（光学工程专业论文）cmos光栅测量系统研究.pdf

i b 了 江大 学1 q ! 学 位论文1 6 8 9 1 8 8 摘要 自卜 世纪五十年代以来， 随着光栅刻划技术和电子技术， 以及计算机的发展， 计量光栅技术成为一项专门的技术并得到迅速发展。 目 前计量光栅技术已经比较 成熟， 光栅长度测量系统已 经广泛应用到工业生户和国 防的诸多领域。然而随 着 计量测试技术的发展和实际应用要求的不断提高， 更高分辨率和更简便易行的光 电位移精密测量装置有了新的市场需求。 本文. f 是从这 一 需求出发， 提出了 一 种 全新的以光谱法为基础以c m o s 为图像接收器件的高分辨率测量系统。 光潜法测量系统以物理光学的基本理论作为依据，以 c mo s作为光谱图像 接收器件， 提出了一种全新的细分方法。 根据某一级光谱能量在标尺光栅移动一 个节距的能量的变化情况， 实现高分辨率的细分和测量。论文同时阐述了 用计算 机处理图像和完成软件细分的测量方法 论文首先介绍了光栅测量系统的原理， 分析了各种测量方法， 描述了光电位 移精密测量仪器目 前的发展状况， 展望了今后的发展趋势。 重点对光谱法实现高 分辨率测量系统研究的硬件组成和软件方法的原理进行了详细阐述 硬件部分包 括光源、可调节狭缝、 光栅副、图像传感器和图像采集系统等。论文给出了试验 采集的结果及理论分析，对实验存在的问题进行了研讨沦文最后介绍了 根据 c m o s 采集到的光栅图像完成软件细分的测量方法， 介绍了实验系统的设计， 并 分析试验数据。实验表明， c mo s 测长系统可以 达到节距内2 5 0 细分 论文也对理论分析的不足、 实验中存在的问题以及影响高分辨率高精度的诸 多因素做了一些探讨，以供进一步研究和实验参考。 关键词:光谱图像、c mo s 、能量、软件细分 浙江人学硕 卜 学位论义 ab s t r a c t a s t h e d e v e l o p m e n t o f t h e t e c h n i q u e o f g r a t i n g s c a r e a n d d i g i t a l t e c h n o l o g y a s w e l l a s t h e c o mp u t e r s c i e n c e , m e t r i c g r a t i n g s t e c h n i q u e h a s b e e n a n s p e c i a l t e c h n i q u e a n d h a s d e v e l o p e d r a p id l y . a t p r e s e n t , m e t r i c g r a t i n g t e c h n i q u e h a s b e e n m a t u r e , t h e m e a s u r e m e n t o f d i s p l a c e m e n t u s i n g g r a t i n g s h a s b e e n u s e d w i d e l y i n m a n y f i e l d s s u c h a s i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n a n d n a t i o n a l d e f e n c e . h o w e v e r , a s t h e c e a s e l e s s d e v e l o p m e n t o f m e t r i c t e c h n i q u e a n d h i g h e r r e q u e s t o f p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n , t h e n e w d e m a n d f o r m e a s u r e m e n t s y s t e m o f p h o t o - e l e c t r i c d i s p l a c e m e n t w i t h h i g h e r r e s o l u t i o n h a s a p p e a r e d. f r o m t h i s p o i n t , a n e w i n t e r p o l a t i n g m e t h o d u s i n g c mo s a s i m a g e i n c e p t i n g d e v i c e h a s b e e n p u t f o r w a r d i n t h i s p a p e r . a n e w m e t h o d b y s o f t w a r e b a s e d o n t h e i m a g e o f g r a t i n g i n c e p t e d 勿 c mo s w a s a l s o s t u d i e d . t h e i n t e r p o l a t i n g m e