空间光学遥感仪器的十项主要技术指标浅析 空间光学是利用航天飞机、卫星、飞船、空间实验室、空间站等空间飞行器，利用光学手段对目标进行遥感观测和探测的科学技术领域。主要手段是把光波作为信息的载体收集、储存、传递、处理和辨认目标信息的光学遥感技术。 空间光学的优势有很多，一是对地观测优势，空间光学可以对地球环绕观测地球的每一个角落，可以对地表成非常清晰的像，对于大气观测，灾害预报，环境监测，资源探测等方面有很大的优势。二是太空没有国界的限制，地表100公里以上的区域还是一片各方都可以涉足的无主之地。三是对外观测，过去人们曾经建过很多地面望远镜，但是地面望远镜受到大气扰动的影响，达不到望远镜的衍射极限分辨率。空间望远镜处于真空环境下，受到大气扰动小，更有利于达到望远镜的衍射极限分辨率。 空间光学遥感仪器的主要技术指标有以下几项： 1）空间分辨率 空间分辨率是指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或者大小，是用来表征影响分辨地面目标细节的指标。空间分辨率所表示的尺寸、大小，在图像上是离散的、独立的，它反映了图像的空间详细程度。空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。 目前的空间遥感仪器基本上都是采用CCD或者CMOS作为探测器收集信息的，如果地面分辨率为1m，意味着CCD的一个像元对应地面宽度是1m。 空间分辨率示意图（资料来源：上帝之眼） 2）调制传递函数MTF 从信息角度来看，光学系统作为一个信息系统，输出的信息相对于输入的信息肯定会丢失一部分。我们常常使用对比度来表征这种信息，即MTF=（输出图像的对比度）/（输入图像的对比度），由于输出图像的对比度总是小于输入图像，所以MTF总是处于0-1之间。再根据不同的空间频率，即可获得系统的MTF图。
第３１卷第１２期２００９年１２月 红外技术 ＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｂｌ．３１ＮＯ．１２ Ｄｅｃ．２００９空间遥感短波红外成像光谱仪的光学系统设计 王欣，杨波，丁学专，刘银年，王建宇 （中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３） 摘要：设计了一种短波红外成像光谱仪的光学系统。它采用离轴透镜来校正大视场像差，避免了采用大１２径同心透镜，降低了大１２径透镜获取难度和加工要求，同时校正了狭缝弯曲和畸变；采用两个离轴非球面反射镜作为准直和会聚光学元件，补偿了与波长相关的狭缝弯曲，并减小了残余像差；采用一个色散棱镜来修正非线性色散，满足了光谱分辨率要求，在棱镜背面镀反射膜，简化了结构，减轻了重量。最后给出了各个通道的光谱非线性和光谱弯曲结果。 关键词：短波红外成像光谱仪；离轴校正透镜；色散棱镜；光谱非线性；光谱弯曲 中图分类号：ＴＮ２１６文献标识码：Ａ文章编号：１００１—８８９１（２００９）１２－０６８７—０４ ＴｈｅＯｐｔｉｃａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＳｈｏｒｔｗａｖｅＩｎｆｒａｒｅｄＩｍａｇｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｎＳｐａｃｅＷＡＮＧＸｉｎ，ＹＡＮＧＢｏ，ＤＩＮＧＸｕｅ—ｚｈｕａｎ，ＬＩＵＹｉｎ—ｎｉａｎ，ＷＡＮＧＪｉａｎ—ｙｕ （ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌ＆Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｈｏｒｔｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｕｓｅｄｉｎｓｐａｃｅ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｓａｎｏｆｆ－ａｘｉｓｌｅｎｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｄｊｕｓｔｌａｒｇｅｆｉｅｌｄ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍａｖｏｉｄｓｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｃｏｎｃｅｎｔｅｒｌｅｎｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｗｏｏｆｆ－ａｘｉｓａｓｐｈｅｒｉｃｍｉｒｒｏｒｓｗｈｉｃｈｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅａｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｌｌｉｍａｔｅａｎｄｆｏｃｕｓｂｅａｍ．Ｏｎｅｐｒｉｓｍｃｏｒｒｅｃｔｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｎｄｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｓｐｅｃｔｒａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｏａｔｉｎｇｉｓｍａｄｅｉｎｔｈｅｒｅａｒｓｕｒｆａｃｅ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄａｎｄｈａｓａｌｉｇｈｔＷｅｉｇｈｔ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｓｐｅｃｔｒａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒａｎｄｃｕｒｖｅｄａｔａｉｓｓｈｏｗｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｏｒｔｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ｏｆｆ－ａｘｉｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｌｅｎ；ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｐｒｉｓｍ；ｓｐｅｃｔｒａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒ；ｓｐｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅ 引言１短波红外成像光谱仪的光学结构设计 成像光谱仪能够同时获取观测目标的空间几何信息和光谱信息，具有独特的信息获取和特征识别能力。它作为一种重要的对地观测手段，在国民经济、科学研究诸多领域有着广泛的应用前景，另外还具备战略战术侦察能力…。 在设计整个成像光谱仪中，光学系统设计决定仪器的最后性能１２ｌ。短波红外光谱仪的光学系统由准直光学系统、色散元件、成像光学系统三个部分组成。相对ＯＡＳＩＳＴＭ和其它棱镜分光结构【４Ｊ，色散元件选择采用一个棱镜分光，满足了光谱非线性的要求，在棱镜背面镀反射膜，取消了利特罗反射镜；离轴校正透镜的采用，调节了光谱仪的畸变，避免了ＯＡＳＩＳ采用大口径透镜同时穿插在准直光束和色散光束中１５Ｊ，减小了大口径透镜的制造难度。 短波红外光潜仪的光学系统与离轴三反望远镜相结合，可以完成在１．４０视场下，对ｌ～２．５¨ｍ（即短波红外波段）色散后的６４个波段分谱段成像。系统的主要指标如下： 光谱范闹：１～２．５Ｕｍ； 物方数值孔径：０．２； 色散范围：１．９２ＩｎｌＴｌ； 平均光谱分辨率：２３．４ａｍ； 光谱弯曲：＜１个像元（像元尺寸为３０ｕｍ）； 变焦比：０．８； 入射狭缝尺寸：１９×０．０３８ｍｍ； 畸变：小于５％ｏ； 光学效率：＞０．４５。 １．１色散元件的选择 收稿日期：２００９－０９—１５１修订日期：２００９—１１－２４． 作者简介：王欣（１９７７一）。女，陕西杨凌人，博上研究ｑ三，上要从事航天遥感红外成像光学系统方面的研究工作。 基金项目：国家８６３项目 ６８７万方数据
第１１卷 第３期２ ０１３年６月光学与光电技术 ＯＰＴＩＣＳ ＆ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．１１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１３收稿日期 ２０１２－０９－２９； 收到修改稿日期 ２０１２－１２－ １３作者简介 张达（１９８１－） ，男，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事空间光学遥感仪器的研制、空间光学成像，以及光谱探测技术方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄａ＠ｃｉｏｍｐ ．ａｃ．ｃｎ基金项目 国防预研基金（ＳＡ０５０），国家８６３高技术研究发展计划（２０１０ＡＡ１２２１０９１００１） ，吉林省科技发展计划（２０１１０１０７９ ）资助项目文章编号：１６７２－３３９２（２０１３）０３－００６７－ ０７高光谱遥感的发展与应用 张 达 郑玉权 （中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３） 摘要 阐述了高光谱遥感的特点、优势，以及在航空及航天领域的发展情况，列举了几种典型高光谱成像仪的光学系统原理和主要技术指标。在此基础上， 概述了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产、海洋、军事等领域的应用情况。最后对高光谱遥感发展趋势提出了几点建议，包括低反射率目标遥感、高信噪比、高空间分辨率及宽覆盖范围等方面。关键词 高光谱遥感；发展；应用；成像光谱仪中图分类号 ＴＰ７０ 文献标识码 Ａ １ 引 言 遥感技术是２０世纪６０年代发展起来的对地 观测综合性技术［１］ ，随着２０世纪８０年代成像光谱 技术的出现， 光学遥感进入了高光谱遥感阶段。从２０世纪９０年代开始， 高光谱遥感已成为国际遥感技术研究的热门课题和光电遥感的最主要手段。 高光谱遥感技术作为对地观测技术的重大突破［ ２］ ，其发展潜力巨大。 高光谱遥感实现了遥感数据图像维与光谱维信息的有机融合，在光谱分辨率上有巨大优势，是遥感发展的里程碑。随着高光谱遥感技术的日趋成熟，其应用领域也日益广泛，已渗透到国民经济的各个领域，如环境监测、资源调查、工程建设等，对于推动经济建设、社会进步、环境的改善和国防建设起到了重大的作用。本文主要阐述高光谱遥感的特点、优势以及在航空及航天领域的发展情况，概括了高光谱遥感在植被生态、大气环境、地质矿产， 海洋军事等领域的应用情况。２ 高光谱遥感特点与优势 高光谱遥感是高光谱分辨率遥感（Ｈｙｐｅｒｓｐ ｅｃ－ｔｒａｌ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ） 的简称［３］ ，它是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外、中红外和热红外波段范围 内，获取许多非常窄且光谱连续的影像数据的技 术，是在传统的二维遥感的基础上增加了光谱维，形成的一种独特的三维遥感。对大量的地球表面物质的光谱测量表明， 不同的物体会表现出不同的光谱反射和辐射特征，这种特征引起吸收峰和反射峰的波长宽度在５～５０ｎｍ左右，其物理内涵是不同的分子、 原子和离子的晶格振动，引起不同波长的光谱发射和吸收，从而产生了不同的光谱特征。