课程设计实例讲解

公差分析的概率曲线
各视场各波长下的弥散斑直径100%都不大于0.033539mm，远小 于纤心直径0.4mm，表明本光学系统在此公差下仍能清晰成像，从 而保证实际加工出来系统的测量精度。
3. 共焦光学系统研究
镜头设计
整个光机系统的设计思想是实现整个结构的小型化、轻量化，并充 分考虑系统装调的方便和成像质量。镜筒主体采用一体的结构，光源与
在光源位置，也就是本光学系统
的像面。通过优化像面处弥散斑 的大小，来保证系统成像质量。
为满足设计要求，将光学系统第
五个面设计成非球面，简化光学 系统的同时，提高了成像质量。
共焦法厚度检测光学系统结构图
3.共焦光学系统研究
弥散斑图像
光学系统分析
光纤端面处反射光能量分布
3.共焦光学系统研究
初级球差系数 SURFACE STO 2 3 4 5 6 7 SPHA -0.243003 -2.217378 0.963240 -0.100498 -0.041587 0.268081 -0.000661
1. 研究的目的及意义
研究意义
本论文是针对平板玻璃生产、光学零件加工等透明材料相关行 业对厚度检测的需求而开展的研究。
He-Cd激光 被测玻璃
摄 像 机
处理器
显示器 光学系统
荧光液
照明光学系统
成像光学系统
激光器
被测石英管
线阵CCD
1. 研究的目的及意义
研究目标
文本提出的复色共焦测量方法，采用特殊光学系统、高速数据 采集技术、先进光谱分析及处理技术，解决透明材料厚度高精度检 测的问题。其主要依据光学系统对不同波长光谱产生轴向色散的特 性，将连续光谱的轴向色散回波信号由探测器接收，通过上下两个 表面返回的波长数据来实现透明材料厚度的检测。 主要技术指标： ①测量范围：0.1mm～20mm ②测量精度：±0.005mm ③测量速度：2000次/秒
光纤的固定装置可以进行微调，以调整光源的位置到最佳成像点。
共焦法透镜中心厚度检测系统整体结构装配图
共焦光学系统实物图片
3. 共焦光学系统研究
玻璃透镜固定采用螺纹压圈 方式，精度较高。本系统中使用 的压圈为1个，隔圈为4个。每个 隔圈设计三种厚度，且都比理论 厚度厚一些。 在装调时可 以根据装调的效
测量范围分析
最短波长 min 500nm ， 132.673mm 最长波长 max 650nm ，147.958mm
0 max 19.27
o
1min 17.90
o
对于冰，折射率为1.30，可测厚度为20.29mm。
对于普通K9玻璃，折射率为1.52，可测厚度为23.9mm。
4 光谱信号采集系统研究
4. 光谱信号采集系统研究
线阵
CCD传感器
TCD1703C性能参数及指标 数据格式 8bit、10bit 2K 最大行频 20Mhz 数据率 分辨率 响应 响应非一致性 动态范围 饱和曝光量 7650像素（7m×7m） 15（V/lx*s） 10 (MAX) (%) 1660 0.13(lx· s)
注意事项
光电检测课程设计-实例讲解
基于复色共焦法的 透明材料厚度检测系统研究
张宁
2016年1月6日星期三
目
录
1. 研究的目的及意义
2. 总体结构和工作原理
3. 共焦光学测量系统研究 4. 光谱信号采集系统研究 5. 光谱数据分析系统研究 6. 实验验证及结果分析
7. 结论与展望
1 研究的目的及意义
数学模型
H
[ f (2 ) f (1 )] tan (2 ) sin (2 ) tan(arcsin ) n1
波长与其对应像方孔径角拟合曲线 波长与对应成像点的拟合曲线
注：根据所设计光学系统，上、下表面波长应该是在500-650nm之间的某 个波长。
3.共焦光学系统研究
n1 被检透镜的折射率
sin 1 n1 )

a
波长与其像 方孔径角之间的 关系 ( ) 同理也 可以用拟合的方 法得到。
1 上表面返回波长
2 下表面返回波长
tan(arcsin
H
