專利名稱：基于位移傳感器的光學平板折射率檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種基于位移傳感器的光學平板折射率檢測裝置及方法，屬于光學測量技術領域。
背景技術：
對透明光學材料折射率的準確檢測是提高光學儀器質量的前提。現有光學材料折射率的檢測方法是V棱鏡法，所采用的裝置為自動V棱鏡折射儀，如申請號為901(^943. 2 的一件中國發明專利公開了一種自動V棱鏡折射儀，該折射儀由光源、聚光鏡、濾光片、狹縫、分束器、準直物鏡、V棱鏡、準直反射鏡、莫爾光柵盤、角度編碼器、變速振動狹縫、光電倍增管、驅動系統、控制電路、信號處理系統、計算機組成，該折射儀通過檢測光通過V棱鏡后的偏折角來求得折射率，檢測過程是單色光經準直物鏡后垂直入射到V棱鏡上，若待測材料的折射率與V棱鏡相同，則出射光不發生任何偏折，若不同，則以某一偏折角出射。由光電倍增管、角度編碼器獲得該偏折角信息，輸出電信號，經過數據處理，獲得具有較高檢測精度的檢測結果，檢測過程自動完成。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。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；而匹配液是一種易揮發溶液，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，并未實現待測材料與V棱鏡之間的精準90°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。而自動V棱鏡折射儀其結構復雜，部件眾多，僅準直物鏡就具有復雜的光學結構，所使用的鏡片數量多于5片，整個裝置的價格較高。位移傳感器如拉桿電位器在現有技術中均是用來獲取微小直線位移信息的，其量程為十幾毫米到幾十個毫米，精度達到微米級，輸出的電信號經過單片機的處理獲得測量結果。
發明內容
為了克服現有自動V棱鏡折射儀及V棱鏡法存在的問題，獲得一種結構簡單、價格低廉的透明光學材料折射率檢測裝置，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，我們發明了一種基于位移傳感器的光學平板折射率檢測裝置及方法。本發明之檢測裝置其特征在于，見圖1所示，光源1、成像光學系統2、C⑶圖像傳感器3光學同軸依次排列；成像光學系統2位于凸輪筒4中，并與位移傳感器滑銷5連接；電機6驅動凸輪筒4旋轉，控制與處理電路7分別與電機6、位移傳感器8電連接，與上位機9 串口連接，CXD圖像傳感器3也與上位機9電連接。本發明之檢測裝置其技術效果在于，見圖2所示，成像光學系統2能夠將光源1作為物點A成像于CCD圖像傳感器3中，當將光學平板被測件10置于光源1與成像光學系統2 之間時，調整成像光學系統2，將成像光學系統2對物點A的光學平板被測件10折射像A'成像于CXD圖像傳感器3中。成像光學系統2的調整是由上位機9指令控制與處理電路7 控制電機6驅動凸輪筒4來實現。在物點A成像過程中，CXD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2對焦成功。在所述對焦過程中，成像光學系統2在光路中的位移量經由位移傳感器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據此計算出光學平板被測件10的折射率并顯示計算結果。所述位移量有兩個，一個是成像光學系統2從對無窮遠處成像到對物點A清晰成像所發生的位移AS1'，二是成像光學系統2從對無窮遠處成像到加入光學平板被測件10后對物點A的光學平板被測件10折射像A'清晰成像所發生的位移Δ。 然而，與現有自動V棱鏡折射儀相比，不論從部件的數量還是種類來看，本發明之檢測裝置具有結構簡單、成本低的特點。本發明之檢測方法其特征在于，見圖1、圖2所示，將待測材料加工成光學平板被測件10 ；由成像光學系統2對無窮遠處清晰成像，此時成像光學系統2主面H的位置為初始零點；再由成像光學系統2通過調焦對一個近距離物點A清晰成像，得到成像光學系統2主面H的位移AS1'；將光學平板被測件10加入到物點A與成像光學系統2主面H之間，光學平板被測件10的光學平面與成像光學系統2光軸垂直，由成像光學系統2通過調焦對物點A的光學平板被測件10折射像A'清晰成像，得到成像光學系統2主面H的位移； 根據所得到的位移AS1' ,AS2'以及成像光學系統2的焦距f、光學平板被測件10的厚度 d計算待測材料的折射率η。本發明之檢測方法所采用的檢測裝置即本發明之檢測裝置相對于現有自動V棱鏡折射儀結構簡單，更為突出的效果在于，被測件為光學平板，只需將待測材料加工出兩個平行平面即可，相對于加工出兩個垂直平面更容易；并且，檢測時只需將光學平板被測件 10置于光路中即可，無需與其他部件如V棱鏡配合，這樣不僅檢測方便，而且不存在現有技術因這種配合不嚴密所帶來的檢測誤差。另外，本發明之檢測方法將現有技術折射率與角度的關系轉變為折射率與軸上直線位移的關系，使得檢測更加簡單易行。
