基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)方案

1、. . . . 1 / 48學(xué)號：學(xué)號： S100200148S100200148 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量系統(tǒng)研究研究生：研究生：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量系統(tǒng)研究基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)研究 侯利杰侯利杰. . . . 2 / 48分類號： TN202 密 級： 可公開 U D C： 681.7 編 號：基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)研究ResearchResearch ofof thethe refractiverefractive indexindex measurementmeasureme

2、nt systemsystem basedbased onon displacementdisplacement sensorsensor 學(xué)位授予單位與代碼：理工大學(xué) (10186) 學(xué)科專業(yè)名稱與代碼：光學(xué)工程 (0803)研究方向：現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)與工程應(yīng)用 申請學(xué)位級別：碩士指導(dǎo)教師： 向陽 教授 研 究 生： 侯利杰論文起止時間：2011.92012.12. . . . 3 / 48摘 要對折射率的檢測是提高光學(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)計了一種新的測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，找到待測折射率與系統(tǒng)光學(xué)元件的調(diào)焦量的關(guān)系，將

3、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。測量方法簡化，非接觸測量，是集光、機、電、算于一體的高性能精密測量儀器，本文首先介紹了折射率測量系統(tǒng)的工作原理，并用 Zemax 軟件設(shè)計了光學(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(xiàn) 數(shù)為 4，全視場角為 8，采用 1/3inch CCD 作為圖像接受器件，像元尺寸為 6.35um6.35um,根據(jù)儀器的使用特點，光學(xué)系統(tǒng)滿足使用要求。接下來對精密機械機構(gòu)進行了詳細(xì)的闡述，并給出了設(shè)計結(jié)果，最后進行了誤差精度分析，系統(tǒng)的精度達到了 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. . . .

4、 4 / 48ABSTRACTABSTRACTThe refractive index of the detection isimproving 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

5、 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 opticalcomponents of focusing amount, therelationshipofthe traditional refractive index and the angle is transformed into the relations

6、hip 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 me

7、asurement 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, w

8、hose pixel size is 6.35um6.35um, 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.

9、And it can meet the equipment requirements.KeyKey wordswords:indexindex ofof refractionopticalrefractionoptical systemerrorsystemerror analysisanalysis. . . . 5 / 48目 錄摘要摘要ABSTRACTABSTRACT目目 錄錄第一章緒論第一章緒論 1 11.1 課題背景 11.2 課題研究的目的與意義 11.3 國外發(fā)展現(xiàn)狀 41.4 本論文研究的主要容 51.5 本章小結(jié) 5第二章折射率測量系統(tǒng)的總體方案設(shè)計第二章折射率測量系統(tǒng)的總體

10、方案設(shè)計 6 62.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 62.2 成像光學(xué)系統(tǒng) 102.3 精密傳動機構(gòu)與其電控系統(tǒng) 112.4 計算機數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng) 122.5 本章小結(jié) 12第三章成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計第三章成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 13133.1 CCD 的選取 133.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 163.3 平行平板 203.4 本章小結(jié) 21第四章精密機械傳動機構(gòu)設(shè)計第四章精密機械傳動機構(gòu)設(shè)計 22224.1 精密傳動機構(gòu) 224.2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 244.3 位移檢測系統(tǒng)研究 284.4 本章小結(jié) 32第五章誤差精度分析第五章誤差精度分析 33335.1 機械檢測裝置的誤差 345.2 誤差合成 35. . .

11、 . 6 / 485.3 本章小結(jié) 36第六章總結(jié)與展望第六章總結(jié)與展望 3737致致 3939參考文獻參考文獻 4040. . . . 1 / 48第一章 緒 論新世紀(jì)以來，現(xiàn)代先進科學(xué)技術(shù)經(jīng)過時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)。這些都大大促進了有關(guān)折射率測量技術(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)折射率測量的精度和效率也得到了極大的提高。另外，這些包涵先進測量原理的創(chuàng)新產(chǎn)品和儀器已經(jīng)逐漸取代了原有落后的產(chǎn)品，促進了精密光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展，拓展了精密光學(xué)測量在科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展道路。1.11.1 課題背

12、景課題背景折射率是反應(yīng)各類光學(xué)材料性能的一個關(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，對各類光學(xué)材料折射率的測量還可以直接或間接反應(yīng)出其他部信息。隨著先進科學(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)材料折射率的測量系統(tǒng)的研究對其他科學(xué)研究領(lǐng)域也產(chǎn)生了巨大的影響，具有重要的意義。進入新世紀(jì)以來，國外的科學(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)方向都是基本一樣的，都在向功能多樣化、工作自動化、高精度、智能化、可視化發(fā)展。這樣就會對先進光學(xué)測量技術(shù)和設(shè)備產(chǎn)生較大的需求。比如顯