运用具有高光谱分辨率的仪器，通过获取图像上任何一个像元或像元组合所反映的地球表面物质的光谱特性， 经过后续数据处理，就能达到快速区分和识别地球表面物质的目的［ ４］ 。高光谱遥感的成像光谱仪具有光谱分辨率高（５～１０ｎｍ），光谱范围宽（０．４μｍ～２．５μｍ） 的显著特点，可以分离成几十甚至数百个很窄的波段来接收信息， 所有波段排列在一起能形成一条连续的完整的光谱曲线，光谱的覆盖范围从可见光、近红外到短波红外的全部电磁辐射波谱范围。高光谱数据是一个光谱图像的立方体，其空间图像维描述地表二维空间特征，其光谱维揭示图像每一像元的光谱曲线特征，由此实现了遥感数据图像维与光谱 维信息的有机融合［ ５］ 。高光谱遥感在光谱分辨率方面的巨大优势，使得空间对地观测时可获取众多连续波段的地物光谱图像， 从而达到直接识别地球表面物质的目的。地物光谱维信息量的增加为遥感对地观测、地物识别及地理环境变化监测提供了
光学遥感常用基础知识 1. 遥感与摄影测量概述 遥感Remote Sensing 遥感是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。 遥感的分类 （1）按遥感平台分 地面遥感：传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动高架平台等。 航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等。 航天遥感：传感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等。光学和雷达都属于航天遥感范畴。 航宇遥感：传感器设置于星际飞船上，指对地月系统外的目标的探测。 （2）按传感器的探测波段分 紫外遥感：探测波段在0.05~0.38μm之间。 可见光遥感：探测波段在0.38~0.76μm之间。因受太阳光照条件的极大限制，加之红外摄影和多波段遥感的相继出现，可见光遥感已把工作波段外延至近红外区（约0. 9μm）。在成像方式上也从单一的摄影成像发展为包括黑白摄影、红外摄影、彩色摄影、彩色红外摄影及多波段摄影和多波段扫描，其探测能力得到极大提高。因此我们常见的光学遥感属于可见光遥感范畴。 红外遥感：探测波段在0.76~1000μm之间。 微波遥感：探测波段在1mm~10m之间。雷达属于微波遥感范畴。 多波段遥感：指探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分为若干窄波段来探测目标。 （3）按传感器类型分 主动遥感：主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号。我们常用的雷达属于主动遥感范畴。 被动遥感：被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。我们常用的光学属于被动遥感范畴。 （4）按记录方式分 成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图像。 非成像遥感：传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。 （5）按应用领域分 可分为环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感等等。 遥感平台Platform 搭载传感器的工具。
自由曲面在空间光学中的应用 在当今的生活中，自由曲面（Free-form ）扮演着越来越重要的角色。如汽车车身、飞机机翼和轮船船体的曲线和曲面都是自由曲面。到底什么是自由曲面？简单来讲，在工业上我们认为就是不能用初等解析函数完全清楚的表达全部形状，需要构造新的函数来进行研究；在光学系统中，光学自由曲面没有严格确切的定义，通常是指无法用球面或者非球面系数来 表示的光学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。在我们的日常生活中，打印机、复印机以及彩色CRT中都会用到光学自由曲面。鉴于光学自由曲面 在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，所以，以下就自由曲面在空间光学方面的情况进 行了调研。 一、自由曲面简介 光学自由曲面没有严格确切的定义，通常指无法用球面或者非球面系数来表示的光学曲 面，主要是指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面。光学自由曲面已经渗透 到我们生活中的各个角落，如能改善人类视觉质量的渐进多焦点眼镜，就是自由曲面技术在 眼用光学镜片中的成功应用。 自由曲面光学镜片主要有两种：一是自然形成的曲面；二是人工形成的曲面。人工形成 的自由曲面又分为一次成型和加工成型两种形式。 二、自由曲面运用的原因 空间遥感光学系统是在离地200km （低轨卫星）以上的轨道对地面目标或空间目标进行光学信息获取，具有遥感成像距离远的特点。如何在几百公里遥感距离下获得较高分辨率的同时保证较宽的成像幅宽是推动空间遥感光学不断发展的源动力。 光学系统的入瞳直径是决定空间相机地面像元分辨率的主要因素之一，在一定F/#的 前提下，入瞳直径越大，空间相机地面像元分辨率越高。但入瞳直径的增加，意味着所有与 孔径相关的像差增加。受空间环境中力学、热学、压力等因素的制约，当入瞳直径增大到一 定程度（通常200 mm以上），光学系统一般采用反射式或折反射式方案。为了简化光学系统形式，仅采用球面镜是无法平衡由于入瞳直径增加而剧增的像差，然而通过运用自由曲面 的应用，可以解决像差增大的问题。由于自由曲面光学元件具有非对称结构形式，能够提供
