Рабочая программа дисциплины б 15 Проектирование оптических и оптико-электронных приборов
| скачать Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК) УтверждаюРектор МИИГАиК Малинников В.А. «……» _______________ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Б.3.15 Проектирование оптических и оптико-электронных приборов
Москва 2011 г. Аннотация рабочей программы При изучении дисциплины рассматриваются: -основные энергетические и фотометрические параметры и единицы; -основные типы естественных источников излучения и промышленно выпускаемых источников оптического диапазона спектра; -основные типы приемников оптического излучения, их основные параметры и характеристики; -методы и аппаратура для определения основных параметров и характеристик источников и приемников оптического излучения; -методы выбора источников и приемников излучения для включения их в состав оптико-электронных приборов и систем.- ^ Б.3.15 Проектирование оптических и оптико-электронных приборов Целями освоения дисциплины «Источники и приемники оптического излучения» являются формирование профессиональных компетенций в области оптико-электронного приборостроения, умение выбирать эти элементы при проектировании современных оптико-электронных приборов и систем, а также рассчитывать и определять экспериментально важнейшие параметры и характеристики источников и приемников оптического излучения 2.МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ Б.3.15 Проектирование оптических и оптико-электронных приборов в ^ Данная учебная дисциплина входит в раздел «Б.3. Профессиональный цикл» по направлению подготовки 200400.62-Оптотехника. Ей предшествует изучение дисциплин Б.2.2 «Физика», Б.2.7 «Специальные разделы физики», Б.2.11.»Основы оптики», Б.3.7 «Электроника и микропроцессорная техника». Требования к «входным» знаниям, умениям и готовностям обучающегося, необходимым при освоении данной дисциплины и приобретенным в результате освоения перечисленных дисциплин содержатся в Основной образовательной программе подготовки бакалавра по направлению 200400.62-Оптотехника. На изучении данной дисциплины, как «предшествующей», базируются дисциплины Б.3.10 «Оптико-электронные приборы и системы», Б.3.15 «Проектирование оптико-электронных приборов», Б.3.16 «Сборка и юстировка оптико-электронных приборов», Б.3.19 «Геодезические измерения», Б.3.20 «Лазеры», Б.3.25б «Оптико-электронные следящие системы», Б.3.26б «Тепловизионные системы», а также программа производственной практики и подготовка выпускной работы.. ^ В результате освоения дисциплины обучающийся должен: знать: -основные виды источников и приёмников оптического излучения и их основные параметры и характеристики (ПК-1, ПК-2, ПК-18); уметь: - осуществлять корректный выбор источников и приёмников оптического излучения для работы в составе конкретной оптико-электронной системы (ПК-2, ПК-7, ПК-18); владеть: - навыками работы при измерении параметров и определении характеристик источников и приёмников оптического излучения (ПК-11, ПК-13). [Примечание: В данном пункте рабочей программы дисциплины (модуля) рекомендуется раскрыть ожидаемые результаты освоения дисциплины во взаимосвязи с компетентностной моделью выпускника.] ^
^ [Примечание: В данном пункте программы (или в приложении, поддерживающем данный пункт программы) рекомендуется разместить матрицу соотнесения тем/разделов учебной дисциплины/модуля и формируемых в них профессиональных и общекультурных компетенций.
