光电光学系统
光电光学技术研究
光电光学技术研究第一章：绪论随着科学技术的不断发展，光电光学技术这一领域的研究也得到了越来越多的关注。
光电光学技术是以光和电为基础的技术，旨在研究光的物理、化学和生物学特性，并利用光电设备获取、传输和处理光的信息。
光电光学技术被广泛应用于通信、显示、传感、医学、环境监测等领域，尤其在信息技术和生物医学领域中的应用取得了巨大的进展。
本文主要介绍光电光学技术的研究进展和应用，在研究中对光电光学技术进行综合评价，并指出发展方向和未来发展的趋势。
第二章：光电光学技术的研究进展光电光学技术是一个包涵了光学、电性质和信息处理的综合性学科，经过数十年的发展，已经形成了一系列的研究领域，如光电子学、光生物学、光物理学和光计算等。
2.1 光电子学光电子学是光电光学技术中的一个重要研究领域，主要研究光电效应、光导材料、半导体器件等相关问题。
在光电子学中，最为重要的是研究光电子器件，例如：太阳能电池、光电二极管、激光、LED发光二极管、线性和非线性光学材料，这些器件在信息显示和通讯技术领域有着广泛的应用。
2.2 光生物学光生物学是将光学与生物学相结合的学科，研究光在生物体内的物理特性、对生命体的影响和生物组织的光学特性。
目前，光生物学已经成为医学和生物工程领域中的一个重要前沿领域，使得生命科学和光学有了结合的契机。
光生物学已经在许多方面发挥了重要作用，比如神经生物学、生物成像、荧光检测、细胞研究、纳米医学等。
2.3 光物理学光物理学主要研究光的原理与性质，涉及光的辐射、传输、干涉、衍射、吸收、散射、极化和量子效应等。
在物理、化学和电子学等领域中，光物理学的研究和应用也占有重要的地位，如测量光的精度和时间、光致变色材料、光刻技术、激光等。
2.4 光计算光计算是一种利用光线传递信息的计算技术，光计算的基本思想是用光的干涉或散射来处理信息。
相比于传统的电子计算技术，光计算可获得更高的速度和可并行的性能，并且具有天然的非易失性等优势。
光电系统设计概述
2、数字电路设计
• 光电设计中的数字电路通过分析数字输人信号特性、系统对输出数字信号的 要求，进行数字输人测量电路和数字量控制输出电路的设计。根据对输人信 号特性和输出信号的负载能力要求考虑接口的设计。
4、系统可靠性设计
（1）硬件可靠性设计 1）元器件选择原则：满足性能要求、满足可靠性要求、降额设计、低功耗
设计。 2）电源抗干扰技术 3）系统接地技术 4）PCB设计技术 5）低功耗设计技术
（2）软件可靠性设计 硬件可靠性设计是尽可能切断外部干扰进人单片机系统，但由于干扰存在的
复杂性和随机性，硬件的可靠性设计并不能保证将各种干扰拒之门外，因此 要同时运用软件可靠性设计技术，两者结合可进步提高单片机系统的可靠性。 1）输入通道的软件可靠性 2）输出通道的软件可靠性 3）程序设计的可靠性 4）数字滤波技术
• 光电系统的分类从大类上通常分为主动光学系统和被动光学系统。 主动系统如激光测距、LED/激光位置检测、光学显示装置等。 被动系统包括图像增强器、红外成像仪、激光指示器和微光电视等。
光学系统的设计
• 光学设计通常始于空间光路布置，从简单的考虑镜头寻找对象/图像的距离 和尺寸、光圈、焦距长度等。
• 在明确对所设计光学系统的各项指标后，设计者要第一考虑的限制物理界面 的要求，进而根据系统要求和使用条件，决定满足使用要求的各种数据，拟 定出光学系统的原理图。
• 电子系统设计通常包含总体设计、模块设计、组装调试、性能测和文档总 结等环节。
1、模拟电路设计
• 模拟电路是电子系统的重要部分，也是影响整个系统成败的关键模块。需要 在分析模拟输入、输出信号需求的基础上。进行前向通道和后向通道电路的 设计。
第七章 CCD应用中的光学系统 - 副本资料
w/
2
D/
F1/(F2) 分划板 -f
l2/ 眼睛 目镜
A/// y/// B///
图8-37 望远系统成像原理
36
两面凸透镜
物镜：成倒立缩小的实像
