（测试计量技术及仪器专业论文）基于光栅和ccd的数字式立式光学计的研究.pdf

摘要 本文在对立式光学计的发展情况进行认真分析总结的基础上，提出 了改进方案，采用单光栅镜像莫尔条纹技术和c c d 细分技术来提高仪 器的分辨率和精度。 本文对立式光学计的测量原理进行了分析，并认真研究了其主要部 件光学测量系统的光学结构，从而对传统光学系统进行了改进性设计。 首先系统利用光学杠杆原理对微小尺寸进行初级放大，即将微小尺寸变 化转化为光栅像的移动，从而获得放大比近百倍的莫尔条纹信号，为后 续的计数与细分电路的处理提供了方便。其次，采用c c d 器件取代了 传统的光电三极管作为光电接收器件，利用c c d 分辨率高，象素均匀 的特点，对莫尔条纹进行细分及数字化。通过上述改进方案该系统相对 于传统的光学计具有便携性和高精度性的特点。 关键词：单光栅莫尔条纹c c d 细分 a b s t r a c t b a s e do nt 1 1 er e s e a r c ho ft h ed e v e i o p m e mo ft 1 1 ev e r t i c a lo p t i m e t e r ，t h e p a p e r 嘶n g sf b n v 盯da ni m p r o v e dp r o 酽舭m e s i n g l eg m t i n ga n dc c d c a l l b eu s e df b ri n m a s i n g 也ep r e c i s i o no f t h e s y s t e m t h ep a p e r 柚a l y s e st l l em e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft l l ev e n i c a lo p t i m e t e b a s e do n 协ea n a l y s i so fm eo p t i c a ls 仇】c t u r eo ft t l eo p t i m e t e r ，m ep a p e r c a r r i e st l l r d u 曲a ni m p r o v e dd e s i g n f i r s t l y ，m ep r i n c i p l eo f t h c0 p t i c a l1 e v e r i s 印p l i e dt om a g m 睁i n g 恤em i n u t ed i m e n s i o n t h o u g hm i sp r o c e s s ，t l l e t 呦o ft l l em i n u t ed 主i n e n s i o nc a l lb et r a n s f b n dt ot l l em o v e m e mo f 协e i m a g eo fm e 伊a t i 工l g s ot h es y s t e mc a ng a i nt h em o i r es i 醇a lw h i c hh a s m a g n j f i e dt l l eo r i g m a ls i g n a lh u n d b d 血n e s s e c o n d e l y ，c c dr e p l a c e sm e n a d m o n a l p h o t o 仃i o d e a n db e c o m e st h er e c e i v e r c c dh a s m a l l y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl l i 曲r e s 0 1 v i n gp o 、v e r ，w e l l - p r o p o n i o n e dp e l sa n ds o o n s on l em o i r es i 印a lc a i lb es u b d i v i d c da i l d c o l l i l t e de a s i l y a r e r t h e i m p r o v e m e n t ，t l l es y s t e mi sp r o v i d e d 、v i mt h ep o r t a b l i t ) ，a n dh i g hp r e c i s i o n k e yw o r d s ：s i n 酎eg m t i n gm o i c c ds u b d i v i s i o n i i 第一章绪论 1 1 光学计的发展状况 立式光学计主要用于几何量比较测量，是通过工件与量块相比较的 测量，得到它们之间的微差尺寸，故又称立式光学比较仪。