Сумма компетенций и их элементов, предлагаемых к формированию по каждой теме/разделу, и соотнесенная с часами на изучение данной темы/раздела, позволяет оценить реальность формирования компетенций и скорректировать распределение часов.] ^ В учебном процессе используются компьютерные программы «КОМОС», разработанные в МИИГАиК для расчета параметров оптико-электронных систем, а также для параметрического и структурного анализа этих систем. При проведении практикума проводится еженедельный опрос (тестирование) по тематике текущих занятий с контролем усвоения соответствующего лекционного материала. Программа тестирования сообщается студентам, что позволяет им самостоятельно и постоянно проводить самоконтроль. 6.ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Приложение Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины, а также для контроля самостоятельной работы обучающегося по отдельным разделам дисциплины. Каждый вопрос или задание заканчивается ссылкой на источник – см. раздел 7 программы (часто с указанием номеров страниц – «с.» или разделов- «р.»), где содержится необходимая для ответа информация. В ряде случаев приводится ссылка «инд.», обозначающая необходимость использования конспекта лекций или приведения индивидуального мнения обучающегося о поставленном вопросе или проблеме. 1.Дать определения наиболее важных метрологических характеристик ОЭП. – [1 – р.1.3] 2.Какие общие соображения и факторы необходимо учитывать при выборе оптической системы ОЭП для измерения перемещений объектов после проведения энергетического расчета ОЭП и выбора приемника излучения? – [1 – р.6.2] 3.Записать полную модель погрешности ОЭП и пояснить составляющие, входящие в эту модель. – [2 - р.551, 1 - с.13, р.6.4.3] 4.По заданной функции преобразования (статической характеристике) показать, как определяются составляющие инструментальной погрешности ОЭП. – [1 - с.16] 5.Объяснить методику определения допусков на параметры ОЭП, используя гипотезу о равном влиянии частных погрешностей на результат измерения. – [1 - р.6.4.3] 6.В чем суть способа коррекции допусков на параметры и характеристики ОЭП? – [1 - р.6.4.3, с.279] 7.Перечислить основные законы распределения вероятностей частных погрешностей, используемые при расчете точности ОЭП и представить соотношения между средней квадратической погрешностью и границами этих распределений. – [4 – р.3.3] 8.Как определить закон распределения результирующей инструментальной погрешности ОЭП? – [4 - р.3.3] 9.В чем различие между средней квадратической погрешностью и доверительной погрешностью ОЭП. Написать общие формулы для их определения. – [1 – р.6.4.3 10.Дать определение понятия "фотоприемное устройство" (ФПУ). - [2 - р.5.1, 5 - с.129] 11.Перечислить основные общие требования к ФПУ ОЭП. - [инд., 5 - р.7.1] 12.Написать формулу для определения порогового потока Фп ФПУ на основе следующих фотоприемников: а) фоторезистора; б) фотоэлемента; в) фотодиода, работающего в фотодиодном режиме, ФЭУ. - [2 - р.5.2, 1 -р.8] 13. Записать условия выбора оптимального сопротивления нагрузки Rн с целью получения максимального отношения сигнал/шум для ФПУ на основе: а) фоторезистора и фотодиода в фотодиодном режиме его работы; б) фотоэлемента и ФЭУ. – [1 – с.с.348, 351, 360] 14.Нарисовать функциональную схему ФПУ с фотодиодом, включенным на вход операционного усилителя (ОУ) с отрицательной обратной связью. Каковы основные достоинства этой схемы? . – [1 – с.353] 15.Написать общую формулу для определения среднего квадратического напряжения шума на выходе ФПУ с фотодиодом, подключенным к ОУ. . – [1 – с.354] 16.От чего зависит постоянная времени τ ФПУ? Чем ограничивается максимальная частота модуляции в ФПУ на основе фотоэлементов? . – [3 – р.11.3, 1 – с.с. 353, 360] 17.Дать определения следующих параметров МПИ: квантовая эффективность, коэффициент преобразования, время накопления, пороговая чувствительность, порог насыщения элемента. . – [3 – р.1.3, 1 – р.8.6] 18.Вычислить тепловой шум ПЗС исходя из выходной емкости элемента С = 1пФ при комнатной температуре. Какой способ используется для ослабления этого шума? В чем состоит его сущность? . – [1 – с.371] 19. Как уменьшить шум считывания сигнала с ПЗС? . – [3] – р.3.2, 14 – р.8.6] 20.Определить дробовый шум сигнала Nс, выраженного числом электронов в элементах ПЗС. Каков закон распределения вероятностей этого шума? . – [1 – с.371] 21.