《測控儀器設計》2014上課(第六章)

1、Harbin Institute of TechnologyPAGE - 1 -精密儀器設計精密儀器設計第六章第六章 光電系統(tǒng)設計光電系統(tǒng)設計Harbin Institute of TechnologyPAGE - 2 -精密儀器設計精密儀器設計第一節(jié)第一節(jié) 光電系統(tǒng)組成和類型光電系統(tǒng)組成和類型1 1精度高精度高2 2非接觸測量非接觸測量3 3測量范圍大測量范圍大4 4信息處理能力強信息處理能力強 光電系統(tǒng)的特點：光電系統(tǒng)的特點：Harbin Institute of TechnologyPAGE - 3 -精密儀器設計精密儀器設計光電系統(tǒng)的組成光光源源光光學學系系統(tǒng)統(tǒng)被被測測對對象象光光學學

2、變變換換光光電電轉轉換換電電信信息息處處理理存儲存儲顯示顯示控制控制用光源發(fā)出的光來傳遞信息的媒介與光源結合來獲得測量所需的光載波，如平行光 光載波與被測對象相互作用并將被測量載荷加到光載波上稱為光學變換。 用各種調制方法來實現光學變換的（即將被測量轉換為光參量，如振幅、頻率、相位、偏振態(tài)等）。變換后光載波含有各種被測信息（光信息）。實現的方式用光學系統(tǒng)和各種光學元件的結合。 光學元件有：平面鏡、光狹縫、光楔、透鏡、角錐棱鏡、偏振器、波片、碼盤、光柵、調制器等。 光學系統(tǒng)有：成像系統(tǒng)、光干涉系統(tǒng)等。 光信息經過光學器件實現由光向電的信息轉換，稱光電轉換。 光電轉換用各種光電變換器件來實現的。

3、光電器件：光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光學變換與光電轉換是光電測量的核心部分。光學變換與光電轉換是光電測量的核心部分。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 4 -精密儀器設計精密儀器設計被測工件被測工件用激光外徑掃描儀原理說明光電測試系統(tǒng)的組成放大放大邊緣檢測邊緣檢測門控門控處理顯示處理顯示主振主振電機驅動電機驅動旋旋轉轉多多面面體體激光器激光器f()鏡鏡物鏡物鏡光電器件光電器件激光器為光源激光器為光源多面體和多面體和f()鏡鏡為產生平行為產生平行的光學系統(tǒng)，的光學系統(tǒng)，形成光載波形成光載波被測工件和物被測工件和物鏡構成光學變鏡構成光學變換，

4、形成變化換，形成變化的光通量的光通量光電器件將變光電器件將變化的光通量轉化的光通量轉換為電信號換為電信號Harbin Institute of TechnologyPAGE - 5 -精密儀器設計精密儀器設計光電系統(tǒng)的類型 1 1主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng)主動系統(tǒng)與被動系統(tǒng) 2 2模擬系統(tǒng)與數字系統(tǒng)模擬系統(tǒng)與數字系統(tǒng) 3 3直接檢測系統(tǒng)與相干檢測系統(tǒng)直接檢測系統(tǒng)與相干檢測系統(tǒng) 按照光電系統(tǒng)的功能還分為光電信息檢測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、光電搜索系統(tǒng)、光電通信系統(tǒng)等。 Harbin Institute of TechnologyPAGE - 6 -精密儀器設計精密儀器設計第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（一）光電特性（

5、一）光電特性 光電系統(tǒng)的光電特性即該系統(tǒng)輸入、輸出光電系統(tǒng)的光電特性即該系統(tǒng)輸入、輸出特性又稱為靜特性，其輸入量一般是光通量特性又稱為靜特性，其輸入量一般是光通量或光照度或光照度E E，輸出量一般是電壓或電流。，輸出量一般是電壓或電流。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 7 -精密儀器設計精密儀器設計第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性 （二）光譜特性及光譜匹配（二）光譜特性及光譜匹配 為了提高光能的利用效率，要求檢測器件的光為了提高光能的利用效率，要求檢測器件的光譜靈敏度分布和輻射源的輻射度分布及各傳輸譜靈敏度分布和輻射源的輻射度分布及各傳輸環(huán)節(jié)的透過率分布相覆蓋環(huán)節(jié)的

6、透過率分布相覆蓋 。檢測器件的輸出可。檢測器件的輸出可表示為表示為 ： 21ao( )Isd Harbin Institute of TechnologyPAGE - 8 -精密儀器設計精密儀器設計第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性（三）光電靈敏度特性（三）光電靈敏度特性 光譜響應率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光光譜響應率又稱光電靈敏度，它是光電系統(tǒng)的光電檢測器件的輸出（電壓電檢測器件的輸出（電壓V V或電流或電流I I）與入射光通量）與入射光通量之比，即之比，即VVSIISV W/A WHarbin Institute of TechnologyPAGE - 9 -精密儀器設計精密儀器設計第二節(jié)、光電系

