【正文】 遠(yuǎn)鏡的刻線與分界線重合時(shí)，通過(guò)檢測(cè)折射角 ，就可以測(cè)定被測(cè)件 的的折射率。3?xn圖 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177。310 4。 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 來(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)測(cè)定偏向角的最小值便可求出待測(cè)材料的折射率 。xn3 )21sin(][mi????xn（）公式（）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(guò)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 。6105???圖 最小偏向角法光路圖 V 型棱鏡法圖 V 棱鏡測(cè)量原理圖 （a ） 時(shí)（b) 時(shí)0n?0?如圖 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)钠ヅ湟海湃?V 棱鏡的直角槽中。光線通過(guò) V 棱鏡和待測(cè)樣品后產(chǎn)生偏向角，便可由公式（）算出樣品的折射率。 212020 )sinsin( ?????n（）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)n0 0?0?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) 90176。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 177。1105。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 之間；橢圓偏光儀測(cè)定法主要用來(lái)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(lái)的問(wèn)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(guò)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。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀近些年來(lái)，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(wú)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?？偠灾?，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?，F(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 . 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。 本論文研究的主要內(nèi)容通過(guò)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(shuō)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。 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(shuō)明了有關(guān)折射率測(cè)量的研究目的和意義。通過(guò)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(shuō)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) 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 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 所示，光源 成像光學(xué)系統(tǒng) 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) 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 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 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 系統(tǒng)傳動(dòng)原理框圖系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)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(guò)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(guò)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 10 4 62 85 3 9 77通過(guò)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 A39。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(lái)實(shí)現(xiàn)。在物點(diǎn) A 成像過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)窮遠(yuǎn)處成像到對(duì)物點(diǎn) A 清晰成像所發(fā)生的位移ΔS139。，二是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 從對(duì)無(wú)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 A39。清晰成像所發(fā)生的位移 ΔS239。圖 光學(xué)檢測(cè)原理圖根據(jù)所得到的位移 ΔS139。、 ΔS239。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(wàn)d 計(jì)算待測(cè)材料的折射率 ，如圖 光學(xué)檢測(cè)原理圖所示。nf H l39。F39。F2Δl39。AΔS139。l139。l1A39。ΔS239。l239。l210 d8設(shè) 為透鏡光焦度，對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處對(duì)焦時(shí)的 作為零點(diǎn)，即 ， 對(duì) Af1???l ?1??fl成像時(shí)， ????1l?（） ??11ll?（）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????1 11fl???（）當(dāng)對(duì) 成像時(shí)，39。A ????21l?（） ??221ll?（）由于對(duì) A39。成像時(shí)需要調(diào)焦，考慮調(diào)焦量 ，可求得：flS???2 2fl???（）式中：?1l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，?2l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 A39。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1S?? 2S??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 A39。清晰成像后其主面 H 相對(duì)于初始零點(diǎn)的位移。9 ????11lfl（） ?22lfl（）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1l 2l光學(xué)平板被測(cè)件 10 折射像 A39。清晰成像時(shí)的物距， 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的焦距， 是f ?1l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?2l被測(cè)件 10 折射像 A39。清晰成像時(shí)的像距。 12ll????（）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1l 2l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 A39。清晰成像時(shí)的物距。 )1(ndl????（） l?（）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ndl??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(guò)以上公式的計(jì)算過(guò)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 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 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 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