光学设计方案范文

光学设计方案范文第1篇

关键词：光学玻璃 折射率 电子学系统 控制和测量

中图分类号：TN29 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0086-01

伴随光学精密仪器的高速发展，对光学玻璃的折射率的测量精度要求越来越高，光学玻璃折射率的数据精度对保证光学系统像质起着非常关键的作用。新型光学玻璃材料的研发也对光学玻璃折射率提出较高的要求。

很多人对光学材料折射率的测量提出了多种有价值的测量方法[1-2]，主要有测角法和干涉测量法。文章介绍了基于测角法中使用的直角照准法、最小偏向角法和三最小偏向角法测量光学玻璃折射率的测试仪中的电子学控制和测量设计方案。

1 电子学方案

高精度光学玻璃折射率测试仪主要由底座、测角系统、传动机构和微调机构、自准光管、平行光管、载物台和光源箱组成。

1.1 系统

电子学部分是以单片机为前台机，系统机为后台机对位敏传感器（PSD）和轴角编码器进行数据采集，以步进机为执行机构，系统机进行数据运算的光电瞄准实时控制系统。

1.2 关键元器件的选用

1.2.1 轴角编码器

示值分辨率0.05″；精度0.5″；转速≤90°/S；显示箱：XXX°XX′XX″XX，按BCD码以度（百、十、个）分（十、个）秒（十、个）小数秒（后1、2位）顺序连续发送。其内容高4位（D7-D4）为标识位码（0-8），后4位（D3-D0）为BCD数据码。传输速度15?s1/字节-20?s1/字节。

1.2.2 位敏传感器

采用位敏传感器（PSD）作瞄准探测器是本系统的重要特点。它反应快、灵敏度高、精度高。与CCD不同，属于非离散性器件，适配电路也比较简单。PSD是具有横向光电效应的PIN光电位置传感器，I1、I2的输出和光点位置有关，经适配电路处理有：

式中：X：光点偏离中心位置座标；L：PSD光敏面长；I1、I2：PSD两端输出电流。

设计中选用滨松（HAMAMATSU）线阵PSD S3931，其主要技术指标如下：

上述PSD 0.2 ?m的位置分辨率，相当于度盘角度0.075″。6 mm的探测范围，折合角度为37.5′。

1.2.3 步进机和驱动器

步进机和精密微调机构相连，采用四相步进机和驱动器。整步模式下步进角可达0.9°，对应轴角0.2″，谱线在PSD上移动0.5 ?。

1.2.4 A/D转换器

AD转换器的位数

=

取14位AD，转换时间小于步进周期的10倍，以便多次平均。取100?s。本设计采用了12位逐次比较型AD转控器AD574。在接近PSD中心时，精瞄将位置信号切换到放大8倍，从而达到15位AD的跟踪精度。

1.2.5 瞄准时间

当步进脉冲取600 Hz/S时，从边缘到中心整步6000步，粗瞄所需时间为：（6000/600）=10s。

1.3 单片机测控系统设计

单片机是该系统的前位机，承担PSD和轴角编码器的角度数据采集，步进机的驱动控制，键盘和LCD显示的人机交互和数据予处理（例PSD的多次采集平均，加减除运算等）以及和系统机的串行通讯。

1.4 显示

采用240×64中小屏幕有背光的点阵液晶显示器，可进行汉字显示，并用电子游标模拟出谱线在PSD上的粗略和精确位置。给出角度数码和PSD上谱线位置偏移码。

1.5 系统机

系统机不附加接口板，它通过RS232串行口与前台机（单片机系统）相连。在0帧（监控0）联机状态下（联机2）它的功能和前台机一样，通过键盘对系统进行遥控，PSD和轴角码进行实时CRT显示。在1帧（监控1）联机状态下，接收前台机某模式下的逐项参数（角度值），进行运算，给出折射率的精确值。还可输入当时的温度、气压值、对折射率进行修正。

1.6 软件设计

前台机的逐程序由8051汇编语言编写，系统机的程序由C语言编写，采用模块化结构。包括程序清单和功能、全部程序列表、软件框图（主程序和监控0程序框图、调整和显示子程序框图、电机调整（跟瞄）子程序框图）、PSD值采样A/D转换防干扰平均值法子程序（INTO中断服务程序-读AD、给出模式1（直角照准法）测试流程框图、给出模式1叠代法解方程模块）。

2 结语

该文介绍了高精度光学玻璃折射率测试仪电子学设计方案，并对关键元器件的选用进行了分析，通过实际应用表明，电子学方案可满足高精度光学材料折射率测试仪的指标要求。

参考文献

[1]宋克非，米宝永.计算机控制的高精度光电折射仪[J].仪器仪表学报，2005，26（11）：1159-1162.

光学设计方案范文第2篇

关键词：光学材料 折射率 光机结构

中图分类号：TH751 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0051-01

随着精密光学仪器的快速发展，对光学材料中折射率的测试精度要求越来越高，光学材料折射率的数据准确性对保证光学系统成像质量起着至关重要的作用。一些新型光学材料的开发也对光学材料折射率提出一定的要求。

很多人对光学材料折射率的测量提出了多种有价值的测量方法[1-2]，主要有测角法和干涉测量法。该文介绍了基于测角法中使用最小偏向角法测量光学材料折射率的测试仪中的光机结构设计。

1 光机结构方案

高精度光学玻璃折射率测试仪主要由底座、测角系统、传动机构和微调机构、自准光管、平行光管、载物台和光源箱组成。测角系统主要有增量编码器和上下精密轴系。自准光管、平行光管、光源箱和测角系统固定在一平台上，平台下面有三个地脚用于仪器调平。平行光管和自准望远镜可以旋转和俯仰调节，用于对准平行光管和自准望远镜的光轴，同时用于调整光轴垂直于码盘测角系统的转轴。载物台有点槽面调平机构。光源箱配置有Hg、H、Na、Cs、He和Cd共六种灯，各种灯波长见表1。

1.1 测角系统

下层轴系精度较高和码盘相连，同自准光管固定在一起；上层轴系和载物台相连。下层轴系可采用平面轴系或背对背精密轴承。平面轴系精度较高但体积较大，适合于折射率精度要求较高的测量仪器，通常折射率测量精度要求高于3×10-6时需采用平面轴系，轴系精度要达到0.5”；背对背精密轴承精度略低但体积小，适合于折射率精度要求稍低的测量仪器，折射率测量精度要在1×10-5左右时可以采用标准轴承，轴系精度要达到2”。上层轴系可采用密珠轴系或标准轴承，轴系精度要达到5”。

1.2 传动机构和微调机构

测角系统调节分为粗精两种方式，载物台大范围粗调时，用手推动固定在上层轴上的手轮来完成，精调时由螺旋微调机构来完成。它的最小步距由下式确定：

式中：α为微调最小步距；S为螺距；R为回转半径。

若R=261 mm，S=0.5 mm，则α=1"。

自准光管大范围调整时，用手推动自准望远镜来进行大致对准，然后可通过手轮手动或步进电机驱动蜗轮蜗杆系统进行粗调，最终可通过微动机构手调或步进电机驱动自动对准。

当用蜗轮蜗杆系统进行粗调时，最小进给量可由下式确定：

式中：Z为蜗轮齿数；θ为蜗杆的旋转角度；φ为粗调进给量。

熟练的操作者，手感转动角度可按1°计算，蜗轮模数为0.5，齿数Z=480。则最小进给量为7.5″。

为了提高折射率的测量精度，光靠蜗杆进给远远不能满足要求，因此，这里又利用杠杆原理设有第二级微调其结构。最小精调进给量由下式计算：

式中：R为摆杆长度；S为微调螺杆螺距；b为放大杆前端长度；B为放大杆后端长度；φ为精调进给量。

取R=217 mm，S=0.5 mm，b=16 mm，B=87 mm，可计算φ=0.25″。当使用精调时，必须使蜗轮蜗杆脱开，否则无法进行微调，甚至会损坏微调机构。蜗轮蜗杆脱开方法是，向外搬动蜗杆，搬到一定程度，蜗杆支撑轴还会自动限位锁死，蜗轮会自由旋转。蜗杆脱开后，搬动微调锁紧旋扭，使微调摆杆与下转台锁紧，即可进行微调。?

