光学技术的广泛应用
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光学技术的广泛应用范文第1篇
关键字：CCD;尺寸检测
中图分类号： V448.15+1 文献标识码： A
Abstract: CCD technology has become a set of applied optics, electronics, precision machinery and computer technology for the integrated technologies, and is widely used in modern optical and optoelectronic measurement technology. This paper describes research on CCD technology at home and abroad, and to explore the CCD technology trends.
Keywords:CCD ; Size detection
一．概述
电荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一种以电荷为信号载体的微型 图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，其输出信号通常是符合电 视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、增强、识别等处理。
自CCD于1970年在贝尔实验室诞生以来，CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，CCD传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。
二．国内外研究状况
CCD检测技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域。
1尺寸测量
由CCD传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统构成的尺寸测量装置，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。在尺寸测量中，通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在CCD靶面上，通过对CCD输出的信号进行适当处理，提取测量对象的几何信息，结合光学系统的变换特性，可计算出被测尺寸。
1997年，J.B.Liao等将CCD摄像系统应用在三维坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)上，实现了三维坐标的自动测量。他们将一个面阵CCD安装在与CMM的3个轴线都成45°角的固定位置，通过计算机视觉系统与CMM原来的控制系统连接来控制探头和工件的移动，以此探测探头和工件的三维位置。该方法不需要对原CMM系统进行改变，只要将CCD视觉系统连入原有的测量机即可。由于测量系统中只用一个面阵CCD，从而简化了测量系统结构，降低了系统成本，减小了因手工操作引起的误差，提高了测量效率，并能避免单独使用CCD测量时，因光衍射而造成的边缘检测误差，可用于工件三维尺寸的精确测量。
2形变测量
尽管利用线阵CCD测量材料变形具有非接触、无磨损、精度高、不引入附加误差、能测量材 料拉伸的全过程，特别是测量材料在断裂前后的应力应变曲线，得到材料的各种极限特性 参数等优点，但只能测量材料拉伸时在轴线方向的均一形变。为此Scheday, Miehe和Cheva lier等人开展了采用面阵CCD测量材料形变的研究。在此基础上，Stefan Hart mann等人借助面阵CCD研究了橡胶材料在拉伸和压缩时的形变情况。即在圆柱 形黑色测试样品的轴线方向等距标定几个白点，用CCD摄取相应图像并送入计算机进行处理，通过检测白点标记间的距离来计算样品受力时轴向的形变，并通过轮廓检测算法得到轴对 称的圆柱型样品的轮廓尺寸，经过数据校正，可计算出被测样品半径方向上的形变。这种方法可同时获得两个方向上的形变量，并测量出材料被压缩时的非均一形变。
3三维表面测量
