CN106370625A - 基于自准直及ccd视觉技术的v棱镜折射仪 - Google Patents

基于自准直及ccd视觉技术的v棱镜折射仪 Download PDF

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Abstract

基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪属于光电检测技术领域，包括光源、滤光片组件、自准直平行光管、V槽、组合透镜组、CCD相机Ⅰ、CCD相机Ⅱ和计算机。本发明为一种采用自准直技术实现V型槽位置正交性校准的装置，采用CCD相机的数字成像***进行偏折角的角度测量，测量快速且读数精确，结构简单、成本低、测量精度高、能够快速稳定的测量玻璃折射率，保证检测精度同时提高了测量效率。计算机程控滤光片轮，减少滤光片切换时间；结构精简，***中不存在测角传动机构及伺服机构，可避免它们引入的误差，同时缩短测量时间，提高测量效率；采用自准直技术实现V槽校准，提高测量精度。

Description

基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，特别是涉及到一种基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪。
背景技术
随着光学及光电仪器的发展，对玻璃折射率的要求越来越高。传统V棱镜玻璃折射率测量仪，采用复杂的光机对准读数机构，由人眼通过瞄准望远镜对准、光学度盘读数，人工计算得出玻璃折射率。
随着图像处理技术和计算机控制技术的发展，出现了基于CCD的数字图像对准和光电读数的数字化V棱镜折射仪，虽然在一定程度上，提高了玻璃折射率的检测精度和自动化程度，但仍存在如下不足：一、由于***结构复杂，误差因素较多，如传动机构的空回、编码器测角精度及电机控制精度等都会引起测量误差；二、由于要进行大角度范围扫描对准，相比于传统的V棱镜折射仪，测试效率大大降低；三、设备中不具备V型槽校准功能，无法保证V型槽与平行光管正交性对准，易引入玻璃折射率的***误差。
专利号为201220371462.0，名称为《数字式V棱镜折射仪》的实用新型专利公开了一种数字式V棱镜折射仪，该装置按光路依次包括平行光管、载物***和自准直望远镜，及采集出射偏转像的CCD摄像机，该装置主要特征是自准直望远镜内部安装的分光器件将入射光分为两束，其中一束用于人眼观察调整光路，另一束用于CCD相机采集图像。由CCD采集偏折光线，得到有多条彩色横线的像，根据不同颜色谱线所在位置不同测得偏折角度。自准直望远镜用于调整其与平行光管、CCD摄像机的光轴同轴性。该测量装置的主要缺陷是：一、平行光管、载物***和自准直望远镜通过支撑柱固定于底座上，通过水平调整螺钉和仰角调整螺钉，达到调整平行光管和自准直望远镜两光轴重合的目的，这种方法调校精度低，且精度无法量化。二、通过自准直望远镜在CCD相机上所成的像，由于自准直望远镜的限制，使得偏折角测量范围小，不适合大视场测量。三、采用彩色CCD相机，处理速度慢，实时性差。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪，用来解决现有技术中的数字化V棱镜折射仪结构复杂，测量误差大，测试效率低，测量范围小等技术问题。
基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪，其特征是：包括光源、滤光片组件、自准直平行光管、V槽、组合透镜组、CCD相机Ⅰ、CCD相机Ⅱ和计算机，
所述光源的发射光经滤光片组件后入射至自准直平行光管；所述滤光片组件装载在滤光片轮上；所述自准直平行光管包括毛玻璃、消杂光阑、分划板、分光镜、CCD相机Ⅲ和准直透镜组；所述毛玻璃、消杂光阑、分划板、分光镜和准直透镜组沿光源的发射光入射方向依次设置；所述分划板位于自准直平行光管的焦平面上；所述CCD相机Ⅲ位于分光镜的反射光路上；所述V槽位于自准直平行光管和组合透镜组之间；所述组合透镜组包括成像物镜和半反半透镜；所述成像物镜的一侧与槽相邻，成像物镜的另一侧与半反半透镜相邻；所述CCD相机Ⅱ位于组合透镜组的焦平面上；所述CCD相机Ⅰ与CCD相机Ⅱ形成共轭面；所述计算机分别与滤光片轮、CCD相机Ⅰ、CCD相机Ⅱ以及CCD相机Ⅲ连接。
所述滤光片组件的滤光片通过滤光片轮装载，由计算机根据测量需求程控选取。
所述分划板为亮狭缝结构。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明为一种采用自准直技术实现V型槽位置正交性校准的装置，采用CCD相机的数字成像***进行偏折角的角度测量，测量快速且读数精确，结构简单、成本低、测量精度高、能够快速稳定的测量玻璃折射率，保证检测精度同时提高了测量效率。
本发明利用CCD相机的成像位置来实现自准直平行光管与测量CCD的光轴同轴性校准；采用半反半透镜和共轭双CCD相机扩展测角范围，偏折光直接由成像物镜和CCD相机接收，增加了偏折角的测量范围，适合大偏折角测量；自准直平行光管用于调校V型槽位置与平行光管所在轴的正交性，调校精度高。
本发明通过计算机程控滤光片轮，减少滤光片切换时间；结构精简，***中不存在测角传动机构及伺服机构，可避免它们引入的误差，同时缩短测量时间，提高测量效率；采用自准直技术实现V槽校准，提高测量精度；另外，在大偏折角测量时，采用半反半透镜和共轭双CCD相机扩展测角范围。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪的工作原理图。