ຫໍສະໝຸດ Baidu
像方孔径角 0 、 1
2 折射角为 2
[ f (2 ) f (1 )] tan (2 ) tan(arcsin sin (2 ) n1 )
透明材料
光学系统
出射 光纤 分光系统
分析 显示等
计算机
接口 电路
信号采集 与处理电路
光谱信号接收器 （探测器）
共焦法透明材料厚度结构框图
3 共焦光学测量系统研究
3.共焦光学系统研究
复色光源
卤素灯实物图
卤素灯光谱曲线图
本系统采用卤素灯作为光源，卤素灯具有体积小、发光效率高 （达17-33lm/W）、色温稳定（可选取2500K-3500K）、光衰小 （5%以下）、寿命长（可达3000小时至5000小时）等特点。
光学系统分析
8
IMA TOT
1.374697
0.000000 0.002890
3.共焦光学系统研究
( ) 17009.2463 201535.4375 967816.1771 2 2301169.7773 3 2 3 f ( ) 775.5868 6839.4843 21672.3593 34398.4155 23391.2063 4 4 6 9 12 2438624.5529 1667281.4928 1887128.0902 2624027.2724 12 16 3542.1141 6 16 9783.5836 9 27167.1239 76602.2010 137203.8943 19 19 22 28 4879828.741822 7182303.5030 5204880.6886 2368337.1003 35 44 115687.1205 35 66420.0095 28 57665.8912 63680.9465 127316.1799 55 44 55 62 1667901.878262 1480736.2849 2371627.0684 2656304.5587 161365.2564 71 90555.8077 7195 55741.9024 95 59893.7815111 36960.3037 134 111 134 1291139.2766170 578911.7918 526811.8416 270289.7982 19548.4289 170 7292.8176 200200 118741.8638 40595.6124
对于折射率大于1.30的透明材料而言，系统测量范围均大
于20mm。透明材料的折射率一般在1.50-1.89之间，均大于1.30
，即本光学系统测透明材料厚度满足1-20mm的测量范围。
3.共焦光学系统研究
测量精度分析
d 900nm 600nm 300nm 成像范围15mm，波长范围：
③完成相应的光学系统设计和精密机械系统设计；
④研究信号采集电子学系统和数据处理计算机系统。 传感器驱动电路、信号预处理电路、二值化处理电路、数据采集 接口电路、计算机系统(显示、控制)等。
光电检测课程设计
1、光电多功能二维自动检测系统 2、曲臂光电综合测量系统 3、激光扫描圆度误差测量系统 4、飞轮齿圈总成跳动误差非接触检测系统 其他自拟的题目……. 注：1、内容不允许重复； 2、1月14日上午9：00-11：30带着 打印出来的课程设计报告来3教511进行答 辩； 3、课程设计报告不少于8页，采用小 论文形式，前有摘要、关键词，后有参考 文献。
3.共焦光学系统研究
光信号传输光纤
输出光经QR400-7-UV-VIS型号光纤传传输，如图所示。光 束采用SMA905适配器与共焦光学系统耦合，其实物如图所示。
QR400-7-UV-VIS型号光纤
SMA905型适配器
3.共焦光学系统研究
光学系统
将平面镜置于焦面处，使通
过光学系统的光经过平面镜反射 后，又反向经过光学系统，成像
1. 研究的目的及意义
研究内容
