光电仪器系统设计期末复习样本.doc

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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 光电仪器系统设计复习 注: 以下题目的答案仅供参考, 部分题目的答案可能不够完整与严格。第一章 概论一、 什么是光电仪器, 其基本作用有那些? 以光学原理为基础, 综合采用电子、 计算机、 机械等其它技术的各类仪器, 用于对物质实体及其属性进行观察、 监测、 测定、 验证、 传输、 变换、 显示、 分析处理与控制。二、 光电仪器的基本构成包括哪几部分, 涉及哪些内容? 光电仪器的构成三大部分 机械部分: 仪器的传动机构、 联接机构、 调整机构和壳体等 电子与微机控制部分: 各种电子线路、 照明、 显示和计算机控制等 光学部分: 由

2、各种透镜、 棱镜、 平面镜、 光栅和光纤等元件组合而成 三、 光电仪器设计的指导思想是什么? (1) 仪器的性能指标确定要合理, 综合考虑应用场合和整体性能(2) 经济性: 不盲目追求复杂、 高级方案, 尽可能采用最简单、 最经济的设计方案满足所提出的功能要求。 (3) 可靠性: 可靠性差, 就没有使用价值。 (4) 环保与安全性: 不污染环境, 对操作人员没有伤害。 (5) 效率: 尽可能提高测量速度 (6) 寿命: 充分考虑器件的寿命, 易耗元件的更换, 维护的方便。 (7) 封装和造型: 总体结构安装、 部件建的造型、 细部美化等都要考虑, 尽量使产品。(8) 操作方便: 操作要符合人们

3、的习惯, 尽可能节省人的体力和脑力。 四、 光电仪器设计的原则是什么? (1) 从原理上提高性能的原则 (2) 精度匹配原则: 在分析基础上, 对各部分精度分配恰当(3) 最短传动链原则: 影响精度的测量和传动链最短, 零部件最少 (4) 零部件的标准化、 系列化和通用化原则 (5) 便于加工和生产的原则 (6) 最佳性价比的原则 五、 光学仪器如何进行分类? 按光学工作原理: 反射原理: 采用各种反射镜及其组合: 潜艇观察镜、 反光镜等 成像原理: 显微、 望远、 投影、 照相、 OCT等 物理光学: 干涉、 衍射、 偏振等 导波光学: 纤维光学和波导光电仪器等 按经典光学应用分类: 观察仪

4、器: 望远镜、 显微镜等 测量仪器: 测距仪、 干涉仪、 OCT等 瞄准: 摄像: 照相机 按光谱波段分类: 可见光仪器: 目视光学仪器、 可见光成像仪器 红外光学仪器: 红外夜视仪器、 空间红外探测仪器 紫外光学仪器: 紫外成像仪器、 光刻机器 按现代光学用途分类: 民用光电仪器: 普通目视光学仪器、 可见光成像仪器、 CCD观察及成像仪器等 军用光电仪器: 观测仪器、 头盔夜视仪、 空间红外探测仪器、 各种军用装备等 空间光电仪器: 飞机机载光电仪器、 卫星光电仪器六、 光学仪器设计包括哪些程序? (1) 确定设计任务: 根据用户需求、 发展要求来确定 (2) 调研: 了解国内外同类产品、

5、 性能和特点 (3) 分析设计任务, 制定设计任务书 (4) 方案设计: 实现功能分析; 确定采用技术方案的原理, 建立模型; 主要参数的确定, 形成实现仪器功能的可行性方案的组合 确定几个较佳方案( 优化分析) 技术经济的评价 计算机模拟 (5) 技术设计 确定可行性方案, 进行总体结构设计; 零部件的设计; 性能分析和设计优化; 技术经济的评价 提交设计图, 计算说明书, 分析和评价的设计说明书和明细表等 (6) 制造样机, 性能测试和完善: 编写设计说明书、 使用说明书和检定规程。根据测试结果, 修正设计, 最后设计定型。 第二章 现代光电仪器的设计方法一、 为什么要考虑光电仪器人机工程

