光电仪器原理与设计第1章 概论.pptx

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光电仪器原理与设计1概论仪器精度设计现代设计方法典型仪器的原理与分析单元设计光源与照明系统光学元件的选择与调整光电探测器标准量与标准器运动与对准4课程总体框架第一章仪器设计概论34提要光电仪器的概念及发展历程光电仪器的分类光电仪器的组成光电仪器的特点总体设计的基本观点和设计步骤第一章仪器设计概论45信息获取、信息处理以及信息的利用。

不仅能改善、扩展及补充人类的官能，更能超过人类的能力去记录、计数和计算。

现代化仪器已经成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。

广义来说，光电仪器涵盖所有基于光学原理、采用光电转换技术的仪器。

光电仪器的概念6光电仪器的发展历程仪器的发明往往伴随着物理原理的发现，其中存在偶然的成分，但仪器的发展却是依照人们的需求逐步进行的。

传统仪器大多只是光学零件和精密机械的组合，依靠人眼作为接收器来观察信息，需要手动调节。

二十世纪以来，机械、电子、激光等技术的发展，使得光电仪器在保持传统功能的基础上，工作能力得到提高，功能得到扩展。

光电仪器的发展历程7新器件的出现是光电仪器发展的有力支持。

新物理原理的应用更能从质的方面提高光电仪器的工作能力。

以显微观察技术为例光电仪器的发展历程8光电仪器的分类9仪器分类：

按照其工作原理利用反射原理利用几何成像原理利用物理光学原理利用多普勒效应基于导波光学原理光学杠杆类仪器望远、投影、显微、照相类仪器干涉、衍射、偏振类仪器流速仪、激光陀螺光纤光学类仪器等光电仪器的分类10仪器分类：

按照仪器的功能观测记录仪器，包括各类显微镜、摄像机、光驱等；控制分析仪器，包括生物芯片、光谱仪、色谱仪等；计量仪器，包括测距仪、轮廓仪等种类。

仪器的组成举例1：

放大显微类仪器1、放大镜基本组成：

透镜，机械支撑结构扩展：

照明光源，测量标尺1111仪器的组成12举例1：

放大显微类仪器2、万能工具显微镜（简称万工显）主要用于精确测量各种工件尺寸、角度、形状和位置等几何量，以及螺纹制件的各种参数等。

其主要结构是在目视光学显微镜的基础上加入各种几何量测量用的标准器、瞄准机构等，通过比较标准器和工件进行测量。

万能工具显微镜-19JC13计量仪器的经典机型，19JC几乎包容了所有几何量检测的一切手段，仪器功能全、精度高及操作简便、经久耐用，是精密机械行业的常规装备，也是各级技术监督、计量检测部门的有效检测依据，是科研、教学领域的得力助手。

仪器的数显表有数据输出接口，可扩展连接二维数据采集器及计算机测量操作系统，升级为19JPC微机型万能工具显微镜。

万能工具显微镜14传统目视显微镜第一章仪器设计概论15仪器组成：

信息获取，信息处理显示，控制传感器，光电转换，信号处理电路，电机及其驱动电路，光学精密机械定位，计算机控制等除了以上功能单元，光电仪器还应包括机械支撑等基本部件。

这些单元在光电仪器中有机结合，使得仪器复杂的功能得以实现。

仪器的组成16举例1：

放大显微类仪器3、共聚焦显微镜激光扫描共聚焦显微镜（LaserScanningConfocalMicroscopy）是20世纪80年代发展起来的一项具有划时代意义的高科技新技术，它是采用激光作为光源，在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置，并利用计算机对所观察的对象进行数字图象处理的一套观察、分析和输出系统。

仪器的组成173、共聚焦显微镜纵向层析三维重构横向扫描仪器的组成183、共聚焦显微镜激光扫描共聚焦显微镜主要包括激光光源、显微镜平台、扫描模块（包括共聚焦光路通道和针孔、扫描镜、检测器）、数字信号处理器、计算机以及图像输出设备（显示器、彩色打印机）等。

仪器的组成19举例2：

干涉类仪器应用：

长度/位移测量外差干涉仪，无导轨绝对长度测量仪波面/面形测量光学元件测量仪，移相数字波前测量仪干涉光谱仪法布里-珀罗干涉仪，傅里叶变换光谱仪干涉显微镜干涉传感器多普勒测速仪，应力应变仪，磁场传感测量仪仪器的组成举例2：

干涉类仪器应用：

位移测量测量位移是干涉仪最传统和最常见的用途，经过多年的发展，已经非常成熟和可靠，并衍生出多种形式，能够满足各种场合的需要，精度可达纳米量级。

20仪器的组成举例2：

干涉类仪器应用：

角度测量测量微小转角（俯仰角、偏摆角、滚转角等）也是干涉仪测量的专长，分辨率可达0.01角秒或更小。

21仪器的组成举例2：

干涉类仪器应用：

坐标测量双路干涉仪可以测量X-Y工作台的二维坐标，如果再增加一路，还可测量其自身平面内的转角，常用于各种平面图形（如集成电路掩模板）的制作和检测等应用。

22仪器的组成举例2：

干涉类仪器应用：

波面/面形测量大口径激光干涉仪测量口径从常规的4英寸口径拓展到12英寸、18英寸、24英寸、32英寸和36英寸。

小型激光干涉仪专门测量小口径光学元件和光学DVD透镜检测干涉仪为小透镜透射波面质量提供完整的测量和系统的表面面形、分析，特别是对DVD透射波阵面以及透镜。

曲率半径等。

23仪器的组成24举例2：

干涉类仪器基本原理利用干涉现象，我们可以极其精密地测量各种尺寸、距离、角度和形状等。

仪器的组成25举例2：

干涉类仪器基本原理干涉测量有极高的精度，是因为利用了光的波长做刻度，比纸张厚度的一百分之一还要小。

仪器的组成26举例2：

干涉类仪器基本原理激光头产生相干光；干涉光路把它投射到被测的对象上，并让返回的光和另外一束相干光线相遇，发生干涉；接收器负责探测干涉图样；处理电路负责对原始信号进行放大、滤波、整形、解调等，从中得到有用的信息。