t h o d w a s b a s e d o n t h e e s s e n t i a l t h e o r y o f p h y s i c a l o p t i c s a n d a c c o r d i n g t o t h e v a r i a t i o n o f s p e c t r a e n e r g y d u r i n g t h e m o t i o n o f s c a l e g r a t i n g i n a p e r i o d s s e p a r a t i o n t o r e a l i z e m e a s u r e m e n t , c n i o s i m a g e s e n s o r ( p ix e l a r r a y w a s a l s o i n t r o d u c e d a s r e c e i v i n g d e v i c e . i n t h e m e a n t i me , m e t h o d b y s o f t w a r e t o p r o c e s s t h e i m a g e o f g r a t i n g w a s s t u d i e d . t h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e t h e o r y o f m e a s u r e m e n t s y s t e m u s i n g g r a t i n g s , a n a l y z e s v a r i o u s m e t h o d s a n d s y s t e m f o r t h e m o m e n t , d e v e l o p i n g c u r r e n t s it u a t io n a n d t h e t r e n d o f t h e p h o t o - e l e c t r i c f i n e d i s p l a c e m e n t m e a s u r e me n t s y s t e m w a s a l s o e x p a t i a t e d a t f i r s t . t h e t e s t i n g m e t h o d a n d t h e h a r d w a r e a n d t h e s o f t w a r e o f t h e p r o p o s e d i n t e r p o l a t i n g s y s t e m a c c o r d i n g t o t h e v a r i a t i o n o f s p e c t r a e n e r g y a r e e x p a t i a t e d . t h e h a r d w a r e m a i n ly i n c l u d e s l i g h t , s l i t , g r a t i n g s , i m a g e s e n s o r . t h e c a p t u r e d i m a g e s a r e d e m o n s t r a t e d , e x i s t e n t p r o b l e m s a r e a n a l y z e d a n d b o w t o i m p r o v e o n t h e p r o j e c t i s a l s o d i s c u s s e d . a t l a s t , t h e s o f t w a r e i n t e r p o l a t i n g m e t h o d b a s e d o n t h e i m a g e s o f t h e g r a t i n g i s i n t r o d u c e d , t h e d e s i g n o f t h e s y s t e m a n d t h e e x p e r i m e n t a l o u t c o m e a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l . 2 5 0 t i m e s i n t e r p o l a t i o n h a s b e e n r e a l i z e d . t h e p a p e r a l s o d i s c u s s e s t h e s h o r t a g e o f t h e t h e o r e t i c a n a ly s i s , e x i s t e n t p r o b l e m s a n d t h e f a c t o r s w h i c h i n fl u e n c e t h e r e s o l u t i o n a n d p r e c i s i o n , i n t h e m e a n t i m e p r e p a r e s f o r t h e f a r t h e r s t u d y a n d e x p e r i m e n t k e y w a r d s : s p e c t r a i m a g e c iv i o s l i g h t i n t e n s i t y s o f t w a r e i n t e r p o l a t i o n 浙t i 大学硕士学位论文 第一章引 言 1 . 