高精度CCD尺寸自动检测系统的光学系统设计

高精度CCD尺寸自动检测系统的光学系统设计

第

年

期月

光

学矛

技

术

高精度

尺寸自动检测系统的光学系统设计孙学珠

付维乔的

刘,

庆

王庆有。。。。

天津大学精密仪器系天津

摘要本文介绍了测量精度为士。

尺寸自动检测系统的工作原理。

详细地讨论了光。。

学系统的设计和远心物镜的结构并且进行了光学计算和像差校正给出了像差曲线和实测结果该仪

器具有自动检测精度高快速和性能可靠等优点关键词尺寸测量线阵远心物镜

、

。

已在工业生产中得到了很好地应用

光学系统

,

士

,

,

一前

、

言,

尺寸检测的要求我们成功地设计了一套,

在光电检测中用了越来越广泛地应用。

传感器作为接受器,

光学系统使检测系统的综合测量精度达到了,

件对物体几何尺寸进行非接触测量技术得到尺寸检测系统对物,

士、

,

满足了使用要求

。

二工作原理

体几何尺寸的取样是靠光学系统来完成的故光学系统的设计与质量将对测量结果有很大的

高精度图如图,

尺寸检测系统是由光学系统。

、

传感器和测量电路系统组成工作原理框所示。

在此检测系统中光学系统的作,

用是明。

要使被测物体得到均匀的照

使被测物体按一定准确的倍

、

率要求成像或投影在。

传感器的,

光敏接受面上为满足上述要求保证测量精度光学系统设计采用了远心,

成像系统、

。

三远心成像光学系统设计

光学系统光路由图影响它直接影响系统的测量精度根据高精度,。

所示

。

它是。

由成像系统和照明系统两部分组成

高精度CCD尺寸自动检测系统的光学系统设计

第

期

孙学珠等

高精度

尺寸自动检测系统的光学系统设计。

成像系统成像系统由物镜器组成如图,,

设计或选择物镜是非常重要的光阑和

物镜的焦距及视场角中设被测传感器的,

传感的像。

尹相对孔径,

尹或数值孔径。

所示,

。

光阑

设在物镜,

。

表示了物镜的光学特性,,

在图,

方焦平面’处形成了物方远心光路,

影响系

物体的物方线视场为为,

线阵

统成像质量的主要是成像物镜因此如何根据使用要求来确定物镜的光学参数从而合理地

像元尺寸为了像元数为则

物象之间共扼距

灯丝

云笔多越李泣三更

妻霎障蟾耳,

二育一燕‘

一几

系统放大率尹由下式计算尹夕‘

可求出物镜的焦距广和成像系统的外形尺寸’和矛值。

少

〕

式中了一

口为

传感器敏感面尺寸

视场角以由下式给出,

物镜的相对孔径

尹或数值孔径

田,

二

物镜的相对孔径是由物镜的分辨率和传感器所需要的光照度大小决定的物镜的分辨率占与,。

式中’

’尹为一。

传感器光敏面到物镜,

像方焦点’的距离围为润。

传感器的空间分辨率即像占占‘

根据以上讨论本系统要求测量物体的范一娜

元尺寸夕有关它们之间的关系为夕

杆件测量精度为士,

。

因此选择了,

像元的,

线。

由物镜的分辨率径有,

占可确定物镜的数值孔

阵寸为

传感器作为光电检测器件每个像元尺光敏面尺寸为,

光

又

〕

学系统的放大率取的分辨率要求达到,

由。

式则光学系统,

占

故成像物镜的,

式中

久

—波物镜的焦距尹确定长,一一

。

光学参数设计为焦距’一尹一为六物方线视场为,

相对孔径

,

一扭

解联立方程组

乙

令由结构尺寸决定一一

照明系统

在,

尺寸检测系统中被测物体能否得。

,

到均匀照明将对测量结果有很大的影响由于成像系统为物方远心系统则照明系统应采取,

一

一

尹一

像方远心即柯拉照明方式闭与之相匹配在图,

。

高精度CCD尺寸自动检测系统的光学系统设计

年

月

中由灯丝,

。、

集光镜。

、

聚光镜

和光阑

本

尺寸自动检测系统在上述光学系,,,

尸

,

尸

组成了照明系统。

它们满足以下成像关

统设计的基础上为保证系统工作稳定可靠在机械结构设计上采取了精密位系统。

系灯丝。

经集光镜,

成像于聚光镜或光阑尸。

的

“

”

型支撑与定,

物方焦平面镜径为。,,

处再经聚光镜

成像于无限经聚光

同时设计了性能可靠的测量电路系统写电流由。

远被灯丝照亮的集光镜测物体得到了均匀地照明,

和为光源提供稳定精度高于可调的稳压稳流电源恤甲

成像于被测物所在的物平面物镜的物方孔径角为,,

处使被灯丝长度为

,

设被照明的物体直

则根据以上成像关系照明系统的外形尺

。

寸可由图,

计算得到

。亡,口

认

本系统设计的集光镜,,,