【文章內(nèi)容簡介】 ；（15）小齒輪；（16）電機(jī)該折射率測試系統(tǒng)主要由精密機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、光學(xué)成像系統(tǒng)、位移傳感器檢測系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾大部分構(gòu)成。其中：精密機(jī)械直線傳動機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)驅(qū)動齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，迫使鏡筒 A 沿著螺旋槽做直線傳動；線性位移傳感器構(gòu)成傳感器檢測系統(tǒng)的核心；光學(xué)成像系統(tǒng)采用三片式攝像物鏡系統(tǒng)，CCD 接收成像，整個系統(tǒng)采用人機(jī)交互測量。上位機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要負(fù)責(zé)對精密機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的控制，采集光學(xué)成像系統(tǒng)的位移信號，并通過上位程序的計(jì)算，獲得最終的測試結(jié)果。 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(jī)驅(qū)動的鏡筒中。本儀器所使用的光學(xué)系統(tǒng)由圖像接收系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)兩部分組成。本文所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)采用三片式攝影物鏡系統(tǒng)，其透鏡的厚度較小，這種物鏡結(jié)構(gòu)對像差影響較小，一般不作為變量，可直接根據(jù)透鏡的通光孔徑和工藝要求決定，能夠滿足設(shè)計(jì)需要。在安放成像光學(xué)系統(tǒng)的鏡筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如圖 所示，安裝過程中不但需要保證整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性，也同樣需要保證透鏡與透鏡之間要有一定的調(diào)整量，11鏡筒內(nèi)部要有可利用的空間，從而保證成像系統(tǒng)在鏡筒內(nèi)能夠做直線運(yùn)動，并產(chǎn)生系統(tǒng)檢測所需的位移量。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(jìn)行透鏡之間距離的調(diào)整。圖 鏡筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖1 鏡片 1；2 隔圈 1；3 鏡片 2；4 隔圈 2；5 鏡片 3；6 壓圈；7 鏡筒 精密傳動機(jī)構(gòu)及其電控系統(tǒng) 傳動機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)原理圖如圖 所示，電控系統(tǒng)和精密傳動機(jī)構(gòu)是折射率測量系統(tǒng)的核心組成部分，兩者的相互配合實(shí)現(xiàn)了對被測樣品平行平板的測量。所以電控系統(tǒng)和傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響到整個折射率測量系統(tǒng)的工作精度、效率等。由于測量時不能直接就進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，所以電控系統(tǒng)和傳動機(jī)構(gòu)主要完成兩個動作，其一是負(fù)責(zé)整個測量系統(tǒng)的傳動，其二是負(fù)責(zé)位移傳感器信號的檢測，只有兩個動作協(xié)調(diào)配合才能實(shí)現(xiàn)對被測樣品平行平板的折射率的高精度的測量。本章根據(jù)論文要求，完成了其所需的傳動機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電控系統(tǒng)完成對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，整個傳動系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)提12供動力，通過高精度大齒輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動整個系統(tǒng)的運(yùn)動，通過位移傳感器拉桿的直線運(yùn)動得到所需要的測量數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，布局簡潔合理，能夠滿足測量要求。圖 控制系統(tǒng)原理框圖整個電控系統(tǒng)的原理圖如圖 所示，其由電機(jī)、位移傳感器、圖像采集卡、上位機(jī)、穩(wěn)壓電源等組成。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(jī)指令控制與處理電路，控制電機(jī)驅(qū)動凸輪筒來實(shí)現(xiàn)的，以保證系統(tǒng)檢測過程的進(jìn)行。整個電控系統(tǒng)以上位機(jī)為核心，通過電機(jī)驅(qū)動光學(xué)系統(tǒng)直線運(yùn)動，位移傳感器采集的位置信息經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換、濾波等前端處理，送入上位機(jī)；CCD 攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集的圖像信息通過圖像采集卡送入上位機(jī)；上位機(jī)通過計(jì)算機(jī)圖像識別技術(shù)對圖像及數(shù)據(jù)信號統(tǒng)一接收、處理，最終顯示檢測結(jié)果。 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制，被測物體圖像經(jīng)前方圖像采集系統(tǒng)采集后，將圖像電信號傳輸儲存到 PC 內(nèi)，將電信號經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換為視頻信號，將所采集到的圖像最終呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，然后根據(jù)對所需不同圖像要求，對所采集到的圖像信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理，如像質(zhì)評定，被測物體的物理分析，圖像局部分析評定等，然后根據(jù)圖像分析處理后，再進(jìn)行再次光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦、圖像采集、圖像處理等操作。