1 栅， ) 概述 光栅光电位移传感器是以光信息为载体，通过光栅副 ( 标尺光栅和指示光 传感到光电元件， 将机械位移转换成门 一 计数的光电信号 “ 光信息一光栅副 一光电信号” 这一传递过程称之为光电 位移传感。 光电位移传感技术的基础技术 为莫尔条纹技术、 光栅制造技术、 光电信号的提取处理技术和电子学倍频技术等。 莫尔现象很早己为人们所发现，1 8 7 4年，瑞利首 次提出将莫尔条纹作为一 种计 一 测手段开拓了莫尔计量学。 但是广泛地应用于计量测试还是2 0 世纪5 0 年代 的事。到了6 0 年代之后，随着数字计算机和数字系统的发展，以及激光技术的 问世和应用， 光电 位移精密测量技术得到了迅速发展， 各种光栅传感器被广泛应 用，高精度的光栅训量测试仪器设备大量地应用到各种领域当中。 光电 位移传感器可以作为一个独立的部分对长度和角度进行测量， 测量仪、 光电轴角编码器等: 大多数场合下，它是作为个独立的部分 如长光栅 ( 位移传 感器) 和其他部分仪器组成位移测晕仪器， 如阿贝比长 仪、 三坐标测长仪、 光电 经纬仪等。 1 . 1 . 1光栅式测量系统的组成部分及要求 光栅光电精密位移测量仪器一般由以下几个部分组成: ( 1 ) 照明系统， 这一 部分主要包括光源、准直透镜及光ir等。 ( 2 ) 光栅副， 主要包括标尺光栅和指示 光栅， 是位移测量的基准。 其中标尺光栅是光栅式测量系统中的关键零部件， 对 整个测量系统的精度起决定性作用。 ( 3 ) 驱动部分， 包括导轨副 ( 导轨和滑块) 、 丝杆与电机 ( 或直线电机) ， 或者是主轴、轴套、轴承和电机等。( 4 )光电转换 接收部分，主要由光阑 ( 或光学滤波器) 、 接受光学系统和光电转换器件构成， 其功能是将光栅副调制的光信息经过光阑、 光学滤波器后变成所需的光信息， 再 经过光电 转换元件转换成电信号， 由此表征着随空间 位置变化的机械位移量的大 小。 ( 5 )电子学处理部分， 一般由 硬件电 路和软件程序组成， 是测量体的 读次部 分。通常，人们把照明器件、光栅副和接收器件三个部分成为 “ 光栅读数头” ， 浙江大学硕 _ 堂位论文 其功能与 一 般线纹尺式光学计量仪器中的测微读数头的功能是一样的。图 l 一1 为常见的测量系统的示意图，其中1 为光源，2 为准直透镜，3 和4 分别为标尺 光栅和指示光栅，5 为光电接收元件，6 为数显箱: il l t 一1 光栅测量装置示意图 光电位移精密测量仪器的总体要求: 希望达到原理创新， 技术先进， 结构最 佳设计， 零部件优化组合， 操作简单， 经济 卜 的低成本和仪器的使用可靠。 对应 于各个组成部分的基木要求如下: ( 扮 光源一般要求发光稳定、 灯丝细而直， 寿 命长， 灯丝宽度满足反差大要求; 为提高光信号的对比度可采用光阑拦去杂散光、 降低背景的亮度。c 2 )光栅副发出高质量的莫尔条纹信号，光电 信号的正 弦性， 正、 余弦信号的正交性、 等幅性、 稳定性和光电 信号的高对比度。 ( 3 ) 直线性好 的导轨副或置中精度高的轴系以及平稳的驱动器。 ( 4 ) 滤波性好、 转换效率高的 接收器件。 光电转换元件有硅光电池、 光电二极管、 光电三极管和c c d . c mo s 等器件，要求转换效率高、灵敏度高、暗电流小、稳定性好和使用电压低( 5 ) 性能稳定、简单可靠的电子学处理器。 1 . 1 . 2光栅式测量装置的精度指标 光栅式测量装置的精度包括两个指标: ( 扮测量装置在全量程范围上的 位移 精度。 ( 2 ) 栅距的细分精度，即莫尔条纹的细分精度， 指细分数正确和细分间隔 均匀。 对于前者， 主要决定于标尺光栅的精度， 减小位移误差的方法， 除了保证 标尺光栅的精度外， 在设计即调整方面也应该采用相应的措施; 对于后者，由于 细分精度与信号质量之间存在密切的关系， 因此必须使系统输出良 好而稳定的莫 尔条纹信号以保证条纹的细分精度。 所谓稳定的信号， 包括两个方而的意思， 一 浙之 大学硕 1 : 学位论文 是指输出的莫尔条纹信号受机械、 光学和电路参数的变化影响较小: 另一 方面是 指在全程范围内输出的信号比较稳定。 莫尔条纹信号质量的评定指标包括条纹对 比 度、 谐波含量、 多相信号的正交性及等幅性、 直流电平漂移和基波振幅变化等 莫尔条纹信号质量反应了光栅式测量的特点， 也是影响电子细分精度的最主要因 素。 1 . 1 . 3光栅式测量的特点 光栅式测量的主要特点有: ( 功 高精度。