1.3 平行光管和自准光管

平行光管是由聚光照明系统，可调狭缝，离轴抛物面反射镜组成。聚光照明系统中的反射镜可俯仰和旋转两维调整，聚光镜可前后、高低、左右调整。狭缝前有光栏，可得到不同狭缝高度，狭缝可旋转调整，也可前后调焦。离轴抛物面反射镜只能做旋转调整，其它靠加工保证。

自准望远镜是由离轴抛物面反射镜、反射镜、半透半反镜、狭缝及激光器、切换反射镜、PSD、目镜等组成。同平行光管一样，离轴抛物面反射镜只做旋转调整，反射镜可俯仰和旋转调整，半透半反镜可做俯仰和旋转调整，狭缝可旋转调整。PSD可左右调整，分划板和目镜可前后调焦。

2 结论

该文介绍了高精度光学材料折射率测试仪光机结构设计方案，针对主要部件精密轴系、传动和粗精调机构进行了分析计算，通过实际应用表明，结构方案可满足高精度光学材料折射率测试仪的指标要求。

参考文献

[1]邓文和.JC-1型精密测角仪的研制[J].光电工程，1990，17（1）：35-48.

光学设计方案范文第3篇

关键词：旋转编码器；结构设计；光学设计；频率响应

中图分类号：TN762

编码器是一个机械与电子紧密结合的精密测量器件，它通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转化为电子信号（电子脉冲信号或者数据串）。这种电子信号通常需要连接到控制系统（PLC、高速计数模块，变频器等），控制系统经过计算便可以得到测量的数据，以便进一步工作。编码器一般应用于机械角度，速度，位置的测量。

1 正余弦编码器设计

永磁同步电动机无齿轮传动变频调速驱动方式将成为电梯驱动技术的主要发展方向。经国家中小型电机检测中心的检测，永磁同步电动机的效率是96.4%，功率因素是0.99。要让永磁同步电机运行时达到高效的指标参数，变频器给电机定子绕组加的电磁场必须与电机转子的永磁体磁场垂直正交，因此需要高精度的旋转编码器实时跟踪电机永磁场的初始位置。这是与传统的异步电机所不同的。

目前，国内永磁同步电机上所用的旋转编码器为德国海德汉所垄断，企业使用成本很高，且商备货周期长。由于部件为进口件，售后服务也很难保证。该编码器的设计根据ERN1387及控制系统接口，确定编码器关键设计技术指标，预期替代海德汉1387编码器。

1.1 光学设计

LED光源采用honeywell SE3407发光管（波长880nm），光斑直径：11mm。光电转换单元采用2CU2光电管（拟用韩国KODENSHI替代）。圆光栅、指标光栅采用1.1mm浮法玻璃镀铬膜。如图1所示。

图1 光学设计方案

A、B信号由指标光栅和圆光栅之间的漠尔条纹产生正弦波。C、D信号由圆光栅上透光能量按照正弦变化的透光区产生。R信号由按照10条零线按照一定的规则排布组成条纹，当两条纹完全重合时产生信噪比为5：1的零线信号。

图2 光栅设计方案

圆光栅栅距是62.8?m，采用1.1mm厚浮法玻璃，非透光区镀铬膜刻线数为2048。指标光栅设计：AB码道栅线粗31.4?m。C、D狭缝角格值：2°。零线粗：45.3?m零区宽：1.54mm。信噪比：5：1。如图2所示。

1.2 电路设计

光电管反并联设计，有效抑制谐波；CD信号双函数码道设计，定位更精准；通过EEPROM软件设定幅值、相位、偏移电压等；差分输出，抗干扰强，易于信号传输。如图3所示。

图3 电路设计方案

1.3 技术指标测试

本编码器与海德汉编码器波形质量对比如表1。

除以上对比项差异外，其它技术指标均与海德汉相同。

2 结束语

该编码器设计技术方案与海德汉技术相近，样机性能满足电梯系统的应用要求；最高工作温度指标需改进提高。工艺直接决定性能，需寻求专业工艺设计。AB信号“抖动”，需用高倍电子显微镜提高光栅与轴心同心度，建议联轴节部分可以先开模具，以便进行联轴节疲劳试验。

参考文献：

[1]赵林军.流水线CORDIC算法的FPGA实现[J].电脑知识与技术，2008（30）：716-717.

[2]王梦源，王书省，陈星.流水线双模CORDIC算法的FPGA实现[J].电子测量技术，2007（30）：184-185.

[3]Andraka R.A Survey of CORDIC Algorithms for FPGA Based Computers[C].FPGA1998.ACM/SIGDA Interna―tional Symposium on Field Programmable Gate Arrays.Monterey，CA，USA：ACM，1998.

[4]易孟林.现代控制工程[D].华中科技大学机械学院，2005.

作者简介：吴红梅（1981-），女，浙江金华人，讲师，从事应用电子及编码技术。

作者单位：杭州职业技术学院信电系，杭州 310018

光学设计方案范文第4篇

关键词：

球面检测系统； 泰曼-格林原理； 在线性； 结构设计

中图分类号： TH 744.3 文献标识码： A

引 言

光干涉法由于具有很高的测量精度，经常应用在许多精密、超精密加工测量工作中[1，2]。光学零件作为一种精密加工的元件，其加工过程控制和最终的结果检验都依靠光学干涉法，即通过干涉的方法检验光学零件面形偏差。通常采用光学样板法或干涉仪测量，在垂直于一个圆形检验范围内的位置所观察到的干涉条纹（通称光圈）的数目、形状、变化和颜色来确定其面形偏差[3-5]。

目前国内外多种类型的干涉仪可以实现对球面光学工件面形的精确测量。这些干涉仪器从干涉图样信息获得被测球面面形的象散偏差及局部偏差，采用精密导轨根据球面球心和顶点之间的距离测量出光学工件的曲率半径，但这些仪器大都用于光学零件的最终检验，而且通常价格昂贵、体积庞大，并不适用于对加工过程的质量控制。在加工过程中的检验目前主要还是通过光学样板法来检验，这种方法每次只能检测一片，而且在检测的过程中光学样板通过加压直接接触被检镜片，容易对已加工好的球面造成二次伤害，效率低，不能适应现阶段大批量的生产现状。

现设计一种能现场应用、特别是对加工过程中的零件作在线检测的小型化、价格低廉的面形检测系统，实现在线快速无损检验球面镜片的面形质量，提高生产效率，降低成本。

1 系统的基本原理

泰曼-格林干涉仪可以用来测量棱镜、玻璃平板的材料均匀性，同时也可以用来测量光学系统的综合质量[6]。由于泰曼型的干涉仪属于双光路干涉可以获得等厚干涉，对于被测件的反射率要求较低，容易获得对比度较好的干涉图样[7]，因此采用泰曼-格林原理来设计用于加工过程中产品质量控制的在线检测系统。

图1为该系统的测量原理图。激光束经扩束后，光束垂直射入一分光棱镜，反射光射入参考面，经反射后沿原路返回，形成参考波前；透射光射入被测面，经反射后沿原路返回，形成测试波前。参考波前与测试波前经分光棱镜汇合后形成干涉，在观察接收屏处可以观察到干涉条纹。

该干涉系统的特点在于用光学车间已有的光学样板或者经过检验合格的镜片、或者客户提供的样品来作为参考镜，采用不同的光学样片就可以对相应的光学镜片进行检测，不受“凹”、“凸”面的限制。光学样板作为光学元件生产的必需品很容易获得，如果没有样板也可以用经过检验合格的镜片、或者客户提供的样品，可以满足测量的需要。

