面阵CCD在双轴自准直仪中的应用
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第37卷，增刊红外与激光工程
2008年4月V ol.37Supplement
Infrared and Laser Engineering
Apr.2008
收稿日期：2008-03-09
作者简介：甘俊红（5），女，江西丰城人,高级工程师，主要从事精密测量技术方面的研究。
j @63面阵CCD 在双轴自准直仪中的应用
甘俊红，邹九贵，季国定
（中国船舶工业集团公司第6354研究所，江西九江332000）
摘要：介绍了一种高精度双轴自准直仪，它采用面阵CCD 器件作为光电传感器，利用自准直原理实现二维角度的测量。
对图像处理系统进行了重点阐述，采用直线拟合求十字线交点的方法保证了测量精度。
关键词：自准直仪；CCD ；图像处理中图分类号：TH741.14
文献标识码：A
文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0060-03
Application of sur face array CCD in twoaxis autocollimator
GAN Jun-hong,ZOU Jiu-gui,JI Guo-ding
(The 6354Ins t itute of CSSC,Jiujiang 332000,China)
Abstr act:A high accuracy two_axis autocollimator is introduced in this paper,which uses the surface array CCD com ponents as photoelectricy sensor,and two-axis angle by the theory of autocollimate are measured.In this paper,the system of image processing is explained in detail,and the method of matching straight line to get the point of cross line prom ise m easure accuracy.
Key wor ds:Autocollimator;
CCD;
Image processing
0引言
自准直仪(又称自准直测微平行光管)是应用自准直原理测量小角度的检测仪器。
它是将被测件上反射镜旋转角度的变化转换成自准直仪接收器件上的线量变化，通过测出线量变化间接检测出反射面微小角度变化。
自准直仪按测量维数可分为一维和二维两种，二维自准直仪可同时测量两个方向的角度值。
按精度和检测方法，自准直仪可分为目视和光电两种，一般光电自准直仪精度比目视自准直仪高，读数方便，对环境要求也较高。
作为一种精密角度测量标准，自准直仪广泛应用于计量检定、精密机械加工等领域中。
在角度的计量检定中，自准直仪是一种重要的检测仪器。
对于具有
二维测量、大范围、高精度的光电自准直仪，在国外
已有性能优良的商业产品推向市场，但因价格昂贵和国际政治因素的影响，引进较困难，而且仪器的维护修理很难保障。
为顺应市场的需求，研制开发了CCD 双轴自准直仪，其测量范围±500″，测量精度0.2″。
1总体设计
CCD 自准直仪的设计结合了机械、光学、电子
学、计算机和图像处理等多方面的技术，主要利用了自准直原理，将测量十字分划板的光束经反射镜反射成像在面阵CCD 器件上，使反射镜的二维角度变化转化为对应CCD 器件上两个方向的线值量变化，通过对CCD 器件输出信号的采集，经过数据处理计算出线值量变化量，利用自准直原理计算角度变化，从
197-Email:gan unhong
增刊甘俊红等：面阵CCD 在双轴自准直仪中的应用61
而实现高精度二维角度变化的测量。
系统主要由机械壳体、光学部分、硬件电路部分、计算机软件部分组成，整个系统结构框图如图1
所示。
图1CCD 自准直系统结构框图
Fig.1Structure frame diagram of CCD autocollimation system
仪器的测量原理是:光源发出的光束照亮十字线分划板经光学透镜组后形成平行光射向反射镜(反射镜位于被测物体上)，反射镜将入射光束反射回光学透镜组，并成像在CCD 器件上，在驱动电路的作用下，CCD 器件将内部像素信号顺序输出，数据采集电路对CCD 器件输出信号进行调理和采集，实现模拟信号数字化，最后将采集数据传入计算机，在计算机内进行数据处理和显示。