高分辨率遥感卫星的发展综述 ——514104001459鞠乔俊摘要：遥感卫星在近十年内得到了飞速的发展，无论在国民经济建设、减灾防灾与地图测绘，以及军事测绘与情报收集等方面都具有十分广阔的应用前景。目前，高分辨率遥感数据已经成为国家基础性、战略性资源，广泛应用于精确制图、城市规划、土地利用、资源管理、环境监测和地理信息服务等领域。本文对高分辨率成像卫星发展，当前国内外的发展进行了分析研究，对其军事应用与民用现状进行了分析，最后对高分辨率成像卫星及其应用的未来发展做了展望。 关键字：高分辨率遥感卫星发展 1引言 遥感（Remote sensing）是在不直接接触的情况下，对目标或自然现象远距离探测和感知的一种技术。而遥感器用于探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射特性。遥感卫星的问世，使人类研究地球、认识地球的观点从地面、低空扩展到太空，从而可以对地球进行连续、快速、综合和大面积的详细观测，更全面、更清晰、更深刻地了解地球及其周围环境，对国计民生产生巨大的促进作用。遥感卫星也叫对地观测卫星，有光学成像卫星和雷达成像卫星2种，前者携带可见光、红外和多光谱等遥感器，最大优点是分辨率高；后者携带合成孔径雷达等遥感器，最大优点是可以全天候工作。自1999年美国太空成像公司发射世界首颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS以来，一度披着神秘面纱的高分辨率卫星影像日益为普通百姓所熟悉，而且正在成为人们生活的一部分。目前，几乎任何人或国家都可以购买世界任何地区的商业高分辨率卫星影像，只要点击鼠标，就能在网上浏览所在城市的高分辨率卫星影像。 高分辨率遥感卫星所带来的巨大军事与经济效益，引起全球民用与军事应用领域的高度重视，出现了各国竞相研究开发高分辨率遥感卫星及其应用技术的热潮，在短短的7年内有了飞速的发展，出现了技术不断扩散的发展趋势。高分辨率遥感卫星的不断发展及技术的扩散，既为我们提供了新的机遇，同时也提出了严峻的挑战。新的机遇是可利用的高分辨率卫星影像资源得到了极大的丰富，面
收稿日期：2011-04-24 基金项目：国家863计划（2008AA121203）资助。 高精度卫星光学遥感器辐射定标技术 郑小兵1,2 （1中国科学院通用光学定标和表征技术重点实验室，合肥230031） （2中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心，合肥230031） 摘要随着长期气候变化等观测新需求和高分辨对地观测等新手段的发展，空间光学仪器面临进一步提高辐射定标精度的要求。文章从空间光学仪器定标精度的制约因素和全过程定标的实现等方面，分析了国际相关领域的技术进展，并就新型定标技术的研究和应用提出建议与展望。 关键词辐射定标光学遥感卫星 中图分类号：V443+.5 文献标识码：A 文章编号：1009-8518(2011)05-0036-08High-Accuracy Radiometric Calibration of Satellite Optical Remote Sensors Zheng Xiaobing （1Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization,Chinese Academy of Sciences ，Hefei 230031，China ） （2Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences ，Hefei 230031，China ） Abstract Climate change monitoring and high resolution earth observation demand higher accuracy of abso -lute calibration for space optical sensors.This paper briefly discusses the progress and constrained factors of cur -rent radiometric calibration techniques.New calibration approaches and instrumentations such as hyperspectral and spectrally tunable reference light sources,and global calibration site network are introduced,and their ap -plications are suggested. Key words Radiometric calibration Optical remote sensing Satellite 1引言 光学辐射定标主要研究光辐射传感器的输出与已知的、用SI 单位表述的输入光辐射之间的定量关系，包括各种光辐射效应的定量化、光辐射的精确测量及其不确定度评估，光辐射传感器的综合特性表征，以及光辐射传感器的工作条件对其性能影响的评估等方面的内容。 光辐射是光学遥感信息的基本载体。各种平台上光学传感器的几何和光谱分辩能力都与其光辐射的准确测量能力直接相关。辐射定标在空间对地观测观测过程中所发挥的主要作用表现为： 1）实现各类光学传感器从预研－工程研制－在轨运行的全过程定标，保证传感器的精度能够满足应用需求； 2）统一不同平台、不同传感器的辐射量化标准，使不同时间、空间条件下获得的遥感信息可以比对、转换和融合； 3）通过动态监测，校正传感器的性能衰变，修正大气、照明条件、环境变化等对测量结果的影响，保证测第32卷第5期 2011年10月 航天返回与遥感SPACECRAFT RECOVERY &REMOTE SENSING 36