В чем заключается электронная обработка сигнала после МПИ? – [5 - р.10] 22.От чего зависит расфазировка модулирующих функций в обоих плечах амплитудного анализатора на осное светоделительного блока? – [1 - с.275] 23.Написать выражения для доминирующих частных погрешностей анализатора. – [1 – с.274] 24.Пояснить сущность способа определения допусков на первичные погрешности анализатора. – [1 – с.277] 25.Рассчитать номинальную функцию преобразования анализатора для следующих расфазировок Δφ = 0; 30′; 1° и т.п. – [1 - с.276] 26.Какие требования предъявляются к объективу ОЭП с амплитудно-фазовым анализатором в виде светоделительной призмы, если диапазон измерения углов не превосходит ± 0,5°? – [1 – с.279] 27.Сравните функции преобразования виброщелевых анализаторов изображения (АИ) с гармоническим сканированием и с постоянной скоростью сканирования. Перечислить основные частные погрешности этих АИ. От каких параметров они зависят? Напишите выражение для его результирующей погрешности. – [1 – р.7.3.3] 28.Как уменьшить влияние нелинейности функции преобразования на точность измерения этим АИ? – [1 – р.7.3.3] 29.От чего зависит чувствительность виброщелевого АИ? Как определить допуски на основные первичные погрешности этого АИ? – [1 – с.270] 30.Перечислите достоинства фазового АИ. Написать формулы для его основных частных погрешностей. – [1 – р.7.3.5] 31.Напишите формулы статических характеристик дискового и барабанного анализаторов. – [1 – с.282] 32.Как уменьшить частную погрешность фазовых АИ вследствие нелинейности функции преобразования? – [1 – с.282] 33.Какие анализаторы используются при импульсной модуляции? – [1 – с.285] 34.Перечислить частные погрешности импульсных АИ. – [1 – р.7.3.6] 35.Как вычислить частную систематическую погрешность при фиксации положения импульсов? – [1 – с.287] 36.В чем отличие систематической погрешности при фиксации положения импульсов от случайной погрешности? – [1 – р.7.3.6] 37.Почему при фиксации положения импульса по точкам перегиба отсутствует частная погрешность из-за нестабильности амплитуды и формы симметричного импульса? – [1 – с.286] 38.Пояснить принцип действия поляризационных анализаторов изображения: а) для измерения углов скручивания; б) для измерения коллимационных углов αх или αу. – [1 – р.7.3.7] 39.Написать формулы для потоков излучения, прошедших через обе половины составного анализатора в поляризационном измерителе углов αz скручивания. – [1 – с.290] 40.В чем состоит преимущество модуляторов Фарадея по сравнению с модулятором в виде полудиска при применении их в поляризационных измерителях углов? – [1 – с.292] 41.Нарисовать схему фазового поляризационного измерителя углов αz скручивания. Почему в нем изменение фазы φ выходного сигнала в два раза больше угла αz , т.е. φ = 2αz? – [4 – с.393] 42.Перечислить основные частные погрешности поляризационных угломеров. – [1 – р.7.3.7] 43.Пояснить принцип действия амплитудных волоконно-оптических анализаторов изображения для измерения линейных перемещений. – [1 – р.7.3.8] 44.Нарисовать схему, описывающую принцип действия волоконно-оптических импульсных датчиков распределения. – [инд.] 45.Записать функцию преобразования волоконно-оптического анализатора для измерения линейных величин. – [1 – с.297] 46.Перечислить типовые частные погрешности этих волоконно-оптических анализаторов. – [1 – р.7.3.8] 47.Перечислить основные частные погрешности анализаторов изображения на основе ПЗС и КМОП. – [1 – с.301] 48.Описать методику определения следующих частных погрешностей вследствие: а) геометрического аддитивного шума; б) геометрического мультипликативного шума; в) тепловых и дробовых шумов; г) шумов квантования АЦП; д) нелинейности энергетической характеристики. – [1 – р.7.3.9] 49.Записать формулы для определения координат энергетических центров тяжести изображения объекта ПЗС матрицей Хцт и Уцт. – [1 – с.301] 50.От чего в основном зависит частная погрешность вследствие пространственной дискретизации сигнала, осуществляемой многоэлементными приемниками излучения? – [1 – р.7.3.9] 51.Написать формулу, определяющую динамический диапазон ПЗС или КМОП. В каких единицах он приводится в справочных данных и на какие критерии качества ОЭП он влияет? – [1 – р.8.6] 52.Записать формулу для определения числа фотонов nф данной длины волны λ, попадающих на чувствительную площадку элемента многоэлементного приемника излучения от излучателя площадью Аизл в виде черного тела с температурой Т, находящегося на расстоянии l от входного зрачка объектива оптико-электронного прибора с диаметром D. – [1 – р.8.6] 53.