光栅尺读数头微型光学显微成像系统设计与研究

摘要

随着计算机技术、电子技术与光栅刻划技术的不断推陈出新，使得光栅位移测量技术成为一个专项技术得到快速发展。由于其具有性能稳定、精度高、抗干扰能力强、使用方便等优点，被广泛应用在数控机床、机械加工、影像测量等领域。然而随着实际应用要求的不断提高，为了满足市场需求的日趋变化，光栅技术也在不停的发展更新。诸如采用CCD、CMOS图像传感器与计算机图像识别技术结合的方式，为光栅技术的发展开辟了一条新的途径。
　　这些技术目前已经被应用到光栅尺课题上，采用显微成像读数头系统读取光栅，获得清晰的光栅图像，再利用数字图像处理技术进行细分。但是要获得清晰的光栅图像，就必须设计一套光学成像系统对编码条纹进行放大成像，然后再进行编码图像的采集。因此光学镜头组成的微型成像系统就成为决定位置信息采集系统获得清晰可辨图像的关键。
　　本文将通过对光栅尺进行分析并从实验中得到相关的成像要求，再根据相关的成像理论并借助光学设计仿真软件ZEMAX设计出一款口径小，光学总长控制在30mm以内，放大倍数为20倍的微型光学显微成像物镜。最后，对微型显微成像物镜进行像质评价与公差分析，结果表明，本文所设计的微型光学显微成像系统满足实际要求。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 光栅测量技术概述

1．2．1 光栅位移传感器的分类

1．2．2 光栅位移传感器的主要特点及应用范围

1．2．3 国内外发展现状

1．3 研究的主要内容

1．4 本章小结

第二章 光栅读数头原理及其成像系统分析

2．1 光栅尺原理分析

2．1．1 光电式光栅尺原理分析

2．1．2 图像识别光栅尺原理分析

2．2 光栅读数头成像系统分析

2．2．1 成像系统光学特性

2．2．2 成像系统设计总体方案

2．3 光栅读数头成像系统技术指标分析

2．4 本章小结

第三章 光栅读数头成像系统设计

3．1 成像式光栅读数头的结构与作用

3．2 光学系统设计流程分析

3．3 像差理论与设计方法分析

3．3．1 像差概述

3．3．2 几何像差原理

3．3．3 波像差原理

3．4 光学系统的设计与实现

3．4．1 设计工具简介

3．4．2 初级像差理论PW形式求解初始结构参数

3．4．3 双胶合透镜组像差参量与结构参数关系

3．4．4 透镜各折射面曲率半径的计算

3．4．5 初始结构参数的输入与设置

3．4．6 初始系统成像效果分析

3．5 本章小结

第四章 光栅读数头成像系统优化

4．1 两种最优化方法的数学原理

4．1．1 适应法

4．1．2 阻尼最小二乘法

4．2 评价函数的设定

4．3 像差校正

4．3．1 像差校正平衡方法

4．3．2 像差校正与优化

4．4 系统像质评价

4．5 系统设计结果

4．6 本章小结

第五章 试验与分析

5．1 实验评价方法与原则

5．1．1 公差制定原则

5．1．2 公差方式介绍

5．2 实验结果分析

5．3 本章小结

总结与展望

课题总结

课题展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