基于位移傳感器的折射率測(cè)量系統(tǒng).doc

學(xué)號(hào) 學(xué)號(hào) S100200148 碩士學(xué)位論文碩士學(xué)位論文 基于位移傳感器的折射率測(cè)量系統(tǒng)研究 研究生姓名 研究生姓名 侯利杰 學(xué)科 專業(yè) 學(xué)科 專業(yè) 光學(xué)工程 二二 一二年三月一二年三月 基于位移傳感器的折射率測(cè)量系統(tǒng)研究基于位移傳感器的折射率測(cè)量系統(tǒng)研究 侯利杰侯利杰 分類號(hào) TN202 密 級(jí) 可公開 U D C 681 7 編 號(hào) 基于位移傳感器的折射率測(cè)量系統(tǒng)研究 Research of the refractive index measurement system based on displacement sensor 學(xué)位授予單位及代碼 長(zhǎng)春理工大學(xué) 10186 學(xué)科專業(yè)名稱及代碼 光學(xué)工程 0803 研究方向 現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)及工程應(yīng)用 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩 士 指導(dǎo)教師 向陽 教授 研 究 生 侯利杰 論文起止時(shí)間 2011 9 2012 12 摘 要 對(duì)折射率的檢測(cè)是提高光學(xué)儀器質(zhì)量的前提 是研究光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要參 數(shù) 本文設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)量折射率的方法和裝置 基于光學(xué)成像原理 利用光學(xué)平 板成像規(guī)律 找到待測(cè)折射率與系統(tǒng)光學(xué)元件的調(diào)焦量的關(guān)系 將傳統(tǒng)的折射率與角 度的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)檎凵渎逝c軸上位移的關(guān)系 測(cè)量方法簡(jiǎn)化 非接觸測(cè)量 是集光 機(jī) 電 算于一體的高性能精密測(cè)量?jī)x器 本文首先介紹了折射率測(cè)量系統(tǒng)的工作原理 并用 Zemax 軟件設(shè)計(jì)了光學(xué)系統(tǒng) 本文采用三片式攝影物鏡系統(tǒng) 有效焦距 f 為 45mm F 數(shù)為 4 全視場(chǎng)角為 8 采 用 1 3 inch CCD 作為圖像接受器件 像元尺寸為 6 35um 6 35um 根據(jù)儀器的使用特 點(diǎn) 光學(xué)系統(tǒng)滿足使用要求 接下來對(duì)精密機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述 并給出了設(shè) 計(jì)結(jié)果 最后進(jìn)行了誤差精度分析 系統(tǒng)的精度達(dá)到了 0 00885mm 滿足儀器的使用 要求 關(guān)鍵詞 折射率 光學(xué)系統(tǒng) 誤差 ABSTRACT The refractive index of the detection is improving the optical instrument quality on the premise and it is the research of the important parameters of the imaging quality of the optical system This paper designs a new refractive index measurement method and device and it is based on the principle of optical imaging using of optical flat panel imaging rule finding the relationship between the measured index of refraction and system optical components of focusing amount the relationship of the traditional refractive index and the angle is transformed into the relationship of the refractive index and the axial displacement simple measuring method non contact measurement and it is set to the integration of optical machine electric of high performance precision measuring instruments Firstly this paper introduces the working principle of the refractive index measurement system and designed the optical system by using Zemax This system used three piece photographic objective lens system the effective focal length of the system is 45mm the F number and the full field of view angle are 4 and 8 respectively The image sensor of the lens is 1 3 inch CCD whose pixel size is 6 35um 6 35um according to the functional qualities of the apparatus the system meets the requirement Next this paper details the precision machinery structure and gives the design results finally analysis the error precision The precision of the system can reach AA micron And it can meet the equipment requirements KeyKey wordswords index of refraction optical system error analysis 目 錄 摘摘 要要 ABSTRACTABSTRACT 目目 錄錄 第一章第一章 緒緒 論論 1 1 1 1 課題背景 1 1 2 課題研究的目的及意義 1 1 3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4 1 4 本論文研究的主要內(nèi)容 5 1 5 本章小結(jié) 5 第二章第二章 折射率測(cè)量系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)折射率測(cè)量系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 6 6 2 1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 6 2 2 成像光學(xué)系統(tǒng) 10 2 3 精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其電控系統(tǒng) 11 2 4 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng) 12 2 5 本章小結(jié) 12 第三章第三章 成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1313 3 1 CCD 的選取 13 3 2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 3 3 平行平板 20 3 4 本章小結(jié) 21 第四章第四章 精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2222 4 1 精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 22 4 2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 24 4 3 位移檢測(cè)系統(tǒng)研究 28 4 4 本章小結(jié) 32 第五章第五章 誤差精度分析誤差精度分析 3333 5 1 機(jī)械檢測(cè)裝置的誤差 34 5 2 誤差合成 35 5 3 本章小結(jié) 36 