3.5 光學元件和檢測系統

3.5.1 透鏡

透鏡是根據光折射規律，由玻璃、水晶、塑膠等透明物質制成的一種光學元件，有成像作用。根據穿透波長的不同，透鏡的材料也不同。BK7和石英玻璃是在可見光和紫外光范圍內應用最多的透鏡材料。BK7是一種低損耗的玻璃，可以應用在可見光或者近紅外光區域。石英玻璃則可以用在高能量傳輸或者紫外激光傳輸中。透鏡是折射鏡，所成的像有實像和虛像。根據光學性能，透鏡可以分為凸透鏡和凹透鏡兩類。凸透鏡中間厚邊緣薄，具有光線匯聚作用或準直作用。當一束光平行透鏡主軸穿過透鏡后，將匯聚于主軸上一點，匯聚點稱為透鏡的焦點，透鏡中心到焦點的距離稱為該透鏡的焦距。相反，當發散的點光源從透鏡焦點射向透鏡后會被準直為一束平行光。而凹透鏡的幾何特點是中間薄邊緣厚，具有使光線發散的作用，平行光穿過凹透鏡后的發散光反向延長于透鏡主軸交于一點，為凹透鏡的焦點，透鏡中心到焦點的距離為透鏡的焦距。

菲涅爾透鏡（Fresnel lens），又名螺紋透鏡，多是由聚烯烴材料注射而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是根據光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設計的。它對光路也具有聚焦或準直作用，成本比普通的凸透鏡低很多，但是精度稍差，較多應用于光的傳輸而較少應用在成像上。本書后續章節的光學技術也將應用到菲涅爾透鏡，它相對傳統光學透鏡的一個優點是可以具有較大的直徑，但是同時又保持較小的焦距，這在點光源準直過程中可以減小光束發散造成的光強損失。

3.5.2 反射鏡和分光鏡

反射鏡是利用反射定律對入射光進行反射的光學元件。反射鏡按形狀可以分為平面反射鏡、球面反射鏡和非球面反射鏡。在制造反射鏡時，常在玻璃上鍍銀或鍍鋁，一般在高度拋光的襯底上真空鍍鋁后，再鍍上一氧化硅或者氟化鎂。平面反射鏡一般由于空間有限，僅用于轉折光路，例如在光學發動機加長活塞下放置45°平面反光鏡將燃燒室內的燃燒圖像傳遞到接收相機中。拋物面反射鏡也是常用的反射鏡，除了光線反射外還具有對光路準直的作用。一般反射鏡都具有方位微調和俯仰微調裝置，因此相對凸透鏡的準直，拋物面反射鏡操作起來更為方便。

分光鏡是可以將一束入射光分成兩束光（或多束光）的試驗裝置。分光鏡主要用于將入射光束分成具有一定光強比的透射與反射兩束光。有固定分束比分束鏡和可變分束比分束鏡兩類。可變分束比分束鏡又有階躍和連續漸變之分。如果反射光和透射光有不同的光譜成分，或者說有不同的顏色，這種分束鏡通常稱為二向色鏡。本書中應用的分光鏡主要是有固定分束比的分束鏡，這種分束鏡一方面可以將一束光應用多種光學技術同步拍攝，另一方面也可以應用不同方向的入射光分別進行反射和透射功用。

3.5.3 濾波片和擴散片

濾波片應用的主要目的是穿透目標波長光譜，同時通過吸收或者反射截止不需要的波長光譜范圍或者降低入射光強。濾波片可以分為干涉濾波片和普通濾波片。干涉濾波片又可以分為低通濾波片、長通濾波片和帶通濾波片。低通濾波片只允許特定波長以下的短波光通過，長通濾波片則只允許特定波長以上的長波光通過，而帶通濾波片則只允許一定波長范圍內的光通過。

擴散片的主要功用是形成均勻的擴散光，它的材質可以是毛玻璃或者聚四氟乙烯等。一個理想的擴散片理論上可以創建出完美的朗伯反射比的光（任何角度的光強一致）。本書中的擴散片的其中一個主要應用，是在DBI技術中形成均勻的背景擴散光，進而消除平行光帶來的光路偏折的影響。

3.5.4 CCD相機和CMOS相機

CCD和CMOS都是指數碼相機上的圖像傳感器的光電器件，這兩類相機都是本書所介紹的光學技術常用的相機類型。CCD（Charge-Coupled Devices）意思為電荷耦合器件，它是一種以電荷形式儲存和傳遞信息的半導體器件。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）意為互補金屬-氧化物-半導體傳感器，它與CCD一樣也是采用光敏元件接收信號，并進行光電轉換的。不同之處在于，CCD光敏元件產生的電荷信號不經處理，直接輸入到存儲單元并轉移到輸出部分，通過輸出電路放大并轉換成信號電壓。而CMOS的每一個光敏元件都具有放大器功能，當光敏元件接收光照產生模擬電信號后，電信號首先被放大，然后經模擬轉換器直接轉換成對應的數字信號，通過輸出電路輸出。下面列舉一些兩個傳感器的不同特點：

● CCD傳感器相對CMOS能夠創建更高質量、更低噪聲的圖片。

● 由于CMOS傳感器上的像素緊挨著幾個晶體管，CMOS相機芯片對光的敏感度相對較低。很多撞擊到芯片上的電子是撞在了晶體管上而不是光電二極管上。

● CMOS一般來說耗能更小。CCD消耗能量可能比當量的CMOS傳感器要高出100倍。

● CMOS芯片可以用標準半導體生產線生成，造價一般較CCD傳感器低。

● CCD傳感器更加成熟，通常有更好的圖像質量和更多的像素。

● CMOS由于經過光電轉換后直接產生電壓信號，信號讀取十分簡單，傳輸速度比CCD快得多。

對于本書中的一些化學發光或者熒光信號（如OH*化學發光，OH和甲醛等PLIF信號），很多時候發生在紫外光區域，這些信號光強相對較弱，通常需要CCD相機搭載一個像放大器（Image intensifier）來捕捉這些信號。像放大器可以使CCD相機的敏感性增加兩萬倍以上，我們通常稱之為ICCD。但是，ICCD相機的幀數頻率通常有所限制，一般只有幾個Hz。所以，應用ICCD很難捕捉單次噴霧燃燒的瞬態變化過程，往往只能一次噴霧拍攝一張圖片。為檢測瞬態噴霧燃燒發展過程，往往應用CMOS高速數碼相機，如本書中的高速紋影成像、米散射和擴散背景光成像技術等。隨著數碼設備技術的發展，目前CMOS相機也可以搭載高速像增強器檢測紫外光譜等較弱的光強信號，比如高速OH*化學發光等，但是信號強度和噪聲質量等，相比ICCD相機還是有些差距。