具有抗干擾能力的光電自準(zhǔn)直儀研制

郭梁 昌明 劉峰 鄭雪葳 龍江波 許優(yōu)凡

摘 要：光電自準(zhǔn)直儀是自準(zhǔn)直技術(shù)與光電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。文章詳細(xì)說(shuō)明了一種具有抗干擾、非線性修正功能的光電自準(zhǔn)直儀的設(shè)計(jì)過(guò)程，給出了光源和信號(hào)處理電路的研制方法，以及采用此方法的光電自準(zhǔn)直儀的研制結(jié)果。對(duì)提高基于PSD的光電自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度具有參考意義。

關(guān)鍵詞：光電自準(zhǔn)直儀;PSD;抗干擾;非線性修正;測(cè)量分辨率;測(cè)量精確度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

自準(zhǔn)直儀是利用光學(xué)自準(zhǔn)直原理，進(jìn)行小角度測(cè)量或可轉(zhuǎn)換為小角度測(cè)量的一種精密技術(shù)測(cè)量?jī)x器。由于它具有較高的準(zhǔn)確度和測(cè)量分辨率，因此被廣泛應(yīng)用于角度測(cè)量、導(dǎo)軌的平直度和平行度測(cè)量、精密定位、自動(dòng)角度定位環(huán)境集成等方面，也是機(jī)械制造、航空、航天、計(jì)量測(cè)試、科學(xué)研究等部門(mén)必備的重要測(cè)量?jī)x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(zhǔn)直儀是自準(zhǔn)直技術(shù)與光電技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，以光電瞄準(zhǔn)對(duì)線代替了人工瞄準(zhǔn)線，測(cè)試過(guò)程不需要人為判讀，降低了測(cè)試難度，提高了測(cè)量精確度，受到技術(shù)人員的青睞。目前，電荷耦合器件（Charged Coupled Device，CCD）攝像器件早已應(yīng)用到光電自準(zhǔn)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(cè)量精度和易用性。雖然隨著新型光電器件、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于CCD的光電自準(zhǔn)直儀在分辨率、測(cè)量重復(fù)性、準(zhǔn)確度等方面的指標(biāo)大幅提高，但是其在技術(shù)上仍存在一定缺陷：

（1）CCD的工藝、結(jié)構(gòu)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(cè)量精度，對(duì)光斑經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后的成像質(zhì)量有較高要求;

（3）CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，技術(shù)難度較高。

1 基于PSD的自準(zhǔn)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(yīng)的光電位置敏感器件，它通過(guò)入射光引起光敏面內(nèi)部PN結(jié)中載流子移動(dòng)，與CCD不同，它屬于非離散型器件，不需要對(duì)反射光斑成像，其輸出只與入射光斑的重心相關(guān)，根據(jù)各電極上輸出的電流大小，檢測(cè)出入射光斑重心的位置，其主要特點(diǎn)是位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高，處理電路簡(jiǎn)單、光敏面內(nèi)無(wú)盲區(qū)。數(shù)碼相機(jī)使用的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)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(yōu)勢(shì)。

基于PSD的光電自準(zhǔn)直儀，其工作原理與常見(jiàn)的光電自準(zhǔn)直儀一致，只是光電接收器件由CCD芯片換成了PSD芯片。常見(jiàn)的采用PSD的光電自準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括反射鏡1，光學(xué)系統(tǒng)2，光源3，PSD芯片4，前置信號(hào)處理電路5，后置信號(hào)處理電路6和人機(jī)交互接口7。光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光源光束轉(zhuǎn)折、準(zhǔn)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(chǎn)生的光電流經(jīng)電路5、6處理，實(shí)現(xiàn)在裝置7上的顯示。

1.2 誤差源分析

由自準(zhǔn)直儀的工作原理可知，光斑位置的測(cè)量精度主要受以下因素影響：

（1）環(huán)境及背景光：除受測(cè)量光束控制外，環(huán)境光經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)后也會(huì)在PSD的光敏面上成像，當(dāng)PSD上同時(shí)有多個(gè)光斑像時(shí)，光斑的位置測(cè)量結(jié)果會(huì)向這些光斑共同形成區(qū)域的重心處偏移，受能量最強(qiáng)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(qū)域呈現(xiàn)線性，中心以外區(qū)域呈現(xiàn)非線性，即其感光面呈現(xiàn)類(lèi)似畸變的現(xiàn)象[4]。

