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　　1、精精 密密 仪仪 器器 设设 计计 Design of Precision Instrument 测控技术与仪器研究所测控技术与仪器研究所 自动化工程学院自动化工程学院 1 光电精密检测系统设计光电精密检测系统设计 2 一、现代精密光电检测仪器特点一、现代精密光电检测仪器特点 n 信息加载于光波，是一种非接触和非破坏性测量，可适用于远距 离、危险、恶劣环境测量； n 光波传播速度快，可进行实时测量和控制； n 测量精度高，如激光干涉测量的精度可达1/100波长； n 具有很高的空间分辨率； n 可进行图像处理。 现代精密仪器：现代制造技术（光、机、电、算）现代制造技术（光、机、电、算）、 纳米

　　2、技术、仿生学原理、新材料等。 光学精密机光学精密机 械系统械系统 光电转换光电转换 系统系统 电路处理电路处理 系统系统 计算机控计算机控 制系统制系统 显示、打显示、打 印系统印系统 电机及驱电机及驱 动系统动系统 信息获取与应用信息处理、变换与显示 (1)(1)光学精密机械系统光学精密机械系统 光学成像系统光学成像系统物镜、光栏等；物镜、光栏等； 照明系统照明系统光源、滤镜等；光源、滤镜等； 精密机械系统精密机械系统X-Y精密工作台、微动工作台（精密工作台、微动工作台（Micro-table）、）、 真空吸附台以及传动部件（如真空吸附台以及传动部件（如 Flexure Hinge） 等。等

　　3、。 二、典型精密仪器的基本组成二、典型精密仪器的基本组成 3 (3) (3) 电路处理与计算机控制电路处理与计算机控制 信息处理、变换与存储显示及模块控制等。信息处理、变换与存储显示及模块控制等。 功放、功放、A/D、D/A、 DSP、 FPGA、CPLD 、F/V I/O、LED、LCD等等 。 (2) (2) 光电转换与传递系统光电转换与传递系统 CCD、摄像机、光电管（摄像机、光电管（Phototube）、）、 硅光电池（硅光电池（Silicon photo-cell）、）、 光栅（光栅（Grating）、）、激光等。激光等。 二、典型精密仪器的基本组成二、典型精密仪器的基本组成 4 (

　　4、4)(4)电机及驱动系统电机及驱动系统 电机电机直流电机、交流电机、直线电机、力矩电机、直流电机、交流电机、直线电机、力矩电机、 音圈电机（音圈电机（Voice Coil Motor）、）、步进电机步进电机 （Stepping Motor）、）、纳米电机（纳米电机（Nanomotion）等。等。 微位移技术中，采用致动器（微位移技术中，采用致动器（Actuator）作为驱动作为驱动 源，如源，如PZT、Electrostatic Force等。等。 ！ 二、典型精密仪器的基本组成二、典型精密仪器的基本组成 5 被 测 对 象 光学系统 光学系统 光电探测器调理电路 光源 控制电路计算机 显示与

　　5、控制 作用：将光束变成平行光束、发 散光束、会聚光束或其他形式结 构的光束 作用：利用显微系统、照相系统、望远系统及调制器、 滤波器将来自被测对象的光变成光电传感器能接收的光 二、典型精密仪器的基本组成二、典型精密仪器的基本组成 6 三、光学系统设计三、光学系统设计 n光电探测器 n光源 7 光电探测器光电探测器 真空光电器件真空光电器件 固体光电器件固体光电器件 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 真空摄像管真空摄像管 变像管变像管 像增强管像增强管 光敏电阻光敏电阻 光电池光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管 光电耦合器光电耦合器 光中断器光中断器 位置传感器位置传感器PSD

　　6、 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列SSPD 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD 互补型金属氧化物半导体晶体互补型金属氧化物半导体晶体 管管CMOS 3.1 分类分类 8 3.2 光电探测器的选择原则光电探测器的选择原则 n探测器输出电信号大小与测量光信号大小的关系； n探测器的光谱响应范围与测量光信号的光谱范围是否一致； n探测器能探测的最小信号功率； n探测调制信号或脉冲光信号时，响应时间是否一致。 9 3.3 光源及照明系统光源及照明系统 光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光 电测量往往起着关键的作用。含光源的特性、光源的种类、 照明光学系统及光源选用等问题。 注：应用

