光电仪器原理与设计第1章 概论

基于导波光学原理
光纤光学类仪器等
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光电仪器的分类
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。
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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
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仪器的组成
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。
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仪器的组成
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。
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仪器的组成
举例2：干涉类仪器 • 基本原理
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。

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，移相数字波前测百度文库仪
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
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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。



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。
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仪器的组成
举例2：干涉类仪器 组成：硬件
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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。
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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。
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仪器的组成
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。
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万能工具显微镜-19JC
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仪器的组成
3、共聚焦显微镜
纵向层析
三维重构
横向扫描
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仪器的组成
3、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。
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仪器的组成
举例2：干涉类仪器 • 应用：
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。
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光电仪器的发展历程
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……
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光电仪器的发展历程
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光电仪器的分类
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 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
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仪器的组成
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 (Laser Scanning Confocal Microscopy)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。
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光电仪器的概念
• 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。
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光电仪器的发展历程
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万能工具显微镜
传统目视 显微镜
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第一章 仪器设计概论
仪器组成： ①信息获取，②信息处理显示，③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。
光电仪器原理与设计
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课程总体框架
光源与照明系统 现 代 设 计 方 法 仪 器 精 度 设 计 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 典 型 仪 器 的 原 理 与 分 析
概 论
单元设计
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第一章 仪器设计概论
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第一章 仪器设计概论
• 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
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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 系统的表面面形 、 透射波阵面以及 曲率半径等。
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 分析，特别是对DVD 透镜。