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物联网-智慧传输-基于位移传感器的像差检测光学系统的研究.pdf
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物联网-智慧传输-基于位移传感器的像差检测光学系统的研究.pdf
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ABSTRACT
The
traditional
optical
system
for
geometrical
aberration
detection
usually
adopt
star
point
method,hartmann
method
or
edge
shadow
method,etc.,the
measurement
results
by
subjective
factors
and
higher
accuracy
is
not
high.To
meet
the
optical
system
aberration
measurement
accuracy
requirement,and
this
system
in
the
traditional
Hartmann(Hartmann)
based
on
detection
method,the
introduction
of
grating
ruler
displacement
sensor
with
high
resolution
CCD
as
measuring
devices,the
automatic
focus
and
image
processing
by
the
computer
directly
given
the
measurement
results,eliminate
the
human
factors
and
improve
the
measuring
accuracy,simple
operation.Compared
with
the
traditional
measuring
method
and
reduce
the
measurement
error,and
improve
work
efficiency.
This
paper
is
mainly
aimed
at
the
experimental
teaching
with
aberration
detection
system,the
displacement
sensor
and
optical
system
parts.This
paper
introduces
the
displacement
sensor
based
on
the aberration
of
the
detection
system
working
principle
and
system
composition,and
determine
the
displacement
sensor
type,design
the
parallel
light
tube
lens
and
CCD
imaging
lens,this
paper
discusses
aberration
test
principle
and
calculation
formula,and
the
test
system
for
the
error
analysis.It
iS
concluded
that
the
influence
of
on
accuracy,for
the
whole
structure
design
provides
a
favorable
basis.
Keywords:
Geometrical-aberration
Hartmann.method
CCD
Grating-displacement
sensor
目
录
摘 要
ABSTRACT
目
录
第一章绪论………………………………………………..1
1.1引言……………….....……..…..…...…………..…..1
1.2像差检测的国内外现状……………………………………….1
1.3像差的检测方法…...………..……………………………..1
1.4位移传感器的应用情况……………………..………………..6
1.5研究目的及意义….…………………………….…………..7
1.6主要研究内容.…..…………..…………………...………7
第二章像差的基础理论和哈特曼法检测像差概述……………………8
2.1像差概述……..…………………….….…………………8
2.2哈特曼法像差检测原理.……………………….….…………11
第三章基于位移传感器的像差检测系统…………………………..15
3.1总体方案………………………………...………………15
3.2平行光管……………………………………..………….15
3.3待测系统要求……………………………….….…………20
3.4位移传感器和光电接收系统.……….…..….…………………2l
第四章基于位移传感器的像差检测光学系统设计……………………26
4.1平行光管光学系统设计…………………………………………………………….26
