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基于CCD的莫爾條紋計數器系統研究
摘 要：本文應用面陣CCD對莫爾條紋移動(dòng)數目進(jìn)行了研究。在此基礎上，利用單片機、模擬數字電子技術(shù)及光電檢測技術(shù)設計了一套莫爾條紋計數器系統。通過(guò)對面陣CCD莫爾條紋計數裝置的系統分析確定了光學(xué)系統的構成和面陣CCD信號輸出處理系統的方案。
關(guān)鍵詞：面陣CCD;莫爾條紋;信號輸出處理系統;單片機
一、系統工作原理
本系統以面陣CCD作為光電傳感器接收待測的圖像信號。CCD傳感器將莫爾條紋圖像信號轉換為視頻信號，視頻信號中每一個(gè)離散電壓信號的大小對應該光敏元所接收光強的強弱(用y軸表示)，而信號輸出的時(shí)序則對應CCD光敏元位置的順序(用X軸表示)。則CCD所接收的光強與CCD光敏元位置的關(guān)系如圖所示。
系統中通過(guò)單片機數據采集電路完成對CCD像元固定點(diǎn)采樣，并將采集結果通過(guò)串行口發(fā)送給PC機，PC機數據處理系統對數據進(jìn)行處理，對比同一點(diǎn)的電壓變換次數就可以得知經(jīng)過(guò)該電位置的莫爾條紋個(gè)數。采用CCD的優(yōu)點(diǎn)就在于可以同時(shí)采集多個(gè)點(diǎn)的電壓變換情況，使數據測量更為準確，同時(shí)在該系統的基礎上稍微改動(dòng)就可以用它進(jìn)行光譜數據的采集，非常方便，實(shí)用。
二、莫爾條紋實(shí)驗原理
根據柵式數字傳感器的工作原理，可分為光柵和磁柵兩種。光柵是由很多等節距的透光縫隙和不透光的刻線(xiàn)均勻相間排列構成的光電器件。按其原理和用途，它又可分為物理光柵和計量光柵。物理光柵是利用光的衍射現象制造的，主要用于光譜分析和光波長(cháng)等量的測量。計量光柵按應用范圍不同又分為透射光柵和反射光柵兩種，具體制作時(shí)又可制作成線(xiàn)位移的長(cháng)光柵和角位移的圓光柵。按光柵的表面結構，又可分為幅值光柵和相位光柵等。幅值光柵是利用照相復制工藝加工成柵線(xiàn)與縫隙為黑白相間結構，故又稱(chēng)為黑白光柵。實(shí)驗中用的就是這種光柵。
柵式傳感器的測量電路。
1)光電轉換
主光柵和指示光柵做相對移動(dòng)產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過(guò)轉換電路才能將光信號轉換成電信號。光柵傳感器的光電轉換系統由聚光鏡和光敏元件組成(也就是攝像機和鏡頭，攝像機也就是CCD器件是由許多個(gè)光敏元件組成)，當兩塊光柵做相對移動(dòng)時(shí)，光敏元件上的光強隨莫爾條紋移動(dòng)而變化，如圖2。
在a處，兩光柵刻線(xiàn)重疊，透過(guò)的光強最大，光電元件輸出的電信號也最大;c處由于光被遮去一半，光強減少;d處的光全被遮去而成全黑，光強為零;若光柵繼續移動(dòng)，投射到光敏元件上的光強又逐漸增大，因而形成了如圖A所示的輸出波形[9]。
光敏元件輸出的波形可由下面的公式，描述：
U=U0+Umsin(2πx/W)
式中：U0――輸出信號的直流分量;
Um――交流信號的幅值;
x――光柵的相互位移量。
由上面公式可以知道，利用光柵可以測量位移量x的值。
2)辨向原理
為了辨別主光柵是向左還是向右移動(dòng)，僅有一條明暗交替的莫爾條紋是無(wú)法辨別的，因此，在原來(lái)的莫爾條紋上再加上一條莫爾條紋，使兩個(gè)莫爾條紋信號相差π/2相位。實(shí)現的方法是在相隔1/4條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，如圖3所示。
兩種信號經(jīng)整形后得到方波U1’和U2’。當主光柵右移(見(jiàn)圖b，d)時(shí)，U1’的微弱信號與U2’相與得到正向移動(dòng)脈沖，從與門(mén)Y1輸出;而 U1’倒相后微分，在與門(mén)Y2相與，由于在U1’的微分脈沖出現時(shí)，U2’是低電位，故Y2沒(méi)有輸出脈沖。當主光柵左移時(shí)，U1信號超前U2信號π/2相位，U1’的倒相方波經(jīng)微分后，在與門(mén)Y2上相與;U1’微分信號與U2’在與門(mén)Y1上相與的結果正好和右移情況相反，而Y1沒(méi)有脈沖信號輸出，Y2有脈沖信號輸出。這樣就實(shí)現了主光柵左右移動(dòng)的方向辨別。
3)細分原理
