摘要 本文在對立式光學(xué)計的發(fā)展情況進行認真分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出 了改進方案，采用單光柵鏡像莫爾條紋技術(shù)和c c d 細分技術(shù)來提高儀 器的分辨率和精度。 本文對立式光學(xué)計的測量原理進行了分析，并認真研究了其主要部 件光學(xué)測量系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而對傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)進行了改進性設(shè)計。 首先系統(tǒng)利用光學(xué)杠桿原理對微小尺寸進行初級放大，即將微小尺寸變 化轉(zhuǎn)化為光柵像的移動，從而獲得放大比近百倍的莫爾條紋信號，為后 續(xù)的計數(shù)與細分電路的處理提供了方便。其次，采用c c d 器件取代了 傳統(tǒng)的光電三極管作為光電接收器件，利用c c d 分辨率高，象素均勻 的特點，對莫爾條紋進行細分及數(shù)字化。通過上述改進方案該系統(tǒng)相對 于傳統(tǒng)的光學(xué)計具有便攜性和高精度性的特點。 關(guān)鍵詞：單光柵莫爾條紋c c d 細分 a b s t r a c t b a s e do nt 1 1 er e s e a r c ho ft h ed e v e i o p m e mo ft 1 1 ev e r t i c a lo p t i m e t e r ，t h e p a p e r 嘶n g sf b n v 盯da ni m p r o v e dp r o 釅舭m e s i n g l eg m t i n ga n dc c d c a l l b eu s e df b ri n m a s i n g 也ep r e c i s i o no f t h e s y s t e m t h ep a p e r 柚a l y s e st l l em e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft l l ev e n i c a lo p t i m e t e b a s e do n 協(xié)ea n a l y s i so fm eo p t i c a ls 仇】c t u r eo ft t l eo p t i m e t e r ，m ep a p e r c a r r i e st l l r d u 曲a ni m p r o v e dd e s i g n f i r s t l y ，m ep r i n c i p l eo f t h c0 p t i c a l1 e v e r i s 印p l i e dt om a g m 睜i n g 恤em i n u t ed i m e n s i o n t h o u g hm i sp r o c e s s ，t l l e t 呦o ft l l em i n u t ed 主i n e n s i o nc a l lb et r a n s f b n dt ot l l em o v e m e mo f 協(xié)e i m a g eo fm e 伊a t i 工l g s ot h es y s t e mc a ng a i nt h em o i r es i 醇a lw h i c hh a s m a g n j f i e dt l l eo r i g m a ls i g n a lh u n d b d 血n e s s e c o n d e l y ，c c dr e p l a c e sm e n a d m o n a l p h o t o 仃i o d e a n db e c o m e st h er e c e i v e r c c dh a s m a l l y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl l i 曲r e s 0 1 v i n gp o 、v e r ，w e l l - p r o p o n i o n e dp e l sa n ds o o n s on l em o i r es i 印a lc a i lb es u b d i v i d c da i l d c o l l i l t e de a s i l y a r e