋

17、物面反射鏡相當(dāng)。適用于小視場系統(tǒng)中。,（a）牛頓型,（b）牛頓補(bǔ)充型,圖5-16 牛頓系統(tǒng),圖5-17所示為卡塞格倫系統(tǒng)，主鏡為拋物面，次鏡為凸雙曲面，將雙曲面的一個(gè)焦點(diǎn)P與拋物面的焦點(diǎn)F重合，則系統(tǒng)焦點(diǎn)將在雙曲面的另一個(gè)焦點(diǎn)P 處，焦距f為正，成倒立實(shí)像。它比牛頓系統(tǒng)的軸外像差小。優(yōu)點(diǎn)是像質(zhì)好、鏡筒短、焦距長、在焦點(diǎn)處便于放置探測器。,圖5-17 卡塞格倫系統(tǒng),圖5-18所示為格雷果里系統(tǒng)，主鏡為拋物面，次鏡為凹橢球面，兩鏡面焦點(diǎn)重合放置，則系統(tǒng)焦點(diǎn)在橢球的另一焦點(diǎn)處。該系統(tǒng)無球差、成正像。缺點(diǎn)是長度較長。,圖5-18 格雷果里系統(tǒng),為克服視場小和中間擋光的缺點(diǎn)，也有使用如圖5-19所示的四

18、反射鏡系統(tǒng)。,,圖5-20所示為一種有效的三反射鏡系統(tǒng)，主鏡是F數(shù)為1的拋物面鏡；次鏡為橢球面；而第三個(gè)反射鏡為球面鏡，它加工在主鏡的中央部分。該系統(tǒng)可獲平場的像面。,圖5-19 四反射鏡系統(tǒng),圖5-20 三反射鏡系統(tǒng),3. 折反式物鏡,（1）施密特系統(tǒng),其主鏡是球面反射鏡，單獨(dú)成像時(shí)可無彗差和像散，只產(chǎn)生球差和場曲，為校正球差在反射鏡曲率中心處，放置一塊特制的非球面補(bǔ)償透鏡。即施密特校正板。如圖5-21所示。,圖5-21 施密特系統(tǒng),（2）曼金折反系統(tǒng),圖5-22所示為曼金系統(tǒng)，由兩球面構(gòu)成背面反射和前面折射。適用于大口徑的折反系統(tǒng)中充當(dāng)主鏡。也可在雙反射鏡系統(tǒng)中充當(dāng)次鏡。如圖5-23所示，

19、主反射鏡為球面，曼金次鏡消色差。,圖5-22 曼金折反系統(tǒng),圖5-23 曼金次鏡消色差,（3）包沃斯馬克蘇托夫系統(tǒng),這是由包沃斯和馬克蘇托夫各自獨(dú)立提出，用球面反射鏡和厚彎月型負(fù)透鏡組成的系統(tǒng)。如圖所示。厚彎月型負(fù)透鏡消色差。特點(diǎn)：各球面同心，光闌置于公共球心處，這樣無彗差和像散存在。其像面也是與各球面共心的曲面。彎月透鏡可在球心前或球心后，其作用一樣，在球心前稱心前系統(tǒng)，反之稱心后系統(tǒng)。,圖5-24 包沃斯馬克蘇托夫系統(tǒng),1. 場鏡,工作在物鏡像面附近的透鏡稱為場鏡。場鏡的主要作用是：(1) 提高邊緣光束入射到探測器的能力。(2)減小探測器的面積。(3)場鏡放置在像面附近，可讓出像面位置放置

20、調(diào)制盤。(4) 使探測器光敏面上的光照均勻化。(5) 使用平像場鏡可獲得平場像面。,（a）無場鏡時(shí)的光路圖,（b）有場鏡時(shí)的光路圖,圖5-25 場鏡的作用,5.3 探測器輔助光學(xué)系統(tǒng),圖中參量含意如下： Lf是場鏡距物鏡焦面的距離；D0是物鏡的口徑； 是物鏡焦距； 是物鏡的F數(shù)；Dl是場鏡的口徑；是場鏡的焦距； 是場鏡的F數(shù)；d是探測器的直徑。,加入場鏡后光學(xué)系統(tǒng)參量可按薄透鏡理想公式計(jì)算。圖中場鏡放在物鏡的焦平面上，這是常用的一種形式。而把探測器放在物鏡口徑經(jīng)場鏡所成像的位置上，如圖5-26所示。,圖5-26 場鏡的放置,,,,按成像公式有：,垂軸放大率為：,,將兩式組合可得場鏡的焦距公

21、式,,(5-9),設(shè)視場光闌口徑為Dv，有,,,則場鏡門徑D1可導(dǎo)出,,ANBMND則有,,(5-10),有時(shí)為計(jì)算方便而忽略第二項(xiàng)、使D12(BC)則,(5-11),,當(dāng)系統(tǒng)不用調(diào)制盤時(shí)，場鏡置于物鏡焦面上，這時(shí) ， ，則有,,,,,使用場鏡后，探測器直徑由Dl變?yōu)閐。,一般取 ，則有,,,(5-12),(5-13),(5-14),(5-15),光學(xué)增益G：有、無某光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，探測器接收到光輻射通量之比。有、無物鏡時(shí)的光學(xué)增益G0：,A0:物鏡入瞳面積;Ad:探測器面積;0:物鏡透射比.,有、無物鏡和場鏡時(shí)的光學(xué)增益G：,0:物鏡透射比. 有或無場鏡時(shí)的光學(xué)增益，用m表示，式(5-16