光学作图专题教学设计 蕲春县青石中学张敏 一、设计意图 作图是反映学生对知识的理解和掌握程度。作图题分布在各个知识点的落实中，由于各部分知识的特点不同，所以对作图要求也就不同，但它们的共同特点都是让学生把相关的知识要求以图的形式展示出来。因此，本节课主要是引导学生在复习基础知识的同时，不能死记硬背这些知识，而是要通过对这些知识的学习来解决实际的问题，达到学以致用的目的。 二、教学目标 （一）知识与技能 1、能利用光在同种均匀介质中沿直线传播，解决小孔成像、影子、日食月食的形成等内容。 2、能根据光的反射定律和平面镜成像特点，作平面镜成像的光路图。 3、能根据光的折射规律作相应光路图。 4、会画凸透镜和凹透镜的三条特殊光线，理解凸透镜、凹透镜对光线作用。 5、凸透镜成像的应用。 （二）过程与方法 通过学生对光学相关知识点的梳理归纳，引导学生在复习知识的同时学会结合具体事例进行分析，然后以作图的形式展示所涉及的知识。 （三）情感态度与价值观 1、在复习教学过程中要让学生积极投入到活动的情境中。增强学生团体间的合作、交流意识。 2、通过综合复习，学会整理知识，提练知识，分析、归纳和综合运用这 些知识。 三、教学重难点 （一）重点 引导学生对光学知识的系统归纳复习 （二）难点 指导学生运用光学知识进行实际应用，解答实际生活中的一些光现象物理
现象。 四、课时安排 2课时 五、教学过程 （一）知识回顾 ①光的直线传播：同种均匀介质中光沿直线传播。 ②光的反射定律：三线共面，两线分居，两角相等。 ③平面镜成像：等大、等距、垂直、虚像。 ④光的折射规律：三线共面，两线分居，两角不等。 垂直入射，传播方向不改变； 斜射时，与物质密度有关。入射角增大，折射角增大。 ⑤利用透镜的三条特殊光线作图： 三条特殊光线（简记）：平行光折过焦；过焦光平轴出；穿心光径直走。 “平行光折过焦”： 平行于主光轴的光线经凸透镜折射后，折射光线会聚于焦点； 平行于主光轴的光线经凹透镜折射后发散，发散光线的反向延长线通过虚焦点。“过焦光平轴出”： 从凸透镜焦点发出的光线经凸透镜折射后，折射光线平行于主光轴射出。 似乎射入凹透镜对侧虚焦点的光线经凹透镜折射后，折射光线平行于主光轴射出。“穿心光径直走”：通过透镜光心的光线传播方向不改变。 （二）例题讲解 类型一：作光线 【典型例题1】井底有一只青蛙，请你用作图的方法确定青蛙的左眼E所能看见井外的部分。 点拨：①空气——同种均匀介质，光沿直线传播。 ②眼睛能看到光是因为外界的光进入眼睛，所以光线的箭头应指向青蛙的眼睛。 ③实际光线画实线。 【典型例题2】将一平面镜斜放在装有水的水槽中，有一束光线垂直射向水面，
1.什么是光学设计？ 所谓光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。 2.光学设计工作内容？ 光学设计所要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。 3.光学设计各个阶段的主要内容？ （1）. 根据仪器总体的技术要求，拟定光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸。称为“初步设计”或者“外形尺寸计算”； （2）. 根据初步设计的结果，确定每个透镜组的具体结构参数。称为“像差设计”或称“光学设计”。 4.光学系统设计的一般过程和步骤？ 一、光学系统设计的一般过程 1、制定合理的技术参数； 2、光学系统总体设计和布局； 3、光学部件（光组、镜头）的设计； 一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段。 （1）选型; （2）初始结构的计算和选择； A、解析法； B、缩放法； （3）像差校正、平衡与像质评价。 4、长光路的拼接与统算； 5、绘制光学系统图、部件图和光学零件图； 6、编写设计说明书； 7、必要时进行技术答辩。 二、光学设计的具体设计步骤 1、选择系统的类型； 2、分配元件的光焦度和间隔； 3、校正初级像差； 4、减小残余像差(高级像差)。 5.光学仪器对光学系统的性能和质量要求 一、光学系统的基本特性 二、系统的外形尺寸 三、成像质量 四、仪器的使用条件与环境 此外，在进行光学系统设计时，还要考虑它应具有良好的工艺性和经济性。 1.什么是孔径？什么是视场？ 2.七种像差的基本概念、怎样表示、特点、初级像差描述形式、基本校正方法？ 像差：实际像与理想像之间的差异 （1）球差 概念：轴上点发出的同心光束经光学系统各个球面折射以后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点有不同的偏 离，这种偏离称之为球差。 表示：或
光学设计总结 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
1.什么是光学设计？所谓光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，设计出光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。 2.光学设计工作内容？ 光学设计所要完成的工作包括光学系统设计和光学结构设计。 3.光学设计各个阶段的主要内容？ （1）. 根据仪器总体的技术要求，拟定光学系统的原理图，并初步计算系统的外形尺寸。称为“初步设计”或者“外形尺寸计算”； （2）. 根据初步设计的结果，确定每个透镜组的具体结构参数。称为“像差设计”或称“光学设计”。 4.光学系统设计的一般过程和步骤？ 一、光学系统设计的一般过程 1、制定合理的技术参数； 2、光学系统总体设计和布局； 3、光学部件（光组、镜头）的设计；一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段。 （1）选型; （2）初始结构的计算和选择； A、解析法； B、缩放法；（3）像差校正、平衡与像质评价。 4、长光路的拼接与统算； 5、绘制光学系统图、部件图和光学零件图； 6、编写设计说明书； 7、必要时进行技术答辩。 二、光学设计的具体设计步骤1、选择系统的类型；2、分配元件的光焦度和间隔； 3、校正初级像差； 4、减小残余像差(高级像差)。 5.光学仪器对光学系统的性能和质量要求
