CN102175644A - 基于位移传感器的光学平板折射率检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于位移传感器的光学平板折射率检测装置及方法属于光学测量技术领域。采用现有自动V棱镜折射仪检测需要将被测件加工出两个垂直平面，检测装置结构复杂。本发明之检测装置为，光源、成像光学系统、CCD图像传感器光学同轴依次排列；成像光学系统位于凸轮筒中，并与位移传感器滑销连接；电机驱动凸轮筒旋转，控制与处理电路分别与电机、位移传感器电连接，与上位机串口连接，CCD图像传感器也与上位机电连接。本发明之检测方法将待测材料加工成光学平板被测件；由成像光学系统对无穷远处清晰成像；再对一个近距离物点A清晰成像，得到成像光学系统主面H的位移ΔS₁′；将光学平板被测件加入，对物点A的光学平板被测件折射像A′清晰成像，得到位移ΔS₂′；据此计算待测材料折射率n。

Description

基于位移传感器的光学平板折射率检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于位移传感器的光学平板折射率检测装置及方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

对透明光学材料折射率的准确检测是提高光学仪器质量的前提。现有光学材料折射率的检测方法是V棱镜法，所采用的装置为自动V棱镜折射仪，如申请号为90102943.2的一件中国发明专利公开了一种自动V棱镜折射仪，该折射仪由光源、聚光镜、滤光片、狭缝、分束器、准直物镜、V棱镜、准直反射镜、莫尔光栅盘、角度编码器、变速振动狭缝、光电倍增管、驱动系统、控制电路、信号处理系统、计算机组成，该折射仪通过检测光通过V棱镜后的偏折角来求得折射率，检测过程是单色光经准直物镜后垂直入射到V棱镜上，若待测材料的折射率与V棱镜相同，则出射光不发生任何偏折，若不同，则以某一偏折角出射。由光电倍增管、角度编码器获得该偏折角信息，输出电信号，经过数据处理，获得具有较高检测精度的检测结果，检测过程自动完成。但是，采用V棱镜法检测，需要将被待测料加工出两个垂直光洁平面，尽管如此，在待测材料与V棱镜之间仍存在空气楔，需要配制匹配液予以消除。然而，加工两个垂直平面在光学加工领域其难度要比加工两个平行平面高；而匹配液是一种易挥发溶液，需要在检测前配制，比较麻烦；匹配液的使用消除了检测光光路中的空气介质，并未实现待测材料与V棱镜之间的精准90°角配合，因此，匹配液的使用只是减小检测误差，并未消除检测误差。而自动V棱镜折射仪其结构复杂，部件众多，仅准直物镜就具有复杂的光学结构，所使用的镜片数量多于5片，整个装置的价格较高。

位移传感器如拉杆电位器在现有技术中均是用来获取微小直线位移信息的，其量程为十几毫米到几十个毫米，精度达到微米级，输出的电信号经过单片机的处理获得测量结果。

发明内容

为了克服现有自动V棱镜折射仪及V棱镜法存在的问题，获得一种结构简单、价格低廉的透明光学材料折射率检测装置，同时获得一种被测件加工容易、检测误差小的透明光学材料折射率检测方法，我们发明了一种基于位移传感器的光学平板折射率检测装置及方法。

本发明之检测装置其特征在于，见图1所示，光源1、成像光学系统2、CCD图像传感器3光学同轴依次排列；成像光学系统2位于凸轮筒4中，并与位移传感器滑销5连接；电机6驱动凸轮筒4旋转，控制与处理电路7分别与电机6、位移传感器8电连接，与上位机9串口连接，CCD图像传感器3也与上位机9电连接。

本发明之检测装置其技术效果在于，见图2所示，成像光学系统2能够将光源1作为物点A成像于CCD图像传感器3中，当将光学平板被测件10置于光源1与成像光学系统2之间时，调整成像光学系统2，将成像光学系统2对物点A的光学平板被测件10折射像A′成像于CCD图像传感器3中。成像光学系统2的调整是由上位机9指令控制与处理电路7控制电机6驱动凸轮筒4来实现。在物点A成像过程中，CCD图像传感器3将物点A的视频图像信号传输给上位机9，由上位机9通过计算机图像识别技术识别视频图像的清晰程度，同时指令控制与处理电路7控制电机6，直到视频图像最清晰，此时成像光学系统2对焦成功。在所述对焦过程中，成像光学系统2在光路中的位移量经由位移传感器8探测，并由控制与处理电路7读取后传递给上位机9，由上位机9据此计算出光学平板被测件10的折射率并显示计算结果。所述位移量有两个，一个是成像光学系统2从对无穷远处成像到对物点A清晰成像所发生的位移ΔS₁′，二是成像光学系统2从对无穷远处成像到加入光学平板被测件10后对物点A的光学平板被测件10折射像A′清晰成像所发生的位移ΔS₂′。然而，与现有自动V棱镜折射仪相比，不论从部件的数量还是种类来看，本发明之检测装置具有结构简单、成本低的特点。