22、)中的Ad應(yīng)用場鏡的面積A1代替,(5-16),(5-17),將式（5-15）代入上式得,,2. 光錐,光錐是一種圓錐體狀的聚光鏡。可制成空心和實(shí)心。使用時(shí)將大端放在主光學(xué)系統(tǒng)的焦面附近收集光束，并利用圓錐形內(nèi)壁的高反射比特性、將光束引到小端輸出。將探測器置于小端，接收集中后的光束。它是一種非成像的聚光元件，與場鏡類似可起到增加光照度或減小探測器面積的作用。,（1）光束在光錐內(nèi)的傳播,圖5-27 光線在光錐內(nèi)的傳播,由圖BEF可知,,,按外角等于二內(nèi)對(duì)角之和的關(guān)系，則有,經(jīng)m次反射的通式為,,(5-18),對(duì)空心光錐u= u，經(jīng)m次反射的通式為,,,(5-19),入射角i隨反射次數(shù)的增加而迅速

23、減小。當(dāng)im0之后，光線不再向小端傳播，而返回大端?？梢娫谄渌鼦l件不變時(shí)，i1角愈大，允許向小端前進(jìn)的反射次數(shù)愈多。而il愈小則返回愈快。一個(gè)具體的光錐能否使光線由大端傳到小端有一臨界角i1c存在，與此相應(yīng)也有臨界入射角uc存在。它們與光錐的頂角2，光錐長度L，以及實(shí)心光鍍的材料折射率n有關(guān)。uc與i1c的關(guān)系為,,(空心光錐),,(實(shí)心光錐),(5-20),(5-21),uc也限制了系統(tǒng)的視場角2,uuc的光束將傳不到小端。,（2）空心光錐參量的確定,光錐的主要參量有：頂角2、光錐長度L，大端半徑R和小端半徑r等。圖5-28所示為光錐的展開圖。,圖5-28 光錐的展開圖,如圖5-29所示為設(shè)

24、計(jì)實(shí)用光錐的作圖法。將空心光錐的大端放置在系統(tǒng)物鏡的焦平面處，作為視場光闌，小端處放置探測器。,圖5-29 利用作圖法設(shè)計(jì)光錐,具體設(shè)計(jì)步驟如下： (1)按系統(tǒng)要求，視場的邊緣光線AO與視場光闌交于B，并將該光線延長。 (2)以距焦面a處光軸上的E點(diǎn)為圓心，作AB光線延長線的切圓并切于D點(diǎn)。該圓周與光軸的交點(diǎn)F就是光錐小端的中心。 (3)連接BE與圓周交于F點(diǎn)，則BF為光錐斜面，并可找到小端半徑r。BEO為半頂角，光錐長LBFcos。其它參量均可按圖確定。如不滿意可另選E點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)參量。,有關(guān)參量的計(jì)算公式為,,,(5-22),（3）實(shí)心圓錐體光錐,討論、展開圖和設(shè)計(jì)均與空心光錐類似，

25、只增多丁入射和出射時(shí)的兩次折射。當(dāng)入射角不大時(shí)，結(jié)合式(5-20)和(5-21)有,,,(5-23),(5-24),(實(shí)心光錐),(空心光核),（4）二次曲面光錐,在空心光錐中，為減少光錐內(nèi)壁上的反射次數(shù)，減少能量損失，可采用二次曲線為母線的光錐。母線可以是圓、橢圓、拋物線或雙曲線等。圖5-30所示為橢圓母線的光錐。,在使用時(shí)，采用光錐還是場鏡來聚光，主要由主光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)決定。當(dāng)F2，采用場鏡較合適。而當(dāng)F1，用光錐適合。當(dāng)F數(shù)在12之間，可用帶場鏡的光錐。圖5-31所示為兩種場鏡與光錐的組合結(jié)構(gòu)。(a)為場鏡與空光心光錐的組合，(b)為場鏡與實(shí)心光錐的組合。,圖5-30 以橢圓為母線的二次

26、曲面光錐,圖5-31 光錐與場鏡的組合結(jié)構(gòu),3. 浸沒透鏡,浸沒透鏡也是一種二次聚光元件。它是由球面和平面組成的球冠體，如圖5-32所示。探測器與浸沒透鏡平面間或膠合或光膠，使像面浸沒在折射率較高的介質(zhì)中。它的主要作用是顯著地縮小探測器的光敏面積，提高信噪比。浸沒透鏡的設(shè)計(jì)和使用，按物像共軛關(guān)系處理。,圖5-32 浸沒透鏡,（1）浸沒透鏡的物像關(guān)系相等的條件,如圖5-33所示，當(dāng)像面未離開浸沒透鏡而在鏡內(nèi)時(shí)，可把浸沒透鏡看成是單球面折射成像。圖中有關(guān)參量：n是浸沒透鏡前介質(zhì)折射率；n是浸沒透鏡材料的折射率；r是球面半徑；C是球心；b是透鏡的厚度；O是頂點(diǎn)。光線AP在無透鏡時(shí)，本應(yīng)與光軸相交于B