立式光学计 除能测量工件外径和高度尺寸外，使用三线附件用三线法还可测量外螺 纹中径，也可从仪器上取下光学系统安装到其他设备上，用作精密调整、 检查和控制尺寸。由于其测量的精度相当高，还可作为长度基准传递仪 器，用来检定5 等和6 等量块和量规等“”。 目前应用中的光学计主要有以下几种型号： j d 3 型投影立式光学计是精密光学机械长度计量仪器。它是利用 标准量块与被测件相比较的方法来测量零件外形的微差尺寸，是工厂计 量室、车间检定站或制造量具工具与精密零件车间常用的精密仪器之 一，它可以检定量块以及高精度的柱形量规。对于圆柱形、球形等工件 的直径或样板工件的厚度以及外螺纹的中径均能作比较测量。若将投影 光学系统从仪器上取下，适当地安装在精密机床或其它设备上，可直接 控制加工尺寸。 测量范围：o 1 8 0 m m ；仪器的最大不准确度：o 2 5 肚m 图1 1j d 3 型投影立式光学计图1 2j d 2 0 型o 2 ”m 投影式光学计 j d 2 0 型o 2 m 投影式光学计是高精度比较式测长仪器，在工厂 计量室及计量检测所等部门广泛用于测量三、四等量块及精密零件( 如 钢球、滚柱、阶梯形精密零件、塞规) 的外形尺寸。 l g _ 1 立式光学计是一采用量块或标准零件与试件相比较的方式 来测量物体外形尺寸的仪器。主要用于五等精度量块、一级精度柱型规 以及各种圆柱形、球型、线形等物体的直径或板形物体的厚度的精密测 量，亦可用来控制精密零件的加工。其总放大倍数可达1 0 0 0 x ，分划板 分度值为o 0 0 0 l m m ，被测件最大长度为1 8 0 m m ，而其重量只有3 0 奴。 j d g - s 1 数字式立式光学计一般是用标准器( 如量块) 以比较法 测量工件的尺寸。它可对五等量块、量棒、钢球、线形及平行平面状精 密量具和零件的外型尺寸作精密测量。本仪器头部亦可作为一个独立 体，在科研、生产过程控制及在线检测等方面，对被测件作微小位移测 量。其测量范围兰( 士o 1 m m ) ，最小显示值式0 0 0 0 l m m ，而重量只有1 8 妇。 图1 3l g 1 型立式光学计 图1 4j d g s 1 数字式立式光学计 1 2 立式光学计发展趋势 最初的立式光学计结构简单，还需要试验人员目视读数并作记录， 再进行数据统计与处理才能得出测量结果。后来出现了基于光栅技术和 电子技术的数字化光学计，为测量过程提供了方便，且减少了测量误差， 提高了精度。随着测量技术的发展，对精度的要求越来越高。 对于立式光学计的改进主要是围绕如何提高分辨率和精度进行的。 光栅作为精密测量的一种工具，由于有着许多突出优点，已在精密仪器、 坐标测量机、超精密加工、高精度位置伺服系统等方面得到了广泛的应 用。对光栅应用技术深入研究重要内容之一就是提高光栅莫尔条纹的测 量分辨率，亦即寻求把莫尔条纹细分数再提高的途径。采用c c d 器件 作为光电接收器件是提高精度的一种行之有效的方法，利用c c d 分辨 率高，象素均匀的特点，对莫尔条纹进行细分及数字化，为系统的测量 带来简便和高精度。在光学计的设计中引入莫尔条纹技术和c c d 技术 也是和测量技术发展要求相适应的。 1 3 论文的研究内容 本论文的主要研究内容是立式光学计的改进性设计，采用单光栅镜 像莫尔条纹技术和c c d 细分技术来提高仪器的分辨率和精度。主要内 容有： 1 分析立式光学计的系统组成和工作原理。 2 立式光学计光学系统部分的设计，并对测量系统所能达到的精度进 行分析。 3 c c d 器件的选择，设计驱动c c d 正常工作所需的时序脉冲电路， c c d 信号处理部分进行设计。 4 对仪器的精度进行分析，讨论误差产生的主要来源及产生原因，各 项误差进行计算，得出仪器的综合误差。 系统设计指标： 测量范围：1 8 0 m m 示值范围( 相对于中心零位) ：o 1 m m 最小示值：0 o o o l m m 示值误差( 相对于中心零位) ：0 0 0 0 2 5 m m 示值变动性：0 0 0 0 1 r r n 测量的最大不确定度：( o 5 + 1 0 0 ) 斗m ， l 为被测长度，以毫米计。 第二章立式光学计系统组成和工作原理 2 1 系统组成 光学计测量系统是一个光电结合的测量系统，它的主要组成部分包 括：光学系统、c c d 信号处理系统及微机和显示系统，如图2 1 所示。 2 2 工作原理 图2 1 光学计测量系统原理框图 光学计的测量系统是利用光学测微原理对微小尺寸变化进行初级 放大，通过光栅将微小尺寸变化转变为光栅像的移动，从而获得比被测 尺寸放大上百倍的莫尔条纹信号，并为后续的计数与细分等处理提供了 方便。