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CCD光电自准直仪工作原理及误差源分析


第 2 7卷 专 刊
2 0 0 7年 6月

大地测量与地球动力学
JOURNAL O F GEOD ESY AND GEOD YNAM I CS

Vol 27 Spec. .

  June, 2007

CCD 光电自准直仪工作原理及误差源分析
欧同庚

1, 2)

  陈志高

1, 2)

  杨博雄

1 )中国地震局地震研究所 ,武汉  430071

2 )地壳运动与地球观测实验室 ,武汉  430071

摘    要 主要介绍了 CCD 光电自准直仪的工作原理并进行了误差源分析 。
光电自准直仪   工作原理   误差   分析 关键词  CCD   中图分类号 : P204      文献标识码 : A

O PERAT ING PR INC IPL E AND ERRO R SO URCE O F A NEW TY PE O F CCD PHO TO EL ECTR IC AUTOCOLL I ATO R M
Ou Tonggeng
1, 2)

, Chen Zhigao

1, 2)

, Yang Boxiong

1 ) Institu te of S eism ology, CEA, W uhan  430071

2 ) C rusta l M ovem en t L abora lory, W uhan  430071

Abstract The operating p rincip le of
analyzed.

key words: CCD ( Charged Coup le Device ) , photoelectric autocollim ator, error, operating p rincip le, analysis

1  前言

自准直仪是利用光学自准直原理 , 利用小角度 测量或可转换为小角度测量的一种常用技术测试仪 器 ,它被广泛用于角度测量 、 导轨的平直度和平行度 测量 、 台面的平整度测量 、 精密定位 、 自动角度定位 环集成等方面 ,是机械制造 、 、 造船 航空航天 、 计量测 试、 科学研究等部门必备的常规测量仪器 ,特别是在 精密 、 超精密定位方面 ,更有不可替代的作用 。随着 电荷耦合器件 CCD 越来越广泛地应用于光学图像 的识别与处理中 ,将高分辨力的 CCD 摄像器件引入 光电自准直仪 ,是进行弱信号处理的发展趋势 。

3 收稿日期 : 2007 2 2 03 19

( 基金项目 : 地震科学联合基金 :“ 基于实时通讯技术的多齿台检测系统研究 ” C07014) 作者简介 : 欧同庚 ,男 , 1978 年生 ,硕士 ,工程师 ,主要从事光电技术与光电检测等方面的研究工作

the new 2type photoelectric autocolli ator is introduced and its errors is m

2  CCD 光电自准直仪工作原理

CCD 光电自准直仪是根据光学自准直原理 , 以

线阵 CCD 为传感器 , 利用 CCD 器件本身的像素扫 描来测量自准直像的位置 ,采用 A /D 变换器对目标 信号进行采集 ,并用 DSP 芯片实时处理采集的大量 数据 ,同时通过显示器输出处理结果 ,从而使精度及 稳定性均达到新的水平 。 其工作原理如图 1 所示 。将线阵 CCD 器件放 在自准直仪物镜的焦面上 , 光源发出的光经过物镜 后形成一束平行光束照射在平面反射镜上 , 如果平 面反射镜垂直于物镜光轴 ,则反射光线按原路返回 , 经过物镜后 ,成像于 CCD 器件上 , 根据这一位置确

   文章编号 : 1671 2 5942 ( 2007 ) Spec. 2 0098 2 03
1, 2)

  付辉清

1, 2)

1, 2)

and Fu huiqing

1, 2)

3

  专刊

欧同庚等 : CCD 光电自准直仪工作原理及误差源分析

99

定点的零位 。如果平面反射镜与物镜光轴之间产生 α Δ 一倾角 Δ , 则反射线与物镜光轴之间夹角为 2 α, 相应的反射回来的像的位置将与原来的位置 (零 位 ) 相差 Δ 。 L

焦点的距离 。假设反射镜工作面平面度为 1 / 5 光圈
(相当于凸形 h = 6 × 10
2 - 5

mm ) , 其对应的球面半径

R = D / 8 h ( D 为反射镜直径 , 取 D = 60 mm ) , 则 : R =

60 / ( 8 × × 6 10

2

- 5

7 = ( 3 / 4 ) × mm , 对球面反射镜 10

7 来说 , 焦距 f ′ : f ′ R / 2≈ ( 3 / 8 ) × mm , 也就是 10 球为 球 7 相当于 ( 3 / 8 ) ×10 mm 来的一束会聚光 , 即 : x =

f ′, 则 x ′ f / x = 0. 20 mm , 分划板与准直系统像面 = 球

2

不重合 , 若按距离 0. 20 mm 计算 , 影响角值近似为 : 当 α = 5 ′ , δ = adf / f ′ 0. 07 ″ α = 1 ′ , δ = 时 反 ≈ ;当 时 反
adf / f ′ 0. 01 ″ ≈ 。
图 1  工作原理
Fig 1  Operating p rincip le .