　　7、中宜采用发光效率高的光源以节省能源。 一、光源的基本参数 1发光效率 在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量 与产 生该光通量所需要的功率 之比，称为该光源的发光效率， 表示为: V P 2 1V d PP 式中， 为该光电测量系统的光谱范围。21 10 2光谱功率谱分布光谱功率谱分布 光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长 有关，称 为光谱的功率分布。常见的有四种典型的分布。 典型光源功率谱分布 a )线状光谱 b )带状光谱 c )连续光谱 d )复合光谱 a如低压汞灯光谱；b如高压汞灯光谱；c 如白炽灯、卤素灯光谱； d如荧光灯光谱。 注：注： 在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的

　　8、峰值波长与光电器件的在选择光源的时候，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的 灵敏波长相一致；目视测量，可选用可见光谱辐射比较丰富的光源；目视灵敏波长相一致；目视测量，可选用可见光谱辐射比较丰富的光源；目视 瞄准，宜选用绿光光源；彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯作光源。紫外和瞄准，宜选用绿光光源；彩色摄像应采用白炽灯、卤素灯作光源。紫外和 红外测量，宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。红外测量，宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。11 3空间光强分布特征空间光强分布特征 HG500发光二极管的配光曲线 由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个 方向是不同的。若在光源辐

　　9、射光的空间某一截面上，将发 光强度相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度 曲线，即配光曲线。 为提高光的利用率，一般选择发光强度高发光强度高的方向作为照 明方向。为了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反 光罩的焦点应位于光源的发光中心。 12 任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称 为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 表示为： 式中， 为辐射本领； 为吸收率，当 时的物体称为绝对黑体。 b ,MT b , , , MT MT T e , d dA d MT ,T ,1T 4光源的温度和颜色光源的温度和颜色 13 黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般

　　10、的光源，它 的某些特征常用黑体辐射特征近似地表示，其温度常用色温或 相关色温表示。 色温：色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色 相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。 相关色温：相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标 点最近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。 注：在光电测量中为了减少光源温度对测量的影响，应采用 冷光源冷光源或者设法减少热辐射的影响。 4光源的温度和颜色光源的温度和颜色 14 二、光电测量中的常用光源二、光电测量中的常用光源 物体温度大于绝对零度时就会向外辐射能量，辐射以光子 形式进行，我们就会看到光。 1太阳光太阳光： 太阳向地球辐射

　　11、热我们称之为阳光。阳光是复 色光，太阳光源是很好的平行光源。 2白炽灯白炽灯： 白炽灯靠灯泡中的钨丝被加热而发光，它发出 连续光谱。发光特性稳定、简单、可靠、寿命比较长，得到广 泛的应用。真空钨丝灯是将玻璃灯泡油成真空，充气灯泡是灯 泡内充氩、氮等惰性气体，卤素灯是灯泡内充有卤族元素（氯 化碘、溴化硼等）。 白炽灯的供电电压对灯的参数（电流、功率、寿命和光通量） 有很大的影响，其关系如下所示： 00 0.50.278 V 00 V0 n V V VI VI 15 利用气体放电原理来发光的光源称为气体放电光源。 特点：特点： l发光效率高，比白炽灯高210倍，可节省能源。 l结构紧凑，耐震、耐冲

　　12、击。 l寿命长，大约是白炽灯的210倍，可节省能源。 l光色范围大，如晋通高压汞灯发光波长大约为400500nm， 低 压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色（589 nm），氙灯近日色，水 银荧光灯为复色。 气体放电光源经常被用于工程照明和光电测量之中。 3气体放电光源气体放电光源 16 在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件称为 半导体发光器件（注入式场致发光光源），通常称为LED。 半导体发光二级管 a)原理图 b)外观图 c)器件符号 4半导体发光器件半导体发光器件 17 常用发光二级管材料及性能如下表所示。 /nm 1 /(lm W) 0.6 0.4 GaAsP 0.15 0.85