27、點(diǎn)，現(xiàn)因透鏡作用交于B點(diǎn)。OB=L、OBL。,圖5-33 浸沒透鏡的物像關(guān)系,按折射球面的物(B)像(B)關(guān)系有,,設(shè)物高為y，像高為y，則垂軸放大率為,,如果浸沒透鏡置于空氣中，n=1，成像面與光敏面重合，L=b,則有,,,常把的倒數(shù)B叫作浸沒透鏡的浸沒倍率:,,(5-25),(5-26),(5-27),(5-28),(5-29),單折射球面有像差存在，但在等明點(diǎn)或不暈點(diǎn)處的球差和彗差等于零。存在著三個(gè)等明點(diǎn)的物像共軛關(guān)系。它們是： LL 0，物、像點(diǎn)重合在折射球面上，沒有實(shí)用意義； L=r=L=b，物、像點(diǎn)均在折射球面的曲率中心上； 物距和像距分別為：Lr(n+n)/n，和Lr(n+n)n

28、。,圖5-34所示為像差隨Lr變化的曲線關(guān)系，圖中的標(biāo)號(hào)(1)、(2)和(3)分別對(duì)應(yīng)上述三種情況。后兩個(gè)等明情況可用作設(shè)計(jì)浸沒透鏡的條件。這時(shí)不但能對(duì)寬光束完善成像，還對(duì)垂軸小平面物體完善成像，這種透鏡叫作等明透鏡。,圖5-34 像差曲線,,（2）半球浸沒透鏡和超半球浸沒透鏡,符合（1）中等明條件時(shí)，Lrb的透鏡叫作半球浸沒透鏡，無球差和彗差。系統(tǒng)安排如圖5-35所示。,圖5-35 半球浸沒透鏡,為進(jìn)一步擴(kuò)大入射光束的孔徑角，可采用br的超半球浸沒透鏡，按等明條件，在b=L時(shí)得到滿足。這時(shí)不僅不存在球差和慧差，也不存在像散。這種透鏡叫作標(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡。其它超半球浸沒透鏡均不滿足等明條件。

29、圖5-36所示為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡的光路及相關(guān)參量。這時(shí)LL，n=1，則有,,,(5-30),(5-31),圖5-36 超半球浸沒透鏡,（3）全反射導(dǎo)致浸沒透鏡的限制,半球浸沒透鏡的限制,設(shè)主光學(xué)系統(tǒng)的口徑和焦距分別為D0和，對(duì)無限遠(yuǎn)軸上點(diǎn)入射光在像方的孔徑角為u，如圖5-37所示。,圖5-37 半球浸沒透鏡的限制,,令u=ic,,(5-32),(5-33),將式（5-32）與（5-33）聯(lián)立可得臨界條件：,,(5-34),當(dāng)n4，n02.45時(shí)，F(xiàn)00.6453。實(shí)際限制了入射的孔徑。,標(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡的限制,如圖5-38所示，孔徑角由u0經(jīng)浸沒透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)閡，兩者間關(guān)系為,圖5-38

30、超半球浸沒透鏡的限制,在空氣中使用，n=1,,,,,如n4，n02.45，則F03.2。可見標(biāo)準(zhǔn)超半球浸沒透鏡適用于相對(duì)孔徑較小的場合。,，,(5-35),(5-36),5.4 光電檢測中的計(jì)量部件,5.4.1 計(jì)量光柵 5.4.2 電子細(xì)分技術(shù)的基本原理 5.4.3 光學(xué)碼盤及編碼,本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：,,光柵是由若干通光與不通光相間的柵狀條帶構(gòu)成的器件，如圖5-39所示。d1為不通光條帶的寬度，d2為通光條帶的寬度，并將d1+d2= d叫作光柵常數(shù)、光柵節(jié)距或光柵柵距。為便了制作，常使d1+d2= d/2。按其工作原理不同，光柵可分為兩大類，即物理光柵和計(jì)量光柵。,圖5-39 計(jì)量

31、光柵,5.4.1 計(jì)量光柵,1. 長光柵的莫爾條紋,,用兩光柵靠近，中間只留很小間隙，兩光柵的柵線間很小的夾角。在aa線上兩光柵的柵線即不透明的線相交。光線可從縫隙中通過，形成四棱形的亮區(qū)，而在bb線上,兩光柵的柵線彼此錯(cuò)開，形成柵線交叉的暗帶。從總體上看形成了明暗的莫爾條紋。,用一長一短兩光柵構(gòu)成計(jì)量部件。短光柵固定，柵線與y軸成角，叫做指示光柵或固定光柵。而長光柵柵線與y軸平行，工作時(shí)垂直y軸移動(dòng)，叫做移動(dòng)光柵或主光柵。將鄰近兩亮帶或暗帶間的距離叫做莫爾條紋的寬度或間距。,2. 長光柵莫爾條紋方程,柵線用細(xì)黑線表示。取主光柵A的0號(hào)柵線為y軸，取x軸與主光柵各柵線垂直。使指示光柵的0號(hào)柵線