（3）位置指示光源：隨著入射光點(diǎn)與電極之間距離的增大，四邊形二維PSD達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，輸出的光生電流減小。對(duì)于某入射光點(diǎn)的位置，隨著PSD照射時(shí)間點(diǎn)的延長(zhǎng)，PSD輸出電流逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。對(duì)于給定的光入射位置，掃描速度越大，計(jì)算得到的光入射位置越小，偏離實(shí)際值的程度越大。當(dāng)掃描速度越小時(shí)，光的入射位置與光源靜止照射時(shí)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(nèi)變化時(shí)，對(duì)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(shí)，光斑定位畸變誤差則接近PSD的位置分辨率，對(duì)PSD光斑定位精度的影響較大[6]。

在本文設(shè)計(jì)中，將針對(duì)上述誤差源，開(kāi)展設(shè)計(jì)與裝調(diào)，提高自準(zhǔn)直儀的測(cè)量精度。

2 新型光電自準(zhǔn)直儀研制

2.1 光源能量分析與設(shè)計(jì)

關(guān)于位置指示光源的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮光源功率的大小，功率太小影響定位，功率太大會(huì)使器件易飽和。為保證光源輸出功率的穩(wěn)定性，擬采用穩(wěn)流芯片對(duì)光源供電[7]。并且當(dāng)光斑直徑為1 mm時(shí)，用貝塞爾公式統(tǒng)計(jì)計(jì)算，多次定位測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于光斑較大時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差，因此，在實(shí)際工作中，投射到PSD光敏面上的光斑尺寸應(yīng)盡可能小[8]。在本文設(shè)計(jì)中，選用了1 mm的星孔板。為了去除背景光和暗電流對(duì)測(cè)量精度的影響，采用交流調(diào)制信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行高頻矩形波調(diào)制，使PSD響應(yīng)為高頻脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同步位置解算[9]。

本文所研制的自準(zhǔn)直儀原理如圖1所示。分光棱鏡的理論分光比為1∶1，透過(guò)率為0.5，光線經(jīng)過(guò)兩次分光，理論透過(guò)率為0.25，光學(xué)系統(tǒng)反射損失的空氣界面有22個(gè)，單個(gè)折射面鍍膜后的透過(guò)率為0.985，則光學(xué)系統(tǒng)所有折射面的透過(guò)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(guò)率為0.955，整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)透過(guò)率為0.137。所以在探測(cè)器處的輻亮度值為星點(diǎn)板處輻亮度值的0.137倍。

本文自準(zhǔn)直儀所選PSD芯片為美國(guó)On-Trak公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的2L10SP，其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為940 nm，人眼不可見(jiàn)。為便于測(cè)量和調(diào)試，選用波長(zhǎng)為780 nm的LED作為光源，并被頻率為1.25 kHz的矩形波調(diào)制，其掃描時(shí)間遠(yuǎn)大于PSD器件的時(shí)間常數(shù)，不會(huì)因光源掃描速度過(guò)快而引起光斑測(cè)量誤差。PSD在此波長(zhǎng)處的光譜響應(yīng)約為0.5 A/W。星點(diǎn)板直徑為1 mm，PSD探測(cè)器上接收的光能擬定為100 μW，則PSD探測(cè)器上接收的光照度為1×102 W/m2，星點(diǎn)板上的光照度為7.3×102 W/m2。平行光管焦距為450 mm，F(xiàn)#7，可計(jì)算出平行光管孔徑角所對(duì)應(yīng)的立體角為0.032 sr，即星點(diǎn)板處的光譜輻亮度為2.28×104 W/m2/sr。將毛玻璃當(dāng)所瑯勃體處理，透過(guò)率為0.5，光源照亮面積半徑為5 mm，可計(jì)算出光源的輻射強(qiáng)度為3.6 W/sr。

為滿(mǎn)足光源的功率要求，選用大功率LED作為照明光源，LED型號(hào)為SMBB780D-1100-02，單顆LED的輻射強(qiáng)度為1 200 mW/sr（@IF=800 mA），因此需要3片LED。為便于頻率調(diào)制和集成，選取專(zhuān)用LED驅(qū)動(dòng)芯片。矩形波由CPLD產(chǎn)生，其特點(diǎn)是頻率、占空比和延時(shí)可調(diào)，經(jīng)LVC4245系列芯片完成LVTTL信號(hào)至TTL的電平轉(zhuǎn)換，經(jīng)LED驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其產(chǎn)生調(diào)制光源。驅(qū)動(dòng)電路模塊示意如圖2所示。

