二維光電自準(zhǔn)直儀中分劃板研究

王 曄，于建楠，周志煒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

?

二維光電自準(zhǔn)直儀中分劃板研究

王 曄，于建楠，周志煒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

根據(jù)二維光電自準(zhǔn)直儀的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)V形分劃板、N形分劃板和M形分劃板在線陣CCD器件增維測(cè)量中的作用原理進(jìn)行了研究，得出其在增維測(cè)量中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為不同應(yīng)用條件的二維光電自準(zhǔn)直儀選用分劃板提供了參考依據(jù)。

光電自準(zhǔn)直儀； 增維； 分劃板

0 引 言

光電自準(zhǔn)直儀被廣泛應(yīng)用于角度測(cè)量、導(dǎo)軌的平直度和平行度測(cè)量、臺(tái)面的平整度測(cè)量、精密定位、自動(dòng)角度定位環(huán)集成等方面[1]，是機(jī)械制造、造船、航空航天、計(jì)量測(cè)試、科學(xué)研究等部門必備的常規(guī)測(cè)量?jī)x器。特別是在精密、超精密定位方面，有著不可替代的作用。

分劃板主要有十字分劃板、字母分劃板和小孔分劃板等，在光電自準(zhǔn)直測(cè)量中，自準(zhǔn)直像本質(zhì)上就是分劃板所成的像，分劃板的刻線形狀決定了目標(biāo)的形狀，不同的分劃板形狀和不同的圖像處理方法相結(jié)合能夠得到不同的角度分辨率，對(duì)測(cè)量范圍也有較大影響，因此,選擇什么形狀的分劃板對(duì)光電自準(zhǔn)直儀很重要。目前常見(jiàn)的用于二維測(cè)量的分劃板有十字分劃板、V形分劃板、N形分劃板、M形分劃板等。本文針對(duì)各類分劃板在線陣CCD器件增維測(cè)量中的作用原理進(jìn)行了研究，為二維光電自準(zhǔn)直儀選用分劃板提供了參考依據(jù)。

1 光電自準(zhǔn)直儀原理

光電自準(zhǔn)直儀是以自準(zhǔn)直原理為基礎(chǔ)[3]，通過(guò)光學(xué)器件的組合，用CCD等測(cè)微系統(tǒng)對(duì)被測(cè)件進(jìn)行角度位移的精密測(cè)定儀器[2]，原理示意圖如圖1所示。

圖1 自準(zhǔn)直儀光學(xué)原理圖Fig 1 Autocollimator optical principle diagram

當(dāng)光源發(fā)出光線照明位于物鏡焦平面上的分劃板，o點(diǎn)在物鏡光軸上，那么由它發(fā)出的光線通過(guò)物鏡后，成一束與光軸平行的平行光束射向反射鏡，當(dāng)反射鏡面垂直于光軸時(shí)，光線仍然按原路返回，經(jīng)物鏡后仍成像在分劃板上o處，與原目標(biāo)重合。

當(dāng)反射鏡面與光軸不垂直，而是有小偏轉(zhuǎn)角度α，當(dāng)平行光軸的光線射向反射鏡時(shí)，光線按反射定律與原光線成2θ返回，通過(guò)物鏡后成像在分劃板上的O1處，與原目標(biāo)不重合而有X的位移量。根據(jù)三角關(guān)系可推算出

(1)

式中 θ為反射鏡偏轉(zhuǎn)角，x為光斑回像位移，f為物鏡焦距。

因?yàn)槲镧R是固定的，所以f為固定值。如果已知了x的數(shù)值，就可以根據(jù)式(1)計(jì)算出反射偏角θ的大小。

2 二維光電自準(zhǔn)直儀現(xiàn)狀

目前較先進(jìn)的光電自準(zhǔn)直儀技術(shù)是將CCD器件作為光電標(biāo)尺，利用分劃板的刻線在CCD像面上的位置變化進(jìn)行測(cè)量，擺脫了原有自準(zhǔn)直儀跟蹤零位的方法，省去了機(jī)械或伺服跟蹤，簡(jiǎn)化了儀器的結(jié)構(gòu)。