第六章第六章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 3737 致致 謝謝 3939 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 4040 1 第一章 緒 論 新世紀(jì)以來 現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)經(jīng)過時(shí)代變革后得到了跨越式的發(fā)展 特別是在 新材料 電子 精密機(jī)械和虛擬技術(shù)等方面 發(fā)展速度飛快 大量創(chuàng)新技術(shù)也得到了 成功研發(fā) 這些都大大促進(jìn)了有關(guān)折射率測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展 相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)也 日益成熟 有關(guān)折射率測(cè)量的精度和效率也得到了極大的提高 另外 這些包涵先進(jìn) 測(cè)量原理的創(chuàng)新產(chǎn)品和儀器已經(jīng)逐漸取代了原有落后的產(chǎn)品 促進(jìn)了精密光學(xué)測(cè)量技 術(shù)的發(fā)展 拓展了精密光學(xué)測(cè)量在科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展道路 1 1 課題背景課題背景 折射率是反應(yīng)各類光學(xué)材料性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù) 能夠?qū)鈱W(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì) 量產(chǎn)生重要的影響 從而能夠大大提高各類光學(xué)儀器或元件的質(zhì)量和精度 同時(shí) 對(duì) 各類光學(xué)材料折射率的測(cè)量還可以直接或間接反應(yīng)出其他內(nèi)部信息 隨著先進(jìn)科學(xué)的 不斷發(fā)展 各類學(xué)科的相互作用和影響也越來越明顯 交叉學(xué)科越來越多 基于此 光學(xué)材料折射率的測(cè)量系統(tǒng)的研究對(duì)其他科學(xué)研究領(lǐng)域也產(chǎn)生了巨大的影響 具有重 要的意義 進(jìn)入新世紀(jì)以來 國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家和學(xué)者研發(fā)出了大量品種繁多的新產(chǎn)品 但是這些新產(chǎn)品的研發(fā)方向都是基本相同的 都在向功能多樣化 工作自動(dòng)化 高精 度 智能化 可視化發(fā)展 這樣就會(huì)對(duì)先進(jìn)光學(xué)測(cè)量技術(shù)和設(shè)備產(chǎn)生較大的需求 比 如顯微鏡從單倍向多倍的發(fā)展 從人眼目視測(cè)量向可視化圖像發(fā)展 火炮炮筒瞄準(zhǔn)從 目視向光電瞄準(zhǔn)發(fā)展等 這些都足以說明光學(xué)材料折射率的檢測(cè)需求 這就不斷要求 研發(fā)出精度更高 更加可靠 自動(dòng)化程度更高的有關(guān)折射率檢測(cè)的應(yīng)用 由于傳統(tǒng)的折射率測(cè)量技術(shù)必須要求材料特殊形狀或者材料需要較大尺寸 檢測(cè) 環(huán)境等才能滿足需求 這對(duì)于技術(shù)的研究來說是非常困難的和不經(jīng)濟(jì)的 所以 這些 各種各樣的原因?qū)е铝藗鹘y(tǒng)的折射率測(cè)量方法在測(cè)量領(lǐng)域顯得越來越力所不及 難以 滿足各種需求 所以改進(jìn)測(cè)量的裝置和測(cè)量方法 從而實(shí)現(xiàn)折射率的高精度 高需求 檢測(cè)是非常有必要的 1 2 課題研究的目的及意義課題研究的目的及意義 目前 光 機(jī) 電一體化產(chǎn)品的需求越來越大 在各類大中型自動(dòng)化設(shè)備和工廠 生產(chǎn)線等方面 各類光學(xué)元件的應(yīng)用越來越廣泛 折射率的精確測(cè)量也就必然具有廣 闊的市場(chǎng)和深遠(yuǎn)的意義 經(jīng)過多年的研究發(fā)展 已經(jīng)產(chǎn)生了多種成熟的折射率測(cè)量技 術(shù) 其中 按照被測(cè)對(duì)象的不同 最小偏向角法和自準(zhǔn)直法來主要應(yīng)用于固體介質(zhì)折 2 射率的測(cè)量 對(duì)于液體介質(zhì)常用臨界角法來實(shí)現(xiàn) 對(duì)于氣體介質(zhì)則需要使用精度較高 的干涉法 目前在各類光學(xué)測(cè)試儀器中全反射法 最小偏向角法和 V 型棱鏡法的應(yīng)用 最為廣泛 通過對(duì)分析幾種常見的折射率檢測(cè)的方法 及其在實(shí)際中的應(yīng)用 從而得 出關(guān)于折射率檢測(cè)的目的和意義 1 2 1 全反射法 全反射法又被稱為臨界角法 其測(cè)量原理如圖 1 1 所示 首先將被測(cè)樣品放在直 角棱鏡的斜邊 AB 表面上 要求被測(cè)樣品的折射率高于直角棱鏡的折射率 當(dāng)入射光 線從直角邊 BC 入射時(shí) 入射角大于或等于臨界角 此時(shí) 直角棱鏡 arcsin 3 nni x 的 AB 表面上會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象 反射光線由直角棱鏡的 AC 邊射出 發(fā)生折射現(xiàn)象 這時(shí)可以通過望遠(yuǎn)鏡觀察到明暗分界的條紋 當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的刻線與分界線重合時(shí) 通過 檢測(cè)折射角 就可以測(cè)定被測(cè)件的的折射率 3 x n 圖 1 1 全反射法光路圖 這種檢測(cè)方法容易 結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 屬于比較測(cè)量法 所以需要已知直角棱鏡的 折射率 同時(shí)還需要在直角棱鏡與被測(cè)樣品之間有折射液的配合 這樣才能使直角棱 鏡與被測(cè)樣品之間有很好的接觸 但這同時(shí)也使測(cè)量范圍受到限制 當(dāng)測(cè)量精度要求 不高時(shí) 基于全全反射法的阿貝折光儀的儀器精度一般為 3 10 4 1 2 2 最小偏向角法 最小偏向角法是目前檢測(cè)精度最高 應(yīng)用最為廣泛的測(cè)量方法 其原理可用圖 1 2 來說明 一束單色光以特定的角度入射到三棱鏡中 光線的經(jīng)過三棱鏡時(shí)發(fā)生折 射現(xiàn)象 此時(shí) 入射光線與折射光線之間的夾角 我們稱為偏向角 其有最小值 通 過測(cè)定偏向角的最小值便可求出待測(cè)材料的折射率 x n 3 2 1 sin 2 1 sin min x n 1 1 公式 1 1 中 為三棱鏡的頂角 為最小偏向角 min 這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是 檢測(cè)精度高 折射率的測(cè)量范圍不受限制 不需折射液 加以配合等 但是這種方法也具有測(cè)量時(shí)需要大口徑的棱鏡配合 棱鏡的制作既耗時(shí) 又浪費(fèi)光學(xué)材料等缺點(diǎn) 同時(shí)在測(cè)量過程中需要很好的調(diào)整測(cè)角儀 非常復(fù)雜 也不 能夠避免測(cè)量機(jī)構(gòu)復(fù)雜性 使用最小偏向角法用精度測(cè)角儀的精度可達(dá)到為 6 105 圖 1 2 最小偏向角法光路圖 1 2 3 V 型棱鏡法 圖 1 3 V 棱鏡測(cè)量原理圖 a 時(shí) b 時(shí) 0 nn 0 nn 如圖 1 3 所示 V 棱鏡是由一大一小兩個(gè)材料相同的直角棱鏡膠合而成的 根據(jù) 4 其形狀命名 兩個(gè)直角棱鏡的折射率已知 被測(cè)試樣形狀不受限制 但要保證有一個(gè) 直角 涂上適當(dāng)?shù)钠ヅ湟?