2 系统结构的设计方案

对于这种新型的检测系统，其特点是可以用来对生产中的没有下盘的镜片进行检测，从而对加工过程起到指导作用，缩短加工时间提高生产率。系统采取的是分振幅型的干涉，通过对干涉场内条纹的数目、弯曲量来确定被检物体的面形偏差，由此确定该镜盘的生产是否达到进入下一道生产工艺的标准。考虑到观察的方便以及后续的处理，采用CCD将干涉图像采集传输到电脑进行计算和显示。由于用CCD对图像进行采集，拍照曝光时间可以很短，因此对振动和温度变化带来的影响并不是十分敏感。同时考虑到要更好的防震，干涉仪可以配合防震平台使用。

2.1 系统结构

球面在线检测系统的样机设计方案如图2所示，先将一个光学样板靠紧在圈口的上端面上，然后再将一个完全相同的光学样板（或者检测后充分相似）夹紧在仪器的右边。这时开启激光器，使其射出的平行光通过空间滤波器后入射到扩束镜，扩束镜端口装有可调光阑，通过调节光阑大小来获取适合检测口径的光束直径，来适应不同口径大小的镜片的检验，同时减少杂光对干涉光路的影响。扩束光束入射到分光棱镜后分成两束光，一束光沿着光轴X方向射向光学样板的基准面上，经反射后返回，形成参考波前；另一束光沿光轴Y方向射向圈口上的光学样板的基准面，经反射后返回，形成测试波前。参考波前与测试波前经分光棱镜汇合后产生干涉，在观察接收屏上可以观察到干涉条纹。

2.2 调试

通过多维调节装置（图2中未标）调节右边的光学样板的光轴与扩束镜的光束的中心轴线重合，并在中心轴线方向上移动使两束光束的光程大致相等，在观察接收屏上可以观察到干涉条纹。由于采用激光做光源，相干长度足够长，可在很大的深度范围内观察到清晰的干涉条纹。在中心轴线方向上调节光学样板观察干涉条纹，当干涉条纹数目最少时，此时的位置即为两块光学样板的基准面的顶点距离分光器的中心等间距的位置，固定光学样板的位置。观察接收屏沿光学样板的光轴中心线方向可以前后移动，以便得到合适大小的干涉图样。

2.3 测试

将圈口上的光学样板换成镜盘上的待测透镜，圈口上端面的三个定位钢球可以实现将放置其上的待测透镜的待测面所在球面的球心处于三个钢球组成的三角形的几何中心垂线上。该垂线与扩束镜的光束的中心轴线重合，并且待测透镜的待测面所在球面的球心也位于中心轴线位置，无需再次调节就可以得到干涉条纹。采集此时干涉条纹的图像并进行特征分析计算，就可以得到待测透镜的待测面的半径偏差、像散偏差、局部偏差等。光学样板的基准面的曲率半径可以由球径仪等仪器精确测量得到，由此可以计算得到待测透镜的待测面的曲率半径。

3 系统结构的实现

根据球面在线检测系统的设计方案，最重要的是要保证光路的正交对称性。考虑到实际的应用，样板尺寸小较易调节，因此对于该双光路系统采取固定其中被测件光路，调节样板光路来实现双光路的正交对称和等光程。

球面在线检测系统主要由支撑机构、固紧机构、光路调节机构和图像采集机构组成。

3.1 固紧机构的设计

分光棱镜作为整个正交光路的核心，其位置发生一点点相对改变，都会使得光路系统发生改变，要保证光路的稳定必须对棱镜进行合理的定位固紧。因此将棱镜和固紧机构作为独立的装配组件通过刚性定位弹性紧固，将其固紧在正交光路的中心并保持稳定。

设计方案考虑到结构的稳定和安装定位的方便采用直角分光棱镜，选取其底面为主定位面，右侧面为辅助定位面，用非工作面的前后两面分别加压条弹性夹紧，限制各个方向的自由度。考虑到安装方便，采用前后通透式的结构，安装时可以夹持非工作面将棱镜放入合适位置，而不碰触工作面；同时前后压板与分光棱镜之间添加弹性元件，通过调节压板上的螺钉来实现弹性固紧；顶部和左侧留出余量使得棱镜的位置在一定范围范围内可调，以保证位置精度的同时降低加工成本。三维定位精度依靠数控设备的加工精度保证。

3.2 光路调节机构的设计

系统采取的是正交双光路结构，这样可以方便得到等厚干涉。为了使光路调节简便、快捷，选择固定其中的检测光路，作为等光程调节过程中的“基准”。

光学镜片生产过程中主要是通过观察镜片与光学样板之间的产生的干涉条纹，来获取镜片的面形偏差，以判断镜片是否符合进入下一道工序的标准。这就对调节机构的精度提出了较高要求。

光学样板一般都是圆柱形物体，因此采用镜筒式的装夹结构对其进行固紧[8]，同时根据其形状特征采用了新型的等光程调节机构，如图3所示。

3.2.1等光程调节结构

考虑到样板的形状特征和设计要求，设计了一套螺纹微调节机构（见图3），来实现光路中等光程部分的调节。

实际生产过程中，光学加工车间一般根据设计者的要求来制作相应的样板，因此依照样板的极限尺寸设计了样板镜筒，并配合相应的隔圈、压圈来适应不同尺寸的样板。将样板镜筒装入有径向开槽的套筒中，样板镜筒通过导钉与套筒关联，沿槽拨动导钉，通过观察条纹的变化，可以找到一个接近等光程的位置实现粗调。

细调主要通过螺旋传动实现。螺旋传动不但传动平稳，而且传动精度高，结合样板的外形特点，比较适合用于微量调节。同时在样板镜筒外部设计的螺纹微调节机构，通过旋转与套筒同心的调节环，来实现样板镜筒的微量移动。样板镜筒的移动量L与调节环的转角α有以下关系：

4 结 论

基于泰曼-格林原理设计了一种适合生产过程中对产品进行在线检测的干涉仪，并对其结构进行了设计。该干涉仪结合光学车间的现有条件，用光学车间里现有的各种不同曲率半径的光学样板产生干涉的参考波前，与待测镜片产生的测试波前产生干涉，通过对干涉图像进行分析计算，可以测出球面镜片的面形偏差、局部偏差和曲率半径，并且可实现快速无损非接触在线检测。同时没有采用测量导轨，使仪器小型化。设计专用的调节机构，调节方便。通过实验证明该仪器不但较容易获取干涉图像，而且图像清晰、稳定。通过该干涉仪的应用，可以大大地提高生产效率，降低成本，适应镜片大量生产的需要。

参考文献：

[1] MALACARA D.Optical shop testing[M].2nd ed.New York：A Wiley-Interscience Publicaton，1992：1-89.

[2] 郭隐彪.激光检验技术的发展[J].中国光学期刊网，2006，43（10）：71-73.

[3] 《光学零件工艺手册》编写组.光学零件工艺手册（上册）[M].北京：国防工业出版社，1977：277-288.

[4] 苏大图.光学测试技术[M].北京：北京理工大学出版社，1996：125-166.

[5] 王占芹，于瀛洁.光干涉在光学元件面形测量中的应用[J].物理测试，2006，24（2）：35-38.

[6] 郁道银，谈恒英.工程光学[M].2版.北京：机械工业出版社，2006：318-324.

[7] 王 青.干涉原理与干涉仪标准的思考[J].江苏现代计量，2008，28（5）：35-37.

[8] 涂德华.共轴光学系统镜框结构设计[J].光学仪器，2007：29（1）：54-56.

