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1、第二章 光电仪器总体设计,2.1 设计任务分析,2.2 信号转换原理的选择,2.3 提高仪器精度的技术措施,2.4 仪器结构参数及技术指标的确定,概述,光电仪器总体设计是指在仪器具体设计以前，从总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行的全面设想和规划。,设计任务分析；信号转换原理(信号检测及其传输方式)选择；提高仪器精度的技术措施仪器若干设计原则和设计原理的讨论；仪器结构参数及技术指标的确定；总体设计中其它应考虑的问题；仪器总体方案的确定。,总体设计主要考虑：,2.1 设计任务分析,设计者根据用户专门的需要，针对特定的被测对象和被测参数设计专用的仪器。 设计通用产品和系列产品。根据技术的发展和
2、对社会需求的预测，推出性能好、功能全、技术先进的新型产品新型仪器，进行开发性设计。,光电仪器的设计任务一般有三种情况：,设计任务分析的工作目的是要弄清楚设计任务对仪器设计提出的各项指标和要求，并根据总体设计的基本原则，逐一地进行分析研究。,设计分析的内容,明确仪器在系统中的地位：即明确仪器在系统中的用途，才能进一步确定仪器的工作原理及技术参数等。了解使用要求：即要求仪器在一定的工作范围内能有效实现预期的功能，并一定使用期间不丧失原有功能。了解被测参数的特点：即其目的是实现被测参数的测量。主要了解被测参数以下几方面的特点：被测参数的定义 被测参数是什么含义，如是长度、角度还是表面粗糙度等。被测参
3、数的精度要求 光电仪器及设备的精度一般可分为三类： （1）中等精度 （2）高精度 （3）超高精度,设计分析的内容,被测参数的数值范围 要求仪器的测量范围要大于被测参数的数值范围，但不能超出过多。被测参数的性质 是单值参数、复合参数, 还是直接测量参数、间接测量参数。被测参数的状态 是瞬态量、稳态量，还是动态量、静态量等。 了解被测参数载体（被测对象）的特点：为了设计好仪器，必须了解有关被测参数载体的大小、形状、材料、重量、状态等特点。 了解仪器的功能要求：仪器的功能是指仪器的用途，检验效率；承载能力；操作方式(自动、手动)；外形尺寸和重量要求以及测量结果的显示方式等。,了解仪器的工作环境：仪器
4、的使用要求及使用场合不同，仪器设计时考虑外界条件影响的侧重点也有差异。 正确进行科学试验：是理论联系实际的重要环节。专利文献检索：目的有两个：一是了解已有的技术方案及其专利特征；二是对已有的技术优缺点进行比较分析比较，探求新的技术途径，确立自己的设计特点。了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点了解仪器制造厂的有关情况：帮助改进一起设计的工艺性，提高生产效率。,设计分析的内容,2.2 信号转换原理的选择,仪器主要采用的四类能量或信号的转换形式,机械,光学,电磁,气动,机械式的仪表和量具,示值误差为0.010.001mm 对环境要求较低 简单耐用 适合于工厂车间使用 一般价格便宜,机械式温
5、度计按原理分为双金属温度计和气体膨胀式温度计，温度测量显示范围在-200oC至+700oC。目前生产的双金属温度计和气体膨胀式温度计带有报警电接点开关，同时可以充液防震。,2.2 信号转换原理的选择,电磁量仪,磁栅感应同步器电容传感器电感涡流,气动量仪,测量范围：0.020.25mm示值误差：（0.21）m,光电仪器中的能量或信号的转换形式是基于光学原理，采用光电转换技术实现对目标信息的探测及提取。,光学成像原理,特点：示值误差为0.51m；性能稳定、耐用。,望远镜一般包括： 1.镜身组：是望远镜的主体，分左、右镜身。 2.物镜组：由透镜、物镜筒等组成。 3.目镜组：由透镜、目镜框、视度手轮等