7、統(tǒng)特性 （四）頻率響應特性（四）頻率響應特性 即當入射光照是以一定頻率變動的交換光信息時，光照頻率即當入射光照是以一定頻率變動的交換光信息時，光照頻率的變化將會引起光電器件響應率的變化。一般地，響應率隨的變化將會引起光電器件響應率的變化。一般地，響應率隨光照頻率升高而降低光照頻率升高而降低 12212s os ff Harbin Institute of TechnologyPAGE - 10 -精密儀器設計精密儀器設計第二節(jié)、光電系統(tǒng)特性 （五）（五）光電系統(tǒng)的探測率光電系統(tǒng)的探測率D D 光電系統(tǒng)的探測率表征光電系統(tǒng)的探測能力，越大表光電系統(tǒng)的探測率表征光電系統(tǒng)的探測能力，越大表征探測能力

8、越強。征探測能力越強。 Vn/DSV 光電系統(tǒng)的比探測率光電系統(tǒng)的比探測率D D* *光電檢測系統(tǒng)的探測率除了與和有關外還與光電檢測光電檢測系統(tǒng)的探測率除了與和有關外還與光電檢測器件光敏面面積器件光敏面面積A A和光電檢測系統(tǒng)的帶寬有關和光電檢測系統(tǒng)的帶寬有關 2*V2n/()SDDAfVAfHarbin Institute of TechnologyPAGE - 11 -精密儀器設計精密儀器設計1 1）光譜匹配）光譜匹配2 2）功率匹配）功率匹配3 3）阻抗匹配）阻抗匹配第三節(jié)、光電系統(tǒng)設計原則 匹配核心是如何正確選擇光電檢測器件一、匹配原則一、匹配原則Harbin Institute of

9、 TechnologyPAGE - 12 -精密儀器設計精密儀器設計 二、干擾光最小原則二、干擾光最小原則 第三節(jié)、光電系統(tǒng)設計原則干擾光最小原則就是指干擾光對光電系統(tǒng)影響干擾光最小原則就是指干擾光對光電系統(tǒng)影響最小，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。最小，以使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。光電系統(tǒng)中的干擾光主要是指雜散光、背景光和光電系統(tǒng)中的干擾光主要是指雜散光、背景光和“回授光回授光”。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 13 -精密儀器設計精密儀器設計 二、減少干擾光措施二、減少干擾光措施 第三節(jié)、光電系統(tǒng)設計原則減小雜散光措施：減小雜散光措施：光學濾波

10、、光學調制和光外差檢測。減小背景光措施：減小背景光措施：采用光遮斷、光隔離、光控制和光補償的方法。減小回授光措施：減小回授光措施：光偏離、光遮擋、光偏振片。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 14 -精密儀器設計精密儀器設計減小回授光措施Harbin Institute of TechnologyPAGE - 15 -精密儀器設計精密儀器設計 三、共光路原則三、共光路原則 第三節(jié)、光電系統(tǒng)設計原則 在光電系統(tǒng)中為了實現精密測量和減小共模干擾，經常采用差動測量系統(tǒng)，以實現被測量與標準量的比較 。Harbin Institute of TechnologyPA

11、GE - 16 -精密儀器設計精密儀器設計Harbin Institute of TechnologyPAGE - 17 -精密儀器設計精密儀器設計一. 常用的光源 1）太陽光，白熾燈 2）氣體放電光源 3）半導體發(fā)光器件 4）激光光源 第四節(jié)、光電測量系統(tǒng)中的光源及照明系統(tǒng)Harbin Institute of TechnologyPAGE - 18 -精密儀器設計精密儀器設計二.照明系統(tǒng)設計要求： 1）保證足夠的光能。）保證足夠的光能。 2）有足夠的照明范圍，照明均勻。）有足夠的照明范圍，照明均勻。 3）照明光束應充滿物鏡的入瞳。）照明光束應充滿物鏡的入瞳。 4）應盡量減少雜光進入物鏡，以

12、保證像面的對比度。）應盡量減少雜光進入物鏡，以保證像面的對比度。 5）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響）合理安排布局，避免光源高溫的有害影響 Harbin Institute of TechnologyPAGE - 19 -精密儀器設計精密儀器設計三、照明系統(tǒng)需要滿足原則 1）光孔轉接原則。）光孔轉接原則。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 20 -精密儀器設計精密儀器設計 2）照明系統(tǒng)的拉赫不變量應大于或等于）照明系統(tǒng)的拉赫不變量應大于或等于 物鏡的拉赫不變量。物鏡的拉赫不變量。 Jnyun y u 顯微系統(tǒng)照明系統(tǒng)設計顯微系統(tǒng)照明系統(tǒng)設計Harbi