如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數莫爾條紋;倘若要讀出位移為0.1μm，勢必要求每毫米刻線(xiàn)一萬(wàn)條，這是目前工藝無(wú)法實(shí)現的。因此，只能在有合適的光柵柵距地基礎上，對柵距進(jìn)一步細分，才可能獲得更高的測量精度。常用的細分方法有倍頻細分法，電橋細分法等。這里介紹四倍頻細分法，其他方法可以參考相關(guān)文獻。
在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列4個(gè)光電元件，如圖所示，得到相位分別相差π/2的四個(gè)正弦周期信號。用適當電路處理這一列信號，使其合并得到如圖所示的脈沖信號。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號的零點(diǎn)相對應，則電脈沖的周期為1/4個(gè)莫爾條紋寬度。用計數器對這一列脈沖信號計數，就可以讀到1/4個(gè)莫爾條紋寬度的位移量，這樣便到光柵固有分辨率的4倍。
三、檢測莫爾條紋的光學(xué)成像系統設計
3.1 莫爾條紋特征
1)莫爾條紋是由光柵的大量刻線(xiàn)共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線(xiàn)不均勻引起的誤差。
2)當指示光柵沿與柵線(xiàn)垂直的方向作相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線(xiàn)方向移動(dòng)(兩者的運動(dòng)方向相互垂直);指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。在圖中，當指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上運動(dòng)。
3)莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著(zhù)指示光柵與主光柵刻線(xiàn)夾角θ而改變。θ越小，L越大，相當于把微小的柵距擴大了1/θ倍。由此可見(jiàn)，計量光柵起到光學(xué)放大器的作用。
3.2 光學(xué)成像系統設計
光學(xué)成像系統的作用是使光學(xué)莫爾條紋能夠清晰地呈現在CCD圖像傳感器上。在該實(shí)驗中，把兩塊光柵距相等的光柵平行安裝，主光柵與指示光柵，使兩光柵保持平行，光柵間間隙要盡量小，微調主光柵角度，并且使光柵刻痕相對保持一個(gè)較小的夾角θ時(shí)，透過(guò)光柵組可以看到一組明暗相間的條紋清晰可見(jiàn)，即為莫爾條紋。莫爾條紋的寬度B為：B=P/sinθ 其中P為光柵距。光柵刻痕重合部分形成條紋暗帶，非重合部分光線(xiàn)透過(guò)則形成條紋亮帶。
四、誤差分析
影響測量精度的因素有很多，有些是可以通過(guò)減少誤操作等方式來(lái)避免或是減少;而有些誤差是在所設計系統中所固有的或是操作環(huán)境中存在的，是不可避免的。下面就影響測量結果的主要方面進(jìn)行誤差分析：
(1)光柵組的影響
為使CCD攝取的莫爾條紋圖像清晰，光柵組一定要平行，且間距要盡量小，即目測時(shí)莫爾條紋的暗帶要足夠黑，確定后光柵組一定要安裝緊固，以防平臺位移時(shí)因兩片光柵相碰擦造成光柵角度的變化，使莫爾條紋的寬度發(fā)生變化。如果光柵片相隔較遠，則暗帶條紋發(fā)紅發(fā)黃，軟件就可能會(huì )錯誤地讀取信號，錯誤地計數。
(2)光源的影響
實(shí)驗時(shí)要注意背景光的影響，如果光照太強，有可能造成自動(dòng)記數軟件誤讀數。
(3)環(huán)境因素誤差
其它的許多不可預知的因素可能會(huì )對測量產(chǎn)生影響：如環(huán)境溫度、濕度對測量器件的性能影響。一般情況下，可以忽略此類(lèi)影響。
(4)CCD輸出噪聲誤差
主要的噪聲為散粒噪聲、暗電流噪聲和復位噪聲，其中復位噪聲是主要的干擾源。
減小誤差的方法：
1)針對CCD的輸出噪聲誤差，可以采取多點(diǎn)采集方法減小誤差。
2)實(shí)驗過(guò)程中盡量保持安靜的環(huán)境，且實(shí)驗臺要穩定無(wú)振動(dòng)。
參考文獻：
[1]史立生，賈彥枝，左俊玲.邁克爾遜干涉儀干涉條紋計數器.河北師范大學(xué)學(xué)報，1996.
[2]王守權，張紹良，張薇.干涉條紋計數器的研制.長(cháng)春郵電學(xué)院學(xué)報，2000.
[3]張黎麗，莫長(cháng)濤.條紋計數器在光學(xué)實(shí)驗中的應用.大學(xué)物理實(shí)驗，2002.
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