透明材料的光学特性研究.docx

1、透明材料的光学特性研究摘 要透明材料作为一种集机械强度高、光学特性优良、热稳定性好、耐化学性强、加工性能好以及有特殊功能等优点于一身的特殊村料在工业领域、建筑领域以及航空航天领域中都存在着非常广阔的应用前景，透明材料的厚度作为衡量其特性的一方面将会直接影响后期的使用，本文经过对国内外多种厚度检测方法的研究分析提出了一种基于光电检测技术的非接触式厚度检测系统。本系统的组成包括光源系统、光学准直整形系统、光学扩束接收系统、CCD成像系统、信号采集与数据处理系统五部分将光学、测控技术、机械结构等学科相结合，以光学成像原理为基础，能够实现厚度为l 5mm15mm之间的透明材料的厚度测量精度可达10 u

2、 m。关键词：透明材料 厚度检测 光学设计 CCD目 录摘 要 1目 录 2第一章 绪 论 41.1 引言 41.2国内外相关技术的发展现状 51.2.1国外的发展现状 51.2.2国内的发展现状 51.3主要研究内容及研究目的意义 61.3.1主要研究内容 61.3.2研究的目的与意义 6第二章 透明材料厚度检测系统 621系统设计方案分析 62.1.1共焦系统测厚度法 72.1.2光栅光谱检测法 72.1.3 CCD成像检测法 72.2方案对比总结 82.3 系统整体结构方案 82.3.1光源系统 92.3.2光学准直整形及扩束系统 92.3.3光电接收系统 92.3.4计算机处理系统 1

3、0第三章 光学系统设计 103.1光学系统组成 103.2光学发射系统设计部分 103.2.1光源的选取 103.3接收系统的设计 113.3.1扩束光学系统工作原理 11第四章 检测与控制系统设计 124.1 CCD电荷耦合器件的选取 124.2 控制系统硬件结构设计 124.3 控制系统软件流程设计 13第五章 测量结果与误差分析 135.1误差来源及分析 135.1.1仪器误差 135.1.2理论误差 14总结 14参考文献 15第一章 绪 论1.1 引言 透明材料作为一种工业中应用较为广泛的重要材料，由于该材料具各优良的光学特性、热稳定性好、机械强度高、耐化学性强、加工性能好以及有特殊

4、功能等优点，有着极为广阔的应用前景。而如此广泛的应用加大了对透明材料生产规模以及生产质量的要求，因此其生产过程中对于材料尺寸检测部分的要求也越发严格。厚度作为材料属性的衡量单位之一，其测量方法也是生产生活中最为常见的内容。较为常用的测量工具是直尺、游标卡尺和千分尺，而这些量具在使用过程中都会与工件表面相接触，即使接触时摩擦力或压力不大，有时也不免会出现影响其使用的微小刮痕，对于一些要求较高的工件哪怕是一点灰尘落在上面都会影口自测量精度，所以全新的非接触式的光电检测技术的出现成为了必然，这种新技术更适合现代化生产技术犬规模、高效率的特点。 光电检测技术是建立在现代光、机、电、计算机等科技成果基础

5、上的新型综合性技术，是一种可实现非接触式测量的新综台测量技术，该技术所涉及到的基础理论和十分广泛，它是一种以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测对象信息的光辐射进行检测，从而实现对各种光学属性参数及大量非光学属性参数进行测量的重要手段，是众多检测技术中的一个重要分支。光电检测技术作为一种虽具代表性的高新现代测试技术，它具有某些其它检测设备所没有的特点。其高新、现代化主要表现为以下几个方面：能够实现非接触式测量，信息输出直观化，技术综合性强，具有精度高、速度快、使用周期长等特点。 因此，本文所提及的对透明材料厚度检测的技术应用将以CCD光电耦台器件为主要应用的光电检测技术为主。

