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1、西安工业大学北方信息工程学院毕业设计( 论文)开题报告题目：正透镜焦距测量方法研究系 别 光电信息系 专 业 测控技术与仪器 班 级 B120101 姓 名 马权权 学 号 B12010115 导 师 王稳奇 2015 年 12 月 10 日开 题 报 告 填 写 要 求1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。2.开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴） ，完成后应及时交给指导教师审阅。3.开题报告字数应在 1500 字以
2、上，参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少 3 篇） ，文中引用参考文献处应标出文献序号， “参考文献”应按附件中参考文献“注释格式” 的要求书写。4.年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2008 年 11 月 26 日” 。5.开题报告增加封面，封面格式：题目：宋体，加粗，二号；系别等内容格式：宋体，四号，居中。一、综述1.1 题目研究背景透镜是光学成像系统中最基本的元件，而焦距是透镜的重要参数，透镜的焦距是由光学玻璃的折射率、两个球面的曲率半径及其间距所决定的，透镜的焦距、口径以及多个透镜之间的间距对光学成像系统的性能有重要影响。通过本课题的研究有助于我们熟
3、练掌握光学导轨的正确使用方法 ，熟悉正透镜的成像特性，全面掌握和认识正透镜焦距的各种测量方法、测量数据误差处理及测量时所需的仪器和可能达到的精度。我们都知道透镜是组成各种光学仪器的基本光学元件，掌握透镜的成像规律，学会光路的分析和调节技术，对于了解仪器的构造和正确使用是有益的。反映透镜特性的一个重要参数是焦距。在不同的使用场合，由于使用目的的不同，需要选择不同的透镜或者透镜组，为此就需要对其焦距进行测量1。目前常用的方法有物距像距法、共轭法、自准直法等。理论上，当物距一定时，透镜成像最佳位置只有一个。但实际测量中，由于人眼的分辨率较低，光屏在一段区间内移动时，成像看上去都很清晰，这样就使得成像
4、的最佳位置难以判断，因此常会造成较大的测量误差。所以准确判断理想成像的最佳位置是十分重要的。为此我们对现有的方法进行研究和改进，利用放大率法并通过消视差技术对透镜焦距进行测量可以大大提高测量的精度，同时也丰富了实验内容。1.2 国内研究随着各个领域对透镜品质要求的提高及工业生产过程中对透镜相关配件的标定需要的增加，透镜参数测量平台的研发和生产也日益兴起。国内透镜参数通用测量平台的研究仅仅处于起步阶段，但是单一参数的测量装置或者少数几个参数的测量仪器的研发与生产已经趋于成熟。下面对国内的研究生产情况做一下介绍。(1) 焦距测量仪器 用光具座以透镜成像原理测量凸透镜和凹透镜的焦距是理工科大学的一个
5、主要的光学物理实验2 。平行光管法属于自准法，可以在光具座上实现，结合 CCD 使用效果更佳1 。其测量原理如图 1-1 示。平行光管将一个刻线 y 投射至无限远。样品在其焦平面上产生一个该刻线的图像 y。刻线图像的尺寸仅取决于已知的准直仪的焦距和需要测量的样品的焦距焦距的计算公式为f=f 图 1-1 平行光管法测焦距可用自准直法确定待检透镜的焦面位置，其原理如图 1-3 所示。在光具座上依次放置氦氖激光器 1，聚光镜 2，分划板 3，待检透镜 4，平面反射镜 5。激光器发出的平行光照射圆形分划板的中心开孔，沿光具座轴向移动待检透镜，当由平面反射镜反射回来的自准像与圆形分划板的中心开孔重合时,