放入 V 棱鏡的直角槽中 光線通過 V 棱鏡和待測(cè)樣品后 產(chǎn)生偏向角 便可由公式 1 2 算出樣品的折射率 2 1 22 0 22 0 sinsin nnn 1 2 公式中 為待測(cè)樣品折射率 為 V 棱鏡折射率 時(shí)取正號(hào) 時(shí)取負(fù)n 0 n 0 nn 0 nn 號(hào) 但是 采用 V 棱鏡法檢測(cè) 需要將被待測(cè)料加工出兩個(gè)垂直光潔平面 盡管如此 在待測(cè)材料與 V 棱鏡之間仍存在空氣楔 需要配制匹配液予以消除 然而 加工兩個(gè) 垂直平面在光學(xué)加工領(lǐng)域其難度要比加工兩個(gè)平行平面高 而匹配液是一種易揮發(fā)溶 液 需要在檢測(cè)前配制 比較麻煩 匹配液的使用消除了檢測(cè)光光路中的空氣介質(zhì) 并未實(shí)現(xiàn)待測(cè)材料與 V 棱鏡之間的精準(zhǔn) 90 角配合 因此 匹配液的使用只是減小檢 測(cè)誤差 并未消除檢測(cè)誤差 同時(shí) 是用 V 棱鏡折射儀的測(cè)量精度為 1 10 5 同時(shí) 對(duì)折射率測(cè)量還有些檢測(cè)方法比如 折光率儀測(cè)定法 油浸法和阿貝折光 儀法 這些方法的折射率測(cè)量范圍受到限制 僅在 1 3 1 9 之間 橢圓偏光儀測(cè)定法 主要用來檢測(cè)薄膜的折射率等 所以 為了克服現(xiàn)有這些常用檢測(cè)方法所帶來的問題 同時(shí)獲得一種被測(cè)件加工容易 檢測(cè)誤差小的透明光學(xué)材料折射率檢測(cè)方法 在光學(xué) 測(cè)量領(lǐng)域有著重要的意義 本文提出了一種基于位移傳感器的光學(xué)平板折射率檢測(cè)裝 置及方法 本文提出的檢測(cè)方法是通過光學(xué)成像 利用待測(cè)材料折射率與成像光學(xué)系 統(tǒng)調(diào)焦量的函數(shù)關(guān)系實(shí)現(xiàn)折射率的檢測(cè) 方法簡(jiǎn)單 易行 與此同時(shí) 檢測(cè)精度取決 于檢測(cè)裝置中的位移傳感器的精度 而本發(fā)明之檢測(cè)裝置采用直線位移傳感器 其精 度達(dá)到微米級(jí) 由此可知 這種檢測(cè)方法的結(jié)果將會(huì)十分精確 滿足設(shè)計(jì)要求 本文 所設(shè)計(jì)的折射率測(cè)量系統(tǒng)是非接觸 非破壞性測(cè)量 具有精度和分辨率高 測(cè)量方法 和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單 趨向于測(cè)量自動(dòng)化的檢測(cè)儀器 1 3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 近些年來 傳感器技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 光譜分析 控制理論及 CCD 測(cè)量發(fā)展迅速 也就進(jìn)一步促進(jìn)了光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域日新月異的發(fā)展 在折射率測(cè)量技術(shù)方面 落后的折 射率測(cè)量?jī)x器逐漸被市場(chǎng)淘汰 不斷要求研發(fā)新的折射率測(cè)量?jī)x器 使其配備先進(jìn)的 技術(shù)支持 同時(shí)精度 自動(dòng)化 智能化 可靠性和抗干擾能力都能得到提高 測(cè)試速 度更快 結(jié)果更加可靠 從而滿足市場(chǎng)的需要 目前 無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)折射率測(cè)量系統(tǒng)的研究基本上可以概括為兩個(gè)方面 一方面 主要是對(duì)原有測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)行進(jìn)一步的研究 并對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行改 5 造和優(yōu)化 另一方面 主要體現(xiàn)在對(duì)新檢測(cè)技術(shù)的研究 結(jié)合當(dāng)下比較先進(jìn)的制造技 術(shù) 工藝和新型材料 大膽的對(duì)原有的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn) 進(jìn)一步發(fā)揮原有優(yōu)點(diǎn) 消除和避免原有的缺陷和不足 總而言之 國(guó)內(nèi)外目前對(duì)折射率測(cè)量技術(shù)的研究都是 向高精度 智能化 測(cè)量自動(dòng)化方向發(fā)展 現(xiàn)今折射率的干涉測(cè)量技術(shù)備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專家的青睞 是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 晶體材料最顯著的特征就是具有較大的折射率 容易發(fā)生雙折射現(xiàn)象 此外 晶體材 料本身價(jià)格特別昂貴 容易受自身頻率改變的影響產(chǎn)生色散現(xiàn)象 對(duì)折射率測(cè)試設(shè)備 自身的精度要求很高 因而 如何實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體材料折射率的自動(dòng)化 智能化 非接觸 高精度測(cè)量一直都是各國(guó)光學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) 目前烏克蘭的 A S Andrushchak 和美 國(guó)的 Glen D Gillen 已經(jīng)在這方面進(jìn)行了大量的研究工作 取得了較好的研究結(jié)果 1 4 本論文研究的主要內(nèi)容本論文研究的主要內(nèi)容 通過搜集 查閱 整理大量相關(guān)文獻(xiàn) 本文提出了一種基于位移傳感器的光學(xué)平 板折射率檢測(cè)裝置及方法 該裝置的測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單 在認(rèn)真分析前人的研 究成果后 對(duì)原有折射率測(cè)量?jī)x器進(jìn)行了充分的研究 在此基礎(chǔ)上 主要完成了以下 工作 第一 了解了折射率測(cè)試技術(shù)和設(shè)備的研究背景 詳細(xì)分析了本課題的研究意義和目 的 并對(duì)折射率測(cè)試技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究方向和現(xiàn)狀進(jìn)行進(jìn)一步研究 第二 對(duì)折射率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了總體的方案設(shè)計(jì) 并且闡述了折射率測(cè)量系統(tǒng)的原理 對(duì)系統(tǒng)的各部分組件進(jìn)行選取 明確了各個(gè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能及設(shè)計(jì)的目標(biāo) 第三 設(shè)計(jì)儀器內(nèi)的成像光學(xué)系統(tǒng) 并且對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的組件進(jìn)行選取 使成像系統(tǒng)滿 足整個(gè)測(cè)量?jī)x器的使用要求 第四 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)要求 設(shè)計(jì)相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu) 并說明機(jī)械結(jié)構(gòu)原理 選 取滿足要求的機(jī)械系統(tǒng)系統(tǒng)各組件 第五 對(duì)本系統(tǒng)的理論公差與實(shí)際誤差進(jìn)行精度分析 第六 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的總結(jié)和展望 1 5 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要介紹了有關(guān)折射率測(cè)量技術(shù)的研究背景 認(rèn)真總結(jié)了傳統(tǒng)的折射率測(cè)量 方法及優(yōu)缺點(diǎn) 詳細(xì)闡述了折射率測(cè)量的國(guó)內(nèi)外研究方向和現(xiàn)狀 并進(jìn)一步說明了有 關(guān)折射率測(cè)量的研究目的和意義 通過比較 提出了一種新的有關(guān)折射率檢測(cè)的方法 這種方法檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確 精度達(dá)到微米級(jí) 非接觸測(cè)量 最后詳細(xì)闡述說明了本課題 的主要研究?jī)?nèi)容 6 第二章 折射率測(cè)量系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 2 1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 2 1 1 系統(tǒng)的測(cè)量和傳動(dòng)原理 本論文的系統(tǒng)測(cè)量原理如圖 2 1 所示 光源 1 成像光學(xué)系統(tǒng) 2 CCD 圖像傳感 器 3 光學(xué)同軸依次排列 成像光學(xué)系統(tǒng) 2 位于凸輪筒 4 中 并與位移傳感器的拉桿 5 連接 電機(jī) 6 驅(qū)動(dòng)凸輪筒 4 旋轉(zhuǎn) 控制與處理電路 7 分別與電機(jī) 6 位移傳感器 8 電 連接 與上位機(jī) 9 串口連接 CCD 圖像傳感器 3 也與上位機(jī) 9 電連接 系統(tǒng)的傳動(dòng)原 理如圖 2 2 所示 