基于位移传感器的折射率测量系统.doc

学号 学号 S100200148 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 研究生姓名 研究生姓名 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 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 Research of the refractive index measurement system based on displacement sensor 学位授予单位及代码 长春理工大学 10186 学科专业名称及代码 光学工程 0803 研究方向 现代光学技术及工程应用 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 9 2012 12 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 3 inch CCD 作为图像接受器件 像元尺寸为 6 35um 6 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 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 录 摘摘 要要 ABSTRACTABSTRACT 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 1 课题背景 1 1 2 课题研究的目的及意义 1 1 3 国内外发展现状 4 1 4 本论文研究的主要内容 5 1 5 本章小结 5 第二章第二章 折射率测量系统的总体方案设计折射率测量系统的总体方案设计 6 6 2 1 系统的总体方案设计 6 2 2 成像光学系统 10 2 3 精密传动机构及其电控系统 11 2 4 计算机数据图像处理系统 12 2 5 本章小结 12 第三章第三章 成像光学系统设计成像光学系统设计 1313 3 1 CCD 的选取 13 3 2 光学系统设计 16 3 3 平行平板 20 3 4 本章小结 21 第四章第四章 精密机械传动机构设计精密机械传动机构设计 2222 4 1 精密传动机构 22 4 2 控制系统方案设计 24 4 3 位移检测系统研究 28 4 4 本章小结 32 第五章第五章 误差精度分析误差精度分析 3333 5 1 机械检测装置的误差 34 5 2 误差合成 35 5 3 本章小结 36 第六章第六章 总结与展望总结与展望 3737 致致 谢谢 3939 参考文献参考文献 4040 1 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 1 课题背景课题背景 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内部信息 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 国内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相同的 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及 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 2 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 目前 光 机 电一体化产品的需求越来越大 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 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 及其在实际中的应用 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 3 nni x 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 3 x n 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 镜与被测样品之间有很好的接触 但这同时也使测量范围受到限制 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 3 10 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 x n 3 2 1 sin 2 1 sin min x n 1 1 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 折射率的测量范围不受限制 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 6 105 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 0 nn 0 nn 如图 1 3 所示 V 棱镜是由一大一小两个材料相同的直角棱镜胶合而成的 根据 4 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 产生偏向角 便可由公式 1 2 算出样品的折射率 2 1 22 0 22 0 sinsin nnn 1 2 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n 0 n 0 nn 0 nn 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 并未消除检测误差 同时 是用 V 棱镜折射仪的测量精度为 1 10 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范围受到限制 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 置及方法 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 3 国内外发展现状国内外发展现状 近些年来 传感器技术 计算机技术 光谱分析 控制理论及 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 结果更加可靠 从而满足市场的需要 目前 无论是国内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范围进行进一步的研究 并对测试设备进行改 5 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 国内外目前对折射率测量技术的研究都是 向高精度 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内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 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 4 本论文研究的主要内容本论文研究的主要内容 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 板折射率检测装置及方法 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内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及设计的目标 第三 设计仪器内的成像光学系统 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 5 本章小结本章小结 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 方法及优缺点 详细阐述了折射率测量的国内外研究方向和现状 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 的主要研究内容 6 第二章 折射率测量系统的总体方案设计 2 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 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 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 平板及光源 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 1 1046 2 8 53 97 7 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 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 光学检测原理图 根据所得到的位移 S1 S2 以及成像光学系统 2 的焦 光学平板被测件的厚度f d 计算待测材料的折射率 如图 2 3 光学检测原理图所示 n f H l F F 2 l A S1 l1 l1 A S2 l2 l2 10 d 8 设为透镜光焦度 对无穷远处对焦时的作为零点 即 对 A f 1 l 1 fl 成像时 1 1 11 l l 2 1 1 1 1 1l l l 2 2 由于对 A 成像时需要调焦 产生的调焦量为 可求得 flS 11 11 Sfl 2 3 当对成像时 A 2 2 11 l l 2 4 2 2 2 1l l l 2 5 由于对 A 成像时需要调焦 考虑调焦量 可求得 flS 22 22 Sfl 2 6 式中 1 l 是成像光学系统 2 对物点 A 清晰成像时的像距 2 l 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 1 S 2 S 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 9 1 1 1 lf lf l 2 7 2 2 2 lf lf l 2 8 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 1 l 2 l 光学平板被测件 10 折射像 A 清晰成像时的物距 是成像光学系统 2 的焦距 是f 1 l 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 2 l 被测件 10 折射像 A 清晰成像时的像距 12 lll 2 