线阵CCD二维位置测量光学系统的设计

1、摘 要本文介绍了一种使用CCD测量位置的方法。与其它CCD位置测量系统不同，通过设计一个特殊的光学系统，实现了使用两个线阵型CCD进行高精度二维位置坐标测量。文中对该光学系统进行了误差分析，证实该方法具有很高的测量精度。该二维位置测量方法具有一些突出的优点：系统响应速度快，可以以动态目标进行测量；测量精度高；制造成本低。上述特点使它在工业制造领域内有着广阔的应用前景。 关键词：线阵型CCD, 位置测量, 测量误差。Abstract This paper introduces a new method for measuring Position with CCD. This method is

2、 different other optical systems for position measurement. By designing a special optical system paper, the measurement error of this special system is analyzed and this system proved to have a high precision. The two-dimensional position measurement method has some prominent advantages: the system

3、response speed, can with dynamic target measure- ments, High precision measurement, Manufacturing cost is low. These characteristics make it in industrial manufacturing field have broad application prospects.Keywords: linear array CCD, posit ion measurement, measurement error 目录引言1第一章CCD的工作原理21.1电的荷

4、注入21.2电荷的存储3第二章高精度二维位置测量系统42.1球面镜一柱面镜组合的特性42.2 二维位置测量光学系统42.3 高精度二维位置测量系统5第三章光学系统误差分析8结论10参考文献11引言电荷耦合摄像器件(CCD)在非接触测量、 图像传感及储存等方面有广泛的应用前景。CCD分为二大类：线阵形CCD器件和面阵型CCD器件。线阵型CCD具有像元数多、速度快、拼接技术成熟、价格低等特点，如日本东芝公司的5000位CCD，工作频率20MHz，美国希洛克公司的5732位CCD，工作频率32MHz，英国Ev公司的CCD21-40型CCD像元可达12288位，工作频率4MHz。由于上述特点，线阵型C

5、CD很容易实现高精度一维尺寸测量和定位系统。面阵型CCD可以直接用于二维尺寸测量和定位系统，但是由于面阵型CCD像元少，因而无法实现高精度位置测量。另外，面阵CCD图像处理复杂，需要专用的图像卡及软件。本文通过光学系统设计，用两个线阵型CCD实现了高精度二维位置测量系统。第一章 CCD的工作原理电荷耦合器件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。 所以CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生，存储，传输，和检测。 图

6、1线阵型CCD原理框图1.1电荷的注入 在CCD中，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电注入两类。 :光注入 当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅 极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD摄象器件的光敏单元为光注入方 式。光注入电荷 QIP =qneoATC 式中：为材料的量子效率：q为电子电荷量；neo为入射光的光子流速；A为光敏单元的受光面积 ；TC为光注入时间。由此式可以看出，当CCD确定以后，.q及A均为常数，注入到势阱中的信号电荷QIP与入射光的 光子流速neo及注入时间TC成正比。注入时间TC由CCD驱动器的

7、转移脉冲的周期TSH决定，当所设计 的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率neo 成正比。正常情况下,光注入的电荷量与入射的谱辐量度在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与 入射的光谱辐通量的关系为ne=e/hv， h,v,均为常数。因此在这种e成线形关系。该线形关系是应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。 2:电注入 所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行电压流进行采样，然后将信号电压或电 流转换为信号电荷。电注入的方法很多，一般常用的是电流注入法和电压注入法。 1.2电荷的存储构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化

8、物-半导体）结构，在栅极G施加正偏压 UO之前，P型半导体中空穴（多数载流子）分布是均匀的。当栅极施加正偏压UG（此时UG小于P型半 导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区。偏压继续增加，耗尽区将进 一步向半导体内延伸。当UGUth时,半导体与绝缘体截面上的电势(常称为表面势,用S 表示)变得 如此之高,以至于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层极薄的(约10um )但电荷浓 度很高的反型层。 反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能.然而,当栅极电压由零变到高于阈值电压时,轻掺杂半导体中的少数载流子很少,不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下,耗尽区将进一步