由于CCD传感器能同时获取被测表面的亮度和相位信息，因此，将CCD和计算机图像处理技术 与传统的三维表面非接触光学测量方法相结合，可实时测量物体形变、振动和外形。随着CCD工艺水平的提高，面阵CCD被广泛应 用于三维表面测量。1996年，B.Skarman等提出了相变数字全息 测量法。此后，F.Chesn、C.Quan、P.S.Huangv、G. Pedrini等人分别在有关测量方法中应用了CCD技术，从CCD图像中获取相位图的新方法也相继出现。在条纹图样投影法中采用相变技术时，只能检 测静物表面轮廓，不适用于实时检测振动和变化的表面形状。
4高温测量
物体的辐射光波长和强度与物体温度有着特定的关系，因此CCD作为一种光电转换器件，可用于温度测量。1993年，Tenchov等人采用CCD间接测量溶液表面温度；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen用可测量红外波段的加强型CCD测量液态金属的燃烧火焰温度，但其测量误差达到400～200K，缺乏实用性。此后，利用红外CCD测量温度场成为CCD测温研究的主流。2001年，Takeshi Azami等人利用CCD的亮度波动信息来研究 熔融硅桥表面的热流状况，获得了较好的结果。事实上，由CCD的光谱响应特性、光电转换特性可知，利用RGB输出值可得到被测物体表面图像中的亮度和色度信息，并根据比色测温原理 计算出物体的表面温度场。虽然有人提出了基于CCD测温系统的三维温度场构建算法，但直接利用彩色CCD测量温度的仪器还处在实验研发阶段。尽管如此，由于CCD技术能测量运动物体的温度，给出二维或三维温度场，实现非接触高温测量，因此，CCD测温技术有很大的发展潜力和应用前景
三．发展趋势及应用前景
1数字化测量技术
数字化测量技术是数字化制造技术的一个重要的、不可或缺的组成部分；数字化测量仪器、数字化量具产品的不断丰富和发展，适合并满足了生产现场不断提高的使用要求。
2测量技术与制造系统的集成
将现代测量技术及仪器融合、集成于先进制造系统，从而构建成完备的先进闭环制造系统。
3激光测量技术的应用
随着激光测量技术的发展，将与CCD检测技术更紧密的结合在一起。
4传感器的微、纳米化
传感器向小型化、微、纳米级精度发展，生产现场适应性更强，精度更高。
5系统的集成化
随着微电子技术的不断发展，整个测量系统正向着系统化、集成化方向发展（SoC）。
综上所述，CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域。事实上，凡可用胶卷和光电检测技术的地方几乎都可以应用CCD。随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，CCD图像传感器的性能也在迅速提高，将CCD技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著提高测量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术必将以其突出的优点而在工业测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的应用。
参考文献：
［1］王庆有.CCD应用技术［M］.天津：天津大学出版社，2000．
［2］王跃科，杨华勇.CCD图像传感技术的现状与应用前景［J］.光学仪器，1996,18(5)：32－36．
光学技术的广泛应用范文第2篇
关键词： 光声成像技术；光声显微镜；图像重构算法
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0120008-02
光声成像技术是近年来发展迅速的一项新型医学影像技术，是采用“光激发声探测图像重建”的方法进行成像。它利用样品的内源性的光学吸收特性进行成像，因此能获得组织样品的结构图像和功能图像，同时也能获得光学能量沉积的三维分布。作为一种非侵害性的成像技术，光声成像既具备了光学成像技术的高分辨率、高对比度的特性，同时，也具备了声学成像技术的穿透深度高的特点。被广泛应用于血红蛋白、黑色素、脂质等光学吸收特性物质的探测及其分布的成像。为胸部/[1]、皮肤[2]、脑部[3]、心血管[4]、眼睛[5]等人体部位的组织、微小血管以及细胞成像提供了一种有力的工具。
本文将简单介绍光声成像技术的机理，并重点对国内外几种典型的光声显微成像技术作简要的介绍。
1 光声成像技术
