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微球涂敷状态实时监测系统设计

作　者: 郑娟娟
导　师: 施柏煊
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 状态实时监测微球光学成像系统自动调焦扫描系统光学系统实时监测系统视场系统设计实时监视
分类号: TL632.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

靶球表面薄膜的涂敷技术是激光惯性约束聚变中研制靶球的基础技术之一。在整个涂敷过程中,操作员需要实时了解微球的涂敷状态,尤其是微球是否一直保持随机运动是确保镀层均匀的关键,因此需要实时监视。过去的方法是手持远距显微镜观察,可以想见,由于人眼容易疲劳,不能长时间连续,实时监视是很困难的。因此研制由计算机控制的实时监测微球涂敷状态的系统十分必要。本论文论述了包括照明系统、光学成像系统、调焦扫描系统和视频采集处理系统在内的完整的微球涂敷状态实时监测系统的设计过程。该监测系统可对两个观察视场内直径为0.2～1.0mm的微球在涂敷过程中的运动状态进行实时监测,一个观察视场是Φ20mm反弹盘;另一个观察视场是Φ30mm范围内两排以3×2排列的6个Φ9的小反弹盘。文中详细论述了调焦扫描系统的软硬件设计,以PC机作为上位机,P89C61单片机作为下位机,驱动步进电机控制光学系统的扫描和调焦,可以实现两个观察视场的切换。同时,为了克服目测、手动调焦方式的主观性,在粗调焦后,引入基于数字图像处理方法的精调焦。自动调焦的实现采用梯度向量平方和函数作为调焦评价函数,自动调焦重复精度好,有效调焦范围为显微望远镜QM-1整个运动行程的1/4。同时满足了准确性和实时性的要求,应用于系统中具有良好的效果。根据微球涂敷装置的结构特点,设计了环形LED光源,既能保证反弹盘得到均匀的照明,又使光源亮度可以根据需要灵活调节,并且LED光源的发射光谱和结构能有效的消除荧光和眩光的干扰,满足本系统得到清晰微球像的照明设计要求。最后,论文还针对QM-1、GDS-50组合光学成像系统存在的问题,设计了改进的Petzval型摄影物镜。改进的光学系统不需要扫描功能,这样就增强了系统的稳定性:对两个视场的成像质量都有了很大的提高;足够分辨微球的细节,有利于观察微球的涂敷状态;而且,自行设计和研制镜头,所选玻璃又都为国产普通玻璃,以此代替进口的QM-1和GOS-50的组合系统,可以大大降低成本。本文研制的微球涂敷状态实时监测系统安装容易,操作方便,显示微球跳运状态的实时图像清晰,有利于微球涂敷新工艺的研究。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-7
第一章绪论  7-13
  1.1 激光惯性约束核聚变  7-8
  1.2 课题背景介绍  8-9
  1.3 微球涂敷状态检测  9-10
  1.4 课题目标及意义  10-12
  1.5 本课题完成的主要工作  12-13
第二章微球涂敷状态实时监测系统的实现  13-19
  2.1 光学系统  13-14
  2.2 视频采集处理系统  14-19
    2.2.1 图像采集  14-15
    2.2.2 视频图像的处理  15-19
第三章扫描调焦控制系统  19-33
  3.1 步进电机及其驱动  19-21
  3.2 下位机设计  21-31
    3.2.1 串口通信  22-26
    3.2.2 电机转动控制  26-27
    3.2.3 限位碰撞响应  27-29
    3.2.4 串行I~2C EEPROM存储  29-31
  3.3 上位机设计  31-33
第四章照明系统  33-38
  4.1 照明系统的设计要求  33
  4.2 光源的选择  33-34
  4.3 LED光源结构设计  34-36
  4.4 照明效果  36-38
第五章自动调焦  38-50
  5.1 调焦方案的选择  38
  5.2 调焦评价函数  38-42
  5.3 各种算法的实验对比  42-45
  5.4 自动调焦的具体实现  45-50
第六章光学系统的改进  50-66
  6.1 原有光学系统成像分析  50-51
  6.2 光学设计理论与方法概述  51-55
  6.3 系统分析  55-58
  6.4 初始结构选型  58-60
  6.5 光学系统优化  60-63
    6.5.1 校正像差  60-61
    6.5.2 优化原理  61-63
    6.5.3 摄影物镜的像差容限  63
  6.6 设计结果及像质评价  63-66
第七章总结及现场调试  66-69
  7.1 论文总结  66
  7.2 系统调试  66-69
参考文献  69-71
硕士在读期间发表的论文  71-72
致谢  72

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