基于CCD的V棱鏡光電折射儀研究

張溪，曹維國，回英超，馬越

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

V棱鏡法測量介質折射率以測量速度快、精度高、樣品制備簡便等優點被人們廣泛的認可。傳統的手動式V棱鏡折射儀在瞄準讀數時由于人眼很難對狹縫單刻線的像是否平分雙線做出準確判斷而造成誤差，在記錄數據以及后期的數據處理過程中，工作量繁重，過程復雜，從而導致工作效率低下。因此，研究基于CCD的V棱鏡光電折射儀，設計采用增量式光學軸角編碼器和光學瞄準系統來代替機械度盤和人工瞄準，通過CCD成像技術把瞄準像放大呈現出來，使用蜂鳴報警系統，使瞄準工作達到容易、準確、快速的目的。在不提高被測樣品加工要求的條件下，有效的提高測試速度，提高工作效率，減小人為誤差，還實現了儀器的自動測量。

主要技術指標有：

（1）儀器最小分辨率為：3″；

（2）儀器測量折射率范圍為：1.3-1.9；

（3）儀器測量折射率的標準偏差不超過：±1.5×10-5；

（4）儀器測量時重復性不大于1×10-5。

1 V棱鏡法測量原理

V棱鏡法測量光學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，此測量方法就是由于膠合后的棱鏡帶有一個“V”形的缺口而得名。V形缺口的張角∠AED=90°；兩個尖角為∠BAE=∠CDE=45°。

一條光線S沿垂直的方向入射到V棱鏡的AB面上，若待測試樣P的折射率n和V棱鏡折射率n0完全相等，則整個V棱鏡加上試樣P就像一塊平行平板玻璃一樣，光線經過試樣P和V形棱鏡后不發生任何偏折。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生折射，出射光線相對于入射光線產生一個偏折角θ。通過測量出偏折角θ，根據一定的關系計算出待測試樣的折射率n。

圖1 V形棱鏡法測量光學玻璃折射率原理圖

依據折射定律，由圖1可寫出公式：

（4）式是V形棱鏡法測量光學玻璃折射率的普遍關系式。其中當試樣折射率n＞n0時，取正號；當n＜n0時則取負號。用不同單色平行光可測得不同波長的折射率nλ，并由此可求出色散，確定玻璃的種類和級別。

調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 系統的組成及工作原理

傳統的手動式V棱鏡折射儀通過人眼瞄準的方式完成雙線夾單線的對準工作，用光學細分式度盤進行讀數，在操作的過程中，瞄準、讀數、行差等方面都易產生誤差，且記錄角度和后續數據處理的工作量較大，效率低下。

圖2 V棱鏡光電折射儀總體結構原理框圖

V棱鏡光電折射儀總體結構原理框圖如圖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處；經過平行光管準直后的平行光均勻的投射到V棱鏡上；待測試樣放置于V棱鏡底座上，試樣上均勻涂抹有浸液，使之與V棱鏡底座成為一個整體；經過V棱鏡后，由于待測試樣與底座折射率不同，導致光路偏折，通過轉動粗調手輪帶動軸轉動，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轉過的路徑由軸角編碼器轉換成角度值，輸入計算機進行處理，即可得到待測試樣的折射率，并于顯示屏上顯示出測量結果。

3 折射角θ的精密測量

實現折射率準確測量的前提是對折射角的精確測量。技術要求中給出，儀器的測量偏差不超過±1.5×10-5，那么，對折射角進行測量時，也需要保證測量精度達到10-5。本儀器采用增量式軸角編碼器對折射角度進行測量，為保證存儲的編碼容量足夠大，編碼器存儲容量應在7位數以上；為達到技術指標中對精度的要求，線對數也應為7位數字以上。表1中列出了20位到23位增量式循環碼編碼器具體參數。

表1 20-23位增量式編碼器參數對比表

從表1中可以看出，20位編碼器容量不夠，而21位編碼器線對數不夠，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，不僅可以判斷內置軸的正反轉，在每圈開始時會產生一個脈沖，可避免積累誤差。該編碼器波特率為57600bps，更新率為400次/s，在保證測量精度的同時，也保證了儀器的工作效率。

