劉仲禹

（長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林 長春 130012）

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)以面陣CCD 作為光電傳感器接收待測的圖像信號。CCD傳感器將莫爾條紋圖像信號轉(zhuǎn)換為視頻信號，視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)該光敏元所接收光強的強弱(用y 軸表示)，而信號輸出的時序則對應(yīng)CCD 光敏元位置的順序(用X 軸表示)。則CCD所接收的光強與CCD 光敏元位置的關(guān)系如圖所示。

圖1 CCD 所接收的光強與CCD 光敏元位置的關(guān)系

系統(tǒng)中通過單片機數(shù)據(jù)采集電路完成對CCD 像元固定點采樣，并將采集結(jié)果通過串行口發(fā)送給PC 機，PC 機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對比同一點的電壓變換次數(shù)就可以得知經(jīng)過該電位置的莫爾條紋個數(shù)。采用CCD 的優(yōu)點就在于可以同時采集多個點的電壓變換情況，使數(shù)據(jù)測量更為準(zhǔn)確，同時在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上稍微改動就可以用它進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的采集，非常方便，實用。

2 莫爾條紋實驗原理

根據(jù)柵式數(shù)字傳感器的工作原理，可分為光柵和磁柵兩種。光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光電器件。按其原理和用途，它又可分為物理光柵和計量光柵。物理光柵是利用光的衍射現(xiàn)象制造的，主要用于光譜分析和光波長等量的測量。計量光柵按應(yīng)用范圍不同又分為透射光柵和反射光柵兩種，具體制作時又可制作成線位移的長光柵和角位移的圓光柵。按光柵的表面結(jié)構(gòu)，又可分為幅值光柵和相位光柵等。幅值光柵是利用照相復(fù)制工藝加工成柵線與縫隙為黑白相間結(jié)構(gòu)，故又稱為黑白光柵。實驗中用的就是這種光柵。

柵式傳感器的測量電路。

1）光電轉(zhuǎn)換

主光柵和指示光柵做相對移動產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成（也就是攝像機和鏡頭，攝像機也就是CCD器件是由許多個光敏元件組成），當(dāng)兩塊光柵做相對移動時，光敏元件上的光強隨莫爾條紋移動而變化，如圖2。

圖2 光強變化

在a 處，兩光柵刻線重疊，透過的光強最大，光電元件輸出的電信號也最大；c 處由于光被遮去一半，光強減少；d 處的光全被遮去而成全黑，光強為零；若光柵繼續(xù)移動，投射到光敏元件上的光強又逐漸增大，因而形成了如圖A 所示的輸出波形[9]。

光敏元件輸出的波形可由下面的公式，描述：

U＝U0+Umsin（2πx/W）

式中：U0——輸出信號的直流分量；

Um——交流信號的幅值；

x——光柵的相互位移量。

由上面公式可以知道，利用光柵可以測量位移量x 的值。

2）辨向原理

為了辨別主光柵是向左還是向右移動，僅有一條明暗交替的莫爾條紋是無法辨別的，因此，在原來的莫爾條紋上再加上一條莫爾條紋，使兩個莫爾條紋信號相差π/2 相位。實現(xiàn)的方法是在相隔1/4 條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，如圖3 所示。

圖3

兩種信號經(jīng)整形后得到方波U1’和U2’。當(dāng)主光柵右移（見圖b，d）時，U1’的微弱信號與U2’相與得到正向移動脈沖，從與門Y1輸出；而U1’倒相后微分，在與門Y2相與，由于在U1’的微分脈沖出現(xiàn)時，U2’是低電位，故Y2沒有輸出脈沖。當(dāng)主光柵左移時，U1信號超前U2信號π/2相位，U1’的倒相方波經(jīng)微分后，在與門Y2上相與；U1’微分信號與U2’在與門Y1上相與的結(jié)果正好和右移情況相反，而Y1沒有脈沖信號輸出，Y2有脈沖信號輸出。這樣就實現(xiàn)了主光柵左右移動的方向辨別。