光声成像技术，是基于光声效应的一种成像技术。当物质受到光照射后，所吸收的能量通过非辐射去激励的过程全部或部分转变为热量释放出去。如果入射光源是短脉冲激光或者周期性的强度调制光，物质内部将会产生周期的温度变化，使这部分物质及其邻近介质产生周期性的涨缩，因而产生声信号，这种声信号被称为光声信号[6]。对于光声技术的研究已经有了很长一段时间的历史。1880年Alexander Graham Bell首次观察到了光声效应，物体在吸收了调制光以后，从而产生了声波[7]。但是，直到十九世纪七八十年代，随着激光技术的发展，与光声效应相关的科学研究和技术才有了蓬勃的发展。这是因为，激光的单色性强、峰值能量大、方向性好等优点为光声信号的传感提供了有力的支持。
2 光声显微镜成像技术
随着光声成像技术的分辨率通过不同的方式得到提高，光声成像已经进入显微的领域，光声显微镜已经成为目前研究的热点之一。光声显微镜通常使用扫描的方式获得，而不需要复杂的重建算法。扫描的方式主要有两种，第一种是通过扫描一个聚焦的超声探测器以获取光声图像，这种方式被称为超声分辨率光声显微镜，它通过超声来进行定位，分辨率决定于超声换能器的带宽以及中心频率，分辨率能等达到15微米到100微米[8]，由于利用超声进行定位，因此这种显微镜的成像深度能达到30毫米[9]。而第二种扫描方式是采用会聚的激光束进行扫描，通过这样的方式能达到光学分辨率的光声成像，它的分辨率取决于会聚激光束的衍射极限，因此它也被称为光学分辨率光声显微镜[10]，但是由于这种方法通过光来定位，由于组织的散射的影响，它的穿透深度不如超声分辨率光声显微镜。
2.1 超声分辨率光声显微镜
典型的超声分辨率光声显微装置如图1所示，L.V.WANG等利用聚焦形超声传感器进行扫描成像[9]。在该系统当中，入射光束被照射到圆锥透镜上，使它被发散从而绕过了跟样品保持共轴的超声探测器，然后通过灯罩型的反射镜将它会聚到样品上，这样就保证了照射样品的均匀性。通过圆锥透镜以及灯罩型反射镜的会聚只充当照射作用，其作用与显微物镜的会聚作用不同，并不决定光声图像的空间分辨率。其成像原理是根据计算机同步信号，分别作X方向的B扫描和Y方向的B扫描，Z方向上的不同层析平面上的光声信号可以利用时间分辨技术在每个方向的B扫描的时候记录下来，当二维扫描完成以后，用计算机可以重构出样品的三维光声信号图像。成功研制成活体的功能光声成像，这种超声分辨率的光声显微成像系统得到了广泛的应用。
2.2 光学分辨率光声显微镜
L.V.WANG等利用高数值孔径光学物镜把激光会聚到样品表面从而获得接近光学分辨率极限的光声图像，分辨率达到0.2μm[9]，并且能够获得细胞的光声图像。在此基础上，进一步提高探测灵敏度和成像速度，提出了第二代光学分辨率光声显微镜[11]。如图2所示。激光束通过一个偏菱形的透明棱镜会聚到样品表面，样品所激发的超声信号在偏菱形棱镜的内部进行两次反射，被超声传感器探测，这样的设计大大地提高了声探测的灵敏度。利用这套系统，他们对1.2mm深度的毛细血管进行了成像。
而H.F.Zhang，与C.A.Puliafito等[3]将激光扫描振镜技术引入了光学分辨率光声显微系统。在这种方法中，超声探测器的位置可以固定不动，利用激光扫描振镜将激光束在样品表面扫描，从而实现微米量级的无振动噪声的光声显微。如图3所示，激光通过二维扫描振镜直接在样品表面进行扫描，位置固定不动的超声探测器对每一点的光声信号进行探测，从而还原出二维的光声图像。利用这种成像机制，用光纤将后向散射的光子耦合到光学成像系统，则可以同时获得光声显微图像和后向散射光学图像[8]，或者可以同时获得光声显微图像和光学相干层析成像图像。
3 结束语
光声显微镜是近年发展起来的一种新型的，具有广泛应用前景的光声成像技术。它依赖于生物样品内部的内源性吸收特性，可获得生物样品的结构和功能显微图像。目前光声显微成像技术已经取得了长足的进步。随着硬件（光源和声探测器）性能的提高和技术路线的改进，光声显微成像技术将在生物医学成像领域中取得更大的成就。
参考文献：
[1]Kruger，.R.A.，Lam.R.B.，Reinecke.D.R.，Del Rio.S.P.，Doyle，.R.P.Photoacoustic angiography of the breast[J].Med.Phys，2000，37，6096.
[2]Niederhauser.J.J.，Jaeger.M.，Lemor.R.，Weber.P.，bined ultrasound and optoacoustic system for real-time high-contrast vascular imaging in vivo[J].IEEE Trans.Med.Imag.，2005，24：436440.