電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)凸輪筒轉(zhuǎn)動(dòng) 從而帶動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)作直線運(yùn) 動(dòng) 并傳動(dòng)傳感器拉桿產(chǎn)生位移信號(hào) 圖 2 1 折射率測(cè)量系統(tǒng)原理圖 電機(jī)凸輪筒光學(xué)系統(tǒng)傳感器拉桿 圖 2 2 系統(tǒng)傳動(dòng)原理框圖 系統(tǒng)的測(cè)量過程是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 能夠?qū)⒐庠?1 作為物點(diǎn) A 成像于 CCD 圖像傳 感器 3 中 光源 1 采用貼片 LED 燈 安裝在光機(jī)座一端 并可進(jìn)行位置調(diào)節(jié) 光學(xué) 平板被測(cè)件 10 通過夾具垂直安裝于光機(jī)座上并可以進(jìn)行位置調(diào)節(jié) 該測(cè)量?jī)x器安裝 于二維轉(zhuǎn)臺(tái)上 可通過二維轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整其橫向和縱向位置 使光學(xué)系統(tǒng)的主光軸與平行 平板及光源 1 在同一條直線上 這樣光學(xué)平板就能夠置于光源和成像光學(xué)系統(tǒng) 2 之間 1 1046 2 8 53 97 7 通過調(diào)整成像光學(xué)系統(tǒng) 2 就可以將成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 的光學(xué)平板被測(cè)件 10 折射像 A 成像于 CCD 圖像傳感器 3 中 成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的調(diào)整是由上位機(jī) 9 指令控 制與處理電路 7 控制電機(jī) 6 驅(qū)動(dòng)凸輪筒 4 來實(shí)現(xiàn) 在物點(diǎn) A 成像過程中 CCD 圖像 傳感器 3 將物點(diǎn) A 的視頻圖像信號(hào)傳輸給上位機(jī) 9 由上位機(jī) 9 通過計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別 技術(shù)識(shí)別視頻圖像的清晰程度 同時(shí)指令控制與處理電路 7 控制電機(jī) 6 直到視頻圖 像最清晰 此時(shí)成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)焦成功 在所述對(duì)焦過程中 成像光學(xué)系統(tǒng) 2 在光 路中的位移量經(jīng)由位移傳感器 8 探測(cè) 并由控制與處理電路 7 讀取后傳遞給上位機(jī) 9 由上位機(jī) 9 據(jù)此計(jì)算出光學(xué)平板被測(cè)件 10 的折射率并顯示計(jì)算結(jié)果 所述位移量 有兩個(gè) 一個(gè)是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 從對(duì)無窮遠(yuǎn)處成像到對(duì)物點(diǎn) A 清晰成像所發(fā)生的位移 S1 二是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 從對(duì)無窮遠(yuǎn)處成像到加入光學(xué)平板被測(cè)件 10 后對(duì)物點(diǎn) A 的光學(xué)平板被測(cè)件 10 折射像 A 清晰成像所發(fā)生的位移 S2 圖 2 3 光學(xué)檢測(cè)原理圖 根據(jù)所得到的位移 S1 S2 以及成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的焦 光學(xué)平板被測(cè)件的厚度f d 計(jì)算待測(cè)材料的折射率 如圖 2 3 光學(xué)檢測(cè)原理圖所示 n f H l F F 2 l A S1 l1 l1 A S2 l2 l2 10 d 8 設(shè)為透鏡光焦度 對(duì)無窮遠(yuǎn)處對(duì)焦時(shí)的作為零點(diǎn) 即 對(duì) A f 1 l 1 fl 成像時(shí) 1 1 11 l l 2 1 1 1 1 1l l l 2 2 由于對(duì) A 成像時(shí)需要調(diào)焦 產(chǎn)生的調(diào)焦量為 可求得 flS 11 11 Sfl 2 3 當(dāng)對(duì)成像時(shí) A 2 2 11 l l 2 4 2 2 2 1l l l 2 5 由于對(duì) A 成像時(shí)需要調(diào)焦 考慮調(diào)焦量 可求得 flS 22 22 Sfl 2 6 式中 1 l 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 清晰成像時(shí)的像距 2 l 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 的光學(xué)平板被測(cè)件 10 折射像 A 清晰成像時(shí)的像距 f 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的焦距 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 清晰成像后其主面 H 相對(duì)于初始零點(diǎn)的位移 是 1 S 2 S 成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 的光學(xué)平板被測(cè)件折射像 A 清晰成像后其主面 H 相對(duì)于初 始零點(diǎn)的位移 9 1 1 1 lf lf l 2 7 2 2 2 lf lf l 2 8 式中 是光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 成像清晰時(shí)的物距 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 的 1 l 2 l 光學(xué)平板被測(cè)件 10 折射像 A 清晰成像時(shí)的物距 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的焦距 是f 1 l 光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 成像清晰時(shí)的像距 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 的光學(xué)平板 2 l 被測(cè)件 10 折射像 A 清晰成像時(shí)的像距 12 lll 2 9 式中 是光學(xué)平板被測(cè)件 10 加入到物點(diǎn) A 與成像光學(xué)系統(tǒng) 2 主面 H 之間后造成 l 的物點(diǎn) A 虛物距變化 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 清晰成像時(shí)的物距 是成像光 1 l 2 l 學(xué)系統(tǒng) 2 對(duì)物點(diǎn) A 的光學(xué)平板被測(cè)件 10 折射像 A 清晰成像時(shí)的物距 1 1 n dl 2 10 ld d n 2 11 式中 是被測(cè)件的折射率 是被測(cè)件 10 的厚度 是光學(xué)平板被測(cè)件在放入到nd l 物點(diǎn) A 與成像光學(xué)系統(tǒng) 2 主面 H 之間后造成的物點(diǎn) A 虛物距變化 通過以上公式的 計(jì)算過程 就可求得我們所需要的被測(cè)件光學(xué)平板的折射率 n 2 1 2 系統(tǒng)的總體構(gòu)設(shè)計(jì) 本論文所設(shè)計(jì)的基于位移傳感器的折射率測(cè)量系統(tǒng)采用了集光 機(jī) 電于一體的 先進(jìn)技術(shù) 完成了對(duì)被測(cè)件的非接觸測(cè)量 測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單 趨向于測(cè)量自 動(dòng)化的精密檢測(cè) 從而達(dá)到測(cè)量要求 為實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)件折射率的檢測(cè) 根據(jù)實(shí)際情況 提出了如圖 2 4 所示的折射率測(cè)量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 10 圖2 4 折射率檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1 壓圈 A 2 鏡筒前蓋 3 鏡筒 A 4 電位連桿 5 凸輪筒 6 外筒 7 連接螺絲 8 鏡筒 B 9 固定座 10 隔圈 A 11 隔圈 B 12 壓圈 B 13 頂絲 14 鏡筒 C 15 小齒輪 16 電機(jī) 