本发明之检测方法其特征在于，见图1、图2所示，将待测材料加工成光学平板被测件10；由成像光学系统2对无穷远处清晰成像，此时成像光学系统2主面H的位置为初始零点；再由成像光学系统2通过调焦对一个近距离物点A清晰成像，得到成像光学系统2主面H的位移ΔS₁′；将光学平板被测件10加入到物点A与成像光学系统2主面H之间，光学平板被测件10的光学平面与成像光学系统2光轴垂直，由成像光学系统2通过调焦对物点A的光学平板被测件10折射像A′清晰成像，得到成像光学系统2主面H的位移ΔS₂′；根据所得到的位移ΔS₁′、ΔS₂′以及成像光学系统2的焦距f、光学平板被测件10的厚度d计算待测材料的折射率n。

本发明之检测方法所采用的检测装置即本发明之检测装置相对于现有自动V棱镜折射仪结构简单，更为突出的效果在于，被测件为光学平板，只需将待测材料加工出两个平行平面即可，相对于加工出两个垂直平面更容易；并且，检测时只需将光学平板被测件10置于光路中即可，无需与其他部件如V棱镜配合，这样不仅检测方便，而且不存在现有技术因这种配合不严密所带来的检测误差。另外，本发明之检测方法将现有技术折射率与角度的关系转变为折射率与轴上直线位移的关系，使得检测更加简单易行。

附图说明

图1是本发明之检测装置结构示意图，该图兼作为摘要附图。图2是本发明之检测方法成像步骤及各成像步骤的成像关系示意图。

具体实施方式

本发明之检测装置具体是这样实施的，见图1所示，光源1、成像光学系统2、CCD图像传感器3光学同轴依次排列。光源1采用LED灯。成像光学系统2位于凸轮筒4中，并与位移传感器滑销5连接。电机6驱动凸轮筒4旋转。电机6采用步进电机。控制与处理电路7分别与电机6、位移传感器8电连接，与上位机9串口连接。控制与处理电路7采用单片机。位移传感器8采用拉杆电位器，量程≤50毫米，精度为微米级。上位机9采用微型计算机。CCD图像传感器3也与上位机9电连接。

本发明之检测方法具体是这样实施的，见图1、图2所示，将待测材料加工成光学平板被测件10，其厚度d＝10mm，由成像光学系统2对无穷远处清晰成像，此时成像光学系统2主面H的位置为初始零点。成像光学系统2的焦距f＝45.8mm。物点A与成像光学系统2主面H相距91.6mm，再由成像光学系统2通过调焦对该物点A清晰成像，得到成像光学系统2主面H的位移ΔS₁′＝45.800mm。将光学平板被测件10加入到物点A与成像光学系统2主面H之间，光学平板被测件10的光学平面与成像光学系统2光轴垂直，由成像光学系统2通过调焦对物点A的光学平板被测件10折射像A′清晰成像，得到成像光学系统2主面H相对于初始零点的位移ΔS₂′＝61.455。根据所得到的位移ΔS₁′、ΔS₂′以及成像光学系统2的焦距f、光学平板被测件10的厚度d计算待测材料的折射率n。计算步骤如下：

$\left\{\begin{array}{c}{l_1}^{\′}=f+{\mathrm{\ΔS}}_1^{\′}\\ {l_2}^{\′}=f+{\mathrm{\ΔS}}_2^{\′}\end{array}\right.$

式中：l₁′是成像光学系统2对物点A清晰成像时的像距，l₂′是成像光学系统2对物点A的光学平板被测件10折射像A′清晰成像时的像距，f是成像光学系统2的焦距，ΔS′₁是成像光学系统2对物点A清晰成像后其主面H相对于初始零点的位移，ΔS′₂是成像光学系统2对物点A的光学平板被测件10折射像A′清晰成像后其主面H相对于初始零点的位移。

$\left\{\begin{array}{c}{l}_1=\frac{f\×{l_1}^{\′}}{f-{l_1}^{\′}}\\ l_2=\frac{f\×{l_2}^{\′}}{f-{l_2}^{\′}}\end{array}\right.$

式中：l₁是成像光学系统2对物点A清晰成像时的物距，l₂是成像光学系统2对物点A的光学平板被测件10折射像A′清晰成像时的物距，f是成像光学系统2的焦距，l₁′是成像光学系统2对物点A清晰成像时的像距，l₂′是成像光学系统2对物点A的光学平板被测件10折射像A′清晰成像时的像距。

Δl′＝l₂-l₁

式中：Δl′是光学平板被测件10加入到物点A与成像光学系统2主面H之间后造成的物点A虚物距变化，l₁是成像光学系统2对物点A清晰成像时的物距，l₂是成像光学系统2对物点A的光学平板被测件10折射像A′清晰成像时的物距。

