第一節(jié)激光光學(xué)系統(tǒng)第二節(jié)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)第三節(jié)掃描光學(xué)系統(tǒng)第四節(jié)階躍型光纖光學(xué)系統(tǒng)

第五節(jié)梯度折射率光纖光學(xué)系統(tǒng)第六節(jié)光電光學(xué)系統(tǒng)第八章現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)

隨著激光技術(shù)、光纖技術(shù)和光電技術(shù)的不斷發(fā)展，各種不同用途的新型光學(xué)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，這些光學(xué)系統(tǒng)由于受光束的傳輸特性和成像機(jī)理的要求，與經(jīng)典的光學(xué)系統(tǒng)相比，均有不同的差異。本章簡(jiǎn)要介紹幾種新型的光學(xué)系統(tǒng)。1第一節(jié)激光光學(xué)系統(tǒng)

60年代激光的出現(xiàn)不僅為人們提供了一種嶄新的光源,更重要的是它促使光學(xué)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變革,在經(jīng)典光學(xué)的基礎(chǔ)上形成了激光束光學(xué)、全息光學(xué)、傅立葉光學(xué)、集成光學(xué)等現(xiàn)代光學(xué)新學(xué)科。一、光束截面內(nèi)的光強(qiáng)成高斯分布

激光束在均勻介質(zhì)中的傳播規(guī)律與普通光束不同。優(yōu)點(diǎn):亮度高、單色性好、方向性強(qiáng)應(yīng)用:激光加工、激光精密測(cè)量與定位、光學(xué)信息處理全息術(shù)、模式識(shí)別、光計(jì)算、光通信等。本節(jié)主要介紹激光束的傳播規(guī)律。2

激光光束截面內(nèi)的光強(qiáng)分布是不均勻的。

r—光束截面半徑

光束波面的振幅A呈高斯型函數(shù)分布

—高斯光束的名義截面半徑

注意：激光束在均勻介質(zhì)中的傳播時(shí)都在變化，但在當(dāng)振幅下降到中心振幅的1/e時(shí)的光束截面半徑值。的物理意義：任意一個(gè)截面內(nèi)振幅分布函數(shù)保持不變。3二、高斯光束的傳播

1、軸向光場(chǎng)分布公式

2、高斯光束的截面半徑

由光束截面半徑所確定的連線是雙曲線—束腰半徑高斯光束：非線性4結(jié)論：高斯光束在均勻的透明介質(zhì)中傳播時(shí)，其光束截面半徑與不成線性關(guān)系，而是一種非線性關(guān)系。3、高斯光束的波面曲率半徑

討論：高斯光束在束腰處，其波面為平面波。

①②束腰處—平面波面非束腰處—曲面5③高斯光束的波面又變成平面波。

高斯光束在傳播過(guò)程中，光束波面的曲率半徑由逐漸變小，達(dá)到最小后又開始變大，直至達(dá)到無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)變成無(wú)窮大。結(jié)論：4、高斯光束的發(fā)散角普通氦氖激光器：6結(jié)論：由激光器發(fā)出的激光束，既不同于點(diǎn)光源所發(fā)出的球面波，又不同于平行光束的平面波，而是一種在傳輸過(guò)程中光束橫向光場(chǎng)分布始終不變但曲率中心不斷變化的球面波，所以激光束是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的高斯光束。

三、高斯光束的透鏡變換1、球面波經(jīng)透鏡的變換

同心光束的傳播：一個(gè)曲率半徑參數(shù)，高斯光束的傳播：兩個(gè)參數(shù)（和）來(lái)表征。72、高斯光束的透鏡變換注意：R1、R2并非利用外資的前后方高斯光速的束腰到利用外資L的距離。82、高斯光束的透鏡變換求:已知:9

四、高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直

1、高斯光束的聚焦

2、高斯光束的準(zhǔn)直束腰的橫向放大率

高斯光束經(jīng)單個(gè)透鏡變換不能獲得平行波

—用短焦距透鏡10二次透鏡變換激光準(zhǔn)直：短焦距減小焦距大減小11第二節(jié)傅里葉（Fourier）變換光學(xué)系統(tǒng)

一、光學(xué)透鏡的傅里葉變換特性

1、系統(tǒng)光學(xué)透鏡:成像、傳遞信息、計(jì)算元件傅里葉變換鏡頭：為具有傅立葉變換能力而設(shè)計(jì)的鏡頭具備二維圖象的傅立葉變換特性122、夫瑯和費(fèi)衍射

具有相同衍射角的光線經(jīng)透鏡變換后，聚焦于焦平面上的一點(diǎn)，而不同衍射角的光線經(jīng)透鏡變換后，聚焦于焦面上的不同點(diǎn)處，形成各級(jí)頻譜。

13把像方焦面作為像面，則物面應(yīng)位于物方無(wú)限遠(yuǎn)，孔徑光闌應(yīng)位于透鏡L的前焦面上，構(gòu)成像方遠(yuǎn)心光路。3、像方遠(yuǎn)心光路14把輸入面作為物面，則其像面在像方無(wú)限遠(yuǎn)，其孔徑光闌位置應(yīng)位于透鏡L的后焦面上，構(gòu)成物方遠(yuǎn)心光路。4、物方遠(yuǎn)心光路

15二、傅里葉變換物鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)要求及結(jié)構(gòu)型式1、光學(xué)設(shè)計(jì)要求

