一種高測量穩定性的光電自準直儀系統設計

摘要：光電自準直儀在角度測量過程中存在光路依賴性強的特點，因而容易引起測量結果不穩定的情況。為解決上述問題，通過分析系統光路被部分遮擋對測量誤差的影響，建立了自準直儀的角度誤差數學模型。結合分析結果，通過優化分劃板的幾何參數來降低測量結果對光路的依賴性，并進一步優化自準直儀光學系統，以應對狹縫變窄后能量傳輸效率低造成的測量結果波動，同時提出雙CCD 采樣的光路結構來改善由隨機誤差引起的數據波動或數據量太少造成虛假目標的情況。結果表明，所設計的自準直儀光學系統具有穩定性好、結構簡單等優點，在62.5 lp/mm 處各視場調制傳遞函數值均大于0.2，最大畸變值小于0.005 2%，能量傳輸接近衍射極限，可為提高光電自準直儀的測量穩定性提供參考價值。

關鍵詞：雙CCD 自準直儀；測量穩定性；光學仿真；像質評價

中圖分類號：TN 2 文獻標志碼：A

引 言

科學技術和生產工藝的迅速發展對角度的精確測量提出了更高的要求[1]，機械加工精度和質量與測量儀器的精度、穩定性密切相關。光電自準直儀是一種基于光學自準直成像原理的高精度測微儀器[2]。20 世紀30 年代中期，自準直儀就開始用于角度測量 [3]，隨著基礎光電元器件性能不斷提升以及信號處理技術的不斷進步，國內外光電自準直儀在測量范圍和測量精度方面都取得了顯著的進步[4]。

自準直儀的穩定性是決定角度測量的關鍵指標，國內外各研究機構圍繞提高自準直儀的穩定性開展了大量的研究工作。Arp 等[5] 提出了一種利用參考光束實現差分測量的多狹縫結構自準直儀，在傳統自準直儀的結構上增加參考反射鏡，利用參考反射鏡和目標反射鏡在CCD上的成像信號進行差分處理，從而將低頻噪聲降低了一個數量級，提高了系統測量結果的穩定性。楊子煜[6] 通過改變自準直儀光積分時間的自適應性，設計出了能夠根據目標光強變化自動改變光積分時間的驅動算法，從而提高測量結果的穩定性。王韻竹[7] 提出了基于背景光減除技術的光調制方法，該方法可以提高光電自準直儀在背景光干擾情況下光斑質心位置計算的穩定性。但上述研究都是在現有測量方法的基礎上作出改進，并沒有考慮到角度測量對光路依賴而造成的不穩定性。

目前光電自準直儀測量過程對于光路的依賴性較強，主要表現為當光路被部分遮擋時，會出現測量結果與未被遮擋時差距較大的情況，因而使系統測量的穩定性受到影響。對此，本文建立了光路遮擋與角度測量誤差之間的關系模型，提出了基于減小分劃板狹縫寬度的光學系統優化設計方案，有效提升了自準直儀的測量穩定性。同時使用雙CCD 結構提高系統測量結果的穩定性和準確性，為提高光電自準直儀測量穩定性提供了重要理論依據。