一、光学系统的基本特性 二、系统的外形尺寸 三、成像质量 四、仪器的使用条件与环境 此外，在进行光学系统设计时，还要考虑它应具有良好的工艺性和经济性。 1.什么是孔径什么是视场 2.七种像差的基本概念、怎样表示、特点、初级像差描述形式、基本校正方法？ 像差：实际像与理想像之间的差异 （1）球差 概念：轴上点发出的同心光束经光学系统各个球面折射以后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点有不 同的偏离，这种偏离称之为球差。 表示：或 特点： 初级球差描述形式： 式中，称为初级球差系数(也称第一赛得和数)，为每个面上的初级球差分布系数。 危害：球差使得在高斯像面上得到的不是点像而是一个圆形弥散斑。
光学单元整体教学设计 八年级物理光学部分编成两章《光现象》《光的折射透镜》。个人认为光学部分主要内容分三部分。一、光现象包括光的色彩颜色，人眼看不见的光二、光的传播规律直线传播，光的反射，光的折射三、成像问题。其中成像问题与光的传播规律相关，对应某种传播传播方式都有一定的成像。如小孔成像对应光的直线传播，平面镜成像对应光的反射，透镜成像对应光的折射。这三部分除光现象外主要属于几何光学的范畴，学生需要具备一定的几何知识基础。但物理学的特点体现在探究规律，研究像的特点及变化。 总体教学目标：了解光的传播规律直线传播反射定律折射规律 认识小孔成像，平面镜成像，凸透镜成像像的特点教学难点：1、不对称的折射相较直线传播及对称的反射难度高 2、凸透镜成像规律较为复杂，特别是像的变化是光学单元中最复杂的问题 3、现在的教材注重实验注重探究，通过探究实验探究光的传播规律及像的特点。因此探究实验的设计和分析也是教学难点。 教学内容：光的色彩颜色；人眼看不见的光；光的直线传播；平面镜；光的反射：光的光的折射；透镜；凸透镜成像的规律及其在生活中的应用；眼睛及视力的矫正 教学方法：实验探究几何作图 第三章光现象课时教学目标 一、光的色彩颜色 1.了解光源的概念，知道光源分为天然光源和人造光源 2．通过实验探究，了解光的色散现象，知道太阳光（白光）可分解为七种色光 3．通过观察色光的混合，知道光的三原色 4．通过观察物体在不同色光照射下呈现的颜色，知道物体的颜色是由什么决定的 5．了解光具有能量，以及光能在生产、生活中的应用 二、人眼看不见的光 1、知道红外线、紫外线都是人眼看不见的光 2、了解红外线、紫外线的应用 三、光的直线传播 1.知道光在均匀介质中沿直线传播，并能用来解释影的形成、日食、月食等现象 2.知道光在真空中的传播速度，光在其他介质中的传播速度比在真空中的速度小 3解释光直线传播的现象，培养学生利用物理知识解决实际问题的能力 四、平面镜 1．通过实验探究，归纳总结出平面镜成像的特点。 2．知道平面镜有成像和改变光路的作用。 3．了解实像和虚像。 五、光的反射（略） 第四章（略） 附《平面镜》教学设计
1 引言 1.1 选题背景 折射率是物质的基本特性参量，测量折射率是物理实验重要内容之一。由于在大量的物理现象中，物质的折射率具有决定性的意义，因此对其测量的方法也很多，各种方法各有优点, 也各有其局限性, 并且测量精度也不尽相同。在固体材料中．测量各种光学玻璃或其他光学材料的折射率和色散曲线是很重要的。但对于气体或液体，折射率的测定和色散现象的研究，也有重要的工业上的应甩和科学研究的意义。化学及化学工业方面，对于水溶液及其他透明溶液中，溶质成份及微量杂质的研究，更是必需的。溶液的折射率也与溶液性质及浓度有关，因此测定了折射率也就可以决定混和气体或溶液中某一成份的浓度所以，测定液体浓度，除了化学方法与其他方法外，也可以用光学的方法。传统的测量折射率的方法很多，归纳起来测可分为两类：一是应用折射定律及反射、全反射定律，通过准确测量角度来求折射率的几何光学方法，比如最小偏向角法、掠入射法、全反射法等。另一类是利用光通过介质（或由介质反射）后，透射光的位相变化（或反射光的偏振态变化）与折射率密切相关的原理来测定折射率的物理光学方法，比如布儒斯特角法、干涉法等。通常，液体折射率的测量方法都以折射定律为基础，一般都可以归结为测角法。这些方法传统、操作简单，但有一定的局限性，且测量精度不够高。牛顿环是精密测量仪器，如果用牛顿环测液体折射率测得结果应该比较准确。 1.2 本设计方法的介绍及优点 实验中应采取何种方法, 要根据具体情况而定, 灵活应用, 以期达到我们所要求的结果。液体折射率的测量要比固体折射率的测量复杂，而且，引进的测量误差也较大。本文介绍的用牛顿环干涉的方法和光在液体内传播的特性，测量液体折射率，其不仅物理意义明确，方法简单，而且获得较好的测量结果。 牛顿环又称“牛顿圈”。在光学上，牛顿环是一个薄膜干涉现象。光的一种干涉图样，是一些明暗相间的同心圆环。例如用一个曲率半径很大的凸透镜的凸面和一平面玻璃接触，在日光下或用白光照射时，可以看到接触点为一暗点，其周围为一些明暗相间的彩色圆环；而用单色光照射时，则表现为一些明暗相间的单色圆圈。这些圆圈的距离不等，随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。它们是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。 通常将同一光源发出的光分成两束光，在空间经过不同的路程后合在一起产生干涉。 牛顿环是典型的等厚干涉现象。 牛顿环实验装置通常是由光学玻璃制成的一个平面和一个曲率半径较大的球面组成，在两个表面之间形成一劈尖状空气薄层。以凸面为例，当单色光垂直入射时，在透镜表面
