CCD精密测角系统

　　引　言

　　CCD作为一种新型图象传感器,在测量、传真等领域有着广泛的应用;MCS-51系列单片机在智能仪表、智能控制、通用测控单元的应用日趋普及。本文提出了一个利用线阵CCD、单片机和一多面镜构成的测量范围可达360°的高精度角位移测量系统,对其构成原理及精度进行了论证分析。

　　1　系统的构成

　　系统由一多面反射镜、自准直光学系统、线阵CCD和8031单片机构成,其工作原理如图1和图2所示。

　　2　系统工作原理

　　2.1　自准直测角原理

　　线阵CCD垂直于自准直物镜光轴,其中心位于物镜的焦点上。当多面镜某面法线平行物镜光轴时,狭缝发出的光线,经析光镜、物镜成平行光照射在多面镜反射面上,经反射镜、物镜作用成象在CCD中心。当多面镜绕O点转动角β时,狭缝象偏离CCD中心的距离d与转角β的关系为

式中Δd取决于CCD象素间距,可达像元间距的1/4。适当选取f′可满足所需精度,例如采用TCD102,d=14μm,Δd=3.5μm,取f′=170mm,则Δβ=0.035mrad。对于多面反射镜每一个反射面而言,由于光学系统的视场特别是CCD有效长度L的限制,测角范围φm受到限制

　　仍以上例数据,TCD102有效长度L=28.67mm,则测角范围仅为φm=11.57°。

　　2.2　多面镜扩程原理

　　为了把测角范围扩大到360°,可使用一多面镜,并使其面数满足

　　利用(6)式,代入新的d和k,即可确定多面镜的角位置,记下新的k、d值,就为下次读数做好了准备。

　　两个前提条件在实践中是不难满足的,仍以前面的例子,φm=11.57°,取M=32,式(4)即可满足。CCD的积分时间取为1ms,照明是不难实现的,且在这期间8031亦有充分时间完成运算量不大的数据处理。此时n只需小于937转/分,即可满足(5)式的要求,这在一般测量中也是容易满足的。

　　3　精度分析

　　系统的理论精度由CCD的象元数N、多面镜的面数M决定,即

　　例如,取M=32,N=5000,则Δα=0.01mrad实际精度由CCD的读出精度、多面镜的加工和装配误差、狭缝宽度和装配误差共同决定,下面分别予以分析。

　　3.1　CCD的读出精度

　　CCD对锐边缘的读出精度,文献中多有报导,甚至有报导称可达象元间距十分之一的。据我们的经验,只要驱动电路和二值化电路设计合理,四分之一象元间距是完全可以达到的。

　　3.2　多面镜的加工和装配误差

　　多面镜的加工误差有分度误差、尖塔差和面形误差。由(6)式可以看出,多面镜并不要求等分圆周为M等份,式中一项是该面与第0面的夹角,是可以精确标定的,因此分度误差不影响系统精度。同时不难证明,多面棱镜尖塔差造成狭缝象沿垂直CCD阵列方向上下摆动,摆动方向与狭缝方向相同,亦不影响系统精度。多面镜每面尺寸很小,面形精度易于保证。多面镜的装配误差有三种:输出轴偏离多面镜中心,由于多面镜工作在平行光路中,这种误差完全不影响系统精度;输出轴与多面镜不平行,其影响与尖塔差相似,且易于校正;自准直物镜光轴不在输出轴的垂面内,即多面镜法线和光轴在转轴方向上不平行,其影响狭缝象沿垂直CCD阵列方向上产生一固定位移,亦不影响系统精度。