簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 朱世宏
Chu, Shih-Hung
論文名稱: 光學投影機之輪廓投影的研究
The Optical Analysis of a Profile Projector
指導教授: 林昌進
Lin, Psang-Dain
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2002
畢業學年度: 90
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 投影模擬光線追蹤光學輪廓投影機
外文關鍵詞: structure parameters, ASAP software, optical projector
相關次數: 點閱:52下載:2
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 摘要
    本文藉由三次元量測取得光學輪廓投影機的結構參數,並利用這些數據在ASAP分析軟體中建構出輪廓投影機的模型。首先利用光線追蹤的方式求出光源位置,並在此位置上建立點光源與體積光源兩種光源模型,構成完整的光學系統,進行光線追蹤與輪廓投影模擬。
    分析光線追蹤得到的光線路徑,推測未知的倍率鏡片設計,並以一球面鏡片取代倍率鏡片得到放大輪廓的效果。改變光學投影機調焦機構的位置,追蹤不同調焦位置時光學系統的光線路徑,探討調焦機構的功用。
    本文並且進行點光源及體積光源照射下的輪廓投影模擬,求得物體在銀幕上的投影輪廓。先以點光源光學系統進行理論的輪廓投影模擬,再以體積光源光學系統進行較接近真實情況的輪廓投影模擬,以觀察並分析兩種光源的輪廓投影特性。

    Abstract
    The optical projector is capable of magnifying the contour of a small object and projecting it onto the projector’s monitor for observing or measuring. The purpose of this thesis is to gather a set of design parameters from a profile projector for further analysis and optical design.
    In this thesis, we applied the Coordinate-measuring-machine (CMM) to obtain the structure parameters of an optical profile projector. We use the acquired parameters to build the model of profile projector’s mirrors in ASAP software environment. Then we add point or volumetric light source inside the model to complete the optical system separately. After finished the optical system model, we execute the ray tracing in ASAP to find out the light path inside the model.
    By observing the light path and speculating the design of the projection lens, we also discuss how the light path shift according to the adjustment of projector’s focus device.
    In this thesis, we also use ASAP to simulate the process and the characteristics of the profile projection when the point or volumetric light source employed in the optical system.

