高精度自准直仪的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 10 4 1.09MB 45 页 15积分

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摘要

自准直仪是利用光学自准直原理,将角度测量转换为线性测量的一种测

量仪器。基于测量的高精度特性，常用于测量导轨的直线度、平板的平面度

等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。光电自准直仪多应用于航空航

天、船舶、军工等要求精密度极高的行业，例如机械加工工业的质量保证（平

直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度测试标准、棱镜

角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等。特别是在精密、超

精密定位方面，更有不可替代的作用。

随着科技的发展，对测量精度和动态响频要求逐步提高，国内大部分的

自准直仪性能已不能满足要求，本论文对基于面阵 CCD 探测传感器的自准直

仪主要进行以下几部分工作：一是应用 ZEMAX 对自准直仪的光学系统进行

仿真、验证所选择的系统部件组成的测量光路像差在允许的像差范围内。二

是对硬件电路进行设计，使得产生脉冲能驱动面阵 CCD 输出视频信号，并对

视频信号进行预处理，再采集数据并进行模数转换和数模转换，以实现数据

的处理、存储和显示。三是对图像处理设计软件算法，采用亚像素细分算法

并用 Matlab 编写程序，实现高精度测量和测量结果的显示。

通过搭建光路进行测量实验，实现了自准直仪能够同时对垂直和水平轴

两个方向进行微小角度的测量，接着，对误差进行了较为全面地分析和总结，

并提出自己的一些观点，为将来高精度自准直仪的研制做好了一些准备工作。

关键词：自准直仪面阵 CCD 图像处理亚像素细分

ABSTRACT

Autocollimator is an apparatus working by the principle of transforming the

angle measurement into the linear measurement. Based on the measurement of

high precision, it is commonly used in the measurement of straightness of the

rails, the flatness of the plane(known as the flatness measuring instrument). By

means of the steering prism, it can also be used to measure the verticality.

Photoelectric autocollimator has been widely used in the aerospace, shipbuilding,

military, and other industry requiring extremely high precision, such as the

quality assurance of machining industry(straightness, flatness, perpendicularity,

parallelism, etc), standards development of the metrology verification industry,

position and monitor of the prism angle, optical component testing and

installation and precision control, etc. Especially in the field of sophisticated and

ultra-precision positioning of an irreplaceable role. Autocollimator is an

instruments which is compact and easy to carry, performing a stable and reliable

measurement.

Domestic autocollimator can be divided into two major categories, With the

development of science and technology and the increase requirement of the

measurement accuracy and the dynamic sound frequency, the study of

high-precision photoelectric autocollimator has an important significance. In this

work, the optical system, the hardware circuit and the software algorithms are

studied based on the data acquisition of the array CCD. The reticule, the

collimator objective and the photodevice are selected, the light system is designed

by the ZEMAX. The drive circuit and the data acquisition circuit are laid out

subsequently. Subpixel precision measurements are programming by the Matlab

in the end.

Finally, the small angle on the vertical and horizontal direction are measureed

by the experimental measurement through the optical path system. The error

analysis is ready for the collimator with a higher precision in the future.

