【正文】 20176。本文采用三片式攝像物鏡系統(tǒng)，鏡片數(shù)為 3 片。本文的攝像物鏡的相對孔徑為 1∶4 。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。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。18光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計就是根據(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。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，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，有利于儀器整體小型化，降低成本，在攝影物鏡設(shè)計中使用廣泛，其相對孔徑和視場角都不是特別大，滿足我們的使用要求。其系統(tǒng)參數(shù)見表 32。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，使抓拍快速運動的物體變得簡單容易。它對感光面進(jìn)行逐行掃面，然后進(jìn)行隔行傳輸。其彩色高解析度達(dá)到540TVL，具有圖像疵點消除功能，多功能、高靈敏度，是具有 BNC amp。2）選取的 CCD 要有較高的分辨率，從而滿足系統(tǒng)分辨要求。本題中 CCD 的選擇是至關(guān)重要的。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)計的成像器件。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 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 單一放大，噪點低 百萬放大，噪點高功耗比 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。噪點的大小差異：因為 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，CCD 的噪點要比 CMOS 少很多。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數(shù)相同時，CCD 的解析度會高于 CMOS。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，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。 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、噪點比的大小、功耗等。較小的能量消耗，使 COMS 在功耗上占有很大優(yōu)勢。(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。 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。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。圖 圖像處理系統(tǒng)原理圖本系統(tǒng)通過結(jié)合光、機、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算機上。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，最后由計算機進(jìn)行圖像輸出顯示。整個電控系統(tǒng)以上位機為核心，通過電機驅(qū)動光學(xué)系統(tǒng)直線運動，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；CCD 攝像機進(jìn)行圖像采集的圖像信息通過圖像采集卡送入上位機；上位機通過計算機圖像識別技術(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。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、位移傳感器、圖像采集卡、上位機、穩(wěn)壓電源等組成。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)的運動，通過位移傳感器拉桿的直線運動得到所需要的測量數(shù)據(jù)。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)配合才能實現(xiàn)對被測樣品平行平板的折射率的高精度的測量。圖 鏡筒的機械結(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 精密傳動機構(gòu)及其電控系統(tǒng) 傳動機構(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，兩者的相互配合實現(xiàn)了對被測樣品平行平板的測量。在安放成像光學(xué)系統(tǒng)的鏡筒的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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)能夠做直線運動，并產(chǎn)生系統(tǒng)檢測所需的位移量。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。上位機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要負(fù)責(zé)對精密機械傳動機構(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算，獲得最終的測試結(jié)果。10 折射率檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡圖（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；（15）小齒輪；（16）電機該折射率測試系統(tǒng)主要由精密機械傳動機構(gòu)、光學(xué)成像系統(tǒng)、位移傳感器檢測系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾大部分構(gòu)成。n 系統(tǒng)的總體構(gòu)設(shè)計本論文所設(shè)計的基于位移傳感器的折射率測量系統(tǒng)采用了集光、機、電于一體的先進(jìn)技術(shù)，完成了對被測件的非接觸測量，測量方法和數(shù)據(jù)處理簡單，趨向于測量自動化的精密檢測，從而達(dá)到測量要求。清晰成像時的物距。清晰成像時的像距。9 ????11lfl（） ?22lfl（）式中： 是光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 成像清晰時的物距， 是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 的1l 2l光學(xué)平板被測件 10 折射像 A39。