由于光栅刻划技术和电子学细分技术的发展，以及莫尔条纹对光 栅误差的平均作用， 光栅式测量系统在大量程测长为 一面是精度仅次于激光式测量 的一种高精度测量装置， 而对于要求整周范围内高分辨率的圆分度测量来说被认 为是精度最高的方法之一。 ( 2 )兼有高分辨率和大量程两种特性。绝大多数仪器要做到这两点是很难的。 但光栅测量仪器则可兼得。 制造量程 1 米左右的光栅尺和几米， 儿十米的钢带光 栅皆能实现。如测长范围可达几十米，分辨率可低于。 5 u m,测角范围可整周多 圈回转测量，分辨率可达0 . 1 “，甚至更高。 ( 3 ) 可实 现 动态测晕、自 动测量和数 字显示。 光栅 莫尔条 纹 输出 的正、 余弦 信号 容易转换为数字量， 因而可以数字显示， 数字量输出， 易于实现测量自 动化和自 动控制。 它与微型计算机相连还可作各种数据处理， 提高仪器智能化程度。 在闭 环数控系统中，作为位置自 动检测的反馈元件。 c 4 ) 具有 较高的抗干扰能力， 对环境要求不严格， 因此可用于数控机床 光电转 换信号峰值可达几百毫伏。 比电磁式、 感应式计量仪器抗千扰性强。 与激光干涉 仪相比，可在恒温控制不严的一般车间加工条件下使用，_以 一 毛 作稳走可靠 t 5 ) 光栅刻线密的光栅能 进行细分， 且能达到精度高 可靠性好的要求 一 “ ， 。 1 . 1 . 4光栅式测量的应用范围 由于以上诸多优点，光栅式测量广泛地应用于各种技术领域中: ( 1 ) 长度和角度测量。 光学编码器是常用的测量长度、角度等几何量传感器， 其测量精度高、寿命长、工作可靠，因此广泛地用来探测位置和速率。圆光栅测 浙江大学硕 学位论文 角法准确度高， 测量稳定可靠， 分辨率分别达到了0 ,0 1 ; 我国最近还研究和设 计出了一种用于测量波长范围在 1 0 - 1 2 0 n m的电磁波，并且己经成功进行 了 测试 实 验 和 标 定 7- 9 1 ( 2 )数字跟踪、运动比较。应用运动比较制成齿轮传动链测试仪、丝杆动态测 量仪和光栅检验仪等。 近几年， 利用无衍射光莫尔条纹技术具有高的对心分辨精 度和适于长、 短距离测量的特点， 研制出一 种激光准直跟踪和定位系统， 定向精 度达到了0 . 1 2 u m / 5 m， 对于工业环境的中远距离的定位准直和跟踪具有很大的推 广 价 值 cld i ( 3 )莫尔形貌测量。莫尔轮廓测定法从测曼原理出发发展了两类不同的莫尔装 置，一类是由me a d o w和t a k a s a k i 在1 9 7 0 年提出的实体光栅照射法 ( 简称照射 型) ; 另一类是由铃木和吉泽彻等人提出的光栅投影法 ( 简称投影型) ，一 边把光 栅投影于 物体上， 另 一边把带栅线的 物体形 象投影于 接收光栅上。 m o o n - s i c j e o n g 等人提出了一种新的对时间积分的彩色光栅 红、 绿、 蓝三种线栅) 投射莫尔法 为复杂莫尔条纹处理提供了一 种全新的方法; 事实 证明 具有较高的实用价值川- ( 4 )莫尔偏折技术。由于偏折术的迅速发展，目前用来测试的项日非常多，如 流体的折射率， 气体中的密度场分析，除此之外， 诸如风洞测量、 火焰场测量、 传递函数测量、 光学零件表面粗糙度分析及胶体浓度测定等等， 不胜枚举 3 一 4 1 ( 5 )莫尔形变测试。 应变分析中的莫尔法， 它与轮廓莫尔法类似， 都是通过变 形光栅传递信息， 但是它不是影子光栅， 而是贴在试件上并与之一起变形的实体 光栅，通常成为试件光栅，另一块不变形的光栅成为基准光栅。目 前， 针对残 余 应力对零竹、 部 件及结构的质量、 使用寿命等有很大影响的 情况进行检测的新方法也己 经得 到了 验 证， 其灵 敏 度可以 达到。 .0 2 5 im n n ( 6 )莫尔滤波技术。 随着光纤光栅技术在光纤通信和光纤传感领域的广泛应用 光纤光栅技术得到了迅速的发展。 在光纤光栅的基础上制成的各种滤波器件也蓬 勃发展起来， 作为一种波长选择器件， 它在光纤传感以 及光纤通信系统中 具有十 分重要的应用， 可以用于半导体激光器或光纤激光器的反射腔镜和窄带滤波、 波 长转换器、 色散 补偿器以 及延时 器等 6 。 1 . 2国内发展现状 沁 f 江人学硕 : 学位论义 我国的光电位移精密测量技术和光栅计量测试设备的研究经历了起步、发 展、提高三个阶段。1 9 6 4年中国科学院长 春光机所制造除了我国第 一 块编码器 和圆光栅。 并成功地应用于靶场经纬仪上，实现了数字化测量角度。随后，各科 研院所 ( 中科 一 院长春光机所、 光电所、 浙江大学、 重庆大学、 航空部3 0 3 所、 3 0 4 所、航空部7 0 1 所等) 、各工业部门制造厂 ( lz 春第一光学仪器厂、 匕 海光学仪 器厂、 北京光学仪器厂、苏州第一光学仪器厂、 新添光学仪器厂、 南京天文仪器 )、 哈尔滨量具厂等) 陆续开展了光栅莫尔条纹理论研究、光栅尺和圆光栅及编 码盘制造技术以及设备、光栅计量仪器的研制和生产工作。经过几十年的努力， 目 前， 无论在光栅莫尔条纹理论、 光栅制造技术还是在光栅计量铡试仪器及装置 生产方面都取得了可喜的成果。 其技术水平和设备装置的性能达到了相当高的程 度，很多种科研成果已达到了国际水平。