另外，采用c c d 作为光电接收器件，利用c c d 分辨率高，象素 均匀的特点，对莫尔条纹进行细分及数字化，为系统的测量带来简便和 高精度。 2 2 1 光学测微原理 光学测微原理是光学计测量系统的基本原理，故下面着重对该原理 进行分析与推导。 在如图2 2 结构中的杠杆b 处装一反射镜，并在某一方向投入一束 光a ，这束光被反射在标尺上形成光斑。当测杆上下移动时，光斑在标 尺上的移动距离将比测杆的位移量大许多倍。这称之为“光学杠杆，_ 一 杠杆的一臂是光束，因此，可以将长臂做得很长，以获得较大的放大倍 数。光学杠杆的两臂长为，与三，其放大倍数是钐。 矿 _ 。f ：这纱 l ，叫 5 0 0 1 0 0 0 m m 为0 3 m m ， 1 0 0 0 3 0 0 0 m m 为o 4 m m 。 2 光栅尺技术要求 ( a ) 对光栅尺每毫米线数的要求。参考国内外光栅尺加工和使用 情况，目前国内经常采用的光栅尺每毫米线数为5 ，1 0 ，2 0 ，2 5 ，5 0 ， 1 0 0 ，1 2 5 ，2 5 0 等七种规格。 ( b ) 黑白比的要求。光栅尺刻线的黑白比规定为1 ：1 ，如有特殊 要求，应在光栅尺上标出其数值。 ( c ) 光栅尺的光密度。由于光密度太小会降低光栅副形成的莫尔 条纹的反差并引起直流电平漂移，因此在光栅尺全长范围内的光密度应 不小于1 9 。 ( d ) 直流电平漂移。由均匀性误差等因素引起的直流电平漂移， 将影响光栅副的工作状态及精度，因此此指标历来受到重视。光栅尺的 直流电平变化率分为三等，即不小于5 ，1 0 ，15 。 ( e ) 准确度。国外尚无光栅尺准确度的标准，收集到国外一些厂 家光栅准确度大致有两种表达方法：( 1 ) 多数单位以全长最大误差表示准 确度，例如英国m t 的光栅尺小于9 1 4 m m 时准确度为0 0 0 1 2 7 m m ，大 于9 1 4 m m 时准确度为o 0 0 2 5 4 m m ；德国的一米长光栅的准确度为士0 1 ， 士0 2 ，士0 5 ，士l ，土2 ，士3 ，士4 ，士l o 岫等等。( 2 ) 采用精度考核公式来 表示和计算，例如日本的三丰为( 2 + 三兰) 岬，日本光学为( 5 + 二生) l u u ul o u o 1 1 ( l 为光栅长度) 等“”。 针对以上指标，结合本系统实际需要，选择每毫米5 0 对线的黑白 光栅，其节距河= 0 0 2 聊聊，为实现横向莫尔条纹将栅线刻成口= o 1 u ， 由镜像后实际夹角为口= 2 口= o 2 。，则b 2 25 7 3 2 5 历聊。 3 3 4 光栅的零位系统 普通的光栅仪器是以增量式反映位移的，它没有确定的零位，因此 每次测量时各有其自身不同的零位，这样一遇到停电，停机或中断运转 等意外事故，便导致数据的丢失。为了克服这一缺点，发展了一种零位 光栅系统，在测量时给出一个零位脉冲，作为零位的标志。图3 1 0 是 光栅元件上的零位光栅和零位脉冲示意图。 一尤蠢一 p 一 位移 图3 1 0 光栅元件上的零位光栅和零位脉冲 双光栅系统中，在标尺光栅和指示光栅上都有零位光栅小窗口，这 小窗口中都刻有相同的零位光栅栅线，当光栅运动到两组零位光栅线完 全重合时，即得到最大的光遇量母o ，产生一个很大的光脉冲。而当标尺 光栅相对于指标光栅向左或向右移动时，则光通量急剧下降，这中间的 一个光脉冲就是光栅系统的零位。 在本系统中由于仅有一块标尺光栅，故而是标尺光栅相对于自身的 像移动到零位光栅相重合时，得到零位。 3 4 物镜的选择 由于系统的示值范围是士0 1 m m ，即微动量s = 士1 0 0 u m ，在这里取 测杆到转轴的距离口= 5 研坍，则反射镜的偏角可以由公式计算得出： 口= a r c t a i l o = a r c t a l l o 0 2 * 1 。，由光学测微原理可知经平面镜后光轴 偏转了2 口= 2 。则该物镜的数值孔径为 h = n s i n 口= s i n 2 。= 0 0 3 ， 查阅光学仪器设计手册，选择编号为4 0 1 的一个双胶合透镜， = 3 6 3 7 ， w = o 0 7 ，线视场为6 8 。物镜的结构参数及像差见表3 4 和图3 1 1 。表3 - 4 物镜参数 r 0膏王， v 币羲 2 7 81 0 1 1 s l ，s 3 9 9s 9 7 一1 3 9 l 1 0 1 1 2 1 6 7 2 5 3 2 2 一3 7 5 8 1 0 2 | j i l o o 7 0o l z 7 o 0 9 90 0 0 90 a 强p一o 0 6 9o 。0 1 4 o 。