图2为本发明基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪的测量原理图。
图3为本发明基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪的计算数学简图。
图中1-光源、2-滤光片组件、3-自准直平行光管、4-V槽、5-组合透镜组、6-CCD相机Ⅰ、7-CCD相机Ⅱ、8-计算机、301-毛玻璃、302-消杂光阑、303-分划板、304-分光镜、305-CCD相机Ⅲ、306-准直透镜组、501-成像物镜、502-半反半透镜。
具体实施方式
如图1所示，基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪，其特征是：包括光源1、滤光片组件2、自准直平行光管3、V槽4、组合透镜组5、CCD相机Ⅰ6、CCD相机Ⅱ7和计算机8，
所述光源1的发射光经滤光片组件2后入射至自准直平行光管3；所述滤光片组件2装载在滤光片轮上；所述自准直平行光管3包括毛玻璃301、消杂光阑302、分划板303、分光镜304、CCD相机Ⅲ305和准直透镜组306；所述毛玻璃301、消杂光阑302、分划板303、分光镜304和准直透镜组306沿光源1的发射光入射方向依次设置；所述分划板303位于自准直平行光管3的焦平面上；所述CCD相机Ⅲ305位于分光镜304的反射光路上；所述V槽4位于自准直平行光管3和组合透镜组5之间；所述组合透镜组5包括成像物镜501和半反半透镜502；所述成像物镜501的一侧与V槽4相邻，成像物镜501的另一侧与半反半透镜502相邻；所述CCD相机Ⅱ7位于组合透镜组5的焦平面上；所述CCD相机Ⅰ6与CCD相机Ⅱ7形成共轭面；所述计算机8分别与滤光片轮、CCD相机Ⅰ6、CCD相机Ⅱ7以及CCD相机Ⅲ305连接。
所述滤光片组件2采用滤光片轮上装载若干滤光片，通过计算机8控制滤光片轮旋转，针对不同光源，程控选择相应的滤光片，实现滤光片自动化更换。
所述自准直平行光管3中分划板303前采用消杂光阑302，用于屏蔽外界杂散光影响。
所述自准直平行光管3中的分划板303采用细亮狭缝结构，传统分划板用亮狭缝中的暗线去做偏差角度对比，所述分划板303替换成了细亮狭缝，这个细亮狭缝很细，相当于原亮狭缝中的暗线，放置于自准直平行光管3的焦平面上，用于形成亮狭缝像图像，作为对准目标。这样根据图像亚像元细分技术，可得到亚像元细分对准线，提高测量精度。
在自准直平行光管3中增加CCD相机Ⅲ305和分光镜304，实现光电自准直功能，达到V槽4与自准直平行光管3光轴正交性校准。
采用CCD相机Ⅰ6、CCD相机Ⅱ7和成像物镜501构成数字成像***，由V槽4出射的狭缝准直光束在CCD相机Ⅰ6或CCD相机Ⅱ7上成狭缝像，对此像进行处理得到偏折角度。
采用CCD相机Ⅰ6、CCD相机Ⅱ7作为间接测量V槽4出射的狭缝准直光束偏折角度的探测器。
为实现大范围测量，采用共轭双CCD相机进行视场扩展。光线经成像物镜501后经半反半透镜502同时发生反射与透射，CCD相机Ⅰ6和CCD相机Ⅱ7位于共轭面，实现双视场拼接，增大测量角度范围。
本发明的测量原理如图2所示，其中，d为CCD相机Ⅰ6或CCD相机Ⅱ7接收亮狭缝像的位移，f′为组合透镜组焦距。光线经过V槽4后发生偏折，偏折角为θ，经成像物镜501，半反半透镜502在相机上成狭缝像，通过测量其成像高度d，由图3所示，由公式得，可求出经过V槽4后光线偏转角度大小。由基本公式求得折射率n，式中n0为V棱镜折射率，θ为光线出射V棱镜时偏折角度，n为待测玻璃折射率。
本发明涉及的基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪其效果在于：通过计算机8程控滤光片轮，减少滤光片切换时间；结构精简，***中不存在测角传动机构及伺服机构，可避免它们引入的误差，同时缩短测量时间，提高测量效率；采用自准直技术实现V槽4的校准，提高测量精度；另外，在大偏折角测量时，采用半反半透镜502和共轭双CCD相机即CCD相机Ⅰ6、CCD相机Ⅱ7CCD扩展测角范围。
本发明涉及的折射仪在玻璃折射率测量前，需要对新更换的V槽4进行校准。其具体原理如下：由光谱光源1发出的光经滤光片组件2滤光，毛玻璃301匀光后，再经消杂光阑302消除杂散光，后经分划板303形成单狭缝亮线，透过分光镜304后经准直透镜组306实现光线准直，入射到V槽4的抛光表面，在此表面产生的反射光透过准直透镜组306，经分光镜304反射到达CCD相机Ⅲ305，CCD相机Ⅲ305与计算机8相连接，计算机8对CCD相机Ⅲ305采集到的图像进行处理，将图像位置与基准位置显示在显示器上，操作者可根据位置偏差对V槽4进行正交性调整，直至两位置重合，此时说明V槽4垂直于自准直平行光管3的光轴，最后固定V槽4的底座，实现V槽4校准。
V槽4校准后，进行玻璃折射率测量，具体工作原理如下：光谱光源1发出的光经滤光片组件2时，经计算机8控制该组件中滤光片轮转动选择相应滤光片进行滤光，得到测量所需单色光，经毛玻璃301匀光，消杂光阑302消除杂散光，分划板303形成单狭缝亮线，透过分光镜304后经准直透镜组306实现光线准直，透过V槽4及试品出射光发生偏折，经成像物镜501、半反半透镜502分光后将单狭缝亮线成像在CCD相机Ⅰ6和CCD相机Ⅱ7上。其中，CCD相机Ⅰ6和CCD相机Ⅱ7处于共轭位置，由图像处理软件实现视场拼接，增大测量视场。代入公式计算得出玻璃折射率n，式中n0为V棱镜折射率，θ为光线出射V棱镜时偏折角度，n为待测玻璃折射率。