13、微鏡從單倍向多倍的發(fā)展，從人眼目視測量向可視化圖像發(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)材料折射率的檢測需求，這就不斷要求研發(fā)出精度更高，更加可靠，自動化程度更高的有關(guān)折射率檢測的應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的折射率測量技術(shù)必須要求材料特殊形狀或者材料需要較大尺寸、檢測環(huán)境等才能滿足需求，這對于技術(shù)的研究來說是非常困難的和不經(jīng)濟的，所以，這些各種各樣的原因?qū)е铝藗鹘y(tǒng)的折射率測量方法在測量領(lǐng)域顯得越來越力所不與，難以滿足各種需求，所以改進測量的裝置和測量方法，從而實現(xiàn)折射率的高精度、高需求檢測是非常有必要的。1.21.2 課題研究的目的與意義課題研究的目的與意義目前，光、機、電一體化產(chǎn)品

14、的需求越來越大，在各類大中型自動化設(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。折射率的精確測量也就必然具有廣闊的市場和深遠(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量技術(shù)。其中，按照被測對象的不同，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 / 48射率的測量；對于液體介質(zhì)常用臨界角法來實現(xiàn)；對于氣體介質(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，通過對分析幾種常見的折射率檢測的方法，與其在實際中的應(yīng)用，從而得出關(guān)于折射率檢測的目的和意義。1.2.1 全反射法全反射法又被稱為臨界角法，其測

15、量原理如圖 1.1 所示。首先將被測樣品放在直角棱鏡的斜邊 AB 表面上，要求被測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，入射角大于或等于臨界角，此時，直角棱鏡)/arcsin(3nnix的 AB 表面上會發(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，通過檢測折射角，就可以測定被測件的的折射率。3xn圖 1.1 全反射法光路圖這種檢測方法容易，結(jié)構(gòu)較為簡單，屬于比較測量法，所以需要已知直角棱鏡的折射率，同時還需要在直角棱鏡與被測樣品之間有折射液的配合，這樣才能使直角棱鏡與被測樣

16、品之間有很好的接觸，但這同時也使測量圍受到限制，當(dāng)測量精度要求不高時，基于全全反射法的阿貝折光儀的儀器精度一般為310-4。1.2.2 最小偏向角法最小偏向角法是目前檢測精度最高、應(yīng)用最為廣泛的測量方法。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)過三棱鏡時發(fā)生折射現(xiàn)象，此時，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，通過測定偏向角的最小值便可求出待測材料的折射率。xn. . . . 3 / 48 （1.1）)21sin()(21sinminxn公式（1.1）中：為三棱鏡的頂角；為最小偏向角。min這種檢測方法的優(yōu)點是：檢測精度高，折射率的測量圍不

17、受限制，不需折射液加以配合等，但是這種方法也具有測量時需要大口徑的棱鏡配合，棱鏡的制作既耗時又浪費光學(xué)材料等缺點，同時在測量過程中需要很好的調(diào)整測角儀，非常復(fù)雜，也不能夠避免測量機構(gòu)復(fù)雜性。使用最小偏向角法用精度測角儀的精度可達到為。6105圖 1.2 最小偏向角法光路圖1.2.3 V 型棱鏡法圖 1.3 V 棱鏡測量原理圖 （a）時（b)時0nn0nn如圖 1.3 所示，V 棱鏡是由一大一小兩個材料一樣的直角棱鏡膠合而成的，根據(jù)其形狀命名，兩個直角棱鏡的折射率已知。被測試樣形狀不受限制，但要保證有一個直角，涂上適當(dāng)?shù)钠ヅ湟?，放?V 棱鏡的直角槽中。光線通過 V 棱鏡和待測樣品后產(chǎn). . .

18、 . 4 / 48生偏向角，便可由公式（1.2）算出樣品的折射率。（1.2）21220220)sinsin(nnn公式中：為待測樣品折射率，為 V 棱鏡折射率。時取正號；時取負(fù)n0n0nn0nn號。但是，采用 V 棱鏡法檢測，需要將被待測料加工出兩個垂直光潔平面，盡管如此，在待測材料與 V 棱鏡之間仍存在空氣楔，需要配制匹配液予以消除。然而，加工兩個垂直平面在光學(xué)加工領(lǐng)域其難度要比加工兩個平行平面高。而匹配液是一種易揮發(fā)溶液，需要在檢測前配制，比較麻煩，匹配液的使用消除了檢測光光路中的空氣介質(zhì)，并未實現(xiàn)待測材料與 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誤差，并未消除檢測

19、誤差。同時，是用 V 棱鏡折射儀的測量精度為110-5。同時，對折射率測量還有些檢測方法比如：折光率儀測定法、油浸法和阿貝折光儀法，這些方法的折射率測量圍受到限制，僅在 1.3-1.9 之間；橢圓偏光儀測定法主要用來檢測薄膜的折射率等。所以，為了克服現(xiàn)有這些常用檢測方法所帶來的問題，同時獲得一種被測件加工容易、檢測誤差小的透明光學(xué)材料折射率檢測方法，在光學(xué)測量領(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)平板折射率檢測裝置與方法，本文提出的檢測方法是通過光學(xué)成像，利用待測材料折射率與成像光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦量的函數(shù)關(guān)系實現(xiàn)折射率的檢測，方法簡單、易行。與此同時，檢測精度取決于檢測裝置中的位移傳

20、感器的精度，而本發(fā)明之檢測裝置采用直線位移傳感器，其精度達到微米級，由此可知，這種檢測方法的結(jié)果將會十分精確，滿足設(shè)計要求。本文所設(shè)計的折射率測量系統(tǒng)是非接觸，非破壞性測量，具有精度和分辨率高，測量方法和數(shù)據(jù)處理簡單，趨向于測量自動化的檢測儀器。1.31.3 國外發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)狀近些年來，傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、光譜分析、控制理論與 CCD 測量發(fā)展迅速，也就進一步促進了光學(xué)測量領(lǐng)域日新月異的發(fā)展。在折射率測量技術(shù)方面，落后的折射率測量儀器逐漸被市場淘汰，不斷要求研發(fā)新的折射率測量儀器，使其配備先進的技術(shù)支持，同時精度、自動化、智能化、可靠性和抗干擾能力都能得到提高，測試速度更快，結(jié)果更加

21、可靠，從而滿足市場的需要。目前，無論是國還是國外對折射率測量系統(tǒng)的研究基本上可以概括為兩個方面。一方面，主要是對原有測量技術(shù)的應(yīng)用圍進行進一步的研究，并對測試設(shè)備進行改造和優(yōu)化。另一方面，主要體現(xiàn)在對新檢測技術(shù)的研究，結(jié)合當(dāng)下比較先進的制造技術(shù)、工藝和新型材料，大膽的對原有的測量技術(shù)進行優(yōu)化改進，進一步發(fā)揮原有優(yōu)點，消除和避免原有的缺陷和不足?？偠灾?，國外目前對折射率測量技術(shù)的研究都是向高. . . . 5 / 48精度、智能化、測量自動化方向發(fā)展。現(xiàn)今折射率的干涉測量技術(shù)備受國外學(xué)者和專家的青睞，是該領(lǐng)域的研究熱點。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

22、料本身價格特別昂貴，容易受自身頻率改變的影響產(chǎn)生色散現(xiàn)象，對折射率測試設(shè)備自身的精度要求很高。因而，如何實現(xiàn)對晶體材料折射率的自動化、智能化、非接觸、高精度測量一直都是各國光學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。目前烏克蘭的 A.S. Andrushchak 和美國的 Glen D. Gillen 已經(jīng)在這方面進行了大量的研究工作，取得了較好的研究結(jié)果。1.41.4 本論文研究的主要容本論文研究的主要容通過搜集、查閱、整理大量相關(guān)文獻，本文提出了一種基于位移傳感器的光學(xué)平板折射率檢測裝置與方法，該裝置的測量方法和數(shù)據(jù)處理簡單，在認(rèn)真分析前人的研究成果后，對原有折射率測量儀器進行了充分的研究，在此基礎(chǔ)上，主要完成了

23、以下工作：第一，了解了折射率測試技術(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，并對折射率測試技術(shù)的國外研究方向和現(xiàn)狀進行進一步研究。第二，對折射率測量系統(tǒng)進行了總體的方案設(shè)計，并且闡述了折射率測量系統(tǒng)的原理，對系統(tǒng)的各部分組件進行選取，明確了各個系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能與設(shè)計的目標(biāo)。第三，設(shè)計儀器的成像光學(xué)系統(tǒng)，并且對相關(guān)系統(tǒng)的組件進行選取，使成像系統(tǒng)滿足整個測量儀器的使用要求。第四，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)要求，設(shè)計相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)機械機構(gòu)，并說明機械結(jié)構(gòu)原理，選取滿足要求的機械系統(tǒng)系統(tǒng)各組件。第五，對本系統(tǒng)的理論公差與實際誤差進行精度分析。第六，對整個系統(tǒng)進行相關(guān)的總結(jié)和展望。1.51.5 本章小結(jié)

24、本章小結(jié)本章主要介紹了有關(guān)折射率測量技術(shù)的研究背景，認(rèn)真總結(jié)了傳統(tǒng)的折射率測量方法與優(yōu)缺點，詳細(xì)闡述了折射率測量的國外研究方向和現(xiàn)狀，并進一步說明了有關(guān)折射率測量的研究目的和意義。通過比較，提出了一種新的有關(guān)折射率檢測的方法，這種方法檢測結(jié)果準(zhǔn)確，精度達到微米級，非接觸測量，最后詳細(xì)闡述說明了本課題的主要研究容。. . . . 6 / 48第二章 折射率測量系統(tǒng)的總體方案設(shè)計2.12.1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計系統(tǒng)的總體方案設(shè)計2.1.1 系統(tǒng)的測量和傳動原理本論文的系統(tǒng)測量原理如圖 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

25、 中，并與位移傳感器的拉桿 5 連接；電機 6 驅(qū)動凸輪筒 4 旋轉(zhuǎn)，控制與處理電路 7 分別與電機 6、位移傳感器 8 電連接，與上位機 9 串口連接，CCD 圖像傳感器 3 也與上位機 9 電連接。系統(tǒng)的傳動原理如圖 2.2 所示，電機作為主驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動凸輪筒轉(zhuǎn)動，從而帶動光學(xué)系統(tǒng)作直線運動，并傳動傳感器拉桿產(chǎn)生位移信號。圖 2.1 折射率測量系統(tǒng)原理圖電機凸輪筒光學(xué)系統(tǒng)傳感器拉桿圖 2.2 系統(tǒng)傳動原理框圖系統(tǒng)的測量過程是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 能夠?qū)⒐庠?1 作為物點 A 成像于 CCD 圖像傳感器 3 中，光源 1 采用貼片 LED 燈，安裝在光機座一端，并可進行位置調(diào)節(jié)，光學(xué)平板被測件

26、10 通過夾具垂直安裝于光機座上并可以進行位置調(diào)節(jié)。該測量儀器安裝于二維轉(zhuǎn)臺上，可通過二維轉(zhuǎn)臺調(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11046285397. . . . 7 / 48與光源 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，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 對物點 A 的光學(xué)平板被測件 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 9 指令控制與處理電路 7 控制電機 6 驅(qū)動凸輪筒 4 來實現(xiàn)。在物點 A 成像過程中，CCD 圖像傳感器 3將物點 A 的視頻圖像信號傳輸給上位機 9，

27、由上位機 9 通過計算機圖像識別技術(shù)識別視頻圖像的清晰程度，同時指令控制與處理電路 7 控制電機 6，直到視頻圖像最清晰，此時成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對焦成功。在所述對焦過程中，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，并由控制與處理電路 7 讀取后傳遞給上位機 9，由上位機9 據(jù)此計算出光學(xué)平板被測件 10 的折射率并顯示計算結(jié)果。所述位移量有兩個，一個是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 從對無窮遠(yuǎn)處成像到對物點 A 清晰成像所發(fā)生的位移 S1，二是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 從對無窮遠(yuǎn)處成像到加入光學(xué)平板被測件 10 后對物點 A 的光學(xué)平板被測件 10 折射像 A清晰成像所發(fā)生的位移 S2。圖 2.3

28、 光學(xué)檢測原理圖根據(jù)所得到的位移 S1、S2以與成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的焦、光學(xué)平板被測件的f厚度 d 計算待測材料的折射率，如圖 2.3 光學(xué)檢測原理圖所示。nf H lFF2lAS1l1-l1AS2l2-l210d. . . . 8 / 48設(shè)為透鏡光焦度，對無窮遠(yuǎn)處對焦時的作為零點，即， 對 Af1l1fl成像時， （2.1） 1111ll 1111lll（2.2）由于對 A 成像時需要調(diào)焦，產(chǎn)生的調(diào)焦量為，可求得：flS11 （2.3）11Sfl當(dāng)對成像時，A （2.4）2211ll （2.5）2221lll由于對 A成像時需要調(diào)焦，考慮調(diào)焦量，可求得：flS22 （2.6）22Sfl式中

29、：1l是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 清晰成像時的像距，2l是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點A 的光學(xué)平板被測件 10 折射像 A清晰成像時的像距，f是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的焦距，是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 清晰成像后其主面 H 相對于初始零點的位移，是1S2S成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 的光學(xué)平板被測件折射像 A清晰成像后其主面 H 相對于初始零點的位移。 （2.7）111lflfl （2.8）222lflfl式中： 是光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 成像清晰時的物距，是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 的1l2l. . . . 9 / 48光學(xué)平板被測件 10 折射像 A清晰成像時的物距，是成像光學(xué)系

30、統(tǒng) 2 的焦距，是f1l光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 成像清晰時的像距，是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 的光學(xué)平板被2l測件 10 折射像 A清晰成像時的像距。 （2.9）12lll式中：是光學(xué)平板被測件 10 加入到物點 A 與成像光學(xué)系統(tǒng) 2 主面 H 之間后造成的l物點 A 虛物距變化， 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 清晰成像時的物距，是成像光學(xué)1l2l系統(tǒng) 2 對物點 A 的光學(xué)平板被測件 10 折射像 A清晰成像時的物距。 （2.10）)11 (ndl （2.11）lddn式中：是被測件的折射率，是被測件 10 的厚度，是光學(xué)平板被測件在放入到ndl物點 A 與成像光學(xué)系統(tǒng) 2 主面

31、H 之間后造成的物點 A 虛物距變化，通過以上公式的計算過程，就可求得我們所需要的被測件光學(xué)平板的折射率。n2.1.2 系統(tǒng)的總體構(gòu)設(shè)計本論文所設(shè)計的基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)采用了集光、機、電于一體的先進技術(shù)，完成了對被測件的非接觸測量，測量方法和數(shù)據(jù)處理簡單，趨向于測量自動化的精密檢測，從而達到測量要求。為實現(xiàn)對被測件折射率的檢測，根據(jù)實際情況，提出了如圖 2.4 所示的折射率測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。圖2.4 折射率檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡圖（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）. . . . 10 / 48鏡筒

32、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）電機該折射率測試系統(tǒng)主要由精密機械傳動機構(gòu)、光學(xué)成像系統(tǒng)、位移傳感器檢測系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾大部分構(gòu)成。其中：精密機械直線傳動機構(gòu)主要由電機驅(qū)動齒輪做旋轉(zhuǎn)運動，迫使鏡筒 A 沿著螺旋槽做直線傳動；線性位移傳感器構(gòu)成傳感器檢測系統(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，整個系統(tǒng)采用人機交互測量。上位機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要負(fù)責(zé)對精密機械傳動機構(gòu)的控制，采集光學(xué)成像系統(tǒng)的位移信號，并通過上位程序的計算，獲得最終的測試結(jié)果。2.2

33、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)用于對被測件光學(xué)平板成像與 CCD 圖像傳感器中，是系統(tǒng)的核心部分，儀器中的光學(xué)成像系統(tǒng)安裝在由電機驅(qū)動的鏡筒中。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)計需要。在安放成像光學(xué)系統(tǒng)的鏡筒的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如圖 2.5 所示，安裝過程中不但需要保證整個系統(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，鏡筒部要有可利用的空間，從而保證成像系統(tǒng)在鏡筒能夠做直線運動，并

34、產(chǎn)生系統(tǒng)檢測所需的位移量。系統(tǒng)的透鏡鏡片用壓圈加以固定，用彈簧和螺紋帽來進行透鏡之間距離的調(diào)整。. . . . 11 / 48圖 2.5 鏡筒的機械結(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2.32.3 精密傳動機構(gòu)與其電控系統(tǒng)精密傳動機構(gòu)與其電控系統(tǒng)圖2.6 傳動機構(gòu)與電控系統(tǒng)原理圖如圖 2.6 所示，電控系統(tǒng)和精密傳動機構(gòu)是折射率測量系統(tǒng)的核心組成部分，兩者的相互配合實現(xiàn)了對被測樣品平行平板的測量。所以電控系統(tǒng)和傳動機構(gòu)的設(shè)計直接影響到整個折射率測量系統(tǒng)的工作精度、效率等。由于測量時不能直接就進行數(shù)據(jù)的采集，所以電控系統(tǒng)和傳動機構(gòu)主要完成

35、兩個動作，其一是負(fù)責(zé)整個測量系統(tǒng)的傳動，其二是負(fù)責(zé)位移傳感器信號的檢測，只有兩個動作協(xié)調(diào)配合才能實現(xiàn)對被測樣品平行平板的折射率的高精度的測量。本章根據(jù)論文要求，完成了其所需的傳動機構(gòu)與電控系統(tǒng)的設(shè)計。電控系統(tǒng)完成對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，整個傳動系統(tǒng)由步進電機提供動力，通過高精度大齒輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動整個系統(tǒng)的運動，通過位移傳感器拉桿的直線運動得到所需要的測量數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，布局簡潔合理，能夠滿足測量要求。圖 2.7 控制系統(tǒng)原理框圖. . . . 12 / 48整個電控系統(tǒng)的原理圖如圖 2.7 所示，其由電機、位移傳感器、圖像采集卡、上位機、穩(wěn)壓電源等組成。其中，整個折射率測量系統(tǒng)的核心成像光

36、學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整是由上位機指令控制與處理電路，控制電機驅(qū)動凸輪筒來實現(xiàn)的，以保證系統(tǒng)檢測過程的進行。整個電控系統(tǒng)以上位機為核心，通過電機驅(qū)動光學(xué)系統(tǒng)直線運動，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；CCD 攝像機進行圖像采集的圖像信息通過圖像采集卡送入上位機；上位機通過計算機圖像識別技術(shù)對圖像與數(shù)據(jù)信號統(tǒng)一接收、處理，最終顯示檢測結(jié)果。2.42.4 計算機數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng)計算機數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng)計算機圖像采集處理系統(tǒng)主要由計算機控制，被測物體圖像經(jīng)前方圖像采集系統(tǒng)采集后，將圖像電信號傳輸儲存到 PC，將電信號經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換為視頻信號，將所采集到的圖像最終呈現(xiàn)在計算機上，

37、然后根據(jù)對所需不同圖像要求，對所采集到的圖像信息進行進一步的處理，如像質(zhì)評定，被測物體的物理分析，圖像局部分析評定等，然后根據(jù)圖像分析處理后，再進行再次光學(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)機器視覺 CCD 所接收，再經(jīng)由 CCD 將前方傳來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給圖像處理系統(tǒng)進行進一步圖像處理工作，然后經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)處理過的電信號轉(zhuǎn)換為視頻影像信號，最后由計算機進行圖像輸出顯示。當(dāng)圖像采集系統(tǒng)所采集圖像不是清晰有效像時，計算機控制系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)指令，控制機械調(diào)焦系統(tǒng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，進而

38、調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)中得相應(yīng)鏡片結(jié)構(gòu)，使得待測物體處于遠(yuǎn)近任何位置時，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、電一體化有效組合，即可將需求的待測物體數(shù)據(jù)通過簡單便捷的方式存儲輸出與計算機上。. . . . 13 / 482.52.5 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量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，并著重介紹了該系統(tǒng)的基本測量原理，同時闡述了該系統(tǒng)各個組成機構(gòu)的主要工作原理。整個測量系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，良好的可操作性，方便易用，自動化程度較高。. . . . 14 / 48第三章 成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計3.13.1 CCDCCD 的選取的選取3.1.1

39、CCD 與 CMOS 對比 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，光的能量越強，電信號越強，反之光能量越弱，電信號也越弱，根據(jù)這點，就可以實現(xiàn)對光圖像到電信號的轉(zhuǎn)換。 兩者雖然原理相近，但也是各有利弊，對于兩者從技術(shù)方面進行對比，有以下四點不同：(1) 它們的信息讀取方式不同CCD 上由于光的照射而產(chǎn)生的儲存電荷，需要一位一位的傳輸，還要有同步信號進行控制，其輸出時還需要有三組不同的電源和時鐘控制電路的配合，整體而言比較復(fù)雜。CMOS 是將光的照射直接的變?yōu)殡娦盘枺缓笠黄鹱x取，比較 CCD 的信息讀取要

40、簡單。(2) 它們的速度不同CCD 在時鐘電路下，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 對信息的采集是同時的，一下就可以讀取，同時還可處理圖像信息，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 只需要一個電源就足以對其進行供電，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。(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)減小了噪聲對成像質(zhì)量的影響，比起 COMS 要有很大的優(yōu)勢。 除了上面所說的以外，在成像效果上

41、還有一定的差異，其中包括感光面積與靈敏度差異、生產(chǎn)成本差異、解析度的差異、噪點比的大小、功耗等。感光面積與靈敏度差異：CMOS 的成像像素眾多，在每一個像素都接有處理電路和放大器，所以在一樣的像素和一樣的感光面積下，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)約成本同時也減少故障的損失；由于 CCD 本身是采用電荷移動傳輸來輸出信號的，當(dāng)在其傳輸通道上有一個壞點，即一個像素故障，這將導(dǎo)致整個通道的信息傳輸

42、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。. . . . 15 / 48解析度的差異：由于 CMOS 的每個像素都配有電路，加上其周邊電路，導(dǎo)致其整體的感光面積會小于 CCD，所以在其大小的感光面積和像素數(shù)一樣時，CCD 的解析度會高于 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。噪點的大小差異：因為 CMOS 的每個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

43、光器只有一個放大器，這就大大的減小了噪點，CCD 的噪點要比 CMOS 少很多。功耗差異：CMOS 是受光照后傳輸電信號，其為主動式，由光照產(chǎn)生的電荷會直接放大輸出；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 CCD 和 CMOS 進行對比：表 3-1CCD 與 CMOS 對比CCDCMOS設(shè)計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)高噪點單一放大，噪點低百萬放大，噪點高功耗比需要外加電壓直接放大，功

44、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 在信號傳輸時有自己的專屬信息傳輸通道，故它可以充分保持在信號傳輸中不產(chǎn)生失真現(xiàn)象，然后每個像素都集合于同一放大器進行處理，這樣可大大的保證了資料的完整性；CMOS 的每個像素都配有放大器，每個像素都是先經(jīng)過放大后在整合各個像素的資料，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，從而進行穩(wěn)定的跟蹤，我們選擇了 CCD 作為本次設(shè)計的成像器件。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：小的體積、高的靈敏度、長的使用壽命，傳輸信號不失真等。本題中 CC

45、D 的選擇是至關(guān)重要的。對 CCD 的選擇需要滿足的要求：1）CCD 的感光圍為可見光。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)過查閱資料和市場調(diào)研之后，決定選取 1/3 英寸 CCD 圖像傳感器，如圖 3.1 所示，其型號為 WAT-231S2 高分辨、高靈敏度彩色攝像機。其彩色高解析度達到540TVL，具有圖像疵點消除功能，多功能、高靈敏度，是具有 BNC & Y/C 雙輸出的彩色數(shù)字式 CCD。它對感光面進行逐行掃面，然后進行隔行傳輸。CCD 后接圖像采集卡，. . . . 16 / 48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

46、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，使抓拍快速運動的物體變得簡單容易。圖 3.1 UNIQ UC-930 型 CCD本產(chǎn)品具有體積小、重量輕等優(yōu)點，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WAT-231S2（NTSC）影像傳感器1/3 英寸 CCD 圖像傳感器總像素數(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 c

47、omplementary color mosaic filters on chip同步方式同步掃描系統(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）最低照度0.05 lx. F1.2S/N大于 50dB（MGC=0dB，= 1.0）AE 模Fixed1/60 - 1/100 sec. . . . 17 / 481/250,1/500,1/1000,1/2000,1/4000,1/10000 sec.1/60-1/100000 sec.式EI1/60 - 1/100000 sec.(flicker suppress)白平衡ATW(

48、color rolling less), PWB, MWB,Preset(3200K,4300K,5100K,6300K)自動增益控制：高：0-38dB / 低：0-32dB手動增益控制0-32dBGamma 特性：0.45（開）/= 1.0（關(guān)）鏡頭光圈Video /DC（EIAJ arrangement,Auto-select）背光補償開/關(guān)白色缺陷校正高達 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)） ）儲藏溫度-30 - +70（無霜結(jié)）工作/儲藏濕度低于 95RH鏡頭接口CS 接口（后焦距可調(diào)）重量約 140 克3.

49、23.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計本論文所提出的折射率測量系統(tǒng)的目的是為了通過檢測平行平板，由光學(xué)成像系統(tǒng)產(chǎn)生位移量，位移傳感器探測到位移量，然后經(jīng)由計算機數(shù)據(jù)處理，從而獲得檢測結(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)進行優(yōu)化設(shè)計，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，最后一片為非對稱鏡，這種結(jié)構(gòu)對像差影響較小，光闌在中鏡片附近等特點，有利于儀器整體小型化，降低成本，在攝影物鏡設(shè)計中使用廣泛，其相對孔徑和視場角都不是特別大，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

50、從相關(guān)資料中找到物鏡結(jié)構(gòu)，作為設(shè)計基礎(chǔ)，并采用 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計軟件進行設(shè)計，對鏡頭參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，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)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計就是根據(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)計的主要過程分為 4 個階段：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)計仿真優(yōu)化以與像質(zhì)評價。一般考慮到光學(xué). . . . 18 / 48系統(tǒng)存在單色像差主要有：像散、球差、彗差、畸變和場曲；兩種色差：位置色差和倍率色差。在進行像質(zhì)評價分析時，這些像差都不是單獨存在著，需要綜合考慮全部的像差。圖 3.2 柯克

51、型物鏡結(jié)構(gòu)圖3.2.1 系統(tǒng)主要指標(biāo)的確定（1）.相對孔徑入瞳在均勻光照時，物鏡的像面照度與相對孔徑的平方成正比，或者與 F 數(shù)的平方成反比。相對孔徑越大，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孔徑為 14 。（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，從而減小對物光的吸收，同時也減少了系統(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，可知視場角 2。o8（4）畸變畸變指物體在成像的過程中，

52、像差畸變的程度，在目視觀察系統(tǒng)中，其畸變允許值較大，一般在像面的邊緣允許值不超過 8%，由于人眼對中心 20視場中的物體尤為敏感，所以在該圍畸變值應(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) 視場角：o822) 相對孔徑：4/1/fD3）F 數(shù)：0 . 4/ Df4) 最大像面尺寸：4.8mm3.6mm. . . . 19 / 485) 最小半像高：3mm6) 光學(xué)后截距：30mm7) 系統(tǒng)焦距：45mm8) 畸變：像面邊緣 8%；20視場 3%；3.2.2 ZEMAX 仿真優(yōu)化為了

53、能夠更好的校正像差，得到優(yōu)質(zhì)的圖像，達到我們的需求，根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)設(shè)計了一款基于位移傳感器的平行平板的折射率測量系統(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)的工作長度為 24mm, 系統(tǒng)光學(xué)玻璃材料要求其具有一定的機械強度，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)試劑與化學(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

54、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，MTF 基本上均接近于衍射極限，符合系統(tǒng)使用要求。. . . . 20 / 48圖 3.4 MTF 圖圖 3.5 點列圖系統(tǒng)的點列圖見 3.5 所示，點列圖反映了物點通過光學(xué)系統(tǒng)在像平面上的彌散斑. . . . 21 / 48的形狀和大小。在點列圖中可以看到所有視場的彌散斑半徑均能在 2.86m 以，大部分均在艾里斑的圍，完全達到了 CCD 像元大小的要求。圖 3.6 場曲

55、和畸變系統(tǒng)的場曲和畸變圖如圖 3.6 所示，由于系統(tǒng)本身也能夠非常有效的消除畸變與場曲，可看到系統(tǒng)的場曲基本上控制在 0.1%以，畸變也能有效的控制在 0.05%以，從圖中的黑線可知，在物方 20視場處，畸變小于 3%；在像場邊緣處，畸變約小于 8%，因此滿足設(shè)計要求。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，完全達到指標(biāo)要求。3.33.3 平行平板平行平板本文所設(shè)計的折射率測量系統(tǒng)需將待測材料加工成光學(xué)平行平板，它是由兩個相互平行的折射平面構(gòu)成的光學(xué)元件，平行平板用于會聚光路中時，其主要目的是作為檢測時用的測微元件，由公式（2.11）和誤差理論中的方差傳遞公式，可得： （3.1）2

56、2222)()(ldnlndn上式子中，是光學(xué)平板被測件 10 加入到物點 A 與成像光學(xué)系統(tǒng) 2 主面 H 之 l. . . . 22 / 48間后造成的物點 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。對公式d（2.11）求偏導(dǎo)后可求得傳遞系數(shù)分別為： （3.2）2) (ldldn （3.3）2) (lddln根據(jù)上述公式（3.2）與（3.3）可知道：與成反比，與成反比，又dnd ln l根據(jù)公式（2.11）可知道，對于同一種光學(xué)材料，與成正比，所以使用該測量d l方法測量較厚的平板會得到較高的精度。在本文設(shè)計的測量系統(tǒng)中，需要從兩個方面來考慮：一方面，從儀器本身的精度考慮，系統(tǒng)的

57、物與像之間的間隔必須大于位移傳感器的測量精度，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，對測量精度有一定影響。所以我們將被測件加工成標(biāo)準(zhǔn)的平行平板，即加工件 d 的厚度選用為 10mm。3.43.4 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)，使其能夠滿足該測量儀器的使用要求，并使儀器小型化、輕量化，同時還大大的降低了制造的成本。在本章結(jié)尾部分還對該折射率測量系統(tǒng)被測件光學(xué)平板進行了詳細(xì)的介紹。本文設(shè)計的物鏡系統(tǒng)的主要參數(shù)為：有效焦距為 45m

58、m，F(xiàn) 數(shù)為 4，全視場角為f8 ，均采用常見的光學(xué)玻璃 F2 和 SK6，經(jīng)過光學(xué)設(shè)計軟件 ZEMAX 優(yōu)化后，對光學(xué)系統(tǒng)的像差進行分析，并評價了成像質(zhì)量，達到了設(shè)計要求，并且選用了 1/3inch CCD作為圖像接受器件，像元尺寸為 6.35um6.35um ，CCD 的分辨率較高，滿足了系統(tǒng)的分辨率要求。. . . . 23 / 48第四章 精密機械傳動機構(gòu)設(shè)計4.14.1 精密傳動機構(gòu)精密傳動機構(gòu)4.1.1 精密機械傳統(tǒng)機構(gòu)的設(shè)計圖4.1 機械傳動機構(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）步進電機。如圖 4.

59、1 所示為機械傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。精密機械傳動機構(gòu)包括凸輪筒與小齒輪的齒輪傳動和凸輪筒與鏡筒 A 的螺旋傳動。整個精密機械傳動機構(gòu)，主要由電機、凸輪筒、鏡筒 A、 、鏡筒 B 以與位移傳感器組成。凸輪筒與小齒輪之間嚙合，鏡筒 A 與頂絲 A 螺紋連接，同時，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。電機通過驅(qū)動小齒輪 7 傳動凸輪筒 1 做旋轉(zhuǎn)運動，大齒輪部開有螺紋槽，迫使凸輪筒沿著螺紋槽做直線運動，從而使鏡筒 B 做同步直線運動。這樣，位移傳感器的拉桿也就同步作直線運動，并能夠精確測量并采集整個光學(xué)系統(tǒng)的運動位移。通過控制步進電機的正、反轉(zhuǎn)運動，就能夠控制大、

60、小齒輪的正、反轉(zhuǎn)運動，從而控制整個光學(xué)系統(tǒng)沿著大齒輪螺旋槽的前進或者后退，并取得精確測量結(jié)果。通過上述系統(tǒng)的協(xié). . . . 24 / 48調(diào)配合，最終能夠?qū)崿F(xiàn)對被測件的高精度、高質(zhì)量檢測，達到我們的測量要求。4.1.2 傳動機構(gòu)各零部件的設(shè)計（1）凸輪筒凸輪筒如圖 4.2 所示，其主要用于安裝并傳動成像光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)上位指令對成像光學(xué)系統(tǒng)的位置進行調(diào)節(jié)。其外部邊緣加工有齒，與小齒輪嚙合并由其傳動；部則加工有螺旋槽，以傳動部鏡筒連同光學(xué)系統(tǒng)做直線運動，并帶動位移傳感器拉桿得到位移信號。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