精密儀器設(shè)計(jì)-光檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精密儀器設(shè)計(jì)-光檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共34頁(yè)。一、現(xiàn)代精密光電檢測(cè)儀器特點(diǎn)信息加載于光波，是一種非接觸和非破壞性測(cè)量，可適用于遠(yuǎn)距離、危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境測(cè)量；光波傳播速度快，可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和控制；測(cè)量精度高，如激光干涉測(cè)量的精度可達(dá)1/100波長(zhǎng)；具有很高的空間分辨率；可進(jìn)行圖像處理?，F(xiàn)代精密儀器：現(xiàn)代制造技術(shù)（光、機(jī)、電、算）、納米技術(shù)、仿生學(xué)原理、新材料等。2第二頁(yè)，共34頁(yè)。光學(xué)精密機(jī)械系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)顯示、打印系統(tǒng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)信息獲取與應(yīng)用信息處理、變換與顯示(1)光學(xué)精密機(jī)械系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)——物鏡、光欄等；照明系統(tǒng)——光源、濾鏡等；精密機(jī)械系統(tǒng)——X-Y精密工作臺(tái)、微動(dòng)工作臺(tái)（Micro-table）、真空吸附臺(tái)以及傳動(dòng)部件（如FlexureHinge）等。二、典型精密儀器的基本組成3第三頁(yè)，共34頁(yè)。(3)電路處理與計(jì)算機(jī)控制——信息處理、變換與存儲(chǔ)顯示及模塊控制等。

功放、A/D、D/A、DSP、FPGA、CPLD、F/VI/O、LED、LCD等。(2)光電轉(zhuǎn)換與傳遞系統(tǒng)——CCD、攝像機(jī)、光電管（Phototube）、硅光電池（Siliconphoto-cell）、光柵（Grating）、激光等。二、典型精密儀器的基本組成4第四頁(yè)，共34頁(yè)。(4)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)——直流電機(jī)、交流電機(jī)、直線電機(jī)、力矩電機(jī)、音圈電機(jī)（VoiceCoilMotor）、步進(jìn)電機(jī)（SteppingMotor）、納米電機(jī)（Nanomotion）等。微位移技術(shù)中，采用致動(dòng)器（Actuator）作為驅(qū)動(dòng)源，如PZT、ElectrostaticForce等。！二、典型精密儀器的基本組成5第五頁(yè)，共34頁(yè)。被測(cè)對(duì)象光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器調(diào)理電路光源控制電路計(jì)算機(jī)顯示與控制作用：將光束變成平行光束、發(fā)散光束、會(huì)聚光束或其他形式結(jié)構(gòu)的光束作用：利用顯微系統(tǒng)、照相系統(tǒng)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)及調(diào)制器、濾波器將來(lái)自被測(cè)對(duì)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6第六頁(yè)，共34頁(yè)。三、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)光電探測(cè)器光源7第七頁(yè)，共34頁(yè)。光電探測(cè)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(qiáng)管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管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(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管CMOS3.1分類8第八頁(yè)，共34頁(yè)。3.2光電探測(cè)器的選擇原則探測(cè)器輸出電信號(hào)大小與測(cè)量光信號(hào)大小的關(guān)系；探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍與測(cè)量光信號(hào)的光譜范圍是否一致；探測(cè)器能探測(cè)的最小信號(hào)功率；探測(cè)調(diào)制信號(hào)或脈沖光信號(hào)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間是否一致。9第九頁(yè)，共34頁(yè)。3.3光源及照明系統(tǒng)光電測(cè)量中，光是信息的載體，光源及照明系統(tǒng)的質(zhì)量對(duì)光電測(cè)量往往起著關(guān)鍵的作用。含光源的特性、光源的種類、照明光學(xué)系統(tǒng)及光源選用等問題。注：應(yīng)用中宜采用發(fā)光效率高的光源以節(jié)省能源。一、光源的基本參數(shù)1．發(fā)光效率在給定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源所發(fā)出的光通量與產(chǎn)生該光通量所需要的功率之比，稱為該光源的發(fā)光效率，表示為:式中，為該光電測(cè)量系統(tǒng)的光譜范圍。10第十頁(yè)，共34頁(yè)。2．光譜功率譜分布光源輸出的功率與光譜有關(guān)，即與光的波長(zhǎng)有關(guān)，稱為光譜的功率分布。常見的有四種典型的分布。