目镜：成正立放大的虚像
望远镜原理
37
望远系统的视角放大率是物体经过望远系统所成的像对 人眼张角的正切值tgω/，与人眼直接观察物体时物体对人眼张 角的正切值tgω之比。其计算公式为 Г= tgω// tgω=-f/物/f/目 式中， f/物为望远物镜的焦距；f/目为目镜的焦距。 由此式可见，只有物镜的焦距大于目镜的焦距时，望远 系统才有视角放大作用。而且当目镜的焦距一定时，要求有
δ=0.5λ/(NA) 由以上公式可以看出，物镜在像差校正好以后，对一定波长的
光线，分辨率完全由物镜的数值孔径所决定。数值孔径越大，分辨
率越高。所以提高分辨率的主要途径是增大数值孔径。
31
当物方介质折射率为空气时，物镜最大的数值孔径为1，一 般只有0.9左右。而在物体和物镜之间浸以高折射率的液体，如
折射棱镜1273光学系统中光阑的作用一孔径光阑入射光瞳和出射光瞳二视场光阑三渐晕光阑四消杂光光阑1374常用光电图像转换系统的成像特性以ccd器件作为接收器的光学系统主要是由成像物镜和ccd器件组成的物体经物镜成像在ccd器件上因此成像物镜的光学特性决定了系统的使用性能
第七章 CCD应用中的光学系统
成下列形式
2 E0 ( )2 4 f ( ) 2
KL D
20
由上式可见，像面照度与相对孔径的平方成正比，相
对孔径越大，像面照度也越大。 轴外像点的照度与视场角有关，它与视场中心的 像面照度有以下关系 E E0 cos4 w 常见照相物镜的相对孔径为1∶4.5-1 ∶2。 在摄影物镜的外镜筒上，刻有与相对孔径对应的 数字和指标。数字为相对孔径的倒数，俗称为F数或 光圈数。
光电检测原理与技术第5章 光学系统与专用光学元件
2. 望远系统
（1）伽俐略望远镜（ Galileo telescope ）
结构 发散透镜作目镜，会聚 透镜作物镜，物镜的像 方焦点和目镜的物方焦 点重合。
光路 Q Q ' Q "
远物 Q 射来的平行光束，经物镜会聚后，原来应成实像于 Q', 这对于目镜来说应作虚物，最后成正立像P"Q"于无穷 远处。
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像
出现三级以上像差
u3 u5 u7 u9 sin u u 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种： 1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism)和场曲(curvature of field) 4) 畸变(distortion)
表5-1 不同波长时焦 深的计算结果
nf 2 nD 2 x 2 2 2 ( F )
(5-6)
（3）最小弥散斑及其角直径 光学系统中影响成像质量的因素主要是像差和衍射。系统的 像差按照不同的设计有很大的差别。而衍射作用的大小可用计算 艾里斑的方法来估计。当斑内占总衍射能量的84％时，所对应的 角直径分别为 (5-7) 2.44
D
—— 探测光辐射的波长。
4 2L ' ( F ) 2 n
' 0
以可见光、中红外和远红外三个光谱区中，三种典型波长的 焦深为例，说明这一关系。计算结果列于表5-1中。表中可见，当 ' ＝0.5μm，2 L ＝ 8μm，说明像面有确定的位置，随着波长增加， 0 L'0 2 按正比增加，当 ＝10μm，2 ＝ 160μm L'0 ，这时很难断定像 面的确切位置。这是红外系统的特点之一。 与焦深相对应的物空间中。物移动某一 ' 距离x，只要其像面移动不超过 L0，那 么仍可得到清晰的像。所以，对应焦深 在物空间中的范围就是景深。利用牛顿 公式可以计算出x为
光学技术的应用和光电系统的设计
光学技术的应用和光电系统的设计随着科技的不断发展，光学技术的应用越来越广泛，其中光电系统的设计是光学技术应用的重要环节。
本文将探讨光学技术的应用以及光电系统的设计过程。
一、光学技术的应用1.1 显示技术随着智能手机的广泛普及，显示技术也得到了快速的发展。
常见的显示技术主要有LED、LCD和OLED. 在这些技术中，LED 灯是一种低能耗、长寿命的光源，而OLED则具有高对比度、观看角度广等优势。
1.2 通信技术光学通信技术是一种利用光传输信息的通信方式，它具有频宽大、传输距离远、抗干扰性强等优势。
通信技术在飞行、铁路、地铁、计算机等领域的广泛应用，成为现代社会的生命线。
1.3 生物医学技术光学技术在生物医学领域中有着极其广泛的应用，尤其是在荧光显微镜、近红外光谱、激光手术等方面。
光学技术有助于人们更加深入地探究生物学，从而提高人们的健康水平和医学技术的发展。
二、光电系统的设计过程光电系统的设计需要考虑多种因素，并且需要经历多个阶段。
下面将从设计目标、硬件选购、软件设计等多个方面介绍光电系统的设计过程。
2.1 设计目标首先需要考虑的是设计目标。
在光电系统的设计中，设计目标通常包括系统性能要求、应用领域、成本控制等。
在考虑这些因素时，设计者必须明确自己的设计目标，以确定系统设计的方向。
例如，针对无乘客线路的地铁系统，设计者需要根据线路长短、车头数量等因素，确定系统的控制方式和紧急措施。
2.2 硬件选购硬件选购是光电系统设计的重要环节。
在硬件选购中，需要考虑多种硬件设备，例如CCD摄像头、激光雷达、电源控制器、开发板等。
设计者需要根据系统的性能要求和安装环境等因素，选择适合的硬件设备。
在选购过程中，需要考虑诸如供应商可靠性、运行时的成本、维护和改进的灵活性，以及硬件组成对系统整体性能的影响等因素。
2.3 软件设计在进行硬件选购之后，设计者需要考虑软件设计。
软件设计涉及到算法的设计、界面的设计和软件测试等多个方面。
光学技术的应用和光电系统的设计
光学技术的应用和光电系统的设计光学技术是指利用可见光、红外线、紫外线等电磁波进行照明、成像、检测、通信等方面的技术，是现代科学技术中最重要的一个分支领域之一。
光学技术的应用范围非常广泛，包括医学、物理学、化学、工业制造等多个领域。
其中，光电系统的设计是其中一项重要的应用。
本文将从光学技术的应用和光电系统的设计两个方面进行探讨。
一、光学技术的应用1.医学应用在医学方面，光学技术广泛用于各种检测方法和治疗方法。
例如，在眼科领域中，利用激光修复近视，也可以利用激光进行白内障手术。
此外，光学技术还被用于扫描生物体内部的图像，这项技术被称为光学断层扫描（OCT）。
OCT技术可以帮助医生了解疾病进展的详细情况，还可以精确地追踪治疗过程。
2.物理学应用物理学是发展光学技术最早的学科之一。
在现代物理学中，光学技术被广泛应用于制造激光器、电子显微镜、光子半导体器件等。
另外，光学技术还被用于水下探测，如测量水下物体的距离和方向，以及探测水下生命体存在的迹象。
3.工业制造应用在工业制造领域中，利用光学技术可以制造高精度的设备和部件。
例如，在精密机械制造中，使用激光测距仪可以实现高精度的测量，这对于高要求的制造流程非常重要。
另外，在半导体工艺制造中，光学技术也被用于瞬时检测，以便能够及时发现和修复生产线上的故障。
二、光电系统的设计光电系统是光学技术的重要应用领域之一。
它是将光学与电子进行科学的整合，以实现各种所需的功能。
随着光学技术的不断进步和完善，越来越多的光电系统被用于各种应用程序。
以下是关于光电系统的应用的概述。
1.显示系统在光学技术中，LCD是一种常见的显示技术。
当然，这种技术有着一些固有的缺陷，例如偏色和对比度不佳等问题。
为了解决这些问题，曲面显示器和量子点显示技术被应用于LCD中。
此外，开发出了一种背光LED来更好的解决这些问题。
2.通讯系统光电技术在通讯领域也有着广泛的应用。
通过光纤传输数据，可以实现更高的数据传输速度，同时还可以更好地保护数据的安全性和完整性。
光电系统设计——方法、实用技术及应用
光电系统设计是一门涉及光学、电子和通信等多个领域知识的综合型学科，其在现代科技和工程领域中起着至关重要的作用。