[3]Laufer.J.，Zhang.E.，Raivich，G.，Beard，P.C.Three-dimensional noninvasive imaging of the vascula-ture in the mouse brain using a high resolution photoacoustic scanner[J].Appl.Opt.，2009，48：D299D30
[4]Wray.S.，Cope.M.，Delpy.D.T.，Wyatt.J.S.&Rey-nolds，E.O.R.Characterisation of the near-infrared absorption spectra of cytochrome-AA3 and haemoglobin for the non-invasive monitoring of cerebral oxygenation[J].Biochim.Biophys.Acta，1988，933：184192.
[5]Jiao.S.，Jiang.M.，Hu.J.，Fawzi.A.，Zhou.Q.，Shung.K.K.，Puliafito.C.A.，Zhang.H.F.Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging[J].Opt.Express，2010，18：39673972.
[6]殷庆瑞，光声光热技术及其应用[M].北京：科学出版社，1991.7.
[7]Bell.A.G. On the production and reproduction of sound by light[J].Am.J.Sci.，1880，20：305-324.
[8]Zhang Hao F.，Wang Jing，Wei Qing，Liu Tan，Jiao Shuliang， Puliafito Carmen A. Collecting back-reflected photons in photoacoustic microscopy[J].OPTICS EXPRESS，2010，18：1278-1282.
[9]Zhang H.F.，Maslov K，Stoica G，Wang L.V.Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging[J].Nature Biotechnology，2006，24：848851
光学技术的广泛应用范文第3篇
【关键词】功率型LED 封装技术 散热封装结构 热沉材料
随着社会经济的快速发展以及现代化进程的不断加快，人们的生活水平获得了很大的提高。LED作为第四代新光源――固态冷光源，因具有结构紧凑、重量轻、体积小、响应速度快以及发光高等优点而现已被广泛应用于照明领域。据相关文献表明，LED将会在未来引导照明行业进行一场绿色革命，同时LED产业未来发展的重要方向是研发并推广功率型LED。因此对功率型LED封装技术进行探讨已成为当前研究的重要课题之一。
1 功率型LED芯片结构及其封装工艺
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）主要由氮、磷以及砷等化合物构成，是一种半导体组件。LED被称之为绿色光源或第四代照明光源，因具有结构紧凑、重量轻、体积小、响应速度快以及发光高等优点。目前LED已广泛应用于普通照明、装饰、城市夜景以及背光源等领域，且已向大功率、高光效的方向发展。怎样封装才能使大功率LED达到高光效、长寿命，这是封装行业的人士所追求的目标，大功率LED有大的耗散功率、大的发热量、以及较高的出光效率和长寿命，所以在封装结构设计、选用材料及选用设备等方面必须考虑。为了解决这一问题，功率型LED芯片结构的主要包括正装结构、倒装结构以及垂直结构等。其中，正装结构不仅制约了功率型LED芯片的工作效率，而且导致LED芯片的热阻也较大；倒装结构与正装结构相比，它虽然降低了内部的热沉热阻，但是其传热性能还需要获得进一步的提高；垂直结构是现阶段较为先进的芯片结构，它不仅解决了电流阻塞的问题，而且能大大提高光通量。
