高精度激光衍射测径系统

　　1　衍射测径原理

　　如图1所示。氦氖激光束垂直照射被测细线(直径d=10～500um),在透镜焦面上形成衍射图样。根据夫琅和费衍射理论和巴俾涅原理[1],当f足够大时,有:

　　式中,λ为激光波长;f为透镜焦距;m为暗纹级数;xm为第m级暗纹到光轴的距离;S为衍射图样暗纹间距,且S=xm/m。可见,d的测量归结为S的测量。

　　2　CCD数据采集系统设计[2]

　　见图2。CCD输出的负的视频信号V0经A1(LM318)反向放大后变为正的尖脉冲信号V1。由二极管D、模拟开关SW、保持电容CH和电压跟随器A2(LM318)构成的“峰值保持器”对V1进行峰值保持,得到保持电压VP。电压信号V2经A/D(ADC511,12位,转换时间lus)转换,转换结果由两片74LS374锁存,等待微机读取。A/D转换结束时,脉冲PR使开关SW闭合,放掉CH上的电荷。本系统采用HML1213型2160线阵CCD(象元中距c=14um)和SER—LC01型驱动器。驱动器采用外时钟(EX.CCLK)工作方式,时钟频率1MHz。CCD图像信号时钟CCLK和复位脉冲RS的频率均为250kHz。

　　系统的工作时序示于图3。微机在发出启动脉冲START(大于2TC,TC为CCLK的周期)后,进入检测状态。当检测到LEN(行输出允许信号)变高后的第一个CCLK脉冲的下降沿,微机即进入查询状态,当查询到A/D转换结束(即EOC信号有效),立即由74LS374读入数据。图中PAD是A/D转换启动脉冲(>200ns),由CCLK下降沿触发产生;PR脉冲(>200ns)用于闭合SW,放掉CH上的电荷。它出现在CCLK上升沿之前,由CCLK经单稳态触发器展宽后得到的脉冲的下降沿触发产生。

　　3　确定S的数据处理方法[3]

　　为减小CCD各象元光响应不均匀和其他随机误差对测量的影响,对CCD视频信号重复多次数据采集,而后取平均。现以数组E[n]={E[0],E[1],…,E[n-1]}表示取平均后得到的数据,其中n为CCD的位数。

　　3.1　数组E[n]中极小值的寻找

　　在数组E[n]中初定极小值位置的条件为:

　　式中,L≤i≤n-L-1。E-为数组E[n]的均值。k是依据测量条件所取的常数,k=0.2～0.5。L为步长,其值的选择与重复进行数据采集的次数M有关。经计算机模拟分析,当M>50时L取2,否则L取3。当L=2时,若连续判别出E[i]和E[i+1]均满足式(2),则取E[i]为极小值;当L=3时,若E[i]、E[i+1]和E[i+2]均满足式(2),则取E[i+1]为极小值。对于数组E[n],可找出其中的各极小值:

　　E[p1],E[p2],…,E[pr]　L≤Pj≤n-L-1,j=1,2,…,r

         式中,Pj为第j个极小值所对应的象元序号。

　　3.2　衍射图样的局部曲线拟合

　　在第一个极小值E[P1]处的局部曲线拟合示于图4。5个拟合点的坐标依次为:(x0+(P1-2)·c,E[P1-2]),(x0+(P1-1)·c,E[P1-1]),(x0+P1·c,E[P1]),(x0+(P1+1)·c,E[P1+1]),(x0+(P1+2)·　c,E[P1+2]).