6、设计, 如何考虑? ( 1) 目的: 设计出最适于人操作的仪器、 最方便使用的操纵器、 最醒目的控制盘、 最不容易读错的显示器、 舒适的座椅以及适宜的工作环境, 使工作者不产生心理上的压抑感和紧张感, 甚至体验到舒适、 安定和亲切。( 2) 方法: 经过样机试制听取消费者和操作人员的反映; 主动学习和利用人机工程学的理论和方法, 能够争取时间、 少走弯路和减少人力浪费。二、 人眼的视野范围是多大? 最佳视区是多大, 如何计算? 人眼的焦距: f=-16.68 mm, f=22.29 mm, 瞳孔直径28 mm, 瞳孔到角膜顶点距离约为4 mm。视野: 头部和眼球不动时, 人眼的视野范围水平方向

7、为120 , 垂直方向为130 ( 上60 , 下70) 。最佳视线: 水平下线10 方向上 最佳视区: 5 , 水平从眼轴算, 垂直从最佳视线算良好视区: 水平方向30 , 垂直方向10 -30 最大视区: 水平方向120 , 垂直方向60 -70 三、 优化设计的目的是什么? 方法包括? 优化设计设计就是将优化技术应用于设计过程, 目的是获得比较理想的设计参数, 从而提高设计质量和速度。设计方法: 分为直接法和求导法。 直接法是直接计算函数值、 比较函数值, 以此作为迭代的基础; 求导法是以多变量函数极值理论为依据, 利用函数形态作为迭代收敛的基础四、 仪器优化设计中的三次设计包括? 参数

8、设计目的? ( 1) 系统设计 ( 2) 参数设计 ( 3) 允差设计 参数设计是高质量产品的重要阶段。目的是从庞大的组合关系中找出最好的参数搭配关系, 使质量最稳定可靠。结果是经过第二次设计, 使产品的质量在精度和稳定性方面获得很大提高。五、 可靠性设计有什么特点? 在对失效可能性的认识和评价上, 常规设计用安全系数, 可靠性设计采用可靠度或其它可靠性指标, 因此对失效可能性的认识和评价更合理; 可靠型设计除了引入可靠度或其它可靠性指标外, 还对仪器的安全系数作了统计分析, 得出的安全系数更科学, 可靠性设计对仪器安全度的评价一般有两个: 即可靠度和安全系数 。六、 什么是可靠性实验, 包括

9、哪些, 目的是什么? 可靠性实验: 为确定仪器可靠性特征参量进行的实验 可靠性实验分为破坏性实验和非破坏性实验, 主要包括寿命实验、 可靠性增强实验、 可靠性鉴定实验等。( 1) 发现仪器在设计、 材料、 工艺等方面的缺陷, 为改进设计提供依据; ( 2) 提供可行数据作为工作状态、 维修成本等估计用。第三章光学系统设计基础一、 基本的光学系统有那些? ( 1) 显微系统 ( 2) 成像系统 ( 3) 望远系统二、 光电系统设计中选择光源需考虑的问题?( 1) 光源的光谱能量分布特性 ( 2) 光源的光度特性( 3) 发光面的形状、 尺寸和光源的结构 ( 4) 其它因素 在设计光学系统选用光源

10、时还应考虑: 光源的供电系统的复杂性、 是否需要冷却处理、 使用寿命、 更换方便的程度和价格等。三、 什么是完善点和完善像, 成完善像的条件是什么? 若一个物点对应的一束同心光束, 经光学系统后仍为同心光束, 该光束的中心即为该物点的完善像点, 完善像是完善像点的集合。成完善像的条件: 表述一: 入射波面是球面波时出射波面也是球面波表述二: 入射光是同心光束时出射光也是同心光束表述三: 物点及其像点之间任意两条光路的光程相等四、 什么是费马原理? 费马原理内容: 实际光线沿着光程为极值的路线传播, 或者说, 光沿光程为极小、 极大或常量的路径传播。五、 光波分为哪几类? 平面光波( 平行光束)