4.2
CCD接收系统光学系统设计…………………………………………………30
第五章像差检测光学系统公差分析………………………………36
5.1光学系统公差的制定方法与原则……..………………………..36
5.2检测像差光学系统的公差分析………………………………..36
结论与展望…………………………………………………41
致谢…………………………………………………….42
参考文献…………………………………………………..43
第一章
绪论
弟一旱
珀化
1.1引言
光学系统像差的大小可以衡量光学系统设计和制造质量的优劣。特别在光学系
统的试制阶段,测量所有像差这项工作是必不可少的。从几何光学方面看,光学
系统的像差即把一个入射为同心光束变为同心或非同心光束。而从波动光学方面
讲,光学系统的像差即把一个入射球面波变为非球面波。因此,能量在像面上的
分布已经和理想的圆孔衍射的能量分布不同了。
将近轴的光学系统看作是理想的光学系统,根据理想光学系统的物像关系,当
物为一个星点时,像也应该是一个星点,也就是说当物点发出的所有光线在经过
光学系统之后会聚成一点。但是这种近轴的光学系统对光束宽度是有要求的,只
适用于近轴的细光束成像。在一个光学系统中,相对孔径和视场角是对系统性能
影响最大的两个参数。所以,在对近轴光路和非近轴光路区域范围进行光路追迹
时,物和像的位置大小的计算结果是不同的,这样实际像和理想像之间就存在了
差异。这时,星点发出的光束经过光学系统后不再会聚成一个星点,而是形成了
一个弥散斑,系统像差也就产生了,成像变得模糊,并且产生了畸变。像差越大,
光学系统的成像质量就越差,设计是光学的重要部分。
1.2像差检测的国内外现状
像差检测的方法有很多种,现在使用最多的方法有星点检验、哈特曼法检验和
刀El阴影法检验。其中最为常用的是星点检测,当光学系统对自发光物体或相干
照明物体成像时,可将光强分布看成是无数多个具有不用强度的独立发光点的集
合。经光学系统后的发光点,在象面处得到的星点象的光强分布是一个弥散光斑,
这是因为系统存在衍射的现象和像差以及加工工艺疵病的影响。刀口阴影法是很
敏感的,可以很好的检测会聚球面波前的完善程度。在象面附近的光束被刀口切
割成具有特定形状的阴影,形成阴影图;在出瞳处的波相差与物镜的几何象差是
相对应的,可以从刃口图方程及其相应的阴影图看出。相反的,从阴影图上也可
对典型几何象差进行检测。刃口阴影法的检测精度并不是很高,但是设备简单,
检测方便,显示简单明了,所以具有很高的使用价值。
20世纪德国光学工作者哈特曼(Hartmann)提出哈特曼法检测并完成。这种
方法原理简单形象,光线追迹的结果可以直接与测量结果比较。该法目前已有高
频采样和CCD列阵接收两种类型的产品,检测的内容也从单一的求几何像差发展
到可以对多个参数进行测量,如求点列图、光能分布及波前轮廓图等。
1.3像差的检测方法
l、星点法检测几何像差
星点检验装置如图1.1所示,检验时,系统观察无限远处的星点,并对其成像。
一个星孔板安置平行光管物镜的焦平面上,当光源通过聚光镜照亮星空板,使用星
孔板来模拟无限远处的星点。因为其处于平行光管物镜的焦面处,所以成像于无
穷远,最后使用观察显微镜进行观察。
平行光管
遂撬夹持器
测量盛徽撬
图I.I星点检测实验装置
(1)球差的检验
利用离焦星点衍射像来判断透镜是否存在球差,对于星点衍射像中只存球差的
像是轴对称的,并且光能的分别也是轴对称的,只不过光能从中央亮斑向各环带
弥散,看上去是各亮环变亮,并且各暗环光强也不是零。图1.2为球差星点像。
图1.2为球差星点像
(2)位置色差的检验
为了排除球差等各种像差因素的影响,在星点检验位置色差时,常常限制待检
系统,使其只在近轴区域成像,使用白光来照明轴上星点,如果系统没有对色差进
行校正,那么将形成具有鲜艳的衍射彩环的星点像。倍率色差使各谱线像点位置
在像平面内不一致,故像面处形成一小段光谱及外围的衍射彩环,检验待检系统
色差除依据衍射环彩色的鲜明程度及前后截面衍射图形的色序外,还应考虑人眼
及观察仪器的色差,也可使用已知色差的光学系统星点衍射图与待检的比较,以
客观的评价消色差的效果。图1.3为实际星点像一色差图。
图1.3星点色差图
(3)彗差的检验
彗差是由离轴工作产生的,而轴上点彗差是由各元件定心不好形成的。随着彗
差的增加,衍射亮环靠近中央亮斑的一侧变细变暗,而远离的一侧变亮变粗,且
相对中央亮斑的偏心也随之加大,既有一椭圆形中央亮斑(头部)和由残部断开
衍射环形成的扩展变暗的尾部,如图所示。
6兔
2.5X
图1.4星点彗差图
(4)像散的检验
轴上像散的产生有很多的原因,光学元件对光轴的倾斜,定中心不正确或者元
件表面有不规则的面型都可能引起象散。当系统具有较小像散时,中央亮斑还是
圆形的,但是第一衍射环出现四个暗缺形成四角形的形状。当系统具有较大的象
散时,星点像的亮斑近似成正方形状,并且进一步延伸成明显的十字形状。周围
衍射亮环变为四段。再被检系统焦点前后的不同截面上,衍射图形成椭圆形或十
字型,且长短轴互相垂直,同一椭圆形衍射环上的光能分布是均匀对称的。
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