典型光源功率譜分布a)線狀光譜b)帶狀光譜c)連續(xù)光譜d)復(fù)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?zé)艄庾V；d如熒光燈光譜。

注：在選擇光源的時(shí)候，應(yīng)選擇光譜功率分布的峰值波長(zhǎng)與光電器件的靈敏波長(zhǎng)相一致；目視測(cè)量，可選用可見光譜輻射比較豐富的光源；目視瞄準(zhǔn)，宜選用綠光光源；彩色攝像應(yīng)采用白熾燈、鹵素?zé)糇鞴庠础Ｗ贤夂图t外測(cè)量，宜選用相應(yīng)的紫外燈（氙燈、紫外汞燈）和紅外燈。11第十一頁(yè)，共34頁(yè)。3．空間光強(qiáng)分布特征HG500發(fā)光二極管的配光曲線

由于光源發(fā)光的各向異性，許多光源的發(fā)光強(qiáng)度在各個(gè)方向是不同的。若在光源輻射光的空間某一截面上，將發(fā)光強(qiáng)度相同的點(diǎn)連線，就得到該光源在該截面的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。為提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。為了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦點(diǎn)應(yīng)位于光源的發(fā)光中心。12第十二頁(yè)，共34頁(yè)。任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度以上，就向外界發(fā)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(lǐng)表示為：式中，為輻射本領(lǐng)；為吸收率，當(dāng)時(shí)的物體稱為絕對(duì)黑體。

4．光源的溫度和顏色13第十三頁(yè)，共34頁(yè)。黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對(duì)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(guān)色溫表示。色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。相關(guān)色溫：光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。注：在光電測(cè)量中為了減少光源溫度對(duì)測(cè)量的影響，應(yīng)采用冷光源或者設(shè)法減少熱輻射的影響。4．光源的溫度和顏色14第十四頁(yè)，共34頁(yè)。二、光電測(cè)量中的常用光源

物體溫度大于絕對(duì)零度時(shí)就會(huì)向外輻射能量，輻射以光子形式進(jìn)行，我們就會(huì)看到光。1．太陽(yáng)光：

太陽(yáng)向地球輻射熱我們稱之為陽(yáng)光。陽(yáng)光是復(fù)色光，太陽(yáng)光源是很好的平行光源。

2．白熾燈：

白熾燈靠燈泡中的鎢絲被加熱而發(fā)光，它發(fā)出連續(xù)光譜。發(fā)光特性穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、可靠、壽命比較長(zhǎng)，得到廣泛的應(yīng)用。真空鎢絲燈是將玻璃燈泡油成真空，充氣燈泡是燈泡內(nèi)充氬、氮等惰性氣體，鹵素?zé)羰菬襞輧?nèi)充有鹵族元素（氯化碘、溴化硼等）。

白熾燈的供電電壓對(duì)燈的參數(shù)（電流、功率、壽命和光通量）有很大的影響，其關(guān)系如下所示：15第十五頁(yè)，共34頁(yè)。利用氣體放電原理來(lái)發(fā)光的光源稱為氣體放電光源。特點(diǎn)：發(fā)光效率高，比白熾燈高2～10倍，可節(jié)省能源。結(jié)構(gòu)緊湊，耐震、耐沖擊。壽命長(zhǎng)，大約是白熾燈的2～10倍，可節(jié)省能源。光色范圍大，如晉通高壓汞燈發(fā)光波長(zhǎng)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(fù)色。