11、 、 球面光波( 会聚光束、 发散光束) 、 任意曲面波( 像散光束) 六、 光学系统作图求像中可选择的典型光线及性质有哪些? 1) 平行于光轴入射的光线, 经过透镜后过像方焦点2) 过物方焦点的光线, 经过系统后平行于光轴3) 倾斜于光轴入射的平行光束, 经过系统后会交于像方焦平面上一点4) 自物方焦平面上一点发出的光束, 经过系统后成倾斜于光轴的平行光束5) 共轭光线在主面上的投影高度相等七、 平面镜成像有什么特点? 1、 唯一能成完善像的最简单的光学元件2、 像与物完全对称与平面镜八、 平行平板成像有什么特性? 棱镜有什么等效作用? 1、 光线经平行平板后方向不变2、 平板是个无光焦度元

12、件, 不会使物体放大或缩小, 在系统中对光焦度无贡献3、 光线经平板后产生侧向位移和轴向位移棱镜的等效作用: 平面镜+平行平板九、 什么是光阑和有效光阑, 在光学系统设计中有什么作用? 在光学系统中, 光学元件的边缘, 或者一个有一定形状的开孔的屏, 起着限制光束的作用, 称为光阑。在光学系统中, 所有光阑中限制入射光束最起作用的那个光阑, 称为有效光阑。十、 如何确定系统的有效光阑? 先求出每一个给定光阑或透镜边缘由其前面的光学系统所成的像, 从指定的物点看所有这些像和第一个透镜边缘的所张的各顶角, 在这些顶角中找出最小的那一个, 与其所对应的光阑就是该物点的有效光阑, 并可求得入射光瞳和出

13、射光瞳。十一、 光学仪器中的显微系统能够分为哪两类, 对放大率要求有什么不同? 一类是用于观察物体表面的微观轮廓, 其关键是分辨率, 并由它来确定系统的数值孔径、 放大率等参数; 另一类是用于瞄准或读数的, 应从瞄准、 读数精度出发来确定其参数。 对于用于观察物体细节的显微系统, 要求有较大的放大率, 但对数值并不要求准确, 仪器标出的放大率只是名义值, 可允许误差8。对于用于瞄准-读数的显微系统, 其放大率应保证瞄准精度要求, 放大率要求一般不高, 但物镜的放大率要求准确, 允许误差0.050.1 。设计时还应考虑其结构形式, 便于装配和调整。十二、 光学仪器中为什么要采用投影系统? 用显微

14、镜进行观测时, 容易引起疲劳。采用投影系统将照明后的被观测对象经投影物镜放大后成像于屏幕上进行观测, 能够大大减轻疲劳, 提高工作效率, 还能够供多人同时观察, 因此得到广泛应用。十三、 光学仪器中的望远系统有什么特点? 望远系统物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合, 因此平行入射的光束经光学系统后仍平行出射。一般系统的入瞳就是物镜的镜框, 即有效光阑, 出射光瞳在目镜的像方焦点附近。系统的视场光阑在物镜的像方的焦平面上( 即分划板) 。对于带目镜的伽利略望远镜, 则以观测这的眼瞳为系统的出瞳和有效光阑, 系统的入瞳为位于眼瞳之后的虚像, 系统的视场光阑为物镜的镜框。 十四、 光电系统中应如

15、何考虑放大器的要求? 经探测器转换成的电信号一般比较微弱, 需要在电路中进行放大。需要考虑放大器的放大倍数、 噪声和前后级的匹配。第四章 光电仪器的精度分析一、 精度理论在光电仪器设计中的作用? 精度理论主要分析影响光电仪器精度的各项误差来源及特性, 研究误差的评定和估计方法, 分析误差的传递、 转化和相互作用的规律, 了解误差合成与分配的原则, 为仪器的性能设计、 鉴定和维护提供可靠的依据。二、 按性质误差能够分为哪几种? 随机误差: 是由一些独立因素的微量变化的综合影响造成的, 单个值的大小和方向没有一定的规律, 但总体符合统计规律。系统误差: 大小和方向在测量过程中恒定不变, 或按一定规

