现代光学系统

第八章 现代光学系统 随着激光技术、光纤技术和光电技术的不断发展，各种不同的用途的新型光学系统相继出现，例如激光光学系统、付里叶光学系统、扫描光学系统等。为能全面地了解这些光学系统的成像特性和设计要求，本章就上述几种新型光学系统作一简要介绍。 §8－1 激光光学系统 一、高斯光束的特性 激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布式不均匀的，激光束波面上各点的振幅是不相等的，其振幅A与光束截面半径r的函数关系为： 其中A0为光束截面中心的振幅；ω为一个与光束截面半径有关的 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ；r为光束截面半径。由上式可以看出光束波面的振幅A呈高斯型函数分布，如图8-1所示，所以激光光束又称为高斯光束。 图8-1 高斯光束截面 当r =ω时， ，说明高斯光束的名义截面半径ω是当振幅A下降到中心振幅 的1/e时所对应的光束截面半径。 二、高斯光束的传播 高斯光束的截面半径、波面曲率半径和位相因子是高斯光束传播中的三个重要参数。 1、高斯光束的截面半径 高斯光束截面半径 的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式为： 从图8-2中可以看出，高斯光束在均匀的透明介质中传播时，其光束截面半径 与 不成线性关系，而是一种非线性关系，这与同心光束在均匀介质中的传播完全不同。 图8-2高斯光束传播 2、高斯光束的波面曲率半径 高斯光束的波面曲率半径表达式为： 高斯光束在传播过程中，光束波面的的曲率半径由无穷逐渐变小，达到最小后又开始变大，直至达到无限远时变成无穷大。 3、高斯光束的位相因子 高斯光束的位相因子表达式为： 高斯光束的截面半径轨迹为一对双曲线，双曲线的渐近线可以表示高斯光束的远场发散程度，如图8-3所示。 图8-3 高斯光束的发散角 高斯光束的孔径角为： 4、高斯光束传播的复参数表示 假设有一个复参数 ，并令 当 =0时，得 因为 ， 所以 把 和 代入式 得 这与同心球面光束沿z轴传播时，其表达式为 有相同的表达形式。说明高斯光束在传播过程中的复参数 和同心球面光束的波面曲率半径R的作用是相同的。 三、高斯光束的透镜变换 在理想光学系统中，近轴光学系统的物象公式为 假定光轴上一点O发出的发散球面波经过透镜L后变成汇聚球面波交光轴上的点 ，如图8-4所示。 图8-4 球面波经透镜变换 由成像关系得 对高斯光束来说，在近轴区域其波面也可以看作是一个球面波，如图8-5所示。 图8-5 高斯光束经透镜变换 当高斯光束传播到透镜L之前时，其波面的曲率中心为C点，曲率半径为R1，通过透镜L后，其出射波面的曲率中心为 点，曲率半径为R2。对曲率中心C和 而言，也是一对物象共轭点，满足近轴光成像关系，即： 当透镜为薄透镜时，高斯光束在透镜L前后的通光孔径应相等，即： 和 分别为透镜L前后的光束截面半径。 上面讨论了高斯光束经透镜的变换关系，但实际应用中，往往只知道高斯光束的束腰半径 和束腰到透镜的距离z，而经透镜变换后光束的束腰位置 和束腰半径 又是我们需要知道的两个参数。经以上各个公式最终求得变换后的高斯光束束腰半径 和束腰位置 。 四、高斯光束的聚焦和准直 1、高斯光束的聚焦 由于激光束在打孔、焊接、光盘数据读写和图像传真等方面的应用都需要把激光束聚焦成微小的光点，因此设计优良的激光束聚焦系统是非常必要的。 因此 初与z有关外，还与 有关。要想获得良好的聚焦光点，通常应尽量采用短焦距透镜。 