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系統識別號 U0002-0708201220402600
中文論文名稱 外螺紋結構之三維偏振散射光量測技術
英文論文名稱 3D Polarized Scattering Measurement of External Thread Structure
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 劉俊廷
研究生英文姓名 Chun-Ting Liu
學號 699371414
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-13
論文頁數 61頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-吳乾埼
委員-張高德
中文關鍵字 外螺紋  散射光量測  偏振影像 
英文關鍵字 external screw  scattering light measurement  polarize images 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 螺紋元件為工業上的重要零件,螺紋結構即是在金屬圓柱或圓錐本體表面依螺旋線銑削出螺旋溝槽的外型,主要的功能為固定或結合機械元件,亦可作為傳動等用途。現今螺紋元件的製造以自動化生產為主,為了提高螺紋的加工精度、生產的效率與品質,一套線上快速檢測系統為必要的研究課題。本論文發展出一套三維偏振散射光量測技術之外螺紋測量系統,以光耦合元件搭配偏振鏡來量測外螺紋表面的偏振散射光並加以分析。本系統藉由控制偏振鏡的旋轉角度,分別截取水平與垂直偏振的外螺紋影像,然後由偏振係數方程式結合水平與垂直偏振影像成為偏振係數影像,得到清晰的三維外螺紋影像,藉由此偏振係數影像可以容易的算出螺峰、螺距、螺紋表面特徵等之外螺紋相關參數,並與光學顯微鏡的量測影像比較,以證明本量測系統的正確性。
英文摘要 Screws are arguably the most basic yet essential components used in industry. The helical screw structure seen on the exterior of the screw serves to fasten and hold together various mechanical parts. Today, the production of screws has became a highly automated process. However, in order to increase the precision of screw processing and enhance the productivity and quality of screw production, an online system for rapid testing and measurement is of vital necessity. This study has developed a Goniometric Optical Scattering System (GOSS) for three-dimensional light scattering measurement of the screw surface by using linearly polarized light. A charge couple device (CCD) camera parallel to the surface normal is positioned perpendicularly to the incidence plane. Two images are acquired by rotating the linear polarizer in front of the CCD. One image is acquired by rotating the linear polarizer parallel to the source polarization PP. Another image is acquired by rotating the linear polarizer perpendicular to the source PS. A 2D and 3D polarized image (POL) can be created based on the polarization ratio POL = (PP – PS) / (PP + PS). The POL displays the screw crest, roots and flanks and allows one to estimate screw pitches and grooves. We use the finite-difference time-domain method (FDTD) to simulate light scattering from jagged structures and measuret the optical microscope image in order to prove the correctness of the measurement system.
論文目次 目錄

中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 VII

第一章 緒論

1.1前言 1
1.2文獻回顧 2
1.3研究動機 3
1.4研究目標 4
1.5研究方法 5

第二章 散射理論

2.1前言 6
2.2偏振 6
2.2.1.前言 6
2.2.2.偏振理論 6
2.2.3.偏振狀態 8
2.3散射理論 8
2.3.1前言 8
2.3.2單散射 8
2.3.3多重散射 9
2.3.4散射波場模擬10
2.4偏振係數 12

第三章 散射光學量測系統架構

3.1前言 13
3.2光源設備 14
3.2.1.雷射光源 14
3.2.2.可變光通濾波器 15
3.2.3.線偏振器 16
3.2.4.相位緩速器 17
3.2.5.透鏡 18
3.2.6.針孔 19
3.2.7.空間濾波器 19
3.2.8.光圈 20
3.3控制與感光元件系統 21
3.3.1.前言 21
3.3.2.感光電藕荷元件 21
3.3.3 五相步進電機 23
3.4系統組態 24

第四章 三維散射光量測儀量測

4.1量測規劃 27
4.2散射光量測儀機件設定 28
4.2.1硬體系統設定與性能範圍 28
4.2.2 光源組件設定 28
4.2.3 收光組件設定 29
4.2.4二維量測檢測角度範圍 29
4.2.5三維樣本控制單元設定 31
4.3系統控制介面設定 32
4.3.1五相步進電機控制 32
4.3.2 CCD影像擷取控制 33
4.4系統參數檢測設定 34
4.4.1系統參數種類 34
4.4.2系統參數收集 35
4.5紅光雷射實驗組參數檢測 36
4.5.1參數檢測流程 36
4.5.2參數檢測數據 37
4.6紅光雷射檢驗參數分析 41
4.7綠光雷射實驗組檢測 43
4.7.1參數檢測流程 43
4.7.2參數檢測數據 44
4.8綠光雷射檢驗參數分析 47

第五章 偏振係數影像與分析

5.1實驗結果分析流程 49
5.2影像合成 50
5.2.1 PP與PS偏振影像分析 50
5.2.2偏振係數影像 51
5.3 2D螺紋偏振影像 52
5.4 3D螺紋偏振影像 53
5.5螺紋參數分析 55
5.5.1 螺紋參數比較 56
5.6量測結果比對 57
5.6.1 螺紋散射光電場模擬比對 57
5.6.2 電子顯微鏡螺紋檢測 58