北京标普纳米测控技术研究所于 2 0 0 1 年开发的l g 1 0 0 -0 0 0 1 型大量程光电 测微仪， 测量范围0 - 1 0 0 n m ， 分辨率. 0 0 1 1t m ( 即 l n n l ) 最大示值误差为士 0 . 1 4 to m ( 1 4 0 ) u n ) 长卷光机所于8 0 年代中 期研制 出2 3 位绝对式轴角编码器， 分辨力为0 . 0 2 ， 该仪器的 动态测量精度a ( 不确定 度、 0 . 1 9 ( 峰值) ， f -y 对结果的影响。 在双光栅系统中， 两光栅间隙为零 时光电信号对比度最为理想。 但是小间隙将对机械系统公差提出严格要求， 有时 候甚至是不能实现的。 图2 -1 为典型的单光栅式系统的读数头， l , 为准直透镜， 透镜l : 与反射镜m2 组成一个望远镜系统，白 使光栅g成像在自 身表面上， 形 成条纹信号。 镜像条纹可以是光闸式的， 也可以是横间条纹这主要取决于反光镜 的结构形式。 m 2 -飞 单光栅成像读数头 由于用光栅的像代替了实体指示光栅， 就可以 保证光栅副间隙为零的情况下 工作。又由于物和像对望远镜成对称分布， 所i j 当光栅移动时， 它的像将沿反方 向 移 动 使 得 输出 信号的 空 间 频 率 提高 一 倍， 从 而 实 现了 光 学 两 倍 频。 单 光 栅 光 学 系统读数头有中心反射式光路 图 2 -2 和反射式光路 图 2 -3 ) 种布置，前者 浙7l 大 学倾 仁 学位论文 用于投射光栅， 后者用于反射光栅， 两者均按最小偏向角状态配置入射光和衍射 光束，使系统只能接收 ( 0 , 1 )和 ( 1 , 。 ) 两路基波。而在反射光栅式系统中若 时间频率较高，则系统将变成调相读数头。 反射镜疚射光姗 衍射光( 纽寿半坟镜 五接 龙 尤电管 图2 - 2 中心反射式光路图 . a反 t 镜 图2 -3反射式光路图 2 . 1 . 2双光栅成像系统 双光栅光学系统， 是目 前应用最为广泛的一种系统。 它可以分为直接接收式 光学系统、分光式光学系统、成像式光学系统、 光学四倍频系统、高倍频 ( 粗细 光栅组合)系统、相位调制型光学系统等。 2 . 1 . 2 . 1直接接收式光学系统 直接接收式光学系统又称为垂直入射式系统或者直读式系统。 系统如图2 一 4 所示。 光源 t 发出的光经过准直透镜2 后成为平行光束， 垂直投向标尺光栅3 ， 光电接收元件5 直接接收由标尺光栅3 和指示光栅4 形成的莫尔条纹信号。 标尺光栅移动一个光栅节距，光电元件就发出一 个信号。 图2 - 4 直按接收式光学系统原理图 为了判别标尺光栅的运动力 一 向以便进行可逆计数、 补偿莫尔条纹的信号 每当 下 p 的 浙江火学硕 学位论文 直流电平， 削弱直流电平漂移对测量精度的影响、 以及为了光栅栅跟进行细分来 获得较a的分辨率等， 都要求光fi ff 光学系统输出多路信号 直接接收式光学系统 可以装调成四相型系统， 很容易满足这一要求。 对于横向莫尔条纹， 为了获得四 相信号， 光电接收元件5 可以采用四极硅光电池， 并调整莫尔条纹的宽度使得它 和四极硅光电池的宽度相同。 这样，当条纹自卜 向下移过一个条纹宽度时， 条纹 依次扫过四极硅光电池的四个区域，这a个区域会发出四路在相位土分别为0 0 , 9 00 , 1 8 0 , 2 7 0 的 信号，即四 路 信号 在相 位l 依次 相差g o , 直接接收式光学系统的特点是结构简单、 紧凑、 调整方便。 对于栅距较大的 光栅多采用这一系统。 这一系统是目 前长、 圆光栅式测量系统甲应用最为广泛的 典型结构之一。 2 . 1 . 1 . 2分光式光学系统 分光式光学系统典型光路如图2 一5 所示。 图2 一5 分光式光学系统原理图 它与直接接收式光学系统相比， 区别在于在指示光栅之后， 使用了第二个聚光镜 l 2 l 2 将无穷远处的衍射图像会聚于l 2 焦面上进行观察。光源 s发出的光经过 会聚透镜i , i 变成平行光投射到光栅副g ; 和g : 上， 经过两块光栅衍射后， 聚光 镜l 2 将与光轴平行的某一等级序列的光会聚到p点上，其他等级序列的衍射光 将会聚在p 点的两侧。 光阑2 的 作用是挡住其他等级序列的衍射光投射到p 上。 光阑i 上设有 一 条狭缝， 其作用是在光栅面上截取一条狄缝， 限制接收视场面的 大小， 以便在标尺光栅移过一个节距时使得在会聚于光电接受元件p 上的光强度 亮暗变化一次。 浙江大学硕士学位论文 从上述分析可以看出， 分光式光学系统只能获得单相信号， 该系统只有一个 光电接受元件， 标尺光栅移过一个节距，光电元件输出一个电信号。为了获得丝 相信号， 可以采用如图2 -6 的远心光路式分光系统。 透镜l : 不仅起到会聚作用 而且还作为投影透镜而把在光栅g : 上形成的条纹图 样成像在共辘面p 上。四极 硅光电池在p 上接收条纹像的信号， 使系统输出四相信号。光阑s放在透镜l z 的后焦面上，起到截取某一级次序列衍射光的作用。如图所示，由 a点发出的 三条衍射光线 1 , 2 , 3 ，被光阑s 遮拦除 1 之外的其他光线。 此外，由于 此系统 是远心光路， 只要平面p 离l : 的距离不变， 则当g : 对于l : 的距离稍有变动时， 也不会引起条纹宽度的变化， 因此也不会产生四相信号间有附加的相位值， 从而 不会引起测量误差。 