32、與主光柵0號(hào)柵線交于坐標(biāo)原點(diǎn)0,0，兩光柵柵線間夾角為。主光柵線序號(hào)用i表示，指示光柵的柵線序號(hào)用j表示。柵線間交點(diǎn)用i,j表示。,圖5-41 簡化長光柵的莫爾條紋,主光柵柵距為da，指示光柵柵距為dc。主光柵的柵線方程為,指示光柵的柵線斜率為tg(90o-)ctg，任一柵線j與x軸的交點(diǎn)oj的坐標(biāo)為 。而指示光柵的柵線方程為,,,兩光柵柵線交點(diǎn)i,j的坐標(biāo)為,,莫爾條紋l的斜率tg為,注意這時(shí)i=j所以有,,式中，為莫爾條紋1與x軸的夾角。,由此可知，條紋l的方程為,,條紋2和3的方程分別為,,莫爾條紋的間距可用相鄰兩條紋在y軸上的距離By表示，也可用實(shí)際間B表示,(5-43),

33、(5-44),(5-45),(5-46),3. 橫向莫爾條紋,橫向莫爾條紋是由dadcd的兩光柵，傾角很小的條件下形成。這時(shí)條紋與x軸夾角。一般約為為幾分，可近似認(rèn)為條紋與y軸垂直，所以叫做橫向莫爾條紋。它的間距公式為,,近似計(jì)算為,當(dāng)兩塊光柵間夾角0時(shí)，B=，這時(shí)主光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵相當(dāng)于一個(gè)閘門。兩光柵柵線重疊時(shí)，條紋最亮；柵線錯(cuò)開時(shí)，條紋變黑。把這種條紋叫作光閘莫爾條紋。,(5-47),4. 縱向莫爾條紋,由兩柵距不等而又接近的光柵可疊合成縱向莫爾條紋。設(shè)da=d，dc=d(1+)，而光柵柵線平行放置，0，如圖5-42所示，柵線方向與條紋方向平行。莫爾條紋的間距B可由式(5-47)簡化

34、后給出,,通常1，上式可簡化為,,(5-48),圖5-42 縱向莫爾條紋,5. 斜向莫爾條紋,它的形成條件是；da=d，dc=(1+)d，0，可以看作是橫向和縱向莫爾條紋的綜合結(jié)果，如圖5-43所示。條紋的斜率為,,當(dāng)很小時(shí),,斜向莫爾條紋間距B可由式(5-47)簡化為,由式(5-50)可知，當(dāng)cos(1十)時(shí)，0，tg0，這時(shí)斜向莫爾條紋轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)格的橫向莫爾條紋。但需兩種柵距的光柵合成。,圖5-43 斜向莫爾條紋,(5-51),(5-50),(5-49),6. 莫爾條紋的主要特性,莫爾條紋在測量中得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗哂蟹糯笞饔煤鸵苿?dòng)方向性這兩個(gè)重要的特性。 從式(5-47)可知，間距B

35、是柵距d和傾角決定，調(diào)整就可改變B。此外、當(dāng)很小時(shí)，B可遠(yuǎn)大于d。把條紋間距與光柵間距之比叫作莫爾條紋的放大倍數(shù)K。,,(5-52),設(shè)0.57o10mrad，d0.02mm，當(dāng)B2mm，K100?？梢娪糜?jì)量光柵測定位移時(shí)，移動(dòng)光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距0.02mm，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距2mm。對(duì)同等精度的測量，精度可提高l00倍。,7. 光柵讀數(shù)頭簡介,利用光柵莫爾條紋對(duì)位移進(jìn)行精密測量必須靠光電方法獲取位移信號(hào)。如圖5-44所示為光柵光電讀數(shù)頭的裝置原理。指示光柵固定不動(dòng)，主光柵與移動(dòng)物體固緊，兩光柵間約有幾微米到幾十微米的間隔。從光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直鏡后，以平行光照射光柵，光束經(jīng)某組莫爾條紋后，由

36、硅光電池接收。主光柵移動(dòng)，莫爾條紋周期生地變化，光電池接收這一變化，每變化一周期計(jì)數(shù)器計(jì)一次。如果計(jì)數(shù)為N，則移動(dòng)距離為Nd。,圖5-45 光柵光點(diǎn)讀數(shù)頭的裝置原理,光電讀數(shù)通常不是針對(duì)某一點(diǎn)的條紋進(jìn)行，而是在一定長度內(nèi)針對(duì)若干同相位點(diǎn)的條紋進(jìn)行檢測。這樣不僅可以提高信號(hào)量，更重要的是使刻線誤差得到平均，在很大程度上消除局部及周期誤差的影響，使檢測精度可能優(yōu)于光柵本身的刻線精度。這種作用叫做平均效應(yīng)。 利用單個(gè)讀數(shù)頭測量，存在著兩個(gè)未能解決的問題。一是末測出移動(dòng)方向；二是精度未能提高。實(shí)際上常用多個(gè)光電讀數(shù)頭，它們以一定的相位差放置在莫爾條紋的相應(yīng)周期范圍內(nèi)，為細(xì)分讀數(shù)器和方向判別器提供信號(hào)

