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1、测量与设备线阵CCD位移测试技术的误差分析蒋剑良 孙雨南(北京理工大学光电工程系,北京 100081) 摘 要 利用线阵CCD进行位移测量的两种方法:边缘检测法和中心检测法,其相关的误差来源是不同的。根据静态位移测量和动态位移测量两种情况,从原理上对边缘检测法和中心检测法的测量误差进行了分析并对两种方法进行比较,分析了应用中存在的局限性。关键词 线阵CCD 位移测量 误差分析间间隔,所以,在静态测量中CCD输出信号呈理想一、引言的对称性,而在动态测量中CCD输出信号不具理想CCD是70年代发展起来的新型半导体光电转的对称性。换器件。随着科学
2、技术的发展,CCD的生产制造技术日臻成熟,价格大幅度降低。CCD作为一种自扫描式光电接收器件,在许多领域都得到了应用,如图形识别、几何尺寸测量、位置测量、光学测量等。同时,CCD可以直接输出含有目标空间位置(图像)的电信号,大大方便了其后续信号采集与处理电路的[1,2]设计和制作,其研究与应用因而倍受重视。典型的CCD光电测试系统由光源、CCD传感器、光学系统、信号采集与处理电路以及后续处理系统构成,其使用范围和优越性是现有其它测量方法无法比拟的。目前,CCD类电测试技术与计算机技术系统日益融合,可以灵活、方便地组成各种虚拟测试系统,利用线阵
3、CCD进行位移测量,是根据CCD靶应用于现场测试。类似测试系统的开发和应用有力面上成像光斑位置来确定的。确定该位置有两种方地促进了虚拟测试技术的产生、完善和发展,成为仪法:一种是检测光斑边缘,另一种是判断光斑中心。器仪表技术的主要发展方向之一。光斑的中心是指光斑的几何中心点;而光斑的边缘本文将对线阵CCD位移测试技术进行误差分是光斑中的一个点,相对于CCD输出信号中的特定析。阈值和相应的像元或像素。在中心检测法中,借助信号的对称性来判断光二、线阵CCD位移测量原理与光源特性斑的中心,无须设定判断阈值。而在边缘检测法中,CCD测试应用可划分为静
4、态测量和动态测量。不用考虑光斑的对称性,利用设定的阈值来确定光静态测量是指CCD各个像元接收到的光信号在时斑的边缘。域上是不变的,或者在CCD的相同积分时间内光信11位移测量原理号变化足够慢以致可以忽略;动态测是指CCD各个典型位移测量原理以图所示的角位移测量来分像元接收到的光信号在时域上变化很快,即在相同析[2,3]。由光源发连续平行光入射到与运动部件连[3]积分时间内这种变化不能忽略。CCD输出信号接在一起的平面反射镜上,使被测物体不同位置对在不同的情况下,呈现不同的特点。由于光斑呈一应着不同的反射光线。光源成像于线阵CCD上,转定的宽度
5、,CCD信号处理电路必须有一定的积分时镜位于其平衡位置时,反射光线与透镜光轴重合。·16·计量技术2002No7测量与设备根据图中所示可得出下面的关系式:L(t)=W·e(t)(5)y=Ftan2φ式中W为CCD靶面上高斯光束的光斑半径r式中y为CCD靶面上的光斑中心到光轴的距(z0)。严格地,转镜运动时,z0是变化的,但是由于离;F为透镜的焦距;φ为被测物体的转角。由线阵转镜的偏角较小,在转镜运动时光线自光源到CCDCCD检测y,求反函数就可得φ,从而判断目标运动靶面的距离z0,可以认为恒定。故以恒定值W表规律。示r(z0)如果保持转镜位置
6、不动,让光源随待测物体运结合式(1),光斑边沿位移可表示为:动;或光源不动,镜子随待测物体运动,也可检测以y=F·tan2(φ+L)(6)其它规律运动的物体位移。当然,图中所示的光学式中φ是根据光斑中心移动来判断的被测物体系统需要作相应的改变[5],此处不再细述。转角,L为以角度表示的CCD上光斑宽度的一半。21光源特性需要指出,式(4)是定义在振幅1/e处的光斑相理想的线阵CCD应是线性空间不变的,即满足对半径,而式(5)为CCD信号处理电路的判决阈值线性关系:所确定的光斑绝对宽度一半。V(x)=K·E(x)(2)三、位移测量误差分析式中,
7、V(x)是线阵CCD的x像元输出的电压;E(x)是线阵CCD的x像元的曝光量;K是比影响测量准确度的因素很多,借助光学系统矫例系数。线阵CCD确定后,K为常数,与像元位置正和电路信号补偿的方法,可以将光电响应的非均及曝光量无关。实际的线阵CCD存在不均匀性及匀性及其对测量准确度的影响减小到系统误差以[4]非线性,使式(2)中K不是常数,而与位置及曝光量下;同时,光学系统误差,由光学设计来解决;信有关。光电响应的不均匀性和非线性直接影响测试号处理电路的误差由电路设计来消除;影响测量准[1]确度的主要因素是原理误差。系统对光斑位移的准确判断,带来
8、测量误差。关于光电响应的不均匀性和非线性与测量误差的关系、11静态测量误差静态测量时,CCD靶面上成像光斑静止不动。光电响应的不均匀性和非线性的校正,见参考文献根据