2 . 1 . 2 . 3 图2 -6远心光路分光系统 高倍频光学系统 上面介绍的几种光学系统， 其中有些只能实现二 倍频， 有些只能实现四倍频。 这些系统从结构上讲都比直接接收式光学系统更为复杂， 装la 上也更为费事。 但 是利用具有倍频作用的光学系统，可以弥补通常光学系统本身灵敏度不够的缺 陷， 或者可以避免由于采用过细节距的光栅和过高频率数的电子线路所带来的问 题。为了使光学系统具有更高的倍频数，美国的波斯特 ( d .p o s t )提出了一种粗 绍光栅组合的光学系统。 这种系统采用一 块细光栅做指示光栅， 一块粗光栅做标 尺光栅 ( 粗光栅栅距为细光栅栅距的整数倍)， 两者叠合并相互移动，在视场内 任何一点上扫过的条文数目的变动数表示为: n = s / p ，其中， 5 为粗光栅上任一 点沿垂直于细光栅栅线方向上计算的位移量;p为细光栅栅距。 可以 着出系统灵敏度仅仅反比于细光栅的栅距， 而与粗光栅的栅距无关。 标 浙江人学硕学位论 文 尺光栅和指示光栅栅距的比值为系统的 放大因子， 即系统的倍增数， 比 值越火系 统的灵敏度越高。 这个比值的实质是标尺光栅 ( r 0 粗光v) 移过一个栅y时的条 纹变动数。 在这个系统中， 细栅距的光栅只作指示光栅， 而标尺光栅选为粗光 栅。 由 于 不采用大量程的细分光栅，因此避免了sl 此引 起的麻烦和问题。 图z -7 为粗细光栅组合的光学系统图。光源1 可以 采用发光兰级管或者半 导体激光光源或氦氖激光管，指示光栅 3采用细栅距的闪耀光栅，标尺光栅 4 采用黑白 光栅，聚光镜 z 使光源发出的光变成平行光束，照亮光栅副3 . 4 .物 镜5 将光栅副产生的条纹， 经过孔径6 和7 成像在光电元件8 上， 转换成交变电 信号。 一般来说，自 光栅副出射的衍射光含有多个综合级次的光束。 这样，当标 尺光栅移过一 个栅 p. 时， 光电 元件输出 信号中除了 基波信号外， 还有11 阶高次谐 波信号，即光fu 元件输i信号不是雄纯豹基波信号。山于光能主要集巾在0 和 i 级光上，其他各级次的能量很小，故基本 上 r于等光强双光爽干涉。 光 源 1 4 t 示 光 栅 界 林 尺允 栅 份 孔 径 欲川 了 孔 撼 板 ( 为 亡 习8 光 电 元 件 j2 一7高倍频光学系统原理鬓 213三光栅系统 图2 一 8 ( a )为三块光栅， 其中标尺光栅i 使指示光栅i i 成像子平面i i i 内， 如果平面i i i 内设有第三块光栅， 则在平面i i i 内形成第三块光栅和指示光栅像叠合 的作用， 其结果得到了相应的莫尔条纹。 若标尺光栅为反射光栅， 则反射标尺光 栅可将指示光栅成像于指示光栅本身所在0平面内， 使得指示光栅像和指示光栅 浙江大学硕士学位论文 本身相叠合而形成相应的莫尔条纹。 这种情况， 系统中只有两块光栅， 但起作用 与实际存在的三光栅相同，所以把它列为止光栅光学系统 三光栅系统的成像原理， 对粗光栅可看作是几何成像， 即用光线直线传播及 针孔成像来解释， 成的是几何像; 对细光栅而言， 应是衍射光相互一干 涉成像， 成 的是衍射像。大多数三光栅系统中，标尺光栅一股采用反射式光栅，如图 2 -8 ( 6 )为 一 个典型的二光栅系统。 同传统的两光栅系统一样，在实际应用的三光栅系统时，也可以获得光闸、 纵向、 横向三种莫尔条纹。 在衍射像条件下， 两光栅栅线平行且栅距相等， 形成 光闸莫尔条纹: 两光栅栅线平行民 栅距略有不同， 形成纵向莫尔条纹; 两光栅栅 距相等但是栅线之间有一小的角度， 形成横向条纹。 结果与双光栅系统完全一致。 ; 、 * ， “、 二 ， 。 !“光 姗 反 射 像 标 尺 光 栅 黑 指示先姗像 _一 只 乏 崔 于 用1 h 七!.卜 图2 -8 ( a )图 2 一8 ( b ) 2 . 2光谱法c m o s 测长系统 在以_ l 各个类型的实际测量系统都是通过测量莫尔条纹光电信号的幅值来 判断主光栅的位移量的， 因此测量精度取决于信号幅值在整个测量过程中的正确 性 和一致性。 在理想试验条件下，幅值系统能 使栅距信号实现1 0 0 0 倍频， 但在 实际应用中，由于某些因素的影响， 如光源宽度变化、 光栅刻划质量和直线性及 接收器件性能和电子系统的零点漂移、 一级光学机械误差等方面的影响， 往往很 难获得高质量的莫尔条纹， 使整个系统的测量精度和分辨率受到限制， 倍频数达 不到 1 0 0 0 倍，一般在2 0 0 倍以下。因此，研究出一种全新的方法来弥补这一缺 陷， 提高测量的分辨率势在必行。 下面就来介绍一下本论文采用的光谱法测量的 浙江人学硕 学位论文 原理。 2 . 2 . 1 光谱法测量的基本原理 光谱法实现高分辨率的测量是一种全新的方法， 光源发出的光经过准直后入 射到两块叠合的节i e 相同的光栅副_ 匕 在光谱面上放w光电接收器件， 调整光栅 副与接收器件的距离来接收不同级次的光谱。 与传统的光栅莫尔法小同， 它是根 据光栅某一级次光谱 ( 通常采用基频即1 1 级)在一个节y f 期内的能量变化情 况来确定被测量的微位移， 从根本 r . 