【正文】 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 。?min?這種檢測方法的優(yōu)點是：檢測精度高，折射率的測量范圍不受限制，不需折射液加以配合等，但是這種方法也具有測量時需要大口徑的棱鏡配合，棱鏡的制作既耗時又浪費光學材料等缺點，同時在測量過程中需要很好的調(diào)整測角儀，非常復雜，也不能夠避免測量機構(gòu)復雜性。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。光線通過 V 棱鏡和待測樣品后產(chǎn)生偏向角，便可由公式（）算出樣品的折射率。 時取正號； 時取負n0 0?0?號。然而，加工兩個垂直平面在光學加工領域其難度要比加工兩個平行平面高。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。1105。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材料折射率檢測方法，在光學測量領域有著重要的意義。與此同時，檢測精度取決于檢測裝置中的位移傳感器的精度，而本發(fā)明之檢測裝置采用直線位移傳感器，其精度達到微米級，由此可知，這種檢測方法的結(jié)果將會十分精確，滿足設計要求。 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測量領域日新月異的發(fā)展。 目前，無論是國內(nèi)還是國外對折射率測量系統(tǒng)的研究基本上可以概括為兩個方面。另一方面，主要體現(xiàn)在對新檢測技術(shù)的研究，結(jié)合當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?，F(xiàn)今折射率的干涉測量技術(shù)備受國內(nèi)外學者和專家的青睞，是該領域的研究熱點。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，對折射率測試設備自身的精度要求很高。目前烏克蘭的 . Andrushchak 和美國的 Glen D. Gillen 已經(jīng)在這方面進行了大量的研究工作，取得了較好的研究結(jié)果。第二，對折射率測量系統(tǒng)進行了總體的方案設計，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)的功能及設計的目標。第四，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)要求，設計相應的光學系統(tǒng)機械機構(gòu)，并說明機械結(jié)構(gòu)原理，選取滿足要求的機械系統(tǒng)系統(tǒng)各組件。第六，對整個系統(tǒng)進行相關的總結(jié)和展望。通過比較，提出了一種新的有關折射率檢測的方法，這種方法檢測結(jié)果準確，精度達到微米級，非接觸測量，最后詳細闡述說明了本課題的主要研究內(nèi)容。系統(tǒng)的傳動原理如圖 所示，電機作為主驅(qū)動設備驅(qū)動凸輪筒轉(zhuǎn)動，從而帶動光學系統(tǒng)作直線運動，并傳動傳感器拉桿產(chǎn)生位移信號。該測量儀器安裝于二維轉(zhuǎn)臺上，可通過二維轉(zhuǎn)臺調(diào)整其橫向和縱向位置，使光學系統(tǒng)的主光軸與平行平板及光源 1 在同一條直線上。成像于 CCD 圖像傳感器 3 中。在物點 A 成像過程中，CCD 圖像傳感器 3 將物點 A 的視頻圖像信號傳輸給上位機 9，由上位機 9 通過計算機圖像識別技術(shù)識別視頻圖像的清晰程度，同時指令控制與處理電路 7 控制電機 6，直到視頻圖像最清晰，此時成像光學系統(tǒng) 2 對焦成功。所述位移量有兩個，一個是成像光學系統(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。清晰成像所發(fā)生的位移 ΔS239。、 ΔS239。nf H l39。F2Δl39。l1A39。l210 d8設 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???（）當對 成像時，39。成像時需要調(diào)焦，考慮調(diào)焦量 ，可求得：flS???2 2fl???（）式中：?1l是成像光學系統(tǒng) 2 對物點 A 清晰成像時的像距，?2l是成像光學系統(tǒng) 2 對物點A 的光學平板被測件 10 折射像 A39。清晰成像后其主面 H 相對于初始零點的位移。清晰成像時的物距， 是成像光學系統(tǒng) 2 的焦距， 是f ?1l光學系統(tǒng) 2 對物點 A 成像清晰時的像距， 是成像光學系統(tǒng) 2 對物點 A 的光學平板?2l被測件 10 折射像 A39。 12ll????（）式中： 是光學平板被測件 10 加入到物點 A 與成像光學系統(tǒng) 2 主面 H 之間后造成l??的物點 A 虛物距變化， 是成像光學系統(tǒng) 2 對物點 A 清晰成像時的物距， 是成像光1l 2l學系統(tǒng) 2 對物點 A 的光學平板被測件 10 折射像 A39。 )1(ndl????（） l?（）式中： 是被測件的折射率， 是被測件 10 的厚度， 是光學平板被測件在放入到ndl??物點 A 與成像光學系統(tǒng) 2 主面 H 之間后造成的物點 A 虛物距變化，通過以上公式的計算過程，就可求得我們所需要的被測件光學平板的折射率 。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)設計方案。其中：精密機械直線傳動機構(gòu)主要由電機驅(qū)動齒輪做旋轉(zhuǎn)運動，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)采用人機交互測量。 成像光學系統(tǒng)成像光學系統(tǒng)用于對被測件光學平板成像與 CCD 圖像傳感器中，是系統(tǒng)內(nèi)的核心部分，儀器中的光學成像系統(tǒng)安裝在由電機驅(qū)動的鏡筒中。本文所設計的光學系統(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，能夠滿足設計需要。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。所以電控系統(tǒng)和傳動機構(gòu)的設計直接影響到整個折射率測量系統(tǒng)的工作精度、效率等。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)的設計。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。其中，整個折射率測量系統(tǒng)的核心成像光學系統(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。 計算機數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng)計算機圖像采集處理系統(tǒng)主要由計算機控制，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)在計算機上，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行進一步的處理，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，再進行再次光學系統(tǒng)調(diào)焦、圖像采集、圖像處理等操作。當圖像采集系統(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)光學系統(tǒng)中得相應鏡片結(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。 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)方案設計，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)各個組成機構(gòu)的主要工作原理。14第三章 成像光學系統(tǒng)設計 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。CMOS 是將光的照射直接的變?yōu)殡娦盘枺缓笠黄鹱x取，比較 CCD 的信息讀取要簡單。(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。(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。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。因此 CCD 的故障率要高于 CMOS，所以其生產(chǎn)成本也要高于 COMS。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。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 功耗要遠大于 CMOS 的功耗。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。 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：小的體積、高的靈敏度、長的使用壽命，傳輸信號不失真等。對 CCD 的選擇需要滿足的要求：1）CCD 的感光范圍為可見光。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。 Y/C 雙輸出的彩色數(shù)字式 CCD。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。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。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 圖像傳感器總像素數(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）鏡頭光圈 Video /DC（EIAJ arrangement,Autoselect）背光補償 開/關白色缺陷校正 高達 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 光學系統(tǒng)設計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)由計算機數(shù)據(jù)處理，從而獲得檢測結(jié)果，所以成像光學系統(tǒng)是儀器的核心組成部分，需滿足儀器的使用要求。根據(jù)本文系統(tǒng)提出的技術(shù)指標要求，可以從相關資料中找到物鏡結(jié)構(gòu)，作為設計基礎，并采用 ZEMAX 光學設計軟件進行設計，對鏡頭參數(shù)進行優(yōu)化設計，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)。因此可以把光學系統(tǒng)設計的主要過程分為 4 個階段：系統(tǒng)主要技術(shù)指標的確定、初始結(jié)構(gòu)的確定、ZEMAX 設計仿真優(yōu)化以及像質(zhì)評價。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。相對孔徑越大，越能夠在像面上獲得越大的光通量。（2）鏡頭片數(shù)為了保證在像面上能夠獲得更多的