4 軟件的設計

為了保障檢測系統軟件的穩定性，使軟件具有較高的可靠性和較強的可擴充性，軟件開發平臺選用Microsoft Visual C++6.0。

根據儀器的總體設計原則，軟件模塊分為圖像采集模塊、角度測量模塊和蜂鳴報警模塊三大部分。

軟件實時通過圖像采集卡與硬件系統通信，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

本系統采用中值濾波方法去除圖像中雜散噪聲，方法是將一個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，當模板滑動到圖像的某一位置時，原圖像中該位置的所有像素點（除了中心點外）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。事實證明，應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，采用Hough變換識別平行光管狹縫中的刻線，經過驗證，Hough變換能準確的識別平行光管狹縫中的刻線，滿足設計要求。

圖4 軟件界面

儀器采用雙線夾單線蜂鳴提示技術。測量中，當雙線夾單線時，軟件自動啟動蜂鳴提示系統，提示測量人員停止調整微調，并自動的將折射率測量結果顯示到計算機顯示屏上，這樣就實現了被測試樣的折射率自動測量，且有效的避免了人眼瞄準操作時帶來的誤差。

軟件界面如圖4所示，分為圖像顯示區、譜線選擇區、測量操作區及其他操作區四部分。

圖像顯示區主要用于顯示狹縫和單線圖像（具體如圖5所示），顯示區內的兩條紅色實線是作為對準基準的雙線，兩條藍色虛線是微調區域；譜線選擇區中提供了四種不同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”用于更新V槽數據；測量操作區中“零位角度”用于顯示標準樣塊的零位角度值，“終止角度值”用于顯示被測樣塊的終止角度值，“光譜線折射率”顯示被測樣塊的折射率值，“nC-nF”顯示被測樣塊的色散值；“Vd”顯示被測樣塊的阿貝數；其它操作區中“清零”按鈕用于清除測得數據，“保存報表”按鈕用于將測量數據保存到報表中，“退出”按鈕用于關閉軟件。

圖5 圖像顯示區

5 實驗結果與分析

采用d譜線光源對S-BSL7和低-3兩種型號的標準塊進行測試，得到實驗數據如表2所示。S-BSL7型號標準塊對d光譜線的標準折射率為nd=1.516379，低-3型號的標準塊對d光譜線的標準折射率為nd=1.510388，折射液為液體石蠟（n=1.48）。

標準偏差是一種量度數據分布的分散程度的表達方式，用以衡量數據值偏離算術平均值的程度。標準偏差越小，這些值偏離平均值就越少，反之亦然。兩組標準塊測試的結果中，其標準偏差為10-6量級，不僅遠遠小于技術指標中不大于±1.5×10-5的要求，同時也表明儀器測量時偏差小，準確度極高。

重復性是在方法正確的操作情況下，由同一操作人員，在同一實驗室內，使用同一儀器，對相同試樣所作多個單次測試結果，所得結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，是否穩定，所測結果之間是否有較大浮動。本儀器測試的兩組結果經過計算，其重復性均為10-6量級，同樣遠遠小于技術指標中要求的1×10-5量級，也證明了儀器的穩定性非常高。

表2 兩組標準塊測試結果

6 結論

對實驗數據進行分析，可以看出，儀器的精度與穩定性均滿足技術指標要求。本儀器通過運用現代檢測技術，綜合CCD成像技術、光柵角位移測量技術、數字圖像處理技術，實現了被測試樣的半自動化測量和智能化判斷，較好的解決了傳統人工檢測存在的讀值繁瑣、檢測效率低等問題，將檢測精度從原有的10-5量級提高到了10-6量級，有效的提高了測量精度和效率，減小了人為誤差；該儀器的研制成功將有效提高我國光學玻璃生產質量，具有顯著的社會效益和經濟效益，是光學玻璃檢測技術的一個進步。

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