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第1篇 光电仪器设计基本理论第1章 仪器设计的基本理论3

1.1 研究对象与研究方法3

1.1.1 研究对象3

1.1.2 研究方法4

1.2 光电仪器的质量指标5

1.2.1 功能指标5

1.2.2 精度指标6

1.2.3 外观指标7

1.2.4 经济指标7

1.2.5 其他质量指标8

1.3 光电仪器的基本设计原则8

1.3.1 等作用原则8

1.3.2 匹配原则11

1.3.3 阿贝原则11

1.3.4 运动学设计原则13

1.3.5 经济原则15

1.3.6 其他原则16

1.4 光电仪器总体系统研究17

1.4.1 仪器的方框原理图17

1.4.2 光电仪器总体设计中的几个转化17

1.4.3 仪器内外各个系统（环节）的匹配关系21

1.5 仪器总体设计的起始数据和资料22

1.5.1 光源22

1.5.2 探测器26

1.5.3 工作人员的生理性能31

1.5.4 光电仪器中关键元件已达到的水平32

1.6 外界条件的影响33

1.6.1 温度的影响33

1.6.2 湿度的影响34

1.6.3 摩擦和磨损的影响34

1.6.4 力的影响35

1.6.5 大气的影响38

1.7 仪器的设计方法和程序40

1.7.1 仿型设计40

1.7.2 改型设计或改进设计40

1.7.3 创型设计41

思考题43

第2章 光电仪器的现代设计方法44

2.1 光电仪器的计算机辅助设计45

2.1.1 CAD的概念、特点与技术过程45

2.1.2 CAD系统的组成、功能与分类46

2.1.3 CAD系统的应用48

2.1.4 计算机辅助分析计算51

2.1.5 计算机仿真52

2.2 光电仪器的优化设计方法56

2.2.1 基本术语56

2.2.2 优化设计的数学模型57

2.2.3 优化设计步骤58

2.2.4 优化问题求解的常用数学方法61

2.2.5 优化设计程序和优化设计软件包62

2.2.6 优化设计应用实例62

2.3 可靠性设计66

2.3.1 评定可靠性的数量指标67

2.3.2 几种常用的寿命分布及其特性71

2.3.3 几种常见的可靠度计算方法73

2.3.4 可靠度的分配75

2.4 创造性设计方法78

2.4.1 常规性设计与创新性设计78

2.4.2 创造的特征与一般过程79

2.4.3 创造性思维79

2.4.4 创造性设计方法81

2.5 虚拟仪器技术85

2.5.1 虚拟仪器的基本概念85

2.5.2 虚拟仪器系统的组成86

2.5.3 虚拟仪器系统的软件开发平台88

2.5.4 虚拟仪器技术的应用89

思考题90

第3章 光电仪器精度分析与精度设计91

3.1 概述91

3.1.1 精度分析的意义91

3.1.2 精度分析的两个过程91

3.1.3 测量误差和仪器误差92

3.2 误差的基本概念和误差的性质93

3.2.1 误差分类93

3.2.2 误差的性质94

3.3 光电仪器的误差来源97

3.3.1 影响光电仪器精度的主要因素97

3.3.2 原理误差97

3.3.3 原始误差98

3.3.4 运行误差99

3.3.5 分析仪器误差的基本顺序100

3.3.6 减小误差的措施101

3.4 光电仪器的精度102

3.4.1 测量的精确度和精密度102

3.4.2 光电仪器的总精度102

3.5 光电仪器的精度计算方法107

3.5.1 仪器的误差计算公式107

3.5.2 局部误差的计算方法113

3.5.3 精度设计与公差制定119

3.5.4 精度计算步骤120

3.5.5 精度计算举例121

3.6 仪器的精度设计125

3.6.1 仪器精度指标的确定125

3.6.2 仪器精度分配步骤与依据125

3.6.3 误差的分配方法126

3.6.4 球径仪误差分配与调整实例128

思考题131

第2篇 典型系统设计135

第4章 瞄准望远系统135

4.1 概述135

4.2 军用瞄准系统基本参数的选择136

4.2.1 望远系统的性能参数136

4.2.2 军用瞄准望远系统的基本参数选择136

4.3 测量瞄准望远镜基本参数的选择140

4.3.1 视放大率Г的选择141

4.3.2 入射光瞳直径D的选择142

4.3.3 物方视场角2ω的选择143

4.3.4 望远镜的机械筒长的选择144

4.3.5 其他参数的选择144

4.4 内调焦望远系统145

4.4.1 内调焦望远镜的调焦原理145

4.4.2 内调焦望远系统的基本公式145

4.4.3 内调焦望远系统参数的计算147

4.4.4 调焦镜移动引起的瞄准误差149

4.5 周视望远系统151

4.5.1 周视光学原理151

4.5.2 周视系统的像倾斜及其补偿方法152

4.5.3 符合等作用原理的周视系统153

4.5.4 周视瞄准系统总体参数的选择154

4.6 瞄准系统的微调机构及制动时产生的力157

4.6.1 微调机构和参数选择157

4.6.2 制动机构的制动力计算159

4.7 激光定向系统159

4.7.1 激光定向系统的光学原理159

4.7.2 激光定向系统的参数选择160

4.7.3 激光定向系统的照准误差162

思考题163

第5章 显微定位系统164

5.1 概述164

5.2 显微定位系统的工作原理及组成164

5.2.1 显微定位系统的工作原理164

5.2.2 光学式显微定位系统的基本组成165

5.3 光学式显微定位系统的总体考虑165

5.3.1 显微定位系统的特性165

5.3.2 系统的总体参数确定166

5.3.3 系统的景深与光阑位置169