13、n Institute of TechnologyPAGE - 21 -精密儀器設計精密儀器設計 三、照明系統(tǒng)種類 1 1）直接照明。）直接照明。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 22 -精密儀器設計精密儀器設計Harbin Institute of TechnologyPAGE - 23 -精密儀器設計精密儀器設計 2 2）臨界照明）臨界照明 光源所出的光通過聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式稱為臨界照明。 優(yōu)點：簡單，孔徑角大，被照明視場有最大亮度而無雜散光缺點：視場內可見到燈絲像，影響照明均勻，不滿足光孔轉接Harbin Institute of

14、 TechnologyPAGE - 24 -精密儀器設計精密儀器設計3 3）遠心柯勒照明）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，組成像方遠心光路，視場光闌被聚光鏡成像到物面上 優(yōu)點：燈絲不會成像到物面上，照明均勻優(yōu)點：燈絲不會成像到物面上，照明均勻Harbin Institute of TechnologyPAGE - 25 -精密儀器設計精密儀器設計 這種照明系統(tǒng)可以檢測反射鏡面上的缺陷。如果被測表面是鏡面，則鏡面的反射光線全部進入物鏡成像，因此整個圖像都是白色。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

15、斑點。 4 4）同軸照明）同軸照明Harbin Institute of TechnologyPAGE - 26 -精密儀器設計精密儀器設計第五節(jié)、直接檢測系統(tǒng)的設計（一）直接檢測系統(tǒng)的組成 光光源源光學光學變換變換光功率光功率檢測檢測 電信號電信號變換方法光學原理應用幾何光學法 直射、反射、折射、散射、遮光、光學成像等非相干光學現象 光開關、光學編碼、光掃描、瞄準定位、光準直、外觀質量檢測、測長測角、測距等光電子學法 電光效應、聲光效應、磁光效應、空間光調制、光纖傳光與傳感等 光調制、光偏轉、光開關、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等Harbin Institute of Technology

16、PAGE - 27 -精密儀器設計精密儀器設計直接檢測系統(tǒng)的應用1.用檢測光透過率的方法可以測物質透明度、液體 純度、反射率、大氣質量監(jiān)測、光的偏振狀態(tài)；2.檢測調制光的頻率和波數變化可以測速、測角和 測距；3.利用光學成象和象分析器可以定位、尺寸檢測、位置檢測；利用多光譜的光譜分析可以測溫等。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 28 -精密儀器設計精密儀器設計光學顯微系統(tǒng)參數的確定光學顯微系統(tǒng)參數的確定 光學顯微系統(tǒng)的特點：計量儀器光學光學顯微系統(tǒng)可分為：（1）觀察物體表面輪廓和形貌（2）瞄準和讀數。 對于（1）關鍵是光學分辨率，并由此確定系統(tǒng)的數值孔徑

17、、放大率等；對于（2）從瞄準、讀數精度出發(fā)來決定其參數。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 29 -精密儀器設計精密儀器設計主要參數的確定 放大率： 數值孔徑: 視場: 工作距離: 光闌:0.61NAll1LLllllLl tanyfw2(1)Lf Harbin Institute of TechnologyPAGE - 30 -精密儀器設計精密儀器設計例子：直接位置檢測系統(tǒng)-基于微小零件顯微成像系統(tǒng)1、軸線相對位置檢測精度3m，徑向角度檢測精度0.5 2、檢測視場不小于12x7mmHarbin Institute of TechnologyPAGE -

18、31 -精密儀器設計精密儀器設計 相機的選擇：PIKE F505B。 分辨率24522054，像元3.45m3.45m，像面尺寸8.5mm7mm。 激光三角測頭選擇：KEYENCE LK-G150測量范圍：40mm工作距：150mm再現性精度：0.25m線性度：0.05%L Harbin Institute of TechnologyPAGE - 32 -精密儀器設計精密儀器設計Harbin Institute of TechnologyPAGE - 33 -精密儀器設計精密儀器設計 顯微光學系統(tǒng)的設計或選型：放大倍率焦距光學分辨率工作距光學視場100mm左右取110mm/(1 1/)46fl

19、mm 8.60.7212像面物面大于像面10.61AN0.61 /3.450.093ANHarbin Institute of TechnologyPAGE - 34 -精密儀器設計精密儀器設計施奈德遠心鏡頭：施奈德遠心鏡頭：放大倍率：0.62物鏡工作：111mm數值口徑：0. 1成像范圍：13.6mm11.4mmHarbin Institute of TechnologyPAGE - 35 -精密儀器設計精密儀器設計Harbin Institute of TechnologyPAGE - 36 -精密儀器設計精密儀器設計Harbin Institute of TechnologyPAGE -