目前功率型LED封装技术分为手工封装和自动化封装两种：手工封装是指通过人工来完成每道封装工序，主要适用于试制样品和小批量生产。自动化封装是指利用相关设备来完成每道封装工序，主要适用于需求量较大的情况。同时，如何提高功率型LED封装工艺中已成为亟需解决的重要问题。
2 功率型LED封装的关键技术
当前作为具有高效节能环保特点的绿色固体光源，功率型LED已被广泛应用于各个领域，封装技术对于功率型LED而言至关重要，因此对功率型LED封装技术进行分析，有着重要的意义。本文根据相关的文献资料并结合多年的工作经验，总结出热沉材料的选择、光学设计技术以及多芯片集成技术等几个封装关键技术。其具体内容如下：
2.1 热沉材料的选择
据相关文献研究资料可知，功率型LED的发光效率目前最高仅仅只能达到20%。由于功率型LED的功率一般≥1W。若功率型LED芯片所产生的热量无法大量地散出去，则不仅会对取光的效率造成严重的影响，而且还会缩短其使用寿命。因此热沉材料的选择是功率型LED封装技术中的关键技术。就目前来看，铜和铝都是最好的热沉材料，但是铜和铝含有不少合金，各种合金的导热系统相差较大，所以在选择铜和铝时要看具体的合金成分。由于大功率LED在通电后会产生较大的热量，如果用于封装的胶和金丝的膨胀系数不一样，膨胀时就会使金丝拉断或造成焊点接触电阻较大，从而影响发光器件的质量。同时还应该考虑选择好粘结材料和基板：粘结材料主要包括导热胶、合金焊料以及导电银浆；基板主要包括金属芯印刷电路板、陶瓷基板以及金属基复合材料基板。因此应注重对散热基板与芯片间热界面材料的选择。
2.2 光学设计技术
功率型LED的光学设计主要一次光学设计和二次光学设计。将LED芯片封装成LED光电器件，这称为一次光学设计。一次光学设计主要是决定发光器件的出光角度、光通量大小、光强大小、光强分布等；在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计，这称为二次光学设计。由于本文篇幅有限，本文仅对一次光学设计进行具体分析。一次光学设计可分为折射式、反射式和折反射式三种。在一次光学设计中，灌封胶的选择和应用是其重中之重。在对灌封胶进行选择时，应选择折射率高、流动性好、透光率高、易于喷涂以及热稳定性较好的灌封胶。同时，所选择的灌封胶还必须具有耐温、环保、低吸湿性以及低应力等特性，以此来提高功率型LED封装的可靠性。
2.3 多芯片集成技术
一般来讲，大功率的光源必须由多个芯片集成组合，在封装过程中，首先必须对LED芯片进行严格的挑选，在排列芯片时，要让每个LED芯片之间有一定的间隙，LED芯片要保持一样的高度，不要出现有的芯片固晶胶较多，垫得很高，而有的又很低，只要芯片的底部有一定的固晶胶，可以固定住芯片即可，在其他地方不要留固晶胶；芯片的排列好后在焊线时，尽量保持每根金丝相隔一定的距离，保持平行不能交叉，金丝要有一定的弧度。保持固晶下面的热沉面光洁，让光线能从底座反射出来，从而增加出光。同时铝基板挖出的槽要光滑，槽的大小和深度要根据芯片的多少和出光角度的大小来确定。
3 结语
综上所述，在整个LED封装环节中，其封装起着非常关键的作用。同时，由于LED的整个封装涉及到多个学科知识，导致其在封装过程中易出现各种问题。加之功率型LED已成为当前或未来发展的趋势。因此，必须对功率型LED封装技术进行分析，并不断提高该技术，以此来推动LED光源向通用照明迈进。
参考文献
[1]陈元灯，陈宇等编著.LED制造技术与应用（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2011.
[2]胡东飞.功率型LED封装技术及热设计[D].杭州电子科技大学，2011.
[3]何建勇.功率型LED封装关键技术与展望[J].科技展望，2015（2）.