3. 2   准直系统瞄准误差
准直系 统 的 瞄 准 方 式 是 通 过 电 荷 耦 合 器 件
CCD 成像 、 信号采集及数据处理来实现的 , 因此准

3  误差源分析
CCD 光电自准直仪误差主要包括原理误差 , 准

直系统瞄准误差包括数据处理及算法误差等

[2]



采用 CCD 瞄准的关键是利用图像处理的方法 准确计算十字丝的位置 ,一般采用 CCD 细分方法来 寻求刻线的几何中心 , 比如灰度积分法 、 曲线拟合 法、 双边直线拟合法等 , 采用不同的方法 , 就获得不 同的精度
[3]

直系统瞄准误差 (数据采集和处理误差 ) , CCD 引起 的误差如 CCD 非均匀 、 响应非线性误差 , 电噪声误 差以及外界环境引起的误差等 。

3. 1   原理误差

[1 ]


[ 4]

1 )理论误差之一 δ 1 理

3. 3  CCD 的非均匀性 、 响应非线性误差

α 由图 1 我们知道 , Δ 与 Δ 之间的关系为 :ΔL L Δ = f tg ( 2 α) ; 当 Δ 很小的时候 , 上式可以简化为 Δ L L Δ α = f ( 2 α) , 这个时候就存在理论误差 , Δ 角越大 , 理论误差就越大 , 通常自准直仪最大测量角约为 Δ Δ Δ 2 α = 2 × ′ 10 ′ Δ = ± ′ ,δ 1 = tg2 α - 2 α 5 = ,当 α 5时 理 α α ≈ 0. 002 ″ Δ = ± ′ ,δ 1 = tg2 - 2 ≈ 0 ″ ,当 α 1时 理 。
2 ) 理论误差之二 —— — 出射光非严格平行光线

理想的线阵 CCD 应是线形空间不变的 ,即应该 满足线形关系 : V ( x ) = KE ( x ) , 式中 , V ( x ) 是线阵
CCD 的 x 像元的电压 ; E ( x ) 是线阵 CCD 的 x 像元

的曝光量 ; K是比例系数 。一般线阵 CCD 确定后 , K 为常数 , 与像元位置及曝光量无关 。但是我们知道 实际的线阵 CCD 存在不均匀性及非线性 , 使上式中
K不是常数 , 而与位置及曝光量有关 。光电响应的

所引起的误差 δ 2 理 自准直法基本原理是由光源在物镜焦点上发出 的光线 , 经物镜后成为一束平行于光轴的平行光线 , 而设计中采用的是柯拉照明系统 , 其光源是点光源 , 所以经过物镜后的光束并不严格的平行 。若射入光 线的光束之主光束的主光线有所倾斜 , 则测量的理 2 论误差 δ 2 = ( l /L )ρ其中 , L =Γ / 0. 25 m 为物镜前 , 理 的平行光的会聚点到物镜的距离 (在我们研究的光 电自准直仪中为了保证精度 , 我们要求 L ≥100 000 m ) , l为光束的主光线射入物镜点至自准直系统轴 的距离 , 一般大约为 4 mm。ρ = 206 265 ″ , 将其代入 8 得到 :δ 2 = ( 4 / 10 ) × 265 ″ 0. 01 ″ 200 ≈ 。 理
3 ) 反射镜平面度误差带来的误差 δ 反

不均匀性和非线性直接影响测试系统对光斑位移的 准确判断 , 带来测量误差 。
1 ) 感光单元灵敏度不均匀性误差 CCD 感光单元灵敏度误差是由于制造过程中

半导体材料杂质不均匀造成的 , 光电探测器光电响 应不均匀性一般定义为器件各光敏元在 50 % 饱和 曝光量条件下均匀曝光 , 各自输出信号 V i 的标准差
V0 与其平均值 Vm 的比值 , 以符号 PRNU 表示 。一

般 CCD 器件的不均匀性可达到 7% ~15% , 不均匀 性导致每一像元的响应度不同 , 使得在均匀光照下 各个光敏元输出信号不相等 , 必然使能量分布的探 测失真 。 TCD1501D 型号的 CCD 感光单元灵敏度 不均匀误差小于 10% , 其饱和输出电压 V sat为 3 V ,
CCD 感光单元灵敏度不均匀产生的电平误差为 :
[5]

反射镜工作表面的平面度误差破坏了反射光束 的平行度 。当准直系统轴线与反射镜垂直时 , 假定 反射镜工作平面是凸形 , 平行光线经反射镜后变成 汇聚光线 , 由几何光学牛顿公式可知 : xx ′ f , 式中 , = x 为物体至物镜物方焦点距离 ; x ′ 像方目镜至像方 为
2

Δ R ≤V sat × 5 × υ 0. 10% = 0. 15 V ,根据实验数据可以 作出曲线 ,求出在边缘区域点附近曲线的斜率 。对 边缘点附近几个点的曲线进行一次拟合 , 求出斜率
k。得到均匀光照时 , CCD 感光单元灵敏度不均匀