r t h e i m p r o v e m e n t ，t l l es y s t e mi sp r o v i d e d 、v i mt h ep o r t a b l i t ) ，a n dh i g hp r e c i s i o n k e yw o r d s ：s i n 酎eg m t i n gm o i c c ds u b d i v i s i o n i i 第一章緒論 1 1 光學(xué)計的發(fā)展?fàn)顩r 立式光學(xué)計主要用于幾何量比較測量，是通過工件與量塊相比較的 測量，得到它們之間的微差尺寸，故又稱立式光學(xué)比較儀。立式光學(xué)計 除能測量工件外徑和高度尺寸外，使用三線附件用三線法還可測量外螺 紋中徑，也可從儀器上取下光學(xué)系統(tǒng)安裝到其他設(shè)備上，用作精密調(diào)整、 檢查和控制尺寸。由于其測量的精度相當(dāng)高，還可作為長度基準傳遞儀 器，用來檢定5 等和6 等量塊和量規(guī)等“”。 目前應(yīng)用中的光學(xué)計主要有以下幾種型號： j d 3 型投影立式光學(xué)計是精密光學(xué)機械長度計量儀器。它是利用 標準量塊與被測件相比較的方法來測量零件外形的微差尺寸，是工廠計 量室、車間檢定站或制造量具工具與精密零件車間常用的精密儀器之 一，它可以檢定量塊以及高精度的柱形量規(guī)。對于圓柱形、球形等工件 的直徑或樣板工件的厚度以及外螺紋的中徑均能作比較測量。若將投影 光學(xué)系統(tǒng)從儀器上取下，適當(dāng)?shù)匕惭b在精密機床或其它設(shè)備上，可直接 控制加工尺寸。 測量范圍：o 1 8 0 m m ；儀器的最大不準確度：o 2 5 肚m 圖1 1j d 3 型投影立式光學(xué)計圖1 2j d 2 0 型o 2 ”m 投影式光學(xué)計 j d 2 0 型o 2 m 投影式光學(xué)計是高精度比較式測長儀器，在工廠 計量室及計量檢測所等部門廣泛用于測量三、四等量塊及精密零件( 如 鋼球、滾柱、階梯形精密零件、塞規(guī)) 的外形尺寸。 l g _ 1 立式光學(xué)計是一采用量塊或標準零件與試件相比較的方式 來測量物體外形尺寸的儀器。主要用于五等精度量塊、一級精度柱型規(guī) 以及各種圓柱形、球型、線形等物體的直徑或板形物體的厚度的精密測 量，亦可用來控制精密零件的加工。其總放大倍數(shù)可達1 0 0 0 x ，分劃板 分度值為o 0 0 0 l m m ，被測件最大長度為1 8 0 m m ，而其重量只有3 0 奴。 j d g - s 1 數(shù)字式立式光學(xué)計一般是用標準器( 如量塊) 以比較法 測量工件的尺寸。它可對五等量塊、量棒、鋼球、線形及平行平面狀精 密量具和零件的外型尺寸作精密測量。本儀器頭部亦可作為一個獨立 體，在科研、生產(chǎn)過程控制及在線檢測等方面，對被測件作微小位移測 量。其測量范圍蘭( 士o 1 m m ) ，最小顯示值式0 0 0 0 l m m ，而重量只有1 8 婦。 圖1 3l g 1 型立式光學(xué)計 圖1 4j d g s 1 數(shù)字式立式光學(xué)計 1 2 立式光學(xué)計發(fā)展趨勢 最初的立式光學(xué)計結(jié)構(gòu)簡單，還需要試驗人員目視讀數(shù)并作記錄， 再進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理才能得出測量結(jié)果。后來出現(xiàn)了基于光柵技術(shù)和 電子技術(shù)的數(shù)字化光學(xué)計，為測量過程提供了方便，且減少了測量誤差， 提高了精度。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，對精度的要求越來越高。 對于立式光學(xué)計的改進主要是圍繞如何提高分辨率和精度進行的。 光柵作為精密測量的一種工具，由于有著許多突出優(yōu)點，已在精密儀器、 坐標測量機、超精密加工、高精度位置伺服系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng) 用。對光柵應(yīng)用技術(shù)深入研究重要內(nèi)容之一就是提高光柵莫爾條紋的測 量分辨率，亦即尋求把莫爾條紋細分數(shù)再提高的途徑。采用c c d 器件 作為光電接收器件是提高精度的一種行之有效的方法，利用c c d 分辨 率高，象素均勻的特點，對莫爾條紋進行細分及數(shù)字化，為系統(tǒng)的測量 帶來簡便和高精度。