一種高測(cè)量穩(wěn)定性的光電自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：光電自準(zhǔn)直儀在角度測(cè)量過(guò)程中存在光路依賴性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而容易引起測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定的情況。為解決上述問(wèn)題，通過(guò)分析系統(tǒng)光路被部分遮擋對(duì)測(cè)量誤差的影響，建立了自準(zhǔn)直儀的角度誤差數(shù)學(xué)模型。結(jié)合分析結(jié)果，通過(guò)優(yōu)化分劃板的幾何參數(shù)來(lái)降低測(cè)量結(jié)果對(duì)光路的依賴性，并進(jìn)一步優(yōu)化自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)狹縫變窄后能量傳輸效率低造成的測(cè)量結(jié)果波動(dòng)，同時(shí)提出雙CCD 采樣的光路結(jié)構(gòu)來(lái)改善由隨機(jī)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)或數(shù)據(jù)量太少造成虛假目標(biāo)的情況。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在62.5 lp/mm 處各視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)值均大于0.2，最大畸變值小于0.005 2%，能量傳輸接近衍射極限，可為提高光電自準(zhǔn)直儀的測(cè)量穩(wěn)定性提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：雙CCD 自準(zhǔn)直儀；測(cè)量穩(wěn)定性；光學(xué)仿真；像質(zhì)評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引 言

科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)工藝的迅速發(fā)展對(duì)角度的精確測(cè)量提出了更高的要求[1]，機(jī)械加工精度和質(zhì)量與測(cè)量?jī)x器的精度、穩(wěn)定性密切相關(guān)。光電自準(zhǔn)直儀是一種基于光學(xué)自準(zhǔn)直成像原理的高精度測(cè)微儀器[2]。20 世紀(jì)30 年代中期，自準(zhǔn)直儀就開(kāi)始用于角度測(cè)量 [3]，隨著基礎(chǔ)光電元器件性能不斷提升以及信號(hào)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外光電自準(zhǔn)直儀在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都取得了顯著的進(jìn)步[4]。

自準(zhǔn)直儀的穩(wěn)定性是決定角度測(cè)量的關(guān)鍵指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)圍繞提高自準(zhǔn)直儀的穩(wěn)定性開(kāi)展了大量的研究工作。Arp 等[5] 提出了一種利用參考光束實(shí)現(xiàn)差分測(cè)量的多狹縫結(jié)構(gòu)自準(zhǔn)直儀，在傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)上增加參考反射鏡，利用參考反射鏡和目標(biāo)反射鏡在CCD上的成像信號(hào)進(jìn)行差分處理，從而將低頻噪聲降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，提高了系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。楊子煜[6] 通過(guò)改變自準(zhǔn)直儀光積分時(shí)間的自適應(yīng)性，設(shè)計(jì)出了能夠根據(jù)目標(biāo)光強(qiáng)變化自動(dòng)改變光積分時(shí)間的驅(qū)動(dòng)算法，從而提高測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。王韻竹[7] 提出了基于背景光減除技術(shù)的光調(diào)制方法，該方法可以提高光電自準(zhǔn)直儀在背景光干擾情況下光斑質(zhì)心位置計(jì)算的穩(wěn)定性。但上述研究都是在現(xiàn)有測(cè)量方法的基礎(chǔ)上作出改進(jìn)，并沒(méi)有考慮到角度測(cè)量對(duì)光路依賴而造成的不穩(wěn)定性。

目前光電自準(zhǔn)直儀測(cè)量過(guò)程對(duì)于光路的依賴性較強(qiáng)，主要表現(xiàn)為當(dāng)光路被部分遮擋時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與未被遮擋時(shí)差距較大的情況，因而使系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定性受到影響。對(duì)此，本文建立了光路遮擋與角度測(cè)量誤差之間的關(guān)系模型，提出了基于減小分劃板狹縫寬度的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，有效提升了自準(zhǔn)直儀的測(cè)量穩(wěn)定性。同時(shí)使用雙CCD 結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為提高光電自準(zhǔn)直儀測(cè)量穩(wěn)定性提供了重要理論依據(jù)。