基于CCD的V棱镜光电折射仪研究

张溪，曹维国，回英超，马越

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

V棱镜法测量介质折射率以测量速度快、精度高、样品制备简便等优点被人们广泛的认可。传统的手动式V棱镜折射仪在瞄准读数时由于人眼很难对狭缝单刻线的像是否平分双线做出准确判断而造成误差，在记录数据以及后期的数据处理过程中，工作量繁重，过程复杂，从而导致工作效率低下。因此，研究基于CCD的V棱镜光电折射仪，设计采用增量式光学轴角编码器和光学瞄准系统来代替机械度盘和人工瞄准，通过CCD成像技术把瞄准像放大呈现出来，使用蜂鸣报警系统，使瞄准工作达到容易、准确、快速的目的。在不提高被测样品加工要求的条件下，有效的提高测试速度，提高工作效率，减小人为误差，还实现了仪器的自动测量。

主要技术指标有：

（1）仪器最小分辨率为：3″；

（2）仪器测量折射率范围为：1.3-1.9；

（3）仪器测量折射率的标准偏差不超过：±1.5×10-5；

（4）仪器测量时重复性不大于1×10-5。

1 V棱镜法测量原理

V棱镜法测量光学玻璃折射率原理如图1所示。V形棱镜是由二块已知折射率为n0的直角棱镜胶合而成，此测量方法就是由于胶合后的棱镜带有一个“V”形的缺口而得名。V形缺口的张角∠AED=90°；两个尖角为∠BAE=∠CDE=45°。

一条光线S沿垂直的方向入射到V棱镜的AB面上，若待测试样P的折射率n和V棱镜折射率n0完全相等，则整个V棱镜加上试样P就像一块平行平板玻璃一样，光线经过试样P和V形棱镜后不发生任何偏折。若试样的折射率n和V棱镜的折射率n0不相同，则光线在两者相接触的面上发生折射，出射光线相对于入射光线产生一个偏折角θ。通过测量出偏折角θ，根据一定的关系计算出待测试样的折射率n。

图1 V形棱镜法测量光学玻璃折射率原理图

依据折射定律，由图1可写出公式：

（4）式是V形棱镜法测量光学玻璃折射率的普遍关系式。其中当试样折射率n＞n0时，取正号；当n＜n0时则取负号。用不同单色平行光可测得不同波长的折射率nλ，并由此可求出色散，确定玻璃的种类和级别。

调整仪器零位用的零位块，是从制造V棱镜的同一块玻璃上切下来的，以保证零位块和V棱镜的折射率完全一致。零位块一般磨成直角棱镜的形状，与V形槽相接触的两工作面抛光。

2 系统的组成及工作原理

传统的手动式V棱镜折射仪通过人眼瞄准的方式完成双线夹单线的对准工作，用光学细分式度盘进行读数，在操作的过程中，瞄准、读数、行差等方面都易产生误差，且记录角度和后续数据处理的工作量较大，效率低下。

图2 V棱镜光电折射仪总体结构原理框图

V棱镜光电折射仪总体结构原理框图如图2所示。该仪器由光源、聚光镜、平行光管、V棱镜、直角棱镜、轴角编码器、CCD以及图像处理软件组成。单色光源发出的光线透过聚光镜照射到带有单刻线狭缝的分划板上，分划板放置于平行光管的焦面处，即狭缝单刻线的像成像于无穷远处；经过平行光管准直后的平行光均匀的投射到V棱镜上；待测试样放置于V棱镜底座上，试样上均匀涂抹有浸液，使之与V棱镜底座成为一个整体；经过V棱镜后，由于待测试样与底座折射率不同，导致光路偏折，通过转动粗调手轮带动轴转动，由连接在轴上的CCD捕捉单刻线的像；CCD与轴角编码器通过连接件连接，CCD转过的路径由轴角编码器转换成角度值，输入计算机进行处理，即可得到待测试样的折射率，并于显示屏上显示出测量结果。

3 折射角θ的精密测量

实现折射率准确测量的前提是对折射角的精确测量。技术要求中给出，仪器的测量偏差不超过±1.5×10-5，那么，对折射角进行测量时，也需要保证测量精度达到10-5。本仪器采用增量式轴角编码器对折射角度进行测量，为保证存储的编码容量足够大，编码器存储容量应在7位数以上；为达到技术指标中对精度的要求，线对数也应为7位数字以上。表1中列出了20位到23位增量式循环码编码器具体参数。

