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摘 要：由于传统的光电自准直仪存在测量视场范围小、系统设计过程复杂、测量结果不精确等问题，因此文中设计了一种基于PSD的新型光电自准直仪系统。文中具体介绍了国内外技术现状，分析了光電自准直仪的工作原理，给出了选取PSD作为光电探测器的系统结构，阐述了该系统的关键技术，此外，展望了该系统在未来的应用前景。
关键词：光电自准直仪;PSD;测量视场;光电探测器
中图分类号：TP211 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）02-00-03
0 引 言
现今，许多国家都在对光电自准直仪进行研究。光电自准直仪是通过将接收到的光信号转换成电信号从而进行小角度测量的仪器，已广泛应用于高精度测量系统中。
20世纪90年代之前，我国在研制光电自准直仪的光电转换部分主要采用振动子法，运用人眼进行瞄准，通过滚轮进行数据读取。而国外的研究技术要比国内先进许多，如德国MOLLER厂商研制的ELCOMAT HR型号[1]自准直仪全程精度已达到±0.3"。我国的研究从起初对国外产品的引进转变到自主研发，已取得较大进步，但在测量范围、测量精度等方面与国外仍有较大差距。目前，大多数光电自准直仪选用CCD、四限象光电探测器、位置敏感器件作为光电探测器，显著提高了光电自准直仪的测量精度[2]。
2 系统的总体结构
本文光电自准直仪利用PSD的横向光电效应，将投射在其光敏面上的光斑转换为电信号，根据PSD横竖方向四个电极的电流值，计算光斑位置，实现微小角度或位移的测量。同时，为了提高自准直仪的测量精度，采用调频光源与采样保持技术对背景光和噪声进行抑制。基于PSD传感器的光电自准直角度测量系统[4]总体结构如图2所示，包括光源、光学系统，反射镜、光电探测器，驱动电路、信号处理电路及人机交互终端。
系统的工作步骤：光源发出光线，通过光学系统照射到反射镜上，经反射镜反射，再经光学系统汇聚镜汇聚到探测器上，驱动电路驱动光源并控制信号处理电路完成信号处理，送至人机交互终端显示。
系统内主要组成单元的功能如下：
（1）光学系统实现出射光线的准直，将反射光线汇聚在光电探测器的光敏面上;
（2）入射在探测器光敏面上的光斑使其产生电流信号，信号处理电路完成光生电流的电流电压变换、放大、去背景、位置解算及A/D变换工作，人机交互终端负责将位置信息以数字与图形的形式显示出来;
（3）驱动电路用于驱动光源，控制信号处理电路与光源协调工作。
3 系统关键技术
光电自准直仪可大致分为光学系统、光电转换系统以及信号处理三部分。由图2可知，要保证仪器的测量范围和精度，应从系统设计和器件选择两方面综合考虑。
光学系统采用常见的自准直仪系统结构，如图3所示。系统主要包括目标反射面1，望远透镜组2，LED光源3，准直透镜4，分光棱镜5，汇聚透镜6，PSD芯片7，但在系统参数方面做出了优化与调整，整机焦距为450 mm，通光口径为90 mm。为降低光学系统畸变对自准直仪视场内测量精度的影响，将望远透镜组畸变控制在1%以内。
光电转换系统中，目前市场上的光电自准直系统大部分采用电荷耦合器件图像传感器（CCD），但存在一定的缺陷：
（1）CCD器件的工艺和结构特性限制了仪器的最小分辨率;
（2）由于采用光斑成像原理，为保证测量精度，对光斑经光学系统后的成像质量有较高要求;
（3）CCD驱动电路设计复杂，技术难度较高。
位置敏感器件（PSD）可认为是自准直仪光电转换器的较好选择，具有位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高、处理电路简单、光敏面内无盲区的特点。
为提高自准直仪的测量范围，光电探测器选用美国ON-TRAK公司设计生产的二维2L10SP型PSD芯片，如图4所示，其靶面尺寸为10 mm×10 mm，峰值响应波长为940 nm。为便于操作人员观察，光源选用人眼可见的中心为780 nm的大功率LED芯片，在保证器件响应效率的同时兼顾使用方便性。
图4 PSD芯片
目前许多自准直仪为降低研制难度，缩小设备体积，大多选用日本滨松公司生产的PSD专用处理芯片H2476，但其使用具有一定的局限性：无法完成调频信号的处理，只能处理直流信号，只适用于具有偏置电压引脚的PSD芯片。为提高自准直仪抵抗背景光干扰的能力，可采用干涉滤波片法、交流调制法等进行处理[6]。本文采用驱动电路调频光源以及进行控制信号处理电路采样的设计，为光源提供调频驱动电流，并根据PSD的光电响应延时设定采样时机和采样时长，提高信号采集的准确度。驱动电路以CPLD为核心，设计LVTTL到TTL的转换电路，以及LED驱动电路，各驱动信号具有频率一致、延迟与占空比可调功能。驱动电路结构如图5所示。
图5 驱动电路结构图
信号处理部分如图6所示，其中运算放大器选用输入偏置电流较小、稳定性好、低温漂、高共模抑制比的芯片。
反射像在PSD器件中心区域位置变化呈现的光电特性为线性，而在边缘靠近电极区域呈现非线性，即其感光面的光电响应具有类似相机畸变的现象，通常为枕形失真。针对此问题，可采用差值、拟合、神经网络等算法解决。本文自准直仪采用双调和样条差值方法[7]对非线性区进行校正，提高了光电自准直仪的全视场测量精度。
图6 信号处理结构图
4 结 语
随着科学技术的进步，人们对自准直仪的测量精度提出了更高的要求，而自准直仪各个组成部分都对其精度造成了影响。本文介绍的基于PSD的光电自准直仪具有高分辨力、测量视场范围大、抗背景光干扰等优势，并对PSD器件的非线性区进行了修正，有效拓展了仪器的线性测量区间，提高了测量精度，可大量运用于高精度小角度测量，机床工业的质量保证测量，位置监测，炮筒、圆滚内外圆同轴度测量，航天器微变形监测等方面[8]。光电自准直仪的研究与光学、电子学、机械学科息息相关，其他学科的进步也必将推动光电自准直仪的研究，使其沿着动态测量、二维测量甚至多维测量等方向发展。
参 考 文 献
[1]张继友，范天泉.光电自准直仪研究现状与展望[J].计量技术，2004（7）：27-29.
