北京理工大学光电仪器原理与设计2017开卷提纲

现代光电仪器特点:多功能、高精度、高速度CH1设计概论1.光电仪器分类(1)按原理a.反射原理:光学比较仪等光学杠杆类仪器b.几何成像原理:望远、投影、显微、照相类c.物理光学原理:干涉（光学相干层析显微镜）、衍射（衍射光栅）、偏振（椭偏仪、偏光显微镜）类(2)按功能a.观测记录仪器:显微镜、摄像机、光盘刻录机b.控制分析仪器:生物芯片、光谱仪、色谱仪c.计量仪器:测距仪、轮廓仪、光栅尺、干涉仪2.光电仪器组成信息获取、信息处理显示、控制和机械支撑3.总体设计方法和步骤:设计任务分析、原理方案制定、原理性实验、仪器化设计、仪器性能检测※计量类仪器技术指标:灵敏度、分辨率、测量范围、重复精度（同一测量方法和条件/时间间隔不长/连续多次测量同一物理参数的数据分散程度）CH3精度分析与设计1.基本概念:误差=测量值-真值2.误差分类:按数学特征:(1)系统误差:不变或规律变化。可调节和修正。(2)随机误差:无规律,服从统计规律（如正态分布）(3)粗大误差:明显超出统计规律预期。可剔除。按时间特性:静态（不变或缓变）/动态（时间函数）按误差关系:独立/非独立（相关）3.误差来源(1)原理误差:近似理论,在计量仪器中多表现为非线性刻度特性的线性化→多为系统误差如:光学畸变、小数有理化(2)制造误差:由于仪器的零件、元件、部件等的尺寸、形状、相对位置以及其它参量方面的制造及装调不完善所引起的误差。起主要作用的是构成测量链零部件的误差。→多为随机误差如:透镜和棱镜的制造误差引起的畸变,表面波度和粗糙度导致运动的平稳性误差等。※知道一批零件的制造误差（某个范围）→随机单个透镜误差可事先标定或修正→系统(3)运行误差:仪器运行过程中产生的误差。包括力变形、磨损、间隙、温度变化、振动等→多为随机误差。温度变化和振动对光学系统影响较大。4.误差计算※利用3σ准则剔除粗大误差:当|xi–𝑥̅|3σ时,认为出现粗大误差,舍去。测量次数低于10次时不适用。5.误差分析步骤:寻找仪器误差源—计算分析各个误差对仪器精度的影响—各项误差的合成6.误差分析方法(1)微分法自准直仪:α=Z/f′,原理误差:∆α=−𝛼3/3左右同除α:↑↑分划板刻划线误差透镜焦距误差（均为制造误差）局限性:无法分析不能列入仪器方程式的误差源,如度盘安装偏心等。此类误差通常产生于装配调整环节,与仪器作用方程无关。(2)几何法:利用仪器输出误差与局部误差的几何关系进行仪器精度分析度盘最大读数误差:消除误差:对径读数（取度盘上两个相差180°的指标度数并取平均值）7.误差合成（已定系统+未定系统+随机）(1)系统误差已定(符号和大小已知):采用代数和,原理误差pi=1未定:绝对和法（绝对值相加）或方和根法(2)随机误差（方和根法）:pi为标准差为σi的误差对仪器误差的影响系数8.精度设计(1)系统误差:不超过仪器总误差的1/3(2)随机误差:a.等公差法—对各误差源给予相同公差。简单但不合理。b.等影响法—考虑影响系数,令误差源对一起总误差具有相同的贡献。比等公差法合理。也需要根据实际工艺的难易度,对公差进行调整。(3)随机误差:a.试探法—经验或实验b.优化法—总误差为目标函数,约束极小化问题设计目标:分辨率=1/3~1/5仪器精度总误差1/3~1/5仪器总使用要求9．设计原则；阿贝、运动学、自适应等CH4光源与照明1.光源基本特性参数(1)光源光谱特性（什么颜色）:满足测试系统与探测器的要求→线状/连续,相干性/能量分布均匀(2)光度特性（亮不亮）:光源发光强度适中,具有满足探测要求的发光强度空间分布(3)发光面形状尺寸（什么形状）:点、线、面投影——点光源（平行光）,计量光栅——点/线(4)光源稳定性（闪不闪）:功率稳定性,脉冲计数要求低,光强、亮度等要求高2.