一种新颖的单线阵CCD双坐标自准直仪

　　1　引　　言

　　自准直测角技术在实现小角度的多维、非接触测量中具有独特的优点[1],被广泛用于诸如光学元件的角度检测、平台平面检测、机械轴系的晃动及精密导轨的直线度检测等精密测量中。采用此技术构成的自准直仪使用机械机构实现对光斑回像的跟踪,存在着跟踪频响及测角精度低的缺点。电荷耦合器件(CCD)的出现为自准直仪的发展开辟了新的方向,采用CCD器件可以从原理上取消机械机构对光斑回像的跟踪,利用CCD器件的像元自扫描能力测量自准直光斑回像的位置,使跟踪和测量一次完成并具有较高的测角频响和精度。当使用面阵CCD器件探测回像点的坐标位置时,虽能直接给出回像点的二维坐标,进而换算出二维小角度,但面阵CCD器件成本高、驱动电路及相应处理电路复杂,对其信号的采集需要较大的外数据存　　储器,且采集速度慢,限制了仪器的测试频响;采用双线阵CCD器件按传统方式垂直放置探测回像点的二维坐标位置时,虽能测得二维小角度,成本大为降低,且驱动电路及相应处理电路简单、采集速度快,仪器的测试频响高,但存在着有测量盲区的缺点。

　　本文提出了一种采用单线阵CCD器件,应用自准直原理实现二维小角度测量的全新方案,即利用单线阵CCD和特殊的分划板刻线形式相结合测量二维小角度,给出了测量原理及自准直仪硬件、软件设计,该仪器使用单片机系统实现数据的采集、处理及传输,采用IEEE488并行通讯接口实现小角度动态实时传输。

　　2　测量原理

　　图1为单线阵CCD双坐标自准直系统原理简图,光源1发出的光束经聚光镜2均匀照明刻有Z字形刻线(线夹角45°)的分划板3,分划板3位于物镜5的焦平面上,Z字形刻线经析光镜4、物镜5、反射镜6后,光线返回经物镜5和析光镜4,Z字形刻线成像在线阵CCD器件7上,线阵CCD器件7放置在物镜5的焦平面上。由自准直原理可知,光学成象系统将反射镜偏转角转化为刻线回像在焦平面上的二维位移,通过测量二维位移即可得到反射镜的二维偏转角,反射镜偏转角可表示为:

　　式中　θ——反射镜偏转角

　　f——物镜焦距

　　s——刻线回像位移

　　因此,利用Z字形刻线和单个线阵CCD器件,通过测量求得刻线回像在焦平面上的二维位移sx,sy分别代入(1)式后,即可求得相应的二维偏转角θx,θy。

　　当反射镜6和光轴垂直时,Z字形刻线成像如图2(a)所示,S点为线阵CCD零位光敏像元位置点,刻线像和线阵CCD交有A、O、B三点,且 AO = OB ,经电路处理,可求得三点在CCD上的位置,进而求得长度 SA 、 AO 和 OB ,设 SA =l,并以此作为自准直系统的零位