基于面阵图像传感器的自动读值光电自准直仪

　　0 引言

　　在航空航天、机械制造、计量测试和科学研究等需要高精度测量的场合[1]，光电自准直仪应用愈加广泛，对仪器测量的精确性和读数的方便性要求也愈来愈高。目前，光电自准直仪存在如下缺陷: 人为瞄准读数存在误差，线阵图像传感器无法准确反映被测物二维方向上的角位移[2 -3]。

　　针对以上问题，文中提出利用面阵图像传感器代替目前的线阵 CCD，从而提高仪器二维测量的准确度; 同时利用嵌入式数字图像处理系统[4]模拟人类视觉，使用帧间差分法[5]和背景差分法[6 -7]结合的算法实现动态测量点的自动检测，并通过液晶屏实时显示角位移的测量结果。

　　1 系统的组成与工作原理

　　基于面阵图像传感器的自动瞄准读值式嵌入式光电自准直仪系统的结构框架如图 1 所示，仪器包括光学系统和硬件电路系统两大部分。光学系统由自准直平行光管和反射镜组成。硬件电路系统是核心测量部分，主要包括面阵图像传感器、嵌入系统硬件电路以及液晶实时显示模块。

　　2 系统硬件设计

　　系统硬件包括光学系统和后续的硬件电路系统。硬件电路主要由面阵图像传感器驱动模块、电信号处理模块、嵌入式内核及其外围电路构成。

　　2. 1 光学系统

　　图 2 为光学系统简图，光源发出的光线通过分划板及分光棱镜，分划板位于准直透镜焦点处，光线透过准直棱镜后出射一束平行光，根据光学原理，平行光经平面反射镜反射后，将成像于准直物镜的焦平面上。面阵图像传感器则置于物镜的等效焦平面处，故反射光线经分光棱镜的反射面反射后在面阵图像传感器的感光窗口成像，并实现光电转换。

　　光学系统的基本测量原理为: 位于分划板处目标所发出的光线经过透镜后投射到无穷远，遇到反射镜后被反射回来，再由透镜聚焦成像。如果反射镜与光轴垂直，则光线反射后沿入射光线原路返回，在分光棱镜的反镜面处反射，至面阵图像传感器感光面上成像于理想零点 O 处，O 为分光棱镜竖直轴线与面阵图像传感器感光窗口的交点，并且位于感光窗口的中心处，如图 2( a) 所示; 若反射镜面与光轴不垂直，如图 2( b) 所示，相对于原来与光轴垂直的位置偏离了 α 角，平行光线经反射镜反射后与原入射光线成 2α 角，反射光线经透镜聚焦，而后经分光棱镜反射后在图像传感器感光面成像，像点与零点 O 不重合，存在一个位移根据像面上的这一位移，和光路的几何关系可计算出反射面与光轴之间角度的变化，从而得知被测面的性质。