常见光源谱线特点用途照明卤素灯连续谱白光尺寸小,发光强度稳定,但发热大投影仪、剧场、车灯、仪器照明高压氙灯同上高亮度,色温与太阳相近,可用于模拟日光进行测试照明放映印刷复印发光二极管准单色或复合谱白光能耗低,体积小稳定度高,谱线宽度窄,仅次于激光器显示测量低压汞灯标准线状谱可作为标准光谱源光谱仪标定激光器单色性最佳高方向性,高亮度,高相干性干涉仪、激光测距仪※吸收谱线测量:连续谱激光器波长特点注固体红宝石(694.3)YAG(1064)体积小,坚固,功率大气体He-Ne(632.8)CO2(10.6um)单色性好谱线最窄,精确液体有机/无机染料波长连续可调可调谐半导体砷化镓(0.8-0.9um)效率高,体积小,重量轻,结构简单但输出功率小和固体无太大区别3.目标类型(1)点光源:单色光→滤光片加在针孔或光纤前（U角大,NA大,分辨率高,但过大浪费能量）a.激光器:最接近点光源,只需一个透镜汇聚或发散b.光纤:光纤耦合,光纤出射端为点光源c.临界:光路简单,要求像差小否则亮度不均匀(2)线光源:便于搜索或寻找（测角仪）、单一方向检测,能量、信噪比比点光源高（光谱仪、狭缝与线阵探测器）a.临界:光源像在缝长方向尺寸缝长→线状发光体b.柯勒:光能损失大,亮度均匀性高→发光体尺寸小c.光纤束→小尺寸光源d.激光+玻璃棒折射(3)面光源a.大视场,数值孔径大损耗大,结构简单→单/多光源b.数值孔径小,损耗小,均匀性好→大发光体单光源c.数值孔径大,均匀性好,损耗大,体积大→单/多光源d.数值孔径大,均匀性好,损耗小,体积小→单/多光源CH5光学元件选择1.几何光学元件(1)透镜—成像;平面波与球面波的变换;完成光线角度与位移的转换a.正透镜:焦距为正,减小球差→大相对孔径系统b.负透镜:焦距为负,高折射率材料→球差要求高的扩束系统c.柱面镜:单一方向的聚光和聚焦→产生线光源、单方向扩展图像（半导体激光发射器,像散法对焦）参数:焦距,通光口径,折射率成像光学系统重要参数:放大率、视场；像差的消除；提高透过率；透镜的固紧(2)反射镜—成像:反射镜所用金属膜对可见光-红外波段反射率极高,适用于红外成像仪器,且光路折转可大大缩短仪器长度;折转光路/扫描;分光（相干处理、测量多路输出和合成系统）参数:表面曲率半径、通光口径、表面反射率※反射系统无色差,但存在球差像散场曲等(3)棱镜a.转折光束:直角棱镜;b.像旋转器:道威棱镜c.横向位移光束:斜方棱镜d.转折光束90度:五角棱镜;e.光束原方向返回:角锥棱镜（干涉仪,远距离测距,激光跟踪靶镜）;f.色散:色散棱镜※共轴系统:展开两表面平行;会聚光路中出射入射光轴与出射入射表面垂直2.物理光学元件(1)光栅—色散、分光:单色光入射衍射分光为不同衍射级次；测长:光栅尺（标准器）参数:光栅常数（光栅周期）d:根据光栅方程d=mλ/sinθ选择,d越小,同级次衍射角越大,不同级次条纹间隔越远闪耀波长:闪耀光栅衍射效率最大波长,与工作波长相近光栅刻线数:光谱仪器—刻线数多光谱分辨率越高,刻线间隔宽光谱覆盖范围大测量仪器—单位长度内刻线数越多测量精度越高衍射效率:衍射到给定级次的单色光/入射单色光(2)偏振器—检查偏振光;由自然光产生偏振光a.折射式偏振器（玻璃堆,布儒斯特角）b.二向色性偏振器（选择吸收某种偏振态的光）c.晶体偏振器（双折射效应）参数:偏振度,通光口径,光谱范围,稳定度(3)波片—使互相垂直的两偏振光间产生附加相位差参数:光谱范围（一般为单色光）应用:线偏光→1/4波片→圆偏光或椭圆偏光线偏光→半波片→偏振方向旋转的线偏光※重要图1:两个出射方向,两套干涉；图2:入射必须有两个正交偏振态CH6光电探测器1.性能参数(1)光学:光敏面积,空间分辨率,光谱范围,动态范围(2)光电转换:光电转换特性函数;灵敏度,响应度,探测度,响应时间(3)电学:分立元件伏安特性,集成元件接口特点(4)噪声2.