工程光学

目 录

【课程设计目的及任务要求】 ............................... 2 1.1课程设计目的....................................... 2 1.2课程设计要求....................................... 2 1.3课程设计原理....................................... 2 【总体方案设计】 ......................................... 4 2.1光栅 .............................................. 4 2.2数字显示电路....................................... 5 2.3 双凸透镜 .......................................... 6 2.4反光镜 ............................................ 7 2.5数据选择的相关计算 ................................. 7 2.6实物结构图 ........................................ 8 【小结】 ................................................ 11 【参考文献】 ............................................ 11 指导教师评语： .......................................... 12

【课程设计目的及任务要求】

1.1课程设计目的

（1）培养学生文献检索的能力，特别是Internet检索需要的文献资料。 （2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 （3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力,提高学生课程设计报告撰写水平。

（4）掌握数显微角度测量仪电路的基本实现原理，掌握调试及主要技术指标的测试方法。

（5）培养团队合作精神及严谨的科学作风，应用所学知识分析并解决实际问题，提高综合素质。

1.2课程设计要求

1、设计要求

（1）合理选择光学器件及其型号；

（2）结合技术指标要求，计算部分元件参数值并合理选择；

（3）完成理论设计、绘制装备图、并进行安装调试，与主要的技术指标进行比较，寻找差异,找出本次电路设计的优缺点，并再进行优化，查找原因，克服其缺点。

（4）所用的材料易购，组装简易，便以维护,准确性高，易操作。培养学生创新精神和扎实的设计技能。

2、主要技术指标

测量范围：（-30o30o） 供电电源：（交流电电源AC220V） 测量误差：(精密度≤10’)

1.3课程设计原理

1）平面镜旋转特性：

当入射光线不旋转时而转动平面镜是，反射光线的方向将会发生变化。如图示，设平面镜转动了α角度时，反射光线转动角度为θ。根据反射定律有：

θ= 2α

图1 -1平面镜旋转特性

2）微角度测量工作原理： 利用平面镜旋转特性。如图示，刻有标尺的分划板位于准直物镜L的物方焦平面上，标尺零位点发出光束經物镜反射回来，若平面镜与光轴垂直时原路返回。若平面镜有微小的转动角度α时，由平面镜旋转特性可知，平行光与光轴成2α，經物镜L成像于B点处。

yf'tan22f'

图 1-2 微角度测量原理

3）获得直流电源的组成图如示：

电源变压器的作用是把220v的电网电压变成所需的交流电压。整流电路的作用是利用二极管的单向导电特性，将正负交替的正弦交流电压变成单向的脉动电压。滤波气的作用是将脉动电压中的脉动成分滤掉，使其产生较平滑的直流电 压。稳压电路的作用是将直流电压或负载电流发生变化时保持稳定。

图 1-3 直流稳压电路设计框图 4）总设计思路： 本次设计的数显接触式微角度测量仪，利用《工程光学教程》中涉及的凸透镜成像，平面镜旋转特性，光的直线传播特性，光度学及光学光钎光学系统理论知识。微小的角度变化，利用平面镜的旋转特性可以进行放大，发光器产生的光束在反光镜的作用下，通过双凸透镜产生一簇平行于主轴的光线，打在有刻痕的光栅上，由于光敏电阻尺寸先对比较的大，无法满足一定的精确度的要求，故采用光钎光学系统进行光能的传输，由于光钎尺度做的可以很小。一定的角度变化会产生对应的y值。对应光栅刻痕处的背后联通媒介光钎，将接收到的特定频率

的光能传输给对应的光敏电阻，该电路联通。数字显示电路根据编码器产生的二进制码在通过译码器，利用角度与位移的关系转换为能被液晶显示板显示的十进制数字。

【总体方案设计】

2.1光栅

光栅是一种非常重要的光学元件。广义的光栅定义为：可以使入射光的振幅

或相位（或两者同时）受到周期性空间调制的光学元件。只能使光受到振幅调制或相位调制的光栅，分别称为振幅光栅和相位光栅。按工作方式分，光栅又可分为透射光栅（透射光受调制）和反射光栅（反射光受调制）。