9 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 l 的物点 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 1 l 2 l 学系统 2 对物点 A 的光学平板被测件 10 折射像 A 清晰成像时的物距 1 1 n dl 2 10 ld d n 2 11 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nd l 物点 A 与成像光学系统 2 主面 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 n 2 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 10 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 镜筒 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 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 是系统内的核 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 11 镜筒内部要有可利用的空间 从而保证成像系统在镜筒内能够做直线运动 并产生系 统检测所需的位移量 系统内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 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 3 精密传动机构及其电控系统精密传动机构及其电控系统 图2 6 传动机构及电控系统原理图 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及 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 12 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 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 及数据信号统一接收 处理 最终显示检测结果 2 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 内 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 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 进而调节光学系统中得相应镜片结构 使得待测物体处于远 13 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 2 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 同时阐述了该系统内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 第三章 成像光学系统设计 3 1 CCD 的选取的选取 3 1 1 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 在成像效果上还有一定的差异 其中包括感光面积及灵敏 度差异 生产成本差异 解析度的差异 噪点比的大小 功耗等 感光面积及灵敏度差异 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 所以在相同的像素和相同的感光面积下 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 15 坏点 即一个像素故障 这将导致整个通道的信息传输故障 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 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相同时 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 1 CCD 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 CCD 的选择是至关重要的 对 CCD 的 选择需要满足的要求 1 CCD 的感光范围为可见光 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 16 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 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 complementary color mosaic filters on chip 同步方式内同步 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 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 自动增益控制 高 0 38dB 低 0 32dB 手动增益控制 0 32dB Gamma 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 95 RH 镜头接口CS 接口 后焦距可调 重量约 140 克 3 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 18 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 设计仿真优化以及像质评价 一般考虑到光 学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 1 4 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 o 8 4 畸变 畸变指物体在成像的过程中 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 所以在该范围内畸变值应不超过 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 o 82 19 2 相对孔径 4 1 fD 3 F 数 0 4 Df 4 最大像面尺寸 4 8mm 3 6mm 5 最小半像高 3mm 6 光学后截距 30mm 7 系统焦距 45mm 8 畸变 像面边缘 8 20 视场内 3 3 2 2 ZEMAX 仿真优化 为了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 系统内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 并抵挡化学试剂及化学溶剂的侵蚀 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 为光学系统的调制传递函数 MTF 曲线 横坐标为空间频率 纵 20 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 图 3 4 MTF 图 21 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 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 86 m 以内 大 部分均在艾里斑的范围内 完全达到了 CCD 像元大小的要求 22 图 3 6 场曲和畸变 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及场 曲 可看到系统的场曲基本上控制在 0 1 以内 畸变也能有效的控制在 0 05 以内 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 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 22 222 l dn l n d n 3 1 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 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 23 2 ld l d n 3 2 2 ld d l n 3 3 根据上述公式 3 2 与 3 3 可知道 与成反比 与成反比 又 d n d l n l 根据公式 2 11 可知道 对于同一种光学材料 与成正比 所以使用该测量方d l 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 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 45mm F 数为 4 全视场角为f 8 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 3 inch CCD 作为图像接受器件 像元尺寸为 6 35um 6 35um CCD 的分辨率较高 满足了 系统的分辨率要求 24 第四章 精密机械传动机构设计 4 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 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 以及位移传感器组成 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 大齿轮内部开有螺纹槽 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 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 25 协调配合 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 内部 则加工有螺旋槽 以传动内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 其中螺旋槽的规格为宽 3mm 深 2mm 螺距 为 20mm 其所使用的材料为 40 钢 图 4 2 凸轮筒的三维机构图 2 镜筒 图 4 3 镜筒三维半剖图 26 如图 4 3 和图 4 4 所示为镜筒三维半剖结构图和全