周密仪器的设计-光检测系统的设计

精密仪器设计1Design

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Precision

Instrument测控技术与仪器研究所自动化工程学院Evaluation

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ProfiCo光py电rig精ht密20检04测-测20系11统As设pos计e

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Ltd.一、现代精密光电检测仪器特点2现代精密仪器：现代制造技术（光、机、电、算）、纳米技术、仿生学原理、新材料等。信息加载于光波，是一E种v非al接u触at和i非on破坏on性l测y.量，可适用于远距ed离w、it危h险A、sp恶o劣se环.境Sl测i量de；s

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Profi光波传播C速o度py快r，ig可h进t行2实00时4测-2量0和11控A制s；pose

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Ltd.测量精度高，如激光干涉测量的精度可达1/100波长；具有很高的空间分辨率；可进行图像处理。光学精密机械系统光电转换系统电路处理系统制系统电机及驱动系统二、典型精密仪器的基本组成3Evaluation

only计.算机控ed

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f显o示r、.打NET

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ProfiC信o息py获r取i与g应h用t

2004印-系20统11

A信sp息o处s理e、P变t换y与L显t示d.(1)光学精密机械系统光学成像系统——物镜、光栏等；照明系统——光源、滤镜等精密机械系统——X-Y精密工作台、微动工作台（Micro-table真空吸附台以及传动部件（如Flexure

Hinge等。(2)光电转换与传递系统——CCD、摄像机、光电管（Phototube）、4硅光电池（Silicon

photo-cell）、二、典型精密仪器的基本组成Evaluation

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

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Profi(3)电Co路p处yr理i与gh计t算2机00控4制-2011

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Ltd.——信息处理、变换与存储显示及模块控制等。功放、A/D、D/A、DSP、FPGA、CPLD、F/VI/O、LED、LCD等。(4)电机及驱动系统电机——直流电机、交流电机、直线电机、力矩电机、音圈电机（Voice

Coil

Motor）、步进电机！微位移技术中，采用致动器（Actuator）作为驱动源，如PZT、Electrostatic

Force等。二、典型精密仪器的基本组成（SteppingEvMoatloura）t、io纳n米o电nl机y（.Nanomotion）等ed

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Profi5Copyright

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Ltd.被对象控制电路计算机显示与控制作用：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6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Evaluation

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Asp光os学e.系S统lides

fo光r电.N探E测T

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Cli调en理t电P路rofiCo光py学ri系g统ht

2004-20光11源Aspose

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Ltd.三、光学系统设计7光电探测器光源Evaluation

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Ltd.光电探测器真空光电器件固体光电器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电耦合器光中断器位置传感器PSD自扫描光电二极管阵列SSPD电荷耦合器件CCD互补型金属氧化物半导体晶体管CMOS3.1分类Evalua光ti电o池n

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for光.电N二ET极3管.5

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2004-2光0电11三A极s管pose

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Ltd.83.2光电探测器的选择原则探测器输出电信号大小与测量光信号大小的关系；探测器的光谱响应范围E与v测al量u光at信i号on的o光n谱ly范.围是否一致；ed

探wi测t器h

能As探p测os的e最.S小l信id号e功s率fo；r

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Ltd.探测调制信号或脉冲光信号时，响应时间是否一致。93.3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。一、光源的基本Ev参al数uation

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w1i．t发h

A光s效po率se.Slides

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Profi在给定Co的p波yr长i范gh围t内2，00某4一-2光0源11所A发s出p的os光e通P量ty

L与td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:式中， 为该光电测量系统的光谱范围。注：应用中宜采用发光效率高的光源以节省能源。102．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。Evaluation

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ProfiCopyrigh典t

型20光0源4-功2率01谱1分A布spose

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Ltd.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：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。113．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E率v，al一u般at选i择on发o光n强ly度.高的方向作为照ed

wit明h方A向s。po为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点y应ri位g于ht光2源0的04发-光20中1心1。Aspose

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Ltd.12表示为：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Evaluation

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Ltd.式中， 为辐射本领； 为吸收率，当时的物体称为绝对黑体。4．光源的温度和颜色黑体的温度决定了它的光辐射特性。对于一般的光源，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。14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，应采用冷光源或者设法减少热辐射的影响。4．光源的温度和颜色Evaluation

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Profi相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。相关色温C：o光py源r的ig色h坐t标20点0与4-某2一0温11度A下s的po黑s体e

辐Pt射y的L色td坐.标点最近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。二、光电测量中的常用光源泡内充氩、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：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。太阳光：太阳向地球辐射热我们称之为阳光。阳光是复色光，太阳光源是很好的平行光源。白炽灯：

白炽灯E靠va灯l泡ua中t的io钨n丝o被nl加y热.