Claims (3)

1.基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪，其特征是：包括光源(1)、滤光片组件(2)、自准直平行光管(3)、V槽(4)、组合透镜组(5)、CCD相机Ⅰ(6)、CCD相机Ⅱ(7)和计算机(8)，
所述光源(1)的发射光经滤光片组件(2)后入射至自准直平行光管(3)；所述滤光片组件(2)装载在滤光片轮上；所述自准直平行光管(3)包括毛玻璃(301)、消杂光阑(302)、分划板(303)、分光镜(304)、CCD相机Ⅲ(305)和准直透镜组(306)；所述毛玻璃(301)、消杂光阑(302)、分划板(303)、分光镜(304)和准直透镜组(306)沿光源(1)的发射光入射方向依次设置；所述分划板(303)位于自准直平行光管(3)的焦平面上；所述CCD相机Ⅲ(305)位于分光镜(304)的反射光路上；所述V槽(4)位于自准直平行光管(3)和组合透镜组(5)之间；所述组合透镜组(5)包括成像物镜(501)和半反半透镜(502)；所述成像物镜(501)的一侧与槽(4)相邻，成像物镜(501)的另一侧与半反半透镜(502)相邻；所述CCD相机Ⅱ(7)位于组合透镜组(5)的焦平面上；所述CCD相机Ⅰ(6)与CCD相机Ⅱ(7)形成共轭面；所述计算机(8)分别与滤光片轮、CCD相机Ⅰ(6)、CCD相机Ⅱ(7)以及CCD相机Ⅲ(305)连接。
2.根据权利要求1所述的基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪，其特征是：所述滤光片组件(2)的滤光片由滤光片轮装载，根据测量需求通过计算机(8)程控选取。
3.根据权利要求1所述的基于自准直及CCD视觉技术的V棱镜折射仪，其特征是：所述分划板(303)为亮狭缝结构。
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