在光學(xué)計的設(shè)計中引入莫爾條紋技術(shù)和c c d 技術(shù) 也是和測量技術(shù)發(fā)展要求相適應(yīng)的。 1 3 論文的研究內(nèi)容 本論文的主要研究內(nèi)容是立式光學(xué)計的改進性設(shè)計，采用單光柵鏡 像莫爾條紋技術(shù)和c c d 細分技術(shù)來提高儀器的分辨率和精度。主要內(nèi) 容有： 1 分析立式光學(xué)計的系統(tǒng)組成和工作原理。 2 立式光學(xué)計光學(xué)系統(tǒng)部分的設(shè)計，并對測量系統(tǒng)所能達到的精度進 行分析。 3 c c d 器件的選擇，設(shè)計驅(qū)動c c d 正常工作所需的時序脈沖電路， c c d 信號處理部分進行設(shè)計。 4 對儀器的精度進行分析，討論誤差產(chǎn)生的主要來源及產(chǎn)生原因，各 項誤差進行計算，得出儀器的綜合誤差。 系統(tǒng)設(shè)計指標： 測量范圍：1 8 0 m m 示值范圍( 相對于中心零位) ：o 1 m m 最小示值：0 o o o l m m 示值誤差( 相對于中心零位) ：0 0 0 0 2 5 m m 示值變動性：0 0 0 0 1 r r n 測量的最大不確定度：( o 5 + 1 0 0 ) 斗m ， l 為被測長度，以毫米計。 第二章立式光學(xué)計系統(tǒng)組成和工作原理 2 1 系統(tǒng)組成 光學(xué)計測量系統(tǒng)是一個光電結(jié)合的測量系統(tǒng)，它的主要組成部分包 括：光學(xué)系統(tǒng)、c c d 信號處理系統(tǒng)及微機和顯示系統(tǒng)，如圖2 1 所示。 2 2 工作原理 圖2 1 光學(xué)計測量系統(tǒng)原理框圖 光學(xué)計的測量系統(tǒng)是利用光學(xué)測微原理對微小尺寸變化進行初級 放大，通過光柵將微小尺寸變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈻畔竦囊苿?，從而獲得比被測 尺寸放大上百倍的莫爾條紋信號，并為后續(xù)的計數(shù)與細分等處理提供了 方便。另外，采用c c d 作為光電接收器件，利用c c d 分辨率高，象素 均勻的特點，對莫爾條紋進行細分及數(shù)字化，為系統(tǒng)的測量帶來簡便和 高精度。 2 2 1 光學(xué)測微原理 光學(xué)測微原理是光學(xué)計測量系統(tǒng)的基本原理，故下面著重對該原理 進行分析與推導(dǎo)。 在如圖2 2 結(jié)構(gòu)中的杠桿b 處裝一反射鏡，并在某一方向投入一束 光a ，這束光被反射在標尺上形成光斑。當(dāng)測桿上下移動時，光斑在標 尺上的移動距離將比測桿的位移量大許多倍。這稱之為“光學(xué)杠桿，_ 一 杠桿的一臂是光束，因此，可以將長臂做得很長，以獲得較大的放大倍 數(shù)。光學(xué)杠桿的兩臂長為，與三，其放大倍數(shù)是釤。 礦 _ 。f ：這紗 l ，叫 5 0 0 1 0 0 0 m m 為0 3 m m ， 1 0 0 0 3 0 0 0 m m 為o 4 m m 。 2 光柵尺技術(shù)要求 ( a ) 對光柵尺每毫米線數(shù)的要求。參考國內(nèi)外光柵尺加工和使用 情況，目前國內(nèi)經(jīng)常采用的光柵尺每毫米線數(shù)為5 ，1 0 ，2 0 ，2 5 ，5 0 ， 1 0 0 ，1 2 5 ，2 5 0 等七種規(guī)格。 ( b ) 黑白比的要求。光柵尺刻線的黑白比規(guī)定為1 ：1 ，如有特殊 要求，應(yīng)在光柵尺上標出其數(shù)值。 ( c ) 光柵尺的光密度。由于光密度太小會降低光柵副形成的莫爾 條紋的反差并引起直流電平漂移，因此在光柵尺全長范圍內(nèi)的光密度應(yīng) 不小于1 9 。 ( d ) 直流電平漂移。由均勻性誤差等因素引起的直流電平漂移， 將影響光柵副的工作狀態(tài)及精度，因此此指標歷來受到重視。光柵尺的 直流電平變化率分為三等，即不小于5 ，1 0 ，15 。 ( e ) 準確度。國外尚無光柵尺準確度的標準，收集到國外一些廠 家光柵準確度大致有兩種表達方法：( 1 ) 多數(shù)單位以全長最大誤差表示準 確度，例如英國m t 的光柵尺小于9 1 4 m m 時準確度為0 0 0 1 2 7 m m ，大 于9 1 4 m m 時準確度為o 0 0 2 5 4 m m ；德國的一米長光柵的準確度為士0 1 ， 士0 2 ，士0 5 ，士l ，土2 ，士3 ，士4 ，士l o 岫等等。