而发光，它发出ed

连wi续t光h

谱As。p发os光e特.S性l稳id定e、s简fo单r、.可NE靠T、3寿.命5

比Cl较i长en，t得P到ro广fi泛的应用C。o真py空r钨ig丝h灯t

是20将0玻4-璃2灯01泡1油A成s真po空s，e

充Pt气y灯L泡td是.灯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：发光效率高，比白炽灯高2E～va10l倍ua，t可io节n省o能n源ly。.e结d构w紧it凑h，A耐sp震o、se耐.冲Sl击i。des

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Profi寿命长，大约Co是p白yr炽i灯gh的t2～20100倍4-，2可01节1省A能sp源o。se

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Ltd.光色范围大，如晋通高压汞灯发光波长大约为400～500nm，低压汞灯则为紫外灯，钠灯呈黄色（589nm），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。163．气体放电光源半导体发光二级管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。Evaluation

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Ltd.17常用发光二级管材料及性能如下表所示。with

Aspose.SliEvaluatiodes

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Ltd.18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。edfi5．激光光源19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：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。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质f，or激.励N能ET源3和.光5学C谐li振e腔nt。Profi激光器分类：Co固p体yr激i光gh器t、2气00体4激-2光0器11和A半s导p体os激e光P器ty。Ltd.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，保证光的单色性和方向性。He-Ne气体激光器-----激光单色性和方向性好在选择和使用He-Ne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TEEMv0a0横lu模a。tion

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Ltd.激光的横模b）TEM10模 c）TEM13模 d）TEM11模a）TEM00模20（2）功率。21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-Ne激光器输出的功率变化较大，在精度较高的光电测量Evaluation

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w中it，h应A对spHeo-sNee.激S光l器id稳e功s

率fo。r此.外NE，T在3相.5干C测l量ie中n光t的P波rofi长是测量Co基p准yr，i因gh此t要2求00波4长-很20稳1定1

，As即p要os采e用P稳ty频L技t术d.。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。半导体激光器（LD），用半导体材料制成的面结型的二极管22（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。在使用半导体激光器时，应注意以下几点：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；频率稳定性。

LD光的E单va色l性ua、t相io干n性o较nl差y，.因此用LD作相干e光d源w且it测h量A距sp离o又se较.大S时li，d必es须f对oLrD稳.N频E。T

L3D.的5稳C频li法e主nt要P有r吸of收i法和电控法；Copyright

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Ltd.三、照明系统23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Ev统al的u设at计io原n

则only.ed

1w）it保h证A足sp够o的se光.能Sl。ides

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Profi有足够Co的p照yr明i范gh围t，2照0明04均-匀20。11

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Ltd.照明光束应充满物镜的入瞳。应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。合理安排布局，避免光源高温的有害影响。1.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。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24Evaluation

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wit按h光A源sp类o型se分.为Sl白i炽de灯s照f明o、r

光.N纤E照T

明3.等5。Client

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Ltd.2.临界照明：光源的光通过聚光镜成像在物面上或其附近。Evaluation

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Ltd.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。253．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。Evaluation

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Ltd.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。264．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。决了光源散热对被测物体的影响。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E，valuation

only.ed光w纤i束th在A另s一po端s分e.束S，li形des

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Profi成一环形光C纤op排y。ri光g纤ht照2004-2011

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Ltd.明光能集中，能获得较均匀的高亮度照明区域。并且照明部分远离光源，解271-光源

2-聚光镜阑

3-光纤束

4-环形光纤排5．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-CCD28Evaluation

only.e射d

光wi线t全h部As进p入os物e镜.Slides

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Profi成像，因此C整o个py图r像ight

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Ltd.四、光源及照明系统的选择29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E布v首a先lu应a满ti足o仪n

器on使l用y.上的要求。ed

wi在t干h

涉As仪p中os，e光.S源l的id波e长s是fo仪r器.的NE标T准3器.，5

因Cl此i其en单t色P性rofi应满足测C量o精py度r及ig测h量t

范20围0的4-要2求01；1

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Ltd.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；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（它可能引起仪器的热变形）用滤色片滤去；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。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Ev的a照lu度a；tion

only.30e在d以w光it电h元A件sp为o接se收.器Sl的i仪de器s中f，or被测.N物E体T

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

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Ltd.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3．发光面的形状、尺寸及光源的结构31在临界照明系统中，将灯丝（发光体）成像