光电信息与通信系统课程论文--线阵CCD光电自准直小角度测量系统.doc

线阵CCD光电自准直小角度测量系统摘要：本文介绍了小角度测量和自准直技术的基本情况，对自准直原理进行了详细的介绍，就基于自准直原理进行小角度测量的系统结构进行了解释，设计了由光学系统、光电转换器件、信号调理、信号的采集与处理和结果显示五部分构成的测试系统。关键词：自准直；小角度测量；线阵CCD正文：第1章 小角度测量概述1.1小角度测量角度测量是计量科学中的一个分支，小角度多指10度以下，几分甚至几十秒，小角度测量的特点是测量范围小，要求的测量精度高，测量误差一般在12秒，有时达到0.1秒，甚至更小。角度测量技术分为静态测量和动态测量两种1。对于静态测量技术来说，目前的主要任务是如何提高测量精度和测量分辨率2。目前国内对于小角度的精密测量方法主要有多齿分度台、光学分度头法、多面棱体法和自准直法，以及激光干涉法，这些测量方法在小角度测量应用中都能达到很高的测量精度。1.1自准直技术自准直仪，是一种利用光学自准直原理，把对于角度的测量转换为线性测量的一种计量仪器。它的使用范围包括小角度测量、平板的平面度测量、导轨的直线度以及平行度测量等领域。作为机械制造、计量测试、科学研究等部门必备的常规测量仪器，尤其在精密、超精密定位方面，它有着不可替代的作用。自准直仪通常分为光学自准直仪和光电自准直仪两大类。光学自准直仪：直接利用测微装置或可动分划板，从分划板或读数鼓轮上读出数值，精度最低。光电自准直仪：以光电瞄准对线代替人工瞄准线，测量准确度较高、发展历史较短。第2章 系统方案设计光电自准直小角度测量系统功能主要由以下几部分组成，如图2-1所示：图2-1测试系统构成图2.1光学系统设计原理2.1.1光学系统设计原理光电自准直小角度测量是以自准直原理为基础，用测微系统对被测件进行角位移的精密测定。自准直原理示意图如图2-2所示图2-2自准直仪原理图当光源发出光线照明位于物镜焦平面上的分划板，O点在物镜光轴上，那么由它发出的光线通过物镜后，成一束与光轴平行的平行光束射向反射镜，当反射镜面垂直于光轴时，光线仍然按原路返回，经物镜后仍成像在分划板上O处，与原目标重合。当反射镜面与光轴不垂直，而是有小偏转角度，当平行光轴的光线射向反射镜时，光线按反射定律与原光线成2返回，通过物镜后成像在分划板上的O1处，与原目标不重合而有X的位移量。根据三角关系可推算出： (2.1)式中：反射镜偏转角，X光斑回像位移，f物镜焦距；当角很小时，上式可近似化简为： (2.2) (2.3)因为物镜是固定的，所以f是一固定常数。如果已知了X的数值，就可以根据式(2.3)计算出反射偏角的大小。这就是自准直法的基本原理3。2.1.2二维小角度测量系统光路设计方案光电自准直小角度测量系统的结构是在自准直原理结构的基础上调整了一部分部件的位置而形成的。系统引入探测器件实现自动测量，为了避免光路干涉，必须将光源从水平光轴上调离，系统中应用了分光棱镜使光源光路与探测器件位于分光棱镜相互垂直的两条光路上而互不干扰。同时为了实现测量反射镜二维角度变化，要增加一块分光棱镜，将回射光路分成两路，每一路上安装探测器件用来测量相应一维角度变化。原理如图2-3所示。图2-3二维测量原理图从光源射出的光线经分光棱镜分光后，透过物镜为平行光并射向反射镜；反射光线再次经过物镜形成汇聚光线，通过分光棱镜1后被分光棱镜2分成光强相同、光路垂直的两路。两块探测器件安装在分光棱镜光束输出的两路上，并且位于物镜的共轭焦面，反射光正好成像在探测器件上。当反射镜垂直主光轴时，反射光线正好汇聚在两个光电探测器件的中心位置；当反射镜有一个空间偏转时，反射光线的汇聚点都将偏离光电探测器件的中心位置，测量汇聚点偏离中心位置的距离，利用等式(2.3)，即可求出两个偏转角、的角度值。2.1.3光电转换器件及信号调理电路系统中的光电探测器件是线阵CCD，用于接收光学系统的出射光。这部分设计中，主要完成与线阵CCD工作相关的五路驱动脉冲产生电路的设计。线阵CCD在其五路驱动脉冲的驱动作用下，将含有反射光线的汇聚点位置变化的信息输出，完成由光信号到电信号的转换。信号调理电路主要将线阵CCD输出的奇、偶两路信号进行叠加，并对叠加后的视频信号进行必要的滤波、放大，送给后续部分处理。2.1.4信号处理与结果显示数据采集与处理部分主要由ARM处理器来完成。利用ARM处理器自身所带的A/D转换模块，实现信号数字化的目的，并在ARM处理器中对采集来的信号进行必要的处理。数据处理中需要引入亚像素细分的数学算法，使系统的分辨率突破像素尺寸的局限4，获得更高的测量结果。数据处理结果显示部分主要由LCD来完成。ARM处理器对数据进行处理后，将结果送到LCD显示出来。2.2系统总体方案设计课题所设计的光电自准直小角度测量系统需要实现二维角度的测量，双线阵光电自准直小角度测量系统结合了光学、电子学和计算机等多方面的技术，主要利用了自准直原理，将测量反射镜反射光束分光，并分别照射在两个不同的线阵CCD器件上，使反射镜的二维角度变化转化为对应于两个线阵CCD器件上的线量变化，通过对CCD器件输出信号的采集，经过数据处理计算出线量变化量，利用自准直原理公式计算角度变化，从而实现高精度二维角度变化的测量。