2.2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

由上述計(jì)算可知，PSD芯片的輸出電流約為50 μA，為滿(mǎn)足轉(zhuǎn)換電壓0～5 V的要求，應(yīng)選用輸入偏置電流相對(duì)較小的精密放大器，運(yùn)算放大器的偏置電流應(yīng)為十幾皮安，而且儀器測(cè)量過(guò)程中還應(yīng)考慮背景光等帶來(lái)的噪聲影響，所以在選擇低輸入偏置電流的同時(shí)應(yīng)考慮選用一款低噪聲的精密放大器。本文設(shè)計(jì)選用具有超低噪聲、高長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定性、高共模抑制比、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器OPA37。以X向接點(diǎn)1為例，其I/V轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，此處采用T形網(wǎng)絡(luò)電路組成的電流放大電路，通過(guò)公式（1）可知，可以采用阻值較小的R1和R2來(lái)滿(mǎn)足所要求的放大倍數(shù)。

本文設(shè)計(jì)對(duì)照明光源進(jìn)行調(diào)頻，以去除背景光對(duì)測(cè)量精度的影響。為完成本操作，此處采用采樣保持電路對(duì)調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行處理，同樣以X向接點(diǎn)1為例，其電路如圖4所示。選用的采樣保持芯片為L(zhǎng)F198，兩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(duì)背景信號(hào)和光源信號(hào)進(jìn)行采樣，高電平期間采樣，低電平期間保持，采樣保持信號(hào)的輸出分別接入運(yùn)算放大電路的同相輸入端和反相輸入端，對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行減法處理，最終得到準(zhǔn)確的PSD響應(yīng)值。

經(jīng)上述處理，得到PSD芯片X向和Y向4路輸出信號(hào)，后續(xù)可按照PSD的光斑定位原理對(duì)其開(kāi)展運(yùn)算處理，計(jì)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(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)學(xué)計(jì)算。此舉的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)的處理靈活方便，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了便攜性。本文設(shè)計(jì)中，為保證儀器的便攜性，提高儀器的集成度，保證信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，采用集成運(yùn)算放大器和模擬除法器來(lái)完成信號(hào)運(yùn)算，將最終的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸入人機(jī)終端，在LCD上顯示。

2.3 誤差修正技術(shù)

本文設(shè)計(jì)所采用的PSD芯片屬于四邊形電極結(jié)構(gòu)二維PSD，該結(jié)構(gòu)PSD的非線性及失真主要來(lái)源于位置公式本身，改善這種結(jié)構(gòu)PSD的非線性及失真的有效措施是尋找與理論計(jì)算結(jié)果盡可能一致又相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的位置公式[10]。通過(guò)對(duì)此類(lèi)PSD數(shù)學(xué)模型的輸出仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，其結(jié)果吻合度較好。本文通過(guò)標(biāo)定裝置對(duì)光斑實(shí)際位置和PSD輸出位置的標(biāo)定比對(duì)，采用格林函數(shù)法，得到PSD光敏面內(nèi)的光斑位置修正函數(shù)[11]。

3 研制結(jié)果

本文所研制的光電自準(zhǔn)直儀，其最終達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

如下：

（1）測(cè)量范圍：1 000"×1 000";

（2）測(cè)量精度：2";

（3）分辨率：0.1";

（4）焦距：450 mm;

（5）通光口徑：90 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(zhuǎn)化成位置信號(hào)的光電傳感器，具有實(shí)時(shí)性、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒(méi)有工作死區(qū)、分辨率高、光譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。本文所研制的光電自準(zhǔn)直儀在充分考慮PSD器件特性、誤差源的基礎(chǔ)上，采用LED光源并對(duì)其進(jìn)行頻率調(diào)制，剔除了背景光的影響，采用格林函數(shù)法對(duì)PSD的線性進(jìn)行修正，在保證儀器精度的前提下，拓展了測(cè)量范圍，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中對(duì)多項(xiàng)提高精度措施所開(kāi)展的實(shí)踐，為后續(xù)利用PSD開(kāi)展高精度測(cè)量提供了一定的借鑒作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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