【正文】 學(xué)號： S100202248 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 研究生姓名：侯利杰學(xué)科、專業(yè)：光學(xué)工程 二○一二年三月基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)研究 侯利杰分類號： TN202 密 級： 可公開 U D C： 編 號： 基于位移傳感器的折射率測量系統(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： — 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(jī)、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 8176。，采用 1/3 inch CCD 作為圖像接受器件，像元尺寸為 ,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 ，滿足儀器的使用要求。關(guān)鍵詞：折射率 光學(xué)系統(tǒng) 誤差A(yù)BSTRACTThe 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 ponents 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 ,noncontact 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 8176。 respectively. The image sensor of the lens is 1/3 inch CCD, whose pixel size is , 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. Key words: index of refraction optical system error analysis目 錄摘 要ABSTRACT目 錄第一章 緒 論 ...........................................................1 課題背景 .............................................................1 課題研究的目的及意義 ..................................................1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ........................................................4 本論文研究的主要內(nèi)容 ..................................................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 ......................................6 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 ....................................................6 成像光學(xué)系統(tǒng) .........................................................10 精密傳動機(jī)構(gòu)及其電控系統(tǒng) .............................................11 計算機(jī)數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng) ...............................................12 本章小結(jié) .............................................................12第三章 成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 ................................................13 CCD 的選取 ...........................................................13 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 .........................................................16 平行平板 ............................................................20 本章小結(jié) ............................................................21第四章 精密機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 ............................................22 精密傳動機(jī)構(gòu) .........................................................22 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 .....................................................24 位移檢測系統(tǒng)研究 .....................................................28 本章小結(jié) .............................................................32第五章 誤差精度分析 ....................................................33 機(jī)械檢測裝置的誤差 ..................................................34 誤差合成 .............................................................35 本章小結(jié) ............................................................36第六章 總結(jié)與展望 ......................................................37致 謝 ................................................................39參考文獻(xiàn) ................................................................401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(jìn)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(jìn)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。 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(jìn)入新世紀(jì)以來，國內(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、工作自動化、高精度、智能化、可視化發(fā)展。這樣就會對先進(jìn)光學(xué)測量技術(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(jì)的，所以，這些各種各樣的原因?qū)е铝藗鹘y(tǒng)的折射率測量方法在測量領(lǐng)域顯得越來越力所不及，難以滿足各種需求，所以改進(jìn)測量的裝置和測量方法，從而實(shí)現(xiàn)折射率的高精度、高需求檢測是非常有必要的。 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射率的測量；對于液體介質(zhì)常用臨界角法來實(shí)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，及其在實(shí)際中的應(yīng)用，從而得出關(guān)于折射率檢測的目的和意義。 全反射法全反射法又被稱為臨界角法，其測量原理如圖 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(3ix?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