0 引 言

現(xiàn)今，許多國家都在對光電自準直儀進行研究。光電自準直儀是通過將接收到的光信號轉換成電信號從而進行小角度測量的儀器，已廣泛應用于高精度測量系統(tǒng)中。

20 世紀 90 年代之前，我國在研制光電自準直儀的光電轉換部分主要采用振動子法，運用人眼進行瞄準，通過滾輪進行數(shù)據讀取。而國外的研究技術要比國內先進許多，如德國 MOLLER 廠商研制的 ELCOMAT HR 型號 [1] 自準直儀全程精度已達到 ±0.3＂。我國的研究從起初對國外產品的引進轉變到自主研發(fā)，已取得較大進步，但在測量范圍、測量精度等方面與國外仍有較大差距。目前，大多數(shù)光電自準直儀選用 CCD、四限象光電探測器、位置敏感器件作為光電探測器，顯著提高了光電自準直儀的測量精度 [2]。

1 自準直儀的光學工作原理

自準直儀主要分為光電自準直儀和光學自準直儀兩種。其中，光電自準直儀利用光學自準直成像原理進行測量，相比人眼瞄準、滾輪讀取數(shù)據的光電自準直儀，它采用光電技術進行瞄準及測量，顯著提高了測量效率及測量精度。自準直原理如圖 1 所示，具體描述如下 ：

（1）當反射鏡的位置與系統(tǒng)的主光軸相互垂直時，光源O 發(fā)出的光線穿過物鏡變?yōu)槠叫泄馐俳浄瓷溏R反射按原路返回，此時成像位置與光源 O 的位置相同 ；

（2）當反射鏡的位置偏離與主光軸垂直的位置時，設偏離角度為 α，經物鏡射出的平行光又經反射鏡反射最終成像在 M 位置，此時反射光傾斜角度為 2α。計算可知 M 偏移 O 的垂直距離 l 的表達式為 ：

l=S ·tan2α（1）

式中 S 為物鏡焦距。

光電自準直儀主要用來測量小角度變化，因此當 α 較小時，M 偏移 O 的垂直距離 l 的表達式為 ：

l ≈ 2S·α（2）

綜上所述，當用自準直儀進行小角度測量時，只需測量出成像的偏移量再代入式（2）即可 [3]。

2 系統(tǒng)的總體結構

本文光電自準直儀利用 PSD 的橫向光電效應，將投射在其光敏面上的光斑轉換為電信號，根據 PSD 橫豎方向四個電極的電流值，計算光斑位置，實現(xiàn)微小角度或位移的測量。同時，為了提高自準直儀的測量精度，采用調頻光源與采樣保持技術對背景光和噪聲進行抑制?；?PSD 傳感器的光電自準直角度測量系統(tǒng) [4] 總體結構如圖 2 所示，包括光源、光學系統(tǒng)，反射鏡、光電探測器，驅動電路、信號處理電路及人機交互終端。

系統(tǒng)的工作步驟 ：光源發(fā)出光線，通過光學系統(tǒng)照射到反射鏡上，經反射鏡反射，再經光學系統(tǒng)匯聚鏡匯聚到探測器上，驅動電路驅動光源并控制信號處理電路完成信號處理， 送至人機交互終端顯示。

系統(tǒng)內主要組成單元的功能如下 ：

(1) 光學系統(tǒng)實現(xiàn)出射光線的準直，將反射光線匯聚在光電探測器的光敏面上 ；

(2) 入射在探測器光敏面上的光斑使其產生電流信號， 信號處理電路完成光生電流的電流電壓變換、放大、去背景、位置解算及 A/D變換工作，人機交互終端負責將位置信息以數(shù)字與圖形的形式顯示出來 ；

(3) 驅動電路用于驅動光源，控制信號處理電路與光源協(xié)調工作。

3 系統(tǒng)關鍵技術

光電自準直儀可大致分為光學系統(tǒng)、光電轉換系統(tǒng)以及信號處理三部分。由圖2 可知，要保證儀器的測量范圍和精度， 應從系統(tǒng)設計和器件選擇兩方面綜合考慮。