$n=\frac{d}{d-{\mathrm{\Δl}}^{\′}}$

式中：n是待测材料的折射率，d是光学平板被测件10的厚度，Δl′是光学平板被测件10加入到物点A与成像光学系统2主面H之间后造成的物点A虚物距变化。

例如待测材料如K9光学玻璃其标称折射率为1.5164，采用本发明之方法检测所得折射率n＝1.5171，说明检测精度非常高。由此可见，本发明之检测方法通过光学成像，利用待测材料折射率与成像光学系统调焦量的函数关系实现折射率的检测，方法简单、易行。检测精度取决于检测装置中的位移传感器8的精度，而本发明之检测装置采用拉杆电位器作为位移传感器，其精度达到微米级，因此，本发明之检测方法的检测结果十分精确。

Claims (7)

1.一种基于位移传感器的光学平板折射率检测装置，其特征在于，光源(1)、成像光学系统(2)、CCD图像传感器(3)光学同轴依次排列；成像光学系统(2)位于凸轮筒(4)中，并与位移传感器滑销(5)连接；电机(6)驱动凸轮筒(4)旋转，控制与处理电路(7)分别与电机(6)、位移传感器(8)电连接，与上位机(9)串口连接，CCD图像传感器(3)也与上位机(9)电连接。

2.根据权利要求1所述的光学平板折射率检测装置，其特征在于，光源(1)采用LED灯。

3.根据权利要求1所述的光学平板折射率检测装置，其特征在于，电机(6)采用步进电机。

4.根据权利要求1所述的光学平板折射率检测装置，其特征在于，控制与处理电路(7)采用单片机。

5.根据权利要求1所述的光学平板折射率检测装置，其特征在于，位移传感器(8)采用拉杆电位器，量程≤50毫米，精度为微米级。

6.一种基于位移传感器的光学平板折射率检测方法，其特征在于，将待测材料加工成光学平板被测件(10)；由成像光学系统(2)对无穷远处清晰成像，此时成像光学系统(2)主面H的位置为初始零点；再由成像光学系统(2)通过调焦对一个近距离物点A清晰成像，得到成像光学系统(2)主面H的位移AS₁′；将光学平板被测件(10)加入到物点A与成像光学系统(2)主面H之间，光学平板被测件(10)的光学平面与成像光学系统(2)光轴垂直，由成像光学系统(2)通过调焦对物点A的光学平板被测件(10)折射像A′清晰成像，得到成像光学系统(2)主面H的位移ΔS₂′；根据所得到的位移ΔS₁′、ΔS₂′以及成像光学系统(2)的焦距f、光学平板被测件(10)的厚度d计算待测材料的折射率n。

7.根据权利要求6所述的光学平板折射率检测方法，其特征在于，待测材料的折射率n的计算步骤如下：

$\left\{\begin{array}{c}{l_1}^{\′}=f+{\mathrm{\ΔS}}_1^{\′},\\ {l_2}^{\′}=f+{\mathrm{\ΔS}}_2^{\′},\end{array}\right.$

式中：l₁′是成像光学系统(2)对物点A清晰成像时的像距，l₂′是成像光学系统(2)对物点A的光学平板被测件(10)折射像A′清晰成像时的像距，f是成像光学系统(2)的焦距，ΔS′₁是成像光学系统(2)对物点A清晰成像后其主面H相对于初始零点的位移，ΔS′₂是成像光学系统(2)对物点A的光学平板被测件(10)折射像A′清晰成像后其主面H相对于初始零点的位移；

$\left\{\begin{array}{c}{l}_1=\frac{f\×{l_1}^{\′}}{f-{l_1}^{\′}},\\ l_2=\frac{f\×{l_2}^{\′}}{f-{l_2}^{\′}},\end{array}\right.$

式中：l₁是成像光学系统(2)对物点A清晰成像时的物距，l₂是成像光学系统2对物点A的光学平板被测件(10)折射像A′清晰成像时的物距，f是成像光学系统(2)的焦距，l₁′是成像光学系统(2)对物点A清晰成像时的像距，l₂′是成像光学系统(2)对物点A的光学平板被测件(10)折射像A′清晰成像时的像距；

Δl′＝l₂-l₁，

式中：Δl′是光学平板被测件(10)加入到物点A与成像光学系统(2)主面H之间后造成的物点A虚物距变化，l₁是成像光学系统(2)对物点A清晰成像时的物距，l₂是成像光学系统(2)对物点A的光学平板被测件(10)折射像A′清晰成像时的物距；

$n=\frac{d}{d-{\mathrm{\Δl}}^{\′}},$

式中：n是待测材料的折射率，d是光学平板被测件(10)的厚度，Δl′是光学平板被测件(10)加入到物点A与成像光学系统(2)主面H之间后造成的物点A虚物距变化。

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