光学设计方案范文第5篇

关键词：建筑节能；LED；隧道照明

中图分类号：U45 文献标识码：A

1 技术可行性分析

1.1 功率型LED照明技术在隧道中的应用研究

随着半导体技术的不断进步，LED在城市景观、商业大屏幕、交通信号灯、车辆照明灯等领域得到广泛应用。LED因其光效高、光衰小、长寿命以及绿色环保等特点，被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源的最具发展前景的高技术领域之一。

由于LED灯的高光效性，经测试证明，在满足隧道照明要求的前提下，可减低电能35%左右。目前LED灯价格大约是普通高压钠灯的3-4倍，但与传统隧道灯相比，配套的变压器、电缆和电缆桥架等投资均可下降，因而其总体投资尚可能减低，而其长期的运营节能效果将十分可观。

1.2 LED隧道灯主要特点

1.2.1 采用进口1W大功率白光LED作为光源。

1.2.2 光源及高导热铝基覆铜线路板模块化设计。

1.2.3 散热器材料采用压铸铝合金，可进行多种表面处理。

1.2.4 5mm厚钢化玻璃，耐高温的硅胶密封圈。

1.2.5 不锈钢型材搭扣，灯具维护简便。

1.2.6 防护等级：IP65。

1.2.7 供电电压：180V～265V。

1.2.8 输出电流：350mA。

1.2.9 功率因数：大于0.9。

1.2.10 工作温度：-40℃～+60℃使用寿命：≥50，000小时。

1.3 LED隧道灯与传统灯具的对比。

与荧光灯（长寿命型）对比LED 隧道灯比荧光灯光效略高，且由于荧光灯发光是向周围360℃方向散射，再加上长条形状不利于光学设计，因此，实际利用率很低。而单侧发光的点状LED 最利于光学设计，其利用率高达95%左右。

LED 隧道灯与荧光灯参数对比

由上可知，在达到更优照明效果的前提下，一盏40W LED 灯可替换一盏90W 的荧光灯。

其节能百分比为：

（90-40）/90=55.6%、与高压钠灯对比LED 隧道灯与高压钠灯光源光效相近，但由于高压钠灯发光是向周围360 度方向散射，再加上球状或条状不利于光学设计，因此，实际利用率也很低。而单侧发光的点状LED 最利于光学设计，其利用率高达95%以上。

LED 隧道灯与高压钠灯参数对比

由上可知，在达到更优照明效果的前提下，一盏48W LED 灯可替换一盏100W 的荧光灯。

其节能百分比为：

（100-48）/100=52%、各类隧道照明灯参数对比

各类隧道照明灯参数对比表

实验段药水峡3号隧道LED照明设计方案

5.1 隧道原设计方案分析

5.1.1 隧道概况与照明设计

根据药水峡3号隧道照明灯具平面布置图，隧道概况与照明设计如下：

5.1.2 灯具规格及数量

根据隧道照明灯具平面布置图，该隧道原有设计照明灯具数量如下：

5.2 LED隧道照明设计依据

本隧道照明设计主要依据（但不限于）《隧道通风与照明系统-设计》（JTJ 026.1-1999）。

5.2.1 入口段亮度

环境照度按原设计图纸，取L20=3000cd/m2

据上表按双车道单向交通，交通量≤2400辆/h 、时速60km/h设计，取k=0.015

入口段亮度：Lth=k* L20(s)=0.015*3000=45 cd/m2

入口段亮度据上并参考原有设计取Lth=44 cd/m2

5.2.2 过渡段亮度

Ltr1=0.3 *Lth=0.3*44=13.2 cd/m2

Ltr2=0.1 *Lth=0.1*44=4.4 cd/m2

Ltr3=0.035 *Lth=0.035*44=1.54 cd/m2

过渡段亮度据上并参考原有设计取Ltr=13.2 cd/㎡

5.2.3 基本段亮度

基本段亮度据上并参考原有设计取Lin=3.55 cd/㎡

5.2.4 出口段亮度

根据出口段照明：在单向交通隧道中，应设置出口段照明；出口段照明长度宜取60m，亮度宜取中间段（基本段）亮度的5倍。

出口段亮度据上并参考原有设计取L=13.2cd/m2

5.2.5 路面亮度均匀度

亮度总均匀度按双车道单向交通N≥2400辆/h设计，U0=0.3；亮度纵向均匀度按双车道单向交通N≥2400辆/h设计，U1=0.5；

5.3 LED隧道照明实施方案

5.3.1 LED隧道照明设计

根据上述设计依据， LED隧道灯分布如下表：

5.3.2 灯具规格及数量

5.4 隧道LED照明节能性分析

根据上述设计，隧道采用LED照明节能效果分析如下：

LED隧道灯与钠灯使用成本对比

综上，由于采用LED灯设计方案，相比原设计实现节能约53.17%。

结语

经过实验段的运行，采集相应的耗电量、照度等关键数据，由专业机构进行评估、认定，可作为今后我省新建隧道中推广使用的重要依据。

参考文献

[1]杨超，王志伟.LED在隧道照明工程中的应用研究[M].照明工程学报，2011（4）.

光学设计方案范文第6篇

关键词压敏漆 CCD 压力测量 压力分布

中图分类号:TP2文献标识码:A

压敏技术为科学研究和工业生产中压力的测定提供了一种灵敏、全面、廉价、无破坏的柔性检测方法,在许多方面变革了传统硬性检测方法的思路和技术。自压敏技术提出以来,技术得到不断改进,有可能取代传统的测压方法。目前模型压力测量中常用的压力载荷模型造价高达上百万美元,耗时半年以上;而且每次测压前数百个测量通道的连接和泄露检查需要大量人力和时间使得成本大增,生产效率下降,采用压敏漆测压技术就可以大大降低甚至取消对压力仪表的需求,进而用压敏漆模型取代压力载荷模型。压敏漆模型可以制作得更快更廉价并且容易修改和重新配置。

1 压敏漆压力测量系统中的两种检测仪器

1.1 基于CCD的压敏荧光检测器工作原理

基于CCD的压敏荧光检测器是对实验板或者实验模型进行压力校准和压力测量。CCD荧光检测原理是荧光图像,这种成像处理技术利用特殊波长的光来激发样片上的荧光,其工作原理是LED灯所发射出来的光,经过均匀照明系统转变成一束光强均匀的平行光,然后触发滤光片,过滤掉其它波长的光,将检测背景降低,斜角度射在压敏漆实验板上。压敏漆实验板片在单色光激发下所产生的荧光,由于滤光片受发射窄带影响,经过摄像镜头摄取成像在CCD上。图像信号被CCD摄像头输入到计算机中的图像采集卡,将信号转化为数字信号,然后计算机进行处理。激发波长下的图像CCD每次只能读取一个,针对不同配置的压敏涂料,需要调整激发和发射干涉滤光片,再次读取。

1.2 基于PMT的压敏漆荧光检测器原理

光源示意图Fig.1 Light signal激发光源采用超高亮LED灯与单色仪组合发出单色光对样品进行激发。LED发出的发散光通过聚焦透镜聚焦后进入到单色仪的输入端,通过控制单色仪的旋钮改变单色仪输出端输出的单色光。基于PMT的压敏漆荧光检测器结构原理是激发光由激发光源发射出来,经过透镜A先转变成直径较粗的光柱体,然后滤光片B在激发窄带干涉下,其它波长的光被过滤掉,结果是大幅度降低检测的背景光强,直接照射到实验板上,压敏涂料在激发光激发下产生的荧光,干涉滤光片组D由反射镜C发射的荧光进入,导致发射荧光以外的光被滤除,再经过透镜E聚焦在聚焦光阑F上,光电倍增管接收到光阑的光转变成电信号,经过A/D转换、滤波、放大等处理后传输至计算机中,即结束了对喷涂了压敏材料实验板的一部分进行了测量,对实验板其他部分进行测试,二维扫描工件台在计算机控制下,可以在整个实验板上进行扫读。由于采取了聚焦光路的方式,而且因为光栏孔的孔径设计得较小,使压敏漆实验板表面所产生的荧光能由透镜组聚焦通过光栏小孔,这样可以大幅降低由于片基和灰尘产生的背景荧光。

2 应用软件系统的技术特点

Windows NT环境,各站点分工明确,控制与数据传输方便快捷。采用面向对象的编程方法,菜单事件驱动,界面友好。根据模块特点选用编程工具。从软件的异动性和可维护性考虑,编程设计中使用面向对象的模块化设计思想,用模块实现系统的各项功能,按照系统结构确定各个功能模块之间的调用关系。数据采集和数据处理分别处理,把程序和数据分开,用数据库对数据进行管理。另外还提供了相应的容错能力。

3 仪器实验与结果

用喷涂了光学压敏涂料和基底层涂料的二元翼模型在检测试验箱中进行模拟风洞光学测压吹风试验。实验风速,模型攻角。为了方便进行比对两种测压结果,对18个测压孔压力的测量用电子扫描阀进行测量该模型表面,在光学测压的同时也测量了模型四个点表面的温度。

4 结束语

光学压敏漆测压试验证明我们所做的压敏涂料可以初步应用于跨声速风洞的光学测压试验。该项目的优点:可以避免在被测试的模型表面开出列测压孔,被测模型原有的气动特性不会受实验室影响;测压和测力试验在使用统一模型时可以同时进行,使吹风试验效率大幅提高;可不用专为压力测量制造费用高昂的模型,可以节省出大笔的试验经费;传统的测压方法得出的结果是间断的点压力,而光学测压得出的结果是大范围连续的表面压力情况分布。针对表面压力测量技术,光学压敏涂料测压法具有开创性的贡献。

参考文献

[1] 刘波,,靳军等.压力敏感涂料技术及其应用[J].航空动力学报,2006.4(2):225~233.

