張溪，曹維國(guó)，回英超，馬越

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

V棱鏡法測(cè)量介質(zhì)折射率以測(cè)量速度快、精度高、樣品制備簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛的認(rèn)可。傳統(tǒng)的手動(dòng)式V棱鏡折射儀在瞄準(zhǔn)讀數(shù)時(shí)由于人眼很難對(duì)狹縫單刻線的像是否平分雙線做出準(zhǔn)確判斷而造成誤差，在記錄數(shù)據(jù)以及后期的數(shù)據(jù)處理過程中，工作量繁重，過程復(fù)雜，從而導(dǎo)致工作效率低下。因此，研究基于CCD的V棱鏡光電折射儀，設(shè)計(jì)采用增量式光學(xué)軸角編碼器和光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)來代替機(jī)械度盤和人工瞄準(zhǔn)，通過CCD成像技術(shù)把瞄準(zhǔn)像放大呈現(xiàn)出來，使用蜂鳴報(bào)警系統(tǒng)，使瞄準(zhǔn)工作達(dá)到容易、準(zhǔn)確、快速的目的。在不提高被測(cè)樣品加工要求的條件下，有效的提高測(cè)試速度，提高工作效率，減小人為誤差，還實(shí)現(xiàn)了儀器的自動(dòng)測(cè)量。

主要技術(shù)指標(biāo)有：

（1）儀器最小分辨率為：3″；

（2）儀器測(cè)量折射率范圍為：1.3-1.9；

（3）儀器測(cè)量折射率的標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過：±1.5×10-5；

（4）儀器測(cè)量時(shí)重復(fù)性不大于1×10-5。

1 V棱鏡法測(cè)量原理

V棱鏡法測(cè)量光學(xué)玻璃折射率原理如圖1所示。V形棱鏡是由二塊已知折射率為n0的直角棱鏡膠合而成，此測(cè)量方法就是由于膠合后的棱鏡帶有一個(gè)“V”形的缺口而得名。V形缺口的張角∠AED=90°；兩個(gè)尖角為∠BAE=∠CDE=45°。

一條光線S沿垂直的方向入射到V棱鏡的AB面上，若待測(cè)試樣P的折射率n和V棱鏡折射率n0完全相等，則整個(gè)V棱鏡加上試樣P就像一塊平行平板玻璃一樣，光線經(jīng)過試樣P和V形棱鏡后不發(fā)生任何偏折。若試樣的折射率n和V棱鏡的折射率n0不相同，則光線在兩者相接觸的面上發(fā)生折射，出射光線相對(duì)于入射光線產(chǎn)生一個(gè)偏折角θ。通過測(cè)量出偏折角θ，根據(jù)一定的關(guān)系計(jì)算出待測(cè)試樣的折射率n。

圖1 V形棱鏡法測(cè)量光學(xué)玻璃折射率原理圖

依據(jù)折射定律，由圖1可寫出公式：

（4）式是V形棱鏡法測(cè)量光學(xué)玻璃折射率的普遍關(guān)系式。其中當(dāng)試樣折射率n＞n0時(shí)，取正號(hào)；當(dāng)n＜n0時(shí)則取負(fù)號(hào)。用不同單色平行光可測(cè)得不同波長(zhǎng)的折射率nλ，并由此可求出色散，確定玻璃的種類和級(jí)別。

調(diào)整儀器零位用的零位塊，是從制造V棱鏡的同一塊玻璃上切下來的，以保證零位塊和V棱鏡的折射率完全一致。零位塊一般磨成直角棱鏡的形狀，與V形槽相接觸的兩工作面拋光。

2 系統(tǒng)的組成及工作原理

傳統(tǒng)的手動(dòng)式V棱鏡折射儀通過人眼瞄準(zhǔn)的方式完成雙線夾單線的對(duì)準(zhǔn)工作，用光學(xué)細(xì)分式度盤進(jìn)行讀數(shù)，在操作的過程中，瞄準(zhǔn)、讀數(shù)、行差等方面都易產(chǎn)生誤差，且記錄角度和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量較大，效率低下。

