3.5 光学元件和检测系统
3.5.1 透镜
透镜是根据光折射规律，由玻璃、水晶、塑胶等透明物质制成的一种光学元件，有成像作用。根据穿透波长的不同，透镜的材料也不同。BK7和石英玻璃是在可见光和紫外光范围内应用最多的透镜材料。BK7是一种低损耗的玻璃，可以应用在可见光或者近红外光区域。石英玻璃则可以用在高能量传输或者紫外激光传输中。透镜是折射镜，所成的像有实像和虚像。根据光学性能，透镜可以分为凸透镜和凹透镜两类。凸透镜中间厚边缘薄，具有光线汇聚作用或准直作用。当一束光平行透镜主轴穿过透镜后，将汇聚于主轴上一点，汇聚点称为透镜的焦点，透镜中心到焦点的距离称为该透镜的焦距。相反，当发散的点光源从透镜焦点射向透镜后会被准直为一束平行光。而凹透镜的几何特点是中间薄边缘厚，具有使光线发散的作用，平行光穿过凹透镜后的发散光反向延长于透镜主轴交于一点，为凹透镜的焦点，透镜中心到焦点的距离为透镜的焦距。
菲涅尔透镜（Fresnel lens），又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注射而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。它对光路也具有聚焦或准直作用，成本比普通的凸透镜低很多，但是精度稍差，较多应用于光的传输而较少应用在成像上。本书后续章节的光学技术也将应用到菲涅尔透镜，它相对传统光学透镜的一个优点是可以具有较大的直径，但是同时又保持较小的焦距，这在点光源准直过程中可以减小光束发散造成的光强损失。
3.5.2 反射镜和分光镜
反射镜是利用反射定律对入射光进行反射的光学元件。反射镜按形状可以分为平面反射镜、球面反射镜和非球面反射镜。在制造反射镜时，常在玻璃上镀银或镀铝，一般在高度抛光的衬底上真空镀铝后，再镀上一氧化硅或者氟化镁。平面反射镜一般由于空间有限，仅用于转折光路，例如在光学发动机加长活塞下放置45°平面反光镜将燃烧室内的燃烧图像传递到接收相机中。抛物面反射镜也是常用的反射镜，除了光线反射外还具有对光路准直的作用。一般反射镜都具有方位微调和俯仰微调装置，因此相对凸透镜的准直，抛物面反射镜操作起来更为方便。
分光镜是可以将一束入射光分成两束光（或多束光）的试验装置。分光镜主要用于将入射光束分成具有一定光强比的透射与反射两束光。有固定分束比分束镜和可变分束比分束镜两类。可变分束比分束镜又有阶跃和连续渐变之分。如果反射光和透射光有不同的光谱成分，或者说有不同的颜色，这种分束镜通常称为二向色镜。本书中应用的分光镜主要是有固定分束比的分束镜，这种分束镜一方面可以将一束光应用多种光学技术同步拍摄，另一方面也可以应用不同方向的入射光分别进行反射和透射功用。
3.5.3 滤波片和扩散片
滤波片应用的主要目的是穿透目标波长光谱，同时通过吸收或者反射截止不需要的波长光谱范围或者降低入射光强。滤波片可以分为干涉滤波片和普通滤波片。干涉滤波片又可以分为低通滤波片、长通滤波片和带通滤波片。低通滤波片只允许特定波长以下的短波光通过，长通滤波片则只允许特定波长以上的长波光通过，而带通滤波片则只允许一定波长范围内的光通过。
扩散片的主要功用是形成均匀的扩散光，它的材质可以是毛玻璃或者聚四氟乙烯等。一个理想的扩散片理论上可以创建出完美的朗伯反射比的光（任何角度的光强一致）。本书中的扩散片的其中一个主要应用，是在DBI技术中形成均匀的背景扩散光，进而消除平行光带来的光路偏折的影响。
3.5.4 CCD相机和CMOS相机
CCD和CMOS都是指数码相机上的图像传感器的光电器件，这两类相机都是本书所介绍的光学技术常用的相机类型。CCD（Charge-Coupled Devices）意思为电荷耦合器件，它是一种以电荷形式储存和传递信息的半导体器件。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）意为互补金属-氧化物-半导体传感器，它与CCD一样也是采用光敏元件接收信号，并进行光电转换的。不同之处在于，CCD光敏元件产生的电荷信号不经处理，直接输入到存储单元并转移到输出部分，通过输出电路放大并转换成信号电压。而CMOS的每一个光敏元件都具有放大器功能，当光敏元件接收光照产生模拟电信号后，电信号首先被放大，然后经模拟转换器直接转换成对应的数字信号，通过输出电路输出。下面列举一些两个传感器的不同特点：
● CCD传感器相对CMOS能够创建更高质量、更低噪声的图片。
● 由于CMOS传感器上的像素紧挨着几个晶体管，CMOS相机芯片对光的敏感度相对较低。很多撞击到芯片上的电子是撞在了晶体管上而不是光电二极管上。
● CMOS一般来说耗能更小。CCD消耗能量可能比当量的CMOS传感器要高出100倍。
● CMOS芯片可以用标准半导体生产线生成，造价一般较CCD传感器低。
● CCD传感器更加成熟，通常有更好的图像质量和更多的像素。
● CMOS由于经过光电转换后直接产生电压信号，信号读取十分简单，传输速度比CCD快得多。
对于本书中的一些化学发光或者荧光信号（如OH*化学发光，OH和甲醛等PLIF信号），很多时候发生在紫外光区域，这些信号光强相对较弱，通常需要CCD相机搭载一个像放大器（Image intensifier）来捕捉这些信号。像放大器可以使CCD相机的敏感性增加两万倍以上，我们通常称之为ICCD。但是，ICCD相机的帧数频率通常有所限制，一般只有几个Hz。所以，应用ICCD很难捕捉单次喷雾燃烧的瞬态变化过程，往往只能一次喷雾拍摄一张图片。为检测瞬态喷雾燃烧发展过程，往往应用CMOS高速数码相机，如本书中的高速纹影成像、米散射和扩散背景光成像技术等。随着数码设备技术的发展，目前CMOS相机也可以搭载高速像增强器检测紫外光谱等较弱的光强信号，比如高速OH*化学发光等，但是信号强度和噪声质量等，相比ICCD相机还是有些差距。