[2] 胡志军,张庆丰,杜培明.一种灰度图像基本处理方法及实现方案.仪器仪表用户期刊,文件编号1671-1041(2006)03-01166-03.

[3] Engler KH,Hartmann K et al. Aerodynamic Assessment of an optrcal Pressure Measurement System(OPMS) by Lomparison with Conuentional pressure measurements in a High Speed Wind Tunel Rockvile,MD,USA:14th ICIASF Congress,1991.17~24.

[4] 聂立波,唐薰,余宏宇,胡在君,刘玉堂.光学压敏涂料及其应用.维普资讯.

光学设计方案范文第7篇

关键词:摄影机 点阵 均匀性 防串光

高速摄影机是用于靶场火箭弹道和姿态测量的光测设备。高速摄影机的电控系统主要由同步控制、数据记录、自动调光等系统组成,在摄影时统及摄影频率控制下,实时、清晰地将目标及相关信息记录在胶片上,为事后处理提供原始数据信息。

数据信息是以点阵的形式记录在胶片上,传统的数据记录系统是在摄影时统控制下,同步地对方位角、俯仰角、时间、摄影频率、同步信号、摄影编码、站址、弹序等信息进行采集、处理并按要求的格式进行排列;最后,在摄影频率控制下以分时扫描的方式逐行或逐列点亮点阵,将信息记录在胶片上。如果因点阵亮度不够或者其它原因而使胶片上某些点曝光不足,事后用判读仪判读时,可能造成错判或误判,最终导致错误的数据处理结果。用传统的方法提高曝光不足点的亮度,同时会使该点同一行或同一列的其它点更亮,造成点与点之间边缘不清晰,同样会影响判读。即便如此,有时某些曝光不足点的亮度仍不能满足判读要求。

基于上述问题,笔者提出了一种新的设计方案,对点阵每一个点的点亮时间单独进行控制,实现点阵曝光时间的单点控制。此方案在电影经纬仪改造中得以实现。

高速摄影机是20世纪70年代由法国设计制造的。其点阵数据记录系统的点阵是5×22的LED阵列,以LED作为光源,由光纤传输投影到胶片上完成数据记录。如果采用传统的控制方法,用这套点阵及投影系统所打点阵均匀性极差,判读仪无法进行数据处理,其主要原因是:

(1)用LED作为光源,由于自身参数有差异,导致亮度不均匀;

(2)原先的光学投影系统中光纤有老化及断丝现象,在传输过程中,光学投影系统对点阵上每一个点的光能量的衰减不同,即使每个点的光照相同,仍不能保证每个点投影在胶片上的强度相同,所以不可能在胶片上产生相同的曝光量,即点的黑度不同,而且差异很大,点阵整体不均匀。

由于结构方面的原因,对数据记录系统改造时必须延用这种方式不变,保留原先的光学投影系统。采用传统的控制方法不能解决由于上述原因所带来的点阵黑度不够和不均匀的问题。所以在点阵数据记录系统的改造中,运用了点阵曝光时间的单点控制方案,使点阵每一个点的曝光时间可以通过编程设定,大大提高了点阵的均匀性。

1 数据记录系统的原理与组成

数据记录系统的原理与组成如图1所示。

数据记录系统主要由上位机、数据采集模块、点阵控制模块、点阵驱动模块、点阵模块、光学投影模块组成。

数据采集模块:数据采集模块实现点阵信息的采集。主要是以8031单片机为核心的下位机,在摄影时统的控制下,实时地对时间、方位角、俯仰角、同步信息、频率编码等信息逐个采集,然后存放在双口RAM中,供上位机通过总线读取。

上位机:通过总线对双口RAM中的数据信息,按照要求的点阵排列格式进行排列,并对每个点的点亮时间进行编程设定,最后由点阵控制模块逐行输出。

点阵控制模块:在上位机的控制下,按上位机对每个点曝光时间的设定,以及点的亮与灭,逐行输出点阵控制信号到点阵驱动模块。

点阵驱动模块:点阵驱动模块输出的控制信号不能直接驱动点阵的LED,经驱动模块产生驱动信号驱动点亮点阵的LED。

光学投影系统:将点阵LED的光能量传输到胶片,使胶片产生曝光,记录数据。

点阵单点控制方案与传统控制方案的主要区别在于点阵控制模块不同。下面主要介绍点阵单点控制方案中,控制模块和驱动模块的软硬件设计与实现。

2 控制模块和驱动模块的硬件设计与实现

传统的点阵控制与驱动模式有:

(1)一次点亮。即每一个LED的阴极和阳极分别有一个控制信号,一幅点阵一次点完。这种方式所用时间最短,但控制电路和驱动电路都非常复杂,一般不采用。

(2)逐列扫描。逐列扫描即每次点亮其中的一列,一幅点阵分22次点完。这种方式比一次点亮的电路简单,但所用时间比一次点亮时间长。

(3)逐行扫描。逐行扫描即每次点亮其中的一行,一幅点阵分5次点完。这种方式控制电路和驱动电路都最简单,而且所占用时间界于前面两者之间,一般多采用这种方式。

采用逐行扫描模式。为了确保点阵在胶片上的黑度和均匀性,若采用传统的黑度调整方案存在以下问题:①减小串联在LED中的限流电阻值,使通过LED的驱动电流增加,从而提高其亮度,提高胶片上淡点的黑度。但一方面AsKania KTH532点阵系统中,光学投影系统断丝较多,点阵投影到胶片的过程中,对光能量损耗较大,一味地提高亮度会影响LED的寿命,而在极限电流范围内的亮度又不足以补偿部分断丝对能量的损耗;另一方面因为选用逐行扫描方式,调整一列限流电阻会影响到5个点的亮度,所以这种方法并不可取。②延长LED的点亮时间,也就是延长曝光时间,提高淡点的黑度。同样因为选用逐行扫描方式,调整一行的点亮时间会影响22个点的亮度。该方案设计的点阵控制电路,能使点阵每一个点的驱动信号通过编程控制,实现曝光时间的单点控制,从而实现单点黑度的调整,确保点阵均匀性。

点阵的22列对应地由22个82C54定时器控制。由于该方案选用逐行扫描模式,所以22个82C54定时器分时控制着5行22列点阵的每一个点。82C54是一个可编程减法计数器,它有六种不同的工作方式,其中方式1(可编程单稳态特性)输出单拍负脉冲信号,脉冲宽度可编程设定,满足硬件电路的要求,其时序如图2所示。在设定工作方式和写入计数值后,输出端输出高电平;在触发信号上升为高电平时,输出为低电平,并开始计数;当计数器减为零时,输出为高电平。定时器输出负脉冲的宽度由定时器的计数值决定。

光学设计方案范文第8篇

――光学系统的组合配置使用

在新近举办的国际军警装备展览会上，世界各著名厂商均展出了许多新型自动步枪系统。透过这些产品，可看出当前世界自动步枪的发展是以步枪为平台组合多重光学系统，实武器系统整体性能提升。就光学系统的配置使用来说，主要呈以下动向――

