面阵CCD在双轴自准直仪中的应用

　　0 引 言

　　自准直仪(又称自准直测微平行光管)是应用自准直原理测量小角度的检测仪器。它是将被测件上反射镜旋转角度的变化转换成自准直仪接收器件上的线量变化，通过测出线量变化间接检测出反射面微小角度变化。自准直仪按测量维数可分为一维和二维两种，二维自准直仪可同时测量两个方向的角度值。按精度和检测方法，自准直仪可分为目视和光电两种，一般光电自准直仪精度比目视自准直仪高，读数方便，对环境要求也较高。

　　作为一种精密角度测量标准，自准直仪广泛应用于计量检定、精密机械加工等领域中。在角度的计量检定中，自准直仪是一种重要的检测仪器。对于具有二维测量、大范围、高精度的光电自准直仪，在国外已有性能优良的商业产品推向市场，但因价格昂贵和国际政治因素的影响，引进较困难，而且仪器的维护修理很难保障。为顺应市场的需求，研制开发了CCD双轴自准直仪，其测量范围±500″，测量精度0.2″。

　　1 总体设计

　　CCD 自准直仪的设计结合了机械、光学、电子学、计算机和图像处理等多方面的技术，主要利用了自准直原理，将测量十字分划板的光束经反射镜反射成像在面阵CCD 器件上，使反射镜的二维角度变化转化为对应CCD 器件上两个方向的线值量变化，通过对CCD 器件输出信号的采集，经过数据处理计算出线值量变化量，利用自准直原理计算角度变化，从而实现高精度二维角度变化的测量。系统主要由机械壳体、光学部分、硬件电路部分、计算机软件部分组成，整个系统结构框图如图1 所示。

　　仪器的测量原理是:光源发出的光束照亮十字线分划板经光学透镜组后形成平行光射向反射镜(反射镜位于被测物体上)，反射镜将入射光束反射回光学透镜组，并成像在CCD 器件上，在驱动电路的作用下，CCD 器件将内部像素信号顺序输出，数据采集电路对CCD 器件输出信号进行调理和采集，实现模拟信号数字化，最后将采集数据传入计算机，在计算机内进行数据处理和显示。

　　2 图像处理系统设计

　　CCD 自准直仪可分为光学系统和图像处理系统两部分，图像处理系统的设计包括硬件电路和软件的设计，其关键点是图像传感器的选择和图像处理软件的设计。

　　2.1 图像传感器的选择

　　根据采用的光电探测器件的不同，自准直仪可分为光敏电阻式、PSD 器件、线阵CCD 器件、面阵CCD器件等类型，其中PSD 器件和CCD 器件是发展方向，目前国外自准直仪生产商多采用这两种器件。

　　采用面阵CCD 图像传感器作为光电转换器，CCD 的选择直接影响测量系统的测量精度、分辨率等技术指标，因此，它的选择非常关键。CCD 是20 世纪70 年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。随着微电子和图像处理技术的发展，CCD 技术在影像传感中的广泛应用，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。CCD 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD器件的主要功能是把二维光学图像转变成为一维视频信号输出，一般分为线阵CCD 和面阵CCD 两大类，设计中采用面阵CCD。在选择CCD 型号时，要从分辨率、视场、稳定性、均匀性、噪声及抗干扰性等方面考虑，设计中选择了1 024×1 280，像素尺寸：7 μm×7 μm 的CCD。