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(zhǔn)直儀的研制結(jié)果。對提高基于PSD的光電自準(zhǔn)直儀的測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;測量分辨率;測量精確度

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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)行小角度測量或可轉(zhuǎn)換為小角度測量的一種精密技術(shù)測量儀器。由于它具有較高的準(zhǔn)確度和測量分辨率，因此被廣泛應(yīng)用于角度測量、導(dǎo)軌的平直度和平行度測量、精密定位、自動角度定位環(huán)境集成等方面，也是機(jī)械制造、航空、航天、計量測試、科學(xué)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(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)對線代替了人工瞄準(zhǔn)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(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量精度和易用性。雖然隨著新型光電器件、信號處理技術(shù)和計算機(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，為保證測量精度，對光斑經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后的成像質(zhì)量有較高要求;

（3）CCD驅(qū)動電路設(shè)計復(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，它通過入射光引起光敏面內(nèi)部PN結(jié)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(guān)，根據(jù)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(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，處理電路簡單、光敏面內(nèi)無盲區(qū)。數(shù)碼相機(jī)使用的自動對焦系統(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。

基于PSD的光電自準(zhǔn)直儀，其工作原理與常見的光電自準(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，前置信號處理電路5，后置信號處理電路6和人機(jī)交互接口7。光源經(jīng)過光學(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，光斑位置的測量精度主要受以下因素影響：

（1）環(huán)境及背景光：除受測量光束控制外，環(huán)境光經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)后也會在PSD的光敏面上成像，當(dāng)PSD上同時有多個光斑像時，光斑的位置測量結(jié)果會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)時的響應(yīng)時間延長，輸出的光生電流減小。對于某入射光點(diǎn)的位置，隨著PSD照射時間點(diǎn)的延長，PSD輸出電流逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)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(shí)際值的程度越大。當(dāng)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(nèi)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(shè)計中，將針對上述誤差源，開展設(shè)計與裝調(diào)，提高自準(zhǔn)直儀的測量精度。

2 新型光電自準(zhǔn)直儀研制

2.1 光源能量分析與設(shè)計

關(guān)于位置指示光源的設(shè)計，應(yīng)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(wěn)定性，擬采用穩(wěn)流芯片對光源供電[7]。并且當(dāng)光斑直徑為1 mm時，用貝塞爾公式統(tǒng)計計算，多次定位測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于光斑較大時的標(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(diào)制信號對光源進(jìn)行高頻矩形波調(diào)制，使PSD響應(yīng)為高頻脈沖信號，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，透過率為0.5，光線經(jīng)過兩次分光，理論透過率為0.25，光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)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(tǒng)的光學(xué)透過率為0.137。所以在探測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On-Trak公司設(shè)計生產(chǎn)的2L10SP，其峰值響應(yīng)波長為940 nm，人眼不可見。為便于測量和調(diào)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(diào)制，其掃描時間遠(yuǎn)大于PSD器件的時間常數(shù)，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(yīng)約為0.5 A/W。星點(diǎn)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(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，可計算出平行光管孔徑角所對應(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(qiáng)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(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，選取專用LED驅(qū)動芯片。矩形波由CPLD產(chǎn)生，其特點(diǎn)是頻率、占空比和延時可調(diào)，經(jīng)LVC4245系列芯片完成LVTTL信號至TTL的電平轉(zhuǎn)換，經(jīng)LED驅(qū)動芯片對LED進(jìn)行驅(qū)動，使其產(chǎn)生調(diào)制光源。驅(qū)動電路模塊示意如圖2所示。

2.2 信號處理電路設(shè)計

由上述計算可知，PSD芯片的輸出電流約為50 μA，為滿足轉(zhuǎn)換電壓0～5 V的要求，應(yīng)選用輸入偏置電流相對較小的精密放大器，運(yùn)算放大器的偏置電流應(yīng)為十幾皮安，而且儀器測量過程中還應(yīng)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(yīng)考慮選用一款低噪聲的精密放大器。本文設(shè)計選用具有超低噪聲、高長期電壓穩(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(shù)。

本文設(shè)計對照明光源進(jìn)行調(diào)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(diào)頻信號進(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(jìn)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(yùn)算放大電路的同相輸入端和反相輸入端，對這兩種信號進(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，后續(xù)可按照PSD的光斑定位原理對其開展運(yùn)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(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機(jī)，由計算機(jī)完成數(shù)學(xué)計算。此舉的優(yōu)點(diǎn)是計算機(jī)對信號的處理靈活方便，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(shí)時性，采用集成運(yùn)算放大器和模擬除法器來完成信號運(yùn)算，將最終的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)通過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算結(jié)果盡可能一致又相對容易實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的位置公式[10]。通過對此類PSD數(shù)學(xué)模型的輸出仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)對比，其結(jié)果吻合度較好。本文通過標(biāo)定裝置對光斑實(shí)際位置和PSD輸出位置的標(biāo)定比對，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(jié) 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(zhuǎn)化成位置信號的光電傳感器，具有實(shí)時性、電路結(jié)構(gòu)簡單、沒有工作死區(qū)、分辨率高、光譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來已經(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PSD的線性進(jìn)行修正，在保證儀器精度的前提下，拓展了測量范圍，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。其中對多項提高精度措施所開展的實(shí)踐，為后續(xù)利用PSD開展高精度測量提供了一定的借鑒作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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