OPTICS应用案例系列
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6+86 (0755) 2967 5435 • 爱特蒙特光学 (深圳) 有限公司应用1:检测器系统每一个光学系统在完成前都需要经过初步设计这一阶段。虽然初步设计阶段往往是令人觉得最困难的一环,但是识别系统的数个重要规格能够帮助您制定一个初步计划。以下问题将说明简单的检测器或发射器系统的设计流程。目标:光源会往哪个方向移动?虽然简单的透镜经常用于成像应用中,然而在大多数情况下,它们的主要目的是在系统内将一处的光源投影至另一处。几乎所有的发射器、检测器、激光和光纤在进行此类光源操作时都需要使用透镜。在确定设计哪种类型的系统之前,必须先对“光源会往哪个方向移动?”这一重要问题作出回答。如果该系统的设计目的是为了让所有入射光都进入检测器内,以及尽可能减少像差,那么简单的单片透镜如平凸(PCX)透镜或双凸(DCX)透镜便可以应用于系统中。图1显示了PCX透镜以及数个重要的规格:透镜直径(D1)和焦距(f)。图1还说明了检测器的直径如何限制了系统的视场(FOV),如与其相似的全视场所示:或正如方程式所示:对于使用于扫描系统中的检测器,最重要的测量就是瞬时视场(IFOV),即扫描过程中检测器随时所对的角度。换个方向思考,图1还可以表示一个使用透镜将光源对准的发射系统(图3)。这项设置将会是此应用范例的前提设置。光透射:最初存在多少光源?掌握光源的去向是设计光源投影系统的第一步,就如了解有多少光线从物体或光源透射出来一样重要。光源的透射性能是基于检测器接收了多少光源,这就回答了“最初存在多少光源?”的问题。透镜的数值孔径(NA)和光圈数(f/#)根据f、D、折射率(n)和接收角(θ)来测量检测器可收集到的光量。图4说明了f/#和NA之间的关系。同样地,它们之间的关系也能够根据方程式1.5以数学的方法表示。要注意的是,直径越大,f/#就越小,使得更多的光源能够进入系统。为了构建高性能的系统,最好的方式就是将光源的发射光锥与透镜的接收锥相匹配,这样便可以避免光源在透镜面积内过溢或未充满的问题。光通量:有多少光源通过系统?当使用透镜作为工具将光源从发射器传输至检测器时,将光通量(TP),即透射光能量的量化衡量标准列为考虑因素是极为重要的。换言之,在对“有多少光源通过系统?”这一问题作出回答时,其答案就已确定了所使用的透镜几何以及系统的配置。由于发射器和检测器属于光源面积而不是点光源,因此即使直径和焦距(以f/#表示)之间的比率保持不变,透镜的直径仍然会对光通量产生影响。图5显示了如方程式1.7所表示的光通量(TP)的基本定义。如图所示,A为物体面积(光源)、Ω为立体角以及z为物距(以及其共轭在图像空间则为A'、Ω'和z')。 立体角定义为Ω = A/r2,即透镜表面的面积和半径(r)是透镜和物体(z)或透镜和图像平面(z')之间的距离,分别以Ω或Ω'表示。光晕可以减少到达检测器的光量,这是由于孔径限制而导致光源在系统内被物理拦截所产生的结果。由于光晕能够消除可能会影响图像质量的杂散光,因此系统能够从有些刻意制造的光晕中获得好处。要注意的是,以正确的方式对系统进行调整可以减少杂散光和非刻意制造的光晕。图1: PCX透镜在检测器应用中作为FOV限制图4: DCX透镜展示f/#和NA图5:DCX透镜说明光通量图2:瞬时视场图3:PCX透镜在发射器应用中作为FOV限制光学应用范例FFOV =fD2f# =DfNA = n sinθ≈ nθNA =2 (f#)1IFOV =fPixel SizeFFOV = 2 tan-12fD2() fβθ D11/2 Field of View (β)Detector (D2)(1.1)TP = n2 AΩ(1.7)(1.4)(1.5)(1.6)(1.3)(1.2)Detector (D2)IFOVFFOV fβθ D11/2 Field of View (β)(D2) (radians)EmitterDfFAzzz’A’ΩΩ’

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