100

大地测量与地球动力学

27 卷

产生的误 差为 : δ = R

ΔR υ
k

, 一 般 斜 率 k 大 小 为 150

   当然电源的电压也对测量结果有影响 , 为了减 少电源电压的波动 , 可以采用支流稳压电源供电 。 通过上述这些方法可将误差控制在允许的范围内 。

μ mV / m 左右 , 这个 δ 值比较大 , 需要校正 。 R
2 ) CCD 光电探测器光电响应非线性误差

光电响应非线性表征了探测器光电转换过程中 比例失调的缺陷 ,理想探测器在动态范围内的输出 电压 V (或电流 I) 应与输入曝光量 ( E ) 成正比 : V = KE, 而实际器件一般不满足上述关系 , 而且关系可 能比较复杂 , 但可以用低阶多项式拟合这一光电转 换关系 : V = K0 + K1 E + K2 E + … + Kn E (图 2 ) , 对 于实际 ( 1 ) 型探测器 , 只有当曝光量超过某一值后 才有信号输出 , E < E0 为其盲区 ; 对于 ( 2 ) 型探测器 无曝光量即有暗输出 V0 。显而易见 , 光电响应非线 形也将使探测器的能量分布失真 , 必须加以校正 。
2
n

5  外界环境条件引起的误差
1 )背景光的影响

仪器一般采用激光束 , 与激光束同时进入光电 接受器的杂散光 , 如阳光 、 灯光等也会引起 CCD 输 出信号的改变 。需要采用接受器壳体表面涂黑等方 法减少和消除杂散光的干扰 。 2 )振动影响 外界振动对 CCD 输出信号有很大影响 ,导致输 出信号发生改变 ,需要减弱 。 3 )空气扰动的影响 空气扰动的影响 , 实际上是当温度较高或较低 的小空气团穿过光束时引起了一个较弱的透镜作 用 ,使光束前后或上下抖动并导致光斑形状 、 大小发 生改变 ,从而影响测量精度 。可以采用控制外界环 境的方法减小 。 [6] 4 )制造误差和安装误差 制造误差主要包括透镜的焦距误差和偏心差 。 透镜在安装时 ,必须保证其光轴和系统光轴重合 ,否 则将会导致其共轴性的破坏 , 物像共轭关系发生变 化 ,像质亦受到影响 ,从而影响测量精度 。

图 2  理想探测器与实际探测器的光电响应曲线
Fig 2  Comparison betw een photoelectricity response curves . of ideal p robe and actual p robes

6  结语
理论分析与实验证明 , CCD 光电自准直仪中还 有其他原因引起的误差 ,诸如透镜组的像差等 ,这都 需要在设计的时候充分考虑 。随着 CCD 技术的日 益发展 ,制造加工技术的提高 , 高精度 CCD 光电自 准仪的研制成功必将成为现实 。 参 考 文 献

4  电噪声误差
电噪声误差主要来自 CCD 的暗电流噪声和信 号处理电路的噪声 。 CCD 的暗电流噪声是 CCD 器 件在一定时间内 ,由于热电荷积累产生的噪声信号 。 如 TCD1501D 的暗电流噪声 VDR K ≤2 mV , 其产生的 误差为 δ = e
VDR K k , 一般对高精度的 CCD ,斜率 k 大小

1  陈家汉 . 常用长度计量仪器误差和测量过程误差 (九 ) [ J ]. 计量技术 , 1996, 6: 50 ~53. 2  王庆有 . CCD 应用技术 [M ]. 天津 : 天津 大学 出版社 , 1993. 3  孙学珠 , 等 . 高精度 CCD 尺寸自动检测系统的光学系统

μ 为 150 mV / m 左右 ,计算得到 :δ = 0. 01 μm。 e 另外 , A /D 转换器存在转换误差 , 通常以最小 有效位 LSB 作单位 。设转换误差为 ± ( LSB ) , 则 N Q 位 A /D 转换器对输入 模拟 量的 相对 误差 为 Δ = N ( 0. 2 + Q ) / 2 , 若整个数据采集系统允许 A /D 转换 Δ 器的相对误差为 ΔH, 应使 Δ≤ H, 则 N ≥ log2 [ ( 0. 5 Δ + Q ) / H ], 在此 , 取 ΔH = 0. 1 % , Q = 1 LSB , 求得 N ≥10. 4, 我们选用 12 位 A /D 转换器就可以满足测 量精度要求 。作为我们设计的放大电路也好 , 还是 A /D 转换电路也好 , 都不可避免地存在噪声 , 可以 采用积分测量法消除噪声的影响 。

设计 [ J ]. 光学技术 , 1993, 6: 4 ~6, 29.
4  庞长富 ,等 . CCD 摄像机用于测量中存在的问题及解决方

法 [ J ]. 光学技术 , 1996, 2: 5 ~8.
5  日 本 TOSH I A 公 司 . TOSH I A CCD L I EAR I AGE B B N M SENSOR CCD ——TCD1501D [M ]. 1999. — 6  王之江 ,等 . 光学技术手册 [M ]. 北京 : 机械工业出版社 [M ]. 1994.


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