　　13、 GaAsP GaP:N GaAs GaAsSi 注：半导体发光二极管既是半导体器件也是发光器件，因此其工作参数 有电学参数和光学参数。 18 能激发出激光并能实现激光的持续发射的器件称为激光器。 激光特点：激光特点：单色性好，相干能力强，方向性好、亮度高，在光电测 量中常用作相干光源。 激光器三大要素：激光器三大要素：激光工作物质，激励能源和光学谐振腔。 激光器分类：激光器分类：固体激光器、气体激光器和半导体激光器。 激励系统：激励系统：光激励、电激励、核激励和化学反应激励等。 光学揩振腔用以提供光的反馈，以实现光的自激振荡，对弱光 进行放大，并对振荡光束方向和频率进行限制，实现选频，保证

　　14、光的单色性和方向性。 5激光光源激光光源 19 He-Ne气体激光器气体激光器-激光单色性和方向性好激光单色性和方向性好 在选择和使用在选择和使用He-Ne激光器时应注意以下几点：激光器时应注意以下几点： （1）激光模态。 在用He-Ne激光器作光电测量的光源时， 一般都选用单模激光。观察激光输出的光斑形状发现，光斑 形状较为复杂， 在光电测量中选用的激光光斑形状应为均匀 的圆形光斑，即选TEM00横模。 激光的横模 a）TEM00模 b）TEM10模 c）TEM13模 d）TEM11模 20 （2）功率。 光电测量中所用的He-Ne激光光源功率一般在几到十几mW。 （3）稳功率和稳频。 He

　　15、-Ne激光器输出的功率变化较大，在精度较高的光电测量 中，应对He-Ne激光器稳功率。此外，在相干测量中光的波 长是测量基准，因此要求波长很稳定，即要采用稳频技术。 另，稳频对稳功率也有作用。 （4）激光束的漂移。 虽然He-Ne激光具有很好的方向性和单色性，但它也是有漂 移的，当作用精密尺寸测量和准直测量时尤应注意。 21 半导体激光器（半导体激光器（LD），用半导体材料制成的面结型的二极管。 在使用半导体激光器时，应注意以下几点： （1）作为平行光照明时应用柱面镜将光束整形，再用准直镜准直； （2）频率稳定性。 LD光的单色性、相干性较差，因此用LD作相干 光源且测量距离又较大时，必须对L

　　16、D稳频。LD的稳频法主要有吸收 法和电控法； （3）调频。 改变LD的注入电流 会使LD的输出频率产生的变化。 如果注入电流是按某一频率变化规律来变化，那么输出的激光将被 调频。这种调频是在LD内部实现的，故称为内调制。由此原理制成 的半导体激光器可用于外差测量。 22 三、照明系统三、照明系统 照明对光学系统的成像质量起着非常重要的作用，照明的种 类繁多，用途也非常广泛。 照明系统的设计原则照明系统的设计原则 1）保证足够的光能。 2）有足够的照明范围，照明均匀。 3）照明光束应充满物镜的入瞳。 4）应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。 5）合理安排布局，避免光源高温的有害影响。 2

　　17、3 1. 直接照明：直接照明：按照明方法分为透射光亮视场照明，反射光 亮视场照明，透射光暗视场照明，反射光暗视场照明， 分别如图a、b、c、d所示，图中阴影部分为照明光场。 按光源类型分为白炽灯照明、光纤照明等。 直接照明四种类型 a）透射光亮视场照明 b）反射光亮视场照明 c）透射光暗视场照明 d）反射光暗视场照明 照明系统的种类照明系统的种类 24 2. 临界照明：临界照明：光源的光通过聚光镜成像在物面上或其附近。 临界照明 照明光源灯丝成像到物平面上，这种照明在视场范围内有最 大的亮度，而且没有杂光。缺点是光源亮度的不均匀性将直 接反映在物面上，并且不满足光孔转接原则。 25 3远心柯勒

　　18、照明：远心柯勒照明：集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上 ，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，视场光阑被聚光镜 成像到物面上。 远心柯勒照明 优点：孔径光阑大小可调，经聚光镜成像于物镜的入瞳位置，满足 光孔转接原则，又充分利用了光能。孔径光阑大小决定了照明系统 的孔径角、分辨力和对比度，视场光阑控制照明视场的大小，避免 杂光进入物镜。 26 4光纤照明光纤照明 ：因照明均匀、亮度高、光源热影响小而得 到广泛应用。根据照明光线端部排列形式和光束出射方 向，分为环形光纤照明和同轴光纤照明等。 右图是一环形光纤照 明光源，光源发出的光经 过聚光镜耦合进入光纤束， 光纤束在另一端分束，形 成一环形光纤排。