光电系统的设计与应用涉及到光学元件、光电子器件、光电传感器、光电子通信等多个方面，涵盖了生产制造、信息传输、医疗健康、军事安全等各个领域。
本文将从方法、实用技术和应用三个方面对光电系统设计进行探讨。
一、方法1.1 光电系统设计的基本原理光电系统的设计主要基于光学原理和电子技术，通过光学元件和光电子器件的相互作用进行信息的采集、处理和传输。
其中，光学原理涉及到光的传播、反射、折射、色散等现象，而电子技术则包括了电磁波的接收、放大、调制、解调、数字化等技术手段。
1.2 光电系统设计的步骤光电系统设计的步骤一般包括需求分析、系统设计、元器件选型、系统集成、性能测试和应用推广等环节。
在需求分析阶段，需要明确系统的功能要求、使用环境和工作条件等信息；在系统设计阶段，需要根据需求分析的结果，确定系统的整体结构、功能模块和工作流程；在元器件选型阶段，需要根据设计要求，选择合适的光学元件、光电子器件和电子元器件；在系统集成阶段，需要进行硬件和软件的集成，确保系统的稳定运行和性能优良；在性能测试阶段，需要对系统进行功能测试和性能指标测试，以验证系统设计的有效性和可靠性；在应用推广阶段，需要将设计完成的光电系统投入到实际应用中，提高系统的经济效益和社会效益。
1.3 光电系统设计的关键技术在光电系统设计中，有一些关键技术是需要重点掌握和应用的，包括了光学成像技术、光电传感技术、光电通信技术、光电显示技术、光电测量技术等。
在这些技术中，光学成像技术是指利用光学器件将目标物体的信息转化为光学图像，用于观测和分析；光电传感技术是指利用光电传感器对光信号进行转换和探测，用于环境监测、医疗检测等领域；光电通信技术是指利用光纤或光无线传输技术进行信息通信和数据传输，具有高速、大容量和抗干扰能力强的特点；光电显示技术是指利用光电子器件将电子信号转化为光信号，进行信息显示和图像展示；光电测量技术是指利用光学测量原理获取目标物体的尺寸、形状、位置等信息，用于工程测量和科学研究等领域。
光电系统设计基础
光电系统设计基础
一、光电系统概述
光电系统是指利用光电转换原理将光信号转换为电信号，或将电信号转换为光信号的系统。
它包括了许多不同的元件和部件，如光源、传感器、激光器、探测器等。
二、光学基础知识
1. 光的本质：波动与粒子性
2. 光的传播：直线传播和折射
3. 光学仪器：凸透镜和凹透镜
三、光源的选择
1. 红外线发射二极管（IR LED）
2. 激光器（Laser）
3. 白炽灯（Incandescent Lamp）
四、传感器的选择
1. 充电耦合器件（CCD）
2. 互补金属氧化物半导体（CMOS）
3. 磁阻传感器
五、探测器的选择
1. 光敏二极管（Photodiode）
2. 红外线探测器（IR Detector）
3. 电荷耦合器件（CCD）
六、滤波器的应用
滤波器可以帮助去除噪声和干扰，同时提高信噪比。
常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。
七、光电系统的应用
1. 光电传感器
2. 光电开关
3. 光电编码器
八、总结
光电系统的设计需要考虑多个因素，如光源、传感器、探测器等的选择和应用，以及滤波器的使用。
在实际应用中，需要根据实际情况进行调整和优化。
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§8.6 光电光学系统
现代光电系统无一不把光学、精密机械、光电转换、电子和计算机技术结合起来，实现其系统的数字化、图像化、智能化和自动化。
为达到上述目的，除设计各种不同用途的光电光学系统外，光电能量转换或光电图像转换、数据信号采集与处理、模数转换和计算机处理与分析等都是实现上述目的所不可缺少的重要环节。
由于本章篇幅所限，下面主要介绍二种光电光学系统。
一、红外夜视光学系统
由于红外光辐射具有较强的辐射能量和在大气中具有较高的穿透本领，因此红外光探测系统在卫星摄影、军事目标跟踪和夜视观察等方面得到了广泛应用。