① 研究复色光源共焦法厚度测量原理，分析复色光谱中共焦面信号 特点及与厚度之间的关系，建立共焦法厚度检测系统的总体方案。 ② 利用光学设计理论，研究复色光源均匀色差光学系统设计方法， 利用MATLAB最优化工具箱仿真比较，对光学系统优化设计。 ③ 研究光谱信号采集原理，设计基于CCD的光谱信号采集系统。进 行了电子学驱动电路和相应的接口电路设计。 ④ 进行了基于LabVIEW的光谱信号分析系统设计，将光谱数据滤波 后进行峰值查找，找出上、下表面波长并计算出厚度值。 ⑤ 搭建了实验样机，对原理进行验证，最终形成一套完备的基于复 色共焦的透明材料厚度光电检测系统。
大径 隔圈1 55 螺距 -小径 30 6.17 压圈与隔圈示意图 压圈与隔圈设计参数表 厚度 6.5 7.0
透镜的固定
对应镜片直径 32
果通过对隔圈厚
度的改变调整光 学成像效果。
隔圈2
隔圈3 压圈
72
81 84
--0.75
53
70 79
16.55
52.86
16.8
53.1 5
17.3
53.8
55
72 81
sin 1 2 arcsin n1
数学模型
波长与其成像点之 a 间的关系 f ( ) 可根据共 tan 1 h 焦光学系统由多项式拟 合的方法得到，即： a h tan
h0 f (2 ) f (1 )
1
系统测量范围示意图
tan 2
H
n1 被检透镜的折射率
H h0 tan 1
长春理工大学光电工程学院
光电检测课程设计
张宁
2016年1月6日星期三
光电检测课程设计
①研究相应系统检测的原理；
研究内容
通过查找资料，给出题目的研究意义，国内外的发展现状，并进 行不同测量方法的对比与分析。 ②研究与此原理相应的总体方案并建立相应的数学模型； 确定总体方案并建立数学模型，指出所要解决的关键技术，根据 精度指标进行计算和分析，根据设计需要完成光源和传感器的选择。
2. 总体结构和工作原理
系统组成
复色光源发出的光经光纤及耦合器传输，光纤的末端是一个 反射式的探头，以接收通过被测件反射回来的光。焦点在被检 件的上表面和下表面的光反射回光纤探头。反射回来的光通过 光纤传入光谱仪，进行光谱分析，通过计算这两个光波长的距 离，确定被测件的厚度。
入射 光纤
光源
共焦 光学系统
，则各测量波长的最佳成像位置随波长变化的位移关系为：
h k 0.102(mm nm-1 ) d
光谱测量系统的光学分辨率为 量系统的精度为：
=0.02nm，则理想情况下，共焦测
k 0.002mm
3.共焦光学系统研究
测量精度分析
由图中数据结果可以看出，每条曲线都呈线性变化的趋势，说明将待测
2 总体结构和工作原理
2. 总体结构和工作原理
分光系统 光纤 光源 耦 合 器 光纤
工作原理
发射光 学系统
λ min
λ1
λ2
λ max
玻璃上表面 (λ 1) 玻璃下表面 (λ 2)
λ min
测 量 范 围
λ max
共焦法透明材料厚度检测原理图
2. 总体结构和工作原理
n sin 1 n1 sin 2
物体放在测量范围的任意位置都可以计算得到正确的测量结果，无需参考位 置，可以实现厚度结果的绝对测量。另外还可以看出，波长每增加0.02nm， 厚度变化的间隔在0.00215-0.00459mm之间，波长为500nm时厚度间隔较大， 说明离镜头越近，误差越大。
3. 共焦光学系统研究
镜头公差分析 横坐标表示弥散斑直 径的大小，纵坐标表示各 视场的弥散斑直径所对应 的概率。曲线从右到左， 每三条为一组，分别为波 长为600nm，750nm和900nm 时的公差分析曲线，从右 到左分别代表0，0.707和1 三个视场。
4. 光谱信号采集系统研究
信号采集系统结构
信号采集系 统对CCD接收到 的信号进行高速 采样，转换成数 字信号后经采集 卡传送到上位机 进行分析处理以 获取厚度值。
4. 光谱信号采集系统研究
FPGA电路
4. 光谱信号采集系统研究
预处理电路
DATA_7A[0...23]