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