( 2 ) 采用精度考核公式來 表示和計算，例如日本的三豐為( 2 + 三蘭) 岬，日本光學(xué)為( 5 + 二生) l u u ul o u o 1 1 ( l 為光柵長度) 等“”。 針對以上指標，結(jié)合本系統(tǒng)實際需要，選擇每毫米5 0 對線的黑白 光柵，其節(jié)距河= 0 0 2 聊聊，為實現(xiàn)橫向莫爾條紋將柵線刻成口= o 1 u ， 由鏡像后實際夾角為口= 2 口= o 2 。，則b 2 25 7 3 2 5 歷聊。 3 3 4 光柵的零位系統(tǒng) 普通的光柵儀器是以增量式反映位移的，它沒有確定的零位，因此 每次測量時各有其自身不同的零位，這樣一遇到停電，停機或中斷運轉(zhuǎn) 等意外事故，便導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。為了克服這一缺點，發(fā)展了一種零位 光柵系統(tǒng)，在測量時給出一個零位脈沖，作為零位的標志。圖3 1 0 是 光柵元件上的零位光柵和零位脈沖示意圖。 一尤蠢一 p 一 位移 圖3 1 0 光柵元件上的零位光柵和零位脈沖 雙光柵系統(tǒng)中，在標尺光柵和指示光柵上都有零位光柵小窗口，這 小窗口中都刻有相同的零位光柵柵線，當(dāng)光柵運動到兩組零位光柵線完 全重合時，即得到最大的光遇量母o ，產(chǎn)生一個很大的光脈沖。而當(dāng)標尺 光柵相對于指標光柵向左或向右移動時，則光通量急劇下降，這中間的 一個光脈沖就是光柵系統(tǒng)的零位。 在本系統(tǒng)中由于僅有一塊標尺光柵，故而是標尺光柵相對于自身的 像移動到零位光柵相重合時，得到零位。 3 4 物鏡的選擇 由于系統(tǒng)的示值范圍是士0 1 m m ，即微動量s = 士1 0 0 u m ，在這里取 測桿到轉(zhuǎn)軸的距離口= 5 研坍，則反射鏡的偏角可以由公式計算得出： 口= a r c t a i l o = a r c t a l l o 0 2 * 1 。，由光學(xué)測微原理可知經(jīng)平面鏡后光軸 偏轉(zhuǎn)了2 口= 2 。則該物鏡的數(shù)值孔徑為 h = n s i n 口= s i n 2 。= 0 0 3 ， 查閱光學(xué)儀器設(shè)計手冊，選擇編號為4 0 1 的一個雙膠合透鏡， = 3 6 3 7 ， w = o 0 7 ，線視場為6 8 。物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)及像差見表3 4 和圖3 1 1 。表3 - 4 物鏡參數(shù) r 0膏王， v 幣羲 2 7 81 0 1 1 s l ，s 3 9 9s 9 7 一1 3 9 l 1 0 1 1 2 1 6 7 2 5 3 2 2 一3 7 5 8 1 0 2 | j i l o o 7 0o l z 7 o 0 9 90 0 0 90 a 強p一o 0 6 9o 。0 1 4 o 。0 8 l 3 5 測量系統(tǒng)精度 y df c w ， 歹 i 圖3 1 1 物鏡像差圖 本系統(tǒng)采用每毫米5 0 對線的光柵，其節(jié)距口= o 0 2 m 聊，為實現(xiàn)橫 向莫爾條紋將柵線刻成口= o 1 0 ，成鏡像后實際夾角為口= 2 口= 0 2 0 ， 則b = = 5 7 3 2 5 m 川。即光柵像移過了一個柵距o 0 2 m m ，莫爾條紋 移過一個條紋寬度5 7 3 2 5 m m 。這樣莫爾條紋間距就對光柵柵距起了有 效放大作用，光電接收器件就可以直接布置在放大了的莫爾條紋寬度范 圍上。 由光學(xué)測量系統(tǒng)工作原理可得到系統(tǒng)光學(xué)杠桿傳動比： k = 2 形2 3 6 3 必* 1 4 5 ( 3 8 ) 因此，對應(yīng)于莫爾條紋亮度一個周期變化，光柵像移過一個節(jié)距的 測量桿位移量比光柵節(jié)距小足倍。即： s = 。0 5 “o 0 0 1 刪= 1 膨 ( 3 9 ) 3 6 本章小節(jié) 本章介紹了立式光學(xué)計光學(xué)系統(tǒng)部分的設(shè)計，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的 設(shè)計，光源的選擇，準直透鏡、光柵系統(tǒng)及物鏡的設(shè)計。