9、向体内延伸,而且,栅极的衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上,如果随后可以获得少数载流子,那 么耗尽区将收缩,表面势下降,氧化层上的电压增加.当提供足够的少数载流子时,表面势可降低到半 导体材料费密能级P 的两倍。 第二章 高精度二维位置测量系统利用两个线阵CCD图像传感器和球面镜与柱面镜组合成的光学系统能足够实现对物面上点的平面坐标位置进行二维测量。2.1球面镜一柱面镜组合的特性在介绍高精度二维位置测量系统之前，先介绍球面镜一柱面镜组合的特性，它构成CCD光学成像系统的基础。如图1所示，球面镜焦距为，柱面镜焦距为，它们共轴且距离分别小于 和。o是球面镜的焦点，平面xoy是球面镜的焦平面，M是

10、焦平面上x轴上一点，通过球面镜后为一束平行光，平行光经柱面镜汇聚成一条直线。这样通过球透镜一柱面镜组合M点成像为一条直线a，直线a位于柱面镜的焦平面上且与柱面镜的圆柱轴线方向平行。同理，过M 点平行于y轴的直线上的任意一一点成的像都是直线a。这样，a到z轴的距离对应M点的x坐标。设a到z轴的距离为b，由透镜像公式得出 (2-1)若取=，则a到z轴的距离为b=OM。图2 球面锐柱面镜组合成像图2.2 二维位置测量光学系统二维位置测量光学系统由光学仪器组成，包括主球面镜、球面镜、分光棱镜、两个柱面镜和两个线阵CCD。主球面镜、球面镜及分光棱镜共轴，分光棱镜分出两条相互垂直的光路，在两条光路轴上分别

11、加上柱面镜，柱面镜的圆柱轴线方向相互垂直。这样，分光棱镜的引入构成了两组球面镜与柱面镜组合，它们分别测定x轴和y轴方向的位置。为方便设计，选取具有相同焦距的球面镜和柱面镜。如图2所示，主球面镜的焦距是f，m为平面上任意一点，其坐标为(x,y),物距。m点通过主球面镜成像n点，n点在平面上，像距。n点的坐标()由下面公式得出 (2-2) (2-3)主球面镜与球面镜之间的距离为，这样像点位于球面镜的焦平面上。由1可知，一点通过球面镜、分光棱镜和两个柱面镜成像为两条直线a和b，直线a位于柱面镜的焦平面上且与z轴的距离为 , 直线b位于柱面镜的焦平面上且与轴的距离为。分别在柱面镜的焦平面上过z和轴与柱

12、面镜圆柱轴线方向垂直放置线阵型CCD。这样, 像线a和b分别与CCD垂直且相交, CCD测出直线a和b的位置和, 通过公式(3)可以求出M点的坐标(x,y)。 图3二维位置测量系统光路图2.3 高精度二维位置测量系统（1）问题的提出 在距离3m远的位置防止边长为1m的正方形靶面，靶面上放置一个电光源M，它在靶面上做随机的运动。要求测出M点的二维位置，测量精度要求为0.1mm。（2）测量原理 本节通过实例设计, 给出选择和确定CCD和透镜参数的方法。系统装置图如图3所示为高精度二维位置系统原理图。被测靶面上的图像通过由主球面镜、球面镜、分光棱镜和两个柱面球镜组成的光学系统后分别成像在两个线阵CC

13、D传感器上，它们输出的信号通过信号处理电路转换为数字量送入计算机，计算机软件将测得物体的二维位置值。图4高精度二维位置测量系统装置图（3）测量传感器的选择为满足测量精度的要求，线阵CCD的像敏单元的数量应大于10000（靶面尺寸/测量精度）。故可选择英国EV公司的12288像元的线阵CCD传感器，光敏区总长为98.3nm，工作视场边长为1100mm。（4）光学系统设计 设计任务: M点为一点光源，它在靶面上做随机运动，靶面范围是边长1m的正方形。要求精确测量M点的位置，测量距离为3m,，测量精度为0.1mm。参数选取：为满足测量精度， CCD像元数应大于10000(靶面尺寸/测量精度)。选取英

14、国EV公司的12288像元的线阵型CCD，光敏区总长L=98.3mm。工作视场边长L=1100mm(大于靶面尺寸)，主球面镜焦距f、物距do放大倍数Mo，通过下面一组公式可以确定主球面镜参数。 （2-4） （2-5） （2-6）将物距do=3000mm代入上式, 求得焦距f=246.1mm，像距d1=268.1mm。确定焦距后, 还要确定镜头的孔径。孔径越大，收集的光能量越多，像场的照度也就越高。CCD像面照度E由下式计算 （2-7） 式中-透过率；L-物面亮度(物为激光光斑，亮度很大)。取，E/L=0.008，则D=29mm。选取相同焦距的球面镜和两个柱面镜，由1可知，这样的球面镜柱面镜组不