該折射率測(cè)試系統(tǒng)主要由精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 光學(xué)成像系統(tǒng) 位移傳感器檢測(cè)系 統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾大部分構(gòu)成 其中 精密機(jī)械直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主 要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 迫使鏡筒 A 沿著螺旋槽做直線傳動(dòng) 線性位移傳感器 構(gòu)成傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的核心 光學(xué)成像系統(tǒng)采用三片式攝像物鏡系統(tǒng) CCD 接收成像 整個(gè)系統(tǒng)采用人機(jī)交互測(cè)量 上位機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要負(fù)責(zé)對(duì)精密機(jī)械 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制 采集光學(xué)成像系統(tǒng)的位移信號(hào) 并通過上位程序的計(jì)算 獲得最終 的測(cè)試結(jié)果 2 2 成像光學(xué)系統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng) 成像光學(xué)系統(tǒng)用于對(duì)被測(cè)件光學(xué)平板成像與 CCD 圖像傳感器中 是系統(tǒng)內(nèi)的核 心部分 儀器中的光學(xué)成像系統(tǒng)安裝在由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏡筒中 本儀器所使用的光學(xué)系 統(tǒng)由圖像接收系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)兩部分組成 本文所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)采用三片式攝影物鏡系統(tǒng) 其透鏡的厚度較小 這種物鏡 結(jié)構(gòu)對(duì)像差影響較小 一般不作為變量 可直接根據(jù)透鏡的通光孔徑和工藝要求決定 能夠滿足設(shè)計(jì)需要 在安放成像光學(xué)系統(tǒng)的鏡筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 如圖 2 5 所示 安裝過程中不但 需要保證整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性 也同樣需要保證透鏡與透鏡之間要有一定的調(diào)整量 11 鏡筒內(nèi)部要有可利用的空間 從而保證成像系統(tǒng)在鏡筒內(nèi)能夠做直線運(yùn)動(dòng) 并產(chǎn)生系 統(tǒng)檢測(cè)所需的位移量 系統(tǒng)內(nèi)的透鏡鏡片用壓圈加以固定 用彈簧和螺紋帽來進(jìn)行透 鏡之間距離的調(diào)整 圖 2 5 鏡筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 1 鏡片 1 2 隔圈 1 3 鏡片 2 4 隔圈 2 5 鏡片 3 6 壓圈 7 鏡筒 2 3 精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其電控系統(tǒng)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其電控系統(tǒng) 圖2 6 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)原理圖 如圖 2 6 所示 電控系統(tǒng)和精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是折射率測(cè)量系統(tǒng)的核心組成部分 兩 者的相互配合實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)樣品平行平板的測(cè)量 所以電控系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直 接影響到整個(gè)折射率測(cè)量系統(tǒng)的工作精度 效率等 由于測(cè)量時(shí)不能直接就進(jìn)行數(shù)據(jù) 的采集 所以電控系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要完成兩個(gè)動(dòng)作 其一是負(fù)責(zé)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的傳 動(dòng) 其二是負(fù)責(zé)位移傳感器信號(hào)的檢測(cè) 只有兩個(gè)動(dòng)作協(xié)調(diào)配合才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品 平行平板的折射率的高精度的測(cè)量 本章根據(jù)論文要求 完成了其所需的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及 電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電控系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制 整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)提 12 供動(dòng)力 通過高精度大齒輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng) 通過位移傳感器拉桿的直線 運(yùn)動(dòng)得到所需要的測(cè)量數(shù)據(jù) 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊 布局簡(jiǎn)潔合理 能夠滿足測(cè)量要求 圖 2 7 控制系統(tǒng)原理框圖 整個(gè)電控系統(tǒng)的原理圖如圖 2 7 所示 其由電機(jī) 位移傳感器 圖像采集卡 上 位機(jī) 穩(wěn)壓電源等組成 其中 整個(gè)折射率測(cè)量系統(tǒng)的核心成像光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整是由 上位機(jī)指令控制與處理電路 控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪筒來實(shí)現(xiàn)的 以保證系統(tǒng)檢測(cè)過程的 進(jìn)行 整個(gè)電控系統(tǒng)以上位機(jī)為核心 通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng) 位移傳感器 采集的位置信息經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換 濾波等前端處理 送入上位機(jī) CCD 攝像機(jī)進(jìn)行圖像 采集的圖像信息通過圖像采集卡送入上位機(jī) 上位機(jī)通過計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)圖像 及數(shù)據(jù)信號(hào)統(tǒng)一接收 處理 最終顯示檢測(cè)結(jié)果 2 4 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制 被測(cè)物體圖像經(jīng)前方圖像采集系統(tǒng) 采集后 將圖像電信號(hào)傳輸儲(chǔ)存到 PC 內(nèi) 將電信號(hào)經(jīng)過 D A 轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào) 將所 采集到的圖像最終呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上 然后根據(jù)對(duì)所需不同圖像要求 對(duì)所采集到的圖 像信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理 如像質(zhì)評(píng)定 被測(cè)物體的物理分析 圖像局部分析評(píng)定等 然后根據(jù)圖像分析處理后 再進(jìn)行再次光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦 圖像采集 圖像處理等操作 如圖 2 8 所示為圖像處理系統(tǒng)原理圖 首先 被測(cè)件光學(xué)平行平板經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng) 成像 