0 8 l 3 5 测量系统精度 y df c w ， 歹 i 图3 1 1 物镜像差图 本系统采用每毫米5 0 对线的光栅，其节距口= o 0 2 m 聊，为实现横 向莫尔条纹将栅线刻成口= o 1 0 ，成镜像后实际夹角为口= 2 口= 0 2 0 ， 则b = = 5 7 3 2 5 m 川。即光栅像移过了一个栅距o 0 2 m m ，莫尔条纹 移过一个条纹宽度5 7 3 2 5 m m 。这样莫尔条纹间距就对光栅栅距起了有 效放大作用，光电接收器件就可以直接布置在放大了的莫尔条纹宽度范 围上。 由光学测量系统工作原理可得到系统光学杠杆传动比： k = 2 形2 3 6 3 必* 1 4 5 ( 3 8 ) 因此，对应于莫尔条纹亮度一个周期变化，光栅像移过一个节距的 测量杆位移量比光栅节距小足倍。即： s = 。0 5 “o 0 0 1 删= 1 膨 ( 3 9 ) 3 6 本章小节 本章介绍了立式光学计光学系统部分的设计，包括系统结构型式的 设计，光源的选择，准直透镜、光栅系统及物镜的设计。并对测量系统 所能达到的精度进行了分析。 第四章c c d 信号处理系统设计 c c d ( 电荷耦合器件，c h a 聘ec o u p l e dd e v i c e ) ，是7 0 年代初发展 起来的新型半导体光电成像器件。美国贝尔实验室的w s b o v l e 和 g e s m i t l l 于1 9 7 0 年提出了c c d 概念，随后建立了以一维势阱模型为 基础的非稳态c c d 的基本理论。3 0 多年来，随着新型半导体材料的不 断涌现和器件微细化技术的日趋完备，c c d 技术得到了较快的发展。 目前，c c d 技术已广泛应用于信号处理、数字存贮及影像传感等领域。 其中，c c d 技术在影像传感中的应用最为广泛，已成为现代光电子学 和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一n ，。 4 1c c d 的特点及特性参数 4 1 1c c d 器件的特点 c c d 是一种大规模集成电路光电器件，又称为电荷耦合器件，简 称c c d 器件。c c d 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多 数器件是以电流或者电压为信号。c c d 的基本功能是信号电荷的产生、 存储、传输和检测。c c d 是在m o s 集成电路技术基础上发展起来的新 型半导体传感器，由于c c d 图像传感器具有光电信号转换、信息存储、 转移( 传输) 、输出、处理以及电子自扫描等优点促进了各种视频装置 普及和微型化。 4 1 2c c d 器件的主要特性参数 4 1 2 1 灵敏度 灵敏度是c c d 最为重要的参数之一，它具有两种物理意义。一种 是表示光电器件的光电转换能力，与响应度的意义相同。对于给定芯片 尺寸的c c d 来说，其灵敏度可用单位光功率所产生的信号电流表示， 单位可以为纳安勒克斯( n a 儿u x ) 、伏瓦( v w ) 、伏勒克斯( v l u x ) 、伏 流明l m ) 。光辐射能流密度在光度学中常以照度l 1 1 ) 【表示，其转换式 为1 w m 2 = 2 0 l x 。在有的资料中，也用r n v 1 x s 来表示c c d 的灵敏度， 严格说来，这是c c d 图像传感器的响应度，即单位曝光量所得到的有 效信号电压，它反映了c c d 图像传感器的灵敏度和输出级的电荷电压 转换能力。 另一种是指器件所能传感的最低辐射功率( 或照度) ，与探测率的 意义相同。单位可用瓦( w ) 或勒克斯( l u x ) 表示。 4 1 2 2 光谱响应 c c d 的光谱响应是指c c d 对于不同波长光线的响应能力。c c d 接 收光的方式可分为正面光照与背面光照两种。由于c c d 的正面布置着 很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照 射时低。为此i c c d 常采用背面照射的方法。背面光照方式比正面光照 的光谱响应要好得多。采用硅衬底的i c c d 的光谱响应范围为o 3 1 1 岬，平均量子效率为2 5 ，绝对响应k 为0 1 o 2 ( a ，w ) 。 4 1 2 3 动态范围 c c d 图像传感器的动态范围由满阱容量和噪声之比决定，它反映 了器件的工作范围。 满阱容量( “f u l l 、e l l ”c 印a c i t y ) c c d 的满阱容量是指单个c c d 势阱中可容纳的最大信号电荷量。 它取决于c c d 的电极面积、器件结构、时钟驱动方式及驱动脉冲电压 的幅度等因素。c c d 的满阱容量的表达式为： q 。砒= c “u g 4 = 三雩旦爿u g