表1 20-23位增量式编码器参数对比表

从表1中可以看出，20位编码器容量不够，而21位编码器线对数不够，22位编码器恰好符合容量和精度上的要求。编码器的相位为3位，不仅可以判断内置轴的正反转，在每圈开始时会产生一个脉冲，可避免积累误差。该编码器波特率为57600bps，更新率为400次/s，在保证测量精度的同时，也保证了仪器的工作效率。

4 软件的设计

为了保障检测系统软件的稳定性，使软件具有较高的可靠性和较强的可扩充性，软件开发平台选用Microsoft Visual C++6.0。

根据仪器的总体设计原则，软件模块分为图像采集模块、角度测量模块和蜂鸣报警模块三大部分。

软件实时通过图像采集卡与硬件系统通信，控制图像采集卡，获得平行光管狭缝中的单刻线图像，软件流程如图3所示。

图3 软件流程图

本系统采用中值滤波方法去除图像中杂散噪声，方法是将一个m×n的二维模板按照从左到右从上到下的顺序依次遍历整幅图像，当模板滑动到图像的某一位置时，原图像中该位置的所有像素点（除了中心点外）按从大到小的顺序重新排列，并将得出的中值赋值给中心点。事实证明，应用中值滤波能有效去除图像中的多余散粒噪声，收到了良好的去噪效果。同时，采用Hough变换识别平行光管狭缝中的刻线，经过验证，Hough变换能准确的识别平行光管狭缝中的刻线，满足设计要求。

图4 软件界面

仪器采用双线夹单线蜂鸣提示技术。测量中，当双线夹单线时，软件自动启动蜂鸣提示系统，提示测量人员停止调整微调，并自动的将折射率测量结果显示到计算机显示屏上，这样就实现了被测试样的折射率自动测量，且有效的避免了人眼瞄准操作时带来的误差。

软件界面如图4所示，分为图像显示区、谱线选择区、测量操作区及其他操作区四部分。

图像显示区主要用于显示狭缝和单线图像（具体如图5所示），显示区内的两条红色实线是作为对准基准的双线，两条蓝色虚线是微调区域；谱线选择区中提供了四种不同V槽，每种V槽提供了D光、C光、F光、e光、g光和γ光六种光谱线，“更新V槽参数”用于更新V槽数据；测量操作区中“零位角度”用于显示标准样块的零位角度值，“终止角度值”用于显示被测样块的终止角度值，“光谱线折射率”显示被测样块的折射率值，“nC-nF”显示被测样块的色散值；“Vd”显示被测样块的阿贝数；其它操作区中“清零”按钮用于清除测得数据，“保存报表”按钮用于将测量数据保存到报表中，“退出”按钮用于关闭软件。

图5 图像显示区

5 实验结果与分析

采用d谱线光源对S-BSL7和低-3两种型号的标准块进行测试，得到实验数据如表2所示。S-BSL7型号标准块对d光谱线的标准折射率为nd=1.516379，低-3型号的标准块对d光谱线的标准折射率为nd=1.510388，折射液为液体石蜡（n=1.48）。

标准偏差是一种量度数据分布的分散程度的表达方式，用以衡量数据值偏离算术平均值的程度。标准偏差越小，这些值偏离平均值就越少，反之亦然。两组标准块测试的结果中，其标准偏差为10-6量级，不仅远远小于技术指标中不大于±1.5×10-5的要求，同时也表明仪器测量时偏差小，准确度极高。

重复性是在方法正确的操作情况下，由同一操作人员，在同一实验室内，使用同一仪器，对相同试样所作多个单次测试结果，所得结果之间的一致性程度的表示方法，它用来表征仪器在使用时，是否稳定，所测结果之间是否有较大浮动。本仪器测试的两组结果经过计算，其重复性均为10-6量级，同样远远小于技术指标中要求的1×10-5量级，也证明了仪器的稳定性非常高。

表2 两组标准块测试结果

6 结论

对实验数据进行分析，可以看出，仪器的精度与稳定性均满足技术指标要求。本仪器通过运用现代检测技术，综合CCD成像技术、光栅角位移测量技术、数字图像处理技术，实现了被测试样的半自动化测量和智能化判断，较好的解决了传统人工检测存在的读值繁琐、检测效率低等问题，将检测精度从原有的10-5量级提高到了10-6量级，有效的提高了测量精度和效率，减小了人为误差；该仪器的研制成功将有效提高我国光学玻璃生产质量，具有显著的社会效益和经济效益，是光学玻璃检测技术的一个进步。

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