37、。如圖5-45所示為相位相差的兩光柵信號(hào)，經(jīng)電路處理后，給出加、減信號(hào)脈沖，以實(shí)現(xiàn)位移計(jì)數(shù)和方向判別。,圖5-45 處理電路方框圖,8. 圓光柵的莫爾條紋,圓光柵的種類很多，如圖5-46所示為三種圓形光柵，其中(a)為徑向光柵，柵線呈輻射狀，并全部通過圓心。又叫做輻射光柵；(b)為切向光柵，柵線均與一個(gè)直徑很小的圓相切；(c)為環(huán)形光柵，柵線內(nèi)許多柵距為d的同心圓組成。,圖5-46 三種圓光柵,使用較多的是徑向光柵。采用兩塊柵距相同的徑向光柵疊合，并使兩光柵中心保持一個(gè)不大的偏心量e，就可產(chǎn)生莫爾條紋。如圖5-47所示。,如果仔細(xì)研究全面積上的莫爾條紋，如圖5-48所示，有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）

38、莫爾條紋由一系列切于中心的圓組成；（2）莫爾條紋的法向?qū)挾入S距中心的半徑R變換而不同，可用下式表示,式中：B為莫爾條紋的法向?qū)挾龋籨R為位于R處的柵距；e 為兩光柵間的偏心量。,圖5-47 徑向光柵的莫爾條紋,圖5-48 全面積莫爾條紋,(5-53),5.4.2 電子細(xì)分技術(shù)的基本原理,單個(gè)光電讀數(shù)頭進(jìn)行位移量或轉(zhuǎn)動(dòng)量測量時(shí)，產(chǎn)生正弦信號(hào)輸出,,式中：d為光柵常數(shù)；x為相對(duì)移動(dòng)的距離；v為動(dòng)光柵的移動(dòng)線速度；u0為輸出電壓的幅值。,,當(dāng)x從0增至d時(shí)，光柵移過一個(gè)柵距，電壓信號(hào)變化一個(gè)周期。如果用走過距離對(duì)應(yīng)電壓變化的周期數(shù)表示，那么和計(jì)量柵距數(shù)沒有兩樣。為提高檢測精度，采用電子細(xì)分技術(shù)，將每

39、個(gè)周期分解為若干分，通過對(duì)每分的測量，使精度提高若干倍。,(5-54),1. 直接細(xì)分法,以四倍細(xì)分法為例加以說明。在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)，等距地放置四組光電讀數(shù)頭，組間間隔為B4，對(duì)應(yīng)相位差為2。產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)放大后分別為,,計(jì)數(shù)脈沖形成電路是由鑒零器和微分電路，以及一些與非門和觸發(fā)器構(gòu)成。鑒零器將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，經(jīng)微分電路后產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。每組信號(hào)形成原理如圖5-49所示。,圖5-49 單組信號(hào)形成電路,實(shí)際四倍細(xì)分電路還要進(jìn)行編碼處理，可同時(shí)獲得移動(dòng)量和移動(dòng)方像兩個(gè)參量。具體處理時(shí)，不僅要從四組微分電路中取出移動(dòng)脈沖信號(hào)p1，p2，p3和p4，還要從四組鑒零電路后，取出方向信號(hào)t1，t

40、2，t3和t4，把它們按圖5-50所示的編碼原理進(jìn)行處理，由或門1輸出加法脈沖，由或門2輸出減法脈沖，并分別接到可逆計(jì)數(shù)器的十、一脈沖輸入端，計(jì)數(shù)器就可顯示動(dòng)光柵的移動(dòng)量及移動(dòng)方向。對(duì)應(yīng)上述編碼波形如圖5-5l所示。,圖5-50 編碼原理圖,圖5-51 編碼波形,該方法借助于電阻鏈中不同位置可以產(chǎn)生不同相位的正弦電壓函數(shù)這一特點(diǎn)，獲得n組相位差相位相差2n的n個(gè)正弦電壓細(xì)分信號(hào)。其原理如圖5-52所示。在同電阻上獲取多組電位函數(shù)的方法叫做串聯(lián)電阻相移法。這種方法在調(diào)整時(shí)信號(hào)間相互有影響。目前多采用并聯(lián)電阻相移法，如圖5-53所示，在每個(gè)電阻上，只采樣一個(gè)信號(hào)，相互不影響，調(diào)整方便，并可獲得較高