[2]凌东尧，沈东凯.光电自准直仪关键技术研究[J].中国新技术新产品，2014（7）：23-25.
[3]杨占立.基于光电自准直技术的航天器微变形监测[D].郑州：中国人民解放军信息工程大学，2017.
[4]黄祥，吴年祥.基于PSD的光电自准直仪角度测量系统研究[J].制造业自动机，2011，33（6）：39-41.
[5]王晔，于建南，周志伟.二维光电自准直仪中分划板研究[J].传感器与微系统，2016，35（12）：24-26.
[6]王君.光电自准直仪抗背景光干扰技术研究[D].西安：中国科学院大学（中国科学院西安光学精密机械研究所），2015.
[7]张风奇，王永生.二维位置敏感器件（PSD）的畸变矫正算法
研究[J].计算机科学，2013，40（11）：150-152.
[8]向民志，张名毅，范百兴，等.基于光电自准直的航天器微变形监测系统设计与实现[J].测绘通报，2016（z2）：280-282.
[9]张冬，王振宏.PSD光电自准直仪工作原理及误差分析[J].机械工程师，2014（12）：45-47.
[10]赵玉平，彭川黔，王劼.大口径细光束自准直测量系统的误差源分析[J].半导体光电，2018，39（3）：414-419.
[11] CUI S，SOH Y C.Linearity indices and linearity improvement of 2-d tetralateral position-sensitive detector[J].IEEE transactions on electron devices，2010，57（9）：2310-2316.
关键词：光电自准直仪;PSD;测量视场;光电探测器
中图分类号：TP211 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）02-00-03
0 引 言
现今，许多国家都在对光电自准直仪进行研究。光电自准直仪是通过将接收到的光信号转换成电信号从而进行小角度测量的仪器，已广泛应用于高精度测量系统中。
20世纪90年代之前，我国在研制光电自准直仪的光电转换部分主要采用振动子法，运用人眼进行瞄准，通过滚轮进行数据读取。而国外的研究技术要比国内先进许多，如德国MOLLER厂商研制的ELCOMAT HR型号[1]自准直仪全程精度已达到±0.3"。我国的研究从起初对国外产品的引进转变到自主研发，已取得较大进步，但在测量范围、测量精度等方面与国外仍有较大差距。目前，大多数光电自准直仪选用CCD、四限象光电探测器、位置敏感器件作为光电探测器，显著提高了光电自准直仪的测量精度[2]。
2 系统的总体结构
本文光电自准直仪利用PSD的横向光电效应，将投射在其光敏面上的光斑转换为电信号，根据PSD横竖方向四个电极的电流值，计算光斑位置，实现微小角度或位移的测量。同时，为了提高自准直仪的测量精度，采用调频光源与采样保持技术对背景光和噪声进行抑制。基于PSD传感器的光电自准直角度测量系统[4]总体结构如图2所示，包括光源、光学系统，反射镜、光电探测器，驱动电路、信号处理电路及人机交互终端。
系统的工作步骤：光源发出光线，通过光学系统照射到反射镜上，经反射镜反射，再经光学系统汇聚镜汇聚到探测器上，驱动电路驱动光源并控制信号处理电路完成信号处理，送至人机交互终端显示。
系统内主要组成单元的功能如下：
（1）光学系统实现出射光线的准直，将反射光线汇聚在光电探测器的光敏面上;
（2）入射在探测器光敏面上的光斑使其产生电流信号，信号处理电路完成光生电流的电流电压变换、放大、去背景、位置解算及A/D变换工作，人机交互终端负责将位置信息以数字与图形的形式显示出来;
（3）驱动电路用于驱动光源，控制信号处理电路与光源协调工作。
3 系统关键技术
光电自准直仪可大致分为光学系统、光电转换系统以及信号处理三部分。由图2可知，要保证仪器的测量范围和精度，应从系统设计和器件选择两方面综合考虑。
光学系统采用常见的自准直仪系统结构，如图3所示。系统主要包括目标反射面1，望远透镜组2，LED光源3，准直透镜4，分光棱镜5，汇聚透镜6，PSD芯片7，但在系统参数方面做出了优化与调整，整机焦距为450 mm，通光口径为90 mm。为降低光学系统畸变对自准直仪视场内测量精度的影响，将望远透镜组畸变控制在1%以内。
光电转换系统中，目前市场上的光电自准直系统大部分采用电荷耦合器件图像传感器（CCD），但存在一定的缺陷：
（1）CCD器件的工艺和结构特性限制了仪器的最小分辨率;
