基于线阵CCD的扫描镜角位置测量技术

　　1　引言

　　角位置测量在工业、医疗、国防等领域有着广泛的应用。角位置测量的方法有多种，通常采用专用的角位置传感器，如旋转变压器、圆感应同步器，圆光栅等，在一些特定的条件下，如没有转动机构的情况下，需要进行角位置测量时，可以采用CCD传感器进行位置测量，通过光学换算可以将CCD的像素尺寸转换到反射镜的旋转角位置上。这种光电测量法是一种高精度、高可靠性、成本低的非接触式测量方法，可实现小角度的静态和动态测量^[1-5] 。本文介绍了以TCD1501C作为光学传感器，利用可编程逻辑器件作为处理单元的角位置测量设计，包括驱动时序、视频输出差分电路、CCD信号检测处理等设计。

　　2　系统工作原理

　　测角系统的工作原理如图1所示。

　　辅反射镜的转动量转换为激光光束角度的变化，反射光束照射到线阵CCD敏感面上，CCD首先完成光电转换，即产生与入射的光辐射量成线性关系的光电荷。然后在CCD驱动脉冲的控制下，将电荷移位至输出电路，经输出电路将电荷量转化为电压量输出。这样在CCD芯片的输出端就产生了与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。将一维光学信息转变为电信息输出，后端的放大和A/D转换电路将信息转换为数字量，用FPGA器件进行数字量采集后进行计算以生成所需的角度量，当辅反射镜随着主反射镜绕图中O点转动α角时，CCD敏感面上光斑偏离中心距离为d，CCD敏感面长度为5　000×7μm，CCD到反射镜的距离为50mm，由角度测量分辨率Δα=Δd/2f，得到测角精度为0.02mrad。测的角范围在10°以内可以选择，检测光斑在CCD上移动距离即可得到旋转轴的旋转角度，由此线阵CCD就可以实现角位置测量功能。

　　3　线阵CCD器件及光源的选择

　　CCD芯片型号为TCD1501C，像敏单元数为5　000，像元尺寸为7μm×7μm，像元中心距为7μm，像元总长为35mm，光谱响应范围为400～1　000nm，光谱响应峰值波长为550nm，灵敏度为10.4～15.6V/lx.s。光谱响应曲线如图2所示。

　　CCD器件的光谱响应范围一般为0.2～1.1μm，该系统选择的TCD1501C型线阵CCD光谱响应范围为0.3～1.0μm.标准钨丝灯的发光光谱范围为0.3～2.9μm(涵盖了 整个 可见光谱区域0.38～0.78μm)，峰值辐射波长为1.0μm，氦-氖气体激光器的激光波长为0.632　8μm，光谱响应灵敏度接近于CCD峰值响应波长光谱灵敏度，但由于材料和工艺上的原因，这种激光器寿命不是很长。半导体激光器使用寿命较长，但由于它的激光波长常温下为0.9μm，与本系统应用的CCD器件峰值响应波长(0.55μm)相差较远，综合考虑到系统安装尺寸、使用寿命、信号效果及可维护性等方面的要求，光源选用白炽灯，光源的光谱能量分布与CCD器件相匹配，视频信号较稳定。光源的光强要尽量保持恒定不变，CCD输出视频信号才能稳定，所以光源需用高精度稳流源供电。