光电效应探测器—单点光强探测器优点缺点典型应用光电管线性度好灵敏度低、体积大、易破损光电式自动检测仪表光电倍增管响应速度快、灵敏度极高、变形度好单光子探测技术、光度计光敏电池光谱响应宽、灵敏度高线性差、响应时间长、温度影响大光电控制系统、烟雾报警器光电池接收面积大、近人眼光谱灵敏度响应速度低电源光电二极管响应速度快、线性度好、体积小、价格低光通信、雷达、快速光电自动控制雪崩二极管灵敏度极高工作电压高、噪声大激光测距仪、光纤通信※光电倍增管、雪崩二极管→微光探测,但成本高※光敏电池→开关,不适用于其他用途※常选用光电二极管3.光电效应探测器—光斑位置探测器功能优点缺点应用位敏探测器PSD测光斑位置体积小、灵敏度分辨率高、频响宽、快光学定位、跟位移角度测量四象限光电池测光斑中位置中心精度高测量范围小定位、对准※PSD测小光斑,四象限光电池只能测偏差※PSD小光斑大量程,四象限大光斑小量程4.设计题—光学透过率测量仪要求:380-760nm全波长,透过率分辨率0.1%,精度优于2%(1)光源:光谱范围380-760nm、光度适中、发光面形状需准直、稳定性要求高于0.5%—白光LED(2)光学系统1:准直—平凸透镜,白光LED置于焦点处,焦距根据LED发散角和所需光束口径决定,口径大于准直后光束口径,可见光透射材料（如K9）(3)探测器:响应范围可见光区、光敏面积适中（点探测器即可）,动态范围及信噪比高于30dB（1000倍,对应0.1%）,灵敏度适中,响应线性度/稳定度高,响应速度无要求—光电管、光电池、光电二极管(4)光学系统3:聚焦—平凸透镜,探测器置于焦点上,其余条件同(2)※若光源稳定性无法满足测量精度要求:法1:分两路探测—偏振分束器,光源和元件各置探测器法2:调制—光源后放置调制器,探测器前放置滤波器CH7标准量与标准器1.七个个国际单位制(SI)标准单位及对应的物理量长度质量时间电流热力学温度物质的量发光强度米m千克kg秒s安培A开尔文K摩尔mol坎德拉cd2.度盘误差:刻划误差(制造)—直径越大,刻划角度误差越小安装偏心误差(运行)—刻划中心与旋转中心不重合对径读数可消除度盘刻线误差中所有奇次谐波分量和偏心误差透光缝隙代表1,不透光线条代表0,每一圈码道（即圆上黑白相间的一圈）代表二进制数的一个数位。光学圆盘连同编码图案一起总称为光学编码度盘,配以一定电路就可以实现角度量与数字量的转换。增量式光电编码器(单圈码道)(1)计数:计数n个线对,共有2^m个线对计数方程:n*(360°/m)(2)判向:另置一个鉴向盘,径向两端放置A、B两判向元件,间距为1/4狭缝间距绝对值式编码器(多圈码道)(1)二进制码—易阅读,出错可能性大(可能出多个位数上的码同时变化的情况)(2)循环码—出错可能小(相邻代码各位中只有一位变化)、不易阅读、易加工(除最高位外,每一码道的线条数比二进制码盘少一半)3.计量光栅光源→照明光学系统→主光栅→指示光栅→接收光学系统→光电探测器几何光学→d=20~100um(遮光和透光效应)衍射光学→d10um一般可见光1um,足够大需要10倍衍射才不明显横向莫尔条纹:(1)两光栅周期相等(w1=w2=w)两光栅刻线的交点连线代表了莫尔条纹的中线。当两块光栅周期相等,夹角为θ时,通过坐标原点的莫尔条纹斜率满足:(i=j)(2)光栅夹角θ很小—条纹几乎垂直于y轴竖直间隔:By=w/sinθ条纹间隔:位移放大:被测位移s=kw,k为莫尔条纹移动的根数,w为栅距。长光栅莫尔条纹特点:(1)运动对应:当光栅移过一个栅距,莫尔条纹就移动一个条纹；当光栅改变移动方向,莫尔条纹的移动方向也随之改变(2)位移放大:放大比k=B/w≈1/θ(弧度单位！)(3)平均栅线误差:光栅栅距误差一般遵循随机分布规律,假设单个栅距误差为δ,形成莫尔条纹区域内有N条刻线（N=a/w,其中a为探测器宽度）,则综合栅距误差→几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微,莫尔条纹能在很大程度上消除短周期误差的影响。莫尔条纹读数系统组成:光源照明系统、莫尔条纹形成系统和光电接收系统※几何式莫尔条纹读数系统——直读式读数头待探测信号:由于几何遮挡产生的周期性变化的光强信号,理想为三角波