圖4 右移波形

圖5 判向電路

3）細(xì)分原理

如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；倘若要讀出位移為0.1μm，勢必要求每毫米刻線一萬條，這是目前工藝無法實現(xiàn)的。因此，只能在有合適的光柵柵距地基礎(chǔ)上，對柵距進(jìn)一步細(xì)分，才可能獲得更高的測量精度。常用的細(xì)分方法有倍頻細(xì)分法，電橋細(xì)分法等。這里介紹四倍頻細(xì)分法，其他方法可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。

在一個莫爾條紋寬度上并列4 個光電元件，如圖所示，得到相位分別相差π/2 的四個正弦周期信號。用適當(dāng)電路處理這一列信號，使其合并得到如圖所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號的零點相對應(yīng)，則電脈沖的周期為1/4 個莫爾條紋寬度。用計數(shù)器對這一列脈沖信號計數(shù)，就可以讀到1/4 個莫爾條紋寬度的位移量，這樣便到光柵固有分辨率的4 倍。

3 檢測莫爾條紋的光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計

3.1 莫爾條紋特征

1）莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。

2）當(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動（兩者的運動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。在圖中，當(dāng)指示光柵向右移動時，莫爾條紋向上運動。

3）莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角θ 而改變。θ 越小，L 越大，相當(dāng)于把微小的柵距擴大了1／θ倍。由此可見，計量光柵起到光學(xué)放大器的作用。

3.2 光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計

光學(xué)成像系統(tǒng)的作用是使光學(xué)莫爾條紋能夠清晰地呈現(xiàn)在CCD圖像傳感器上。在該實驗中，把兩塊光柵距相等的光柵平行安裝，主光柵與指示光柵，使兩光柵保持平行，光柵間間隙要盡量小，微調(diào)主光柵角度，并且使光柵刻痕相對保持一個較小的夾角θ 時，透過光柵組可以看到一組明暗相間的條紋清晰可見，即為莫爾條紋。莫爾條紋的寬度B 為：B＝P/sinθ 其中P 為光柵距。光柵刻痕重合部分形成條紋暗帶，非重合部分光線透過則形成條紋亮帶。

4 誤差分析

影響測量精度的因素有很多，有些是可以通過減少誤操作等方式來避免或是減少；而有些誤差是在所設(shè)計系統(tǒng)中所固有的或是操作環(huán)境中存在的，是不可避免的。下面就影響測量結(jié)果的主要方面進(jìn)行誤差分析：

（1）光柵組的影響

為使CCD 攝取的莫爾條紋圖像清晰，光柵組一定要平行，且間距要盡量小，即目測時莫爾條紋的暗帶要足夠黑，確定后光柵組一定要安裝緊固，以防平臺位移時因兩片光柵相碰擦造成光柵角度的變化，使莫爾條紋的寬度發(fā)生變化。如果光柵片相隔較遠(yuǎn)，則暗帶條紋發(fā)紅發(fā)黃，軟件就可能會錯誤地讀取信號，錯誤地計數(shù)。

（2）光源的影響

實驗時要注意背景光的影響，如果光照太強，有可能造成自動記數(shù)軟件誤讀數(shù)。

（3）環(huán)境因素誤差

其它的許多不可預(yù)知的因素可能會對測量產(chǎn)生影響：如環(huán)境溫度、濕度對測量器件的性能影響。一般情況下，可以忽略此類影響。

（4）CCD 輸出噪聲誤差

主要的噪聲為散粒噪聲、暗電流噪聲和復(fù)位噪聲，其中復(fù)位噪聲是主要的干擾源。

減小誤差的方法：

1）針對CCD 的輸出噪聲誤差，可以采取多點采集方法減小誤差。

2）實驗過程中盡量保持安靜的環(huán)境，且實驗臺要穩(wěn)定無振動。

［1］史立生，賈彥枝，左俊玲.邁克爾遜干涉儀干涉條紋計數(shù)器.河北師范大學(xué)學(xué)報，1996.

［2］王守權(quán)，張紹良，張薇.干涉條紋計數(shù)器的研制.長春郵電學(xué)院學(xué)報，2000.

［3］張黎麗，莫長濤.條紋計數(shù)器在光學(xué)實驗中的應(yīng)用.大學(xué)物理實驗，2002.