避免了整个系统分辨率和精度受莫尔条纹信 号质量影响的缺陷， 光栅各级光谱曲线和某一级光谱一个周期内能量变化曲线如 图2 一9 和2 一1 0 所示 2 -9 光栅光谱曲线2 -1 0一 级光谱 一 个周期内能景 变化曲线 根据衍射理论， 在选定了具体的光栅的情况下， 总是存在稳定的光谱。 光谱 的能量是比较稳定的， 当标尺光栅移动的过程中， 光栅光谱某一级次的能量是明 暗交替变化的， 只有零级光谱的能量保持不变， 可以 看作是背景光。 统计某一级 光谱 ( 常常取基频光谱)在光栅移动一个节距时每个微小位移内光能量的变化， 再通过软件处理就可以实现较高分辨率的测量。同时采用 c mo s作为系统光谱 接收器件，通过成像系统成像后通过u s b接口 传输到计算机，然后山p c机直 接观察光谱图 像，实现动态显示和按频率采集图像( 2 5 - 2 7 1 将c mo s 引入测长系统， 是一种较新的方法。 与传统测长系统相比把c m o s 弓 入测长系统最主要的优点是它的红光敏感性比 较好、 集成度高、 高分辨率、 低 功耗和较好的图象质量。同时， 使用c mo s 还可以实现用软件的方法完成细分 方法简单有效。软件细分的优点有:可以有多种算法供选择，灵活而便于比较; 浙江大学硕 学位论文 由 计算机完成， 就闺以直接显示数据， 读数方便; 读数过程减少人的操作， 系统 示值比较稳定， 同时又便于用计算机软件校正。 另一个好处是: c mo s 引入测长 系统， 可以 利用c mo s 象素数目 多的特点， 大大提高细分精度 c mg s 测长系 统研 究的应用前景十分广泛， 可以应用在精密测量， 数控机床， 坐标测21 精确定位 等领域。 2 . 2 . 2 c m o s 测长系统的组成 c mo s 测量系统的特点就在于使用了以光谱强度作为测量的基准， 而避免了 传统的方法中接收莫尔条纹时出现的各种问题; 同时采用了新型的光电接收器件 c mo s a由 此不难想象， 系统的组成元件同莫尔法测量系统的各个组成元件并无 不同 ,整个系统仍然山光源、光栏 ( 狭缝) 、光栅副、接受装置及软件处理部分 所组成， 下图2 -1 1 为试验原理图。 具体的实现方法将会在第三章中做详细的介 绍。 户 指示光栅 标尺光掇 t h o s 阵 t,a 图2 一1 1光谱法测量原理结构图 2 . 3 2 . 3 . c m o s 图象传感器 1 c m o s 图象传感器介绍 成像器件也就是图像传感器， 其功能是把光学m像转换为电信号， 即把入射 到传感器光敏面上按空间分布的光强信息， 转换为按时序串行输出的电信号 - 视频信号， 该视频信号能再现入射的光学图像。 电 荷藕合器件c c d是7 0 年代在 mo s集成电路技术基础_ h 发展起来的半导体器件。由于它具有光电转换， 信息 存储和延时等功能， 而且集成度高， 功耗较小， 故在固体图像传感、 信息存储和 浙江大学硕 卜 学位论文 处理等方面得到了) “ 泛的应用。 当然，c c d 也有 一 些缺点:它的光敏单元阵列难与驱动电路及信号 处理电 路单片集成， 不易处理一些模拟与数字功能， 这些功能包括: a / d转换器、 精密 放大器、存储器、运算单元等元件的功能 c c d阵列驱动脉冲复杂，需要使用 相对高的工作电压。 出于两种不同的原因促进了c mo s图像传感器的发展:一 是在价格成为决 定因素时，需要一种价格低廉、成像质量良 好的图像传感器;二是n a s a需要 一 种超小型、低功耗的 成像系统作为新一代宁宙探测器的配置 2 “ ， 2 . 4 c m o s 细分技术 一般的二维图像测量系统主要山 照明系统、 被测物体、 光学成像系统、 信号 处理电路和计算机组成。影响系统精度的因素主要有:( 竹 照明系统;( 2 ) 光学成 像系统; ( 3 ) c m o s 芯片; ( 4 ) 信号处理电 路: ( 5 ) 软 件算法。 要想提高系 统的 精度， 通常可选用高分辨率的c c d摄像机、采样频率比较高的图像卡，或者采用特殊 的光源进行照明。 这些方法的使用有时会受到某种限制， 如当光学系统放大倍数 太大时， 像的质量会下降， 甚至会使有用的目 标超出视场范围。 而利用软件算法 来提高测量的精度具有方法简单、 有效的优点。 因此图 像测in的软件算法越来越 受到人们的重视。 2 . 4 . 1四细分算法 ，j2 四 细 分 算 法 原 理 如 图 2 一 1 2 ， 这 是 一 个 正 弦 波 信 号 以 及 它 经 过 工 二 ， 二 相移的四个波形拟合成三角波的情况，即四细分的原理图。图中在纵轴坐标 a 以上表示的是正弦s i n 信号和经过.z 相移变换得到的波形图的上半部分。 在纵轴 坐标。 以 下 表 示 的 是 正 弦 信 号 经 过 李 二 和 3 7r 。 移 后 得 到 的 波 形 图 的 一 : 半 部 分 。 1z 图中的三角波为上一 f 两部分拟合出来的图 像。 经过四细分可通过线性插入把分辨 率提高。 浙江人学硕 仁 学位论文 氏 乃彭 朽石卜 合4 份 l、拜!、 0，礴 川崔火 价少 月 郎各 q c侣 气 介一 t 助吃性 ; 乃 赶 玻溯 呱攫。 图2 一1 2四细分原理图 2 . 4 . 