具有抗干扰能力的光电自准直仪研制

郭梁 昌明 刘峰 郑雪葳 龙江波 许优凡

摘 要：光电自准直仪是自准直技术与光电技术相结合的产物。文章详细说明了一种具有抗干扰、非线性修正功能的光电自准直仪的设计过程，给出了光源和信号处理电路的研制方法，以及采用此方法的光电自准直仪的研制结果。对提高基于PSD的光电自准直仪的测量精度具有参考意义。

关键词：光电自准直仪;PSD;抗干扰;非线性修正;测量分辨率;测量精确度

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

自准直仪是利用光学自准直原理，进行小角度测量或可转换为小角度测量的一种精密技术测量仪器。由于它具有较高的准确度和测量分辨率，因此被广泛应用于角度测量、导轨的平直度和平行度测量、精密定位、自动角度定位环境集成等方面，也是机械制造、航空、航天、计量测试、科学研究等部门必备的重要测量仪器，特别是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用[1]。

光电自准直仪是自准直技术与光电技术相结合的产物，以光电瞄准对线代替了人工瞄准线，测试过程不需要人为判读，降低了测试难度，提高了测量精确度，受到技术人员的青睐。目前，电荷耦合器件（Charged Coupled Device，CCD）摄像器件早已应用到光电自准直仪上，使反射光斑在CCD光敏面上成像，大大提升了仪器的测量精度和易用性。虽然随着新型光电器件、信号处理技术和计算机技术的发展，基于CCD的光电自准直仪在分辨率、测量重复性、准确度等方面的指标大幅提高，但是其在技术上仍存在一定缺陷：

（1）CCD的工艺、结构特性限制了仪器的最小分辨率;

（2）由于采用光斑成像原理，为保证测量精度，对光斑经光学系统后的成像质量有较高要求;

（3）CCD驱动电路设计复杂，技术难度较高。

1 基于PSD的自准直仪的原理

1.1 工作原理

位置敏感器件（PSD）是基于横向光电效应的光电位置敏感器件，它通过入射光引起光敏面内部PN结中载流子移动，与CCD不同，它属于非离散型器件，不需要对反射光斑成像，其输出只与入射光斑的重心相关，根据各电极上输出的电流大小，检测出入射光斑重心的位置，其主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高，处理电路简单、光敏面内无盲区。数码相机使用的自动对焦系统便是利用这一器件的成功案例。因此，使用PSD作为反射光斑的接收器件，相比CCD具有一定优势。

基于PSD的光电自准直仪，其工作原理与常见的光电自准直仪一致，只是光电接收器件由CCD芯片换成了PSD芯片。常见的采用PSD的光电自准直仪的结构如图1所示。主要包括反射镜1，光学系统2，光源3，PSD芯片4，前置信号处理电路5，后置信号处理电路6和人机交互接口7。光源经过光学系统实现光源光束转折、准直焦距的折叠以及回射光束的分离，其中回射光线入射到PSD上产生的光电流经电路5、6处理，实现在装置7上的显示。

1.2 误差源分析

由自准直仪的工作原理可知，光斑位置的测量精度主要受以下因素影响：

（1）环境及背景光：除受测量光束控制外，环境光经由光学系统后也会在PSD的光敏面上成像，当PSD上同时有多个光斑像时，光斑的位置测量结果会向这些光斑共同形成区域的重心处偏移，受能量最强光斑的影响最大[2-3]。

（2）PSD器件特性：由于PSD器件本身制造工艺和原理限制，光斑在其光敏面上不同位置所引起的光生电流并非线性变化，通常在PSD器件的中心区域呈现线性，中心以外区域呈现非线性，即其感光面呈现类似畸变的现象[4]。

（3）位置指示光源：随着入射光点与电极之间距离的增大，四边形二维PSD达到稳态时的响应时间延长，输出的光生电流减小。对于某入射光点的位置，随着PSD照射时间点的延长，PSD输出电流逐渐达到稳态值。对于给定的光入射位置，扫描速度越大，计算得到的光入射位置越小，偏离实际值的程度越大。当扫描速度越小时，光的入射位置与光源静止照射时的入射位置接近[5]。

（4）PSD安装倾斜误差：光斑定位畸变误差随着PSD倾斜角度、高斯光束的束腰半径与光束束腰之间距离的增加而增加，其中PSD的倾斜角度和光束束腰半径在小范围内变化时，对PSD定位精度的影响基本可以忽略，但是若与光束束腰之间的距离d大于0.3 mm时，光斑定位畸变误差则接近PSD的位置分辨率，对PSD光斑定位精度的影响较大[6]。

在本文设计中，将针对上述误差源，开展设计与装调，提高自准直仪的测量精度。

2 新型光电自准直仪研制

2.1 光源能量分析与设计

关于位置指示光源的设计，应考虑光源功率的大小，功率太小影响定位，功率太大会使器件易饱和。为保证光源输出功率的稳定性，拟采用稳流芯片对光源供电[7]。并且当光斑直径为1 mm时，用贝塞尔公式统计计算，多次定位测量的标准偏差优于光斑较大时的标准差，因此，在实际工作中，投射到PSD光敏面上的光斑尺寸应尽可能小[8]。在本文设计中，选用了1 mm的星孔板。为了去除背景光和暗电流对测量精度的影响，采用交流调制信号对光源进行高频矩形波调制，使PSD响应为高频脉冲信号，实现同步位置解算[9]。

