精密儀器設計1Design

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Precision

Instrument測控技術與儀器研究所自動化工程學院Evaluation

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ProfiCo光py電rig精ht密20檢04測-測20系11統As設pos計e

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Ltd.一、現代精密光電檢測儀器特點2現代精密儀器：現代制造技術（光、機、電、算）、納米技術、仿生學原理、新材料等。信息加載于光波，是一E種v非al接u觸at和i非on破壞on性l測y.量，可適用于遠距ed離w、it危h險A、sp惡o劣se環.境Sl測i量de；s

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Profi光波傳播C速o度py快r，ig可h進t行2實00時4測-2量0和11控A制s；pose

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Ltd.測量精度高，如激光干涉測量的精度可達1/100波長；具有很高的空間分辨率；可進行圖像處理。光學精密機械系統光電轉換系統電路處理系統制系統電機及驅動系統二、典型精密儀器的基本組成3Evaluation

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f顯o示r、.打NET

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ProfiC信o息py獲r取i與g應h用t

2004印-系20統11

A信sp息o處s理e、P變t換y與L顯t示d.(1)光學精密機械系統光學成像系統——物鏡、光欄等；照明系統——光源、濾鏡等精密機械系統——X-Y精密工作臺、微動工作臺（Micro-table真空吸附臺以及傳動部件（如Flexure

Hinge等。(2)光電轉換與傳遞系統——CCD、攝像機、光電管（Phototube）、4硅光電池（Silicon

photo-cell）、二、典型精密儀器的基本組成Evaluation

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Aspos光e.柵S（liGrdaetsinfgo）r、.激NE光T等3。.5

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Profi(3)電Co路p處yr理i與gh計t算2機00控4制-2011

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Ltd.——信息處理、變換與存儲顯示及模塊控制等。功放、A/D、D/A、DSP、FPGA、CPLD、F/VI/O、LED、LCD等。(4)電機及驅動系統電機——直流電機、交流電機、直線電機、力矩電機、音圈電機（Voice

Coil

Motor）、步進電機！微位移技術中，采用致動器（Actuator）作為驅動源，如PZT、Electrostatic

Force等。二、典型精密儀器的基本組成（SteppingEvMoatloura）t、io納n米o電nl機y（.Nanomotion）等ed

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Profi5Copyright

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Ltd.被對象控制電路計算機顯示與控制作用：將光束變成平行光束、發散光束、會聚光束或其他形式結構的光束6作用：利用顯微系統、照相系統、望遠系統及調制器、濾波器將來自被測對象的光變成光電傳感器能接收的光二、典型精密儀器的基本組成Evaluation

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Asp光os學e.系S統lides

fo光r電.N探E測T

器3.5

Cli調en理t電P路rofiCo光py學ri系g統ht

2004-20光11源Aspose

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Ltd.三、光學系統設計7光電探測器光源Evaluation

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Ltd.光電探測器真空光電器件固體光電器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強管光敏電阻光電耦合器光中斷器位置傳感器PSD自掃描光電二極管陣列SSPD電荷耦合器件CCD互補型金屬氧化物半導體晶體管CMOS3.1分類Evalua光ti電o池n

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for光.電N二ET極3管.5

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2004-2光0電11三A極s管pose

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Ltd.83.2光電探測器的選擇原則探測器輸出電信號大小與測量光信號大小的關系；探測器的光譜響應范圍E與v測al量u光at信i號on的o光n譜ly范.圍是否一致；ed

探wi測t器h

能As探p測os的e最.S小l信id號e功s率fo；r

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Ltd.探測調制信號或脈沖光信號時，響應時間是否一致。93.3光源及照明系統光電測量中，光是信息的載體，光源及照明系統的質量對光電測量往往起著關鍵的作用。含光源的特性、光源的種類、照明光學系統及光源選用等問題。一、光源的基本Ev參al數uation

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w1i．t發h

A光s效po率se.Slides

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Profi在給定Co的p波yr長i范gh圍t內2，00某4一-2光0源11所A發s出p的os光e通P量ty