5.3.4 照明光束的影响所引起的定位误差170

5.3.5 定位系统的机构考虑173

5.4 光电对准技术175

5.4.1 光电显微镜176

5.4.2 光电显微镜的工作原理176

5.4.3 动态光度式双管差动光电显微镜179

5.5 轴向定位（调焦）法186

5.5.1 轴向定位光指示器186

5.5.2 光学点位瞄准器186

5.5.3 光度式自动调焦系187

5.6 主显微定位系统的总体设计187

5.6.1 主显微系统的基本参数选择187

5.6.2 主显微镜照明系统的设计189

思考题191

第6章 光学读数与光电读数系统192

6.1 光学读数系统的基本要求和分类192

6.1.1 读数系统的基本要求192

6.1.2 光学读数系统的分类193

6.2 光学读数系统中的基准元件194

6.2.1 光波波长194

6.2.2 标尺195

6.2.3 度盘198

6.2.4 块规202

6.3 光学读数系统中的对准精度和估读精度203

6.3.1 人眼的估读极限误差203

6.3.2 光学读数系统的对准精度204

6.4 几种常用的光学读数系统设计205

6.4.1 直读式光学读数系统（标尺式）205

6.4.2 带测微器的光学读数系统210

6.5 光学读数系统中显微系统参数的计算217

6.6 光电读数系统概述220

6.6.1 光电读数的基本要求220

6.6.2 光电读数系统的分类221

6.6.3 光栅的莫尔条纹222

6.6.4 有关光学码盘的基本概念226

6.7 光栅式光电读数系统232

6.7.1 组成与工作原理232

6.7.2 光栅测量原理232

6.7.3 光栅读数系统234

6.8 光电轴角编码器设计考虑239

6.8.1 光电轴角编码器的工作原理和组成239

6.8.2 系统设计选择240

6.9 一种新型光电轴角编码器——相位阵编码器249

6.9.1 相位阵轴角编码器的结构249

6.9.2 相位阵轴角编码器的工作原理249

6.9.3 相位阵轴角编码器的特点250

思考题251

第7章 安放系统252

7.1 安放系统的基本要求252

7.2 水准器253

7.2.1 水准器的用途253

7.2.2 水准器的构造原理253

7.2.3 水准器的分类253

7.3 水准器的技术指标254

7.4 电子水准器255

7.5 安放系统中调平机构的参数设计257

7.5.1 调平机构类型257

7.5.2 安平螺旋的结构形式258

7.5.3 螺旋调平机构的参数设计259

思考题261

第8章 测距系统262

8.1 概述262

8.2 定角测距263

8.2.1 视距测距仪263

8.2.2 双像测距仪266

8.3 脉冲激光测距267

8.3.1 测距原理267

8.3.2 脉冲测距仪原理267

8.4 相位激光测距269

8.4.1 相位测距原理270

8.4.2 相位检测技术271

8.4.3 相位测距仪原理272

8.4.4 测距误差273

8.5 测距仪的光学系统考虑276

8.5.1 光学系统的作用276

8.5.2 光学系统的类型277

8.5.3 光学系统的方案选择277

思考题280

第9章 光电仪器的电路系统设计281

9.1 电路系统的组成、要求和设计准则281

9.1.1 电路系统的作用及其组成281

9.1.2 对电路系统的一般要求282

9.1.3 电路系统的设计准则283

9.2 中央处理系统的设计286

9.2.1 以计算机为核心的中央处理系统286

9.2.2 基于微处理器的主机电路287

9.2.3 基于微型计算机的主机电路292

9.2.4 模／数转换电路293

9.2.5 数／模转换电路296

9.3 光电探测器的选用298

9.3.1 光电转换原理298

9.3.2 光电探测器选用的一般原则298

9.4 光电探测器的偏置电路299

9.4.1 光电探测器的偏置方式299

9.4.2 几种常用的偏置电路299

9.5 电路系统的可靠性与故障诊断技术302

9.5.1 电路系统的可靠性302

9.5.2 提高硬件可靠性的一般方法303

9.5.3 故障诊断技术304

思考题305

第3篇 典型仪器设计举例第10章 光电仪器总体设计举例309

10.1 光电数字经纬仪总体设计309

10.1.1 仪器的使用要求和用途309

10.1.2 仪器的工作原理及组成309

10.1.3 方案选择310

10.2 光电数字经纬仪的光学总体设计311

10.2.1 光学瞄准系统311

10.2.2 红外测距仪312

10.2.3 对中系统313

10.2.4 对瞄准、发射和接收系统的要求313

10.3 仪器各部分的参数和结构选择313

10.3.1 编码器的分辨率313

10.3.2 轴系选择314

10.3.3 其他系统的选择314

10.3.4 测距系统的参数选择315

10.4 光电数字经纬仪总体精度分析316

10.4.1 电子经纬仪的精度分配316

10.4.2 测距仪的误差分配319

10.5 光电数字经纬仪的可靠性分析319

10.5.1 可靠性设计目的319

10.5.2 引用文件320

10.5.3 可靠性模型的建立320

10.5.4 可靠性评估说明323

10.6 光电坐标测量仪的总体设计324

10.6.1 仪器的用途324

10.6.2 仪器的工作原理及组成324

10.6.3 仪器的光学总体方案的选择和参数确定325

10.6.4 仪器的测量系统的方案选择和参数确定328

10.6.5 其他机构的选择330

10.6.6 光电坐标测量仪的精度分析330

思考题334

参考文献335