光一．教学设计 ●教学目标 1、知识与技能： ①理解并掌握光沿直线传播的条件。 ②了解光的直线传播规律在社会生活与生产中的一些应用。 ③了解光在真空中的传播速度c＝3×108m／s。 2、过程与方法： ①通过开放性的实验探究，认识光在空气、水和玻璃等均匀介质中传播的特点（沿直线传播）。 ②观察演示实验“光在不均匀糖水中的路径”，启发学生归纳总结得出光沿直线传播的条件。 3、情感、态度与价值观： 通过实验，让学生体验学光学的乐趣，并在实验过程中学习合作与交流。 ②引导学生应用“光沿直线传播的规律”解释一些简单的自然现象，解决一些实际问题，让学生意识到光的世界既神奇美丽，又有规律可循，而且利用这些规律能帮助人们更好地认识自然，改善生活质量，提高工作效率。 ●重点、难点分析 光沿直线传播的规律的理解和掌握是本节教学的重点，设计与组织关于“光总是沿直线传播吗？”这一问题的探究活动是本书的难点。 ●教学模式 科学探究教学模式。设置问题情景，使学生对所观察到的现象进行科学探究，找出现象后面隐藏的规律，教会学生掌握科学家在研究时所用的技能和术语。 ●实验器材 教师教具：激光笔、水、墨水、个、纸团、火柴、玻璃砖。 教学过程 一、新课引入
由神话女娲炼五彩石补天的例子，在轻松愉悦的环境中进入这节课的学习。 二、新课教学 1、探究光的直线传播的条件 ［问题一］同学们刚才看到了许多光沿直线传播现象，但是光总是沿直线传播吗？ 演示一：光笔发出光直接照射充满烟雾的塑料瓶冻发现光空气中沿直线传播 演示二：用激光笔发出光束向滴了少量墨水的水中投射，可以看到光在水中沿直线传播。 演示三：将激光射过玻璃砖的毛边，可以看到光在玻璃中沿直线传播。 组织学生归纳得出： 光在空气、水、玻璃中沿直线传播。 ［问题二］早上太阳还在地平线以下，我们却能看到他这说明甚么 学生讨论 ③引导学生归纳出光沿直线传播的条件：光在同种均匀介质中沿直线传播。 2、介绍光线的概念 由于平时我们见得最多的是光沿直线传播的情形。所以物理学中就用带箭头的直线来表示光的传播方向．比如要表示电灯的光在空气中的传播时，我们就沿光的传播路径作一些直线，（如图2）。这种直线叫做光线。 3、应用：解释自然现象 （1）影子的形成 设问一：请同学们想想；如果电灯的光在传播的过程中，遇到了不透光的障碍物，在障碍物后边会有什么东西形成？
武汉工程大学 课程设计（学年论文） 说明书 课题名称：照相机物镜的设计与优化 专业班级：光电信息科学与工程激光1班 学生学号： 1309090831 学生姓名：周舟 学生成绩： 指导教师： 课题工作时间： 2015年6月24日至 2015年7月2日 武汉工程大学教务处
一.前言 照相机镜头简介 科技发展的日新月异，使生产出的照相机花样百出、种类繁多、结构复杂、机械精密，新产品层出不穷。但无论各种照相机如何变化，结构如何纷繁，它的基本结构中一定要有具备将特体结成光学影像的成像系统，即镜头。用光学玻璃制成的镜头，把进入镜头的光线汇聚起来，在感光胶片上形成一个清晰的影像。比较复杂的镜头由两片或更多的光学玻璃组成的透镜，叫做透镜单元。透影单元组成一个整体，这就是摄影镜头。 照相机的镜头包括透镜组、光圈、快门三个部分。镜头是由透镜构成的，透镜片数与组数的多少，决定着镜头的质量与优劣。光圈是由多片多属叶片组成的。它用控制镜头纳光孔的大小，达到控制进入胶片光线的多少。在控制叶片的伸缩中，使得进光孔变大变小，从而来控制通过镜头投向胶片光束的大小。这种光孔大小的数值用光孔号码或f ／值标注在镜头上。快门是由金属片或胶质绸布制成的。它控制曝光时间的长短，即控制进入相机的光线和投射到胶片反经历的时间。正确的曝光，可使被摄对象获得清晰的影像。 镜头的种类很多，不存在一种“最好的”镜头。因为各种镜头都有独特的功能、适用范围和优点，针对拍摄需要去选择镜头，才是正确的。依据拍摄画面的不同效果及照相机镜头焦距的长短，通常镜头的种类有：标准镜头、广角镜头、远摄镜头、鱼眼镜头、反射式镜头、变焦镜头和特殊镜头等 照相物镜的光学特性一般用焦距f’、相对孔径D/f’、视场角2w三个参数来表征，(1). 照相物镜的焦距决定所成像的大小。照相物镜的焦距标准如下: 准镜头 50 （f’/mm） 广角镜头 24~28~35 （f’/mm） 超广角镜头 17~20 （f’/mm） 鱼眼镜头 7.5~15 （f’/mm） 短望眼 85~100 （f’/mm） 望眼 135~200~300 （f’/mm） 超望眼 400~500~600~800 （f’/mm） (2). 相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度,照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度 (3). 照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。不同照相机的尺寸是一定的，例如： 16mm电影摄影机 10.4×7.5 mm2 35mm电影摄影机 22×16 mm2 135#照相机 36×24 mm2 120#照相机 55×55 mm2 照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。 照相物镜上述三个光学性能参数是相互关联，相互制约的。这三个参数决定了物镜的光学性能。企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，甚至是不可能的。只能根据不同的使用要求，在侧重提高一个参数的同时，相应地降低其余两个参数的指标