圖1是本發明之檢測裝置結構示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖2是本發明之檢測方法成像步驟及各成像步驟的成像關系示意圖。
具體實施例方式本發明之檢測裝置具體是這樣實施的，見圖1所示，光源1、成像光學系統2、C⑶圖像傳感器3光學同軸依次排列。光源1采用LED燈。成像光學系統2位于凸輪筒4中，并與位移傳感器滑銷5連接。電機6驅動凸輪筒4旋轉。電機6采用步進電機。控制與處理電路7分別與電機6、位移傳感器8電連接，與上位機9串口連接。控制與處理電路7采用單片機。位移傳感器8采用拉桿電位器，量程<50毫米，精度為微米級。上位機9采用微型計算機。CXD圖像傳感器3也與上位機9電連接。本發明之檢測方法具體是這樣實施的，見圖1、圖2所示，將待測材料加工成光學平板被測件10，其厚度d = IOmm,由成像光學系統2對無窮遠處清晰成像，此時成像光學系統2主面H的位置為初始零點。成像光學系統2的焦距f = 45. 8mm。物點A與成像光學系統2主面H相距91. 6mm,再由成像光學系統2通過調焦對該物點A清晰成像，得到成像光學系統2主面H的位移AS/ = 45. 800mm。將光學平板被測件10加入到物點A與成像光學系統2主面H之間，光學平板被測件10的光學平面與成像光學系統2光軸垂直，由成像光學系統2通過調焦對物點A的光學平板被測件10折射像A'清晰成像，得到成像光學系統 2主面H相對于初始零點的位移Δ = 61.455。根據所得到的位移AS1'、Δ S2 ‘以及成像光學系統2的焦距f、光學平板被測件10的厚度d計算待測材料的折射率η。計算步驟如下J ,式中1/是成像光學系統2對物點A清晰成像時的像距，I2'是成像光學系統2 對物點A的光學平板被測件10折射像A'清晰成像時的像距，f是成像光學系統2的焦距， AS'工是成像光學系統2對物點A清晰成像后其主面H相對于初始零點的位移，AS' 2是成像光學系統2對物點A的光學平板被測件10折射像A‘清晰成像后其主面H相對于初始零點的位移。
權利要求
1.一種基于位移傳感器的光學平板折射率檢測裝置，其特征在于，光源(1)、成像光學系統O)、CCD圖像傳感器(3)光學同軸依次排列；成像光學系統(2)位于凸輪筒⑷中， 并與位移傳感器滑銷(5)連接；電機(6)驅動凸輪筒(4)旋轉，控制與處理電路(7)分別與電機(6)、位移傳感器(8)電連接，與上位機(9)串口連接，CCD圖像傳感器C3)也與上位機 (9)電連接。
2.根據權利要求1所述的光學平板折射率檢測裝置，其特征在于，光源(1)采用LED 燈。
3.根據權利要求1所述的光學平板折射率檢測裝置，其特征在于，電機(6)采用步進電機。
4.根據權利要求1所述的光學平板折射率檢測裝置，其特征在于，控制與處理電路(7) 采用單片機。
5.根據權利要求1所述的光學平板折射率檢測裝置，其特征在于，位移傳感器(8)采用拉桿電位器，量程< 50毫米，精度為微米級。
6.一種基于位移傳感器的光學平板折射率檢測方法，其特征在于，將待測材料加工成光學平板被測件(10)；由成像光學系統(2)對無窮遠處清晰成像，此時成像光學系統(2) 主面H的位置為初始零點；再由成像光學系統( 通過調焦對一個近距離物點A清晰成像， 得到成像光學系統(2)主面H的位移AS1 ‘；將光學平板被測件(10)加入到物點A與成像光學系統( 主面H之間，光學平板被測件(10)的光學平面與成像光學系統( 光軸垂直， 由成像光學系統( 通過調焦對物點A的光學平板被測件(10)折射像A'清晰成像，得到成像光學系統(2)主面H的位移Δ；根據所得到的位移AS1' ,AS2'以及成像光學系統O)的焦距f、光學平板被測件(10)的厚度d計算待測材料的折射率η。
7.根據權利要求6所述的光學平板折射率檢測方法，其特征在于，待測材料的折射率η 的計算步驟如下
全文摘要
基于位移傳感器的光學平板折射率檢測裝置及方法屬于光學測量技術領域。采用現有自動V棱鏡折射儀檢測需要將被測件加工出兩個垂直平面，檢測裝置結構復雜。本發明之檢測裝置為，光源、成像光學系統、CCD圖像傳感器光學同軸依次排列；成像光學系統位于凸輪筒中，并與位移傳感器滑銷連接；電機驅動凸輪筒旋轉，控制與處理電路分別與電機、位移傳感器電連接，與上位機串口連接，CCD圖像傳感器也與上位機電連接。本發明之檢測方法將待測材料加工成光學平板被測件；由成像光學系統對無窮遠處清晰成像；再對一個近距離物點A清晰成像，得到成像光學系統主面H的位移ΔS1′；將光學平板被測件加入，對物點A的光學平板被測件折射像A′清晰成像，得到位移ΔS2′；據此計算待測材料折射率n。
文檔編號G01N21/41GK102175644SQ201010624339
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者丁紅昌, 劉波, 劉暢, 初宏亮, 向陽, 席婭娜, 程遠 申請人:長春理工大學