光电测量二维微角位移的新方法研究与实现

　　0　引言

　　在转台的校准过程中,在校准其定位精度的同时还需要测量出旋转面的俯仰角度。一般光电自准直仪只能校准其一维的定位精度,不能检测出其旋转过程中的俯仰量。要同时进行二维角度测量,目前常用的方法是分别进行单独测量,但是这样很难对俯仰角度与旋转角度建立精确的对应关系,这不利于转台使用过程中控制参数的设置与修正。为了解决二维角位移量的同时测量,本文根据激光自准直测量原理,采用了特殊的V字形分划板来代替常规的十字叉形分划板。根据V字形夹角的激光束在线阵列SSPA上形成残缺像的特征与两次成像的几何残缺量的变化来计算出被测物体的二维角位移量。文献中也有用圆孔光阑来代替上述的分划板,但是此方法需用复杂图像处理算法来计算像的位移量[1,5-6]。

　　1　测角原理

　　半导体激光器发出的激光聚光后照亮位于准直物镜焦平面上的分划板,激光经过半透半反镜和准直物镜后平行地射出,经过放置在被测物上的测量反射镜反射后,再由准直物镜把反射光会聚,经半透半反镜成像于SSPA上。测量系统的光路示意图如图1所示。

　　当测量反射镜产生角度变化时, V字形的像将在SSPA上产生位移量。根据几何光学成像特性,可得位移量与物体转角有如下关系式

　　式中,f为物镜焦距,通过反三角函数计算得

　　从上式可知只要知道s的大小就能计算出被测物体的转动角度。为了提高测量分辨力和测量精度,V字形的像中心位置的变化量s必须被精确获取。为此,本文根据采集到的像在SSPA上形成的两个亮斑位置的关系计算出s的大小,在DSP中对反正切函数进行泰勒级数展开,取前4项得出其近似值,通过两个亮斑的间隙宽度与V字形的夹角组成的三角关系式计算出在另一正交方向的位移量,这样就可以用一维图像的一次采集得到二维的位移信息。

　　2　V字形像位移量测量

　　2.1　半导体激光器功率控制电路

　　激光光源为ML1013R半导体激光器,它最大输出功率可达到50mW。由于半导体激光器的结构特点,使其在使用过程中极易受静电浪涌的破坏,功率的大小波动对SSPA上的感光程度也有一定的影响,所以必须对激光器的输出功率进行稳定处理。采用DSP通过总线接口对数字电位器DS1848进行微调来改变自动功率控制(APC)电路的参数达到稳定激光器的输出功率的目的。电路图如图2所示:

　　在本APC电路中,由一个积分放大电路、一个电流电压转换电路、一个PNP电流镜像电路、压控电流驱动电路组成。积分放大电路选用 MIC7300芯片,其正端输入连接有一受外部DSP控制的带I2C总线接口的数字电位器,用于设置参考电压;其负端输入与所述电流电压转换电路的输出端连接;积分放大电路的输出端和压控电流驱动电路连接,压控电流驱动电路的输出端与激光器ML1013R的偏置电流LD管脚连接。PNP电流镜像电路既为 ML1013R内部监视用光电二极管PD提供反向偏压又将其光电流作镜像取样;电路经过积分电路处理后的信号可以使激光二极管LD的输出光功率均衡平稳。