2、高斯光束的准直 由于高斯光束具有一定的光束发散角，而对激光测距和激光雷达系统来说，光束的发散角越小越好，因此有必要讨论激光束的准直系统设计要求。由 导出高斯光束的发散角 可近似为 经透镜变换后其光束发散角为 将 代入上式得 由上式可以看出，不管z和 取任何值， ，说明高斯光束经单个透镜变换后，不能获得平面波，但当 时，可得 说明 与 和 有关，要想获得较小的 ，必须减小 和加大 。为此，激光准直系统多采用二次透镜变换形式，第一次透镜变换用来压缩高斯光束的束腰半径 ，故常用短焦距的聚焦透镜；第二次使用较大焦距的变换透镜，用来减小高斯光束的发散角 ，其准直系统的原理如图8-6所示。 图8-6 激光准直系统 五、半导体激光治疗仪（结合科研） 半导体激光治疗仪 半导体激光太阳穴照射对治疗高粘血症和脑供血不足有显著疗效。但是，由于太阳穴处有毛发存在，所以，无法使用吸盘保持激光器。使用光纤针进行氦氖激光照射，对高粘血症和脑供血不足也很有疗效。不过，由于要将较粗的光纤针插入血管，其操作显得十分不便；对于接受治疗者来说，有痛感和其它不适感，如晕针；容易引起感染；被治疗者行动也显不便。 为了克服现有高粘血症和脑供血不足激光治疗装置存在的上述诸项不足，我们研制成功实用新型半导体激光治疗仪及其激光器保持装置及鼻腔动脉照射头。其直接照射动脉，功效强；用耳麦结构，使用方便。设计小巧，造价便宜。 §8－2 傅里叶变换光学系统 光学信息处理的任务是研究以二维图像作为媒介来进行图象的识别、图象的增强与恢复、图像的传输与变换、功率谱分析和全息术中的傅里叶全息存储等。而担任上述任务的数学运算是傅里叶变换，光学成像透镜就具备这种二维图像的傅里叶变换特性。 一、 光学透镜的傅里叶变换特性 1、傅里叶变换过程 由标量衍射理理论可知，振幅分布为 的物体，其夫琅和费衍射场的振幅分布为 式中， 为物面坐标， 为衍射场坐标。 令            则上式变为 因此夫琅和费衍射过程实际上就是一个傅里叶变换过程，衍射场即为频谱面。若把频谱面再进行一次傅里叶变换，可得 令 则有 . 因此物函数经二次傅里叶变换后，仍可得到原函数，只不过函数的坐标发生了倒置。 2、相干光学处理系统 通常使用的相干光学处理系统如图8-7所示，这就是相干光学处理中统称的 系统。 图8-7 相干光学处理系统 为了获得清晰而位置正确地夫琅和费衍射图像，也就是说为了获得严格的物面傅里叶频谱，傅里叶变换物镜应满足以下成像要求，即具有相同衍射角的光线经透镜变换后，应聚焦于焦平面上的一点，而不同衍射角的光线经透镜变换后，应聚焦于焦平面上的不同点处，形成各级频谱，如图8-8所示。 图8-8 傅里叶透镜的成像特性 对傅里叶变换物镜L来说，若把其像方焦面作为像面，其物面应位于物方无限远，孔径光阑应位于透镜L的前焦面上，构成像方远心光路，如图8-9所示。 若把输入面作为物面，则其像面在像方无限远，其孔径光阑位置应位于透镜L的后焦面上，构成物方远心光路，如图8-10所示。 傅里叶变换物镜既要对有限距离物面校正像差，又要对孔径光阑位置校正像差，因此傅里叶变换物镜通常要对二队共轭面校正像差。 图8-9 像方远心系统 图8-10 物方远心系统 二、 变换物镜的光学设计要求及结构型式 1、要求 假定输入物体为一维衍射光栅，其光栅常数 为，其及衍射光与光轴的夹角为 ，设 级衍射光的像高为 ，则傅里叶变换关系 ， 可知傅里叶变换物镜必须满足正弦条件要求。 2、结构型式 傅里叶变换物镜结构型式主要有两种，单光组结构和对称式结构，如图8-11所示。 图8-11 单光组结构型式    图8-11两组对称的傅里叶变换物镜结构型式 §8－3  扫描光学系统 光束传播方向随时间变化而改变的光学系统称其为扫描光学系统。可以实现以时间为顺序的图像电信号转变为二维目视图像，在激光存储器、激光打印机和高速摄影系统中都有广泛的应用。本节介绍扫描光学系统特性及扫描物镜的设计要求。 一、扫描方程式 光束扫描的形式可由多种方法得到，不管其扫描方式如何，表征其扫描特性的只有三个参数，即扫描系统的孔径大小 、孔径的形状因子 和最大扫描角 。根据瑞利衍射理论，扫描系统的衍射极限分辨角 为 由上式可见，孔径大小 和形状因子 决定了扫描系统得极限分辨角 ，即决定了扫描系统的扫描光点大小和成像质量。 对不同的扫描系统，其扫描孔径是不一样的，表8-1给出了各种不同扫描孔径的形状因子 的数值。 表8-1 扫描孔径形状因子 孔径形状 矩形 圆形 梯形 三角形 形壮因子 1 1．22 1．5 1．67           二、 光学扫描系统 光学扫描系统分为：物镜扫描、物镜前扫描和物镜后扫描 1、物镜扫描系统 图8-12 物镜扫描系统 一束平行光平行于物镜L的光轴入射，且平行光束的中心距物镜光轴为x，当物镜L严格校正像差后，平行光通过物镜L后一定聚焦于焦平面上的光轴处。若物镜L绕平行光束的中心轴线转动，则平行光束的聚焦点在物镜L的焦平面上扫描出半径为x的圆，当调整物镜光轴与平行光束中心轴线间的距离时，可得到任意半径的扫描圆，所得扫描圆的最大直径应小于物镜L的直径。 特点：扫描形式最简单，只要运动物镜即可达到光束扫描的目的。 2、物镜后扫描系统 图8-13 物镜后扫描系统 特点： 优点是物镜口径相对较小（只要满足扫描光束的口径要求），且扫描物镜只要求校正轴上点像差即可。 缺点是扫描像面为一曲面，不利于图像的接收与转换。 3、镜前扫描系统 为了克服后扫描系统的缺陷，把扫描反射镜置于物镜之前，称其为物镜前扫描系统。 图8-14 物镜前扫描系统 只要物镜严格地校正轴上点和轴外点像差，即可获得很好的扫描成像，且扫描成像面为一平面。因此一般的光学扫描系统多采用物镜前扫描形式。 4、远心扫描系统 为了保证物镜前扫描系统在扫描像面上得到均匀的像面照度和尺寸一致的扫描像点，扫描物镜一般设计成像方远心光路，使其像方主光线始终垂直于扫描像平面，这种扫描系统又称其为远心扫描系统。如图8-14所示。 若要保证远心扫描特性，除扫描物镜作远心物镜设计要求外，对提供给扫描物镜的成像光束也必须满足远心光路的要求，即只有扫描反射镜的转动轴心与扫描物镜的物镜焦点重合时，才能使轴外扫描光束的中心光线（主光线）通过物镜的物方焦点，构成像方远心光路。 三、扫描物镜—— 物镜 物镜前扫描光学系统的光束入射角 是随时间而变化的，且通过扫描物镜在垂直于广州的像平面上成像，因此像平面上的成像位置 应为光束入射角 的函数， 。 对等角速度扫描的光束，若要通过扫描物镜在垂直于光轴的像平面上等速扫描成像，其扫描物镜所得到的像高为 ，即与 角呈线性关系，以满足按一定时间间隔扫描的信息，按一定的时间间隔记录在像平面上，这就是通常把扫描物镜称作为 物镜的原因。 1、 物镜须产生符合下式的畸变量： 2、 物镜的分辨率： 式中 ,是因为该扫描光束的孔径为圆形。 分辨率 与 成反比，即扫描系统的相对孔径越大，其物镜分辨率越高。但要考虑由于分辨率高带来的物镜设计复杂等问题。 3、描物镜的焦距： 4、扫描物镜的成像特性： 图8-15 扫描物镜的成像特性 5、扫描物镜结构形式 轴上点光线在透镜上的入射高度较低，轴外点光线在透镜上的入射高度较高，因此校正轴外点像差，是 物镜设计的主要着眼点。为了满足 物镜残存一定的畸变量和像方远心光路的要求，其结构型式多采用多片分离式的负弯月形物镜。图8-16位扫描物镜常用的结构形式。