但由于红外光辐射对人眼不敏感，不可能用人眼来直接接收红外光所成的光学图像，所以必须把红外光所成的图像转变成人眼可视的光学图像。
例如用于军事上的红外夜视观察仪器，其原理如图L1为望远物镜，L2为观察目镜，在望远物镜的像面和观察目镜的物面之间加入一红外变像管，其作用是把红外光所成的图像变成可视光图像。
为了使红外变像管的接收靶面能获得均匀的像面光照度，望远物镜应尽量设计成像方远心系统，以减小物镜轴外像点的像方视场角。
物镜L1所成的不可见图像y'应和变像管的接收靶面重合，y'经红外变像管后成倒像为y",y"应与变像管的显示屏重合，经目镜放大后供人眼观察。
因为y"可看成是自发光图像，目镜的光阑位置可单独考虑。
二、光电检测系统
由于CCD光电器件具有高灵敏度、高分辨率、数据采集方便等优点，且与计算机结合，很容易实现检测系统的自动化和数字化。
因此近年来利用CCD作为光电转换器件的尺寸自动检测系统、自动定位系统、图像扫描系统得到越来越广泛的应用。
下面简要介绍CCD光电检测系统的基本原理和光学系统特性。
CCD光电检测系统的原理框图，由光源发出的光经照明系统均匀照射被检测物体，被检测物体经物镜成像在CCD器件的靶面上（检测系统多采用线阵CCD），
CCD输出反映物体大小或位置的脉冲信号，此信号经放大和二值化处理后送入微机，再由微机进行数据采集与处理，最后由显示和打印系统输出检测结果。
光电检测系统原理框图
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。
设成像系统的放大率为，根据几何光学成像理论，则有
式中y为被检测物体的大小，y'为其像的大小。
由于y'不能大于CCD的有效光敏元最大长度，因此有，N为CCD的像素元个数，为像素元的分辨率（像素大小），可得
,
设光电检测系统的测量精度为，CCD传感器上的测量精度为
要想保证CCD传感器上的精度为，至少应占有二个CCD像素元大小的量，即
,
例如我们选用2048线阵CCD作为光电检测系统的传感器，其有效像素为2048个，每个像素的大小为14，因此CCD器件的有效光敏元长度为
设成像系统的放大率为，
被检测物体的最大尺寸不能超过57.344mm。
该光电检测系统的测量精度为0.056mm。
光电检测系统的光学系统原理图，L3为成像物镜，被检测物体经L3以一准确的放大率成像在CCD光敏元件上。
为了保证系统的测量精度，成像系统应有严格的放大率要求，即成像系统除严格校正畸变像差外，还应设计成物方远心光路，其孔径光阑位于L3的像方焦面处。
此外，成像系统还应严格校正其它各种像差，使其在全视场内的成像分辨率达到CCD的分辨率要求。
光电检测系统的光学系统
光电检测系统的照明系统是提供给被检测物体一均匀的照明视场，因此该照明系统多采用柯拉照明形式。
L1为照明系统的聚光镜，为照明系统的场镜。
光源经L1成像在L2的物方焦面处，再经L2成像在无限远，与成像物镜L3的入射光瞳重合。
L1的透镜框为照明系统的孔径光阑，经L2成像在被检测物面处，与成像物镜L3的入射窗重合，满足柯拉照明的设计要求，使得被检测物体得到均匀的光照度。
表征照明系统传递光能量大小的拉赫不变量J1为
式中，n1为光源一侧的介质折射率，u1为聚光镜的孔径角，y1为光源灯丝的半高度。
表征成像物镜传递光能量大小的拉赫不变量j2为
式中，n2为被检测物方的介质折射率，u2为物镜L3的数值孔径角，y2为被检测物体的半高度。
为使照明系统均匀地照射物镜L3的整个视场，且使光线能充满物镜L3的数值孔径角，照明系统的拉赫不变量应大于成像系统的拉赫不变量，即有J1>J2
J1>J2是设计照明系统的必要条件，但并不充分，这是因为当照明系统所照射的被检测物体视场较物镜L3的视场大得很多时，即使J1>J2, 物镜也难以充满数值孔径角的光线成像。
因此在设计照明系统时，在保证J1>J2的条件下，还应兼顾被照明视场大小和物镜数值孔径角的匹配关系。