直线拟合边缘检测法在光电自准直仪中的应用

　　1 前言

　　自准直仪是一种精密小角度测量仪器,可广泛应用于导轨平台的直线度、精密平台的平面度等测量领域。新型的CCD光电自准直仪将线阵CCD器件放在自准直仪物镜的焦面上来实现小角度的数字化和智能化测量,摆脱了跟踪零位的方法,无需机械或伺服跟踪,降低了人为读数误差,具有传统光学自准直仪所无法比拟的优势。线阵CCD的分辨率是直接影响光电自准直仪精度和准确度的一个关键因素,有必要采取各种方法来提升CCD测量的分辨率,从而提高CCD光电自准直仪的测量精度。

　　2 CCD光电自准直仪的测量原理

　　自准直仪是利用光学自准直原理,将一个刻线的图像以平行光束(准直光)的形式投射到反射镜上,该反射镜将其光束反射回自准直仪,这就是自准直图像。如果反射镜与光轴垂直,则光束将反射回其自身。如果反射镜倾斜一个角度,则其反射光将以两倍的角度反射回来。根据反射光的倾斜程度,自准直图像会以更大或更小的角度发生位移。通过测量自准直图像在X轴及Y轴上的位移就可以测得反射镜的角度变化。

　　将线阵CCD器件放在自准直仪物镜的焦面上,照明光源(一般采用LED光源)发出的光经过物镜组后形成一束平行光束照射在平面反射镜上,如果平面反射镜垂直于物镜光轴,则反射光线按原路返回,经过物镜后,成像于CCD器件上,根据这一位置确定零位。如果平面反射镜与物镜光轴之间产生一倾角ΔA,则反射线与物镜光轴夹角为2ΔA,相应的反射回来的像的位置将与原来的位置(零位)相差ΔL(如图1所示)。

　　由图1可知,ΔA与ΔL之间的关系为ΔL=ftg(2ΔA)。当ΔL很小时,上式可简化为:ΔL=f(2ΔA)。如果ΔL为在CCD上的像高,f为光学系统焦距,则CCD像高对应的角度量为ΔA=ΔL/(2f)。由此可见,只要测量出反射镜倾斜后在CCD上成像的坐标与反射镜垂直于物镜光轴时像的坐标之差,就可以计算出角度偏移量[1]。

　　在实际应用中,往往是将目标十字丝投射到平面发射镜中,同时目标十字丝还经过反射镜反射后投影到CCD靶面上,这样只需要检测目标十字丝在CCD靶面上的微位移,就可以换算出平面反射镜的微小角度变化。以精度为0.2d的光电自准直仪为例,取f=0.5m,设目标十字丝没有经过光学放大,不考虑光学系统的各种误差以及CCD噪声等因素,则要求CCD的分辨率ΔL至少为0.97μm。为了保证CCD像元具有足够大的感光面积,同时要防止相邻像元在转移脉冲驱动下引起串扰,CCD的像元面积以及像元与像元之间的距离(像间距)都不能做得太小,一般为微米量级,因此需要采取各种CCD细分技术,如模糊成像、边缘检测等亚像素定位技术,来实现CCD亚微米/纳米级的测量,满足CCD在高精度光电自准直仪中的应用。