光学系统组合搭配提升自动步枪全天候作战能力

世界著名厂商奥地利斯太尔公司生产的AUG自动步枪是1970年代研制成功的，其目的是为了替换当时奥地利军方采用的Stg.58（FN FAL）步枪。AUG步枪最突出的优点是配用了固定在提把内的1.5×16mm的光学瞄准镜（视场角为8.5°），该瞄准镜的上方保留了传统的机械瞄具，使得该枪的使用方便性、便携性、系统射击精度均得到了综合发挥。但是，随着自动步枪的发展，该枪族已明显暴露出许多不足之处：由于光学系统放大倍率仅为1.5倍，300～400m距离的射击精度并没有得到突出的提高，近距离作战时光学瞄准镜8.5°的视场又显得太小，快速射击只能依靠机械瞄具；此外原枪设计时未考虑到夜视镜的配备问题，使得该枪无法满足夜间作战的实际需求。

新近的展会上，该厂推出的AUG步枪配用新型瞄准系统，将提把上方的机械瞄具去掉，改换为三面皮卡汀尼导轨，配装了白光瞄准镜，白光瞄准镜上方又设有皮卡汀尼导轨，导轨上加装了德国蔡司公司生产的小型太阳能红点瞄准镜，导轨前端还留有安装头盔夜视镜的空间。AUG步枪白天近距离格斗作战时可使用太阳能红点瞄准镜，夜间作战时可将头盔夜视镜前置串列安装，与太阳能红点瞄准镜配合使用，实150m以内距离的作战，这样就兼具昼夜作战能力；如果利用侧面导轨加装激光指示器并与头盔夜视镜配合，又能组成150m以内激光瞄准的夜间高机动作战模式。

德国蔡司公司展出的组合式瞄准镜同样显示了当前光学系统在自动步枪上的运用态式：突击步枪装备有一具4倍白光瞄准镜实150～600m的精确瞄准；在白光瞄准镜上方设计有皮卡汀尼导轨接口，用于连接蔡司公司的太阳能红点瞄准镜，实150m以内的近距离格斗作战；在白光瞄准镜的前方串列安装了非致冷热成像夜视镜，可实自动步枪全射程范围内的夜间作战；另外，根据需求，也可在白光瞄镜前方串列安装微光夜视镜，实夜间300m以内的近距作战。

自动步枪实夜间作战，采用前置串列安装夜视镜的趋势日渐明显，这与狙击步枪前串夜视镜的设计思路趋于一致，也可以说是狙击步枪系统设计思想在自动步枪上的移植。

集成红点瞄准方式的多功能低倍率变倍光学瞄准镜成为自动步枪配用镜的最佳设计方案

新近国际展会上，笔者发世界几家最著名的军用光学瞄准镜生产厂商均在研制推出自动步枪使用的新型多功能低倍率变倍光学瞄准镜，其具有低倍率大视场的光学特性（视场角约为17°），同时具备LED照明的红点快速瞄准功能，使其既适应于近距离格斗作战的需要，同时又具备中距离（400m）作战所需要的中等倍率精确瞄准功能，而倍受业界关注。

这种采用纯光学再集成红点瞄准方式的瞄准镜具有极高的战场使用可靠性，如果LED电路故障或电池失去了电能，红点就会变为黑色瞄准分划点，射手照样可以用此黑色瞄准分划点在白天进行瞄准射击，其射击精度不会有任何降低，从而避免了武器失效的风险。这一突出优点使这种新型低倍率变倍光学瞄准镜成为自动步枪配用瞄准镜的最佳设计方案。

自动步枪也追求高精度――德国新G28“神射手”（Marksman）精准自动步枪

技术分析

德国HK公司在国际展会上展出了其新G28“神射手”精准自动步枪和G28卡宾枪，这两支枪的总体设计思想全面体了西方自动步枪的发展趋势和未来自动步枪的作战能力及精度水平。德国新G28精准自动步枪和G28卡宾枪是迄今为止世界上性能最全、精度最高和火力最强的自动步枪，其性能正如德国HK公司在其宣传中的表述：“精准集成火力（Accuacy Meets Firepower）”。

战术性能 新G28精准自动步枪出人意料地选用了一具德国施密特・本德公司生产的PM11 3～20×50mm狙击步枪变倍白光瞄准镜。为何自动步枪要加装狙击步枪专用瞄准镜？这支自动步枪能达到什么样的精度？笔者看到这支枪后的几个问号瞬间产生。原来，该枪是一支可以进行精确点射和连发发射的自动步枪，加装狙击步枪专用瞄准镜，可在800m有效射程内可提供精准火力压制。由此看来，新G28精准自动步枪提供了既具备精准度，又保证火力压制的“完美”解决方案。

PM11变倍白光瞄准镜高低调节手轮设计特别，手轮除设计有每个档位为0.1密位的调节刻度之外，还设计有100m、200m、300m、……800m的快速射表外装定功能，这说明该枪既可以由一人单独执行作战任务，也可以作为二人狙击小组的武器，由狙击手接收同伴提供的射击诸元并装定使用，使用的灵活性可见一斑。瞄准镜目镜上方另加装有一具小型红点瞄准镜。这个红点瞄准镜是为了该枪在150m以内近距离格斗作战使用，实快速瞄准，而在这样的近距离不必使用白光瞄准镜。白光瞄准镜前上方还加装有一小段导轨，是给头盔式夜视镜预留的安装座，装上头盔夜视镜后，红点瞄准镜与夜视镜就可组成夜间150m以内的瞄准射击系统。此外，该枪的四面皮卡汀尼导轨留有足够的位置，可安装远程微光夜视镜、非制冷热成像夜视镜、激光指示器、战术灯、枪挂榴弹发射器、握把和脚架等一系列模块化集成组件。

新G28卡宾枪比标准型自动步枪轻1.6kg，瞄准镜则采用施密特・本德1.5～6×24mm低倍率变倍白光瞄准镜（具有快速红点功能）。该枪同样有四面皮卡汀尼导轨，可以进行作战功能集成。新G28卡宾枪强调轻便设计元素，但也不失800m以内的精准和火力压制能力。

新G28精确自动步枪/卡宾枪主要供军队一等射手使用。

射击精度 作为自动步枪，射击精度都不会很高，比如美国的M16 5.56mm自动步枪在100m距离上单发发射10发，枪弹散布圆直径小于13cm（即4.5MOA）――这也是目前世界各国精度水平较高的自动步枪。而根据美国《陆军公认》2011年10月22日的消息称，新G28精准自动步枪在600m内的最大射击精度为1.5MOA，打击600m距离上的头部大小的目标具有较高的首发命中率，该枪还可精确打击800m距离上的人形目标。

火力能力 新G28精准自动步枪采用7.62×51mm比赛用弹（或北约标准NATO枪弹），其威力比小口径步枪弹要强得多，弹匣容弹量为20发。该枪能够在400～800m距离上有效杀伤有生目标，由部队精确射手即一等射手使用，仅次于专业狙击手，高于其他普通士兵，弥补小口径自动步枪400m以上杀伤不足的空白。再加上该枪超群的精准点射压制能力，在未来的地面战斗中，该枪将会是一支令人生畏的轻武器。

由新G28透视西方国家

自动步枪发展趋向

光学设计方案范文第9篇

关键词　课程设计　光电子学　教学　实践

中图分类号：G642

文献标识码：A

光电子学是光信息科学与技术专业一门理论与实践并重的专业基础课，是后续专业课程学习和毕业后从事光电类研究和开发重要基础。围绕“厚基础、宽口径、高素质、强实践、重创新”的人才培养模式，除了开设光电技术实验外，我们还开设了光电子学课程设计。与光电技术实验相比，光电子学课程设计更能发挥学生的主动性和创造性，学生通过课程设计过程对教学内容进行综合应用，而且把已经学过的激光技术、工程光学、物理光学、数字电子技术等相关课程的理论知识综合应用于课程设计，加强了学生的综合实践训练，知识应用能力明显提高。