图 2-1 光栅过滤器

光栅每单位长度内的刻痕多少，主要决定于所分光的波长范围（两刻痕距离应与该波长数量级相近），单位长度内的刻痕多，色散度越大。光栅的分辨本领决定于刻痕多少。利用全息摄影技术制备的光栅称“全息光栅”，不像机刻光栅刻痕有周期性误差。通常所说的光栅，是指利用衍射效应对光进行调制的衍射光栅。

由yftan22f，选取的双凸透镜直径为10cm,焦距为f=5cm。考虑到接收到的光线区域受到双凸透镜直径的影响，为保证足够的安全裕量，测量角度为-30/30范围内，当角度取30时，y值为5cm.同时兼顾光敏二极管的分布，选取的光栅尺寸为（5*2+3）*8cm。 受到安装的光敏二极管体积大小的制约，取对应系数为10。

''采用光栅将经由凸透镜折射后的平面镜反射光进行过滤，由于发光器射出的特定频率的光(546 nm的绿光），其光能谱近似满足正态分布，如图示

图 2-2 光能谱

2.2数字显示电路

光敏二极管对于该特定频率的光表现出反映（阻值降为最小），使得光线透过光栅尺中光能强的对应光敏二极管所在线路优先导通。

图 2-3 光敏二极管工作电路

特定的角度经过平面镜和双凸透镜的光在光栅一定的位置有强光透过。对

应所在位置的光敏二极管收到照射后，阻值为最小优先导通，在编码器电路中产生相应的二进制码数。 如图示

图 2-4 8421BCD码

对于该装置为体现角度的变化范围规定在中点，即发光器的位置之上为正值，相反为负值。编码值通过译码器转换为十进制下的数字，如图示

图 2-5 译码器实体图

采用共阳极接法，应用半导体发光二极管进行数字的显示。

图 2-6 共阳极LED连接

图 2-7 共阳极接法器件管脚图

2.3 双凸透镜

双凸透镜主要用于汇聚来自点光源的光或向其它光学系统传递图像。

图2-8 双凸透镜的示意图

合理选择材料(纹理，气泡，杂质，均匀性)；在研磨时，考虑到了用于可干涉光时，不产生散乱(划伤，凹痕，光泽)。可分为没镀膜和镀了可见光带域的防反射多层膜透镜。

单个透镜的焦距是主点到焦点的距离。透镜的设计波长为546 nm(绿色汞谱线的e线)。由于焦距随波长变化，所以被用于其它波长时，其焦距也随之变化。

图2-9 双凸透镜实体图

相关参数:

材料:H-K9L 焦距：5cm 直径：10cm

设计波长:632.8nm 焦距公差:±-1%

外型公差:+0.0/,-0.1mm 厚度公差:±0.1mm 面型:λ/4@632.8nm 光 洁 度:40-20 偏心:<3'

有效孔径:>90% 倒边:<0.2×45°

镀膜:多层增透膜 ，350-650nm对于波长为546 nm的绿光具有极强的透过率。

2.4反光镜

图2-10 反光镜实体图

为实现特定频率的光线足够的反射回去，取得极好的效果。对于反光镜的选

取具有一定的要求：

1）平面镜表面具有较好的光滑度。 2）平面镜具有严格的平整度。

3）平面镜必须安装在双凸透镜的焦点位置。

4）考虑到旋转过程转动点位置的不变，反光镜的反光面层要薄，安装点必须固定。

2.5数据选择的相关计算

根据我们设计的仪器的大小，以及市场上有的凸透镜规格我们选择了直径

D10cm的双凸透镜。根据曲率半径求得f´5cm。

则：

Dtanmax2f'1

450max即 考虑到光栅的尺寸大小和精密度，令：

max30o

'y2f知： 由于受到光敏二极管的影响，选取1cm长度100条刻纹的光栅由

4'