光學系統(tǒng)采用常見的自準直儀系統(tǒng)結構，如圖 3所示。系統(tǒng)主要包括目標反射面 1，望遠透鏡組 2，LED光源 3， 準直透鏡 4，分光棱鏡 5，匯聚透鏡 6，PSD芯片 7，但在系統(tǒng)參數(shù)方面做出了優(yōu)化與調整，整機焦距為 450mm，通光口徑為 90mm。為降低光學系統(tǒng)畸變對自準直儀視場內測量精度的影響，將望遠透鏡組畸變控制在 1% 以內。

                                                                                                                                                                 圖 3 自準直儀結構

光電轉換系統(tǒng)中，目前市場上的光電自準直系統(tǒng)大部分采用電荷耦合器件圖像傳感器（CCD），但存在一定的缺陷 ：

(1) CCD器件的工藝和結構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，對光斑經光學系統(tǒng)后的成像質量有較高要求 ；

(3) CCD驅動電路設計復雜，技術難度較高。

位置敏感器件（PSD）可認為是自準直儀光電轉換器的較好選擇，具有位置分辨率高、響應速度快、光譜響應范圍寬、可靠性高、處理電路簡單、光敏面內無盲區(qū)的特點。

為提高自準直儀的測量范圍，光電探測器選用美國 ON- TRAK 公司設計生產的二維2L10SP 型PSD 芯片，如圖4 所示， 其靶面尺寸為 10 mm×10 mm，峰值響應波長為 940 nm。為便于操作人員觀察，光源選用人眼可見的中心為 780 nm 的大功率 LED 芯片，在保證器件響應效率的同時兼顧使用方便性。

                                                                                                                                                                     圖 4 PSD 芯片

目前許多自準直儀為降低研制難度，縮小設備體積，大多選用日本濱松公司生產的 PSD 專用處理芯片 H2476，但其使用具有一定的局限性 ：無法完成調頻信號的處理，只能處理直流信號，只適用于具有偏置電壓引腳的 PSD 芯片。為提高自準直儀抵抗背景光干擾的能力，可采用干涉濾波片法、交流調制法等進行處理 [6]。本文采用驅動電路調頻光源以及進行控制信號處理電路采樣的設計，為光源提供調頻驅動電流，并根據 PSD 的光電響應延時設定采樣時機和采樣時長， 提高信號采集的準確度。驅動電路以 CPLD 為核心，設計LVTTL 到 TTL 的轉換電路，以及 LED 驅動電路，各驅動信號具有頻率一致、延遲與占空比可調功能。驅動電路結構如圖 5 所示。

信號處理部分如圖 6 所示，其中運算放大器選用輸入偏置電流較小、穩(wěn)定性好、低溫漂、高共模抑制比的芯片。

反射像在 PSD 器件中心區(qū)域位置變化呈現(xiàn)的光電特性為線性，而在邊緣靠近電極區(qū)域呈現(xiàn)非線性，即其感光面的光電響應具有類似相機畸變的現(xiàn)象，通常為枕形失真。針對此問題，可采用差值、擬合、神經網絡等算法解決。本文自準直儀采用雙調和樣條差值方法 [7] 對非線性區(qū)進行校正，提高了光電自準直儀的全視場測量精度。

4 結 語

隨著科學技術的進步，人們對自準直儀的測量精度提出了更高的要求，而自準直儀各個組成部分都對其精度造成了影響。本文介紹的基于 PSD 的光電自準直儀具有高分辨力、測量視場范圍大、抗背景光干擾等優(yōu)勢，并對 PSD 器件的非線性區(qū)進行了修正，有效拓展了儀器的線性測量區(qū)間，提高了測量精度，可大量運用于高精度小角度測量，機床工業(yè)的質量保證測量，位置監(jiān)測，炮筒、圓滾內外圓同軸度測量，航天器微變形監(jiān)測等方面 [8]。光電自準直儀的研究與光學、電子學、機械學科息息相關，其他學科的進步也必將推動光電自準直儀的研究，使其沿著動態(tài)測量、二維測量甚至多維測量等方向發(fā)展。