被圖像采集系統(tǒng)機(jī)器視覺 CCD 所接收 再經(jīng)由 CCD 將前方傳來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)傳輸給圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步圖像處理工作 然后經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)處理 過的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻影像信號(hào) 最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像輸出顯示 當(dāng)圖像采集系統(tǒng) 所采集圖像不是清晰有效像時(shí) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出相應(yīng)指令 控制機(jī)械調(diào)焦系統(tǒng) 來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 進(jìn)而調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)中得相應(yīng)鏡片結(jié)構(gòu) 使得待測(cè)物體處于遠(yuǎn) 13 近任何位置時(shí) 自始至終都將獲得清晰有效像 圖 2 8 圖像處理系統(tǒng)原理圖 本系統(tǒng)通過結(jié)合光 機(jī) 電一體化有效組合 即可將需求的待測(cè)物體數(shù)據(jù)通過簡(jiǎn) 單便捷的方式存儲(chǔ)輸出與計(jì)算機(jī)上 2 5 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要完成了基于位移傳感器的折射率測(cè)量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 并著重 介紹了該系統(tǒng)的基本測(cè)量原理 同時(shí)闡述了該系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)組成機(jī)構(gòu)的主要工作原理 整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性 良好的可操作性 方便易用 自動(dòng)化程度較高 14 第三章 成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 1 CCD 的選取的選取 3 1 1 CCD 與 CMOS 對(duì)比 CCD 成像器件和 CMOS 成像器件都是利用光電轉(zhuǎn)換原理制成 這種轉(zhuǎn)換原理與 太陽能發(fā)電的原理相近 都是利用光照射轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 光的能量越強(qiáng) 電信號(hào)越強(qiáng) 反之光能量越弱 電信號(hào)也越弱 根據(jù)這點(diǎn) 就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光圖像到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換 兩者雖然原理相近 但也是各有利弊 對(duì)于兩者從技術(shù)方面進(jìn)行對(duì)比 有以下四 點(diǎn)不同 1 它們的信息讀取方式不同 CCD 上由于光的照射而產(chǎn)生的儲(chǔ)存電荷 需要一位一位的傳輸 還要有同步信號(hào) 進(jìn)行控制 其輸出時(shí)還需要有三組不同的電源和時(shí)鐘控制電路的配合 整體而言比較 復(fù)雜 CMOS 是將光的照射直接的變?yōu)殡娦盘?hào) 然后一起讀取 比較 CCD 的信息讀 取要簡(jiǎn)單 2 它們的速度不同 CCD 在時(shí)鐘電路下 讀取信息 需要一位一位的讀取 然后一位一位的輸出 速 度較慢 而 CMOS 對(duì)信息的采集是同時(shí)的 一下就可以讀取 同時(shí)還可處理圖像信 息 比 CCD 要快很多 3 它們的能量消耗不同 CCD 需要三組電源為其供電 能量消耗較大 而 CMOS 只需要一個(gè)電源就足以 對(duì)其進(jìn)行供電 能量消耗要小于 CCD 較小的能量消耗 使 COMS 在功耗上占有很 大優(yōu)勢(shì) 4 它們的成像質(zhì)量不同 CCD 成像技術(shù)很早便被大家廣泛研究 技術(shù)已經(jīng)很成熟 而且其已經(jīng)采用了很多 新技術(shù)減小了噪聲對(duì)成像質(zhì)量的影響 比起 COMS 要有很大的優(yōu)勢(shì) 除了上面所說的以外 在成像效果上還有一定的差異 其中包括感光面積及靈敏 度差異 生產(chǎn)成本差異 解析度的差異 噪點(diǎn)比的大小 功耗等 感光面積及靈敏度差異 CMOS 的成像像素眾多 在每一個(gè)像素都接有處理電路 和放大器 所以在相同的像素和相同的感光面積下 CMOS 的總體感光面積要小于 CCD 的感光面積 因此 COMS 的靈敏度要低于 CCD 的靈敏度 生產(chǎn)成本差異 對(duì)于 CMOS 的生產(chǎn)制作一般都是采用半導(dǎo)體工業(yè)中的 MOS 制程 它可以用單晶片一次的將周邊的設(shè)施統(tǒng)一整合 這樣可以節(jié)約成本同時(shí)也減少故障的 損失 由于 CCD 本身是采用電荷移動(dòng)傳輸來輸出信號(hào)的 當(dāng)在其傳輸通道上有一個(gè) 15 壞點(diǎn) 即一個(gè)像素故障 這將導(dǎo)致整個(gè)通道的信息傳輸故障 從而無法傳遞信息 因 此 CCD 的故障率要高于 CMOS 所以其生產(chǎn)成本也要高于 COMS 解析度的差異 由于 CMOS 的每個(gè)像素都配有電路 加上其周邊電路 導(dǎo)致其 整體的感光面積會(huì)小于 CCD 所以在其大小的感光面積和像素?cái)?shù)相同時(shí) CCD 的解 析度會(huì)高于 CMOS 但是如果沒有尺寸大小的束縛 CMOS 可以做到很大 能夠克服 大尺寸感光元件在制造上的困難 噪點(diǎn)的大小差異 因?yàn)?CMOS 的每個(gè)像素都配有放大器和 A D 轉(zhuǎn)換電路 如果 CMOS 有百萬像素 那就有百萬個(gè)放大器和轉(zhuǎn)換電路 雖然統(tǒng)一制造 但是在彼此之 間還是有差異的存在 很難同步的放大 而 CCD 感光器只有一個(gè)放大器 這就大大 的減小了噪點(diǎn) CCD 的噪點(diǎn)要比 CMOS 少很多 功耗差異 CMOS 是受光照后傳輸電信號(hào) 其為主動(dòng)式 由光照產(chǎn)生的電荷會(huì)直 接放大輸出 而 CCD 則是需要外接電源 通常需要 12V 以上 還要有外圍處理電路 等等 這就是 CCD 功耗要遠(yuǎn)大于 CMOS 的功耗 如表 3 1 所示 對(duì) CCD 和 CMOS 進(jìn)行對(duì)比 表 3 1 CCD 與 CMOS 對(duì)比 CCDCMOS 設(shè)計(jì)單一感光器感光器連接放大器 靈敏度同樣面積高感光開口小 成本線路品質(zhì)影響程度高CMOS 整合集成 解析度連接復(fù)雜度低 解析度 高 低 新技術(shù)高 噪點(diǎn)單一放大 噪點(diǎn)低百萬放大 噪點(diǎn)高 功耗比需要外加電壓直接放大 功耗低 由于其自身的固有結(jié)構(gòu)差異 我們可以知道其各自性能上的差異 由于 CCD 在 信號(hào)傳輸時(shí)有自己的專屬信息傳輸通道 故它可以充分保持在信號(hào)傳輸中不產(chǎn)生失真 現(xiàn)象 然后每個(gè)像素都集合于同一放大器進(jìn)行處理 這樣可大大的保證了資料的完整 性 CMOS 的每個(gè)像素都配有放大器 每個(gè)像素都是先經(jīng)過放大后在整合各個(gè)像素的 資料 這樣不能保證整體資料的完整性 綜上 為了更好地觀察和監(jiān)視目標(biāo) 分析目 標(biāo)的位置 從而進(jìn)行穩(wěn)定的跟蹤 我們選擇了 CCD 作為本次設(shè)計(jì)的成像器件 3 1 2 CCD 的選定 CCD 在現(xiàn)在的使用中是非常具有代表性的 它有很多優(yōu)點(diǎn) 小的體積 高的靈敏 度 長(zhǎng)的使用壽命 傳輸信號(hào)不失真等 本題中 CCD 的選擇是至關(guān)重要的 對(duì) CCD 的 選擇需要滿足的要求 1 CCD 的感光范圍為可見光 2 選取的 CCD 要有較高的分辨 率 從而滿足系統(tǒng)分辨要求 經(jīng)過查閱資料和市場(chǎng)調(diào)研之后 決定選取 1 3 英寸 CCD 圖像傳感器 如圖 3 1 所 16 示 其型號(hào)為 WAT 231S2 高分辨 高靈敏度彩色攝像機(jī) 其彩色高解析度達(dá)到 540TVL 具有圖像疵點(diǎn)消除功能 多功能 高靈敏度 是具有 BNC Y C 雙輸出的彩 色數(shù)字式 CCD 它對(duì)感光面進(jìn)行逐行掃面 