6、组成。 4.分划板：可对被观察的已知目标的方向、高低夹角及视距进行测量。 5.连接轴：是望远镜左、右镜身的连接件。 6.护盖和背带：为了保护物镜和目镜透镜。,中心调焦测距望远镜,观鸟用双筒望远镜,军用望远镜,望远镜,光学成像原理,望远镜根据物镜的种类可以分为：折射望远镜：物镜由透镜或透镜组组成。 反射式望远镜：除主物镜外，还有一或几个小反射镜，用来改变光线方向便于安装目镜。 折反射望远镜：物镜是由折射镜和反射镜组合而成。,开普勒望远镜,牛顿式反射望远镜,施密特望远镜,原理由两个凸透镜构成。由于两者之间可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用
7、此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。,采用抛物面镜作为主镜，光进入镜筒的底端，然后折回开口处的第二反射镜（平面的对角反射镜），再次改变方向进入目镜焦平面。牛顿望远镜的成像是一个倒像，倒像并不影响天文观测，因此牛顿反射望远镜是天文学使用的最佳选择。,由一块接近平行平板的非球面改正透镜和一个凹球面反射镜组成，星光在望远镜里先通过折射，再经过反射，然后才成像。施密特望远镜光力强，可见范围大，成像的质量也比较好，因而特别适用于进行流星、慧星、人造卫星等的巡视观测，也常用于大面积造相和天文科普活动。,经纬仪是光学测量的重要基准仪器之一，用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度
8、、工程放样以及粗略的距离测取。广泛应用于大型设备的安装和调试，更是大地测量的主要仪器。主要由望远镜、轴系、度盘、读数系统、指标水准管、光学对中器等部分组成。它可以测量空间方位角和距离等，而且具有很高的测量精度，体积小，重量轻，便于携带。,光学成像原理,经纬仪,光学成像原理,照相机包括镜头和瞄准系统两大部分，其主要结构有：镜头、取景器、快门和光圈、输片计数机构、机身。,照相系统是指那些平面图像或空间物体成像于感光胶片或光电探测器上的光学系统。它可把各种事物真实记录下来，在各领域有极为广泛的用途。 照相物镜的基本光学性能由焦距、相对孔径和视场角这三个参数表征。物镜的焦距决定拍摄像的大小；像的照度与
9、相对孔径的平方和透过率的乘积成比例。物镜的视场角决定了进入底片的空间范围。,照相机结构图,照相机光路原理图,照相机,光学成像原理,数码相机使用电荷耦合器CCD/CMOS元件接收，直接光信号转变为电信号，通过信号处理后记录于存储卡上。数码相机有液晶屏，拍照的时候可以“即拍即得”，并可随时对照片进行查看、删改处理。,数码相机,数码相机,光学成像原理,摄像机的工作原理是：物体通过摄像机镜头成像在面阵光电探测器上，经过光电转换将图像信号转换为电信号，再经过电路处理，得到标准的视频信号，然后送到录像机等记录媒介上记录下来，或通过传播系统传播到监视器上显示出来。,红外防水摄像机,微型摄像机,飞碟型摄像机,
10、摄像机原理图,摄像机,投影机采用的是前投技术，即观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧。 投影机按照镜头焦距长短可分为：1、长焦距投影机2、短焦距投影机3、中焦距投影机,投影机,光学成像原理,显微镜是常用的光学仪器之一。本质上是一个高倍的放大镜。 显微镜的机械装置包括镜筒、镜头转换器、粗准焦螺旋、细准焦螺旋、镜座、镜臂和载物台七部分。 显微镜的光学系统包括目镜、物镜、底光源、聚光镜和光阑五部分。,体视显微镜,生物显微镜,金相显微镜,偏光显微镜,显微镜结构图,显微镜,光学成像原理,图 2-1光电准直光管光学系统图1-光源 2-聚光镜 3-分划板 4-析光棱镜 5-物镜 6-反光镜 7-光电元件 8-
11、聚光镜 9-狭缝 10-析光棱镜 11-分划板 12-目镜,光学成像原理,光电准直光管,这种光电准直光管的对准精度可达0.1，甚至更高。,衍射原理,特点：测长光栅：(0.2+210-6L)m，式中L为被测长度。测角光栅可达1或更高的精度。要求清洁的环境。,红色激光的圆孔衍射图样,分光光度计采用一个可以产生多个波长的光源，通过系列分光装置，从而产生特定波长的光源，光线透过测试的样品后，部分光线被吸收，计算样品的吸光值，从而转化成样品的浓度。,衍射原理的应用,分光光度计是一种高精密光谱测试仪器。可以测量光学零件（平面、球面）光谱曲线和偏振状态，也可以对液体或粉末试样等进行吸收光谱特性测量，一般分光