上述硬件再加上软件便构成了完整的干涉计量系统。

光源2277干涉系统信号接收信号处理仪器的组成举例2：

干涉类仪器组成：

硬件激光头提供波长稳定的干涉光源作为测量的基准。

仪器的组成举例2：

干涉类仪器组成：

硬件光源2288分振幅/波前双光束装置干涉光路把被测量转化为激光干涉性质的变化。

仪器的组成举例2：

干涉类仪器组成：

硬件干涉光路参考镜测量镜2299探测器信号接收电路把激光的干涉转化为电信号。

仪器的组成举例2：

干涉类仪器组成：

硬件信号接收3300信号处理电路把干涉产生的电信号数字化。

仪器的组成举例2：

干涉类仪器组成：

硬件信号处理3311系统软件把数字化信号还原得出测量结果并进行分析。

仪器的组成举例2：

干涉类仪器组成：

软件3322光电仪器的特点33现代光电仪器高速度高精度多功能34光电仪器设计的首要工作是总体设计。

所谓总体设计，是指在进行仪器具体单元设计或者元器件选型之前，从使用功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面设想和规划，使仪器的原理、技术指标建立在科学基础上，以便寻求经济高效的最佳方案。

总体设计方法35光电仪器设计的首要工作是总体设计。

另一方面，总体设计也是贯穿仪器设计始终的理念，它要求仪器设计全过程都能从整体的角度分析和解决问题，是单元设计和元器件选型的基本出发点。

总体设计方法36总体设计需要考虑两个层面的问题。

其一，仪器与大工作环境的关系。

从信息传递的角度来说，仪器可能并非单独工作，而是大系统的一部分，其二，仪器内部各单元的协调。

总体设计方法新仪器设计步骤设计一台实用新仪器一般包括三个阶段的工作。

首先，提出包含新物理原理或新元器件的新方案，这只占仪器设计总工作量的1%；然后，进行方案的原理性实验，确定其可行性及预期技术指标，这占总工作量的9%；最后是复杂而实际的仪器化工作，这占据了余下的工作量。

37总体设计方法38新仪器设计步骤1、设计任务分析；2、原理方案制定：

反射原理、几何成像原理、物理光学原理、多普勒效应、导波光学原理；3、原理性实验；4、仪器化设计；5、仪器性能检测。

总体设计方法总体设计方法39举例1请设计一台红细胞平均直径测量仪。

首先，提出包含新物理原理或新元器件的新方案，这只占仪器设计总工作量的1%；1、设计任务分析：

红细胞直径正常值69m，大量悬浮于血液中；2、原理方案制定：

反射原理、几何成像原理、物理光学原理、多普勒效应、导波光学原理。

40原理性实验3）技术指标初步测定基础：

计量仪器的7个标准量，用于实现标准传递长度（米）：

一米是光在真空中1/299792458s时间间隔内所经路径的长度时间（秒）：

铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间电流（安培）：

真空中，截面积可以忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为210-7N,则每根导线中的电流为1A热力学温度（K）：

水的三相点热力学温度的1/237.16总体设计方法总体设计方法原理性实验3）技术指标初步测定基础：

计量仪器的7个标准量，用于实现标准传递物质的量（摩尔）：

是一系统的物质的量，改系统中所包含的基本单元数于与0.012千克碳12的原子数相等发光强度（坎德拉）：

光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为5401012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度单色光在给定方向上的辐射强度质量（千克）：

国际千克元器质量？

测量Measurement:

以确定量值为目的的操作？

计量Metrology：

实现单位统一、量值准确可靠的活动4141总体设计方法原理性实验3）技术指标初步测定万用表交流电压档主要指标？

量程最小读数424243总体设计方法原理性实验3）技术指标初步测定灵敏度：

稳态下仪器系统输出信号变化y和输入信号变化x之比；测量范围：

在允许误差极限内仪器所能测出的被测量与最小被测量之间的范围；分辨率：

仪器能感受、识别或探测的输入量的最小值；重复精度：

在同一测量方法和测试条件下，在不太长的时间间隔内，连续多次测量同一物理参数所得到的数据分散程度。

44新仪器设计步骤4、仪器化设计：

如何抵御环境干扰，压缩体积减轻重量，规范化标准化，可靠性设计，等。

5、仪器性能检测：

外形参数、功能、基本精度指标等的测定，必要时由计量院等权威部门开具测试、校准或检定报告。

总体设计方法45新仪器设计步骤及目标1、设计任务分析：

明确需测量或探测的目标性质、范围、精度要求，环境，成本等。

2、原理方案制定：

选定新仪器的工作原理，进行初步原理设计，得到原理图或系统框图。

3、原理性实验：

根据原理方案选择元器件（以方便、快捷、集成度高为标准），并进行原理性实验，明确基本技术指标。

4、仪器化设计：

严格依据成本、环境、可靠度要求进行仪器化方案设计及实现。

5、仪器性能检测：

对仪器主要指标和性能进行检测。

总体设计方法本课重点总体设计实例总体设计各步骤的目标第一章仪器设计概论4646