然后進(jìn)行隔行傳輸 CCD 后接圖像采集卡 采集卡得到的數(shù)字信息通過軟件處理變?yōu)椴噬珗D像顯示出來 其主要應(yīng)用于要獲取彩 色圖像 高分辨率和高幀速的要求 而且還帶有外部異步采集功能 使抓拍快速運(yùn)動(dòng) 的物體變得簡(jiǎn)單容易 圖 3 1 UNIQ UC 930 型 CCD 本產(chǎn)品具有體積小 重量輕等優(yōu)點(diǎn) 可以選擇使用數(shù)字輸出或使用模擬輸出 其 后面板上還有其它功能 使用都是十分簡(jiǎn)單 便于操作 其系統(tǒng)參數(shù)見表 3 2 表 3 2 UNIQ 公司 UC 930 型 CCD 芯片的主要性能 型號(hào)WAT 231S2 NTSC 影像傳感器1 3 英寸 CCD 圖像傳感器 總像素?cái)?shù) 811 H 508 V 有效像素 HxV 768 H 494 V 像元大小 6 35um H 7 4um V 成像系統(tǒng) Ye Cy Mg and G complementary color mosaic filters on chip 同步方式內(nèi)同步 掃描系統(tǒng)2 1 隔行掃描 視頻輸出綜合 Y C 1 0 V P P 75 不平衡 分辨率 H 大于 540TVL 中心 17 最低照度 0 05 lx F1 2 S N 大于 50dB MGC 0dB 1 0 1 60 1 100 sec Fixed 1 250 1 500 1 1000 1 2000 1 4000 1 10000 sec 1 60 1 100000 sec AE 模 式 EI 1 60 1 100000 sec flicker suppress 白平衡 ATW color rolling less PWB MWB Preset 3200K 4300K 5100K 6300K 自動(dòng)增益控制 高 0 38dB 低 0 32dB 手動(dòng)增益控制 0 32dB Gamma 特性 0 45 開 1 0 關(guān) 鏡頭光圈Video DC EIAJ arrangement Auto select 背光補(bǔ)償開 關(guān) 白色缺陷校正高達(dá) 32 像素 電源電壓 DC 12V 10 耗電量2 1W 175mA 工作溫度 10 50 無霜結(jié) 儲(chǔ)藏溫度 30 70 無霜結(jié) 工作 儲(chǔ)藏濕度低于 95 RH 鏡頭接口CS 接口 后焦距可調(diào) 重量約 140 克 3 2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本論文所提出的折射率測(cè)量系統(tǒng)的目的是為了通過檢測(cè)平行平板 由光學(xué)成像系 統(tǒng)產(chǎn)生位移量 位移傳感器探測(cè)到位移量 然后經(jīng)由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理 從而獲得檢測(cè) 結(jié)果 所以成像光學(xué)系統(tǒng)是儀器的核心組成部分 需滿足儀器的使用要求 本論文采用三片式攝像物鏡初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 光學(xué)系統(tǒng)采用柯克型光學(xué)系 統(tǒng) 其物鏡結(jié)構(gòu)的基本形式如圖 3 2 所示 這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三片都是薄透鏡 最后一片 為非對(duì)稱鏡 這種結(jié)構(gòu)對(duì)像差影響較小 光闌在中鏡片附近等特點(diǎn) 有利于儀器整體 小型化 降低成本 在攝影物鏡設(shè)計(jì)中使用廣泛 其相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角都不是特別大 滿足我們的使用要求 根據(jù)本文系統(tǒng)提出的技術(shù)指標(biāo)要求 可以從相關(guān)資料中找到物鏡結(jié)構(gòu) 作為設(shè)計(jì) 基礎(chǔ) 并采用 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì) 對(duì)鏡頭參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 把各種像 差降低到我們使用要求的程度 從而確定最終的鏡頭結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 18 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)其使用需求來確定光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù) 各透鏡光組的結(jié) 構(gòu)和外形尺寸等 因此可以把光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要過程分為 4 個(gè)階段 系統(tǒng)主要技術(shù) 指標(biāo)的確定 初始結(jié)構(gòu)的確定 ZEMAX 設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化以及像質(zhì)評(píng)價(jià) 一般考慮到光 學(xué)系統(tǒng)存在單色像差主要有 像散 球差 彗差 畸變和場(chǎng)曲 兩種色差 位置色差 和倍率色差 在進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)分析時(shí) 這些像差都不是單獨(dú)存在著 需要綜合考慮全 部的像差 圖 3 2 柯克型物鏡結(jié)構(gòu)圖 3 2 1 系統(tǒng)主要指標(biāo)的確定 1 相對(duì)孔徑 入瞳在均勻光照時(shí) 物鏡的像面照度與相對(duì)孔徑的平方成正比 或者與 F 數(shù)的平 方成反比 相對(duì)孔徑越大 越能夠在像面上獲得越大的光通量 本文的攝像物鏡的相 對(duì)孔徑為 1 4 2 鏡頭片數(shù) 為了保證在像面上能夠獲得更多的光能 提高光學(xué)系統(tǒng)的使用性 應(yīng)該使物鏡中 的透鏡片數(shù)盡可能較少 這樣可以增大光學(xué)系統(tǒng)的透過率 從而減小對(duì)物光的吸收 同時(shí)也減少了系統(tǒng)本身的重量 本文采用三片式攝像物鏡系統(tǒng) 鏡片數(shù)為 3 片 3 視場(chǎng) 根據(jù)所選用的 CCD 像高為 6mm 成像要求初定物鏡的有效焦距為 45mm 可知視場(chǎng) 角 2 o 8 4 畸變 畸變指物體在成像的過程中 像差畸變的程度 在目視觀察系統(tǒng)中 其畸變?cè)试S 值較大 一般在像面的邊緣允許值不超過 8 由于人眼對(duì)中心 20 視場(chǎng)中的物體尤 為敏感 所以在該范圍內(nèi)畸變值應(yīng)不超過 3 系統(tǒng)應(yīng)滿足此要求 5 色差 單色像差則主要體現(xiàn)在光組和物質(zhì)的幾何因素上 所以可不必考慮色差因素 綜上所述 成像光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為 1 視場(chǎng)角 o 82 19 2 相對(duì)孔徑 4 1 fD 3 F 數(shù) 0 4 Df 4 最大像面尺寸 4 8mm 3 6mm 5 最小半像高 3mm 6 光學(xué)后截距 30mm 7 系統(tǒng)焦距 45mm 8 畸變 像面邊緣 8 20 視場(chǎng)內(nèi) 3 3 2 2 ZEMAX 仿真優(yōu)化 為了能夠更好的校正像差 得到優(yōu)質(zhì)的圖像 達(dá)到我們的需求 根據(jù)上述技術(shù)指 標(biāo)設(shè)計(jì)了一款基于位移傳感器的平行平板的折射率測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng) 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖如圖 3 3 所示 圖 3 3 光學(xué)系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖 攝像物鏡系統(tǒng)的工作長(zhǎng)度為 24mm 系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)玻璃材料要求其具有一定的機(jī)械 強(qiáng)度 能夠承受一定的負(fù)荷 具有較高的表面硬度 以便研磨和拋光 具有較高的化 學(xué)穩(wěn)定性 以適應(yīng)各種潮濕和腐蝕性的外界條件 并抵擋化學(xué)試劑及化學(xué)溶劑的侵蝕 本系統(tǒng)采用的玻璃為 F2 和 SK6 這兩種玻璃材料 具有高折射率 低色散度等特性 簡(jiǎn)化了光學(xué)鏡頭 能夠有效的消除球差 色差 提高成像質(zhì)量 且都能夠滿足使用要 求 如圖 3 4 所示 為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù) MTF 