氣體放電光源經(jīng)常被用于工程照明和光電測(cè)量之中。

3．氣體放電光源16第十六頁(yè)，共34頁(yè)。在電場(chǎng)的作用下使半導(dǎo)體的電子與空穴復(fù)合而發(fā)光的器件稱為半導(dǎo)體發(fā)光器件（注入式場(chǎng)致發(fā)光光源），通常稱為L(zhǎng)ED。半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管a)原理圖b)外觀圖c)器件符號(hào)4．半導(dǎo)體發(fā)光器件17第十七頁(yè)，共34頁(yè)。常用發(fā)光二級(jí)管材料及性能如下表所示。注：半導(dǎo)體發(fā)光二極管既是半導(dǎo)體器件也是發(fā)光器件，因此其工作參數(shù)有電學(xué)參數(shù)和光學(xué)參數(shù)。18第十八頁(yè)，共34頁(yè)。能激發(fā)出激光并能實(shí)現(xiàn)激光的持續(xù)發(fā)射的器件稱為激光器。激光特點(diǎn)：?jiǎn)紊院?，相干能力?qiáng)，方向性好、亮度高，在光電測(cè)量中常用作相干光源。激光器三大要素：激光工作物質(zhì)，激勵(lì)能源和光學(xué)諧振腔。激光器分類：固體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器。激勵(lì)系統(tǒng)：光激勵(lì)、電激勵(lì)、核激勵(lì)和化學(xué)反應(yīng)激勵(lì)等。光學(xué)揩振腔用以提供光的反饋，以實(shí)現(xiàn)光的自激振蕩，對(duì)弱光進(jìn)行放大，并對(duì)振蕩光束方向和頻率進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)選頻，保證光的單色性和方向性。

5．激光光源19第十九頁(yè)，共34頁(yè)。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(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）激光模態(tài)。在用He-Ne激光器作光電測(cè)量的光源時(shí)，一般都選用單模激光。觀察激光輸出的光斑形狀發(fā)現(xiàn)，光斑形狀較為復(fù)雜，在光電測(cè)量中選用的激光光斑形狀應(yīng)為均勻的圓形光斑，即選TEM00橫模。激光的橫模a）TEM00模b）TEM10模c）TEM13模d）TEM11模20第二十頁(yè)，共34頁(yè)。（2）功率。光電測(cè)量中所用的He-Ne激光光源功率一般在幾到十幾mW。（3）穩(wěn)功率和穩(wěn)頻。He-Ne激光器輸出的功率變化較大，在精度較高的光電測(cè)量

中，應(yīng)對(duì)He-Ne激光器穩(wěn)功率。此外，在相干測(cè)量中光的波

長(zhǎng)是測(cè)量基準(zhǔn)，因此要求波長(zhǎng)很穩(wěn)定，即要采用穩(wěn)頻技術(shù)。

另，穩(wěn)頻對(duì)穩(wěn)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(dāng)作用精密尺寸測(cè)量和準(zhǔn)直測(cè)量時(shí)尤應(yīng)注意。21第二十一頁(yè)，共34頁(yè)。半導(dǎo)體激光器（LD），用半導(dǎo)體材料制成的面結(jié)型的二極管。

在使用半導(dǎo)體激光器時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）作為平行光照明時(shí)應(yīng)用柱面鏡將光束整形，再用準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直；（2）頻率穩(wěn)定性。LD光的單色性、相干性較差，因此用LD作相干光源且測(cè)量距離又較大時(shí)，必須對(duì)LD穩(wěn)頻。LD的穩(wěn)頻法主要有吸收法和電控法；（3）調(diào)頻。改變LD的注入電流會(huì)使LD的輸出頻率產(chǎn)生的變化。如果注入電流是按某一頻率變化規(guī)律來(lái)變化，那么輸出的激光將被調(diào)頻。這種調(diào)頻是在LD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，故稱為內(nèi)調(diào)制。由此原理制成的半導(dǎo)體激光器可用于外差測(cè)量。22第二十二頁(yè)，共34頁(yè)。三、照明系統(tǒng)照明對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量起著非常重要的作用，照明的種類繁多，用途也非常廣泛。照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則1）保證足夠的光能。

2）有足夠的照明范圍，照明均勻。

3）照明光束應(yīng)充滿物鏡的入瞳。

4）應(yīng)盡量減少雜光進(jìn)入物鏡，以保證像面的對(duì)比度。

5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響。23第二十三頁(yè)，共34頁(yè)。1.直接照明：按照明方法分為透射光亮視場(chǎng)照明，反射光亮視場(chǎng)照明，透射光暗視場(chǎng)照明，反射光暗視場(chǎng)照明，分別如圖a、b、c、d所示，圖中陰影部分為照明光場(chǎng)。按光源類型分為白熾燈照明、光纖照明等。直接照明四種類型a）透射光亮視場(chǎng)照明b）反射光亮視場(chǎng)照明c）透射光暗視場(chǎng)照明d）反射光暗視場(chǎng)照明照明系統(tǒng)的種類24第二十四頁(yè)，共34頁(yè)。2.臨界照明：光源的光通過(guò)聚光鏡成像在物面上或其附近。臨界照明