在使用CCD器件的自準(zhǔn)直儀中，一般都是采用一維CCD器件測(cè)量一維坐標(biāo)，采用二維CCD器件測(cè)量二維坐標(biāo)。當(dāng)分劃板采用十字分劃板時(shí)，在共軛物鏡焦平面上放置1片面陣CCD圖像探測(cè)器件，即可以接收對(duì)應(yīng)于二維坐標(biāo)的分劃絲十字圖像[4]。但是面陣CCD的價(jià)格昂貴，且信號(hào)處理量大，分辨能力有限，分辨率遠(yuǎn)不如線陣CCD，光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)和處理電路也要比采用線陣CCD器件復(fù)雜很多。因此，如何應(yīng)用線陣CCD同時(shí)測(cè)量多個(gè)自由度數(shù)據(jù)就成為值得深入研究的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的用線陣CCD器件來(lái)測(cè)量二維坐標(biāo)的方法，是將入射光束經(jīng)分光棱鏡分成兩束光線，在兩個(gè)共軛焦平面處分別放置1片線陣CCD器件[5]。這樣可以有效地減少成本，但是采用這種方法，十字線影像接近視場(chǎng)中心時(shí)，無(wú)法克服十字線的盲區(qū)問(wèn)題，當(dāng)x向的十字線影像在零位上時(shí)，刻線影像在y向上完全罩住CCD，此時(shí)，十字線影像在y方向上的位移則檢測(cè)不到，即零位附近存在盲區(qū)，同樣，在x方向上也存在零位盲區(qū)。而且采用2片線陣CCD器件，驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路都要做2套，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儀器成本也隨之提高，且2套處理系統(tǒng)的一致性也是影響測(cè)量精度的一個(gè)不可避免的因素[6]。這樣的方法在高精度的測(cè)量中并不可取，但是由于其方法簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理方便，在低精度的測(cè)量中得到比較多的應(yīng)用。

3 通過(guò)分劃板的選擇完成增維測(cè)量

在小角度高精度要求的自準(zhǔn)直儀中，可以選用以下幾種分劃板，即可實(shí)現(xiàn)用1片線陣CCD器件測(cè)量二維位移。以下將對(duì)幾種分劃板的實(shí)現(xiàn)方式和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討。

3.1 采用V形分劃板實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量

V形分劃板在線陣CCD上實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量的原理如圖2所示。

圖2 V形分劃板測(cè)量原理圖Fig 2 V shape of reticle measurement principle diagram

設(shè)y軸為CCD線陣，其垂線設(shè)為x軸，當(dāng)V形分劃板的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)為初始參考位置，此時(shí)與CCD的交點(diǎn)分別為A，B，∠ACO=∠BCO=α，AO=BO=d，設(shè)S點(diǎn)為線陣CCD零位，令SA為固定值1。當(dāng)被測(cè)物反射面在x軸方向發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)θx時(shí)，V形在x坐標(biāo)平面上發(fā)生位移Δx，當(dāng)被測(cè)物反射面在y軸方向發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)θy時(shí)，V形在y坐標(biāo)平面上發(fā)生位移Δy，V形與CCD線陣y軸新的交點(diǎn)為A′，B′。由O做y軸的垂線OG′，顯然OG′即為V形在x軸上的偏移量Δx。

由三角關(guān)系式可以得出

(2)

這種V形分劃板具有測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)。為了使自準(zhǔn)直儀在x方向和y方向具有相等的測(cè)量范圍，如圖3所示，需要x=y，即α=45°，因此，需要將V形分劃板的V形夾角2α設(shè)定為90°，同時(shí)也使得測(cè)量范圍只能達(dá)到CCD感光面的1/2。

圖3 V形分劃板測(cè)量范圍示意圖Fig 3 V shape of reticle measurement range diagram

本文設(shè)計(jì)的自準(zhǔn)直儀測(cè)量范圍x軸為±5.2°，y軸為±4.6°，測(cè)量誤差45″。選用物鏡的焦距f為22 mm。使用的CCD器件TCD1501像元尺寸為8 μm，像元數(shù)量3 600個(gè)，根據(jù)式(1)，可以得出最小可分辨角度為37.5″，可以滿足測(cè)量誤差要求。當(dāng)采用V形分劃板時(shí)，x軸和y軸最大測(cè)量范圍為±4.5°，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的自準(zhǔn)直儀測(cè)量范圍的要求。