16、律变化, 一般能够用理论计算或实验方法求得, 可预测其出现, 能够修正和调节。粗大误差: 一般是由于疏忽或错误, 在测量值中出现的误差, 应剔除。三、 准确度、 精密度和精确度有什么区别, 哪一个反映仪器的总体特征? ( 1) 准确度(Correctness)系统误差 ( 2) 精密度(Precision)随机误差( 一般服从正态分布标准误差) ( 3) 精确度(Accuracy)系统误差和随机误差的综合 四、 产生光电仪器的误差来源有那些? ( 1) 原理误差: 是由于理论不完善或采用近似的理论、 近似数学模型或近似的传动机构所产生的。与制作和加工无关, 是由于设计决定的, 如光学系统的畸变

17、误差。( 2) 制造误差: 是由于材料、 加工尺寸和相对位置的误差而引入的仪器误差, 不可避免, 但能够降低。设计时要注意结构的合理性, 使三个基面统一, 测量链最短。 ( 3) 运行误差: 是在仪器的使用过程中, 由于变形、 磨损、 温度变化、 震动等引入的误差。五、 精度设计包括哪些方面? 精度设计包括两个方面: 一方面要研究与分配已知仪器允许的总误差, 将其经济、 合理地分配到零部件上, 并制定零部件的公差和技术要求。另一方面需要设法用”误差补偿”方法去扩大允许的公差, 以解决由于总误差数值很小, 致使某些零部件的允许误差( 公差) 过严的问题。第五章光谱分析仪( Optical Spe

18、ctrum Analyzer) 一、 什么是光谱仪, 作用是什么? ( 1) 光谱分析仪是进行光谱学研究和对物质的光谱进行分析的装置。( 2) 作用: 观察、 分析物质的光谱, 能够直接获得有关物质成分、 结构等方面的信息; 也能够间接获得有关物质运动或物质间相互作用等方面的信息。二、 光谱仪的基本性能指标有哪些? 分辨率: 能够分辩的最小波长差( 波长变化) 波长精度: 测量的波长绝对值的精度 灵敏度: 测量最低光信号功率的能力 动态范围: 在存在高功率信号情况下, 测量低功率信号的能力。 测量范围: 可测量的波长范围。 测量时间。三、 光通信中常见的光谱仪采用什么原理, 如何提高波长分辨率

19、和动态范围的? ( 1) 棱镜光谱仪: 根据棱镜折射分光原理, 区分不同波长开发的光谱仪。( 2) 光栅光谱仪: 根据光栅衍射分光原理, 区分不同波长开发的光谱仪。 ( 3) 干涉光谱仪( 调制光谱仪) : 根据干涉分光原理, 区分不同波长开发的光谱仪, 如傅立叶变换光谱仪。( 4) 其它光谱仪: TDS, Fabry-Perot 光谱仪、 AOTF光谱仪、 拉曼光谱仪、 椭圆偏振光谱仪和外差光仪等。 四、 光通信中常见的光谱仪仪的波长测量范围是多少? 1、 衍射光栅光谱仪测量范围: 采用InGaAs光电探测器, 测量范围能够达到350-1700nm。2、 傅立叶变换光谱仪 波长测量范围一般在1000 nm10000nm。3、 Fabry-Perot光谱仪 波长测量范围较小, 一般只有几十个纳米。五、 傅立叶变换光谱仪有什么特点, 测量波长范围一般为多少? ( 1) 波长精度高: 在1000nm处能够达到0.001nm, 主要受参考激光波长的稳定性和自相关测量大小限制; ( 2) 分辨率一般为0.1nm, 幅度测量精度与光栅光谱仪差不多; ( 3) 波长测量范围一般在1000nm-10000nm; ( 4) 成本与光栅光谱仪差不多。