41、的精度。,2. 移相并聯(lián)電阻鏈細(xì)分法,圖5-52 串聯(lián)電阻相位原理,圖5-53 并聯(lián)電阻相位原理,實(shí)際使用的相移并聯(lián)電阻鏈細(xì)分法，在上述四倍細(xì)分法基礎(chǔ)上進(jìn)行。取樣電路原理如圖5-54所示?？晒┹敵鲇糜诩?xì)分的n個(gè)正弦電壓函數(shù)為,,,,,,,,,,,,圖5-54 使用并聯(lián)電阻相位細(xì)分電路,3. 電平切割比較細(xì)分法,該方法又叫作幅值切割比較法，基本原理如圖5-55所示。將莫爾條紋變化產(chǎn)生的正弦信號(hào)出sin進(jìn)行幅值分割，形成比較電壓U1，U2,-U1,-U2等。測量時(shí)將變化的莫爾條紋正弦信號(hào)與比較電壓相對(duì)照，正半周與正信號(hào)比，負(fù)半周與負(fù)信號(hào)比。當(dāng)兩者相同時(shí)，比較器發(fā)出跳變信號(hào)，形成計(jì)數(shù)脈沖。如要進(jìn)行n

42、倍細(xì)分，則要在一個(gè)電壓變化周期內(nèi)設(shè)置n個(gè)比較電壓，測量信號(hào)變化個(gè)周期，就可獲得n個(gè)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。,圖5-55 幅值切割比較法,該方法的最大缺點(diǎn)是，正弦函數(shù)各點(diǎn)斜率不等，在拐點(diǎn)附近斜率大，細(xì)分間隔電位變化大，易于實(shí)施，而在極值附近斜率接近于，細(xì)分間隔電位變化甚小，易受干擾，不易實(shí)施。 為克服上述缺點(diǎn)，有多種方法可對(duì)它進(jìn)行改造。下面介紹一種近似三角波法實(shí)施細(xì)分。如圖5-56所示為利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)合成的近似三角形波F(),圖5-56 近似三角波的形成,,(5-56),4. 調(diào)制信號(hào)細(xì)分法,前面介紹的方法都是非調(diào)制信號(hào)細(xì)分法。如圖5-57所示為調(diào)制信號(hào)細(xì)分法的原理。把光柵莫爾條紋上取出的正弦信

43、號(hào)u0sin和余弦信號(hào)u0cos分別引入乘法器A和B。再設(shè)法獲取一組輔助的調(diào)制正、余孩信號(hào)u1sinwt和u1coswt，并把它們按圖示引入相應(yīng)的乘法器，乘法器輸出信號(hào)uA和uB分別為,,將uA和uB經(jīng)加法器后，輸出信號(hào)u為,式中：K1為乘法器的傳輸系數(shù)；K2為加法器的傳輸系數(shù)；w為調(diào)制輔助信號(hào)的圓頻率；為取樣點(diǎn)莫爾條墳的相位角。,(5-57),(5-58),(5-59),圖5-57 調(diào)制信號(hào)細(xì)分法原理框圖,調(diào)相信號(hào)細(xì)分也是一種常用電子細(xì)分法，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是鑒相細(xì)分，下面介紹脈沖填補(bǔ)法的鑒相細(xì)分原理。相位計(jì)原理如圖5-58所示。主要由鑒零器、整形器、R-S觸發(fā)器、時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器等組成。調(diào)相信

44、號(hào)u與基準(zhǔn)信號(hào)uR經(jīng)鑒零器和整形器后形成方波信號(hào)u與uR，兩者間相位差仍是，如圖5-59所示的波形。,圖5-58 鑒相原理,圖5-59 鑒相各環(huán)節(jié)波形,5. 鎖相細(xì)分法,,細(xì)分技術(shù)中利用鎖相技術(shù)的原理如圖5-60所示。其中關(guān)鍵是產(chǎn)生穩(wěn)定的倍頻信號(hào)輸出。動(dòng)光柵連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從變化的莫爾條紋中取出的光電信號(hào)頻率為f，如要進(jìn)行n倍細(xì)分則使倍頻振蕩器產(chǎn)生頻率為Fnf的信號(hào)輸出。采用鎖相技術(shù)，以確保F跟蹤f并始終是其n倍。方法是將倍頻振蕩器輸出信號(hào)經(jīng)n分頻，再與光柵信號(hào)進(jìn)行相位比較。,圖5-60 鎖相細(xì)分法框圖,1. 碼盤的工作原理,光學(xué)碼盤是光學(xué)軸角編碼器的角度基準(zhǔn)光學(xué)元件，是將轉(zhuǎn)角的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量

45、(AD)的有效工具。按照代碼形成，編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩種。前述計(jì)量光柵是一種增量式的編碼器，沒有固定的零位。當(dāng)編碼器有絕對(duì)零位時(shí)，稱其為絕對(duì)式編碼器。光學(xué)碼盤是一種絕對(duì)式編碼器，按輸出代碼形式可以有二進(jìn)制、二十進(jìn)制和六十進(jìn)制等。以二進(jìn)制代碼為基礎(chǔ)進(jìn)行編碼的碼盤。用透光和不透光兩種狀態(tài)表示“1”和“0”。并以每個(gè)碼道代表二進(jìn)制的一位數(shù)，對(duì)應(yīng)在光學(xué)碼盤上是黑白相間的一個(gè)圓環(huán)。若干這樣的碼道就構(gòu)成按二進(jìn)制規(guī)律的碼盤圖案。如圖5-61所示為一個(gè)五碼道組成的二進(jìn)制碼盤。圖5-62所示為五位碼盤的編碼表和展開圖。,圖5-61 二進(jìn)制碼盤,5.4.3 光學(xué)碼盤及編碼,二進(jìn)制碼盤的碼道數(shù)n和碼道編碼容