由于V形分劃板具有測(cè)量方法簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理比較方便，儀器的成本比較低，同時(shí)儀器的結(jié)構(gòu)比較緊湊，系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量的準(zhǔn)確度比較高，且可以克服零點(diǎn)盲區(qū)的問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量范圍不是要求特別大的情況下，這種方法還是具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 采用N形分劃板實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量

為了提高增維測(cè)量的測(cè)量范圍，充分利用CCD的感光面，可以采用如圖4所示的N形分劃板，實(shí)際上是模擬2個(gè)V形倒置連接，可以實(shí)現(xiàn)較大的測(cè)量范圍。

圖4 N形分劃板測(cè)量原理圖Fig 4 N shape of reticle measurement principle diagram

仍然設(shè)y軸為CCD線陣，其垂線設(shè)為x軸，當(dāng)N形分劃板的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)為初始參考位置，此時(shí)與CCD的交點(diǎn)分別為A，B，C，∠ADF=∠CFD=α，AB=BC=d，設(shè)S點(diǎn)為線陣CCD零位，S點(diǎn)在CCD上位置固定，SA=1。當(dāng)被測(cè)物反射面在x軸方向發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)θx時(shí)，N形在x坐標(biāo)平面上發(fā)生位移Δx，當(dāng)被測(cè)物反射面在y軸方向發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)θy時(shí)，N形在y坐標(biāo)平面上發(fā)生位移Δy，N形與CCD線陣y軸的交點(diǎn)為A′，B′，C′。由B做y軸的垂線BG′，顯然BG′即為N形在x軸上的偏移量Δx。

由三角關(guān)系式可以得出

(3)

如圖4左圖所示，線陣CCD零位為S點(diǎn)，則N形分劃板y方向正向最大測(cè)量范圍為SA，x方向正向最大測(cè)量范圍為AD。設(shè)CCD正方向視界為r，則有

(4)

可見(jiàn)N形分劃板的測(cè)量范圍與α和CCD視界相關(guān)。本文設(shè)計(jì)的自準(zhǔn)直儀測(cè)量范圍x軸為±5.2°，y軸為±4.6°，通過(guò)式(1)，可得到當(dāng)AD大于4.04mm即可滿足y軸測(cè)量范圍，當(dāng)SA大于3.57mm即可滿足y軸測(cè)量范圍，即α小于69°即可滿足測(cè)量范圍的設(shè)計(jì)要求。

N形分劃板不僅克服了零點(diǎn)盲區(qū)，相對(duì)于V形分劃板，由于在線陣CCD上有三點(diǎn)相交，因此其測(cè)量范圍較大，且測(cè)量精度也有很大提高，能夠滿足高精度的自準(zhǔn)直測(cè)量，目前得到比較廣泛的應(yīng)用。

3.3 采用M形分劃板實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量

為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，還可以采用M形分劃板進(jìn)行增維測(cè)量。M形分劃板測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 M形分劃板測(cè)量原理圖Fig 5 M shape of reticle measurement principle diagram

仍然設(shè)y軸為CCD線陣，其垂線設(shè)為x軸，M形為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。當(dāng)M形分劃板的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)為初始參考位置，此時(shí)與CCD的交點(diǎn)分別為A,B,C,D，∠AEF=∠BFO=α，AB=BO=OC=CD=d，設(shè)S點(diǎn)為線陣CCD零位，S點(diǎn)在CCD上位置固定，SA=1。當(dāng)被測(cè)物在x軸方向發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)βx時(shí)，M形在x坐標(biāo)平面上發(fā)生位移Δx，當(dāng)被測(cè)物在y軸方向發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)βy時(shí)，M形在y坐標(biāo)平面上發(fā)生位移Δy，M形與CCD線陣y軸的交點(diǎn)為A′,B′,C′,D′。由B做y軸的垂線BG'，顯然BG'即為M形在x軸上的偏移量Δx。