作者简介
张泽奎（1977-），男，土家族，湖北省巴东县人。硕士学位。现为武汉软件工程职业学院讲师。研究方向为实训室管理。
光学技术的广泛应用范文第4篇
【关键词】激光跟踪仪 现场测量 大型结构件 装配
1 引言
在航空航天、船舶工业领域中，飞机、导弹、卫星、火箭、舰艇等大型船器产品，其推进、制导、控制等功能、性能要求的实现，完全依赖于优异的结构特点与要素控制，因此对船器结构的外形尺寸、结构重量、装配关系、配合状态、姿态实现等提出了较高的要求。同样在风电、水力、汽车领域中，结构件外形尺寸、装配质量决定着其产品的使用性能。一般而言，在功能结构件的研制过程中，需对生产制造精度（形状公差）、现场装配过程中的空间位置精度（方向公差、位置公差、跳动公差）进行严格的测量、控制、调整，从而有效保证产品的研制质量。
目前，光学测量技术是现场结构参数测量应用最便捷、最广泛的方法之一。激光跟踪仪、经纬仪、摄影测量是光学测量技术中最具有代表性的测量设备，因其优越的测量性能、简单有效的使用方法得到了广泛应用发展。其中，激光跟踪仪是近年来才逐渐发展起来的新型测量仪器，它集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等于一体，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量运动目标的空间三维坐标，具有安装快捷、操作简便、实时扫描测量、测量精度及效率高等优点[1，2]。目前，LEICA、API、FARO等厂商研制的激光跟踪仪在精密测量场合中应用最为广泛。
2 激光跟踪仪的工作原理
激光跟踪仪主要由激光跟踪头、靶标反射球、控制计算机和测量软件构成。激光跟踪头是激光跟踪测量系统中的重要组成部分，主要功能是随着靶标反射球位置的移动，改变测量光束的方向，使测量光束始终对准靶标反射球。激光跟踪头内部通常设置有一套激光干涉系统、两套角度编码器、电机以及光电接收器件等。靶标反射球按反射类型大致分为平面反射球、实心球及空心球三种；按外径尺寸有0.5英寸、0.875英寸、1.5英寸及3英寸等几种[3，4]。其中直径1.5英寸的空心球应用最为广泛。
激光跟踪仪是典型的球坐标测量系统，对空间目标点三维坐标的测量是通过激光跟踪仪坐标原点到目标点的径向长度和空间方位角（水平角和垂直角）来确定。如图1所示，激光跟踪仪坐标原点为O点，被测空间目标点为P点，测量过程中激光干涉仪测量O点到P点的径向长度r，两个高精度角度编码器分别测量O点到P点的水平角α和垂直角β，P点的三维坐标（x，y，z）可由α、β和r计算得到[5]。
3激光跟踪仪在现场结构参数测量中的应用
由于高精度和良好的连续跟踪、自动测量、断光续接等功能，使激光跟踪仪成为较为理想的大尺寸测量仪器，广泛应用于航空航天、动力、能源、精密制造与装配领域。
3.1 航空航天领域应用
有文献[2]从“转站”带来的效率低等问题考虑，用激光跟踪仪水平测量方法，对飞机全机数据进行了批次性测量，并通过数据与普通光学仪器对比，反映出机翼安装情况一致、数值偏差量不大的结论。激光跟踪仪应用在某型号无人机外翼安装角的数据测量上，对1～8架飞机外翼安装角的数据进行了测量及分析，得到数据结果偏差趋势与结构对称性结论[6]。空客（Airbus）利用API的T3激光跟踪仪代替全站仪与经纬仪，对飞机机身零部件空间坐标位置进行了精确测量，提高了机身结构件的配合质量。有文献[7]对针对飞机水平测量、三维形貌测量设计出相应的测量方案，对激光跟踪系统的关键技术进行了详尽的阐述，并就系统误差来源及数据处理进行了分析和探讨。
在航天领域中，利用激光跟踪仪的动态测量特性可测量卫星太阳电池帆板展开运动、天线展开运动、空间机器人关节臂的运动姿态及轨迹的测量等，根据测量数据对运动特性进行计算与分析，以考核实际特性与设计理论特性的符合程度；也可利用激光跟踪仪测量航天器推进、姿控、有效载荷仪器设备安装精度[8]。
3.2 动力、能源领域应用
将激光跟踪测量技术应用到风洞调试中，既提高了测量的精度，又加快了调试速度[9]。对于曲面变化不规则的水轮机大型叶片，利用激光跟踪仪进而精确测量各个截面叶片外轮廓、叶片头部外形、参考脊线、叶片轴线等。除对结构外形尺寸进行检验之外，利用重构出来的三维模型与提取的相关技术参数可对风机叶片的动力性能、强度等相关数据进行分析和验证[10，11]。
