精密仪器设计-光检测系统设计

离、危险、恶劣环境测量；
光波传播速度快，可进行实时测量和控制； 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。
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二、典型精密仪器的基本组成
光学精密机 械系统 电机及驱 动系统 信息获取与应用 显示、打 印系统 光电转换 系统 电路处理 系统 计算机控 制系统 信息处理、变换与显示
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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。
半导体发光二级管
a)原理图 b)外观图 c)器件符号
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常用发光二级管材料及性能如下表所示。
材料
GaAs0.6 P0.4
GaAs 0.15 P0.85
光色 红
峰值波长 / nm 650
3.2 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与测量光信号的光谱范围是否一致； 探测器能探测的最小信号功率； 探测调制信号或脉冲光信号时，响应时间是否一致。

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3.3 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。
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2．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。
典型光源功率谱分布
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 11 红外测量，宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。
3．空间光强分布特征
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。 为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照 明方向。为了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反 光罩的焦点应位于光源的发光中心。
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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 射光线全部进入物镜 成像，因此整个图像 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 同轴照明 色的斑点。 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-CCD 28
精密仪器设计
Design of Precision Instrument
光电精密检测系统设计
测控技术与仪器研究所 自动化工程学院
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一、现代精密光电检测仪器特点
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，是一种非接触和非破坏性测量，可适用于远距
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半导体激光器（LD），用半导体材料制成的面结型的二极管。
在使用半导体激光器时，应注意以下几点： （1）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； （2）频率稳定性。 LD光的单色性、相干性较差，因此用LD作相干 光源且测量距离又较大时，必须对LD稳频。LD的稳频法主要有吸收 法和电控法； （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。
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。
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4．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。 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， 光纤束在另一端分束，形 成一环形光纤排。光纤照 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 决了光源散热对被测物体 1-光源 2-聚光镜阑 3-光纤束 4-环形 光纤排 的影响。
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。
按光源类型分为白炽灯照明、光纤照明等。
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
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一、光源的基本参数
1．发光效率
在给定的波长范围内，某一光源所发出的光通量 V 与产 生该光通量所需要的功率 P 之比，称为该光源的发光效率， 表示为: V d
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P
P
式中， 1 ~ 2 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。
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三、照明系统
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 2）有足够的照明范围，照明均匀。
3）照明光束应充满物镜的入瞳。
4）应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。 5）合理安排布局，避免光源高温的有害影响。
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照明系统的种类
光谱光视效能/(lm W 1 ) 70
黄
绿
589
565
450
610
GaP:N
GaAs
红外
红外
910
940
GaAsSi
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。
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5．激光光源 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。 激光器三大要素：激光工作物质，激励能源和光学谐振腔。 激光器分类：固体激光器、气体激光器和半导体激光器。
计算机 显示与控制
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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
三、光学系统设计

光电探测器 光源
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3.1 分类
真空光电器件
光电探测器
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 光电池 光电二极管 光电三极管 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CMOS 8
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二、光电测量中的常用光源
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。 1．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。
2．白炽灯： 白炽灯靠灯泡中的钨丝被加热而发光，它发出
连续光谱。发光特性稳定、简单、可靠、寿命比较长，得到广 泛的应用。真空钨丝灯是将玻璃灯泡油成真空，充气灯泡是灯 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：
HG500发光二极管的配光曲线
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4．光源的温度和颜色
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
表示为：
b , T M , T M , T
b , T M
式中，
,T M
V0 I 0 V0 V0 V I V V
0.5
0.278
0
n
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3．气体放电光源
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2～10倍，可节省能源。
结构紧凑，耐震、耐冲击。 寿命长，大约是白炽灯的2～10倍，可节省能源。 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（589 nm），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。
(3) 电路处理与计算机控制
——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/V I/O、LED、LCD等 。
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二、典型精密仪器的基本组成
(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 （Stepping Motor）、纳米电机（Nanomotion）等。
d e d dA
, T 为吸收率，当 , T 1 为辐射本领；
时的物体称为绝对黑体。
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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。 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 相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。 相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射的色坐标 点最近，则该黑体的温度称为该光源的相关色温。 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。