46、量M之間的關(guān)系為,,,其角度分辨率與碼道數(shù)n之間的關(guān)系為,,(5-61),(5-60),圖5-62 五位二進(jìn)制碼盤編碼和展開圖,二進(jìn)制碼盤中內(nèi)圈為高位碼，外圈為低位碼。,2. 格雷碼碼盤,循環(huán)碼的形式很多，有格雷碼、周期碼以及反射碼等。圖5-63所示是一種典型的格雷碼圖案。它有五個(gè)碼道，其編碼表及展開圖如圖5-64所示。圖中以黑線代表“0”，而白線代表“1”。,循環(huán)碼的重要特點(diǎn)是： (1)代碼從任何數(shù)轉(zhuǎn)變到相鄰數(shù)時(shí)，各碼位中僅有一位發(fā)生變化； (2)循環(huán)碼每一個(gè)碼道的周期比普通二進(jìn)制碼盤增加了一倍。,圖5-63 格雷碼碼盤,圖5-64 格雷碼盤表和展開圖,3. 格雷碼的計(jì)算,格雷碼與普通二

47、進(jìn)制碼的關(guān)系如表5-2所示。由表中可以看出：對(duì)高位來說兩種碼的取值相同，而最低三位間的關(guān)系是：,,,,式中號(hào)表示不進(jìn)位的加法，在數(shù)字電路中也把它叫做“模和”。即：00=0；01=1；10=1；11=0。,(5-62),4. 碼盤參數(shù)的選擇,碼盤的主要參數(shù)有：分辨率、碼道位數(shù)n、黑白刻線總數(shù)M、刻線周期、刻線寬度b、最小內(nèi)圈直徑min、刻線長度l和碼道間隔R等。 由所要求的最小碼盤讀數(shù)來確定碼盤的分辨率。按公式(5-63)計(jì)算出黑白刻線總數(shù)，即編碼容量M，按公式(5-62)計(jì)算出碼道位數(shù)n。 碼道的刻線周期是指每對(duì)黑白線段所對(duì)應(yīng)的中心角度，各碼道值不同，對(duì)最低位碼道來說，刻線的周期等于分

48、辨率的二倍。 最小內(nèi)圈直徑min是指最高位碼道刻劃的內(nèi)徑。該值取的大 對(duì)精度有利，但儀器體積、重量均增大；反之對(duì)體積、重量減小有利，但對(duì)精度不利，應(yīng)視具體要求而定。 劃線長度l是指刻線在直徑方向上的長度。通常取11.5mm即可。 碼道間隔R通常取(12)l，約12mm即可。 刻線寬度bi由碼道刻線半徑Ri和刻線周期i確定，注意bi對(duì)應(yīng)的是i碼道一個(gè)周期的線寬，可由下式給出,,式中,,(5-63),5. 光學(xué)編碼器,它是利用光學(xué)碼盤通過光學(xué)讀碼完成軸角到編碼電信號(hào)變換的儀器。它主要由光源、光學(xué)碼盤、狹縫、光電探測器及處理電路、軸系和一整套相應(yīng)的機(jī)械零件所組成。它的核心是光電讀碼系

49、統(tǒng)，如圖5-65所示為一個(gè)碼道的光電讀出系統(tǒng)。,圖5-65 單碼道光電讀出系統(tǒng),1. 角反射器,帶有協(xié)作目標(biāo)的主動(dòng)光電裝置，可大為增加探測目標(biāo)的作用距離，其中協(xié)作目標(biāo)可用角反射器或列陣充當(dāng)。角反射器的主要結(jié)構(gòu)有以下幾種，如圖5-66所示。,圖5-66 三種角反射器的結(jié)構(gòu),5.5 角反射器與極性分析器,角反射器原向反射回來的總輻射功率為,,式中：E為角反射器處入射光輻射的照度；Ae()為假設(shè)在理想反射面條件下，角反射器的有效孔徑面積；為相對(duì)于角反射器軸線的入射光束的入射角。,圖5-67給出了上述角反射器的有效孔徑面積Ae()隨變化的曲線,有效孔徑面積Ae()實(shí)際上表明了觀察角對(duì)于回反射通量的影響

50、。在長距離上觀察角反射器的強(qiáng)度與一些其它因素有關(guān)，但對(duì)于具有完全對(duì)準(zhǔn)反射面的單個(gè)角反射器，可采用以下近似公式,,,（W/sr）,式中：I為長距離上觀察光束中心的 強(qiáng)度； Ee為在角反射器處的輻照度(Wm2)。,(5-64),(5-65),圖5-67 有效孔徑面積與角的關(guān)系曲線,,角反射器的主要參量有： (1)工作面積(mm2)； (2)反射光的光束角寬度，簡稱束寬； (3)比強(qiáng)度,即長距離處單位立體角中的通量數(shù)(I)與角反射器處單位面積中的通量數(shù)(E)之比。 采用輻射度單位時(shí)有：,比強(qiáng)度=,采用光度單位時(shí)有：,比強(qiáng)度=,,(4)比亮度。對(duì)于角反射器列陣來說，更為關(guān)注的是單位目標(biāo)面積A的性能