二、望远物镜设计 一般用的望远物镜采用折反式，分为四种：双胶合、双分离、三片型（Triplet）、摄远物镜。下面分别对这四种物镜进行分析，并给出简要设计过程。 1、双胶合物镜 双胶合物镜的特点是结构简单，制造和装配方便，光能损失小。玻璃选择得当，可以同时校正球差、正弦差和色差。当高级球差得到平衡时，胶合面的曲率较大，剩余的带球差偏大。因而，双胶合物镜只适用于小孔径的使用场合。 下面简要介绍一下用初级像差求取双胶合物镜的初始结构，大概分三步：基本像差参量的确定、玻璃的选择、结构参数的求解。 双胶合薄透镜组的结构参数包括三个折射球面的曲率半径、两种玻璃材料的折射率和平均色散。因为初级像差理论求解初始结构时，将像差参数进行归一化，归一化后只考虑内部参数，而与外部参数（物距、焦距、视场角、相对孔径）无关，所以如果考虑用双胶合的话（合适的情况下），直接用像差公式计算。 题目要求：物镜焦距为200mm，半视场角为4°，相对孔径为1：5，系统总的视放大率为6倍，出瞳距离为20mm 确定基本像差参量根据设计要求，设像差的初级量为零，则按球差、正弦差和位置色差的初级像差表达式，得
选择玻璃：由于K9玻璃性能好和熔炼成本低，应优先选用。可选它和ZF2玻璃组合，当然有一个求解玻璃系数过程，这里不想说了。 求归一化条件下的透镜各面的曲率
向厚透镜过渡光学系统初始计算得到结果以后，必定要把薄透镜变换成厚透镜外径的确定D=40 光学零件的中心厚度及最小厚度的确定有两种方法，其一是查表；另外一种方法，为了使透镜在加工过程中不易变形，其中心厚度与边缘最小厚度以及透镜外径之间必须满足一定的比例关系。 根据公式（具体公式略了）可得，凸透镜最小边缘厚度为2.8978mm，最小中心厚度为7.23845mm，凹透镜最小边缘厚度5.555571mm，最小中心厚度3.86106mm。在最小中心厚度基础上，根据工艺条件，可适当加厚些。 结构图如下： 2、双分离物镜 与双胶合物镜相比，双分离物镜对玻璃的选择有较大的自由度。正负透镜间的间隙也可以作为校正像差的参量，促使带球差减小。因此，双分离物镜比双胶合物镜所适应的孔径略大。但是，这种物镜的装配和校正较麻烦，有较大的色球差。它所适应的孔径和视场同于双胶合物镜。
§1 概述 1.1 课程的目的与要求 1)通过《光学仪器总体设计》课程学习，掌握光、机、电、算技术结合的仪器总体设计的有关主要基础理论知识。 2)初步掌握仪器总体设计和系统设计的方法。 3)初步具有正确地估算和分析仪器精度的能力。 1.2 仪器在机械过程中的位置 机械工程在发展过程中形成了能量、信息和材料三大技术领域。 按系统工程的观点，可以认为这三大技术领域又对应着以下三大技术系统： 1)仪器—以信息流、信息变换为主的技术系统。 如：测量仪器、控制仪器、电影机和照相机、计算仪器、天文仪器、导航仪器等。 2)机械—以能量、能量变换为主的技术系统。 如：液压机械、发动机、运输工具、农业机械、纺织机械、包装机械、制冷机械、建筑机械等。 3)器械—以材料流、材料变换为主的技术系统。 如：锅炉、冷凝器、热交换器、冷却器、过滤器、离心机等。 这三大技术系统之间的相互关系，可以由图1.1来说明。 图 1.1机械工程三大技术系统 1.3 仪器的分类 1)按产品分类(产品管理部门用): 工业自动化仪表与装置、电工仪器仪表、分析仪器仪表、
光学仪器、材料试验机、气象海洋仪器、照相机械、电影机械、生物医疗仪器、无线电电子测量仪器、航空仪表、船用导航仪表、地震仪器、汽车仪表、拖拉机仪表、轴承测试仪表。 2)从计量测试功能分: a)计量仪器，如：长度计量仪器、时间频率计量仪器、 力学计量仪器、电磁计量仪器、标准物质计量仪器(各 种气体分析、有机分析、无机分析)、以及各种导出 量仪器(速度、加速度等)。 b)非计量仪器，如：观察仪器、测绘仪器、跟踪测量仪 器、定位定向仪器、监示仪器、记录仪器、计算仪器、 调节仪器(控制仪)、各种调节器和自动调节装置。1.4 本课程主要内容 随着科学技术的发展，现代仪器向着综合化方向发展，光机电算技术的综合、计量与非计量的综合。特别是原来只是机械制造或物理(光学)学科中的二、三级学科的光学仪器发展成了目前一级学科的光学工程。本课程试图以笔者多年从事研究和研制的以下三种属于光学工程的典型的光学仪器讲解光学仪器总体设计。为了帮助读者学习，同时也概括地介绍了四个方面有关的工程基础知识。本课程主要内容可以概括如下： 1)光电跟踪测量系统。 2)弹道导弹光电瞄准系统。 3)航空航天相机。 4)以及有关的工程基础知识: a)误差和误差分析方法; b)传递函数和摄影分辨力; c)光学仪器中的坐标变换; d)可靠性。
第四章光现象复习 教学设计 【复习目标】 1. 我知道光在同种均匀介质中沿直线传播；知道平面镜成像特点。 2. 我知道光的反射定律、折射定律和光路是可逆的。 3. 我理解凸透镜成像规律并会应用解决实际问题。 4. 我了解近视眼和远视眼的成因及其矫正，预防近视眼和远视眼，养成用眼卫生好习惯。 【教学重难点】 重点：光的反射定律、折射定律、凸透镜成像规律 难点：利用凸透镜成像规律解决实际问题 【课时安排】1课时 【复习过程】 一、 导入环节（2分钟） （一） 根据复习计划导入课题。 今天我们一起来复习第 5、6章光学知识，并进行期末综合复习 （二） 出示学习目标 课件展示学习目标，指导学生观看。同时教师板书课题。 过渡语：了解了学习目标，请根据自学指导认真自学课本，时间约 10分钟 二、 先学环节（23分钟） （一）出示复习指导： 课件展示复习指导，学生复习。 以复习回顾以前所学的主要知识为主，使学生对学过的旧知识不断联想、再现，引导学生进行 系统回顾。 10分钟后比谁能正确完成检测题。准备展示 （二） 学生复习教材：师巡视，指导游离在复习外的同学。 （三） 复习检测反馈 要求：5分钟完成复习检测题，让 5个小组的的同学到黑板前展示，书写成绩和题目成绩记入 小组量化，要求书写认真、规范，下面同学交换学案，小组长组织成员用红笔将错误画出，准备更 正。 1. 下列光现象与其成因对应正确的是 （） A. 水中倒影一一光的折射 B ?雨后彩虹一一光的反射 2. （2015年哈尔滨 市）如图所示的四个情景中能用光的反射定律解释的是 （） C.形影不离一一光的直线传播 D .海市蜃楼一一光的色散