基于 PSD 的新型光電自準(zhǔn)直儀的研究

0 引 言

現(xiàn)今，許多國家都在對光電自準(zhǔn)直儀進(jìn)行研究。光電自準(zhǔn)直儀是通過將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號從而進(jìn)行小角度測量的儀器，已廣泛應(yīng)用于高精度測量系統(tǒng)中。

20 世紀(jì) 90 年代之前，我國在研制光電自準(zhǔn)直儀的光電轉(zhuǎn)換部分主要采用振動子法，運用人眼進(jìn)行瞄準(zhǔn)，通過滾輪進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。而國外的研究技術(shù)要比國內(nèi)先進(jìn)許多，如德國 MOLLER 廠商研制的 ELCOMAT HR 型號 [1] 自準(zhǔn)直儀全程精度已達(dá)到 ±0.3＂。我國的研究從起初對國外產(chǎn)品的引進(jìn)轉(zhuǎn)變到自主研發(fā)，已取得較大進(jìn)步，但在測量范圍、測量精度等方面與國外仍有較大差距。目前，大多數(shù)光電自準(zhǔn)直儀選用 CCD、四限象光電探測器、位置敏感器件作為光電探測器，顯著提高了光電自準(zhǔn)直儀的測量精度 [2]。

1 自準(zhǔn)直儀的光學(xué)工作原理

自準(zhǔn)直儀主要分為光電自準(zhǔn)直儀和光學(xué)自準(zhǔn)直儀兩種。其中，光電自準(zhǔn)直儀利用光學(xué)自準(zhǔn)直成像原理進(jìn)行測量，相比人眼瞄準(zhǔn)、滾輪讀取數(shù)據(jù)的光電自準(zhǔn)直儀，它采用光電技術(shù)進(jìn)行瞄準(zhǔn)及測量，顯著提高了測量效率及測量精度。自準(zhǔn)直原理如圖 1 所示，具體描述如下 ：

（1）當(dāng)反射鏡的位置與系統(tǒng)的主光軸相互垂直時，光源O 發(fā)出的光線穿過物鏡變?yōu)槠叫泄馐?，再?jīng)反射鏡反射按原路返回，此時成像位置與光源 O 的位置相同 ；

（2）當(dāng)反射鏡的位置偏離與主光軸垂直的位置時，設(shè)偏離角度為 α，經(jīng)物鏡射出的平行光又經(jīng)反射鏡反射最終成像在 M 位置，此時反射光傾斜角度為 2α。計算可知 M 偏移 O 的垂直距離 l 的表達(dá)式為 ：

l=S ·tan2α（1）

式中 S 為物鏡焦距。

光電自準(zhǔn)直儀主要用來測量小角度變化，因此當(dāng) α 較小時，M 偏移 O 的垂直距離 l 的表達(dá)式為 ：

l ≈ 2S·α（2）

綜上所述，當(dāng)用自準(zhǔn)直儀進(jìn)行小角度測量時，只需測量出成像的偏移量再代入式（2）即可 [3]。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本文光電自準(zhǔn)直儀利用 PSD 的橫向光電效應(yīng)，將投射在其光敏面上的光斑轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù) PSD 橫豎方向四個電極的電流值，計算光斑位置，實現(xiàn)微小角度或位移的測量。同時，為了提高自準(zhǔn)直儀的測量精度，采用調(diào)頻光源與采樣保持技術(shù)對背景光和噪聲進(jìn)行抑制?；?PSD 傳感器的光電自準(zhǔn)直角度測量系統(tǒng) [4] 總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，包括光源、光學(xué)系統(tǒng)，反射鏡、光電探測器，驅(qū)動電路、信號處理電路及人機(jī)交互終端。

系統(tǒng)的工作步驟 ：光源發(fā)出光線，通過光學(xué)系統(tǒng)照射到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射，再經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚鏡匯聚到探測器上，驅(qū)動電路驅(qū)動光源并控制信號處理電路完成信號處理， 送至人機(jī)交互終端顯示。

系統(tǒng)內(nèi)主要組成單元的功能如下 ：

(1) 光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)出射光線的準(zhǔn)直，將反射光線匯聚在光電探測器的光敏面上 ；

(2) 入射在探測器光敏面上的光斑使其產(chǎn)生電流信號， 信號處理電路完成光生電流的電流電壓變換、放大、去背景、位置解算及 A/D變換工作，人機(jī)交互終端負(fù)責(zé)將位置信息以數(shù)字與圖形的形式顯示出來 ；

(3) 驅(qū)動電路用于驅(qū)動光源，控制信號處理電路與光源協(xié)調(diào)工作。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

光電自準(zhǔn)直儀可大致分為光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及信號處理三部分。由圖2 可知，要保證儀器的測量范圍和精度， 應(yīng)從系統(tǒng)設(shè)計和器件選擇兩方面綜合考慮。