6、此时分划板的位置即为待检透镜的焦平面位置9 。图 1-3 自准法定焦原理 Fig.1-3 Principle for focusing by self-collimation method长春第一光学有限公司生产的焦距测量仪也属于一种光学实验仪器设备。其结构为：望远镜固定连接在四维调节台上，该四维调节台与导轨连接，三爪卡盘和平行光管固定在导轨上。该仪器优点在于：结构紧凑，布局合理，测试精度较高。但此焦距测量仪主要应用于实验室，作为学生实验之用。长春时代光电有限责任公司生产的焦距测量仪(YCJ)结构与长春第一光学有限公司生产的测焦仪相似， 精度能达到 1%左右。上海精密仪器仪表有限公司生产的透镜
7、中心仪 GJX- 1A 适用于测定圆形球面透镜光轴与外径的偏差、各种透镜的焦距值及透镜的焦距比较测量。被测件可以是单片透镜或胶合透镜。但些仪器同样类似于上述实验室教学设备，而且最后的图像检测依然靠目镜上的分划板上的刻度。精度亦不是非常高8。以上国内研发的焦距测量仪器几乎都选用透射成像的方法，即将一刻线照亮后，用平行光管发射出平行光，然后再由自准直仪采集图像。不同的地方仅在于观查图像时，有的仪器用显微镜，有的仪器用 CCD。用 CCD 法，可以提高测量精度，尤其使用数字图像处理技术后，可减少显微镜视觉读数误差3。1.3 国外研究目前，国外的透镜参数检测方面的研究已经非常成熟。 生产厂家集中于欧美
8、发达国家。他们依托高水平的机械加工和测量原理， 生产出精度非常高的透镜参数测量平台。本文对于单一参数检测装置发展状况不作过多叙述。主要介绍一下光学透镜参数通用测量平台的研发现状。国外光学透镜参数通用测量平台生产厂家集中于欧美地区。 名气最大的属德国 Trioptics公司和 OEG GmbH公司4。德 OEG GmbH公司生产的 Optical Test Station测量方法基本与 Trioptics公司的产品相似，焦距测量采用自准直法，MTF 检测中使用单缝为目标刻线。同样，OTS系列亦可进行功能扩展，具备透镜中心偏差测量、透镜厚度检测等功能。其基本结构见图1-5（以其生产的 OTS-50
9、0为例） 。OEG的产品精度也非常高，焦距和曲率半径测量精度可达 0.3%以上，MTF检测精度可达 3%以上 5 。OEG GmbH与德国 Leica Camera AG（徕卡相机公司)合作开发了全能视频透镜测量仪UNILENS ，可以测量光学透镜的传递函数 MTF、焦距、截距及星点测量（中心偏差） 。但其主要功能还是测量 MTF。相对于 OptiSpheric和OTS系列产品，其 MTF测量功能可以实现离轴 MTF 检测。 UNILENS 的基本结构与 OptiSpheric和 OTS系列产品相近，但其样品夹持器可旋转和偏转，适合于离轴 MTF 检测和星点检测。它可以检测焦距为500mm以内
10、的透镜的MTF且精度可达2%7 .。2、本课题研究的主要内容和研究方案、研究方法或措施（一） 光学系统的共轴调节先利用水平尺将光具座导轨在实验桌上调节成水平，然后进行各光学元件同轴等高的粗调和细调，直到各光学元件的光轴共轴，并与光具座导轨平行为止。1、 粗调将小灯泡、箭矢物（小灯泡与箭矢物的距离大于 40 厘米） 、凸透镜、白屏等光学元件放在光具座上，使它们尽量靠拢，用眼睛观察，进行粗调（升降调节、水平位移调节）,使各元件的中心大致在与导轨平行的同一直线上，并垂直于光具座导轨。2、 细调利用透镜二次成像法来判断是否共轴，并进一步调至共轴。当物屏与像屏距离大于时，沿光轴移动凸透镜，将会成两次大小