系统主要由光学部分，硬件电路部分和计算机软件部分组成。整个系统设计结构如图2-4所示。图2-4线阵CCD自准直测量系统结构框图系统的测量原理：光源发出光束，经光学透镜组后形成平行光射向反射镜(反射镜位于被测物体上)，反射镜将入射光束反射回光学透镜组，并照射在CCD器件上，在驱动电路的作用下，CCD器件将内部像素信号顺序输出，数据采集电路对CCD器件输出信号进行调理和采集，实现模拟信号数字化，最后将采集数据进行处理，并在显示器件上显示处理的结果5。第3章光学系统结构设计光学系统部分是所设计测试系统中重要组成部分之一，光学系统成像效果的好坏，会直接影响后续系统采集数据的精确度。光学系统是基于自准直原理来设计的。3.1主光路设计二维测量系统6结构如图3-1所示：图3-1双线阵CCD光电自准直系统结构图系统由反射镜、物镜、分光棱镜（两块）、光源、聚光镜、分划板、球面镜、柱面透镜（两块）、线阵CCD器件组成。系统原理：光源经聚光镜聚焦后汇聚在分划板小孔上，由于小孔位于物镜的焦点上，通过小孔的光经分光棱镜1和物镜成平行光射出；出射的平行光被反射镜反射后仍为平行光，反射回的平行光经由物镜和分光棱镜1汇聚在平面X1Y1上，其中心相对于系统像面中心坐标为(X1,Y1)，对应于由于反射镜所转角度导致的像点位移。X1Y1平面后的光学系统对该平面的小孔像起放大和分离作用，X1Y1平面位于球面镜的焦平面上，通过球面镜的光束仍为平行光，经分光棱镜2后分成光强相等的两束光线，柱面透镜的作用是将平行光成像为直线，最后的像直线可分别与CCD相交，像直线a与轴心距离为X2,b与轴心的距离为Y2。总体来说，光学系统由两大部分组成，X1Y1平面前光学系统将光源光束准直射出和返回光束成像作用，称为像前部分；X1Y1平面后光学系统完成将像前部分成像放大和整形，称为像后部分。当反射镜绕Y轴发生角度变化所以起的线性位移在像前系统成像为X1，f为物镜焦距，则可得出公式 (3.1)由于像后系统起放大作用，令球面镜焦距f2，柱面透镜焦距f3，X1经放大系统成像后为X2，可推倒出X1和X2的关系为： (3.2)由于X2为CCD器件所检测分划板成像所移动的位移，而位移与反射镜被测角度存在确定关系，根据公式(3.1)(3.2)可以得出： (3.3) (3.4)同理，当反射镜绕X轴发生角度变化时，可以推导出转角与位移Y间的关系为： (3.5)这样通过检测像直线在CCD器件相敏面上移动的位移X2和Y2，利用公式(3.4)、(3.5)就可以计算处反射镜在两个轴向上转过的角度5。3.2光学系统中主要器件的选择设计中选择了激光作为光源。激光光源作为一种新型、高效的光源，具有亮度高、方向性强、单色性好，相干性强等特点，广泛用于精密测量中。半导体激光器(LD)除具有普通激光器特点外，而且体积小、效率高、工作电压低、功率损耗小、驱动调整都很方便。所以半导体激光器是新型光电自准直小角度校准仪首选光源。CCD器件为光积分型器件，其输出电流不但与光敏面上的照度有关，也和曝光时间，即积分时间有关7。若以OI代表输出信号电流，VE代表光敏面上的照度，t代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有 (3.8)式中，K为比例常数；，称为曝光量，单位为lxs。对于既定元件，曝光量应限定在一定的范围之内，其上限为饱和曝光量Qsat。对于以光度测量为基础的CCD应用系统，光敏面上任何象敏单元上的曝光量Qv均应低于Qsat，否则将产生画面亮度的失真，或产生较大的测量误差。本系统将反射的点像转化为线像的方法实现反射光线与线阵CCD相交。在两个共轭面上形成相互垂直两条线形像，可有效避免反射回来的像与线阵CCD不容易相交的各种缺陷。点像转化为线像的方法我们采用的是柱面透镜扩展法。柱面透镜用于只要光束在一个方向放大的场合，比如将激光光束变为线光源或片状光束。每个柱面透镜都有两条经线，其中一条与柱面透镜的轴平行，称为轴经线。当平行光线沿此经线入射时。出射光线不发生折射；另一条经线则与柱镜体的弯曲面相适应。并与前一条经线相互垂直，称为水平经线。当平行光线沿此经线入射时，经弯曲面的折射，其出射光线则发生折射。互相垂直的两条经线，一条使光线发生折射，另一条不能使光线发生折射。当光束照射面与柱状透镜直径相差不多时，将光束直接投射在柱面透镜上，单向会聚形成线光，而且光线的长短与平行光直径相同，当光束为发散光时，直线长度受柱状透镜长度限制，如图3-2所示8。图3-2 柱面透镜扩展法原理图参考文献：1 浦邵邦,陶卫,张琢. 角度测量的光学方法J. 光学技术,2002,28(2)：1-22 Aira Toyama. Present state of precision angle measurement technique in JapanJ. Bulletin of theJapan,1981.15(1):1-63 Jean Pierre Fillard. Sub pixel accuracy location estimation from digital signals. OPTICAL ENGINEERING J, 1992 .131(1