L與td產.生該光通量所需要的功率之比，稱為該光源的發光效率，表示為:式中， 為該光電測量系統的光譜范圍。注：應用中宜采用發光效率高的光源以節省能源。102．光譜功率譜分布光源輸出的功率與光譜有關，即與光的波長 有關，稱為光譜的功率分布。常見的有四種典型的分布。Evaluation

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ProfiCopyrigh典t

型20光0源4-功2率01譜1分A布spose

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Ltd.a

)線狀光譜 b

)帶狀光譜 c

)連續光譜 d

)復合光譜a如低壓汞燈光譜；b如高壓汞燈光譜；c如白熾燈、鹵素燈光譜；d如熒光燈光譜。注：在選擇光源的時候，應選擇光譜功率分布的峰值波長與光電器件的靈敏波長相一致；目視測量，可選用可見光譜輻射比較豐富的光源；目視瞄準，宜選用綠光光源；彩色攝像應采用白熾燈、鹵素燈作光源。紫外和紅外測量，宜選用相應的紫外燈（氙燈、紫外汞燈）和紅外燈。113．空間光強分布特征HG500發光二極管的配光曲線由于光源發光的各向異性，許多光源的發光強度在各個方向是不同的。若在光源輻射光的空間某一截面上，將發光強度相同的點連線，就得到該光源在該截面的發光強度曲線，即配光曲線。為提高光的利用E率v，al一u般at選i擇on發o光n強ly度.高的方向作為照ed

wit明h方A向s。po為s了e.充S分li利d用es其f他o方r向.N的E光T，3.可5以C用l反ie光n罩t

，Pr反ofi光罩的C焦op點y應ri位g于ht光2源0的04發-光20中1心1。Aspose

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Ltd.12表示為：任何物體，只要其溫度在絕對零度以上，就向外界發出輻射，稱為溫度輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，其輻射本領Evaluation

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Ltd.式中， 為輻射本領； 為吸收率，當時的物體稱為絕對黑體。4．光源的溫度和顏色黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對于一般的光源，它的某些特征常用黑體輻射特征近似地表示，其溫度常用色溫或相關色溫表示。14色溫：輻射源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色注：在光電測量中為了減少光源溫度對測量的影響，應采用冷光源或者設法減少熱輻射的影響。4．光源的溫度和顏色Evaluation

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Profi相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。相關色溫C：o光py源r的ig色h坐t標20點0與4-某2一0溫11度A下s的po黑s體e

輻Pt射y的L色td坐.標點最近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關色溫。二、光電測量中的常用光源泡內充氬、氮等惰性氣體，鹵素燈是燈泡內充有鹵族元素（氯化碘、溴化硼等）。白熾燈的供電電壓對燈的參數（電流、功率、壽命和光通量有很大的影響，其關系如下所示：物體溫度大于絕對零度時就會向外輻射能量，輻射以光子形式進行，我們就會看到光。太陽光：太陽向地球輻射熱我們稱之為陽光。陽光是復色光，太陽光源是很好的平行光源。白熾燈：

白熾燈E靠va燈l泡ua中t的io鎢n絲o被nl加y熱.

而發光，它發出ed

連wi續t光h

譜As。p發os光e特.S性l穩id定e、s簡fo單r、.可NE靠T、3壽.命5

比Cl較i長en，t得P到ro廣fi泛的應用C。o真py空r鎢ig絲h燈t

是20將0玻4-璃2燈01泡1油A成s真po空s，e

充Pt氣y燈L泡td是.燈15利用氣體放電原理來發光的光源稱為氣體放電光源。特點：發光效率高，比白熾燈高2E～va10l倍ua，t可io節n省o能n源ly。.e結d構w緊it湊h，A耐sp震o、se耐.沖Sl擊i。des

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Profi壽命長，大約Co是p白yr熾i燈gh的t2～20100倍4-，2可01節1省A能sp源o。se

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Ltd.光色范圍大，如晉通高壓汞燈發光波長大約為400～500nm，低壓汞燈則為紫外燈，鈉燈呈黃色（589nm），氙燈近日色，水銀熒光燈為復色。氣體放電光源經常被用于工程照明和光電測量之中。163．氣體放電光源半導體發光二級管a)原理圖b)外觀圖c)器件符號4．半導體發光器件在電場的作用下使半導體的電子與空穴復合而發光的器件稱為半導體發光器件（注入式場致發光光源），通常稱為LED。Evaluation