Какова методика определения зависимости координаты энергетического центра изображения объекта от его перемещений по заданному распределению освещенности Е(х,у) изображения?. – [1 – р.7.3.9] 54.Каким образом можно уменьшить частную погрешность измерения координат объектов с помощью МПИ из-за неравномерности освещенности Е(х,у) изображения? – [1 – р.7.3.9] 55.В чем состоит сущность метода статистического моделирования Монте-Карло для оценки частных погрешностей измерения перемещений объектов с помощью ПЗС? – [1 – р.7.3.9] 56.Для чего используется биннинг при формировании сигналов с выхода МПИ? – [1 – р.7.3.9] 57.Каков характер распределения локальной чувствительности элементов ПЗС и КМОП. Какие факторы влияют на него? – [1 – р.7.3.9] 58.Написать приближенное уравнение теплового баланса ОЭП. Пояснить его составляющие. Какие задачи расчета тепловых режимов прибора и его отдельных узлов? – [1 – р.6.5] 59.Описать приближенные методики расчета отвода тепловых потоков от узлов ОЭП путем: а) теплопроводности; б) конвекции; в) теплового излучения. – [1 – р.6.5] 60.Описать методику графо-аналитического способа расчета тепловых режимов электронных блоков ОЭП. Какие исходные данные для проведения этого расчета? – [6 – р.6.5.3] 61.Что такое тепловое сопротивление элементов ОЭП, перепады их температуры, эквивалентная нагретая зона? – [6 – с.188] 62.Пояснить методику определения перепада температуры элементов, узлов ОЭП и отдельных областей внутри них по соответствующим тепловым сопротивлениям. – [6 – с.188] 63.Какие способы используются для обеспечения требуемых тепловых режимов: а) оптико-механических узлов; б) приемников излучения: в) электронных узлов и блоков. Кратко описать их. – [1 – р.10] 64.Объяснить принцип действия тепловых труб. – [1 – с.409] 65.Нарисовать эквивалентную тепловую схему для полупроводниковых элементов, установленных на радиаторе. – [1 – р.10.1.5] 66.Пояснить принцип составления уравнений для определения температуры Р-N-перехода в зависимости от соответствующих тепловых сопротивлений, окружающей температуры и параметров радиатора. – [1 – р.10.1.5] 67.В чем состоит особенность уравнения теплового баланса для ОЭП, расположенных на космическом аппарате. – [1 – с.411] 68.Записать энергетическое уравнение для выбора источника излучения фотоэлектрического автоколлиматора, если известны параметры объектива, приемника излучения и самого автоколлиматора. – [1 – р.6.1.7] 69.Нарисовать схему и пояснить принцип определения коэффициента пропускания потока излучения τв в автоколлиматоре, учитывающего его потери за счет виньетирования во входном зрачке отраженного осевого пучка лучей, при максимальном угле поворота αmax отражателя и известных значениях l, D и f′ . – [1 – р.6.1.7, 4 – р.10.25] 70.Как влияют на величину потерь потока излучения вследствие его виньетирования во входном зрачке автоколлиматора поперечные размеры марки? Пояснить на рисунке с соответствующими формулами. – [4 – р.10.2.5] 71.Какие доминирующие частные погрешности необходимо учитывать при расчете результирующей инструментальной погрешности автоколлиматора: а) фотоэлектрического; б) цифрового? – [4 – р.10.2.5] 72.Каковы основные задачи расчета предусилителей ФПУ на основе одноэлементных приемников излучения и исходные данные для его проведения? – [1 – р.8.7] 73.Исходя из каких параметров и соображений определяется минимальный сигнал на входе усилителя ОЭП и требуемый коэффициент усиления для ФПУ на основе одноэлементных приемников излучения? – [1 – р.8.7] 74.Рассчитать сигнал на входе усилителя ПЗС (или КМОП), если известны все его параметры и параметры излучателя в виде: а) черного тела; б) лазера или лазерного диода. – [1 - р.8.7] 75.Описать состав аппаратуры, используемой в Государственном эталоне угла. – [4 – р.12.1] 76.Пояснить принцип эталонирования и аттестации угловых мер и оптико-электронных угломеров (ОЭУ). – [4 – р.12.1] 77.Какие методы используются при аттестации ОЭУ, работающих в диапазоне малых углов? Перечислить их в порядке уменьшения погрешности аттестации. – [4 – р.12.2] 78.Чем принципиально отличаются косвенные методы поверок и аттестации ОЭУ от прямых методов? – [4 – р.12.2] 79.