【文章內容簡介】 不 激 射4． 2 光學系統(tǒng) 一、光學系統(tǒng)的功能 1．會聚光束 進入光學系統(tǒng)的發(fā)散的光束通過聚光鏡后被全部導入到光電器件上，并均勻分布在靈敏面上。為此必須將光電器件的靈敏面放在光學系統(tǒng)出射光瞳平面上 (判斷出射光瞳平面位置的方法：若將一紙屏放在此平面上，可以獲得一個尺寸最小，輪廓最清晰的亮斑 )。 在紅外探測系統(tǒng)中，通常把調制盤放在物鏡的焦平面上．光電探測器就只好放在焦平面之后，而焦平面之后的光束是發(fā)散的，通過聚光鏡就可把光束會聚。否則只有增加探測器的面積才能充分利用光束能量，然而增加探測器面積會使系統(tǒng)性能變壞。 與透鏡光學系統(tǒng)相比，反射鏡光學系統(tǒng)具有輻射損失小、成像誤差小等優(yōu)點，可以提高系統(tǒng)測量精度。 有時，為了減小光學系統(tǒng)的外形尺寸，在主反射鏡的會聚光束處安置一個平面的或凸面的輔助反射鏡以改變光束的方向和會聚點，并通過主反射鏡的孔將輻射通量集中到光接收器上。這種系統(tǒng)的缺點是入射光束的中心部分被輔助反射鏡遮擋。 ? 在光電傳感器中也常用浸沒透鏡來進一步減小光探測器的接收面積。浸沒透鏡用高折射率材料制成半球形狀， 2．準直光束 3．分離光束 4．折轉光路 5. 光學掃描 二、光學系統(tǒng)的特性 1．光譜特性 ? 根據(jù)對工作光譜范圍的要求，可以決定光學元件的 類型 和 材料 。 ? 例如在 ~50um波段的紅外光譜區(qū)，一般采用反射鏡光學系統(tǒng)而很少采用透鏡系統(tǒng)。 ? 在可見光范圍工作的光學系統(tǒng)，其光學元件盡量采用光學玻璃，而在紫外光譜區(qū) (180~240nm)， 一定要采用石英晶體。 2．能量特性 ? 在用于探測微小輻射通量的光電傳感器中，應力求提高光學系統(tǒng)的透過率，以 s使探測器獲得較高的輻射質量，保證系統(tǒng)有足夠的靈敏度。 ? 在光學系統(tǒng)中為增大系統(tǒng)的透過率必須減少光學零件的數(shù)目。 ? 在光學元件數(shù)目相同的情況下，反射鏡光學系統(tǒng)的輻射損失要比透射系統(tǒng)小，所以反射光學系統(tǒng)在某些場合下得到了廣泛的應用。 3．像差及其校正 像差 即光學系統(tǒng)的成像誤差，是實際光學系統(tǒng)成像的幾何尺寸，形狀和顏色與理想光學系統(tǒng)成像的差別。像差越小，成像質量越高。 ? 像差的大小和形式主要取決于光學零件的形狀。例如，反射境系統(tǒng)不會產生色差；單透鏡無法消除像差；由正透鏡和負透鏡組成的雙膠合透鏡，可以校正色差和球差。 ? 光學系統(tǒng)的像差是不可能完全消除的，應從實際出發(fā)，使光學系統(tǒng)的保差小于某個極限值即可。 4．雜散光及其消除 在實際光學系統(tǒng)中，除了攜帶被測信息的光輻射外還有目標背景輻射，以及由光學零件和金屬零件、系統(tǒng)內壁所散射的光，我們統(tǒng)稱為雜散光。 雜散光作用在光探測器上會形成一個雜散光光電流分量，導致總光電流增加，干擾信號光的探測，直接影響到測量的穩(wěn)定性和可靠性。 光探測器特性 一、光探測器分類 光電子發(fā)射探則器 光電導探則器 光伏探測器 熱探測器 二、光輻射探測器的特性和參數(shù) 1．靜態(tài)特性 光輻射探測器在輸入量 (光輻射量 )對時間的各階導數(shù)為零的靜態(tài)條件下，輸出量和輸入量之間可用一代數(shù)方程來表示，即 式中； X為輸入。 Y為輸出量； a0為探測器暗輸出a1為探測器的響應率： a2 ， a3， … a n為非線性項的待定系數(shù)。 (1)非線性度 非線性度是表征光探測器輸出一輸入特性曲線偏離所選定的擬合直線的程度，通常用相對誤差來表示，即 式中： ΔLmax為輸出平均值與擬合直線間最大偏差； Y F,S為理論滿量程輸出值。 (2)響應度 響應度表示單位輸入輻射通量時的輸出量，用 R表示，即 R=i/Φ 響應度是與量子效率相對應的宏觀參數(shù)。它包括電壓響應度和電流靈敏度。 ? 電壓響應度 Rv 電壓響應度定義為入射的單位光功率所能產生的信號電壓，即 Rv = Us / P 式中， Us為探測器產生的信號電壓 , P為入射功率。通常規(guī)定 P和 Us均取有效值。 ? 電流靈敏度 Sd 電流靈敏度定義為入射的單位光功率所 能產生的傳導電流，即 Sd = Is / P 式中． Is為探測器產生的信導電流，通常規(guī) 定 P和 Is均取有效值 光譜響應是光探測器的響應度隨入射光波長變化的特性。把響應度隨波長變化的規(guī)律畫成曲線稱為光譜響應曲線。 有時取響應的相對變化值，并把響應的相對最大值作為 1，這種曲線稱為 “ 歸一化光譜響應曲線 ” 。響應度最大時所對應的波長稱為 峰值響應波長 ， 以 λm 表示。當光波長偏 離 λm 時，響應度便下降。 當響應度下降到其峰值的 50％時，所對應的波長 λc 稱為光譜響應的 截止 波長 。 10 ％30 ％50 ％70 ％? ＝ 90 ％GeI n G a A s0 . 7 0 . 9 1 . 1 1 . 3 1 . 5 1 . 700 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0? ???? m??? (?W－1)Si (3)量子效率 量子效率表示探測器單位時間輸出的光電子數(shù) N與單位時間入射的光子數(shù) Nph的比值即單個光子產生的光電子數(shù)： 對于理想的探測器 η ＝ 1， 即一個光子產生一個光電子。實際探測器 η1 。 顯然， η 越接近 1，效率越高。 (4)最小可探測功率和探測度 當無入射光時 ， 輸出端仍有電信號輸出 ， 這就是噪聲的影響 。 通常引入等效噪聲功率 (NEP)的概念來表征探測器的最小可探測功率 。 等效噪聲功率定義為探測器輸出電壓恰好等于輸出噪聲電壓時的入射光功率 ， 即 式中各量均取有效值。 NEP越小，探測器的探測能力越強 探測度 (D)定義為 NEP的倒數(shù)，即 D＝ 1／ NEP (1／ w) D表示探測器的探測能力，其值超大超好。 2．動態(tài)特性 光探測器的 動態(tài)特性 是反映它對于 隨時間變化 的輸入量的響應特性，可以通過測量輸出量隨時間變化的關系是否與輸入量隨時間變化 — 致來分析其動態(tài)誤差。 由于實際測試時輸入量千差萬別，且事先住住不知道，所以通常采用插入“標準’’信號的方法進行分析，進而確定若干評定動態(tài)特性的參數(shù)。常用 正弦信號 和 階躍信號 來分析光探測器的頻率響應和階躍輸入響應特性。 一般，光探測器可看作 零階、一階環(huán)節(jié)的動態(tài)響應 特性。 零階環(huán)節(jié)的微分方程為 零階環(huán)節(jié)輸出量的幅值總與輸入量成確定的比例關系，又稱比例環(huán)節(jié)，是一種與頻率無關的環(huán)節(jié)， 一階環(huán)節(jié)的微分方程為 假定光探測器輸入量為輻射通量 Φ(t) ，輸出量為電流信號 i(t)， 再令 則 這里 S0是響應曲線的漸近線，即穩(wěn)定時的響應。如果輸入信號是階躍信號，即 Φ(t) =1， 得到微分方程的解為 當響應時間為 Ts時的動態(tài)誤差 若 t＝ τ， 則 i(t)＝ ， τ為光探測器的 時間常數(shù) ，它表示在階躍函數(shù)作用下，光探測器輸出響應到達 63％的穩(wěn)態(tài)值時所需要的時間。 如果輸入光輻射是簡諧信號 ： 式中 ω為光調制頻率。 代人微分方程式，可求得