圖2 V棱鏡光電折射儀總體結(jié)構(gòu)原理框圖

V棱鏡光電折射儀總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示。該儀器由光源、聚光鏡、平行光管、V棱鏡、直角棱鏡、軸角編碼器、CCD以及圖像處理軟件組成。單色光源發(fā)出的光線透過聚光鏡照射到帶有單刻線狹縫的分劃板上，分劃板放置于平行光管的焦面處，即狹縫單刻線的像成像于無窮遠(yuǎn)處；經(jīng)過平行光管準(zhǔn)直后的平行光均勻的投射到V棱鏡上；待測(cè)試樣放置于V棱鏡底座上，試樣上均勻涂抹有浸液，使之與V棱鏡底座成為一個(gè)整體；經(jīng)過V棱鏡后，由于待測(cè)試樣與底座折射率不同，導(dǎo)致光路偏折，通過轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由連接在軸上的CCD捕捉單刻線的像；CCD與軸角編碼器通過連接件連接，CCD轉(zhuǎn)過的路徑由軸角編碼器轉(zhuǎn)換成角度值，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，即可得到待測(cè)試樣的折射率，并于顯示屏上顯示出測(cè)量結(jié)果。

3 折射角θ的精密測(cè)量

實(shí)現(xiàn)折射率準(zhǔn)確測(cè)量的前提是對(duì)折射角的精確測(cè)量。技術(shù)要求中給出，儀器的測(cè)量偏差不超過±1.5×10-5，那么，對(duì)折射角進(jìn)行測(cè)量時(shí)，也需要保證測(cè)量精度達(dá)到10-5。本儀器采用增量式軸角編碼器對(duì)折射角度進(jìn)行測(cè)量，為保證存儲(chǔ)的編碼容量足夠大，編碼器存儲(chǔ)容量應(yīng)在7位數(shù)以上；為達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中對(duì)精度的要求，線對(duì)數(shù)也應(yīng)為7位數(shù)字以上。表1中列出了20位到23位增量式循環(huán)碼編碼器具體參數(shù)。

表1 20-23位增量式編碼器參數(shù)對(duì)比表

從表1中可以看出，20位編碼器容量不夠，而21位編碼器線對(duì)數(shù)不夠，22位編碼器恰好符合容量和精度上的要求。編碼器的相位為3位，不僅可以判斷內(nèi)置軸的正反轉(zhuǎn)，在每圈開始時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，可避免積累誤差。該編碼器波特率為57600bps，更新率為400次/s，在保證測(cè)量精度的同時(shí)，也保證了儀器的工作效率。

4 軟件的設(shè)計(jì)

為了保障檢測(cè)系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性，使軟件具有較高的可靠性和較強(qiáng)的可擴(kuò)充性，軟件開發(fā)平臺(tái)選用Microsoft Visual C++6.0。

根據(jù)儀器的總體設(shè)計(jì)原則，軟件模塊分為圖像采集模塊、角度測(cè)量模塊和蜂鳴報(bào)警模塊三大部分。

軟件實(shí)時(shí)通過圖像采集卡與硬件系統(tǒng)通信，控制圖像采集卡，獲得平行光管狹縫中的單刻線圖像，軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

本系統(tǒng)采用中值濾波方法去除圖像中雜散噪聲，方法是將一個(gè)m×n的二維模板按照從左到右從上到下的順序依次遍歷整幅圖像，當(dāng)模板滑動(dòng)到圖像的某一位置時(shí)，原圖像中該位置的所有像素點(diǎn)（除了中心點(diǎn)外）按從大到小的順序重新排列，并將得出的中值賦值給中心點(diǎn)。事實(shí)證明，應(yīng)用中值濾波能有效去除圖像中的多余散粒噪聲，收到了良好的去噪效果。同時(shí)，采用Hough變換識(shí)別平行光管狹縫中的刻線，經(jīng)過驗(yàn)證，Hough變換能準(zhǔn)確的識(shí)別平行光管狹縫中的刻線，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 軟件界面