15、改变像的大小。取焦距=150mm，则主球面镜与球面镜距离为= 418.1mm。加入分光镜，组成图2光学系统，线阵型CCD放置在柱面镜的焦平面上过光轴分别与柱面镜的圆柱轴线方向垂直。整个测量系统的数据采集与计算机接口系统的原理图如图4所示。在外部驱动电路驱动下，线阵CCD输出的信号经过信号处理电路进行信号的预处理后送A/D转换器转换成数字信号，再经过计算机总线接口送入计算机内存，计算机将在计算机软件的支持下计算出M点的坐标位置（x,y）。途中的光学系统由主球面镜、球面镜、分光棱镜和柱面镜等光学器件构成。第三章 光学系统误差分析用线阵型CCD实现高精度二维位置测量系统，光学系统的像差对于测量精度影

16、响很大。由于系统中一个成像光路使用了两个球面镜、分光棱镜和柱面镜，因而引入的像差可能很大。在处理测量结果时就应该考虑到像差的影响,并修正测量数据。系统中的棱镜应按光路将其展开为平面平行平板，由于系统中棱镜工作在平行光路中，认为它不产生任何单色像差。而柱面镜只是在垂直于柱面轴线的方向产生像差。系统的成像光路展开如图5。图5系统光路展开图系统像差包括球差、彗差、像散、场曲、畸变和色差等。在该系统中使用单色激光光斑，因此不考虑色差。单一折射面近轴光线的初级单色像差计算公式如下:图6单一折射面的光线光路u物方孔径角; u像方孔径角; n 物方折射率;n像方折射率; i入射角; i折射角l物距; l像距

17、; r 球面半径。球差: （3-1） 彗差: （3-2） （3-3） 像散: （3-4）场曲: 子午场曲: （3-5） 弧矢场曲: （3-6）畸变: （3-7）光学系统产生畸变的原因是，在一对物、像共轭的平面上，球差、像散、场曲为轴向像差，彗差、畸变为垂轴像差。每一面的轴向像差对最终像差的贡献,，需乘以轴向放大率。每一面的垂轴像差对最终像差的贡献，需乘以垂轴放大率。总的像差是每一个面像差贡献之和。光阑的位置和大小对于消像差也很重要。像差可以通过透镜的设计来尽量减少。在透镜参数确定后，可用公式(3-1)(3-7)算出像差,并在最终处理数据时对像差进行补偿。例如：前面所举的光学系统通过专用光学追迹

18、软件，可进行光学系统的设计，并给出像差。初级像差都很小；系统的轴外光线的像差也都很小，像散、场曲、彗差、畸变计算结果都在微米量级左右；只有球差较大，但由于球差在最佳像面上成的像点的光斑中心位置与球差大小无关，而球差是关于像点光斑中心对称的，该像点光斑中心位置即为像点的真实位置，故可通过计算机求出像点光斑灰度中心作为像面上光斑的位置。由此可见,该光学成像系统总的像差很小，从而保证了系统具有很高的测量精度。在3m远处，1m1m的测量范围内，可达到0.1mm的测量精度，即万分之一的分辨率。从而用两个线阵型CCD实现了二维高精度位置测量。结论本文对讨论光学分光原理与两个线阵CCD传感器能够对平面上的点进行二维高精度测量的方法，进行了简单的介绍，线阵型CCD很容易实现高精度一维尺寸测量和定位系统。面阵型CCD可以直接用于二维尺寸测量和定位系统，但是由于面阵型CCD像元少，因而无法实现高精度位置测量。显微成像法将被测表面以灰度分布情况显示在屏幕上，通过计算灰度平均值的均方根值偏差，再通过拉格朗日插值计算和平均值数目的计算，得到与测针法测量得到的Ra值比较接近的粗糙度值，由测量结果可见，显微成像法检测表面粗糙度是一种切实可行的方法，该方法具有速度快, 直观、准确、面样面积大，可自动检测等优点， 是一种具有发展前