11、不同的实像。若两个像的中心重合，表4f示已经共轴；若不重合，以小像的中心位置为参考（可作一记号） ，调节透镜（或物，一般调透镜）的高低或水平位移，使大像中心与小像的中心完全重合，调节技巧为大像追小像，如下图所示。 图 8 ABOBA图 表明透镜位置偏低（或物偏高） ，这时应将透镜升高（或把物降低） 。而在图a情况，应将透镜降低（或将物升高） 。水平调节类似于上述情形。注意，已调至b同轴等高状态的透镜在后续的调整、测量中绝对不允许再变动6。（二） 正透镜焦距的测定1、 物像法1） 先用粗略估计法测量待测凸透镜焦距，然后将物屏和像屏放在光具座上，使它们的距离略大于粗测焦距值的 4 倍，在两屏之间放
12、入透镜，调节物屏、透镜和像屏共轴，并与主光轴垂直，记录物屏、像屏位置。2、 自准直法如图 22 所示，若物体 AB 正好处在透镜 L 的前焦面处，那么物体上各点发出的光经过透镜后，变成不同方向的平行光，经透镜后方的反射镜 M 把平行光反射回来，反射光经过透镜后，成一倒立的与原物大小相同的实像 A B，像 AB 位于原物平面处。即成像于该透镜的前焦面上。此时，物与透镜之间的距离就是透镜的焦 f 它的大小可用刻度尺直接测量出来。3 放大率法如果平行光管已调节好,并使玻罗板位于物镜 L 的焦平面上 ,那么,从玻罗板出射的光,经物镜 L 后变成平行光,平行光通过待测透镜 Lx 后,将在 Lx 的第二焦
13、平面 F 上会聚物 屏 P 凸 透 镜 L 像 屏 N v u f 物 距 像 距 法 vuf,1成像,其光路如图所示,因而玻罗板上的线对必然成像于 F 面上.由图可以得到待测透镜的焦距 为主要研究内容如下：1）学会文献资料的基本查找方法及综合分析研究问题的能力； 2）熟悉和掌握正透镜的成像特性及光学导轨的正确使用方法； 3）根据实验室的工作环境及设备，通过实验的方式搭建光路，研究认识正透镜焦距的各种测量方法及测量时所需的仪器和可能达到的精度，比较优缺点； 4）根据实验数据测量结果，计算得出正透镜的焦距，并分析透镜焦距测量误差，进行测量数据误差处理。 三研究的重点及难点，前期已展开的工作3.1
14、.出现的问题A.光学系统的共轴调节。 b.因为多种影响因素，接收到的图像稳定性不容易确定。 3.2 解决方法a. 进行光学元件同轴等高的粗调和细调，直到各光学元件的光轴共轴，并与光具座导轨平行为止。b.尽量避免环境、人为因素，采用多次测量取平均值法来缩小误差c.导师的指导与同学的帮助3.3 前期已展开的工作a.认真阅读任务书，了解研究的具体内容yffx波罗板y-ffx-yFLLX平行光管物镜待测透镜图 3.1b.查阅了相关正透镜焦距测量方法研究的文献，明确了研究方向4、完成本课题的工作方案及进度计划1. 2015.11.26.-2015.12.18.： 查阅资料，文献。了解正透镜焦距测量的工作
15、原理以及相关光学元件的具体作用。2. 2015.12.19-2016.3.14.: 总体方案设计，利用正透镜焦距测量的工作原理并结合参考文献与正透镜焦距测量的实验实现正透镜焦距的具体测量。3. 2016.3.14-2016.3.15: 撰写中期答辩报告，准备中期答辩。4. 2016.3.16-2016.4.24: 完善正透镜焦距的测量并 撰写毕业论文。5. 2016.4.24-2016.4.25: 修改并提交毕业论文，准备毕业答辩。注：1）正文：宋体小四号字，行距 20 磅，单面打印；其他格式与毕业论文要求相同。2）开题报告由各系集中归档保存。3）开题报告引用参考文献注释格式可参照附录 E“毕业设计（论文）参考文献样式”执行。不进入正文，可以作为附件放在开题报告后面。 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）：指导教师： 年 月 日 所在系审查意见：系主管领导：