3.3 精密制造、装配领域应用
采用激光跟踪仪，对结构复杂、体积大、定位点多的工装进行现场尺寸测量，为产品研制质量提供可靠保证[12]。将激光跟踪测量系统应用在大型机床的检测方法中，能精确、高效地对机床导轨直线精度、磨齿机伺服轴重复定位精度、机床主轴的回转精度及跳动等参数进行检测，有效提高了机床生产制造精度，并有力保证了设备维护、安装使用性能[13，14]。在对材质为玻璃纤维增强环氧树脂、外形尺寸为3×4×40m的风力发电机的扇叶进行测量时，利用激光跟踪仪检测满足了风机叶片平整度亚毫米级精度的要求[15]。利用激光跟踪仪对天基X射线望远镜坐标系与星敏感器的安装进行测量，有效提高了星敏感器的工作精度[16]。
4 激光跟踪测试技术发展方向
光学技术的广泛应用范文第5篇
关键词:发光二极管;光分布;菲涅耳透镜;凸透镜
中图分类号:TN312+.8 文献标识码:B
Secondary Optics Design for LED Signal Lamps
CUI Zhen
(Electronic and Information Engineering of Lanzhou JiaoTong University,Lanzhou Gansu 730070,China)
Abstract:With the development of LED technology,LEDs have involved more and more application fields,e.g.singal lamp.Therefore, it demands secondary optics deisgn methods suitable for LEDs. This paper introduced an ideas about secondary optics deisgn methods of singal lamp's.Through the flux estimates, the design of a reasonable distribution of LED, optical masks and Fresnel lens.
Keywords:LED;light distribution;fresnel lens;convex len
引 言
LED信号灯应用广泛,我国铁路约有20万台高柱或矮型色灯信号机,这些信号机原来是以双灯丝白炽灯泡为光源,灯泡的寿命只有1,000小时。
LED 从1960年代问世以来,已有30多年的发展历史。随着近几年半导体芯片技术的不断改进及封装技术的迅速提高,其光效从最初不到1lm/W发展至今,红色、橙色为l00lm/W、绿色为501m/W,已大大超过了传统白炽灯的光效。而且,LED具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短及抗震性能好等优点,因此LED的应用不仅局限于信号指示光源,已逐步从室内走向诸如交通信号灯、车灯、户外屏等室外应用领域。
1信号灯的基本光学系统
传统的交通信号灯采用白炽灯作为光源,灯具的基本光学系统由三部分组成:光源、反射器及用于形成光分布的透镜。
由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间,因此需要用反射器将其它方向上的光收集起来,投向要求照射的区域。通常采用的反射器是抛物面,形成近似平行的光束,然后用有色带透镜的外罩对光束进行偏折、扩散,产生所期望的光线分布。
随着半导体技术的发展,LED广泛应用于交通信号灯中,并成为一种新兴的发光光源。一般单个LED发出的光通量较小,所以一个交通信号灯往往需要几十至几百个LED。但随着单个LED流明数的提高,一个灯具内使用的LED数目会明显减少。目前广泛使用的LED交通信号灯通常用100~200个LED,均匀分布于整个发光面上,并且每个LED对应一个或一组透镜单元。
由于某些LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内,所以采用透镜作为准直光学组件。例如,使用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束,然后用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折,产生满足标准要求的光分布(如图1所示)。