2.6实物结构图

图2-11产品设计的外观效果图

图2-12设计作品的总体结构分布图

本次设计的数显接触式微角度测量仪，微小的角度变化，利用平面镜的旋转

特性可以进行放大，通过双凸透镜经过光钎打在光敏电阻联通电路。数字显示电路根据二进制码转换为能被液晶显示板显示的十进制数字。

备注：

1.本次设计的角度测量是在竖直方向上的进行的。

2.为保证测量的准确性，发光器，双凸透镜及平面镜的旋转的中心共轴。 3.为减小转槽的加工的难度系数并同时提高平面镜在竖直平面的转动可靠性能，在转槽面上加工导轨，一方面有利于原件的制作，同时降低了加工的要求。

4.为扩大转动的角度范围，固定在窄长反光镜的固定架设计时是比较的外延的，边缘并未完全的与转槽口接触，为保护反光镜表面的洁净，边沿与被测物体的接触部分利用软质橡胶进行包裹，已达到延长使用寿命的效果。

5.整个仪器设计是对称性的，主要的期间都是利用螺母或卡口进行固定支撑架上，一是便于设备的组装和零部件的更换，同时由于主要的部件固定在支撑架上，与仪器的外壳有一定的距离，存在一定意义上的防碰击能力。二是存在间隙有利于产生的热量快速扩散入空气中，保护了光学器件与电路箱。

使用说明：

将仪器放置于工作台上，接通电源预热1到2分钟，然后打开发光器电源开关，进行器件调试使得液晶显示器上显示0。再将仪器移动至被测物体，使仪器的角度测量端（反光镜）与被测物体需测量的面可靠接触（螺栓连接），这时平面镜就会随被测物发生偏转，此时在液晶显示面板上就可读出偏转角度。

【小结】

为期两周的课程设计结束了，在这次工程光学基础课程设计中，使我学到了很多知识，不仅加深我对工程光学技术这门课程的的理解，而且也让我学到了发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的方法。经过解决一个个测试中出现的问题，看到了实践与理论的差距。加深了我们对理论与实践联系的理解，促进了我们运用知识解决具体问题的综合应用能力。我在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、设计的能力，在各种其它能力上也都有了提高。我将所学知识运用到设计中，按照设计要求对应的参数选取元器件，通过查找资料了解元器件的主要特性与相关使用注意事项。在设计中选取最优元件来满足设计的要求。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。设计中涉及的多学科知识彼此相互关联，对于处理相互的衔接部分出现了许多失误。这主要是自己在平时的学习中不刻苦，不能够多多的与生活实际相联系，扩展知识应用面。对此，今后在知涉猎中，我将重视思维发散，层面的扩展。

不光在学习中要积极认真，在生活中也一样，就在课程设计中一样我们认真对待每一个步骤，在安装原件之前测量每一个原件的好坏和正负极，然后在焊接，测量数值记录数值并计算调试。以后要努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。认真对待每一个实验，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我在课程设计中学到的最重要的东西，也是以后都将受益匪浅的。

最后怀着感恩的心，感谢老师的授课与指导。

【参考文献】

[1] 郁道银，谈恒英编著.工程光学基础教程.北京：机械工业出版社，2007.4 [2] 陈生谭，张永瑞等．电路分析基础．北京：电子工业出版社，2009.4 [3] 陈立周编著.电气测量.北京：机械工业出版社，2009,6. [4] 吴丙申．模拟电路基础．北京：北京理工大学出版社，2007

[5]江晓安，董秀峰编著．模拟电子技术．西安：西安电子科技大学出版社，2011.2 [6]严瑛白编著．应用物理光学．北京：机械工业出版社，1990

指导教师签名：

批阅日期:2013年月 日

指导教师评语：

评分表

评 定 标 准 评定指标 知识创新性 理论正确性 内容难易性 结合实际性 知识掌握程度 书写规范性 工作量 总成绩 分 值 20 20 15 10 15 10 10 100 得 分 评 语 指导教师签字 备 注 年 月 日