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Ltd.17常用發光二級管材料及性能如下表所示。with

Aspose.SliEvaluatiodes

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Ltd.18注：半導體發光二極管既是半導體器件也是發光器件，因此其工作參數有電學參數和光學參數。edfi5．激光光源19能激發出激光并能實現激光的持續發射的器件稱為激光器。激光特點：單色性好，相干能力強，方向性好、亮度高，在光電測量中常用作相干光源。Evaluation

only.e激d光w器it三h大A要sp素o：se激.光Sl工i作de物s質f，or激.勵N能ET源3和.光5學C諧li振e腔nt。Profi激光器分類：Co固p體yr激i光gh器t、2氣00體4激-2光0器11和A半s導p體os激e光P器ty。Ltd.激勵系統：光激勵、電激勵、核激勵和化學反應激勵等。光學揩振腔用以提供光的反饋，以實現光的自激振蕩，對弱光進行放大，并對振蕩光束方向和頻率進行限制，實現選頻，保證光的單色性和方向性。He-Ne氣體激光器-----激光單色性和方向性好在選擇和使用He-Ne激光器時應注意以下幾點：（1）激光模態。在用He-Ne激光器作光電測量的光源時，一般都選用單模激光。觀察激光輸出的光斑形狀發現，光斑形狀較為復雜，在光電測量中選用的激光光斑形狀應為均勻的圓形光斑，即選TEEMv0a0橫lu模a。tion

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Ltd.激光的橫模b）TEM10模 c）TEM13模 d）TEM11模a）TEM00模20（2）功率。21光電測量中所用的He-Ne激光光源功率一般在幾到十幾mW。（3）穩功率和穩頻。He-Ne激光器輸出的功率變化較大，在精度較高的光電測量Evaluation

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w中it，h應A對spHeo-sNee.激S光l器id穩e功s

率fo。r此.外NE，T在3相.5干C測l量ie中n光t的P波rofi長是測量Co基p準yr，i因gh此t要2求00波4長-很20穩1定1

，As即p要os采e用P穩ty頻L技t術d.。另，穩頻對穩功率也有作用。（4）激光束的漂移。雖然He-Ne激光具有很好的方向性和單色性，但它也是有漂移的，當作用精密尺寸測量和準直測量時尤應注意。半導體激光器（LD），用半導體材料制成的面結型的二極管22（3）調頻。改變LD的注入電流會使LD的輸出頻率產生的變化。如果注入電流是按某一頻率變化規律來變化，那么輸出的激光將被調頻。這種調頻是在LD內部實現的，故稱為內調制。由此原理制成的半導體激光器可用于外差測量。在使用半導體激光器時，應注意以下幾點：作為平行光照明時應用柱面鏡將光束整形，再用準直鏡準直；頻率穩定性。

LD光的E單va色l性ua、t相io干n性o較nl差y，.因此用LD作相干e光d源w且it測h量A距sp離o又se較.大S時li，d必es須f對oLrD穩.N頻E。T

L3D.的5穩C頻li法e主nt要P有r吸of收i法和電控法；Copyright

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Ltd.三、照明系統23照明對光學系統的成像質量起著非常重要的作用，照明的種類繁多，用途也非常廣泛。照明系Ev統al的u設at計io原n

則only.ed

1w）it保h證A足sp夠o的se光.能Sl。ides

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Profi有足夠Co的p照yr明i范gh圍t，2照0明04均-勻20。11

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Ltd.照明光束應充滿物鏡的入瞳。應盡量減少雜光進入物鏡，以保證像面的對比度。合理安排布局，避免光源高溫的有害影響。1.直接照明：按照明方法分為透射光亮視場照明，反射光亮視場照明，透射光暗視場照明，反射光暗視場照明，分別如圖a、b、c、d所示，圖中陰影部分為照明光場。直接照明四種類型a）透射光亮視場照明

b）反射光亮視場照明c）透射光暗視場照明

d）反射光暗視場照明照明系統的種類24Evaluation

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wit按h光A源sp類o型se分.為Sl白i熾de燈s照f明o、r

