基于线阵CCD的微位移测量系统设计

　　0 引言

　　微位移测量技术是实现超精加工的前提和基础。 目前， 对于纳米级位移测量， 目前主要采用光学测量技术。 目前能够进行纳米位移测量的光学测量方法有很多种， 主要为干涉法和衍射法， 其中又以干涉法的应用为主， 主要包括外差激光干涉法、 F—P 干涉仪法， 光栅干涉仪法等[1]。 到目前为止利用干涉法而制成的干涉仪已经被广泛使用于各种各样的场合， 其在进行测量长度时精度就可以判读到波长的 1/20， 如果进而利用计算机进行图像处理， 还可以达到百分之一波长的精度[2]， 但是干涉法测量存在结构复杂、 测量范围小、 价格昂贵等缺点。

　　在文献[3]中提出了采用位置敏感传感器(PSD)作为光信号接收单元的基于光杠杆原理的微位移测量系统。本文在该方案的基础上， 提出用一般精度的线阵 CCD作为光电接收器件的改进方案， 理论分析表明其测量精度能够达到纳米量级， 与文献[3]的方法相比该方法具有量程大， 灵敏度高， 结构简单的优点。

　　1 原理

　　为了达到微小位移检测的目的， 我们采用多次反射光学放大法进行测量。 所谓多次反射光学放大法是指利用光束的多次反射将微小位移放大后进行测量。 多次反射测量法的基本原理如图 1 所示。 测量装置由一对平面反光镜 B1和 B2，作为光源的波长为 630nm 的半导体激光器和线阵 CCD(charge coupled device)构成。 B1和 B2的初始位置相互平行，测量时平面反光镜一端固定，另一端与被测物体相连随之移动。 激光器发出的光束经两平面镜多次反射后照到 CCD 光敏面， 当被测物体有一微小位移时， 光敏面上的光斑移动较大的距离。

　　设计时， 确定了平面镜的长度、 两平面镜的间距以及入射光角度时， 同样根据文献 [4] 中的讨论可以计算出反射次数为 n， 当 D=30cm 时反射次数超过 20 次， 放大系数达到 200 倍[3]。

　　2 微位移测量仪系统结构

　　基于光学放大原理的微测量系统由光学放大装置、线阵 CCD 以及信号采集处理系统组成, 如图 2 所示。 把反射镜 2 和被测物体相连作为被测镜， 物体移动时带动反射镜一端上下移动。 数据采集和处理部分完成光电信号的转换和数据的采集与处理， 包括线阵 CCD 驱动电路， 数据采集卡和计算机。

　　激光光斑经过光学装置后， 照射在 CCD 光敏面阵列上， CCD 把入射光强转换成电信号， 产生的输出信号就反映了光斑的位置， 分别得到光斑移动前后在 CCD上对应的位置， 就得到了光斑移动距离。 对线阵 CCD的要求是： 灵敏度高， 动态范围大， 暗电流小， 光谱范围 (覆盖 630nm) 满足测量要求。 根据系统的要求, 选择TCD1208AP 作为传感器件。 二相输出的线阵 CCD 器件, 像元中心距为 14μm， 工作电压为 5V。 数据采集卡选用与线阵 CCD 相配套的 ADA11H-AT， 它不仅将 CCD输出的模拟电信号进行 A/ D 转换并且它也包含了线阵CCD 的驱动电路， 省却了使用者电路设计的麻烦。