具有抗干擾能力的光電自準直儀研制

郭梁 昌明 劉峰 鄭雪葳 龍江波 許優凡

摘 要：光電自準直儀是自準直技術與光電技術相結合的產物。文章詳細說明了一種具有抗干擾、非線性修正功能的光電自準直儀的設計過程，給出了光源和信號處理電路的研制方法，以及采用此方法的光電自準直儀的研制結果。對提高基于PSD的光電自準直儀的測量精度具有參考意義。

關鍵詞：光電自準直儀;PSD;抗干擾;非線性修正;測量分辨率;測量精確度

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

自準直儀是利用光學自準直原理，進行小角度測量或可轉換為小角度測量的一種精密技術測量儀器。由于它具有較高的準確度和測量分辨率，因此被廣泛應用于角度測量、導軌的平直度和平行度測量、精密定位、自動角度定位環境集成等方面，也是機械制造、航空、航天、計量測試、科學研究等部門必備的重要測量儀器，特別是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用[1]。

光電自準直儀是自準直技術與光電技術相結合的產物，以光電瞄準對線代替了人工瞄準線，測試過程不需要人為判讀，降低了測試難度，提高了測量精確度，受到技術人員的青睞。目前，電荷耦合器件（Charged Coupled Device，CCD）攝像器件早已應用到光電自準直儀上，使反射光斑在CCD光敏面上成像，大大提升了儀器的測量精度和易用性。雖然隨著新型光電器件、信號處理技術和計算機技術的發展，基于CCD的光電自準直儀在分辨率、測量重復性、準確度等方面的指標大幅提高，但是其在技術上仍存在一定缺陷：

（1）CCD的工藝、結構特性限制了儀器的最小分辨率;

（2）由于采用光斑成像原理，為保證測量精度，對光斑經光學系統后的成像質量有較高要求;

（3）CCD驅動電路設計復雜，技術難度較高。

1 基于PSD的自準直儀的原理

1.1 工作原理

位置敏感器件（PSD）是基于橫向光電效應的光電位置敏感器件，它通過入射光引起光敏面內部PN結中載流子移動，與CCD不同，它屬于非離散型器件，不需要對反射光斑成像，其輸出只與入射光斑的重心相關，根據各電極上輸出的電流大小，檢測出入射光斑重心的位置，其主要特點是位置分辨率高、響應速度快、光譜響應范圍寬、可靠性高，處理電路簡單、光敏面內無盲區。數碼相機使用的自動對焦系統便是利用這一器件的成功案例。因此，使用PSD作為反射光斑的接收器件，相比CCD具有一定優勢。

基于PSD的光電自準直儀，其工作原理與常見的光電自準直儀一致，只是光電接收器件由CCD芯片換成了PSD芯片。常見的采用PSD的光電自準直儀的結構如圖1所示。主要包括反射鏡1，光學系統2，光源3，PSD芯片4，前置信號處理電路5，后置信號處理電路6和人機交互接口7。光源經過光學系統實現光源光束轉折、準直焦距的折疊以及回射光束的分離，其中回射光線入射到PSD上產生的光電流經電路5、6處理，實現在裝置7上的顯示。

1.2 誤差源分析

由自準直儀的工作原理可知，光斑位置的測量精度主要受以下因素影響：

（1）環境及背景光：除受測量光束控制外，環境光經由光學系統后也會在PSD的光敏面上成像，當PSD上同時有多個光斑像時，光斑的位置測量結果會向這些光斑共同形成區域的重心處偏移，受能量最強光斑的影響最大[2-3]。

（2）PSD器件特性：由于PSD器件本身制造工藝和原理限制，光斑在其光敏面上不同位置所引起的光生電流并非線性變化，通常在PSD器件的中心區域呈現線性，中心以外區域呈現非線性，即其感光面呈現類似畸變的現象[4]。

（3）位置指示光源：隨著入射光點與電極之間距離的增大，四邊形二維PSD達到穩態時的響應時間延長，輸出的光生電流減小。對于某入射光點的位置，隨著PSD照射時間點的延長，PSD輸出電流逐漸達到穩態值。對于給定的光入射位置，掃描速度越大，計算得到的光入射位置越小，偏離實際值的程度越大。當掃描速度越小時，光的入射位置與光源靜止照射時的入射位置接近[5]。

（4）PSD安裝傾斜誤差：光斑定位畸變誤差隨著PSD傾斜角度、高斯光束的束腰半徑與光束束腰之間距離的增加而增加，其中PSD的傾斜角度和光束束腰半徑在小范圍內變化時，對PSD定位精度的影響基本可以忽略，但是若與光束束腰之間的距離d大于0.3 mm時，光斑定位畸變誤差則接近PSD的位置分辨率，對PSD光斑定位精度的影響較大[6]。

在本文設計中，將針對上述誤差源，開展設計與裝調，提高自準直儀的測量精度。

2 新型光電自準直儀研制

2.1 光源能量分析與設計

關于位置指示光源的設計，應考慮光源功率的大小，功率太小影響定位，功率太大會使器件易飽和。為保證光源輸出功率的穩定性，擬采用穩流芯片對光源供電[7]。并且當光斑直徑為1 mm時，用貝塞爾公式統計計算，多次定位測量的標準偏差優于光斑較大時的標準差，因此，在實際工作中，投射到PSD光敏面上的光斑尺寸應盡可能小[8]。在本文設計中，選用了1 mm的星孔板。為了去除背景光和暗電流對測量精度的影響，采用交流調制信號對光源進行高頻矩形波調制，使PSD響應為高頻脈沖信號，實現同步位置解算[9]。