如圖 所示為圖像處理系統(tǒng)原理圖，首先，被測件光學(xué)平行平板經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)成像，被圖像采集系統(tǒng)機(jī)器視覺 CCD 所接收，再經(jīng)由 CCD 將前方傳來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步圖像處理工作，然后經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)處理過的電信號轉(zhuǎn)換為視頻影像信號，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像輸出顯示。當(dāng)圖像采集系統(tǒng)所采集圖像不是清晰有效像時，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)指令，控制機(jī)械調(diào)焦系統(tǒng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(yuǎn)13近任何位置時，自始至終都將獲得清晰有效像。圖 圖像處理系統(tǒng)原理圖本系統(tǒng)通過結(jié)合光、機(jī)、電一體化有效組合，即可將需求的待測物體數(shù)據(jù)通過簡單便捷的方式存儲輸出與計(jì)算機(jī)上。 本章小結(jié)本章主要完成了基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并著重介紹了該系統(tǒng)的基本測量原理，同時闡述了該系統(tǒng)內(nèi)各個組成機(jī)構(gòu)的主要工作原理。整個測量系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，良好的可操作性，方便易用，自動化程度較高。14第三章 成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(qiáng)，電信號越強(qiáng)，反之光能量越弱，電信號也越弱，根據(jù)這點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)對光圖像到電信號的轉(zhuǎn)換。 兩者雖然原理相近，但也是各有利弊，對于兩者從技術(shù)方面進(jìn)行對比，有以下四點(diǎn)不同：(1) 它們的信息讀取方式不同CCD 上由于光的照射而產(chǎn)生的儲存電荷，需要一位一位的傳輸，還要有同步信號進(jìn)行控制，其輸出時還需要有三組不同的電源和時鐘控制電路的配合，整體而言比較復(fù)雜。CMOS 是將光的照射直接的變?yōu)殡娦盘?，然后一起讀取，比較 CCD 的信息讀取要簡單。(2) 它們的速度不同CCD 在時鐘電路下，讀取信息，需要一位一位的讀取，然后一位一位的輸出，速度較慢；而 CMOS 對信息的采集是同時的，一下就可以讀取，同時還可處理圖像信息，比 CCD 要快很多。(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(jìn)行供電，能量消耗要小于 CCD。較小的能量消耗，使 COMS 在功耗上占有很大優(yōu)勢。(4) 它們的成像質(zhì)量不同CCD 成像技術(shù)很早便被大家廣泛研究，技術(shù)已經(jīng)很成熟，而且其已經(jīng)采用了很多新技術(shù)減小了噪聲對成像質(zhì)量的影響，比起 COMS 要有很大的優(yōu)勢。 除了上面所說的以外，在成像效果上還有一定的差異，其中包括感光面積及靈敏度差異、生產(chǎn)成本差異、解析度的差異、噪點(diǎn)比的大小、功耗等。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。生產(chǎn)成本差異：對于 CMOS 的生產(chǎn)制作一般都是采用半導(dǎo)體工業(yè)中的 MOS 制程，它可以用單晶片一次的將周邊的設(shè)施統(tǒng)一整合，這樣可以節(jié)約成本同時也減少故障的損失；由于 CCD 本身是采用電荷移動傳輸來輸出信號的，當(dāng)在其傳輸通道上有一個15壞點(diǎn)，即一個像素故障，這將導(dǎo)致整個通道的信息傳輸故障，從而無法傳遞信息。因此 CCD 的故障率要高于 CMOS，所以其生產(chǎn)成本也要高于 COMS。解析度的差異：由于 CMOS 的每個像素都配有電路，加上其周邊電路，導(dǎo)致其整體的感光面積會小于 CCD，所以在其大小的感光面積和像素?cái)?shù)相同時，CCD 的解析度會高于 CMOS。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。噪點(diǎn)的大小差異：因?yàn)?CMOS 的每個像素都配有放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換電路，如果CMOS 有百萬像素，那就有百萬個放大器和轉(zhuǎn)換電路，雖然統(tǒng)一制造，但是在彼此之間還是有差異的存在，很難同步的放大；而 CCD 感光器只有一個放大器，這就大大的減小了噪點(diǎn)，CCD 的噪點(diǎn)要比 CMOS 少很多。功耗差異：CMOS 是受光照后傳輸電信號，其為主動式，由光照產(chǎn)生的電荷會直接放大輸出；而 CCD 則是需要外接電源，通常需要 12V 以上，還要有外圍處理電路等等，這就是 CCD 功耗要遠(yuǎn)大于 CMOS 的功耗。如表 31 所示，對 CCD 和 CMOS進(jìn)行對比：表 31 CCD 與 CMOS 對比CCD CMOS設(shè)計(jì) 單一感光器 感光器連接放大器靈敏度 同樣面積高 感光開口小成本 線路品質(zhì)影響程度高 CMOS 整合集成解析度 連接復(fù)雜度低，解析度高低，新技術(shù)高噪點(diǎn) 單一放大，噪點(diǎn)低 百萬放大，噪點(diǎn)高功耗比 需要外加電壓 直接放大，功耗低 由于其自身的固有結(jié)構(gòu)差異，我們可以知道其各自性能上的差異。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(jìn)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。