CCD在自准直仪中用于莫尔条纹成像研究

　　0　引言

　　自准直仪是利用光学自准直原理,用于小角度测量或可转换为小角度测量的一种精密计量测试仪器.由于它具有较高的准确度和测量分辨力,因而被广泛应用于精密的测量工作中,其分辨率取决于成像器件的分辨率和光学系统的分辨率.光栅是高准确度位移测量元件,它与数字信号处理设备可以组成位移测量系统,被广泛地应用于数控机床等自动化设备当中.光栅测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹的放大原理来实现的,将光栅莫尔条纹放大原理引入到自准直仪的光学系统中能有效地提高自准直仪的分辨率.但是由于指示光栅的衍射作用比较严重,影响了实验结果.本文通过理论推导和实验论证,采用线阵CCD取代指示光栅,CCD既用作成像器件,也可以起到指示光栅的作用,利用这个原理,不但克服了衍射的问题,而且还将系统更加简化,也能够得到较高的系统角分辨力[1-2].

　　1　光栅自准直仪测量原理

　　光栅自准直仪测量原理如图1.激光器发出的光投射在位于准直物镜焦平面上的标尺光栅上,光束通过准直透镜准直后,经由反射镜反射,反射的光经由物镜和分光镜,最后在线阵CCD上成像,即将标尺光栅成像于线阵CCD上.标尺光栅的像与CCD相叠合而形成莫尔条纹,线阵CCD本身又可以作为光电接受器件,用来检测莫尔条纹的移动量.CCD上会产生长度为d的位移量,设准直透镜的焦距为f,此位移量d与反射镜偏移量θ的关系为

　　根据此公式,要测量角度θ的值,只需要测量标尺光栅的像在CCD上的位移量d,通过对采集信号进行放大、鉴相、细分、计数等处理环节,最终实现位置计量.光栅用于长度计量的优点是其既具有很高的分辨力又具有很大的测量范围.如果将其应用于光电自准直仪,将会得到较高的测角分辨力和较大的测量范围[3-4].

　　2　CCD在自准直仪中产生莫尔条纹的原理

　　2.1　莫尔条纹的测量原理

　　光栅测量位移主要是利用光栅莫尔条纹原理,当两块玻璃透射光栅叠合在一起时,根据其栅距W的大小和其叠加在一起的角度,可以将莫尔条纹分为几种类型:当光栅栅距大小相同,但以小角度θ(θ≠0)相叠加时,形成横向莫尔条纹;当以零度角相叠加时,形成光闸莫尔条纹.当栅距大小相差很小时,横向莫尔条纹就变为斜向莫尔条纹,光闸莫尔条纹就变为纵向莫尔条纹.

　　对于纵向莫尔条纹,当指示光栅相对于标尺光栅移动一个光栅栅距W,莫尔条纹就跟着在与栅线垂直的方向移动一个条纹宽度D,它们之间存在着一一对应的关系.所以,只要知道莫尔条纹移动的条数就可以得到指示光栅的位移量.由于莫尔条纹的空间周期比栅线宽很多倍,因此可以在技术上容易实现.之前提出的光栅自准直仪原理中,采用线阵CCD替代了指示光栅,即将标尺光栅的像成于线阵CCD感光面上,CCD对光信号进行积分后,将采集到的信号进行输出,可以采用示波器对输出信号进行采集和分析.