光开关实现多测量光路的可行性研究

0 引言

准直光束是光学检验和光学工程中最为常用的 光束，以准直光束作为直线基准的测量方法，在测量 直线度、同轴度、平行度、物体多自由度中得到广泛 的应用 ［1 －2］ 。在以准直光束为基准进行测量时，往 往需要使用分光器件实现多测量光路。采用传统的 分光镜、全息光栅等器件可实现多光路，但镜组的使 用增加了系统的复杂性 ［3 －4］ 。光开关是较为重要的 光无源器件，常用在光通信领域元器件的生产和检 验测试中 ［5 －6］ 。采用光开关作为分光器件，可实现 对单光源发出的光在同一通道中的通断和在不同通 道间的转换，起到灵活控制测量光路和简化系统结 构的作用 ［7］ 。笔者采用光开关作为分光器件，利用 LED 光源、准直器和 CCD 相机搭建了多光路测试系 统，通过对各路光斑光强和相关性的分析及对光斑 定位中心静态和动态稳定性的测试，验证了应用光 开关实现多测量光路的可行性。

1 测试方案

准直光束测量是以光束的强度中心作为直线基 准的测量方法，其中，光斑定位中心的稳定性是实现 测量的关键 ［1］1 。通过测试光斑特性及其稳定性，可 知光开关实现的多光路能否作为测量光路。通过统 计各光路光斑的灰度直方图，得到光开关分光后的 光强衰减特性; 采用互相关系数法得到光斑图像间 的相关系数，用于评价各光路的同源性; 选取了灰度 重心法定位各路光斑的中心位置，通过计算一段时 间内的光斑中心标准差来表征稳定性。

1. 1 互相关系数

相关函数是描述随机信号的重要统计量。设离散信号 x( n) 、y( n) 的长度为 N，定义

为 x( n) 、y( n) 的互相关系数，相关系数的取值范围 为［－1，1］。 ρ 值越大，表明 2 信号的相关程度越 高; ρ =0，表明 x( n) 、y( n) 完全无关。归一化互 相关系数法具有算法简单、抗白噪声干扰能力强的 优点 ［8］ 。

1. 2 灰度重心法

灰度重心法是一种亚像素光斑中心定位算法， 它可以看成是以灰度为权值的加权形心法 ［9］ 。图 像 I( i，j) 的大小为 X × Y，B［i，j］为第 i 行、第 j 列的 像素灰度值，则目标光斑 S 的灰度重心为