并對測量系統(tǒng) 所能達到的精度進行了分析。 第四章c c d 信號處理系統(tǒng)設(shè)計 c c d ( 電荷耦合器件，c h a 聘ec o u p l e dd e v i c e ) ，是7 0 年代初發(fā)展 起來的新型半導(dǎo)體光電成像器件。美國貝爾實驗室的w s b o v l e 和 g e s m i t l l 于1 9 7 0 年提出了c c d 概念，隨后建立了以一維勢阱模型為 基礎(chǔ)的非穩(wěn)態(tài)c c d 的基本理論。3 0 多年來，隨著新型半導(dǎo)體材料的不 斷涌現(xiàn)和器件微細化技術(shù)的日趨完備，c c d 技術(shù)得到了較快的發(fā)展。 目前，c c d 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于信號處理、數(shù)字存貯及影像傳感等領(lǐng)域。 其中，c c d 技術(shù)在影像傳感中的應(yīng)用最為廣泛，已成為現(xiàn)代光電子學(xué) 和測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域之一n ，。 4 1c c d 的特點及特性參數(shù) 4 1 1c c d 器件的特點 c c d 是一種大規(guī)模集成電路光電器件，又稱為電荷耦合器件，簡 稱c c d 器件。c c d 的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多 數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。c c d 的基本功能是信號電荷的產(chǎn)生、 存儲、傳輸和檢測。c c d 是在m o s 集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新 型半導(dǎo)體傳感器，由于c c d 圖像傳感器具有光電信號轉(zhuǎn)換、信息存儲、 轉(zhuǎn)移( 傳輸) 、輸出、處理以及電子自掃描等優(yōu)點促進了各種視頻裝置 普及和微型化。 4 1 2c c d 器件的主要特性參數(shù) 4 1 2 1 靈敏度 靈敏度是c c d 最為重要的參數(shù)之一，它具有兩種物理意義。一種 是表示光電器件的光電轉(zhuǎn)換能力，與響應(yīng)度的意義相同。對于給定芯片 尺寸的c c d 來說，其靈敏度可用單位光功率所產(chǎn)生的信號電流表示， 單位可以為納安勒克斯( n a 兒u x ) 、伏瓦( v w ) 、伏勒克斯( v l u x ) 、伏 流明l m ) 。光輻射能流密度在光度學(xué)中常以照度l 1 1 ) 【表示，其轉(zhuǎn)換式 為1 w m 2 = 2 0 l x 。在有的資料中，也用r n v 1 x s 來表示c c d 的靈敏度， 嚴格說來，這是c c d 圖像傳感器的響應(yīng)度，即單位曝光量所得到的有 效信號電壓，它反映了c c d 圖像傳感器的靈敏度和輸出級的電荷電壓 轉(zhuǎn)換能力。 另一種是指器件所能傳感的最低輻射功率( 或照度) ，與探測率的 意義相同。單位可用瓦( w ) 或勒克斯( l u x ) 表示。 4 1 2 2 光譜響應(yīng) c c d 的光譜響應(yīng)是指c c d 對于不同波長光線的響應(yīng)能力。c c d 接 收光的方式可分為正面光照與背面光照兩種。由于c c d 的正面布置著 很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射的光譜靈敏度比背面照 射時低。為此i c c d 常采用背面照射的方法。背面光照方式比正面光照 的光譜響應(yīng)要好得多。采用硅襯底的i c c d 的光譜響應(yīng)范圍為o 3 1 1 岬，平均量子效率為2 5 ，絕對響應(yīng)k 為0 1 o 2 ( a ，w ) 。 4 1 2 3 動態(tài)范圍 c c d 圖像傳感器的動態(tài)范圍由滿阱容量和噪聲之比決定，它反映 了器件的工作范圍。 滿阱容量( “f u l l 、e l l ”c 印a c i t y ) c c d 的滿阱容量是指單個c c d 勢阱中可容納的最大信號電荷量。 它取決于c c d 的電極面積、器件結(jié)構(gòu)、時鐘驅(qū)動方式及驅(qū)動脈沖電壓 的幅度等因素。c c d 的滿阱容量的表達式為： q 。砒= c “u g 4 = 三雩旦爿u g