12、光度计由光源、单色器、照明系统、光度系统等部分组成。,分光光度计,分光光度计,衍射原理的应用,图 2-2 UMM500三坐标测量机的光栅系统光路图1光导纤维；2、3透镜； 4、5光栅副；6、8 聚光镜；7转向棱缘；9光电三极管,UMM500三坐标测量机,衍射原理的应用,图 2-4 薄膜表面涂层检查仪的原理图1气体激光器2柱面透镜 3柱面透镜 4薄膜 5电声传感器 6滚筒 7棱缘 8测微计 9驱动马达10指示电表 11光电元件 12容性滤波网络 13光电检测器 14干涉滤光片 15差动放大器16中心指零电表,薄膜表面涂层检查仪,干涉原理,特点：目前计量领域中应用最广精度最高的方法。在测长距离的情
13、况下可以在50米以内实现以下误差公式：(0.110-6L)m，在测量微小位移时可以得到优于0.1nm的分辨率。在测角中的应用可以得到0.1或更高的精度。干涉原理广泛的应用于粗糙度测量、平面度测量以及变形测量等。,产生条件：只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。,迈克尔逊干涉仪是一种分振幅干涉装置，其主要优点是两束相干光完全分开，光程差可由一个反射镜的平移来改变，因此很方便在光路中安置被测样品。可以使等厚干涉、等倾干涉等及各种条纹的变动做到容易调整，方便进行各种精密测量。,迈克尔逊干涉光路原理图,迈克尔逊干涉仪,迈克尔逊干涉条纹图,迈克尔逊干涉仪,干涉原理
14、的应用,干涉原理的应用,泰曼干涉仪,泰曼干涉仪是迈克尔逊干涉仪的一种变型，它采用的光源是单色点光源，不需要补偿板，在光学仪器制造工业中用于对光学零件或光学系统作综合质量检验。,泰曼干涉光路原理图,泰曼干涉仪,干涉原理典型的应用,激光小角度测量法原理,图 2-5 小角度测量的正弦原理,图 2-6 激光小角度测量原理图 1分光器 3、4角锥棱镜 2、5、6平面反射镜,激光小角度的测量,干涉原理典型的应用,双角锥棱镜激光小角度测量,图2-7 双角锥棱镜激光小角度测量原理图1光源 2角锥棱镜 3分光器 4接收器件,干涉原理典型的应用,大量程激光小角度测量,图2-8 大量程激光小角度测量原理图1光源 2
15、反射镜 3分光器 4五棱镜 5角锥棱镜 6转台,干涉原理典型的应用,偏振原理,在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。,偏振原理的应用,椭偏仪主要用于分析样品或薄膜的光学特性，可以测量薄膜厚度以及折射率、消光系数、表面孔隙率等特性以及晶体的偏振、双折射等。其工作原理是：当线偏振光入射到样片表面时，反射光的偏振状态会发生改变，通过测量这种改变来确定样品或薄膜光学常数的仪器。,椭偏仪,椭偏仪光路原理图,椭偏仪,偏振原理的应用,共光路干涉显微镜主要用于真实地反应超
16、光滑表面微观形貌特征，是超光滑表面微观形貌测量的有效工具。,共光路干涉显微镜的光路结构原理图,共光路干涉显微镜,共光路干涉显微镜,散射原理,在流体中的悬浮粒子的散射光相对于入射线的频率产生频移叫做多普勒频移，这个现象被用来测量流体的速度。散射信号的可见度和粒子直径有一定关系，故这种方法还可用于测粒径。,物质中存在的不均匀团块（如悬浮微粒、密度起伏）使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开，这种现象称为光的散射。,光的散射现象,散射的应用多普勒测速,当光源和反射体或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者多普勒于1842年发现的。当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移，称为多普勒频移。,