Key words: autocollimator, array CCD, image processing,

sub-pixel subdivision

摘要

ABSTRACT

第一章绪论………………………………….…………………………………………1

§1.1 自准仪的发展动态…………………...………………………………………1

§1.1.1 自准仪的国际发展动态…………...……………………………………1

§1.1.2 自准仪的国内发展动态………………...………………………………2

§1.2 现代光电自准直仪的特点与发展趋势………...……………………………3

§1.3 本课题的研究目的与意义……………………………………………………4

§1.4 课题章节归纳…………………………………………………………………4

第二章自准直仪的测量原理及结构设计….…………………………………………6

§2.1 自准直仪的测量原理…………...……………………………………………6

§2.2 结构设计…………………………...…………………………………………7

§2.3 自准直仪的部件选取…………………………………………………………8

§2.3.1 光源的选取………………........………………………………………8

§2.3.2 分划板的选取……………………………………………………..…10

§2.3.3 准直物镜的选取…………………………………………………..…11

§2.3.4 光电探测器的选取………..…………………………………………11

第三章高精度自准直仪的系统设计…………………………………………………14

§3.1 光路系统……………………….....…………………………………………14

§3.2 光学系统仿真…………………..…...………………………………………14

§3.3 硬件系统…………...……………….………………………………………16

§3.3.1TCD5390AP 特性….…..….…………………………………………17

§3.3.2 TCD5390AP 驱动电路….…..………………………………………20

§3.3.3 视频信号的处理………....…………………………………………21

§3.3.4 数据采集……………….……………………………………………23

第四章自准直仪的算法与程序……………..…..……………………………………26

§4.1 图像处理算法………..…………...…………………………………………26

§4.1.1 插值法………….……….……………………………………………26

§4.1.2 拟合法………….……….……………………………………………27

§4.1.3 本课题的亚像素细分算法….….……………………………………29

§4.1.4 Matlab 算法编程……………………………………………………30

§4.2 软件流程……………………………….……………………………………31

第五章 CCD 自准直仪的实验验证及误差分析…..…….……………………………33

§5.1 实验目的……………………………………….……………………………33

§5.2 实验结果………………………….…………………………………………33

§5.3 误差分析………………………….…………………………………………34

§5.3.1 原理误差…………………...……………………………………..…34

§5.3.2 光学系统误差……………….………………………………………34

§5.3.3 硬件系统误差………………….……………………………………35

§5.3.4 软件算法误差……………….………………………………………35

§5.3.5 机械安装误差………………..………………………………………35

§5.3.6 环境误差……………………..………………………………………36

§5.4 提高光电自准直仪性能的几点建议….…………………..…………………36

第六章总结和展望…………………………….….…..…….…………………………38

参考文献…………………………………………….…………………………………39

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果……….……………………42

致谢……………………………………………………………...……………………43

第一章绪论

§1.1 自准直仪的发展动态

自准直仪发展于上世纪 30 年代，广泛应用于角度测量，尤其在精密机械加工

和精密定位方向具有不可取代的作用。进入 80 年代后，随着光机电等方向的快速

发展，为传统自准直仪向现代自准直仪的转变提供了条件，实现了同时双轴测量、

数字显示和通过相应的标准接口与计算机相连接进行快速的数据采集处理，测量

仪器的分辨力和准确度大大提高，测量速度加快，可实现动态测量。目前自准直

仪分为目视自准直仪和光电自准直仪两大类。目视自准直仪：直接利用测微装置

或可动分划板从分划板或读数鼓轮上读出数值，精度最低。光电自准直仪：用光

电瞄准替代目视瞄准。主要有振动狭缝、光栅测微和基于 DSP 芯片、计算机及 C

光电探测器技术的新式自准直仪，由内置的高速数据处理系统对光电传感器信号

进行实时采集处理，读取数值，可同时读取二维角度测量值，测量精度高，是自

准直仪中测量准确度较高、发展历史较短的一类。

§1.1.1 自准直仪的国际发展动态

国际上生产光电自准直仪国家主要有：德国、英国、美国和日本等。仪器的

测量范围从 10''到±1000''，分辨力从 0.1''到0.005''，精度从 4''到±0.03''。60 年代开

始到 90 年代英国泰勒·霍普森(Taylor/ Hobson) 公司生产的产品引领该产品的先进

水平，其产品 TA3 和TA53/57/58/80 等应用了振动狭缝的测量技术，测试的精度

达到 0.2''，现在该公司推出的主要产品有 TA80、DA20 以及 DA400 型，分辨率为

0.1''和0.01''，误差为±0.1''和±2''。在本世纪初德国 MOLLER 公司推出的 ELCOMAT

HR 和ELCOMAT 3000 型光电自准直仪精度达到 0.1''，误差为±0.03''和±0.25''是目

前世界最高精度的自准直仪，采用的光电传感器件是高分辨力的线性 CCD。国外

产品类型包含单坐标测量和双坐标测量，有鼓轮读数和数字显示，在数字显示中

一般都采用 RS-232 接口传输数据[1]。在光电传感器方面一般都选用高分辨率线阵

CCD。有关国外一些典型的自准直仪的主要技术指标详见表 1-1。

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摘要自准直仪是利用光学自准直原理,将角度测量转换为线性测量的一种测量仪器。基于测量的高精度特性，常用于测量导轨的直线度、平板的平面度等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。光电自准直仪多应用于航空航天、船舶、军工等要求精密度极高的行业，例如机械加工工业的质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度测试标准、棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等。特别是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用。随着科技的发展，对测量精度和动态响频要求逐步提高，国内大部分的自准直仪性能已不能满足要求，本论文对基于面阵CCD探测传感器的自准直仪主要进行以下几部分工作：一是应用ZE...

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