光學玻璃折射率測試儀電子學系統設計

摘 要：為達到較高精度測量光學玻璃折射率的要求，研制了基于直角照準法、最小偏向角法和三最小最小偏向角法的光學玻璃折射率的測量設備。文中介紹了該測量設備的電子學系統控制和測量的設計方案，并對關鍵元器件的選用進行了分析。結果表明：電子學系統控制和測量設計方案可滿足高精度光學玻璃折射率的測量精度要求。

關鍵詞：光學玻璃 折射率 電子學系統 控制和測量

中圖分類號：TN29 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0086-01

伴隨光學精密儀器的高速發展，對光學玻璃的折射率的測量精度要求越來越高，光學玻璃折射率的數據精度對保證光學系統像質起著非常關鍵的作用。新型光學玻璃材料的研發也對光學玻璃折射率提出較高的要求。

很多人對光學材料折射率的測量提出了多種有價值的測量方法[1-2]，主要有測角法和干涉測量法。文章介紹了基于測角法中使用的直角照準法、最小偏向角法和三最小偏向角法測量光學玻璃折射率的測試儀中的電子學控制和測量設計方案。

1 電子學方案

高精度光學玻璃折射率測試儀主要由底座、測角系統、傳動機構和微調機構、自準光管、平行光管、載物臺和光源箱組成。

1.1 系統

電子學部分是以單片機為前臺機，系統機為后臺機對位敏傳感器（PSD）和軸角編碼器進行數據采集，以步進機為執行機構，系統機進行數據運算的光電瞄準實時控制系統。

1.2 關鍵元器件的選用

1.2.1 軸角編碼器

示值分辨率0.05″；精度0.5″；轉速≤90°/S；顯示箱：XXX°XX′XX″XX，按BCD碼以度（百、十、個）分（十、個）秒（十、個）小數秒（后1、2位）順序連續發送。其內容高4位（D7-D4）為標識位碼（0-8），后4位（D3-D0）為BCD數據碼。傳輸速度15?s1/字節-20?s1/字節。

1.2.2 位敏傳感器

采用位敏傳感器（PSD）作瞄準探測器是本系統的重要特點。它反應快、靈敏度高、精度高。與CCD不同，屬于非離散性器件，適配電路也比較簡單。PSD是具有橫向光電效應的PIN光電位置傳感器，I1、I2的輸出和光點位置有關，經適配電路處理有：

式中：X：光點偏離中心位置座標；L：PSD光敏面長；I1、I2：PSD兩端輸出電流。

設計中選用濱松（HAMAMATSU）線陣PSD S3931，其主要技術指標如下：

上述PSD 0.2 ?m的位置分辨率，相當于度盤角度0.075″。6 mm的探測范圍，折合角度為37.5′。

1.2.3 步進機和驅動器

步進機和精密微調機構相連，采用四相步進機和驅動器。整步模式下步進角可達0.9°，對應軸角0.2″，譜線在PSD上移動0.5 ?。

1.2.4 A/D轉換器

AD轉換器的位數

=

取14位AD，轉換時間小于步進周期的10倍，以便多次平均。取100?s。本設計采用了12位逐次比較型AD轉控器AD574。在接近PSD中心時，精瞄將位置信號切換到放大8倍，從而達到15位AD的跟蹤精度。

1.2.5 瞄準時間

當步進脈沖取600 Hz/S時，從邊緣到中心整步6000步，粗瞄所需時間為：（6000/600）=10s。

1.3 單片機測控系統設計

單片機是該系統的前位機，承擔PSD和軸角編碼器的角度數據采集，步進機的驅動控制，鍵盤和LCD顯示的人機交互和數據予處理（例PSD的多次采集平均，加減除運算等）以及和系統機的串行通訊。

1.4 顯示

采用240×64中小屏幕有背光的點陣液晶顯示器，可進行漢字顯示，并用電子游標模擬出譜線在PSD上的粗略和精確位置。給出角度數碼和PSD上譜線位置偏移碼。

1.5 系統機

系統機不附加接口板，它通過RS232串行口與前臺機（單片機系統）相連。在0幀（監控0）聯機狀態下（聯機2）它的功能和前臺機一樣，通過鍵盤對系統進行遙控，PSD和軸角碼進行實時CRT顯示。在1幀（監控1）聯機狀態下，接收前臺機某模式下的逐項參數（角度值），進行運算，給出折射率的精確值。還可輸入當時的溫度、氣壓值、對折射率進行修正。

1.6 軟件設計

前臺機的逐程序由8051匯編語言編寫，系統機的程序由C語言編寫，采用模塊化結構。包括程序清單和功能、全部程序列表、軟件框圖（主程序和監控0程序框圖、調整和顯示子程序框圖、電機調整（跟瞄）子程序框圖）、PSD值采樣A/D轉換防干擾平均值法子程序（INTO中斷服務程序-讀AD、給出模式1（直角照準法）測試流程框圖、給出模式1疊代法解方程模塊）。

2 結語

該文介紹了高精度光學玻璃折射率測試儀電子學設計方案，并對關鍵元器件的選用進行了分析，通過實際應用表明，電子學方案可滿足高精度光學材料折射率測試儀的指標要求。

參考文獻

[1]宋克非，米寶永.計算機控制的高精度光電折射儀[J].儀器儀表學報，2005，26（11）：1159-1162.

[2]孟慶華，向陽.高精度測量光學玻璃折射率的新方法[J].光學精密工程，2008，16（11）：2114-2119.