基于M型分划丝的单线阵CCD直线度准直仪

　　1　引　言

　　CCD按其像敏元素的排列方式可分为线阵CCD和面阵CCD。面阵CCD价格昂贵,其分辨率也远不如线阵CCD,光学机械结构和处理电路也要比采用线阵CCD器件复杂得多。在这种情况下,如何应用单线阵CCD同时测量多个自由度数据,就成为值得深入研究的问题。

　　2　测量的基本原理

　　目前,在CCD准直测量系统中,一般都是采用一维CCD器件测量一维坐标,采用二维CCD器件测量二维坐标。例如,分划板采用十字型分划线,在共轭物镜焦平面上放置一片二维CCD图像探测器件,即可接收对应于二维坐标的分划丝十字图像。

　　如果想使用一维CCD器件来测量二维坐标,可以把入射光束经分光棱镜分成两束光线,在两个共轭焦平面处分别放置一片一维CCD器件。但采用这种方法,十字线影像接近视场中心时,无法克服十字线的盲区问题。当x向的十字线影像在零位上时,刻线影像在y向上完全罩住CCD,此时,十字线影像在y方向上的位移则探测不到,即零位附近存在盲区,同样,在x方向上也存在零位盲区问题。因此,为了简化准直系统的光学机械结构并降低成本,提出采用一片CCD器件同时探测二维坐标图像信息的方案。另外,采用此方案后,不仅可以测量二维坐标x、y,而且可以测量第三个自由度θz。下面对基于单线阵CCD的M型分划丝的测量原理进行分析。

　　如图1(a)所示,SE为CCD线阵,它的方向设为x轴方向,其中垂线设为y方向,当M型分划的中心O位于坐标原点时为初始参考位置,此时与CCD的交点分别为A、B、C、D,设∠AFB =α,AD = d,则有AB = BO =OC = CD = d/4,设∠BFO =β,则β可由α、d计算得出:β=arctg(2tgα)-α。

　　如图1(b)所示,当M型分划丝在x、y坐标平面上发生平移并旋转后,其位置在O′,M型分划丝与CCD线阵的交点为A′、B′、C′、D′。过O′做x轴平行线A″O′,则有

　　如图1(b)所示,经证明可知,分划丝向左或向右偏转时,A′B′与C′D′的长度比例发生变化,向右偏转时A′B′> C′D′,向左偏转时A′B′< C′D′,故由A′B′- C′D′之值即可判断θ取值

　　从以上分析过程可知,在求θ时用到C′、D′两点,但求x、y时没有用到。为了充分利用测量数据,亦可以利用C′、D′两点求出x、y,再与以前的结果进行平均,可使测量精度进一步得到提高。

　　3　系统组成

　　系统如图2所示,主要由准直光管(a)、平行平板玻璃测微器(b)和CCD探测器(c)及计算机(d)组成。测量使用时,首先将准直光管和CCD探测器放在与导轨或平面大体平行的位置上,将测微器放在平行光管和CCD探测器的中间。对CCD进行校零以确定初始零位,然后根据不同的测量要求,移动相应的器件。当测量导轨的直线度时,可固定平板玻璃测微器(或移去),移动CCD探测器,则M型分划丝在CCD探测器的上下左右移动,甚至围绕光轴发生转动。通过计算M型分划丝在CCD上的偏移量以及偏转角度,即可得到测量点的直线度误差。当测量导轨上某段处的斜率时,可将准直光管和CCD探测器都轴向滚动90°,固定CCD探测器不动,移动平板玻璃测微器,当导轨在测量段存在斜度时,测微器发生偏转,根据平行平板玻璃的测微原理,M型分划丝将上下平移。CCD通过测量这个平移的数值来计算测微器发生的偏转角度。