曲線 橫坐標(biāo)為空間頻率 縱 20 坐標(biāo)為調(diào)制度 光學(xué)系統(tǒng)的成像性能所決定了這種函數(shù)的具體形式 因此光學(xué)傳遞函 數(shù) MTF 值 客觀地反映出光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量 從圖中我們能夠看出 100lp mm 時(shí) MTF 基本上均接近于衍射極限 符合系統(tǒng)使用要求 圖 3 4 MTF 圖 21 圖 3 5 點(diǎn)列圖 系統(tǒng)的點(diǎn)列圖見 3 5 所示 點(diǎn)列圖反映了物點(diǎn)通過光學(xué)系統(tǒng)在像平面上的彌散斑 的形狀和大小 在點(diǎn)列圖中可以看到所有視場(chǎng)的彌散斑半徑均能在 2 86 m 以內(nèi) 大 部分均在艾里斑的范圍內(nèi) 完全達(dá)到了 CCD 像元大小的要求 22 圖 3 6 場(chǎng)曲和畸變 系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變圖如圖 3 6 所示 由于系統(tǒng)本身也能夠非常有效的消除畸變及場(chǎng) 曲 可看到系統(tǒng)的場(chǎng)曲基本上控制在 0 1 以內(nèi) 畸變也能有效的控制在 0 05 以內(nèi) 從圖中的黑線可知 在物方 20 視場(chǎng)處 畸變小于 3 在像場(chǎng)邊緣處 畸變約小于 8 因此滿足設(shè)計(jì)要求 所以說 本系統(tǒng)的像差優(yōu)化結(jié)果是比較理想的 成像清晰 完全達(dá)到指標(biāo)要求 3 3 平行平板平行平板 本文所設(shè)計(jì)的折射率測(cè)量系統(tǒng)需將待測(cè)材料加工成光學(xué)平行平板 它是由兩個(gè)相 互平行的折射平面構(gòu)成的光學(xué)元件 平行平板用于會(huì)聚光路中時(shí) 其主要目的是作為 檢測(cè)時(shí)用的測(cè)微元件 由公式 2 11 和誤差理論中的方差傳遞公式 可得 22 222 l dn l n d n 3 1 上式子中 是光學(xué)平板被測(cè)件 10 加入到物點(diǎn) A 與成像光學(xué)系統(tǒng) 2 主面 H 之 l 間后造成的物點(diǎn) A 虛物距變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差 為平行平板厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差 對(duì)公式 d 2 11 求偏導(dǎo)后可求得傳遞系數(shù)分別為 23 2 ld l d n 3 2 2 ld d l n 3 3 根據(jù)上述公式 3 2 與 3 3 可知道 與成反比 與成反比 又 d n d l n l 根據(jù)公式 2 11 可知道 對(duì)于同一種光學(xué)材料 與成正比 所以使用該測(cè)量方d l 法測(cè)量較厚的平板會(huì)得到較高的精度 在本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)中 需要從兩個(gè)方面來考慮 一方面 從儀器本身的精度 考慮 系統(tǒng)的物與像之間的間隔必須大于位移傳感器的測(cè)量精度 它們之間的差值越 大 光程差越多 從而平行平板越厚 測(cè)量也就越容易 另一方面 從平行平板的加 工工藝考慮 平行平板越厚 越無法預(yù)知光學(xué)材料折射率的均勻性 對(duì)測(cè)量精度有一 定影響 所以我們將被測(cè)件加工成標(biāo)準(zhǔn)的平行平板 即加工件 d 的厚度選用為 10mm 3 4 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的核心成像光學(xué)系統(tǒng) 該光學(xué)系統(tǒng)采用三片式攝像物鏡系統(tǒng) 使其能夠滿足該測(cè)量?jī)x器的使用要求 并使儀器小型化 輕量化 同時(shí)還大大的降低 了制造的成本 在本章結(jié)尾部分還對(duì)該折射率測(cè)量系統(tǒng)被測(cè)件光學(xué)平板進(jìn)行了詳細(xì)的 介紹 本文設(shè)計(jì)的物鏡系統(tǒng)的主要參數(shù)為 有效焦距為 45mm F 數(shù)為 4 全視場(chǎng)角為f 8 均采用常見的光學(xué)玻璃 F2 和 SK6 經(jīng)過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX 優(yōu)化后 對(duì)光學(xué) 系統(tǒng)的像差進(jìn)行分析 并評(píng)價(jià)了成像質(zhì)量 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求 并且選用了 1 3 inch CCD 作為圖像接受器件 像元尺寸為 6 35um 6 35um CCD 的分辨率較高 滿足了 系統(tǒng)的分辨率要求 24 第四章 精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 1 精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4 1 1 精密機(jī)械傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 圖4 1 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 1 凸輪筒 2 外筒 3 頂絲 A 4 鏡筒 A 5 鏡筒 B 6 頂絲 B 7 小齒輪 8 步進(jìn)電機(jī) 如圖 4 1 所示為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括凸輪筒與小齒 輪的齒輪傳動(dòng)和凸輪筒與鏡筒 A 的螺旋傳動(dòng) 整個(gè)精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 主要由電機(jī) 凸輪筒 鏡筒 A 鏡筒 B 以及位移傳感器組成 凸輪筒與小齒輪之間嚙合 鏡筒 A 與頂絲 A 螺紋連接 同時(shí) 凸輪筒與鏡筒 B 通過頂絲 B 連接 鏡筒 B 與位移傳感器 的拉桿相連接 電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)小齒輪 7 傳動(dòng)凸輪筒 1 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 大齒輪內(nèi)部開有螺紋槽 迫使 凸輪筒沿著螺紋槽做直線運(yùn)動(dòng) 從而使鏡筒 B 做同步直線運(yùn)動(dòng) 這樣 位移傳感器的 拉桿也就同步作直線運(yùn)動(dòng) 并能夠精確測(cè)量并采集整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位移 通過控 制步進(jìn)電機(jī)的正 反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 就能夠控制大 小齒輪的正 反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 從而控制整個(gè) 光學(xué)系統(tǒng)沿著大齒輪螺旋槽的前進(jìn)或者后退 并取得精確測(cè)量結(jié)果 通過上述系統(tǒng)的 25 協(xié)調(diào)配合 最終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)件的高精度 高質(zhì)量檢測(cè) 達(dá)到我們的測(cè)量要求 4 1 2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各零部件的設(shè)計(jì) 1 凸輪筒 凸輪筒如圖 4 2 所示 其主要用于安裝并傳動(dòng)成像光學(xué)系統(tǒng) 根據(jù)上位指令對(duì)成 像光學(xué)系統(tǒng)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié) 其外部邊緣加工有齒 與小齒輪嚙合并由其傳動(dòng) 內(nèi)部 則加工有螺旋槽 以傳動(dòng)內(nèi)部鏡筒連同光學(xué)系統(tǒng)做直線運(yùn)動(dòng) 并帶動(dòng)位移傳感器拉桿 得到位移信號(hào) 具體三維結(jié)構(gòu)如圖所示 其主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)為 外部齒輪模數(shù) m 為 5mm 齒數(shù)為 52 嚙合角為 20 其中螺旋槽的規(guī)格為寬 3mm 深 2mm 螺距 為 20mm 其所使用的材料為 40 鋼 圖 4 2 凸輪筒的三維機(jī)構(gòu)圖 2 鏡筒 圖 4 3 鏡筒三維半剖圖 26 如圖 4 3 和圖 4 4 所示為鏡筒三維半剖結(jié)構(gòu)圖和全