Привести следующие схемы установок для аттестации высокоточных ОЭУ с небольшим диапазоном измерения, построенные на основе: а) интерферометра; б) тангенсной линейки; в) поворотного отражателя; г) треугольной призмы, установленной на высокоточном лимбе. Записать выражение для оценки погрешности задания угла с помощью одной из этих установок. – [4 – р.12.2] 80.Выполнить анализ точности задания небольшого угла на установке с поступательно перемещаемым излучателем. – [4 – р.12.2] 81.Написать выражение для идеальной функции преобразования амплитудно-фазового анализатора в виде светоделительной призмы при равномерной освещенности изображения. От каких факторов зависит нелинейность этой функции? [1 - р.7.3.4] 82.Каким образом можно устранить зависимость крутизны статической характеристики амплитудного анализатора от изменения освещенности изображения? [2 - р.6.3, 1 -р.7.3.4] 83.Чем объясняется более высокая точность частотных и фазовых измерений, обеспечиваемых соответствующими анализаторами, по сравнению с точностью измерений, осуществляемых с помощью амплитудных анализаторов? [2 - р.6, 1 - р.7.3] 84.Как можно повысить крутизну статической характеристики амплитудного анализатора? Приведите схему. [2 - р.6.3, 1 - р.7.3.4] 85.Перечислите достоинства и недостатки растровых анализаторов изображения. [2 - р.8.5, 1 - р.7.3.1] 86.Приведите схему оптической системы с переносом изображения по растру, осуществляющей анализ и сканирование в пространстве объектов. [2 - р.6.5] 87.Приведите достоинства и недостатки время-импульсных анализаторов изображения, использующих растр и перенос изображения по этому растру. [2 - р.6.7, 1 – р.7.3.6] 88.Что может являться источником погрешностей анализаторов, использующих растр и перенос изображения по этому растру? [2 - р.6.4, 1 - р.7.3] 89.Приведите схему, где растр выполняет роль частотного анализатора. [2 - р.6.6] 90.Что является источниками погрешностей в виброщелевых анализаторах изображения? [2 - р.6.7, 1 - р.7.3.3] 91.Поясните принцип работы позиционно-чувствительного фотоприемника в качестве анализатора изображения. [2 -р.5.6, 3 -р.2.7] 92.Перечислите достоинства и недостатки анализаторов изображения на базе многоэлементных приемников излучения. [2 - р.5.9, 1 - р.7.3.9] 93.Что может являться источником погрешностей при использовании многоэлементного приемника излучения в качестве анализатора изображения? [2 - р.5.9, 1 - р.7.3.9] 94.Укажите достоинства и недостатки многоэлементного анализатора на основе приборов с зарядовой связью. [2 - р.5.9, 3 – р.3.2., 1 - р.7.3.9] 95.От чего зависит разрешающая способность МПИ? [5 – р.7, 1 – с.299] 96.Сравните между собою анализаторы изображения в виде ПЗС и КМОП. - [5 – р.7, 1 – р.8.6] 97.Какие способы коррекции используются для ослабления влияния на точность измерений временных и пространственных шумов МПИ? [5 – р.9.5, 1 – с.303] ^ а) основная литература 1. Проектирование оптико-электронных приборов./Парвулюсов Ю.Б., Родионов С.А., Солдатов В.П. и др. Под общ. ред. Ю.Г.Якушенкова – М.: Логос, 2000. – 480 с. 2. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (учебник для вузов). Изд. 6-е, перераб. и доп.. – М.: Логос, 2011.- 568 с. 3. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. –С.-Пб.: Папирус, 2003.-528 с. б) дополнительная литература: 4. Высокоточные угловые измерения./ Д.А.Аникст, К.М.Константинович и др.; Под ред. Ю.Г.Якушенкова. – М.: Машиностроение, 1987.-480 с. 5. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. – М.: Логос, 2004.- 444с. 6. Проектирование оптико-электронных приборов./ Ю.Б. Парвулюсов, В.П. Солдатов, Ю.Г.Якушенков; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. – М.:Машиностроение, 1990. – 432 с. в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы ^ Используется оборудование специализированной учебной лаборатории «Проектирование оптико-электронных приборов», опытные и серийно выпускаемые образцы оптико-электронных приборов, наборы слайдов. Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению 200400.62 и профилю подготовки «Оптико-электронные информационно-измерительные и следящие приборы и системы» . Авторы- проф., к.т.н. В.П.Солдатов и проф., д.т.н. Ю.Г.Якушенков Рецензент(ы) – НУК РЛМ МГТУ им. Н.Э.Баумана Программа одобрена на заседании кафедры оптико-электронных приборов МИИГАиК и методической комиссии факультета оптико-информационных систем и технологий МИИГАиК от 11.02.2011 г., протокол № 5.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка: Разместите кнопку на своём сайте или блоге: