基于位移传感器的折射率测量系统方案

1、. . . . 1 / 48学号：学号： S100200148S100200148 硕士学位论文硕士学位论文基于位移传感器的折射率测量系统研究研究生：研究生：侯利杰学科、专业：学科、专业：光学工程二二一二年三月一二年三月基于位移传感器的折射率测量系统研究基于位移传感器的折射率测量系统研究 侯利杰侯利杰. . . . 2 / 48分类号： TN202 密 级： 可公开 U D C： 681.7 编 号：基于位移传感器的折射率测量系统研究ResearchResearch ofof thethe refractiverefractive indexindex measurementmeasureme

2、nt systemsystem basedbased onon displacementdisplacement sensorsensor 学位授予单位与代码：理工大学 (10186) 学科专业名称与代码：光学工程 (0803)研究方向：现代光学技术与工程应用 申请学位级别：硕士指导教师： 向阳 教授 研 究 生： 侯利杰论文起止时间：2011.92012.12. . . . 3 / 48摘 要对折射率的检测是提高光学仪器质量的前提，是研究光学系统成像质量的重要参数。本文设计了一种新的测量折射率的方法和装置，基于光学成像原理，利用光学平板成像规律，找到待测折射率与系统光学元件的调焦量的关系，将

3、传统的折射率与角度的关系转变为折射率与轴上位移的关系。测量方法简化，非接触测量，是集光、机、电、算于一体的高性能精密测量仪器，本文首先介绍了折射率测量系统的工作原理，并用 Zemax 软件设计了光学系统。本文采用三片式摄影物镜系统，有效焦距 f 为 45mm，F 数为 4，全视场角为 8，采用 1/3inch CCD 作为图像接受器件，像元尺寸为 6.35um6.35um,根据仪器的使用特点，光学系统满足使用要求。接下来对精密机械机构进行了详细的阐述，并给出了设计结果，最后进行了误差精度分析，系统的精度达到了 0.00885mm，满足仪器的使用要求。关键词：折射率 光学系统 误差. . . .

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 录摘要摘要ABSTRACTABSTRACT目目 录录第一章绪论第一章绪论 1 11.1 课题背景 11.2 课题研究的目的与意义 11.3 国外发展现状 41.4 本论文研究的主要容 51.5 本章小结 5第二章折射率测量系统的总体方案设计第二章折射率测量系统的总体

10、方案设计 6 62.1 系统的总体方案设计 62.2 成像光学系统 102.3 精密传动机构与其电控系统 112.4 计算机数据图像处理系统 122.5 本章小结 12第三章成像光学系统设计第三章成像光学系统设计 13133.1 CCD 的选取 133.2 光学系统设计 163.3 平行平板 203.4 本章小结 21第四章精密机械传动机构设计第四章精密机械传动机构设计 22224.1 精密传动机构 224.2 控制系统方案设计 244.3 位移检测系统研究 284.4 本章小结 32第五章误差精度分析第五章误差精度分析 33335.1 机械检测装置的误差 345.2 误差合成 35. . .

11、 . 6 / 485.3 本章小结 36第六章总结与展望第六章总结与展望 3737致致 3939参考文献参考文献 4040. . . . 1 / 48第一章 绪 论新世纪以来，现代先进科学技术经过时代变革后得到了跨越式的发展。特别是在新材料、电子、精密机械和虚拟技术等方面，发展速度飞快，大量创新技术也得到了成功研发。这些都大大促进了有关折射率测量技术的创新和发展，相关产品的研发也日益成熟，有关折射率测量的精度和效率也得到了极大的提高。另外，这些包涵先进测量原理的创新产品和仪器已经逐渐取代了原有落后的产品，促进了精密光学测量技术的发展，拓展了精密光学测量在科学领域的发展道路。1.11.1 课题背

12、景课题背景折射率是反应各类光学材料性能的一个关键参数，能够对光学成像系统的成像质量产生重要的影响，从而能够大大提高各类光学仪器或元件的质量和精度。同时，对各类光学材料折射率的测量还可以直接或间接反应出其他部信息。随着先进科学的不断发展，各类学科的相互作用和影响也越来越明显，交叉学科越来越多，基于此，光学材料折射率的测量系统的研究对其他科学研究领域也产生了巨大的影响，具有重要的意义。进入新世纪以来，国外的科学家和学者研发出了大量品种繁多的新产品，但是这些新产品的研发方向都是基本一样的，都在向功能多样化、工作自动化、高精度、智能化、可视化发展。这样就会对先进光学测量技术和设备产生较大的需求。比如显

13、微镜从单倍向多倍的发展，从人眼目视测量向可视化图像发展，火炮炮筒瞄准从目视向光电瞄准发展等。这些都足以说明光学材料折射率的检测需求，这就不断要求研发出精度更高，更加可靠，自动化程度更高的有关折射率检测的应用。由于传统的折射率测量技术必须要求材料特殊形状或者材料需要较大尺寸、检测环境等才能满足需求，这对于技术的研究来说是非常困难的和不经济的，所以，这些各种各样的原因导致了传统的折射率测量方法在测量领域显得越来越力所不与，难以满足各种需求，所以改进测量的装置和测量方法，从而实现折射率的高精度、高需求检测是非常有必要的。1.21.2 课题研究的目的与意义课题研究的目的与意义目前，光、机、电一体化产品

14、的需求越来越大，在各类大中型自动化设备和工厂生产线等方面，各类光学元件的应用越来越广泛。折射率的精确测量也就必然具有广阔的市场和深远的意义。经过多年的研究发展，已经产生了多种成熟的折射率测量技术。其中，按照被测对象的不同，最小偏向角法和自准直法来主要应用于固体介质折. . . . 2 / 48射率的测量；对于液体介质常用临界角法来实现；对于气体介质则需要使用精度较高的干涉法。目前在各类光学测试仪器中全反射法、最小偏向角法和 V 型棱镜法的应用最为广泛，通过对分析几种常见的折射率检测的方法，与其在实际中的应用，从而得出关于折射率检测的目的和意义。1.2.1 全反射法全反射法又被称为临界角法，其测

15、量原理如图 1.1 所示。首先将被测样品放在直角棱镜的斜边 AB 表面上，要求被测样品的折射率高于直角棱镜的折射率，当入射光线从直角边 BC 入射时，入射角大于或等于临界角，此时，直角棱镜)/arcsin(3nnix的 AB 表面上会发生全反射现象，反射光线由直角棱镜的 AC 边射出，发生折射现象，这时可以通过望远镜观察到明暗分界的条纹，当望远镜的刻线与分界线重合时，通过检测折射角，就可以测定被测件的的折射率。3xn图 1.1 全反射法光路图这种检测方法容易，结构较为简单，属于比较测量法，所以需要已知直角棱镜的折射率，同时还需要在直角棱镜与被测样品之间有折射液的配合，这样才能使直角棱镜与被测样

16、品之间有很好的接触，但这同时也使测量围受到限制，当测量精度要求不高时，基于全全反射法的阿贝折光仪的仪器精度一般为310-4。1.2.2 最小偏向角法最小偏向角法是目前检测精度最高、应用最为广泛的测量方法。其原理可用图1.2 来说明，一束单色光以特定的角度入射到三棱镜中，光线的经过三棱镜时发生折射现象，此时，入射光线与折射光线之间的夹角，我们称为偏向角，其有最小值，通过测定偏向角的最小值便可求出待测材料的折射率。xn. . . . 3 / 48 （1.1）)21sin()(21sinminxn公式（1.1）中：为三棱镜的顶角；为最小偏向角。min这种检测方法的优点是：检测精度高，折射率的测量围不

17、受限制，不需折射液加以配合等，但是这种方法也具有测量时需要大口径的棱镜配合，棱镜的制作既耗时又浪费光学材料等缺点，同时在测量过程中需要很好的调整测角仪，非常复杂，也不能够避免测量机构复杂性。使用最小偏向角法用精度测角仪的精度可达到为。6105图 1.2 最小偏向角法光路图1.2.3 V 型棱镜法图 1.3 V 棱镜测量原理图 （a）时（b)时0nn0nn如图 1.3 所示，V 棱镜是由一大一小两个材料一样的直角棱镜胶合而成的，根据其形状命名，两个直角棱镜的折射率已知。被测试样形状不受限制，但要保证有一个直角，涂上适当的匹配液，放入 V 棱镜的直角槽中。光线通过 V 棱镜和待测样品后产. . .

18、 . 4 / 48生偏向角，便可由公式（1.2）算出样品的折射率。（1.2）21220220)sinsin(nnn公式中：为待测样品折射率，为 V 棱镜折射率。时取正号；时取负n0n0nn0nn号。但是，采用 V 棱镜法检测，需要将被待测料加工出两个垂直光洁平面，尽管如此，在待测材料与 V 棱镜之间仍存在空气楔，需要配制匹配液予以消除。然而，加工两个垂直平面在光学加工领域其难度要比加工两个平行平面高。而匹配液是一种易挥发溶液，需要在检测前配制，比较麻烦，匹配液的使用消除了检测光光路中的空气介质，并未实现待测材料与 V 棱镜之间的精准 90角配合，因此，匹配液的使用只是减小检测误差，并未消除检测

19、误差。同时，是用 V 棱镜折射仪的测量精度为110-5。同时，对折射率测量还有些检测方法比如：折光率仪测定法、油浸法和阿贝折光仪法，这些方法的折射率测量围受到限制，仅在 1.3-1.9 之间；椭圆偏光仪测定法主要用来检测薄膜的折射率等。所以，为了克服现有这些常用检测方法所带来的问题，同时获得一种被测件加工容易、检测误差小的透明光学材料折射率检测方法，在光学测量领域有着重要的意义。本文提出了一种基于位移传感器的光学平板折射率检测装置与方法，本文提出的检测方法是通过光学成像，利用待测材料折射率与成像光学系统调焦量的函数关系实现折射率的检测，方法简单、易行。与此同时，检测精度取决于检测装置中的位移传

20、感器的精度，而本发明之检测装置采用直线位移传感器，其精度达到微米级，由此可知，这种检测方法的结果将会十分精确，满足设计要求。本文所设计的折射率测量系统是非接触，非破坏性测量，具有精度和分辨率高，测量方法和数据处理简单，趋向于测量自动化的检测仪器。1.31.3 国外发展现状国外发展现状近些年来，传感器技术、计算机技术、光谱分析、控制理论与 CCD 测量发展迅速，也就进一步促进了光学测量领域日新月异的发展。在折射率测量技术方面，落后的折射率测量仪器逐渐被市场淘汰，不断要求研发新的折射率测量仪器，使其配备先进的技术支持，同时精度、自动化、智能化、可靠性和抗干扰能力都能得到提高，测试速度更快，结果更加

21、可靠，从而满足市场的需要。目前，无论是国还是国外对折射率测量系统的研究基本上可以概括为两个方面。一方面，主要是对原有测量技术的应用围进行进一步的研究，并对测试设备进行改造和优化。另一方面，主要体现在对新检测技术的研究，结合当下比较先进的制造技术、工艺和新型材料，大胆的对原有的测量技术进行优化改进，进一步发挥原有优点，消除和避免原有的缺陷和不足。总而言之，国外目前对折射率测量技术的研究都是向高. . . . 5 / 48精度、智能化、测量自动化方向发展。现今折射率的干涉测量技术备受国外学者和专家的青睐，是该领域的研究热点。晶体材料最显著的特征就是具有较大的折射率，容易发生双折射现象。此外，晶体材

22、料本身价格特别昂贵，容易受自身频率改变的影响产生色散现象，对折射率测试设备自身的精度要求很高。因而，如何实现对晶体材料折射率的自动化、智能化、非接触、高精度测量一直都是各国光学领域研究的热点。目前乌克兰的 A.S. Andrushchak 和美国的 Glen D. Gillen 已经在这方面进行了大量的研究工作，取得了较好的研究结果。1.41.4 本论文研究的主要容本论文研究的主要容通过搜集、查阅、整理大量相关文献，本文提出了一种基于位移传感器的光学平板折射率检测装置与方法，该装置的测量方法和数据处理简单，在认真分析前人的研究成果后，对原有折射率测量仪器进行了充分的研究，在此基础上，主要完成了

23、以下工作：第一，了解了折射率测试技术和设备的研究背景，详细分析了本课题的研究意义和目的，并对折射率测试技术的国外研究方向和现状进行进一步研究。第二，对折射率测量系统进行了总体的方案设计，并且阐述了折射率测量系统的原理，对系统的各部分组件进行选取，明确了各个系统需要实现的功能与设计的目标。第三，设计仪器的成像光学系统，并且对相关系统的组件进行选取，使成像系统满足整个测量仪器的使用要求。第四，根据系统参数要求，设计相应的光学系统机械机构，并说明机械结构原理，选取满足要求的机械系统系统各组件。第五，对本系统的理论公差与实际误差进行精度分析。第六，对整个系统进行相关的总结和展望。1.51.5 本章小结

24、本章小结本章主要介绍了有关折射率测量技术的研究背景，认真总结了传统的折射率测量方法与优缺点，详细阐述了折射率测量的国外研究方向和现状，并进一步说明了有关折射率测量的研究目的和意义。通过比较，提出了一种新的有关折射率检测的方法，这种方法检测结果准确，精度达到微米级，非接触测量，最后详细阐述说明了本课题的主要研究容。. . . . 6 / 48第二章 折射率测量系统的总体方案设计2.12.1 系统的总体方案设计系统的总体方案设计2.1.1 系统的测量和传动原理本论文的系统测量原理如图 2.1 所示，光源 1、成像光学系统 2、CCD 图像传感器3 光学同轴依次排列；成像光学系统 2 位于凸轮筒 4

25、 中，并与位移传感器的拉杆 5 连接；电机 6 驱动凸轮筒 4 旋转，控制与处理电路 7 分别与电机 6、位移传感器 8 电连接，与上位机 9 串口连接，CCD 图像传感器 3 也与上位机 9 电连接。系统的传动原理如图 2.2 所示，电机作为主驱动设备驱动凸轮筒转动，从而带动光学系统作直线运动，并传动传感器拉杆产生位移信号。图 2.1 折射率测量系统原理图电机凸轮筒光学系统传感器拉杆图 2.2 系统传动原理框图系统的测量过程是成像光学系统 2 能够将光源 1 作为物点 A 成像于 CCD 图像传感器 3 中，光源 1 采用贴片 LED 灯，安装在光机座一端，并可进行位置调节，光学平板被测件

26、10 通过夹具垂直安装于光机座上并可以进行位置调节。该测量仪器安装于二维转台上，可通过二维转台调整其横向和纵向位置，使光学系统的主光轴与平行平板11046285397. . . . 7 / 48与光源 1 在同一条直线上。这样光学平板就能够置于光源和成像光学系统 2 之间，通过调整成像光学系统 2，就可以将成像光学系统 2 对物点 A 的光学平板被测件 10 折射像 A成像于 CCD 图像传感器 3 中。成像光学系统 2 的调整是由上位机 9 指令控制与处理电路 7 控制电机 6 驱动凸轮筒 4 来实现。在物点 A 成像过程中，CCD 图像传感器 3将物点 A 的视频图像信号传输给上位机 9，

27、由上位机 9 通过计算机图像识别技术识别视频图像的清晰程度，同时指令控制与处理电路 7 控制电机 6，直到视频图像最清晰，此时成像光学系统 2 对焦成功。在所述对焦过程中，成像光学系统 2 在光路中的位移量经由位移传感器 8 探测，并由控制与处理电路 7 读取后传递给上位机 9，由上位机9 据此计算出光学平板被测件 10 的折射率并显示计算结果。所述位移量有两个，一个是成像光学系统 2 从对无穷远处成像到对物点 A 清晰成像所发生的位移 S1，二是成像光学系统 2 从对无穷远处成像到加入光学平板被测件 10 后对物点 A 的光学平板被测件 10 折射像 A清晰成像所发生的位移 S2。图 2.3

28、 光学检测原理图根据所得到的位移 S1、S2以与成像光学系统 2 的焦、光学平板被测件的f厚度 d 计算待测材料的折射率，如图 2.3 光学检测原理图所示。nf H lFF2lAS1l1-l1AS2l2-l210d. . . . 8 / 48设为透镜光焦度，对无穷远处对焦时的作为零点，即， 对 Af1l1fl成像时， （2.1） 1111ll 1111lll（2.2）由于对 A 成像时需要调焦，产生的调焦量为，可求得：flS11 （2.3）11Sfl当对成像时，A （2.4）2211ll （2.5）2221lll由于对 A成像时需要调焦，考虑调焦量，可求得：flS22 （2.6）22Sfl式中

29、：1l是成像光学系统 2 对物点 A 清晰成像时的像距，2l是成像光学系统 2 对物点A 的光学平板被测件 10 折射像 A清晰成像时的像距，f是成像光学系统 2 的焦距，是成像光学系统 2 对物点 A 清晰成像后其主面 H 相对于初始零点的位移，是1S2S成像光学系统 2 对物点 A 的光学平板被测件折射像 A清晰成像后其主面 H 相对于初始零点的位移。 （2.7）111lflfl （2.8）222lflfl式中： 是光学系统 2 对物点 A 成像清晰时的物距，是成像光学系统 2 对物点 A 的1l2l. . . . 9 / 48光学平板被测件 10 折射像 A清晰成像时的物距，是成像光学系

30、统 2 的焦距，是f1l光学系统 2 对物点 A 成像清晰时的像距，是成像光学系统 2 对物点 A 的光学平板被2l测件 10 折射像 A清晰成像时的像距。 （2.9）12lll式中：是光学平板被测件 10 加入到物点 A 与成像光学系统 2 主面 H 之间后造成的l物点 A 虚物距变化， 是成像光学系统 2 对物点 A 清晰成像时的物距，是成像光学1l2l系统 2 对物点 A 的光学平板被测件 10 折射像 A清晰成像时的物距。 （2.10）)11 (ndl （2.11）lddn式中：是被测件的折射率，是被测件 10 的厚度，是光学平板被测件在放入到ndl物点 A 与成像光学系统 2 主面

31、H 之间后造成的物点 A 虚物距变化，通过以上公式的计算过程，就可求得我们所需要的被测件光学平板的折射率。n2.1.2 系统的总体构设计本论文所设计的基于位移传感器的折射率测量系统采用了集光、机、电于一体的先进技术，完成了对被测件的非接触测量，测量方法和数据处理简单，趋向于测量自动化的精密检测，从而达到测量要求。为实现对被测件折射率的检测，根据实际情况，提出了如图 2.4 所示的折射率测量系统的整体结构设计方案。图2.4 折射率检测系统总体结构简图（1）压圈 A；（2）镜筒前盖；（3）镜筒 A；（4）电位连杆；（5）凸轮筒；（6）外筒；（7）连接螺丝；（8）. . . . 10 / 48镜筒

32、B；（9）固定座；（10）隔圈 A；（11）隔圈 B；（12）压圈 B；（13）顶丝；（14）镜筒 C；（15）小齿轮；（16）电机该折射率测试系统主要由精密机械传动机构、光学成像系统、位移传感器检测系统、计算机控制系统和数据采集系统几大部分构成。其中：精密机械直线传动机构主要由电机驱动齿轮做旋转运动，迫使镜筒 A 沿着螺旋槽做直线传动；线性位移传感器构成传感器检测系统的核心；光学成像系统采用三片式摄像物镜系统，CCD 接收成像，整个系统采用人机交互测量。上位机控制系统和数据采集系统的主要负责对精密机械传动机构的控制，采集光学成像系统的位移信号，并通过上位程序的计算，获得最终的测试结果。2.2

33、2.2 成像光学系统成像光学系统成像光学系统用于对被测件光学平板成像与 CCD 图像传感器中，是系统的核心部分，仪器中的光学成像系统安装在由电机驱动的镜筒中。本仪器所使用的光学系统由图像接收系统和图像采集系统两部分组成。本文所设计的光学系统采用三片式摄影物镜系统，其透镜的厚度较小，这种物镜结构对像差影响较小，一般不作为变量，可直接根据透镜的通光孔径和工艺要求决定，能够满足设计需要。在安放成像光学系统的镜筒的机械结构设计中，如图 2.5 所示，安装过程中不但需要保证整个系统结构的完整性，也同样需要保证透镜与透镜之间要有一定的调整量，镜筒部要有可利用的空间，从而保证成像系统在镜筒能够做直线运动，并

34、产生系统检测所需的位移量。系统的透镜镜片用压圈加以固定，用弹簧和螺纹帽来进行透镜之间距离的调整。. . . . 11 / 48图 2.5 镜筒的机械结构图1 镜片 1；2 隔圈 1；3 镜片 2；4 隔圈 2；5 镜片 3；6 压圈；7 镜筒2.32.3 精密传动机构与其电控系统精密传动机构与其电控系统图2.6 传动机构与电控系统原理图如图 2.6 所示，电控系统和精密传动机构是折射率测量系统的核心组成部分，两者的相互配合实现了对被测样品平行平板的测量。所以电控系统和传动机构的设计直接影响到整个折射率测量系统的工作精度、效率等。由于测量时不能直接就进行数据的采集，所以电控系统和传动机构主要完成

35、两个动作，其一是负责整个测量系统的传动，其二是负责位移传感器信号的检测，只有两个动作协调配合才能实现对被测样品平行平板的折射率的高精度的测量。本章根据论文要求，完成了其所需的传动机构与电控系统的设计。电控系统完成对整个系统的协调控制，整个传动系统由步进电机提供动力，通过高精度大齿轮的旋转驱动整个系统的运动，通过位移传感器拉杆的直线运动得到所需要的测量数据。整个系统结构紧凑，布局简洁合理，能够满足测量要求。图 2.7 控制系统原理框图. . . . 12 / 48整个电控系统的原理图如图 2.7 所示，其由电机、位移传感器、图像采集卡、上位机、稳压电源等组成。其中，整个折射率测量系统的核心成像光

36、学系统的调整是由上位机指令控制与处理电路，控制电机驱动凸轮筒来实现的，以保证系统检测过程的进行。整个电控系统以上位机为核心，通过电机驱动光学系统直线运动，位移传感器采集的位置信息经过电压转换、滤波等前端处理，送入上位机；CCD 摄像机进行图像采集的图像信息通过图像采集卡送入上位机；上位机通过计算机图像识别技术对图像与数据信号统一接收、处理，最终显示检测结果。2.42.4 计算机数据图像处理系统计算机数据图像处理系统计算机图像采集处理系统主要由计算机控制，被测物体图像经前方图像采集系统采集后，将图像电信号传输储存到 PC，将电信号经过 D/A 转换为视频信号，将所采集到的图像最终呈现在计算机上，

37、然后根据对所需不同图像要求，对所采集到的图像信息进行进一步的处理，如像质评定，被测物体的物理分析，图像局部分析评定等，然后根据图像分析处理后，再进行再次光学系统调焦、图像采集、图像处理等操作。如图 2.8 所示为图像处理系统原理图，首先，被测件光学平行平板经由光学系统成像，被图像采集系统机器视觉 CCD 所接收，再经由 CCD 将前方传来的光信号转换为电信号传输给图像处理系统进行进一步图像处理工作，然后经过图像处理系统处理过的电信号转换为视频影像信号，最后由计算机进行图像输出显示。当图像采集系统所采集图像不是清晰有效像时，计算机控制系统会发出相应指令，控制机械调焦系统来调节系统的机械结构，进而

38、调节光学系统中得相应镜片结构，使得待测物体处于远近任何位置时，自始至终都将获得清晰有效像。图 2.8 图像处理系统原理图本系统通过结合光、机、电一体化有效组合，即可将需求的待测物体数据通过简单便捷的方式存储输出与计算机上。. . . . 13 / 482.52.5 本章小结本章小结本章主要完成了基于位移传感器的折射率测量系统的总体结构方案设计，并着重介绍了该系统的基本测量原理，同时阐述了该系统各个组成机构的主要工作原理。整个测量系统具有较好的稳定性，良好的可操作性，方便易用，自动化程度较高。. . . . 14 / 48第三章 成像光学系统设计3.13.1 CCDCCD 的选取的选取3.1.1

39、CCD 与 CMOS 对比 CCD 成像器件和 CMOS 成像器件都是利用光电转换原理制成，这种转换原理与太阳能发电的原理相近，都是利用光照射转化为电信号，光的能量越强，电信号越强，反之光能量越弱，电信号也越弱，根据这点，就可以实现对光图像到电信号的转换。 两者虽然原理相近，但也是各有利弊，对于两者从技术方面进行对比，有以下四点不同：(1) 它们的信息读取方式不同CCD 上由于光的照射而产生的储存电荷，需要一位一位的传输，还要有同步信号进行控制，其输出时还需要有三组不同的电源和时钟控制电路的配合，整体而言比较复杂。CMOS 是将光的照射直接的变为电信号，然后一起读取，比较 CCD 的信息读取要

40、简单。(2) 它们的速度不同CCD 在时钟电路下，读取信息，需要一位一位的读取，然后一位一位的输出，速度较慢；而 CMOS 对信息的采集是同时的，一下就可以读取，同时还可处理图像信息，比 CCD 要快很多。(3) 它们的能量消耗不同CCD 需要三组电源为其供电，能量消耗较大；而 CMOS 只需要一个电源就足以对其进行供电，能量消耗要小于 CCD。较小的能量消耗，使 COMS 在功耗上占有很大优势。(4) 它们的成像质量不同CCD 成像技术很早便被大家广泛研究，技术已经很成熟，而且其已经采用了很多新技术减小了噪声对成像质量的影响，比起 COMS 要有很大的优势。 除了上面所说的以外，在成像效果上

41、还有一定的差异，其中包括感光面积与灵敏度差异、生产成本差异、解析度的差异、噪点比的大小、功耗等。感光面积与灵敏度差异：CMOS 的成像像素众多，在每一个像素都接有处理电路和放大器，所以在一样的像素和一样的感光面积下，CMOS 的总体感光面积要小于 CCD 的感光面积，因此 COMS 的灵敏度要低于 CCD 的灵敏度。生产成本差异：对于 CMOS 的生产制作一般都是采用半导体工业中的 MOS 制程，它可以用单晶片一次的将周边的设施统一整合，这样可以节约成本同时也减少故障的损失；由于 CCD 本身是采用电荷移动传输来输出信号的，当在其传输通道上有一个坏点，即一个像素故障，这将导致整个通道的信息传输

42、故障，从而无法传递信息。因此CCD 的故障率要高于 CMOS，所以其生产成本也要高于 COMS。. . . . 15 / 48解析度的差异：由于 CMOS 的每个像素都配有电路，加上其周边电路，导致其整体的感光面积会小于 CCD，所以在其大小的感光面积和像素数一样时，CCD 的解析度会高于 CMOS。但是如果没有尺寸大小的束缚，CMOS 可以做到很大，能够克服大尺寸感光元件在制造上的困难。噪点的大小差异：因为 CMOS 的每个像素都配有放大器和 A/D 转换电路，如果CMOS 有百万像素，那就有百万个放大器和转换电路，虽然统一制造，但是在彼此之间还是有差异的存在，很难同步的放大；而 CCD 感

43、光器只有一个放大器，这就大大的减小了噪点，CCD 的噪点要比 CMOS 少很多。功耗差异：CMOS 是受光照后传输电信号，其为主动式，由光照产生的电荷会直接放大输出；而 CCD 则是需要外接电源，通常需要 12V 以上，还要有外围处理电路等等，这就是 CCD 功耗要远大于 CMOS 的功耗。如表 3-1 所示，对 CCD 和 CMOS 进行对比：表 3-1CCD 与 CMOS 对比CCDCMOS设计单一感光器感光器连接放大器灵敏度同样面积高感光开口小成本线路品质影响程度高CMOS 整合集成解析度连接复杂度低，解析度高低，新技术高噪点单一放大，噪点低百万放大，噪点高功耗比需要外加电压直接放大，功

44、耗低由于其自身的固有结构差异，我们可以知道其各自性能上的差异。由于 CCD 在信号传输时有自己的专属信息传输通道，故它可以充分保持在信号传输中不产生失真现象，然后每个像素都集合于同一放大器进行处理，这样可大大的保证了资料的完整性；CMOS 的每个像素都配有放大器，每个像素都是先经过放大后在整合各个像素的资料，这样不能保证整体资料的完整性。综上，为了更好地观察和监视目标，分析目标的位置，从而进行稳定的跟踪，我们选择了 CCD 作为本次设计的成像器件。3.1.2 CCD 的选定CCD 在现在的使用中是非常具有代表性的，它有很多优点：小的体积、高的灵敏度、长的使用寿命，传输信号不失真等。本题中 CC

45、D 的选择是至关重要的。对 CCD 的选择需要满足的要求：1）CCD 的感光围为可见光。2）选取的 CCD 要有较高的分辨率，从而满足系统分辨要求。经过查阅资料和市场调研之后，决定选取 1/3 英寸 CCD 图像传感器，如图 3.1 所示，其型号为 WAT-231S2 高分辨、高灵敏度彩色摄像机。其彩色高解析度达到540TVL，具有图像疵点消除功能，多功能、高灵敏度，是具有 BNC & Y/C 双输出的彩色数字式 CCD。它对感光面进行逐行扫面，然后进行隔行传输。CCD 后接图像采集卡，. . . . 16 / 48采集卡得到的数字信息通过软件处理变为彩色图像显示出来。其主要应用于要获

46、取彩色图像、高分辨率和高帧速的要求，而且还带有外部异步采集功能，使抓拍快速运动的物体变得简单容易。图 3.1 UNIQ UC-930 型 CCD本产品具有体积小、重量轻等优点，可以选择使用数字输出或使用模拟输出，其后面板上还有其它功能，使用都是十分简单，便于操作。其系统参数见表 3-2。表 3-2 UNIQ 公司 UC-930 型 CCD 芯片的主要性能型号WAT-231S2（NTSC）影像传感器1/3 英寸 CCD 图像传感器总像素数811(H)*508(V)有效像素（HxV）768(H)*494(V)像元大小6.35um(H)*7.4um(V)成像系统Ye, Cy, Mg, and G c

47、omplementary color mosaic filters on chip同步方式同步扫描系统2:1 隔行扫描视频输出综合，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)自动增益控制：高：0-38dB / 低：0-32dB手动增益控制0-32dBGamma 特性：0.45（开）/= 1.0（关）镜头光圈Video /DC（EIAJ arrangement,Auto-select）背光补偿开/关白色缺陷校正高达 32 像素电源电压DC + 12V + -10%耗电量2.1W（175mA）工作温度-10 - +50（无霜结） ）储藏温度-30 - +70（无霜结）工作/储藏湿度低于 95RH镜头接口CS 接口（后焦距可调）重量约 140 克3.

49、23.2 光学系统设计光学系统设计本论文所提出的折射率测量系统的目的是为了通过检测平行平板，由光学成像系统产生位移量，位移传感器探测到位移量，然后经由计算机数据处理，从而获得检测结果，所以成像光学系统是仪器的核心组成部分，需满足仪器的使用要求。本论文采用三片式摄像物镜初始结构进行优化设计，光学系统采用柯克型光学系统，其物镜结构的基本形式如图 3.2 所示，这种系统结构三片都是薄透镜，最后一片为非对称镜，这种结构对像差影响较小，光阑在中镜片附近等特点，有利于仪器整体小型化，降低成本，在摄影物镜设计中使用广泛，其相对孔径和视场角都不是特别大，满足我们的使用要求。根据本文系统提出的技术指标要求，可以

50、从相关资料中找到物镜结构，作为设计基础，并采用 ZEMAX 光学设计软件进行设计，对镜头参数进行优化设计，把各种像差降低到我们使用要求的程度，从而确定最终的镜头结构数据。光学系统设计就是根据其使用需求来确定光学系统的性能参数、各透镜光组的结构和外形尺寸等。因此可以把光学系统设计的主要过程分为 4 个阶段：系统主要技术指标的确定、初始结构的确定、ZEMAX 设计仿真优化以与像质评价。一般考虑到光学. . . . 18 / 48系统存在单色像差主要有：像散、球差、彗差、畸变和场曲；两种色差：位置色差和倍率色差。在进行像质评价分析时，这些像差都不是单独存在着，需要综合考虑全部的像差。图 3.2 柯克

51、型物镜结构图3.2.1 系统主要指标的确定（1）.相对孔径入瞳在均匀光照时，物镜的像面照度与相对孔径的平方成正比，或者与 F 数的平方成反比。相对孔径越大，越能够在像面上获得越大的光通量。本文的摄像物镜的相对孔径为 14 。（2）镜头片数为了保证在像面上能够获得更多的光能，提高光学系统的使用性，应该使物镜中的透镜片数尽可能较少，这样可以增大光学系统的透过率，从而减小对物光的吸收，同时也减少了系统本身的重量。本文采用三片式摄像物镜系统，镜片数为 3 片。（3）视场根据所选用的 CCD 像高为 6mm，成像要求初定物镜的有效焦距为 45mm，可知视场角 2。o8（4）畸变畸变指物体在成像的过程中，

52、像差畸变的程度，在目视观察系统中，其畸变允许值较大，一般在像面的边缘允许值不超过 8%，由于人眼对中心 20视场中的物体尤为敏感，所以在该围畸变值应不超过 3%，系统应满足此要求。（5）色差单色像差则主要体现在光组和物质的几何因素上，所以可不必考虑色差因素。综上所述，成像光学系统的主要技术指标为：1) 视场角：o822) 相对孔径：4/1/fD3）F 数：0 . 4/ Df4) 最大像面尺寸：4.8mm3.6mm. . . . 19 / 485) 最小半像高：3mm6) 光学后截距：30mm7) 系统焦距：45mm8) 畸变：像面边缘 8%；20视场 3%；3.2.2 ZEMAX 仿真优化为了

53、能够更好的校正像差，得到优质的图像，达到我们的需求，根据上述技术指标设计了一款基于位移传感器的平行平板的折射率测量系统的光学系统，其系统结构图如图 3.3 所示：图 3.3 光学系统二维结构图摄像物镜系统的工作长度为 24mm, 系统光学玻璃材料要求其具有一定的机械强度，能够承受一定的负荷；具有较高的表面硬度，以便研磨和抛光；具有较高的化学稳定性，以适应各种潮湿和腐蚀性的外界条件，并抵挡化学试剂与化学溶剂的侵蚀。本系统采用的玻璃为 F2 和 SK6，这两种玻璃材料，具有高折射率，低色散度等特性，简化了光学镜头，能够有效的消除球差、色差，提高成像质量，且都能够满足使用要求。如图 3.4 所示，为

54、光学系统的调制传递函数(MTF) 曲线，横坐标为空间频率，纵坐标为调制度，光学系统的成像性能所决定了这种函数的具体形式，因此光学传递函数（MTF 值）客观地反映出光学系统的成像质量。从图中我们能够看出，100lp/mm 时，MTF 基本上均接近于衍射极限，符合系统使用要求。. . . . 20 / 48图 3.4 MTF 图图 3.5 点列图系统的点列图见 3.5 所示，点列图反映了物点通过光学系统在像平面上的弥散斑. . . . 21 / 48的形状和大小。在点列图中可以看到所有视场的弥散斑半径均能在 2.86m 以，大部分均在艾里斑的围，完全达到了 CCD 像元大小的要求。图 3.6 场曲

55、和畸变系统的场曲和畸变图如图 3.6 所示，由于系统本身也能够非常有效的消除畸变与场曲，可看到系统的场曲基本上控制在 0.1%以，畸变也能有效的控制在 0.05%以，从图中的黑线可知，在物方 20视场处，畸变小于 3%；在像场边缘处，畸变约小于 8%，因此满足设计要求。所以说，本系统的像差优化结果是比较理想的，成像清晰，完全达到指标要求。3.33.3 平行平板平行平板本文所设计的折射率测量系统需将待测材料加工成光学平行平板，它是由两个相互平行的折射平面构成的光学元件，平行平板用于会聚光路中时，其主要目的是作为检测时用的测微元件，由公式（2.11）和误差理论中的方差传递公式，可得： （3.1）2

56、2222)()(ldnlndn上式子中，是光学平板被测件 10 加入到物点 A 与成像光学系统 2 主面 H 之 l. . . . 22 / 48间后造成的物点 A 虚物距变化的标准偏差，为平行平板厚度的标准偏差。对公式d（2.11）求偏导后可求得传递系数分别为： （3.2）2) (ldldn （3.3）2) (lddln根据上述公式（3.2）与（3.3）可知道：与成反比，与成反比，又dnd ln l根据公式（2.11）可知道，对于同一种光学材料，与成正比，所以使用该测量d l方法测量较厚的平板会得到较高的精度。在本文设计的测量系统中，需要从两个方面来考虑：一方面，从仪器本身的精度考虑，系统的

57、物与像之间的间隔必须大于位移传感器的测量精度，它们之间的差值越大，光程差越多，从而平行平板越厚，测量也就越容易；另一方面，从平行平板的加工工艺考虑，平行平板越厚，越无法预知光学材料折射率的均匀性，对测量精度有一定影响。所以我们将被测件加工成标准的平行平板，即加工件 d 的厚度选用为 10mm。3.43.4 本章小结本章小结本章详细阐述了系统的核心成像光学系统。该光学系统采用三片式摄像物镜系统，使其能够满足该测量仪器的使用要求，并使仪器小型化、轻量化，同时还大大的降低了制造的成本。在本章结尾部分还对该折射率测量系统被测件光学平板进行了详细的介绍。本文设计的物镜系统的主要参数为：有效焦距为 45m

58、m，F 数为 4，全视场角为f8 ，均采用常见的光学玻璃 F2 和 SK6，经过光学设计软件 ZEMAX 优化后，对光学系统的像差进行分析，并评价了成像质量，达到了设计要求，并且选用了 1/3inch CCD作为图像接受器件，像元尺寸为 6.35um6.35um ，CCD 的分辨率较高，满足了系统的分辨率要求。. . . . 23 / 48第四章 精密机械传动机构设计4.14.1 精密传动机构精密传动机构4.1.1 精密机械传统机构的设计图4.1 机械传动机构示意图（1）凸轮筒；（2）外筒；（3）顶丝 A；（4）镜筒 A；（5）镜筒 B；（6）顶丝 B；（7）小齿轮；（8）步进电机。如图 4.

59、1 所示为机械传动机构结构示意图。精密机械传动机构包括凸轮筒与小齿轮的齿轮传动和凸轮筒与镜筒 A 的螺旋传动。整个精密机械传动机构，主要由电机、凸轮筒、镜筒 A、 、镜筒 B 以与位移传感器组成。凸轮筒与小齿轮之间啮合，镜筒 A 与顶丝 A 螺纹连接，同时，凸轮筒与镜筒 B 通过顶丝 B 连接，镜筒 B 与位移传感器的拉杆相连接。电机通过驱动小齿轮 7 传动凸轮筒 1 做旋转运动，大齿轮部开有螺纹槽，迫使凸轮筒沿着螺纹槽做直线运动，从而使镜筒 B 做同步直线运动。这样，位移传感器的拉杆也就同步作直线运动，并能够精确测量并采集整个光学系统的运动位移。通过控制步进电机的正、反转运动，就能够控制大、

60、小齿轮的正、反转运动，从而控制整个光学系统沿着大齿轮螺旋槽的前进或者后退，并取得精确测量结果。通过上述系统的协. . . . 24 / 48调配合，最终能够实现对被测件的高精度、高质量检测，达到我们的测量要求。4.1.2 传动机构各零部件的设计（1）凸轮筒凸轮筒如图 4.2 所示，其主要用于安装并传动成像光学系统，根据上位指令对成像光学系统的位置进行调节。其外部边缘加工有齿，与小齿轮啮合并由其传动；部则加工有螺旋槽，以传动部镜筒连同光学系统做直线运动，并带动位移传感器拉杆得到位移信号。具体三维结构如图所示，其主要技术指标参数为：外部齿轮模数 m 为5mm，齿数为 52，啮合角为 20，其中螺旋槽的规格