為了獲得清晰的夫瑯和費(fèi)衍射圖像和正確的傅里葉變換關(guān)系，傅里葉變換物鏡應(yīng)對(duì)光瞳位置校正球差和彗差，對(duì)物面位置校正球差、彗差、像散和場(chǎng)曲，像差公差應(yīng)達(dá)到衍射極限，即波像差不大于。2、結(jié)構(gòu)型式單光組結(jié)構(gòu)型式

對(duì)稱型

16第三節(jié)掃描光學(xué)系統(tǒng)

光束傳播方向隨時(shí)間變化而改變的光學(xué)系統(tǒng)

一、掃描方程式D：掃描系統(tǒng)的孔徑大小N：掃描系統(tǒng)的掃描點(diǎn)數(shù)：掃描系統(tǒng)的最大掃描角：各種掃描系統(tǒng)的衍射分辨角：各種不同掃描孔徑的形狀因子17二、光學(xué)掃描系統(tǒng)1、物鏡掃描物鏡掃描：

只要運(yùn)動(dòng)物鏡即可達(dá)到光束掃描的目的。原理：

一束平行光平行于物鏡L的光軸入射，平行光束的中心距物鏡光軸為，當(dāng)物鏡L嚴(yán)格校正像差后，平行光通過(guò)物鏡L后一定聚焦于焦平面上的光軸處。

182、物鏡后掃描3、物鏡前掃描

掃描反射鏡位于物鏡之后優(yōu)點(diǎn)：物鏡口徑相對(duì)較小

。缺點(diǎn)：掃描像面為一曲面。掃描反射鏡置于物鏡之前

優(yōu)點(diǎn)：只要物鏡嚴(yán)格地校正軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)像差，即可獲得很好的掃描成像，且掃描成像面為一平面。19三、掃描物鏡—物鏡

1、物鏡成像特性

屬大視場(chǎng)小相對(duì)孔徑的像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。軸上點(diǎn)光線在透鏡上的入射高度低于軸外點(diǎn)光線在透鏡上的入射高度較高，應(yīng)校正軸外點(diǎn)像差。

202、掃描物鏡的結(jié)構(gòu)型式多采用多片分離式的負(fù)彎月形物鏡引入成像關(guān)系的條件，并略去常數(shù)項(xiàng)，則有21第四節(jié)階躍型光纖光學(xué)系統(tǒng)

一、階躍型光纖的基本原理結(jié)構(gòu)：內(nèi)芯和外包皮由折射率不同的均勻透明介質(zhì)構(gòu)成全反射

光纖的數(shù)值孔徑入射角大于臨界角1、原理光密—光疏22

一束平行光或一束會(huì)聚光入射在光纖的端面時(shí)，其出射光已不再是一束平行光或會(huì)聚光。平行光束一錐面平行光束會(huì)聚光束一錐面發(fā)散光束。2、光纖光束的傳光特性23圓錐型光纖彎曲狀光纖

243、光纖的實(shí)際傳光特性

射出光纖端面的光束應(yīng)看成為充滿光纖數(shù)值孔徑角的發(fā)散光束。25二、階躍型光纖束的傳光、傳像特性

1、傳光束光纖端面的反射損失

內(nèi)芯材料吸收

內(nèi)芯與外包皮的界面反射損失

填充系數(shù)和數(shù)值孔徑的影響

2、傳像束

傳輸圖像的分辨率

重要指標(biāo)

①與組成傳像束的單根光纖直徑有關(guān)；②與光纖束的排列方式和排列緊密程度有關(guān)。26傳像束正方形排列正六角形排列27三、階躍型光纖光學(xué)系統(tǒng)傳像束的輸入圖象傳像束前置光學(xué)系統(tǒng)像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)

28傳像束后置光學(xué)系統(tǒng)

物方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)

光纖光學(xué)系統(tǒng)

29第五節(jié)梯度折射率光纖光學(xué)系統(tǒng)一、徑向梯度折射率光纖

光纖的中心到邊緣折射率呈梯度變化，因此光線在光纖內(nèi)的傳播軌跡呈曲線形式。徑向、軸向、球形梯度三種分布

1、光線在多層介質(zhì)中的折射折射光線的軌跡——折線

2、光線在梯度折射率介質(zhì)中的折射折射光線的軌跡變成——曲線303、梯度折射率光纖中的光線傳播若近軸子午光線的傳播軌跡為正弦變化時(shí)，其折射率的變化近似為拋物線型分布，且近軸子午光線具有聚焦作用。徑向梯度折射率光纖子午光線的數(shù)值孔徑與和有關(guān)。

31二、自聚焦透鏡的特性

3、梯度折射率光纖中的光線傳播若近軸子午光線的傳播軌跡為正弦變化時(shí)，其折射率的變化近似為拋物線型分布，且近軸子午光線具有聚焦作用。自聚焦透鏡：

當(dāng)自聚焦光纖用作成像時(shí)，稱為自聚焦透鏡。32

三、自聚焦透鏡成像

自聚焦透鏡的焦距：呈周期性變化

自聚焦透鏡的等效光組周期長(zhǎng)度A—折射率分布系數(shù)331、圖解法求物像關(guān)系

2、解析法求物像關(guān)系——為光纖光軸處的折射率

34第六節(jié)光電光學(xué)系統(tǒng)一、紅外夜視光學(xué)系統(tǒng)紅外夜視觀察儀器

35二、光電檢測(cè)系統(tǒng)

CCD光電檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖

光電檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)原理圖

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)，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。36

1．已知氦氖激光器輸出的激光束束腰半徑為0.5mm，波長(zhǎng)為632.8nm