6、1.2国内外相关技术的发展现状 光电检测技术的发展趋势是国防建设的需要，是现代生产和现代科技发展的需要。1.2.1国外的发展现状4 早在60年代初期，一些发边的工业国家就已经开始了早期的关于光电检测技术的研究工作，进而逐步产业化，。伴随着计算机技术、光电子技术、光电传感器技术以及激光技术的迅猛发展，光电检测技术逐渐向着高技术指标、高性能的方向迈进，标准化、系列化、大众化已经成为了光电技术类产品的新特征。其主要技术产品是将光与电进一步一体化，在光、机、电、计算机等多学科多技术相辅相成的基础上，融入了更多的高新技术所派生出柬的可实现多用途、多方位的新型光电子检测技术器件。如CCD光电耦合器件、光电

7、探测器等，技术成熟且依旧具有突破性，光电检测技术在全球日益激烈的竞争下正在以突飞猛进的速度发展和完善。1.2.2国内的发展现状 我国的光电检测技术起步比较晚，上个世纪七十年代初，我国开始了光电检测技术的研究工作。在国内众多科研工作者的共同努力下，我国在现代光电检测技术领域已经逐渐达到了可与国际先进技术接轨的水平，突出表现在实用技术和应用基础两方面。多学科融合已经成为了光电检测技术的新特色，学科间的融合在其相关领域产生了许多新的技术分支，例如光通信技术、光电测控技术、激光扫描技术、光电显示三维成像技术等。1.3主要研究内容及研究目的意义1.3.1主要研究内容 本文主要目的是研制一种以非接触式测量

8、透明村料厚度的激光扫描成像测系统，该装置的测量原理足以光的折、反射原理为基础，进而通过光学扩束系统将通过被测物体表面出射的平行光线扩柬后投射到CCD上，由CCD连接计算机设备利用软件处理得到接收到的两光线间距读数，最后通过计算机计算出实际的材料厚度，该系统的特点是：通用性强、分辨率高、检测光谱范围大，使非接触式精确测量透明材料厚度目的得以实现。1.3.2研究的目的与意义透明材料由于其本身性质较为特殊，要尽量避免在生产或者应用过程中损坏其表面，任何划痕损伤都会在不同程变上影响后续的使用，因此对于透明材料的检测方法需要实现非接触化，尽量减少对其表面的接触以及对其周围环境的改变，本文所设计的透明材料

9、匣度检测系统充分考虑丁被测物体的各种特性，采用激光扩束的检测方式与CCD技术相结合来实现透明材料生产应用过程用的自动测量，该技术结合了光、机电、算等多门技术，形成了一种可实现在线非接触式检测的新技术，具有一定的实际应用价值。第二章 透明材料厚度检测系统21系统设计方案分析厚度检测系统往往被应用于透明材料的生产加工过程中，以便实现对产品厚度的在线监控。以光学零件的厚度检测为例其中心厚度的测量是零件加工时的一大难题往往由于提供的零件厚度不昭精确而影响光学系统的成像质量。目前国内还没有出现直接检测光学零件厚度的方法，直接导致了其厚度参数的缺失，进而影响装调。国内外应用在这方面的各种先进检测技术值得借

10、鉴学习，研究人员应多方面综台其先进思想，井充分应用到本文的研究中柬，从而设|十出一种精度更高、检测范围更广的新型检测系统。现在国内外对透明材料厚度检测主要有共焦法、光栅法、平板电容法、CCD成像检测法、反射原理检测法等，具体原理如下：2.1.1共焦系统测厚度法 共焦系统检测透明材料厚度的方法是通过分析被待测物体所反射光束的波长来计算厚度的。其原理如图2-l所示： 图2-12.1.2光栅光谱检测法光栅光谱检测法原理如图2- 2所示，本方法需应用到凹面光栅，将经由被待测物体反射后的自光利用凹面光栅分解成不同的光谱8，再将该光谱投射到光电器件CCD最后通过计算机将CCD所接收到的光谱进行对照分析从而

11、计算出被测物体的厚度大小。光栅光谱检测法的优点是高精度、高速度，并且具有其他方法所不县备的微区间检测功能缺点是系统结构调试方面较难。 图2-22.1.3 CCD成像检测法CCD成像检测法原理如图2-3所示，该方法就是将待测物体的影像经光学系统成像在光电耦台器件CCD的像敏区内，由于要在CCD上成像，光学系统需要考虑采用平行光路以便后续电路提取较为清晰的边缘信息，当信号处理电路获得了相应的特征量之后，就可以通过软件设计部分直接计算出被测物体的厚度尺寸了。需要提出的是CCD成像检测法对于被测物体的轴向位置要求极其严格，因而在实际应用中较少出现。 图2-32.2方案对比总结通过对以上三种目前较为主流