51、效果，按如下定義表征,比輻亮度Ie/（EeA）,比亮度IvEvA,(5)超出理想漫射表面的增益。 (6)超出理想的各向同性反射面的增益。,(5-66),(5-67),(5-68),(5-69),,表5-3列出了幾種角反射器的特性參數(shù)。,2. 極性分析器,能夠確定某儀器的光軸是否對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，并給出方位。極性分析器在某些使用場合有時(shí)叫做輻射通量分離器，下面介紹兩種用于瞄準(zhǔn)目標(biāo)軸線的通絲量分離器。圖5-68所示為四面錐體通量分離器。圖5-69所示為一種光纖通量分離器。,圖5-68 四錐面輻射分離器,圖5-69 光纖輻射分離器,四面錐體在自動(dòng)光電準(zhǔn)直類儀器中得到廣泛的應(yīng)用。圖5-70所示是雙軸光電自準(zhǔn)直

52、儀的原理裝置。調(diào)制光源中包括光源及調(diào)制部分，調(diào)制光束經(jīng)聚光鏡將光束會(huì)聚并照明四面錐截頂臺(tái)面，然后通過以臺(tái)面為焦面的物鏡后形成平行光射出，再經(jīng)與光軸垂直的平面反射鏡反射后返回到物鏡，由物鏡將光束成像在臺(tái)面附近，該像是四面錐截頂臺(tái)面的自準(zhǔn)直像，由于衍射等影響，其像將擴(kuò)展，如圖5-71所示。,圖5-70 雙軸光電自準(zhǔn)直儀的原理,圖5-71 自準(zhǔn)直原理,控制信號(hào)的形成原理如圖5-72所示。,圖5-72 控制信號(hào)形成原理,在其它的自動(dòng)光電測量儀器中，還用到與前述有所不同的通量分離器。如圖5-73(a)所示的縫形棱鏡，就是用于自動(dòng)回轉(zhuǎn)自準(zhǔn)直儀中的核心部件，反射回的縫像為矩形。當(dāng)像產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，如圖中(b)所

53、示為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，則在反時(shí)針探測器對(duì)上增加了通量。,圖5-74所示用于三軸自動(dòng)光電準(zhǔn)直偏振儀中的十字縫形棱鏡，對(duì)應(yīng)分成的八個(gè)反射面各自配有套光電接收系統(tǒng)，以產(chǎn)生所需要的控制信號(hào)。,圖5-74 縫形棱鏡自準(zhǔn)直原理,圖5-75 三軸自動(dòng)光電準(zhǔn)直偏振儀,截頂四面錐體還應(yīng)用于光電自動(dòng)探針儀中，它是一種非接觸式的光電表面?zhèn)鞲衅鳎靡詼y量物體表面微小的變化。其原理如圖5-75所示。光電自動(dòng)探針的電路原理如圖5-76所示。,圖5-75 光電自動(dòng)探針的工作原理,圖5-76 光電自動(dòng)探針的電路原理,,把紅外敏感元（響應(yīng)元）粘貼到透鏡上，形成光學(xué)接觸，借以提高室溫紅外探測器信噪比的光學(xué)工藝。浸沒后的探測器稱為浸沒

54、型探測器或浸沒器件；浸沒用的光學(xué)透鏡稱為浸沒透鏡；浸沒用的粘合材料稱為浸沒介質(zhì)。浸沒透鏡通常用具有高折射率的透射材料鍺（其折射率為4）制成。它的功能是擴(kuò)大探測器的視場角,提高入射輻射的能流密度，從而提高探測器的信噪比。浸沒透鏡的形狀可以取半球形，也可以取大于半球的超半球形。后者的集光效果更佳，無論浸沒透鏡做成何種形狀，探測器的紅外敏感元均粘貼在透鏡平面端的中央。浸沒介質(zhì)應(yīng)具有一定的折射率、良好的透射性和絕緣性。鍺透鏡通常選用折射率為2.45的硒砷鉈硫玻璃作為浸沒介質(zhì)。由于硒砷鉈硫的折射率小于鍺的折射率，根據(jù)全反射原理可知，浸沒器件能夠接收到的輻射的最大入射角為3746。熱敏電阻型紅外探測器和某些室溫光導(dǎo)型探測器常做成浸沒型探測器。浸沒透鏡兼起窗口的作用；浸沒型探測器的光譜響應(yīng)范圍受浸沒透鏡和浸沒介質(zhì)透射性質(zhì)的限制。浸沒器件的工作溫度受浸沒介質(zhì)的限制。如果不計(jì)透射損失，用鍺做浸沒透鏡的浸沒器件的信噪比是非浸沒器件的416倍。,,論文--超半球型浸沒透鏡在指紋圖像采集中的應(yīng)用,