    目錄 摘要 I ABSTRACT II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 X 符號表 XI 符號表 XI 第一章 緒 論 1 1-1 問題敘述 1 1-2 光學投影機簡介 2 1-3 三次元量床簡介 8 1-4 三次元量測文獻回顧 9 1-5 光學投影機文獻回顧 11 1-6 光線追蹤文獻回顧 13 1-7 齊次座標表示法 14 第二章 鏡片的量測與幾何光學理論 20 2-1 光學投影機 20 2-2 光學投影機鏡組之量測 22 2-3 幾何光學基本原理 28 2-4 光學邊界曲面及其法線 31 2-5 歪斜光線之追蹤 33 2-6 平面邊界之歪斜光線追蹤 37 2-7 球面邊界之歪斜光跡追蹤 40 第三章 光學投影機光軸計算 43 3-1 平面鏡反射光方向餘弦計算 43 3-2 平面鏡與光軸交點 47 3-3 各鏡片間相對關係 50 第四章 投影機光學系統之光線路徑追蹤 57 4-1 投影機光學系統模型之建立 57 4-2 輪廓投影光學系統的光源位置 60 4-3 點光源光學系統的光線路徑追蹤 65 4-4 體積光源光學系統的光線路徑追蹤 69 第五章 光學投影機之輪廓投影模擬 76 5-1 點光源光學系統的輪廓投影模擬 76 5-2 體積光源之輪廓投影模擬 84 第六章 結論與建議 89 參考文獻 91 自述 94 圖目錄 圖1.1 輪廓投影 3 圖1.2 垂直反射式表面投影 3 圖1.3 斜向反射式表面投影 4 圖1.4 向上型投影機 5 圖1.5 向下型投影機 5 圖1.6 水平型投影機 6 圖1.7 拱門式三次原量床結構及各部位名稱 8 圖1.8 兩座標系之轉換 15 圖1.9 兩座標軸之平移 17 圖1.10 對X軸旋轉的座標轉換 17 圖1.11 對Y軸旋轉的座標轉換 18 圖1.12 對Z軸旋轉的座標轉換 18 圖2.1 光學投影機鏡片排列結構示意圖 20 圖2.2 球面鏡S1之定位參考座標設定 24 圖2.3 三次元量床點量測之測頭半徑補正 24 圖2.4 反射定律 28 圖2.5 光的折射 29 圖2.6 光的折射與全反射現象 30 圖2.7 由曲線 旋轉後所形成的邊界曲面 32 圖2.8 光線在光學介面之折射現象 33 圖3.1 光線在兩介質邊界之折射與反射示意圖 43 圖3.2 光學投影機之光軸示意圖。 45 圖3.3 光軸上各點與各段光軸間夾角示意圖 50 圖3.4 球面鏡幾何尺寸示意圖 51 圖3.5 新參考座標 與鏡片相對關係示意圖 53 圖4.1 球面鏡於ASAP軟體之模型 57 圖4.2 平面鏡之ASAP模型 58 圖4.3 ASAP軟體中建構之投影機光學系統模型 59 圖4.4 由平行光回推光源位置與形式 60 圖4.5 鏡片調焦位置示意圖 62 圖4.6 球面鏡 於調焦中點時之光線追蹤模擬 65 圖4.7 球面鏡於調焦距離前端之光線追蹤模擬 66 圖4.8 球面鏡於調焦後端之光線追蹤模擬 67 圖4.9 體積光源發光體的實體模型 70 圖4.10 體積光源的發光模式 70 圖4.11 在調焦中點時追蹤1000條光線的光線路徑 71 圖4.12 在可調焦前端時追蹤1000條光線的光線路徑 72 圖4.13 在調焦後端時追蹤1000條光線的光線路徑 73 圖5.1 點光源投影模擬光點圖(無倍率鏡片) 76 圖5.2 點光源投影模擬光點圖(無倍率鏡片) 77 圖5.3 無倍率鏡片下之光線路徑 78 圖5.4 加入一球面鏡使投影輪廓產生放大效果 79 圖5.5 模擬點光源輪廓投影之光點圖 80 圖5.6 模擬點光源輪廓投影之光點圖(直立圓錐) 81 圖5.7 增加球面鏡曲率時之光線路徑圖 81 圖5.8 增加球面鏡曲率時之輪廓投影模擬 82 圖5.9 降低球面鏡曲率時之光線路徑圖 83 圖5.10 降低球面鏡曲率時之輪廓投影模擬 83 圖5.13 重新定位光源後的光線路徑追蹤 85 圖5.14 重新定位光源後的輪廓投影模擬 85 圖5.15 加入球面鏡之體積光源光線路徑模擬 86 圖5.16 體積光源輪廓投影模擬 87 圖5.17 加入球面鏡後之體積光源輪廓投影模擬 88 表目錄 表2.1 平面鏡量測數據 25 表2.2 補正之平面鏡數據 26 表2.3 三次元量測球面鏡數據 27 表2.4 一般光學邊界表面的曲線 32 表3.1 光軸各段方向餘弦 47 表3.2 平面鏡入射點與球面鏡曲率中心位置 49 表3.3 各段光軸夾角 51 表3.4 各球面凸點相對原點球參考座標系 之座標值 52 表3.5 各線段長度值 54 表3.6 各鏡面定位點相對於新參考座標系 之座標 55 表3.7 球面鏡幾何大小尺寸 56 表3.8 平面鏡幾何大小尺寸 56 表4.1 於調焦中點時之最佳聚焦位置 63 表4.2 於調焦前端時之最佳聚焦位置 63 表4.3 在調焦後端時之最佳聚焦位置 63 表4.4 光線到達投影機的比例 74

    參考文獻
    1. S. Kawabe, F. Kimura, and T. Sata, "Generation of NC commands for sculptured surface machining from 3-coordinate measuring data", Annual of the CIRP, Vol.29/1/1980.
    2. Lu Jie-chi, "Two Dimensional Tracing and Measurement Using Touch Trigger Probes", Annals of the CIRP, VOL.31/1/1982.
    3. N.Duffie, J. Bollinger, R. Ripper, M. Kroneberg, "CAD Directed Inspection and Error Analysis Using Surface Path Database", Annals of the CIRP, Vol.33/1/1984.