光學(xué)系統(tǒng)采用常見的自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖 3所示。系統(tǒng)主要包括目標(biāo)反射面 1，望遠(yuǎn)透鏡組 2，LED光源 3， 準(zhǔn)直透鏡 4，分光棱鏡 5，匯聚透鏡 6，PSD芯片 7，但在系統(tǒng)參數(shù)方面做出了優(yōu)化與調(diào)整，整機(jī)焦距為 450mm，通光口徑為 90mm。為降低光學(xué)系統(tǒng)畸變對自準(zhǔn)直儀視場內(nèi)測量精度的影響，將望遠(yuǎn)透鏡組畸變控制在 1% 以內(nèi)。

                                                                                                                                                                 圖 3 自準(zhǔn)直儀結(jié)構(gòu)

光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，目前市場上的光電自準(zhǔn)直系統(tǒng)大部分采用電荷耦合器件圖像傳感器（CCD），但存在一定的缺陷 ：

(1) CCD器件的工藝和結(jié)構(gòu)特性限制了儀器的最小分辨率 ；

(2) 由于采用光斑成像原理，為保證測量精度，對光斑經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后的成像質(zhì)量有較高要求 ；

(3) CCD驅(qū)動電路設(shè)計復(fù)雜，技術(shù)難度較高。

位置敏感器件（PSD）可認(rèn)為是自準(zhǔn)直儀光電轉(zhuǎn)換器的較好選擇，具有位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高、處理電路簡單、光敏面內(nèi)無盲區(qū)的特點。

為提高自準(zhǔn)直儀的測量范圍，光電探測器選用美國 ON- TRAK 公司設(shè)計生產(chǎn)的二維2L10SP 型PSD 芯片，如圖4 所示， 其靶面尺寸為 10 mm×10 mm，峰值響應(yīng)波長為 940 nm。為便于操作人員觀察，光源選用人眼可見的中心為 780 nm 的大功率 LED 芯片，在保證器件響應(yīng)效率的同時兼顧使用方便性。

                                                                                                                                                                     圖 4 PSD 芯片

目前許多自準(zhǔn)直儀為降低研制難度，縮小設(shè)備體積，大多選用日本濱松公司生產(chǎn)的 PSD 專用處理芯片 H2476，但其使用具有一定的局限性 ：無法完成調(diào)頻信號的處理，只能處理直流信號，只適用于具有偏置電壓引腳的 PSD 芯片。為提高自準(zhǔn)直儀抵抗背景光干擾的能力，可采用干涉濾波片法、交流調(diào)制法等進(jìn)行處理 [6]。本文采用驅(qū)動電路調(diào)頻光源以及進(jìn)行控制信號處理電路采樣的設(shè)計，為光源提供調(diào)頻驅(qū)動電流，并根據(jù) PSD 的光電響應(yīng)延時設(shè)定采樣時機(jī)和采樣時長， 提高信號采集的準(zhǔn)確度。驅(qū)動電路以 CPLD 為核心，設(shè)計LVTTL 到 TTL 的轉(zhuǎn)換電路，以及 LED 驅(qū)動電路，各驅(qū)動信號具有頻率一致、延遲與占空比可調(diào)功能。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

信號處理部分如圖 6 所示，其中運算放大器選用輸入偏置電流較小、穩(wěn)定性好、低溫漂、高共模抑制比的芯片。

反射像在 PSD 器件中心區(qū)域位置變化呈現(xiàn)的光電特性為線性，而在邊緣靠近電極區(qū)域呈現(xiàn)非線性，即其感光面的光電響應(yīng)具有類似相機(jī)畸變的現(xiàn)象，通常為枕形失真。針對此問題，可采用差值、擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法解決。本文自準(zhǔn)直儀采用雙調(diào)和樣條差值方法 [7] 對非線性區(qū)進(jìn)行校正，提高了光電自準(zhǔn)直儀的全視場測量精度。

4 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對自準(zhǔn)直儀的測量精度提出了更高的要求，而自準(zhǔn)直儀各個組成部分都對其精度造成了影響。本文介紹的基于 PSD 的光電自準(zhǔn)直儀具有高分辨力、測量視場范圍大、抗背景光干擾等優(yōu)勢，并對 PSD 器件的非線性區(qū)進(jìn)行了修正，有效拓展了儀器的線性測量區(qū)間，提高了測量精度，可大量運用于高精度小角度測量，機(jī)床工業(yè)的質(zhì)量保證測量，位置監(jiān)測，炮筒、圓滾內(nèi)外圓同軸度測量，航天器微變形監(jiān)測等方面 [8]。光電自準(zhǔn)直儀的研究與光學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械學(xué)科息息相關(guān)，其他學(xué)科的進(jìn)步也必將推動光電自準(zhǔn)直儀的研究，使其沿著動態(tài)測量、二維測量甚至多維測量等方向發(fā)展。