第六章 結論與未來展望 59

參考文獻 60

圖目錄

圖1.1 英美加統一ISO公制螺紋 3
圖1.2研究方法流程圖 5
圖2.1電磁場之震盪合成波延著z方向作振動傳遞 7
圖2.2偏振狀態之(a)線(b)圓 (c)橢圓偏振示意圖 8
圖2.3散射光示意圖 10
圖2.4雷射波長小於螺紋結構之散射光電場圖 11
圖2.5雷射波長大於螺紋結構之散射光電場圖 11
圖2.6色素痣皮膚成像之(a)正常光源照射與(b)偏振係數影像 12
圖3.1三維散射光量測系統之光源組與攝影機直線排列方式 13
圖3.2綠光雷射光源Cobolt Fandango 14
圖3.3光波濾波器光強與角度相對關係圖 15
圖3.4 線偏振器 16
圖3.5相位緩速器 17
圖3.6透鏡成像原理 18
圖3.7空間濾波器濾波示意圖 19
圖3.8空間濾波器 19
圖3.9八片式光圈(a)光圈縮小(b)光圈放大示意圖 20
圖3.10 電藕荷晶片感電傳輸示意圖 21
圖3.11 JVI CV-M4+cl CCD 22
圖3.12 Motorized Stage五相步進電機 23
圖3.13光學量測系統組態示意圖 24
圖3.14光源組件示意圖 25
圖3.15散射光收光系統單元 25
圖3.16第一軸電動轉盤搭配長板滾輪滑槽 26
圖3.17四軸樣本控制單元 26
圖4.1 系統參數調整流程示意圖 27
圖4.2光源組件設定之綠光雷射實驗組 28
圖4.3CCD攝影機組件示意圖 29
圖4.4 入射光入射待測物最大極限角 30
圖4.5第一軸與第二軸之最大檢測角度 30
圖4.6 3D樣本角度控制單元動作示意圖 31
圖4.7 五相步進電機之四軸控制介面 32
圖4.8 DALSA CamExpert 攝影機影像擷取介面 33
圖4.9 CCD影像軟體設定 33
圖4.10紅光雷射實驗參數檢測流程 36
圖4.11 512*512 Pixel檢測示意圖 37
圖4.12 600*600 Pixel 檢測圖 38
圖4.13 攝影機滑槽距離檢測圖 39
圖4.14以45度入射角檢測螺紋示意圖 40
圖4.15紅光雷射螺紋偏振影像 41
圖4.16綠光雷射 43
圖4.17紅光與綠光雷射螺紋檢測圖 44
圖4.18水平與垂直偏振檢影像測圖 45
圖4.19空間濾波器之偏振影像檢測圖 46
圖4.20 綠光雷射螺紋偏振影像 47
圖5.1實驗項目與結果分析流程圖 49
圖5.2偏振影像之(a)PP-PS與(b)PP+PS 50
圖5.3以入射角(a)10度 (b)45度(c)70度之螺紋POL圖 51
圖5.4 二維平面角度螺紋檢驗圖 52
圖5.5螺紋散射光角度座標系統 53
圖5.6三維散射光角度系統示意圖 53
圖5.7三維螺紋偏振影像 54
圖5.8螺紋POL圖之像素分析 55
圖5.9 M6螺紋POL圖像素分佈圖 56
圖5.10 M6螺紋散射光電場模擬圖 57
圖5.11 (a)M6與(b)M3 規格螺紋POL圖 57
圖5.12 金像顯微鏡檢測螺紋成像 58

表目錄

表3.1 Cobolt samba雷射規格表 14
表3.2 JAI CV-M4+cl CCD規格表 22
表3.3五相步進電機規格表 23
表4.1 512*256 Pixel參數檢測表 37
表4.2濾波器角度參數檢測表 37
表4.3 600*600 Pixel參數檢射表 38
表4.4濾波器角度參數檢射表 38
表4.5攝影機滑槽距離參數檢測測表 39
表4.6入射光角度參數檢測表 40
表4.7紅光雷射實驗組檢驗參數 44
表4.8綠光雷射實驗組檢測參數 44
表4.9 水平與垂直偏振檢測參數 45
表4.10 空間濾波器檢測參數表 46
表5.1 PP+PS與PP-PS系統參數設定表 50
表5.2 M6螺紋偏振影像之系統設定表 51
表5.3 二維螺紋偏振影像系統設定表 52
表5.4三維散射光檢測系統設定 54
表5.5螺紋實際參數與POL圖像素數據 56
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[18] 施祐宗,“應用機械視覺於檢測內螺紋之可行性探討”,中興大學機械工程研究所碩士論文,民國96年8月
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