2 设计原则
2.1 光通量的估算
对于信号灯光分布的要求大多体现为H-V系统内的光强分布(如图2所示)[1]。
因此，可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量[2]：
水平角和垂直角的边界。
此计算所得的光通量是一个理想值,实际要满足标准要求的光分布,还需考虑透镜的透过率、溢出光损失等因素。因此,需要对其进行修正,得到的才是实际要求的光通量估算值。
LED的光强分布通常是旋转对称的,因此,可以根据生产厂家给出的光分布(如图3所示),由下式估算单颗LED所发出的光通量[2]:
同样,这里计算得到的也是一个理想值,需考虑温度影响、光通量有效利用率等因素进行修正。利用两个修正后的光通量可以估算出大致所需的LED数目。
2.2 LED的光学分布
由于单个LED光通量有限,一个LED交通灯需要由几十甚至上百个LED组成,此时,需要合理的LED 光学分布。
根据国家标准以及人们的视觉习惯,交通灯的发光表面应为一个完整的圆。若LED之间的间隔选取不合理,那么容易产生暗区或者六边形的发光面,此时就需要增加LED来补充,使发光面饱满,从而造成光通量的极大浪费。因此必须合理选择LED间隔,进行LED光学分布设计,既能保证发光面是饱满的圆形,又最大限度地利用了所有LED的光通量。
2.3 光学面罩设计
光学面罩的基本设计思路是:在面罩上均匀分布由一系列棱面构成的单个色片单元,通过各棱面在色片表面投影的面积比例决定各棱面控制的光能量的多少,利用棱面与色片表面之间的角度来对光通量在空间角度范围内进行重新分配。因此,色片单元能够实现对光能量的强度和角度的双重控制,最终使指定光通量比例的光照射到指定的角度,实现光通量的合理分配,提高光的利用率[3,4]。
2.4 透镜的选择与设计
为了实现对光通量更有效的利用,我们先用准直系统将LED发出的光校正为平行光。通常采用凸透镜,在确定焦距后,可以根据下式求出凸透面的曲率半径[5]:
当该表面为平面时, 曲率半径为无穷大,nl为透镜材料的折射率。对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言,其厚度相差可以很大,并且随着透镜尺寸的增加,其厚度差距也随之增加。透镜越厚,意味着光在经过透镜过程中损失得越多,计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。
2.4.1 菲涅耳透镜的设计
菲涅耳透镜其实是一种“大孔径” 的消球差透镜,其光学作用和普通凸透镜相当,但比凸透镜薄,且重量轻。在共轴系统的情况下,菲涅耳透镜环数越多,越有助于减小球差和透镜厚度,使光斑更均匀。设计时,环带环数的选择至关重要。
需要用透镜将平行光束扩散处理,来满足标准的要求,在每个小单元中,我们用柱面透镜使光束水平扩散,在确定单元宽度及要求的扩散角度之后,柱面的曲率半径可由下式得到[6]:
n―― 透镜材料的折射率;
δ――期望的半扩散角度。
在确定扩散角度时,应考虑平行光束可能会有一定的发散角度a,因此,若我们要求灯具的总扩散角度为50°,则应该取2a=50°-a,否则可能会导致扩散角度过大。
3 结论
半导体技术的发展使LED成为一种新型光源,其潜在的应用价值正越来越多地受到人们的关注和研究,同时LED二次光学系统设计的地位也随之提高。本文介绍的设计方法只是在这一领域里的初步研究,今后将进一步开展关于这方面更详细更深入的研究工作,设计出更加高效的LED光学系统。
参考文献
[1] 道路交通信号灯. 中华人民共和国国家标准. GB14887 - 2003.
[2] 李晓彤,岑兆丰. 几何光学相差光学设计. 杭州:浙江大学出版社,2003.
[3] G. B. Stringfellow M, George Craford. High Brightness Light Emitting Diodes. Academic Press,1997.
[4] Hewlet・Packard Co. Secondary Optics Design Consid- erations[Super Flux LEDs].Appliealion Note, 1149-5. 1998.
[5] 周太明.光源原理与设计.上海:复旦大学出版社,1993.