12、的方法的对比分析发现，采用基于CCD对平板玻璃厚度进行测量的基本原理较为实用。本方法是利用透明材料上下表面对激光束进行折、反射的规律，由光学接收器将接收到的光线投射到面阵CCD的光敏面上，由CCD将光信号转换成电信号，再通过训算机系统的辅助，就可以自动完成透明材料的厚度检测过程，方便而直接，具有较大的实用价值。2.3 系统整体结构方案根据对系统要求及以往设计经验的分析，结合美国某实验室设计的玻璃厚度测量尺和国内以往较为常见的激光扫描系统的殴计经验，经过一系列的研究与比较，本文提出了利用目前应用比较广泛的光电检测器件CCD与光学扩柬系统相结合的方案，系统结构如图2-5所示，透明材料筚度检测系统分

13、别由光源、光学准直整形系统、光学扩束接收系统、CCD成像系统、信号采集系统与数据处理等系统组成。本系统将采用的LD半导体激光器作为光源，由光学整形系统和准直系统对光源所发出的光束进行整形修正，被加蚪修整过的光线以一定角度入射到待测透明材料的表面，经由待测物体上下表面的两次折射和两次反射，再由光学扩束系统对其进行适当范围的扩束后入射到CCD的光敏面上将光信号转换成电信号，由软件及数据处理系统对数据进行计算处理，壤后可印可得到检测对象的厚度结果，系统结构如图2-4所示。 图2-4系统结构图2.3.1光源系统 由于本文的研究及应用属于精密机械检测范围，对检测精度要求较高，所以对光源发光的稳定性要求极

14、为严格，因此要选用单色性好、发光强度高、源，而激光器作为一种光束质量好、发光功率稳定、光束发散角小、成为了最佳选择。方向性强的发光波长单一的光源。2.3.2光学准直整形及扩束系统由激光器发射出的光束需经过光学准直整形系统的处理后才能以测试光线的身份投射到待测透明材料的表面，否则不经处理的光线以光斑形式入射到待测物体表面易出现色散等情况，很难实现之后的接收和测量工作。光学扩束系统是为将被待测透明材料先后反射、折射出的两条间距极小的出射光线进行扩束而准备的，这两条间距极小的光线的间距所体现的是被测材料的厚度信息，由光学扩束系统对其进行扩束的目的是为了方便后续CCD器件的接收分辨工作。2.3.3光电

15、接收系统接收系统县体由光学扩束系统和CCD光电耦合器组成。其中CCD与光学扩束系统之间要加滤光片，滤光片在此处起到的作用是将会对CCD的输出信号产生干扰的外界杂光滤掉尽量将外界对CCD的影响降到最低，并且可以减小CCD将接受到的光线的光强，以加大CCD光电耦合器件对不同能量特性的适应程度。CCD信号采集处理系统的作用是将投射到CCD光敏面上的光信号同电信号之间进行合理转换，而后再将电信号传输给计算机处理系统由专门的软件对倩号进行分析处理最后输出结果。2.3.4计算机处理系统计算机系统需采用稳定性好且兼容性强的工业类控制型计算机以保证其实时控制以及数据处理的连贯性具体应该采用模块化设计计算机处理系统组成如图2-5所示，大体上需要用到的模块按照性能不同可以分为以下五种：测量模式及参数设定模块、主控模块、误差修正模块各种参数模块以及显示模块。系统的初始化、各项测量参数的配比以及数据的处理和输入输出等任务都要通过上述的各种模块进行实现： 图2-5计算机处理系统组成第三章 光学系统设计3.1光学系统组成本系统将采用LD半导体激光器作为光源，由光学整形系统和准直系统对光源所发出的光束进行整形修正，被加以修整过的光线以一定角度入射到待测透明材料的表面，经由待测物体上下表面的两次折射和两次反射后，再由光学扩束系统对其进行适当范围的扩束后入射到CCD的