2图像处理系统设计
CCD 自准直仪可分为光学系统和图像处理系统
两部分，图像处理系统的设计包括硬件电路和软件的设计，其关键点是图像传感器的选择和图像处理软件的设计。
2.1图像传感器的选择
根据采用的光电探测器件的不同，自准直仪可分为光敏电阻式、PSD 器件、线阵CCD 器件、面阵CCD 器件等类型，其中PSD 器件和CCD 器件是发展方向，目前国外自准直仪生产商多采用这两种器件。
采用面阵CCD 图像传感器作为光电转换器，CCD 的选择直接影响测量系统的测量精度、分辨率等技术指标，因此，它的选择非常关键。
CCD 是20世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。
随着微电子和图像处理技术的发展，CCD 技术在影像传感中的广泛应用，已成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。
CCD 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。
CCD 器件的主要功能是把二维光学图像转变成为一维视频信号输出，一般分为线阵CCD 和面阵CCD 两大
类，设计中采用面阵CCD 。
在选择CCD 型号时，要从分辨率、视场、稳定性、均匀性、噪声及抗干扰性等方面考虑，设计中选择了1024×1280，像素尺寸：7m ×7m 的CCD 。
CCD 图像采集卡主要由CCD 、驱动电路、信号处理电路、电子接口电路、光学机械接口等构成，其原理框图如图2
所示。
图2CCD 图像采集卡的系统框图
Fig.2
System frame diagram of CCD picture collection card
2.2硬件电路设计
本系统的硬件电路结构如图3所示，采用DSP
嵌入式开发系统，通过FPGA 实现对外围电路的接口和逻辑控制，外围电路由CCD 相机接口、存储器、
液晶显示、触摸屏、蜂鸣器及指示灯等部分组成。
图3
电路结构框图
Fig.3
Structure frame diagram of electric circuit
DSP 是指专用于数字信号处理的高速器件，目前已在实时信号处理系统中得到了广泛应用。
本系统中使用的DSP 为TI 公司生产的TMS320C31，它是一
款浮点运算的DSP 芯片，由于浮点运算与定点运算结合，具有更高的精度，且不用考虑运算的溢出问题，因此浮点DSP 具有更好的性能，更容易在系统的处理器上实现高级语言。
FPGA 即现场可编程门阵列，设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和引出端，将电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，通过对芯片的设计
62红外与激光工程：高精度几何量光电测量与校准技术第37卷
实现对数字系统的逻辑功能。
采用可编程逻辑器件，可以减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能和可靠性。
采用了触摸屏作为输入设备，与彩色液晶显示器配合使用，并通过菜单方式进行操作，使人机交互更为直截了当。
2.3软件设计
系统软件的任务是要完成对系统的硬件的初始化，要对数据进行采集、处理、输出、保存等功能，并能够对用户的操作进行相应的处理，实现人机交互功能。
本系统的整个应用软件用C语言编程，并采用模块化结构设计程序。
其目的在于提供较好的结构、可读性和可移植性。
CCD双轴自准直仪是一款智能化精密小角度测量仪器，它采用触摸屏输入、彩色液晶显示输出、菜单方式操作，具有良好的操作界面：可以在大数字、表格、十字线等不同的显示方式间切换；可以在毫弧、秒、度分秒、度、微米/米等不同的角度单位间切换；可以根据测量需要设置不同的显示分辨力；具有中文/英文两种语言方式；可存储当前的角度数值，还可以通过RS232接口发送数据。
CCD二维自准直仪中的关键技术是采用面阵CCD进行图像处理，涉及到图像滤波、域值提取、直线拟和、像素细分等重要技术。
图像处理的精度直接关系到测量的精度，通过大量的试验分析比较，采用了以下计算十字丝中心的图像处理方法。
程序流程如图4
所示。
图4十字丝中心计算流程图
Fig.4Flow diagram of calculating graticule center
3结论
采用面阵CCD作为光电转换器件，实现高精度、双轴、大范围测量，测量范围可达±500″。
采用直线拟合计算十字丝中心的算法，大大提高了分辨力和测量精度，测量精度达到0.2″，分辨力优于0.01″。
参考文献：（略）。