儀器采用雙線夾單線蜂鳴提示技術(shù)。測(cè)量中，當(dāng)雙線夾單線時(shí)，軟件自動(dòng)啟動(dòng)蜂鳴提示系統(tǒng)，提示測(cè)量人員停止調(diào)整微調(diào)，并自動(dòng)的將折射率測(cè)量結(jié)果顯示到計(jì)算機(jī)顯示屏上，這樣就實(shí)現(xiàn)了被測(cè)試樣的折射率自動(dòng)測(cè)量，且有效的避免了人眼瞄準(zhǔn)操作時(shí)帶來的誤差。

軟件界面如圖4所示，分為圖像顯示區(qū)、譜線選擇區(qū)、測(cè)量操作區(qū)及其他操作區(qū)四部分。

圖像顯示區(qū)主要用于顯示狹縫和單線圖像（具體如圖5所示），顯示區(qū)內(nèi)的兩條紅色實(shí)線是作為對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)的雙線，兩條藍(lán)色虛線是微調(diào)區(qū)域；譜線選擇區(qū)中提供了四種不同V槽，每種V槽提供了D光、C光、F光、e光、g光和γ光六種光譜線，“更新V槽參數(shù)”用于更新V槽數(shù)據(jù)；測(cè)量操作區(qū)中“零位角度”用于顯示標(biāo)準(zhǔn)樣塊的零位角度值，“終止角度值”用于顯示被測(cè)樣塊的終止角度值，“光譜線折射率”顯示被測(cè)樣塊的折射率值，“nC-nF”顯示被測(cè)樣塊的色散值；“Vd”顯示被測(cè)樣塊的阿貝數(shù)；其它操作區(qū)中“清零”按鈕用于清除測(cè)得數(shù)據(jù)，“保存報(bào)表”按鈕用于將測(cè)量數(shù)據(jù)保存到報(bào)表中，“退出”按鈕用于關(guān)閉軟件。

圖5 圖像顯示區(qū)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用d譜線光源對(duì)S-BSL7和低-3兩種型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行測(cè)試，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。S-BSL7型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)塊對(duì)d光譜線的標(biāo)準(zhǔn)折射率為nd=1.516379，低-3型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)塊對(duì)d光譜線的標(biāo)準(zhǔn)折射率為nd=1.510388，折射液為液體石蠟（n=1.48）。

標(biāo)準(zhǔn)偏差是一種量度數(shù)據(jù)分布的分散程度的表達(dá)方式，用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，這些值偏離平均值就越少，反之亦然。兩組標(biāo)準(zhǔn)塊測(cè)試的結(jié)果中，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為10-6量級(jí)，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于技術(shù)指標(biāo)中不大于±1.5×10-5的要求，同時(shí)也表明儀器測(cè)量時(shí)偏差小，準(zhǔn)確度極高。

重復(fù)性是在方法正確的操作情況下，由同一操作人員，在同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用同一儀器，對(duì)相同試樣所作多個(gè)單次測(cè)試結(jié)果，所得結(jié)果之間的一致性程度的表示方法，它用來表征儀器在使用時(shí)，是否穩(wěn)定，所測(cè)結(jié)果之間是否有較大浮動(dòng)。本儀器測(cè)試的兩組結(jié)果經(jīng)過計(jì)算，其重復(fù)性均為10-6量級(jí)，同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于技術(shù)指標(biāo)中要求的1×10-5量級(jí)，也證明了儀器的穩(wěn)定性非常高。

表2 兩組標(biāo)準(zhǔn)塊測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出，儀器的精度與穩(wěn)定性均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。本儀器通過運(yùn)用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，綜合CCD成像技術(shù)、光柵角位移測(cè)量技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)試樣的半自動(dòng)化測(cè)量和智能化判斷，較好的解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)存在的讀值繁瑣、檢測(cè)效率低等問題，將檢測(cè)精度從原有的10-5量級(jí)提高到了10-6量級(jí)，有效的提高了測(cè)量精度和效率，減小了人為誤差；該儀器的研制成功將有效提高我國(guó)光學(xué)玻璃生產(chǎn)質(zhì)量，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是光學(xué)玻璃檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)進(jìn)步。

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