精密回转台动态倾角测试系统的光学系统研制

    0　引言

     随着科学技术的迅猛发展,对精密回转台的动态精度要求越来越高,不但要求精密回转台能够长期稳定工作,而且台面倾角要求控制在秒级。要达到如此高的精度,仅仅依靠提高回转台的机械精度并不现实,同时也会大大地提高回转台的成本。为了满足对精密回转的动态精度要求,其最有效的方法就是动态测量出回转台的瞬时倾角误差,并对回转台的动态精度进行补偿。而采用传统的接触式测量方法,则会在系统工作时对工作过程产生干扰,并且存在划伤回转台表面的可能。本文介绍的是一套基于激光和CCD技术的回转台倾角测试系统,它可以对回转台倾角实施非接触、在线测量,实时地对测量出的回转台瞬时倾角误差进行相应的补偿,以提高测量精度。

    1　测试系统组成及工作原理

    回转台动态倾角测试系统由激光光源、光学器件、CCD像传感器、二值化信号处理电路、单片机数据采集系统、D/A转换模块以及下位机等组成,如图1所示。

    激光束照射到回转台上,通过回转台的反射,将激光光斑打到CCD靶面上,从CCD传感器中得到视频信号,经CCD后部电路的处理,可以得到光斑中心在CCD靶面的位置,从而得出回转台在旋转过程中激光光斑在CCD靶面上的移动量,根据相应的几何关系,就可以得出回转台在转动过程中的倾角误差。从测试系统基本原理图中可以得出,其关系为:

    (在实际应用系统中,反射光线长度r =800mm,激光光斑在CCD靶面上的移动量y <28.7mm,由于y比r小得多,可认为上式成立,能够满足测量精度的要求。)

    由于反射面转动θ角,则反射光线转动2θ角,可知回转台的偏转角度a =θ/2。

    2　光源及CCD传感器的选择

    光学系统是进行图像采集和数据处理的前端,光学部件的性能参数直接决定整体系统测试数据采集的精度。进行科学的光学设计和选择合适的光学部件是进行高精度测量的前提。

   2. 1　光源的选择

    为使传感器像面获得足够照度并分布均匀,应考虑三个问题:照明系统提供的光能量、光能量利用率及能量在像平面上的分布。由于激光光源具有单色性好、相干性高、方向性强、能量集中、分布均匀等特点,本文采用ELD63NTI5型专用测量仪用半导体激光器,该半导体激光器波长为0. 633μm,符合CCD器件的光谱响应范围0. 4-1. 1μm,其光谱响应灵敏度接近峰值响应波长的光谱灵敏度,并且半导体激光器技术成熟、结构简单、使用方便、价格便宜,用来作为系统光源是合适的。