光.N纖E照T

明3.等5。Client

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Ltd.2.臨界照明：光源的光通過聚光鏡成像在物面上或其附近。Evaluation

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Ltd.臨界照明照明光源燈絲成像到物平面上，這種照明在視場范圍內有最大的亮度，而且沒有雜光。缺點是光源亮度的不均勻性將直接反映在物面上，并且不滿足光孔轉接原則。253．遠心柯勒照明：集光鏡將光源成像到聚光鏡的前焦面上，孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，視場光闌被聚光鏡成像到物面上。Evaluation

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Ltd.遠心柯勒照明優點：孔徑光闌大小可調，經聚光鏡成像于物鏡的入瞳位置，滿足光孔轉接原則，又充分利用了光能。孔徑光闌大小決定了照明系統的孔徑角、分辨力和對比度，視場光闌控制照明視場的大小，避免雜光進入物鏡。264．光纖照明：因照明均勻、亮度高、光源熱影響小而得到廣泛應用。根據照明光線端部排列形式和光束出射方向，分為環形光纖照明和同軸光纖照明等。決了光源散熱對被測物體的影響。右圖是一環形光纖照明光源，光源發出的光經過聚光鏡耦合進入光纖束E，valuation

only.ed光w纖i束th在A另s一po端s分e.束S，li形des

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Profi成一環形光C纖op排y。ri光g纖ht照2004-2011

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Ltd.明光能集中，能獲得較均勻的高亮度照明區域。并且照明部分遠離光源，解271-光源

2-聚光鏡闌

3-光纖束

4-環形光纖排5．同軸反射照明：光源發出的光經過物鏡投射到物體上，物鏡本身兼做聚光鏡。物鏡將物面成像到CCD的光敏面上。這種照明系統可以檢測反射鏡面上的缺陷。如果被測表面是鏡面，則鏡面的反都是白色。當鏡面上有腐蝕斑點或者污漬時，所產生的漫反射光線進入物鏡的甚少，因此圖像上將產生黑色的斑點。同軸照明1-光源

2-集光鏡

3-孔徑光

4-視場光闌

5-聚光鏡

6-分光鏡

7-物鏡

8-物面

9-CCD28Evaluation

only.e射d

光wi線t全h部As進p入os物e鏡.Slides

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Profi成像，因此C整o個py圖r像ight

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Ltd.四、光源及照明系統的選擇29正確地選用光源是充分而又有效地滿足儀器使用要求的必要條件。在選擇光源時，一般應考慮以下幾方面的問題。1．光源的光譜能量分布特性光源的光譜能量分E布v首a先lu應a滿ti足o儀n

器on使l用y.上的要求。ed

wi在t干h

涉As儀p中os，e光.S源l的id波e長s是fo儀r器.的NE標T準3器.，5

因Cl此i其en單t色P性rofi應滿足測C量o精py度r及ig測h量t

范20圍0的4-要2求01；1

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Ltd.在非相干照明中，光源的光譜分布應與接收器的光譜響應相匹配，可節省能量，提高檢測信號的信噪比；在目視儀器中，視場的背景最好是適宜人眼的黃綠色，將有害的紅外輻射（它可能引起儀器的熱變形）用濾色片濾去；若儀器中有幾個不同的接收器共用一個光源，則光源的光譜分布要能兼顧各接收器的響應。在精密測量中，被測對象一般都不是發光體，所以必須進行人工照明，使被測物體達到一定Ev的a照lu度a；tion

only.30e在d以w光it電h元A件sp為o接se收.器Sl的i儀de器s中f，or被測.N物E體T

光3.照5強C度li有e利nt于P提r高of信i噪比及后繼Co電p路yr的i處gh理t；2004-2011

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Ltd.在目視儀器中，視場應有足夠的照度，這在大屏幕投影測量系統中問題較為突出。應根據使用要求及接收器的性能來考慮對光源的光強要求。2．光度特性3．發光面的形狀、尺寸及光源的結構31在臨界照明系統中，將燈絲（發光體）成像