本文所研制的自準直儀原理如圖1所示。分光棱鏡的理論分光比為1∶1，透過率為0.5，光線經過兩次分光，理論透過率為0.25，光學系統反射損失的空氣界面有22個，單個折射面鍍膜后的透過率為0.985，則光學系統所有折射面的透過率為0.717，反射鏡的反射率為0.8，玻璃總厚度為116 mm，吸收造成的透過率為0.955，整個系統的光學透過率為0.137。所以在探測器處的輻亮度值為星點板處輻亮度值的0.137倍。

本文自準直儀所選PSD芯片為美國On-Trak公司設計生產的2L10SP，其峰值響應波長為940 nm，人眼不可見。為便于測量和調試，選用波長為780 nm的LED作為光源，并被頻率為1.25 kHz的矩形波調制，其掃描時間遠大于PSD器件的時間常數，不會因光源掃描速度過快而引起光斑測量誤差。PSD在此波長處的光譜響應約為0.5 A/W。星點板直徑為1 mm，PSD探測器上接收的光能擬定為100 μW，則PSD探測器上接收的光照度為1×102 W/m2，星點板上的光照度為7.3×102 W/m2。平行光管焦距為450 mm，F#7，可計算出平行光管孔徑角所對應的立體角為0.032 sr，即星點板處的光譜輻亮度為2.28×104 W/m2/sr。將毛玻璃當所瑯勃體處理，透過率為0.5，光源照亮面積半徑為5 mm，可計算出光源的輻射強度為3.6 W/sr。

為滿足光源的功率要求，選用大功率LED作為照明光源，LED型號為SMBB780D-1100-02，單顆LED的輻射強度為1 200 mW/sr（@IF=800 mA），因此需要3片LED。為便于頻率調制和集成，選取專用LED驅動芯片。矩形波由CPLD產生，其特點是頻率、占空比和延時可調，經LVC4245系列芯片完成LVTTL信號至TTL的電平轉換，經LED驅動芯片對LED進行驅動，使其產生調制光源。驅動電路模塊示意如圖2所示。

2.2 信號處理電路設計

由上述計算可知，PSD芯片的輸出電流約為50 μA，為滿足轉換電壓0～5 V的要求，應選用輸入偏置電流相對較小的精密放大器，運算放大器的偏置電流應為十幾皮安，而且儀器測量過程中還應考慮背景光等帶來的噪聲影響，所以在選擇低輸入偏置電流的同時應考慮選用一款低噪聲的精密放大器。本文設計選用具有超低噪聲、高長期電壓穩定性、高共模抑制比、低失調電壓的運算放大器OPA37。以X向接點1為例，其I/V轉換電路如圖3所示，此處采用T形網絡電路組成的電流放大電路，通過公式（1）可知，可以采用阻值較小的R1和R2來滿足所要求的放大倍數。

本文設計對照明光源進行調頻，以去除背景光對測量精度的影響。為完成本操作，此處采用采樣保持電路對調頻信號進行處理，同樣以X向接點1為例，其電路如圖4所示。選用的采樣保持芯片為LF198，兩采樣保持芯片分別在背景采樣脈沖和光源采樣脈沖的作用下對背景信號和光源信號進行采樣，高電平期間采樣，低電平期間保持，采樣保持信號的輸出分別接入運算放大電路的同相輸入端和反相輸入端，對這兩種信號進行減法處理，最終得到準確的PSD響應值。

經上述處理，得到PSD芯片X向和Y向4路輸出信號，后續可按照PSD的光斑定位原理對其開展運算處理，計算公式如式（2）和式（3）所示。為完成上述操作，可以分別將4路信號經數據采集卡輸入計算機，由計算機完成數學計算。此舉的優點是計算機對信號的處理靈活方便，但增加了系統的復雜性，降低了便攜性。本文設計中，為保證儀器的便攜性，提高儀器的集成度，保證信號處理的實時性，采用集成運算放大器和模擬除法器來完成信號運算，將最終的X坐標和Y坐標通過A/D轉換器輸入人機終端，在LCD上顯示。

2.3 誤差修正技術

本文設計所采用的PSD芯片屬于四邊形電極結構二維PSD，該結構PSD的非線性及失真主要來源于位置公式本身，改善這種結構PSD的非線性及失真的有效措施是尋找與理論計算結果盡可能一致又相對容易實現運算的位置公式[10]。通過對此類PSD數學模型的輸出仿真和實測數據對比，其結果吻合度較好。本文通過標定裝置對光斑實際位置和PSD輸出位置的標定比對，采用格林函數法，得到PSD光敏面內的光斑位置修正函數[11]。

3 研制結果

本文所研制的光電自準直儀，其最終達到的技術指標

如下：

（1）測量范圍：1 000"×1 000";

（2）測量精度：2";

（3）分辨率：0.1";

（4）焦距：450 mm;

（5）通光口徑：90 mm。

4 結 語

光電位置敏感器件PSD是一種可以直接將投射在PSD表面的光轉化成位置信號的光電傳感器，具有實時性、電路結構簡單、沒有工作死區、分辨率高、光譜范圍寬等優點，近年來已經應用于諸多領域。本文所研制的光電自準直儀在充分考慮PSD器件特性、誤差源的基礎上，采用LED光源并對其進行頻率調制，剔除了背景光的影響，采用格林函數法對PSD的線性進行修正，在保證儀器精度的前提下，拓展了測量范圍，達到了預期的設計目標。其中對多項提高精度措施所開展的實踐，為后續利用PSD開展高精度測量提供了一定的借鑒作用。

參 考 文 獻

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