綜上，為了更好地觀察和監(jiān)視目標(biāo)，分析目標(biāo)的位置，從而進(jìn)行穩(wěn)定的跟蹤，我們選擇了 CCD 作為本次設(shè)計(jì)的成像器件。 CCD 的 選定CCD 在現(xiàn)在的使用中是非常具有代表性的，它有很多優(yōu)點(diǎn)：小的體積、高的靈敏度、長的使用壽命，傳輸信號不失真等。本題中 CCD 的選擇是至關(guān)重要的。對 CCD 的選擇需要滿足的要求：1）CCD 的感光范圍為可見光。2）選取的 CCD 要有較高的分辨率，從而滿足系統(tǒng)分辨要求。經(jīng)過查閱資料和市場調(diào)研之后，決定選取 1/3 英寸 CCD 圖像傳感器，如圖 所16示，其型號為 WAT231S2 高分辨、高靈敏度彩色攝像機(jī)。其彩色高解析度達(dá)到540TVL，具有圖像疵點(diǎn)消除功能，多功能、高靈敏度，是具有 BNC amp。 Y/C 雙輸出的彩色數(shù)字式 CCD。它對感光面進(jìn)行逐行掃面，然后進(jìn)行隔行傳輸。CCD 后接圖像采集卡，采集卡得到的數(shù)字信息通過軟件處理變?yōu)椴噬珗D像顯示出來。其主要應(yīng)用于要獲取彩色圖像、高分辨率和高幀速的要求，而且還帶有外部異步采集功能，使抓拍快速運(yùn)動的物體變得簡單容易。圖 UNIQ UC930 型 CCD本產(chǎn)品具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，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。其系統(tǒng)參數(shù)見表 32。表 32 UNIQ 公司 UC930 型 CCD 芯片的主要性能型號 WAT231S2（NTSC）影像傳感器 1/3 英寸 CCD 圖像傳感器總像素?cái)?shù) 811(H)*508(V)有效像素（HxV）768(H)*494(V)像元大小 (H)*(V)成像系統(tǒng) Ye, Cy, Mg, and G plementary color mosaic filters on chip同步方式 內(nèi)同步掃描系統(tǒng) 2:1 隔行掃描視頻輸出 綜合，Y/C： V（PP） ，75Ω，不平衡分辨率（H） 大于 540TVL（中心）17最低照度 lx. S/N 大于 50dB（MGC=0dB，γ= ）1/60 1/100 1/250,1/500,1/1000,1/2022,1/4000,1/10000 sec.1/601/100000 sec.AE 模式EI1/60 1/100000 sec.(flicker suppress)白平衡 ATW(color rolling less), PWB, MWB,Preset(3200K,4300K,5100K,6300K)自動增益控制： 高：038dB / 低：032dB手動增益控制 032dBGamma 特性： γ≒（開）/γ= （關(guān)）鏡頭光圈 Video /DC（EIAJ arrangement,Autoselect）背光補(bǔ)償 開/關(guān)白色缺陷校正 高達(dá) 32 像素電源電壓 DC + 12V + 10%耗電量 （175mA）工作溫度 10 +50℃（無霜結(jié)） ）儲藏溫度 30 +70℃（無霜結(jié)）工作/儲藏濕度 低于 95％RH鏡頭接口 CS 接口（后焦距可調(diào)）重量 約 140 克 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本論文所提出的折射率測量系統(tǒng)的目的是為了通過檢測平行平板，由光學(xué)成像系統(tǒng)產(chǎn)生位移量，位移傳感器探測到位移量，然后經(jīng)由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，從而獲得檢測結(jié)果，所以成像光學(xué)系統(tǒng)是儀器的核心組成部分，需滿足儀器的使用要求。本論文采用三片式攝像物鏡初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)采用柯克型光學(xué)系統(tǒng)，其物鏡結(jié)構(gòu)的基本形式如圖 所示，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三片都是薄透鏡，最后一片為非對稱鏡，這種結(jié)構(gòu)對像差影響較小，光闌在中鏡片附近等特點(diǎn)，有利于儀器整體小型化，降低成本，在攝影物鏡設(shè)計(jì)中使用廣泛，其相對孔徑和視場角都不是特別大，滿足我們的使用要求。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(jì)基礎(chǔ)，并采用 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對鏡頭參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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)。18光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是根據(jù)其使用需求來確定光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、各透鏡光組的結(jié)構(gòu)和外形尺寸等。因此可以把光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要過程分為 4 個階段：系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定、初始結(jié)構(gòu)的確定、ZEMAX 設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化以及像質(zhì)評價(jià)。一般考慮到光學(xué)系統(tǒng)存在單色像差主要有：像散、球差、彗差、畸變和場曲；兩種色差：位置色差和倍率色差。在進(jìn)行像質(zhì)評價(jià)分析時，這些像差都不是單獨(dú)存在著，需要綜合考慮全部的像差。圖 柯克型物鏡結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)主要指標(biāo)的確定（1）.相對孔徑入瞳在均勻光照時，物鏡的像面照度與相對孔徑的平方成正比，或者與 F 數(shù)的平方成反比。相對孔徑越大，越能夠在像面上獲得越大的光通量。本文的攝像物鏡的相對孔徑為 1∶4 。（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