基于单面阵CCD的三维平移测量系统设计

　　0 引言

　　高精度的多自由度位移同时测量广泛应用于自动控制、仪器仪表、航空航天等领域，对于提高现代化工业水平具有重要意义。光电检测具有非接触性、测 量精度高、响应速度快等特点，是目前国内外实现多自由度位移同时测量的主要技术。根据测量原理的不同，该技术又可分为干涉技术、衍射技术、视觉测量技术和 基于光斑位置变化等方法[1 -2]。其中，基于光斑位置变化的测量方法采用准直光束作为测量基准，被测物体的位移变化将引起准直光束投射在探测器上的光斑位置变化，根据光斑位置变化 可推算出被测物体的位移变化量。

　　本文利用光斑位置变化的测量方法设计了一种基于单面阵CCD 的三维平移测量系统。CCD 具有高灵敏度、低噪声、动态范围大、稳定性好、像素尺寸小等优点，广泛应用于精密图像传感领域[3]。本测量系统采用两路准直LED 光束作为测量基准，由单面阵CCD 探测光斑图像，经图像处理后获得光斑位置信息，根据光斑位置变化推算出被测物体沿X、Y、Z 三个维度的平移变化量。系统结构紧凑，灵活易用。

　　1 测量系统及原理

　　1. 1 系统组成

　　本测量系统由固定部分和可动部分组成( 如图1 所示) ，固定部分用来提供两路测量基准光束，主要包括LED 光源、光开关和2 个对称安装的光学准直器; 可动部分由被测物体和固定于其上的面阵CCD 组成，面阵CCD 与被测物体同步运动。LED 光源发出的光耦合进光开关，通过光开关切换控制，分时地进入2 个对称安装的光学准直器，形成准直光束，并投射到面阵CCD 上，通过面阵CCD 探测光斑图像。当被测物体产生沿轴向的平移运动时，两路光斑在面阵CCD 上的位置发生相应变化，根据光斑位置的变化量可推算出被测物体沿X、Y、Z 三个维度的平移量。

　　目前，基于光斑位置变化的测量方法中多采用激光光源，但激光光源存在光束漂移问题，应用于精密测量时，需要复杂的补偿手段[4 -5]。本测量系统中选用LED 作为光源，具有漂移量小、稳定性高的优点[6]，满足测量需要的同时降低了设计成本。光开关利用optical micro-electromechanical systems( OMEMS) 技术实现多路分光，切换时间为毫秒级[7]。经过光学准直器得到半径合适的平行光束，并作为测量基准，投射在面阵CCD 上得到光斑图像。通过光开关切换控制，两路光斑分时投射在面阵CCD 上，由计算机控制面阵CCD 采集得到相应的光斑图像信息，进行图像滤波后，以灰度重心法[8 -9]定位光斑位置。

　　1. 2 测量原理

　　1. 2. 1 X 向和Y 向平移的测量