基于 PSD 的新型光电自准直仪的研究

0 引 言

现今，许多国家都在对光电自准直仪进行研究。光电自准直仪是通过将接收到的光信号转换成电信号从而进行小角度测量的仪器，已广泛应用于高精度测量系统中。

20 世纪 90 年代之前，我国在研制光电自准直仪的光电转换部分主要采用振动子法，运用人眼进行瞄准，通过滚轮进行数据读取。而国外的研究技术要比国内先进许多，如德国 MOLLER 厂商研制的 ELCOMAT HR 型号 [1] 自准直仪全程精度已达到 ±0.3＂。我国的研究从起初对国外产品的引进转变到自主研发，已取得较大进步，但在测量范围、测量精度等方面与国外仍有较大差距。目前，大多数光电自准直仪选用 CCD、四限象光电探测器、位置敏感器件作为光电探测器，显著提高了光电自准直仪的测量精度 [2]。

1 自准直仪的光学工作原理

自准直仪主要分为光电自准直仪和光学自准直仪两种。其中，光电自准直仪利用光学自准直成像原理进行测量，相比人眼瞄准、滚轮读取数据的光电自准直仪，它采用光电技术进行瞄准及测量，显著提高了测量效率及测量精度。自准直原理如图 1 所示，具体描述如下 ：

（1）当反射镜的位置与系统的主光轴相互垂直时，光源O 发出的光线穿过物镜变为平行光束，再经反射镜反射按原路返回，此时成像位置与光源 O 的位置相同 ；

（2）当反射镜的位置偏离与主光轴垂直的位置时，设偏离角度为 α，经物镜射出的平行光又经反射镜反射最终成像在 M 位置，此时反射光倾斜角度为 2α。计算可知 M 偏移 O 的垂直距离 l 的表达式为 ：

l=S ·tan2α（1）

式中 S 为物镜焦距。

光电自准直仪主要用来测量小角度变化，因此当 α 较小时，M 偏移 O 的垂直距离 l 的表达式为 ：

l ≈ 2S·α（2）

综上所述，当用自准直仪进行小角度测量时，只需测量出成像的偏移量再代入式（2）即可 [3]。

2 系统的总体结构

本文光电自准直仪利用 PSD 的横向光电效应，将投射在其光敏面上的光斑转换为电信号，根据 PSD 横竖方向四个电极的电流值，计算光斑位置，实现微小角度或位移的测量。同时，为了提高自准直仪的测量精度，采用调频光源与采样保持技术对背景光和噪声进行抑制。基于 PSD 传感器的光电自准直角度测量系统 [4] 总体结构如图 2 所示，包括光源、光学系统，反射镜、光电探测器，驱动电路、信号处理电路及人机交互终端。

系统的工作步骤 ：光源发出光线，通过光学系统照射到反射镜上，经反射镜反射，再经光学系统汇聚镜汇聚到探测器上，驱动电路驱动光源并控制信号处理电路完成信号处理， 送至人机交互终端显示。

系统内主要组成单元的功能如下 ：

(1) 光学系统实现出射光线的准直，将反射光线汇聚在光电探测器的光敏面上 ；

(2) 入射在探测器光敏面上的光斑使其产生电流信号， 信号处理电路完成光生电流的电流电压变换、放大、去背景、位置解算及 A/D变换工作，人机交互终端负责将位置信息以数字与图形的形式显示出来 ；

(3) 驱动电路用于驱动光源，控制信号处理电路与光源协调工作。

3 系统关键技术

光电自准直仪可大致分为光学系统、光电转换系统以及信号处理三部分。由图2 可知，要保证仪器的测量范围和精度， 应从系统设计和器件选择两方面综合考虑。

光学系统采用常见的自准直仪系统结构，如图 3所示。系统主要包括目标反射面 1，望远透镜组 2，LED光源 3， 准直透镜 4，分光棱镜 5，汇聚透镜 6，PSD芯片 7，但在系统参数方面做出了优化与调整，整机焦距为 450mm，通光口径为 90mm。为降低光学系统畸变对自准直仪视场内测量精度的影响，将望远透镜组畸变控制在 1% 以内。

                                                                                                                                                                 图 3 自准直仪结构

光电转换系统中，目前市场上的光电自准直系统大部分采用电荷耦合器件图像传感器（CCD），但存在一定的缺陷 ：

(1) CCD器件的工艺和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。

位置敏感器件（PSD）可认为是自准直仪光电转换器的较好选择，具有位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高、处理电路简单、光敏面内无盲区的特点。

为提高自准直仪的测量范围，光电探测器选用美国 ON- TRAK 公司设计生产的二维2L10SP 型PSD 芯片，如图4 所示， 其靶面尺寸为 10 mm×10 mm，峰值响应波长为 940 nm。为便于操作人员观察，光源选用人眼可见的中心为 780 nm 的大功率 LED 芯片，在保证器件响应效率的同时兼顾使用方便性。

                                                                                                                                                                     图 4 PSD 芯片

目前许多自准直仪为降低研制难度，缩小设备体积，大多选用日本滨松公司生产的 PSD 专用处理芯片 H2476，但其使用具有一定的局限性 ：无法完成调频信号的处理，只能处理直流信号，只适用于具有偏置电压引脚的 PSD 芯片。为提高自准直仪抵抗背景光干扰的能力，可采用干涉滤波片法、交流调制法等进行处理 [6]。本文采用驱动电路调频光源以及进行控制信号处理电路采样的设计，为光源提供调频驱动电流，并根据 PSD 的光电响应延时设定采样时机和采样时长， 提高信号采集的准确度。驱动电路以 CPLD 为核心，设计LVTTL 到 TTL 的转换电路，以及 LED 驱动电路，各驱动信号具有频率一致、延迟与占空比可调功能。驱动电路结构如图 5 所示。

信号处理部分如图 6 所示，其中运算放大器选用输入偏置电流较小、稳定性好、低温漂、高共模抑制比的芯片。

反射像在 PSD 器件中心区域位置变化呈现的光电特性为线性，而在边缘靠近电极区域呈现非线性，即其感光面的光电响应具有类似相机畸变的现象，通常为枕形失真。针对此问题，可采用差值、拟合、神经网络等算法解决。本文自准直仪采用双调和样条差值方法 [7] 对非线性区进行校正，提高了光电自准直仪的全视场测量精度。

4 结 语

随着科学技术的进步，人们对自准直仪的测量精度提出了更高的要求，而自准直仪各个组成部分都对其精度造成了影响。本文介绍的基于 PSD 的光电自准直仪具有高分辨力、测量视场范围大、抗背景光干扰等优势，并对 PSD 器件的非线性区进行了修正，有效拓展了仪器的线性测量区间，提高了测量精度，可大量运用于高精度小角度测量，机床工业的质量保证测量，位置监测，炮筒、圆滚内外圆同轴度测量，航天器微变形监测等方面 [8]。光电自准直仪的研究与光学、电子学、机械学科息息相关，其他学科的进步也必将推动光电自准直仪的研究，使其沿着动态测量、二维测量甚至多维测量等方向发展。