2边缘检测细分算法 图 像 测 量系 统 软 件 算 法的 一 个 重 要 的 方 面 是 边 缘 检 测的 算 法i sa l由 于与 被 测件有关的边缘点的定位精度往往直接影响到整个测量系统的精度， 因此， 研究 边缘点的精确定位算法是很有实际意义的。 随着集成制造、 摄影测量、 工业检测等应用对精度要求的不断提高， 亚像元 边缘定位算法的提出， 一方面可以 突破物理分辨率的限制， 另一方面也可降低达 到要求精度所需的计算代价。 获得二值图像中边缘亚像元定位精度的方法一般有 两种: 一种是通过抖动图像序列的迭加: 另一种是用连续边缘上的点联合定位边 缘达到亚像元精度。 灰度图像中的亚像素度量方法可以 在单帧图像的边缘点上达 到亚像素定位精度。 常用的亚像元边缘定位方法有: 在梯度升降一一升的区 域内差值确定位置: 利用边缘点邻域灰度分布的矩估计拟合边缘: 将区域数据变 换到9 个参数的h i l b e r t 空间以检验边缘的出现并定 位; l o g 模板联合小面模型计算 边缘。 下面将给出基于空间矩算子的边缘模型建立和亚像素参数推导， 并对其精 度分析问9 1 进行描述。 空间矩亚像素细分算法是利用二维空间灰度矩来确定边缘的位置， 其特点是 方法简单、 精度高， 可适用于任意尺寸的窗口。 同时该方法的精度不受图像灰度 数据的 加性， 乘性变化的 影响。二 维理想边缘模型如- - , 2i -x 一1 3 所示， 理想采样区 域为单位圆，边缘将整个圆区域分为两部分，其中一个区域的灰度值为h , 另一 个f 域的 灰 度 值为h + k ， 连 续函 数f x + y 的 矩为 浙y j_ 人学0 卜 学位论文 m p, 1 二( 一 1 ) - ( c o s (p ) 1 ( s i n (o ) *一 m ,*、 一 “ 、 一 丁 扮y f ( ， + 力 d x cv一( 2 一 工 ) ( 2 - 1 ) 中 的 。 ， y 为 大 于 等 于 零 的 整 数 设 矩 m 二 旋 转p 角 之 后 的 复 合 矩 为 则 式训 公m p宁 m f、 二 y, y( 一 1 ) ( c o s rp ) p , ( s in rp y + - m。 一一 灯 2 一2 ) r - i 月 我 们 把边 缘绕 。 点 旋 转一 少 角， 使 边缘 垂 直 于 水 平 方向 ， 此时m o ， 二 。 ， 利 用 公 式 ( 2 一2 )，可以得出 m a u = m。 m t a = c o s p m , p 十 s in y q m 1 t1 o f “ 一 s i n rp 切 !。 十 c o s q 风 .l 1 20 = c o s p m ,p + 2 c o s ( s i n m + s in 2 4 m 。 , 一 ( 2 一3 ) 利 用m， 0 1 二 。 可得卯 的 计 算公 式为 _ : mn , v 二t a n戈 一 了 对 i n 一 ( 2 一4 ) 在离散的情况下， 矩的计算式(c 2 -1 ) 可改为相关运算， 即模板与图像灰度相乘， 若用5 x 5 的图像采样单位圆，在图5 所示的圆形区域内，利用公式 (t 2 -1 )计 算 归 一 化 灰 度 矩， 有 关m o o , m ,o , m i l i 从. ， 风2 k rz 2 s i n ( n(5 / 2 ) c o s ( n 8 / 2 ) ( n / 2 ) 2 s i n ( c 5 1 2 ) c o s ( (5 / 2 ) ( i / 2 ) _. s i n ( k l a / 2 ) , ， ， =1吮 ) n , _ k l a / 2 ( 2 一5 ) 由 此可见， 当w 取值为d / 2 时， p 点的光强度最大。 在实际测量时， c m o s 能够接 收到的光强有一定的范围，不同的c m o s 有自己的动态范围，可以通过调控接收 浙江火学硕士学位论义 一-. 一- 一 一一 -一卜 -一 一一一 到的光源强度的c m o s 接收到的光强比较理想。 3 . 3光电成像器件c m o s c mo s 与传统的光电接收器件相比，具有以下优点:t 功集成了驱动脉冲电 路。 c m o s芯片内部集成了 驱动电 路，大大简化了 硬件设计，同时也降 低了系统 功耗。( 2 ) 集成度高。 c m o s 像传感器可将光敏元件、图像信号放大器、 信号读取 电路、模数转换器、图像信号 处理器及控制器等集成到一块芯片上。( 3 ) 读取速 度快。c m o s图像传感器在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能实时处理 各单元的图像信息。 ( 1 ) 功耗低c m o s光电传感器使用单一电源，耗电量非常 小， 节能 ( 5 ) 价格低。 从目 前的市场看， c c d 器件的价格要远远高于c m o s 器件。 ( 6 ) 带宽比较宽。 c m o s 具有低的带宽、 并增加了 信噪比。 还有一个固有的优点是: 防模糊( b l o o m i n g ) 特性。 在像素位w内广生的电压先是被切换到一个纵列缓冲区 内， 再被传送到输出放大器中。由于电压是直接被输出到放大器中去， 就不会