本文所研制的自准直仪原理如图1所示。分光棱镜的理论分光比为1∶1，透过率为0.5，光线经过两次分光，理论透过率为0.25，光学系统反射损失的空气界面有22个，单个折射面镀膜后的透过率为0.985，则光学系统所有折射面的透过率为0.717，反射镜的反射率为0.8，玻璃总厚度为116 mm，吸收造成的透过率为0.955，整个系统的光学透過率为0.137。所以在探测器处的辐亮度值为星点板处辐亮度值的0.137倍。

本文自准直仪所选PSD芯片为美国On-Trak公司设计生产的2L10SP，其峰值响应波长为940 nm，人眼不可见。为便于测量和调试，选用波长为780 nm的LED作为光源，并被频率为1.25 kHz的矩形波调制，其扫描时间远大于PSD器件的时间常数，不会因光源扫描速度过快而引起光斑测量误差。PSD在此波长处的光谱响应约为0.5 A/W。星点板直径为1 mm，PSD探测器上接收的光能拟定为100 μW，则PSD探测器上接收的光照度为1×102 W/m2，星点板上的光照度为7.3×102 W/m2。平行光管焦距为450 mm，F#7，可计算出平行光管孔径角所对应的立体角为0.032 sr，即星点板处的光谱辐亮度为2.28×104 W/m2/sr。将毛玻璃当所琅勃体处理，透过率为0.5，光源照亮面积半径为5 mm，可计算出光源的辐射强度为3.6 W/sr。

为满足光源的功率要求，选用大功率LED作为照明光源，LED型号为SMBB780D-1100-02，单颗LED的辐射强度为1 200 mW/sr（@IF=800 mA），因此需要3片LED。为便于频率调制和集成，选取专用LED驱动芯片。矩形波由CPLD产生，其特点是频率、占空比和延时可调，经LVC4245系列芯片完成LVTTL信号至TTL的电平转换，经LED驱动芯片对LED进行驱动，使其产生调制光源。驱动电路模块示意如图2所示。

2.2 信号处理电路设计

由上述计算可知，PSD芯片的输出电流约为50 μA，为满足转换电压0～5 V的要求，应选用输入偏置电流相对较小的精密放大器，运算放大器的偏置电流应为十几皮安，而且仪器测量过程中还应考虑背景光等带来的噪声影响，所以在选择低输入偏置电流的同时应考虑选用一款低噪声的精密放大器。本文设计选用具有超低噪声、高长期电压稳定性、高共模抑制比、低失调电压的运算放大器OPA37。以X向接点1为例，其I/V转换电路如图3所示，此处采用T形网络电路组成的电流放大电路，通过公式（1）可知，可以采用阻值较小的R1和R2来满足所要求的放大倍数。

本文设计对照明光源进行调频，以去除背景光对测量精度的影响。为完成本操作，此处采用采样保持电路对调频信号进行处理，同样以X向接点1为例，其电路如图4所示。选用的采样保持芯片为LF198，两采样保持芯片分别在背景采样脉冲和光源采样脉冲的作用下对背景信号和光源信号进行采样，高电平期间采样，低电平期间保持，采样保持信号的输出分别接入运算放大电路的同相输入端和反相输入端，对这两种信号进行减法处理，最终得到准确的PSD响应值。

经上述处理，得到PSD芯片X向和Y向4路输出信号，后续可按照PSD的光斑定位原理对其开展运算处理，计算公式如式（2）和式（3）所示。为完成上述操作，可以分别将4路信号经数据采集卡输入计算机，由计算机完成数学计算。此举的优点是计算机对信号的处理灵活方便，但增加了系统的复杂性，降低了便携性。本文设计中，为保证仪器的便携性，提高仪器的集成度，保证信号处理的实时性，采用集成运算放大器和模拟除法器来完成信号运算，将最终的X坐标和Y坐标通过A/D转换器输入人机终端，在LCD上显示。

2.3 误差修正技术

本文设计所采用的PSD芯片属于四边形电极结构二维PSD，该结构PSD的非线性及失真主要来源于位置公式本身，改善这种结构PSD的非线性及失真的有效措施是寻找与理论计算结果尽可能一致又相对容易实现运算的位置公式[10]。通过对此类PSD数学模型的输出仿真和实测数据对比，其结果吻合度较好。本文通过标定装置对光斑实际位置和PSD输出位置的标定比对，采用格林函数法，得到PSD光敏面内的光斑位置修正函数[11]。

3 研制结果

本文所研制的光电自准直仪，其最终达到的技术指标

如下：

（1）测量范围：1 000"×1 000";

（2）测量精度：2";

（3）分辨率：0.1";

（4）焦距：450 mm;

（5）通光口径：90 mm。

4 结 语

光电位置敏感器件PSD是一种可以直接将投射在PSD表面的光转化成位置信号的光电传感器，具有实时性、电路结构简单、没有工作死区、分辨率高、光谱范围宽等优点，近年来已经应用于诸多领域。本文所研制的光电自准直仪在充分考虑PSD器件特性、误差源的基础上，采用LED光源并对其进行频率调制，剔除了背景光的影响，采用格林函数法对PSD的线性进行修正，在保证仪器精度的前提下，拓展了测量范围，达到了预期的设计目标。其中对多项提高精度措施所开展的实践，为后续利用PSD开展高精度测量提供了一定的借鉴作用。

参 考 文 献

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