    4. Theodore H. Hopp-Sponsored by R. j. Hocken "CAD-directed Inspection", Annals of the CIRP, Vol.33/1/1984.
    5. K. Lau, N. Duffie, J. Bollinger, "Automatic Contour Measurement for Three-Dimensional Geometry ", ASME, Manufacturing Engineering Transactions, pp.535-541, 1985.
    6. G. Zhang, "Error Compensation of Coordinate Measuring Machines", Annals of the CIRP. Vol.34/1/1985.
    7. W. Eversheim and J. Auge, "Automatic Generation of Part Programs for CNC-Coordinate Measuring Machines Linked to CAD/CAM Systems ", Annals of the CIRP, Vol.35/1/1986.
    8. J. Mccartney and B. K. Hinds, "The manufacture of complex surfaces from model data ", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol.16, No.2, 1987.
    9. H. Kunzmann, " Performance of CMMs ", Annals of the CIRP, Vol. 37/2/1988.
    10. A. J. Medland, G. Mullineux, C. Butler and B. E. Jones, " The Interation of Coordinate Measuring Machines Within a Design and Manufacturing Environment ", Institution of Mechanical Engineers, Proceedings. Part B-Journal of Engineering Manufacture, pp.91-98, 1993.
    11. H. J. Phank, Y. H. Kim, Y. S. Hong and S. G. Kim, " Development of Computer-aided Inspection System with CMM for Integrated Mold Manufacturing ", Annals of the CIRP, 42(1), pp.557-560, 1993.
    12. "Precision Measurement in the Metal Working Industrial", Syracuse University Press, New York, 1952.
    13. Clifford W. Kennedy, Donald E. Andrews, "Inspection and Gaging", Industrial Press Inc., 1967.
    14. D. M. Anthony, "Engineering Metrology", Pergamon Books Ltd., Great Britain, 1986.
    15. Charles Wick, Raymond F. Veilleux, "Tool and Manufacturing Engineers Handbook", McGraw-Hill Book Co., U.S.A, 1987.
    16. 張笑航,"精密量具及機件檢驗",全華科技圖書股份有限公司,1988。
    17. 張郭益,"精密量測實習",高立圖書有限公司,1999。
    18. 林淑君,蔡裕祥,"精密量測及檢驗",全華科技圖書股份有限公司,2000。
    19. 范光照,張郭益,"精密量測",高立圖書有限公司,2001。
    20. 松祿文化機械編輯群,"精密量測便覽",松祿文化,1990.
    21. Longhurst R. S., "Geometrical and Physical Optics, Longmans" Green, pp.42-44, 1964.
    22. Gerrard A., Burch J. M., "Introduction to Matrix Methods in Optics", Wiley , London,pp.1-23,1975.
    23. Maria C.S., "Ray Tracing Formulas for Monoaxial Optical components", Apply Optics, Vol.22, No.2, pp.354-360, 1983.
    24. Maria C. S., Echarri R. M., "Ray Tracing Formulas for Monoaxial Optical Components: Vetorial Formulation", Apply Optics, Vol.29, No7, pp.1935-1939, 1986.
    25. Liang Q.T., "Simple Ray Tracing Formulas for Uniaxial Optical Crystals", Apply Optics, Vol.29, No.7, pp.1008-1010, 1990.
    26. Lin P.D., "Analysis and Modeling of Optical Element and Systems", ASME Journal of Engineering for Industry, Vol.116, No.1, pp.101-107, 1994.
    27. Lin Y.J., "A New Alogrithm for Determining a Collision-Free Path for a CMM Probe", International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol.39, pp.1397-1408, 1999.
    28. Whitted T., "An Improved Illumination Model for Shade Display", CACM, Vol.23.No.6, pp.343-349, 1980.
    29. Robert L.C., Thomas P., Loren C., "Distributed Ray Tracing", Computer Graphics, Vol.18, No.3, pp.137-144, 1984.
    30. Mats R., Bjorn K., "The Use of Corrugated Booster Reflectors for Solar Collector Fields", Solar Energy, Vol.65, No.6, pp.343-351, 1999.
    31. Ralf L., Akio S., Atsushi A., Takao K., "Design of A Nonimaging Fresnel Lens for Solar Concentrators", Solar Energy, Vol.65, No.6, pp.379-387, 1999.

    下載圖示 校內:2003-07-11公開
    校外:2003-07-11公開
    QR CODE