由三角關(guān)系式可以得出

(5)

如圖5左圖所示，線陣CCD零位為S點(diǎn)，則M形分劃板y方向正向最大測(cè)量范圍為SA，x方向正向最大測(cè)量范圍為AE。設(shè)CCD正方向視界為r，則有

(6)

可見(jiàn)M形分劃板的測(cè)量范圍與α和CCD視界相關(guān)。本文設(shè)計(jì)的自準(zhǔn)直儀測(cè)量范圍x軸為±5.2°，y軸為±4.6°，通過(guò)式(1)，可得到當(dāng)AE大于4.04mm即可滿足y軸測(cè)量范圍，當(dāng)SA大于3.57mm即可滿足y軸測(cè)量范圍，即α小于53°即可滿足測(cè)量范圍的設(shè)計(jì)要求。

M形分劃板同樣克服了零點(diǎn)盲區(qū)的問(wèn)題，并且由于有四點(diǎn)與線陣CCD相交，測(cè)量范圍和測(cè)量精度進(jìn)一步提高。但是在實(shí)際測(cè)量中，需要考慮到CCD的分辨率、數(shù)據(jù)處理計(jì)算等因素，分劃板圖形的進(jìn)一步復(fù)雜對(duì)測(cè)量范圍和精度的提高不是很大，而對(duì)線陣CCD的分辨率卻要求更高，這樣就會(huì)使成本提高很多，且數(shù)據(jù)處理也不是很方便，得不償失。

4 結(jié) 論

通過(guò)不同類型分劃板的選擇，一維線陣CCD器件可以完成二維參量的測(cè)量。通過(guò)不斷改進(jìn)分劃板的刻線形式，可以提高CCD器件的利用率，增大測(cè)量范圍。在二維光電自準(zhǔn)直儀中，采用一片線陣CCD進(jìn)行二維角度的測(cè)量，不僅降低了儀器的成本，而且減少了儀器的體積，使儀器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時(shí)，由于只采用一個(gè)接收器件，提高了系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量的準(zhǔn)確度。在實(shí)際的應(yīng)用中，可根據(jù)自準(zhǔn)直儀精度、測(cè)量范圍、測(cè)量方便程度、經(jīng)濟(jì)等不同因素，選擇不同特點(diǎn)的分劃板。

[1] 羅 鈞，萬(wàn)文通，盧嘉江.光電測(cè)量二維微角位移的新方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2008，27(8)：51-53．

[2] 林潤(rùn)芝，楊學(xué)友，等．面向大尺寸檢測(cè)ccD圖像中心提取精度的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(12)：51-53．

[3] 張繼友，范天全，曹學(xué)東.光電自準(zhǔn)直儀研究現(xiàn)狀與展望[J].計(jì)量技術(shù),2004(7):27-29．

[4] 浦邵邦，陶 衛(wèi)，張 琢.角度測(cè)量的光學(xué)方法[J].光學(xué)技術(shù)，2002，28(2)：1-2．

[5] 何樹(shù)榮，張 樂(lè)，鮑 鵬.采用單線陣CCD測(cè)量工作臺(tái)二維位移的研究[J].光學(xué)技術(shù)，2003(11)：710-712.

[6] 寇欣宇，王向軍.CCD增維測(cè)量原理及其在二維光電自準(zhǔn)直儀中的應(yīng)用[J].計(jì)量技術(shù)，2000(7)：27-30.

Study on reticle in two-dimensional photoelectric auto collimator

WANG Ye， YU Jian-nan， ZHOU Zhi-wei

(The 49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

Based on working principle and structure characteristics of two-dimensional photoelectric autocollimator,effect principle of V-shape and N-shape and M-shape forms of reticle in line array CCD in dimension increasing measurement is studied,in its advantages and disadvantages dimensional increasing measurement is obtained provide reference for reticle selection in different application conditions for two-dimensional photoelectric autocollimator.

photoelectric autocollimator； incremental dimension； reticle

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0024—03

2016—10—26

TP 212

A

1000—9787(2016)12—0024—03

王 曄(1971-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事傳感器技術(shù)與儀器智能化研究工作。