【正文】 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。接下來對精密機械機構(gòu)進行了詳細的闡述，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 ，滿足儀器的使用要求。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。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。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。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)。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，這時可以通過望遠鏡觀察到明暗分界的條紋，當(dāng)望遠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。其原理可用圖 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 。6105???圖 最小偏向角法光路圖 V 型棱鏡法圖 V 棱鏡測量原理圖 （a ） 時（b) 時0n?0?如圖 所示，V 棱鏡是由一大一小兩個材料相同的直角棱鏡膠合而成的，根據(jù)4其形狀命名，兩個直角棱鏡的折射率已知。 時取正號； 時取負(fù)n0 0?0?號。角配合，因此，匹配液的使用只是減小檢測誤差，并未消除檢測誤差。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。 國內(nèi)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、控制理論及 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。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。此外，晶體材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。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)的功能及設(shè)計的目標(biāo)。第六，對整個系統(tǒng)進行相關(guān)的總結(jié)和展望。系統(tǒng)的傳動原理如圖 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。成像于 CCD 圖像傳感器 3 中。所述位移量有兩個，一個是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 從對無窮遠處成像到對物點 A 清晰成像所發(fā)生的位移ΔS139。、 ΔS239。F2Δl39。l1A39。l210 d8設(shè) 為透鏡光焦度，對無窮遠處對焦時的 作為零點，即 ， 對 Af1???l ?1??fl成像時， ????1l?（） ??11ll?（）由于對 A 成像時需要調(diào)焦，產(chǎn)生的調(diào)焦量為 ，可求得：flS????1 11fl???（）當(dāng)對 成像時，39。清晰成像后其主面 H 相對于初始零點的位移。 12ll????（）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l??的物點 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1l 2l學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 的光學(xué)平板被測件 10 折射像 A39。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 所示的折射率測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 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)內(nèi)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。系統(tǒng)內(nèi)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。本章根據(jù)論文要求，完成了其所需的傳動機構(gòu)及電控系統(tǒng)的設(shè)計。其中，整個折射率測量系統(tǒng)的核心成像光學(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。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13近任何位置時，自始至終都將獲得清晰有效像。14第三章 成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 CCD 的選取 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。(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。感光面積及靈敏度差異：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，所以在相同的像素和相同的感光面積下，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。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。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。對 CCD 的選擇需要滿足的要求：1）CCD 的感光范圍為可見光。 Y/C 雙輸出的彩色數(shù)字式 CCD。圖 UNIQ UC930 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。根據(jù)本文系統(tǒng)提出的技術(shù)指標(biāo)要求，可以從相關(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)。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。（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。視場中的物體尤為敏感，所以在該范圍內(nèi)畸變值應(yīng)不超過 3%，系統(tǒng)應(yīng)滿足此要求。f4) 最大像面尺寸：5) 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%；20176。