（2）由于采用光斑成像原理，为保证测量精度，对光斑经光学系统后的成像质量有较高要求;
（3）CCD驱动电路设计复杂，技术难度较高。
位置敏感器件（PSD）可认为是自准直仪光电转换器的较好选择，具有位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高、处理电路简单、光敏面内无盲区的特点。
为提高自准直仪的测量范围，光电探测器选用美国ON-TRAK公司设计生产的二维2L10SP型PSD芯片，如图4所示，其靶面尺寸为10 mm×10 mm，峰值响应波长为940 nm。为便于操作人员观察，光源选用人眼可见的中心为780 nm的大功率LED芯片，在保证器件响应效率的同时兼顾使用方便性。
图4 PSD芯片
目前许多自准直仪为降低研制难度，缩小设备体积，大多选用日本滨松公司生产的PSD专用处理芯片H2476，但其使用具有一定的局限性：无法完成调频信号的处理，只能处理直流信号，只适用于具有偏置电压引脚的PSD芯片。为提高自准直仪抵抗背景光干扰的能力，可采用干涉滤波片法、交流调制法等进行处理[6]。本文采用驱动电路调频光源以及进行控制信号处理电路采样的设计，为光源提供调频驱动电流，并根据PSD的光电响应延时设定采样时机和采样时长，提高信号采集的准确度。驱动电路以CPLD为核心，设计LVTTL到TTL的转换电路，以及LED驱动电路，各驱动信号具有频率一致、延迟与占空比可调功能。驱动电路结构如图5所示。
图5 驱动电路结构图
信号处理部分如图6所示，其中运算放大器选用输入偏置电流较小、稳定性好、低温漂、高共模抑制比的芯片。
反射像在PSD器件中心区域位置变化呈现的光电特性为线性，而在边缘靠近电极区域呈现非线性，即其感光面的光电响应具有类似相机畸变的现象，通常为枕形失真。针对此问题，可采用差值、拟合、神经网络等算法解决。本文自准直仪采用双调和样条差值方法[7]对非线性区进行校正，提高了光电自准直仪的全视场测量精度。
图6 信号处理结构图
4 结 语
随着科学技术的进步，人们对自准直仪的测量精度提出了更高的要求，而自准直仪各个组成部分都对其精度造成了影响。本文介绍的基于PSD的光电自准直仪具有高分辨力、测量视场范围大、抗背景光干扰等优势，并对PSD器件的非线性区进行了修正，有效拓展了仪器的线性测量区间，提高了测量精度，可大量运用于高精度小角度测量，机床工业的质量保证测量，位置监测，炮筒、圆滚内外圆同轴度测量，航天器微变形监测等方面[8]。光电自准直仪的研究与光学、电子学、机械学科息息相关，其他学科的进步也必将推动光电自准直仪的研究，使其沿着动态测量、二维测量甚至多维测量等方向发展。
参 考 文 献
[1]张继友，范天泉.光电自准直仪研究现状与展望[J].计量技术，2004（7）：27-29.
[2]凌东尧，沈东凯.光电自准直仪关键技术研究[J].中国新技术新产品，2014（7）：23-25.
[3]杨占立.基于光电自准直技术的航天器微变形监测[D].郑州：中国人民解放军信息工程大学，2017.
[4]黄祥，吴年祥.基于PSD的光电自准直仪角度测量系统研究[J].制造业自动机，2011，33（6）：39-41.
[5]王晔，于建南，周志伟.二维光电自准直仪中分划板研究[J].传感器与微系统，2016，35（12）：24-26.
[6]王君.光电自准直仪抗背景光干扰技术研究[D].西安：中国科学院大学（中国科学院西安光学精密机械研究所），2015.
[7]张风奇，王永生.二维位置敏感器件（PSD）的畸变矫正算法
研究[J].计算机科学，2013，40（11）：150-152.
[8]向民志，张名毅，范百兴，等.基于光电自准直的航天器微变形监测系统设计与实现[J].测绘通报，2016（z2）：280-282.
[9]张冬，王振宏.PSD光电自准直仪工作原理及误差分析[J].机械工程师，2014（12）：45-47.
[10]赵玉平，彭川黔，王劼.大口径细光束自准直测量系统的误差源分析[J].半导体光电，2018，39（3）：414-419.
[11] CUI S，SOH Y C.Linearity indices and linearity improvement of 2-d tetralateral position-sensitive detector[J].IEEE transactions on electron devices，2010，57（9）：2310-2316.