1 课程设计的教学组织及实施

1.1 课程设计题目的选定

课程设计一般教学时间较短（2周左右），在这么短的时间内，如何有效培养学生将理论知识运用到实践中去的能力是一个值得探讨的问题。尽管学生对光电子学、激光技术、物理光学等相关课程的理论知识有所掌握，缺乏应用于实际的训练，难以进行复杂的系统设计。因此，在突出课程重点内容的基础上将知识面适当拓宽，着重于学生基本技能的培养，设计的题目难易适中，不宜过大过于复杂，以便让学生有一个循序渐近的学习过程。另一方面，课程设计在选题上应考虑到与当前应用领域和产业的充分结合。设计题目具有一定的实用价值，激发学生学习的主动性、积极性。为保证每个学生都有一定的工作量，达到训练效果，根据学生人数拟定题目，每个题目最多三个学生。学生根据兴趣自由选题，题目选定之后，根据设计题目的内容和任务进行小组讨论，明确个人分工，以便于进行考核与检查。

1.2 课程设计的实施

根据课程设计题目的内容和任务，学生通过文献调研，运用相关理论知识对设计题目进行分析，经过组内讨论，提出相应的设计方案，说明设计原理，对设计方案进行理论、仿真或实验等相关分析，记录相关实验现象、实验数据、遇到的问题以及解决方式等详细资料，分析设计的可行性，对原来的设计方案进行优化或更改。

1.3 课程设计的考核

课程设计的成绩分为平时成绩、设计报告和答辩三部分。平时成绩主要考核学生出勤、进度、学习态度、资料占有量等总体表现，占总成绩的20%。设计报告主要考核学生的设计报告，如设计原理的论述，方案的论证，结果的分析，书写格式等方面，占总成绩的60%。答辩主要考核学生掌握知识的准确程度、熟练程度、口头表达能力，占总成绩的20%。在评定成绩时，我们还参照每个学生在小组内的具体分工，根据承担工作量的多少进行成绩划分。

2 目前存在的一些问题

我校光信息专业建设起步较晚，课程设计教学过程中还存在一些问题，需要借鉴其他院校的教学模式，结合自身特点进行教学改革。（1）课程设计是在理论课讲授结束后进行的，两者没有有效地衔接；（2）课程设计题目是老师制定，没有有效发挥学生的主动性和创新性；（3）制定更加详细的评分标准，完善考核体系；（4）师资力量薄弱。

3 课程设计教学改革的一些举措

3.1 加强专业课教学与课程设计的衔接

课程设计光电子学课程结束之后进行的，专业课教学与课程设计教学有意识地融合与衔接十分重要。在课堂理论知识教学过程中，广泛收集资料，结合光电技术的实际范例详细剖析光电子学基本原理的应用，使枯燥的专业课教学变成类似于“案例教学”，激发学生的学习兴趣，还可以启发和引导学生理论联系实际。在专业课理论教学阶段，把课程设计的题目、任务和设计要求等相关信息作为案例告诉学生，让学生带着问题去学习，加强理论教学与课程设计的联系。因此，课程设计不再是两周时间，而是贯穿于整个专业课学习阶段，学生在课堂教学中对课程设计已经具有初步的认识和准备，进入课程设计后，节省了课程设计时间，学生有更多的时间对设计题目进行思考，设计方案更加优化，有利于学生创造性的发挥。

3.2 发挥学生的创新性，进行自主选题

课程设计具有很强的实践性，是学生将理论应用于实践的一次训练。因此，在制定课程设计题目时应与实际应用相联系。在教师制定课程设计的同时，可以组织学生根据自己的兴趣爱好自主制定设计题目，鼓励学生利用教材、文献、专利等相关资料，进行独立思考，拿出自己设想与方案。

3.3 完善考核体系

课程设计不同于专业课教学，强调的是学生的实践能力。如何监控教学过程，客观反映学生的学习成果，成为教学质量保障的重要问题。我们将课程设计的成绩分为平时成绩、设计报告和答辩三部分，并制定了相应的评分标准。学生需认真填写考勤表，详细记录自己遇到的问题和解决过程，填写小组讨论记录表，每个学生在课程设计期间的表现被如实记录，尽可能消除个别学生完全不动手的情况，让每组所有的学生都参与到课程设计中来。综合设计题目之间的差异以及学生课程设计的学习过程对学生课程设计的成绩进行评价。既激发了学生学习的积极性和主动性，又规范了教师的教学活动，有效保障了教学质量。

3.4 加强师资团队建设，增强课程设计的指导

教师指导是保障课程设计教学质量，提高学生实践能力的关键环节。在课程设计教学过程中，教师应起到组织、引导、检查以及解决问题的作用。教师要及时掌握每组学生的课程设计状况，参与小组讨论，在鼓励学生发挥主动性的同时，给予正确的引导，帮助他们解决疑难问题，以保证课程设计教学质量。

4 结束语

光电子学课程设计是培养学生实践能力的重要环节。结合本校光信息科学与技术专业的教学体系现状，我们对光电子学课程设计的组织模式进行了初步的改革与实践。在课程设计中尽可能调动学生的主观能动性，从课程设计的选题、设计内容的实现与总结答辩，都由学生自己完成，取得了较好的实践效果，提高了学生理论联系实际的能力。但仍然存在一定问题，在今后的教学中还需不断探讨，进一步提高课程设计的质量。

参考文献

[1]　闫秋会,南晓红等.课程设计教学模式的研究[J].西安建筑科技大学学报,2008(4):94-97.

[2]　张碧莹,邢菊香.课程设计的实践性教学研究[J].内蒙古水利,2012(1):174.

光学设计方案范文第10篇

关键词：视觉方案； 切痕检测； 多层透明薄膜； 暗场照明

中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)23013304

Method and Implementation of Visual Detection for the Cutting Indentations on

Multilayer Transparent Film

XIANG Bangmao1， CHEN Jiankui1,2， YIN Zhouping1

(1.State Key Lab of Digital Manufacturing Equipment & Technology, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China;

2.Department of Control Science & Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract： A new visual scheme based on dark field illumination theory is proposed for the requirement of halfdiecutting indentations detection on the multilayer transparent film, which can be used in flexible film discontinuous transportation systems for precise position control. Two groups of parallel light are involved to illuminate the indentations at a low angle to ensure that clear CCD images can be obtained in reflection and diffuse homogeneous lights. The fitline of indentations can be used to evaluate the film conveying positioning accuracy and calculate the compensation of next step. The scheme can achieve the target of position controlled by detecting the indentation in multilayer transparent film discontinuous transportation system. It is convenient enough to be implemented in the manufacturing process and already used for the membrane electrode assembly of the fuel cell production equipment.

Keywords： visual scheme； cutting indentation detection； multilayer transparent film； darkfield illumination

收稿日期：20110621

基金项目：国家科技支撑计划项目(2009BAF40B04);国家自然科学基金重点项目(51035002)0引言

多层结构透明膜的非连续输送系统被广泛应用在各种工程系统装备中，如RFID电子标签生产装备、燃料电池膜电极生产装备等。工况需求中常对薄膜输送的定位精度提出较高要求，在所输送薄膜上不存在印制标记时，可能需要检测工艺中产生的特征，如薄膜上的切痕。常用的光学测量方法，如利用反射光谱测量法［1］快速测量单层薄膜厚度和折射率，利用傅里叶分析法［2］测量厚度较厚的多层薄膜，利用三角测量法［3］测量膜层厚度及位移，均是针对薄膜自身的一些物理参数进行检测，对多层结构透明膜上切痕特征的检测，上述方法难以胜任。

多层透明结构膜上的切痕特征测量，基于薄膜半切工况下测量透明膜上切线位置、长短以及切痕与切痕之间的间距等参数。薄膜半切是指多层膜中切穿其中的某一层或几层，而其他层不被破坏的情况。这种多层透明薄膜上的半切切痕的检测有以下特点和难点：为避免膜层受到破坏和污染，需要一种非接触式的测量方法，典型的非接触式测量方法，如红外线［4］、超声波［5］和微波［6］探测器均不能实现膜上切痕特征的测量；由于膜层透明，切痕细小，切痕与其他部分的区分度低，一般检测形貌或裂缝的手段，如激光扫描法［7］、结构光［8］等均难以实现；测量精度要求达到微米级，测量稳定性要求高。