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。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。)()( ldn ln????????（）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39。(39。l法測量較厚的平板會得到較高的精度。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。如圖 所示為機械傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。電機通過驅(qū)動小齒輪 7 傳動凸輪筒 1 做旋轉(zhuǎn)運動，大齒輪內(nèi)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。 傳動機構(gòu)各零部件的設(shè)計（1）凸輪筒凸輪筒如圖 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)。 圖 凸輪筒的三維機構(gòu)圖 （2）鏡筒 圖 鏡筒三維半剖圖26如圖 和圖 所示為鏡筒三維半剖結(jié)構(gòu)圖和全剖圖，鏡筒內(nèi)部設(shè)計有用于安裝各位鏡片的結(jié)構(gòu)槽三個，同時各個結(jié)構(gòu)槽相鄰?fù)獠吭O(shè)計有不同直徑的外圓，能夠與各相應(yīng)壓圈及隔圈配合安裝，以使各鏡片定位準(zhǔn)確，聯(lián)接可靠。此運動控制卡由底層軟件和硬件集成所成，底層軟件主要是用來執(zhí)行控制的功能?？紤]到整體的測量系統(tǒng)，本文在設(shè)計中運動控制卡的型號確定為 DMC1280 型 3 軸運動控制卡（如圖 所示） 。步進電機作為一種特殊的開環(huán)控制電機，可以將上位控制系統(tǒng)發(fā)出的電脈沖信號輸出并通過驅(qū)動器將其轉(zhuǎn)化成為角位移或者線位移。步進電機的響應(yīng)主要采用開環(huán)控制，只需數(shù)字輸入脈沖即可確定，所以步進電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡單，成本較低。110BYG250A 步進電機外形接線圖如圖 所示：圖 110BYG250A 步進電機外形接線圖29110BYG250A 步進電機具體的性能參數(shù)由表 41 所示：表41 110BYG250A 步進電機性能參數(shù)項目名稱 性能參數(shù)步距角（DEG.） 176?；谶@樣的原理，對步進電機脈沖信號頻率進行合理控制，就能夠精確調(diào)整電機調(diào)速對步進電機脈沖個數(shù)進行合理控制，就能夠?qū)﹄姍C實現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。本文選定的步進電機驅(qū)動器如圖 所示，30其型號為步進電機驅(qū)動器，與型號為 110BYG250A 步進電機結(jié)合使用，DC280A 為兩相混合式驅(qū)動器，交流電源輸入為 220V，其采用單脈沖控制方式，驅(qū)動器內(nèi)部已接入限流電阻 1 ，對應(yīng)+5V 電平。圖 莫爾條紋形成原理圖31 計量光柵是通過光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移的。利用光柵的莫爾條紋對位移進行檢測共需要主光柵和指示光柵兩塊光柵，主光柵的大小通常與測量范圍一致，指示光柵則比較小。在進行傳感器的選擇時不僅需要考慮實際的測量對象和測量目的，還必須根據(jù)具體的測量環(huán)境合理的選用。因為針對同一個物理量的測量往往也會有許多不同原理的傳感器可供選用。這主要是因為高靈敏度的傳感器會使相對應(yīng)的輸出信號的值越大，這樣就更有利于處理信號。這就要求傳感器在其頻率范圍內(nèi)能夠保持不失真。(4) 線性范圍　傳感器的線形范圍通常定義為測量信號輸出和輸入的比例范圍。對傳感器長期穩(wěn)定性影響較大的因素主要包括傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境。一般情況下，如果傳感器的測量目的用來進行定性分析的，選用重復(fù)精度較高的傳感器就可以滿足要求；如果傳感器的測量目的用來進行定量分析的，就要求能夠測試得到精確的測量結(jié)果，這樣就必須選用精度等級能滿足測試要求的傳感器。表42 WYDC 位移傳感器的性能參數(shù)項 目 名 稱 性 能 參 數(shù)靈敏度 1001000 mv/v/mm初級勵磁電壓 5V（38）動態(tài)頻率 0200HZ（3DB）靈敏度漂移 零點：（%/℃） 滿度：（%/℃）負(fù)載阻抗 20KΩ工作溫度 20℃+70℃標(biāo)準(zhǔn)高精度 %高分辨率 供電電壓 6VDC輸出電壓 0——5V34輸出電流 0——10mA 系統(tǒng)控制與檢測方法本系統(tǒng)采用線性位移傳感器檢測儀器內(nèi)成像系統(tǒng)的位置和位移，進而計算出 CCD拍攝的每幅圖片中成像光學(xué)系統(tǒng)透鏡的相對位移和精確位置。同時還對控制系統(tǒng)的組成以及上位控制模塊進行了設(shè)計，對步進電機及步進電機驅(qū)動器進行了選擇，確定步進電機及其驅(qū)動器的型號分別為110BYG250A 和 DC280A。因此必須對產(chǎn)生誤差的原因及誤差對精度造成的影響分析清楚，進而提出減小誤差、提高精度的具體方案。通常系統(tǒng)誤差都具有一定的規(guī)律性，可以通過一個函數(shù)表示或者是個常數(shù)。 由于人為操作或其他外部因素的影響，隨機產(chǎn)生的誤差是無法消除和不可避免的，只能盡量的減小。圖 隨機誤差分布圖 由于儀器的測量條件是固定的，其隨機誤差的產(chǎn)生也有一個限值，一般情況下36都不會超過此值，這個值也就是最大誤差。在本課題中的誤差主要包括平行平板引入誤差、機械傳動誤差、裝調(diào)不準(zhǔn)帶來的誤差等。本夾具材料為鑄鐵，在加工中保證其內(nèi)孔直徑誤差控制在 之內(nèi)，定位面精度控制在 之內(nèi)，以保證加工精度。故裝配誤差mm。螺旋副螺母位子誤差主要受中徑誤差、螺距誤差、半角誤差影響。由上述分析可以看出，測量系統(tǒng)的主要誤差為系統(tǒng)在裝調(diào)過程中的不理想，而零件在制造加工上引入的誤差要相對較小，所以為了保證儀器的精度除了要提高現(xiàn)代加工精度，同時對我們的裝調(diào)人員也要求更高。239。?所以，在本檢測儀器中，折射率的虛物距變化 的范圍為 mm—，即39。 本章小結(jié)本章首先通過對各項誤差精度的認(rèn)真研究，明確了該折射率測試儀器的主要誤差類型和來源并計算。傳統(tǒng)的測量方法，越來越不能滿足現(xiàn)代測量技術(shù)的要求，因此改進裝置和方法，實現(xiàn)折射率的高精度測量是十分必要的。根據(jù)本儀器的特