　　19、光纤照光纤照 明光能集中，能获得较均明光能集中，能获得较均 匀的高亮度照明区域匀的高亮度照明区域。并 且照明部分远离光源，解 决了光源散热对被测物体 的影响。 1-光源 2-聚光镜阑 3-光纤束 4-环形 光纤排 27 5同轴反射照明同轴反射照明 ：光源发出的光经过物镜投射到物体上，物 镜本身兼做聚光镜。物镜将物面成像到CCD的光敏面上。 这种照明系统可 以检测反射镜面上的 缺陷。如果被测表面 是镜面，则镜面的反 射光线全部进入物镜 成像，因此整个图像 都是白色。当镜面上 有腐蚀斑点或者污渍 时，所产生的漫反射 光线进入物镜的甚少， 因此图像上将产生黑 色的斑点。 同轴照明 1-光源 2-集光

　　20、镜 3-孔径光 4-视场光阑 5- 聚光镜 6-分光镜 7-物镜 8-物面 9-CCD 28 四、光源及照明系统的选择四、光源及照明系统的选择 正确地选用光源是充分而又有效地满足仪器使用要求的必 要条件。在选择光源时，一般应考虑以下几方面的问题。 1光源的光谱能量分布特性光源的光谱能量分布特性 光源的光谱能量分布首先应满足仪器使用上的要求。 l在干涉仪中，光源的波长是仪器的标准器，因此其单色性 应满足测量精度及测量范围的要求； l在非相干照明中，光源的光谱分布应与接收器的光谱响应 相匹配，可节省能量，提高检测信号的信噪比； l在目视仪器中，视场的背景最好是适宜人眼的黄绿色，将 有害的红外辐射（

　　21、它可能引起仪器的热变形）用滤色片滤去； l若仪器中有几个不同的接收器共用一个光源，则光源的光 谱分布要能兼顾各接收器的响应。 29 l在精密测量中，被测对象一般都不是发光体，所以必须进行人工 照明，使被测物体达到一定的照度； l在以光电元件为接收器的仪器中，被测物体光照强度有利于提高 信噪比及后继电路的处理； l在目视仪器中，视场应有足够的照度，这在大屏幕投影测量系统 中问题较为突出。 应根据使用要求及接收器的性能来考虑对光源的光强要求。 2光度特性光度特性 30 l 在临界照明系统中，将灯丝（发光体）成像在被测物面上，因 此灯丝发光面的形状与被测物相似才能获得均匀而有效的照明； l 在柯勒照

　　22、明中，灯丝的像成在系统的入瞳上，若使灯丝（发光 面）的形状与入瞳相似，就能充分利用入瞳的孔径而传递更 多的光能。因此设计时应根据被测物面的形状和入瞳形状来 选择光源的发光面形状； l 发光面的尺寸及光源的结构尺寸，还与仪器的结构尺寸有关， 应按仪器总体要求的尺寸来选用合适的光源结构尺寸。 3发光面的形状、尺寸及光源的结构发光面的形状、尺寸及光源的结构 31 l对于直接检测系统，主要检测的是信息的光功率，这时要求光源 稳定性要好，因为光源的功率波动是影响系统精度的主要因素； l 对于测距系统除了要求光源稳定性外，还对光源的光功率有严 格要求，因为测距系统的光功率直接影响作用距离； l对于相干检测系统，除了要求用相干光源外还对光源的单色性、 稳频性能、平行性及光源尺寸等有要求。 4满足光电系统的功能要求满足光电系统的功能要求 32 在光电仪器的设计中，光源及照明系统有着十分重要 的地位，设计者应根据使用要求选择合适的光源和照明系统。 在选用光源时还应考虑光源的供电系统复杂与否、是否 需要人工冷却、使用寿命、更换方便程度以及价格等因素。 设计时可采取一定措施来改变光源的某些性能，例如对 普通的钨丝灯，改变灯丝电压后，电流、温度、光通量、发 光效率以及寿命等均随之变化。 总总 结结 33

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