清晰成像時的像距， f是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的焦距，是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 清晰成像后其主面 H 相對于初始零點的位移， 是1S?? 2S??成像光學(xué)系統(tǒng) 2 對物點 A 的光學(xué)平板被測件折射像 A39。A ????21l?（） ??221ll?（）由于對 A39。l239。ΔS239。l139。AΔS139。F39。以及成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的焦 、光學(xué)平板被測件的厚度fd 計算待測材料的折射率 ，如圖 光學(xué)檢測原理圖所示。圖 光學(xué)檢測原理圖根據(jù)所得到的位移 ΔS139。二是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 從對無窮遠(yuǎn)處成像到加入光學(xué)平板被測件 10 后對物點 A的光學(xué)平板被測件 10 折射像 A39。在所述對焦過程中，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，并由控制與處理電路 7 讀取后傳遞給上位機9，由上位機 9 據(jù)此計算出光學(xué)平板被測件 10 的折射率并顯示計算結(jié)果。成像光學(xué)系統(tǒng) 2 的調(diào)整是由上位機 9 指令控制與處理電路 7 控制電機 6 驅(qū)動凸輪筒 4 來實現(xiàn)。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 對物點 A 的光學(xué)平板被測件 10折射像 A39。圖 折射率測量系統(tǒng)原理圖電機 凸輪筒 光學(xué)系統(tǒng) 傳感器拉桿圖 系統(tǒng)傳動原理框圖系統(tǒng)的測量過程是成像光學(xué)系統(tǒng) 2 能夠?qū)⒐庠?1 作為物點 A 成像于 CCD 圖像傳感器 3 中，光源 1 采用貼片 LED 燈，安裝在光機座一端，并可進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，光學(xué)平板被測件 10 通過夾具垂直安裝于光機座上并可以進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。6第二章 折射率測量系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 系統(tǒng)的測量和傳動原理本論文的系統(tǒng)測量原理如圖 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 6 驅(qū)動凸輪筒 4 旋轉(zhuǎn)，控制與處理電路 7 分別與電機 位移傳感器 8 電連接，與上位機 9 串口連接，CCD 圖像傳感器 3 也與上位機 9 電連接。 本章小結(jié)本章主要介紹了有關(guān)折射率測量技術(shù)的研究背景，認(rèn)真總結(jié)了傳統(tǒng)的折射率測量方法及優(yōu)缺點，詳細(xì)闡述了折射率測量的國內(nèi)外研究方向和現(xiàn)狀，并進(jìn)一步說明了有關(guān)折射率測量的研究目的和意義。第五，對本系統(tǒng)的理論公差與實際誤差進(jìn)行精度分析。第三，設(shè)計儀器內(nèi)的成像光學(xué)系統(tǒng)，并且對相關(guān)系統(tǒng)的組件進(jìn)行選取，使成像系統(tǒng)滿足整個測量儀器的使用要求。 本論文研究的主要內(nèi)容通過搜集、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)平板折射率檢測裝置及方法，該裝置的測量方法和數(shù)據(jù)處理簡單，在認(rèn)真分析前人的研究成果后，對原有折射率測量儀器進(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，并對折射率測試技術(shù)的國內(nèi)外研究方向和現(xiàn)狀進(jìn)行進(jìn)一步研究。因而，如何實現(xiàn)對晶體材料折射率的自動化、智能化、非接觸、高精度測量一直都是各國光學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。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?？偠灾?，國內(nèi)外目前對折射率測量技術(shù)的研究都是向高精度、智能化、測量自動化方向發(fā)展。一方面，主要是對原有測量技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)行進(jìn)一步的研究，并對測試設(shè)備進(jìn)行改5造和優(yōu)化。在折射率測量技術(shù)方面，落后的折射率測量儀器逐漸被市場淘汰，不斷要求研發(fā)新的折射率測量儀器，使其配備先進(jìn)的技術(shù)支持，同時精度、自動化、智能化、可靠性和抗干擾能力都能得到提高，測試速度更快，結(jié)果更加可靠，從而滿足市場的需要。本文所設(shè)計的折射率測量系統(tǒng)是非接觸，非破壞性測量，具有精度和分辨率高，測量方法和數(shù)據(jù)處理簡單，趨向于測量自動化的檢測儀器。本文提出了一種基于位移傳感器的光學(xué)平板折射率檢測裝置及方法，本文提出的檢測方法是通過光學(xué)成像，利用待測材料折射率與成像光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦量的函數(shù)關(guān)系實現(xiàn)折射率的檢測，方法簡單、易行。同時，對折射率測量還有些檢測方法比如：折光率儀測定法、油浸法和阿貝折光儀法，這些方法的折射率測量范圍受到限制，僅在 之間；橢圓偏光儀測定法主要用來檢測薄膜的折射率等。同時，是用 V 棱鏡折射儀的測量精度為 177。而匹配液是一種易揮發(fā)溶液，需要在檢測前配制，比較麻煩，匹配液的使用消除了檢測光光路中的空氣介質(zhì)，并未實現(xiàn)待測材料與 V 棱鏡之間的精準(zhǔn) 90176。但是，采用 V 棱鏡法檢測，需要將被待測料加工出兩個垂直光潔平面，盡管如此，在待測材料與 V 棱鏡之間仍存在空氣楔，需要配制匹配液予以消除。 212020 )sinsin( ?????n（）公式中： 為待測樣品折射率， 為 V 棱鏡折射率。被測試樣形狀不受限制，但要保證有一個直角，涂上適當(dāng)?shù)钠ヅ湟?，放?V 棱鏡的直角槽中。使用最小偏向角法用精度測角儀的精度可達(dá)到為 。xn3 )21sin(][mi????xn（）公式（）中： 為三棱鏡的頂角； 為最小偏向角。 最小偏向角法最小偏向角法是目前檢測精度最高、應(yīng)用最為廣泛的測量方法。3?xn圖 全反射法光路圖這種檢測方法容易，結(jié)構(gòu)較為簡單，屬于比較測量法，所以需要已知直角棱鏡的折射率，同時還需要在直角棱鏡與被測樣品之間有折射液的配合，這樣才能使直角棱鏡與被測樣品之間有很好的接觸，但這同時也使測量范圍受到限制，當(dāng)測量精度要求不高時，基于全全反射法的阿貝折光儀的儀器精度一般為177。 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。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)常用臨界角法來實現(xiàn)；對于氣體介質(zhì)則需要使