针对多层透明薄膜上切痕特征的检测需求，本文提出了一种基于暗场照明［9］的视觉检测方案。该方案拟利用切痕切口对低角度入射光反射和漫射的综合效果，通过视觉系统所采集图像，拟合出切口直线，从而实现对切痕的检测。

1传统机器视觉系统方案

机器视觉系统的应用范围特别广泛，针对不同的要求需要选用不同的组件，但一般来说均由照明部分如光源，光学部分如摄像机、镜头，工控机，执行机构等几个最基本的部分组成［10］。

对物体的检测过程中，在光学部分已满足要求的情况下，好的光源和照明往往是机器视觉应用系统成败的关键。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要的部分之间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物置的变化不应该影响成像的质量［11］。

典型的照明系统按其照射方法可分为：背向照明、前向照明等。背向照明是被测物放在光源和摄像机之间，被测物体挡住背光源的光，而其他部分的光进入镜头，这样能获得被测物体的清晰轮廓。它的优点是能获得高对比度的图像。前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，环形光源将整个视场照亮，利用不同物体的性能不同，得到有区别的图像［12］。但是对于薄膜上的切痕检测来说，以上两种方式并不合适，原因如下：

(1) 前向照明光源中心和相机镜头中心同轴，它是通过反射光进入镜头成像的。然而在检测这种透明薄膜时，膜被展平形成了一个很大的镜面。那么在成像时就拍摄成了光源的镜面图像，并不能拍出膜上切痕。

(2) 要检测膜本身透光性很好，背光检测不能形成通常相对大而清晰的轮廓，切痕的成像只同周围膜有轻微的不同，不利于图像识别。

(3) 切痕的检测对光源调节要求高且切痕位置变化时会产生明显的影响，没有很好的稳定性。

(4) 膜上的划痕，会形成同切痕相近的图像，引入过多的杂点和干扰。

背向照明方案示意图如图1所示。

图1背向照明示意图前向照明系统方案示意图如图2所示。

图2前向照明示意图2基于暗场照明的视觉系统设计

2.1方案原理

暗场成像［1314］是指利用成像系统接收被检测对象的漫反射光，使得在暗背景下获取目标清晰明亮，灵敏度较高的图像。本文所提出的基于暗场照明的视觉系统，使用低角度的平行光代替传统上的前向照明、背向照明，如图3所示。若要形成暗场，则光源的位置应满足以下要求：L>Dtan(θ/2)

H

图3暗场原理图采用暗场照明方式的主要原因包括：

(1) 能突出要检测的切痕特征，从而获得检测部分和非检测部分区别明显、高对比度的图片，同时能减少背景光噪声；

(2) 条形光源能够在直线切痕方向甚至是整个视觉范围内产生均匀光照，图像质量良好，当切痕位置变化时不会影响成像的质量。

薄膜切口在光学显微镜下放大200倍微观结构图片,如图4所示。

由图可知，切口部位微观结构极不规则，光源照射时以漫反射为主。常规前向照明或背向照明时，由于照明光线进入镜头时，切口漫反射产生的效果没有得到显现而被照明光线掩盖，从而较难获取良好成像。基于暗场照明时，周围环境为全黑背景，因此切痕位置的漫反射效果得到很好的体现。

方案中主要硬件组成部分有：摄像机、镜头、条形光源、背景底板等,设计方案原理如图5所示。摄像机和镜头垂直于多层透明膜，视觉中心位于膜上两条切痕的中央。两个条形光源对称于视觉中心安装并以低角度照射，保证膜上两切痕获得均匀光照并使镜面反射的光不进入镜头。多层透明膜两端分别由张紧机构对其张紧，并按图中箭头所指方向步进，每次进给宽度为一个切片的宽度。背景底板为黑色吸光材料平板，其作用为吸收透过薄膜的光使其不对切痕成像产生干扰并阻隔外界干扰。因为条形光源以低角度入射，照在多层透明膜上的光绝大部分以反射光的形式反射掉并不进入镜头，而在切痕位置由于切口微观结构不规则，会产生漫反射光进入镜头，在成像效果上会产生切口位置发亮，而其余位置为黑色的高对比度的图像。

图4切口显微图片(×200)

(图形中央部分为切口，其表面极不规则呈凹凸不平状)图5暗场照明方案示意图2.2硬件选型核算

2.2.1技术参数及要求

物距为D=50 mm；相机视野为F=25 mm×25 mm；切口尺寸规格为199 mm×32 mm；视觉定位精度为VA=±0.025 mm;

2.2.2CCD选型

要求的视觉定位精度VA=±0.025 mm;设光学系统精度为SA，图像算法处理精度为PA，则:VA=SA+PA(2)因此，SA

2.2.3镜头选型

根据CCD选型计算，像素选取为2 448×2 048，则CCD芯片的长宽尺寸为L×W=8.8 mm×6.6 mm，则：

放大倍数：M=L/F=0.352(4)焦距：f=D×M/(1+M)≈13.0 mm(5)因此，与CCD相匹配的镜头选取最接近计算值的镜头焦距值f=12.5 mm，镜头据此可以确定。

核算工作距离：D=f×M/(1+M)≈48.0 mm(6)由于相机座和镜头均可调，因此选型合适。

2.2.4光源选择

因为本文采用的视觉系统是基于暗场照明的，且要求沿着切痕方向获得均匀照明，光源亮度调节范围要求较高，视觉范围为25 mm×25 mm。因此选择亮度较高的白色条形光源，照明宽度和亮度可以履盖视野范围。

3实验结果与分析

实验对象为用于燃料电池膜电极生产的三层结构透明膜，膜总体厚度为100 μm，第一层厚度为20 μm，第二层为25 μm，底层厚度为50 μm。实际生产工艺中需要将第一层和第二层切断，保留底层不切断作为牵引层。拟通过视觉系统对切痕进行测定，用于确定基板输送定位精度，所计算定位误差将作为非连续输送中下一步进位移(薄膜进给长度)的补偿值。

主要实验设备包括一部工业摄像机、镜头、两组LED条形光源、带有切痕的多层透明膜和黑色吸光材料背景底板等。其中摄像机、镜头固定在支架上并能上下调节， 两组LED条形光源从两侧以低角度对膜上两条切痕进行照明，带切痕的透明膜置于黑色吸光材料背景底板上方，并位于摄像机、镜头视野正中央。

图6所示为背光源方案获取的切痕效果图片，图中阴影直线部分为切痕,显然图片效果并不理想。

图6背光源方案切痕图像图7所示为前向环形光源图像效果，从图中可知前向照明不能获取膜上切痕的清晰图像，故此方式不能实现检测。

图7前向照明方案切痕图像图8为摄像机通过暗场照明视觉方案所成的图像。可以看到，通过低角度平行照明光源，可以得到切口位置发亮而其余位置为黑色的高对比度图像。

图8暗场照明方案切痕图像图9为检测拟合直线叠加到二值图上的效果图像。可以看到，图中拟合直线和原切痕完全重合。通过拟合直线的方程表达式，即可获得到待检测直线的参数，从而实现了对透明薄膜上细小切痕的检测。检测结果可用于测定薄膜输送的定位精度。实验说明了本文所提出的基于暗场照明视觉方案的可行性。

图9拟合直线叠加到二值图图像4结语

本文针对多层结构透明薄膜非连续输送工况下，通过切痕检测实现精确定位的需求，提出了一种基于暗场照明的视觉系统设计方案，实现了对透明薄膜上细小切痕的精确判定和测量。与传统视觉系统方案进行对比，该视觉系统具有结构简单，工作可靠，便于实现等优点。对实际薄膜切痕的实验结果显示了本方案的可行性，目前该视觉系统方案已经应用于燃料电池膜电极生产装备中。

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