照明光源燈絲成像到物平面上，這種照明在視場(chǎng)范圍內(nèi)有最大的亮度，而且沒有雜光。缺點(diǎn)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(zhuǎn)接原則。25第二十五頁(yè)，共34頁(yè)。3．遠(yuǎn)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(chǎng)光闌被聚光鏡成像到物面上。遠(yuǎn)心柯勒照明優(yōu)點(diǎn)：孔徑光闌大小可調(diào)，經(jīng)聚光鏡成像于物鏡的入瞳位置，滿足光孔轉(zhuǎn)接原則，又充分利用了光能?？讖焦怅@大小決定了照明系統(tǒng)的孔徑角、分辨力和對(duì)比度，視場(chǎng)光闌控制照明視場(chǎng)的大小，避免雜光進(jìn)入物鏡。26第二十六頁(yè)，共34頁(yè)。4．光纖照明：因照明均勻、亮度高、光源熱影響小而得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)照明光線端部排列形式和光束出射方向，分為環(huán)形光纖照明和同軸光纖照明等。

右圖是一環(huán)形光纖照明光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)聚光鏡耦合進(jìn)入光纖束，光纖束在另一端分束，形成一環(huán)形光纖排。光纖照明光能集中，能獲得較均勻的高亮度照明區(qū)域。并且照明部分遠(yuǎn)離光源，解決了光源散熱對(duì)被測(cè)物體的影響。1-光源2-聚光鏡闌3-光纖束4-環(huán)形光纖排27第二十七頁(yè)，共34頁(yè)。5．同軸反射照明：光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)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(tǒng)可以檢測(cè)反射鏡面上的缺陷。如果被測(cè)表面是鏡面，則鏡面的反射光線全部進(jìn)入物鏡成像，因此整個(gè)圖像都是白色。當(dāng)鏡面上有腐蝕斑點(diǎn)或者污漬時(shí)，所產(chǎn)生的漫反射光線進(jìn)入物鏡的甚少，因此圖像上將產(chǎn)生黑色的斑點(diǎn)。同軸照明1-光源2-集光鏡3-孔徑光4-視場(chǎng)光闌5-聚光鏡6-分光鏡7-物鏡8-物面9-CCD28第二十八頁(yè)，共34頁(yè)。

四、光源及照明系統(tǒng)的選擇

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(shí)，一般應(yīng)考慮以下幾方面的問題。1．光源的光譜能量分布特性

光源的光譜能量分布首先應(yīng)滿足儀器使用上的要求。在干涉儀中，光源的波長(zhǎng)是儀器的標(biāo)準(zhǔn)器，因此其單色性應(yīng)滿足測(cè)量精度及測(cè)量范圍的要求；在非相干照明中，光源的光譜分布應(yīng)與接收器的光譜響應(yīng)相匹配，可節(jié)省能量，提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比；在目視儀器中，視場(chǎng)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(gè)不同的接收器共用一個(gè)光源，則光源的光譜分布要能兼顧各接收器的響應(yīng)。29第二十九頁(yè)，共34頁(yè)。在精密測(cè)量中，被測(cè)對(duì)象一般都不是發(fā)光體，所以必須進(jìn)行人工照明，使被測(cè)物體達(dá)到一定的照度；在以光電元件為接收器的儀器中，被測(cè)物體光照強(qiáng)度有利于提高信噪比及后繼電路的處理；在目視儀器中，視場(chǎng)應(yīng)有足夠的照度，這在大屏幕投影測(cè)量系統(tǒng)中問題較為突出。應(yīng)根據(jù)使用要求及接收器的性能來(lái)考慮對(duì)光源的光強(qiáng)要求。2．光度特性30第三十頁(yè)，共34頁(yè)。在臨界照明系統(tǒng)中，將