20、 37 -精密儀器設計精密儀器設計1. 三角法測距；2. 相位法（連續(xù)波）測距；3. 時間法測距 。Harbin Institute of TechnologyPAGE - 38 -精密儀器設計精密儀器設計三角法測距原理與設計要求1sinPPZ1cos2tan/2PPZ三角法測距設計要點三角法測距設計要點 1減小非線性誤差。減小非線性誤差。 2光源的穩(wěn)定性的影響。光源的穩(wěn)定性的影響。 3被測對象特性的適應性。被測對象特性的適應性。 4光學系統(tǒng)及光電接收器件的特性對測距精度影響光學系統(tǒng)及光電接收器件的特性對測距精度影響Harbin Institute of TechnologyPAGE - 39

21、 -精密儀器設計精密儀器設計其基本原理是：其基本原理是：先將幾何形體的輪廓被光學系統(tǒng)成像，其像的位置與幾何形體相對光軸（基準）的位置有關，再用一個與光軸位置有確定關系的像分析器將像的空間位置分布轉換成照度分布，獲得與幾何位置有關的光通量變化，即得到位置位置光通量變光通量變換特性換特性，根據光通量的變化就可檢測出幾何位置。根據光通量的變化就可檢測出幾何位置。 Harbin Institute of TechnologyPAGE - 40 -精密儀器設計精密儀器設計1.照明光源應穩(wěn)定，且照度應均勻。2.光學系統(tǒng)像差要小，像的對比度好。3.用于對準的標志物或被檢測的物的邊緣應清晰、陡直、無毛刺。4.

22、像分析器的位置相對測量基準要精確校準；。5.在用掃描調制法進行調制時要求調制中心穩(wěn)定，調制幅度恒定。幾何中心和幾何位置光電檢測系統(tǒng)設幾何中心和幾何位置光電檢測系統(tǒng)設計應注意以下幾點：計應注意以下幾點：Harbin Institute of TechnologyPAGE - 41 -精密儀器設計精密儀器設計 利用相干變換的方法來攜帶被測信息，可將信息加載于相干光波的振幅、頻率和相位之中，因此相干檢測比直接檢測手段更豐富，測試精度和分辨力更高。廣泛地應用于精密測長、測角、測距、測速、測力、測振、測應變及光譜分析等。 Harbin Institute of TechnologyPAGE - 42 -

23、精密儀器設計精密儀器設計11112222( , )expj( , )( , )expj( , )U x yatx yUx yatx y221212( , )2cos( , )I x yaaa atx y( , )1( , )cos( , )A x yx ytx y兩束光合成時，所形成干涉條紋的強度分布 光學測量中，常常需要利用相干光作為信息變換的載體，將被測信息加載到相干光載波上，使光載波的特征參量隨被測信息變化。干涉測量的作用就是把光波的相位關系或頻率狀態(tài)以及它們隨時間的變化關系以光強度的空間分布隨時間變化的形式檢測出來。Harbin Institute of TechnologyPAGE

24、- 43 -精密儀器設計精密儀器設計 當兩束頻率相同的光（即單頻光）相干時 ( , )( , )1( , )cos ( , )I x yA x yx yx y 當兩束頻率不相同的光相干時 干涉條紋將以( , )1( , )cos( , )A x yx ytx yHarbin Institute of TechnologyPAGE - 44 -精密儀器設計精密儀器設計 干涉條紋的強度取決于相干光的相位差，而后者又取決于光傳輸介質的折射率對光的傳播距離的線積分，即002dLns02/nL02()L nn L Harbin Institute of TechnologyPAGE - 45 -精密儀器

25、設計精密儀器設計 設計要求：設計一臺測量范圍0-3m，測量準確度為 微米)105 . 03 . 0(6LHarbin Institute of TechnologyPAGE - 46 -精密儀器設計精密儀器設計 初始位置時00)(2rmLLnK 測量位置時00)(22rmLLnnLK 若干涉條紋經倍細分后，再用計數器計數，所計的數為K，那么 00)(22rmLLmnmnLKmNHarbin Institute of TechnologyPAGE - 47 -精密儀器設計精密儀器設計 從而被測長度為 在測量開始前應對計數器清零 進行全微分，便可用微分法求出影響激光干涉測長的主要誤差 )(20rmLLmnNL02NLmn)(2222000rmLLnmnNmnNNmnL)()(00rmLLnnNNLHarbin Institute of TechnologyPAGE - 48 -精密儀器設計精密儀器設計激光干涉儀設計須注意問題1）干涉儀的布局應合理，應盡量遵守阿貝原則和共路原則，同時應盡量使初