光电自准直仪

1.1 平行光管基础知识

        平行光管是光电自准直仪光学系统中最关键的一环，它的主要用途是获得无穷远且平行于光轴的光束，主要包括光源、分划板、准直物镜。

        为了保证光束是平行于光轴的，必须保证分划板位于准直物镜的焦平面上，当分划板位置不在准直物镜焦平面上时，出射光将不再是平行光束^[2]。

图1分划板与焦平面位置关系（a）焦平面；（b）焦平面前；（c）焦平面后

1.2 光电自准直仪原理

        光电自准直仪的测量原理如图2。

图2 光电自准直仪原理图

        从光源发出的光线通过分划板，若此时分划板在准直物镜的焦平面上，照明光线通过物镜后，变成一束与光轴平行的平行光，照射向平面镜。

        当平面镜与光轴成垂直状态时，光线按原路返回，再次经过准直物镜后，重新汇聚并成像在分划板图中 1 点处，和原目标重合。

        当平面镜与光轴不平行，而是成一个α的夹角时，光线经平面镜反射后，根据光的反射定律可知，反射光线与原光线成 2α的夹角，此时反射光线将汇聚在图中所示 1'点处，与原目标相距Δx 的距离^[3]。

        根据几何光学原理可知：

                                                                                                                               (1-1)

        式中Δx 代表返回像和原目标间的偏移量，f代表准直物镜焦距，α代表平面镜的偏转角度。

        由于是小角度测量，α一般很小，tan2α ≈ 2α，代入式 1-1 可以得到：

                                                                                                                                        （1-2）

        在光电自准直仪测量中，物镜的位置是固定的，所以焦距 f 不变，是已知数，只要测量前后位移偏移量Δx，就可以计算得到平面镜的偏转角大小。

        同样，实际使用过程中，通过光电探测器检测光线在探测器上的位移偏移量，就可以得到平面镜的偏转角度^[4]。

        假设光电探测器检测到光线的位移了 n 个象元单位，而每个象元的大小为 a，代入式 1-2 可以得到：

                                                                                                                                       （1-3）

        光电自准直仪的关键技术主要围绕其几个系统结构展开，每个系统涉及到不同的技术要求与指标。而光电自准直仪的系统由光学系统、采集系统、光源系统以及数据处理系统构成，如图 3 所示。

图3 光电自准直仪系统

2.1 光学系统

        光电自准直仪的光学系统主要分为三种：高斯型、阿贝型以及综合型光学系统，不同的光学系统会在一定程度上影响系统的体积和测量分辨率、测量范围等，如何优化光学系统结构，是设计时重点考虑的因素。

• 阿贝型光学系统

        阿贝型光学系统如图 4 所示，它的结构包括：光源，棱镜，十字分划板，准直物镜，平面镜，目镜。

        棱镜粘合在分划板的中心，粘合面上刻有十字分划板，正好位于准直物镜的焦平面上，保证经过准直物镜出射后的光线仍旧是平行光。当平面镜偏转后，反射光线经过十字分划板，目镜中呈现的是反射像与原像偏移Δx 后的十字线，此时测得偏移量Δx 即可计算得到平面镜偏转角^[5]。

        阿贝型光学系统在测量过程中，光的耗能损失少，亮度较大，但因为棱镜遮挡了半区的视场，准直物镜的孔径利用率降低，可能出现观察不到反射像的情况，比较适合平面镜反射面较小的测量情况。

图4 阿贝型光学系统结构图

• 高斯型光学系统

        如图 5 所示，它的结构包括：光源，半透明反射棱镜，十字分划板，准直物镜，平面镜，测微器分划板，目镜。        

        光源发出的光线经透镜进行一次反射，十字分划板在准直物镜的焦平面上，光线经过平面镜反射后成平行光束返回十字分划板，当平面镜与光轴产生偏转角时，返回后的成像与原像产生Δx 的偏移量，通过目镜和测微器分划板可以进行观测，从而计算偏转角度^[6]。

        相比较阿贝型光学系统，高斯型光学系统的准直物镜孔径没有被棱镜遮挡，视场范围更广，但由于使用了半透明反射棱镜，将导致上下两个面都有反射光的存在，导致仪器本身的杂光干扰，产生不必要的误差。同时因为目镜距离十字分划板过远，会限制整体的测量精度和倍率。

图5 高斯型光学系统结构

• 综合型光学系统

        综合型光学系统如图 6 所示，它的结构包括：光源，十字分划板（准直分划板和目镜分划板），分光棱镜，准直物镜，平面镜，物镜。

        两个十字分划板都固定在准直物镜的焦平面上，由于立方棱镜的拼接处镀了半透明的镀膜，从而可以实现分光的效果。

        此系统不仅无棱镜遮挡视场，因为准直分划板和目镜分划板的十字线重合，且目镜距离分划板较近，可以同时满足高精度、高倍率的光电自准直仪测量需求，对目镜的要求也不高。但缺点是损耗较大，对制作的精密程度要求较高。

图6 综合型光学系统结构

2.2 光电探测器

        为了研制出更高精度、更快响应的光电自准直仪，应当选取高精度、高响应频率的传感器，这也是自准直仪未来发展的方向。

        目前，光电自准直仪使用的传感器主要有 CCD、CMOS、PSD 等。

        COMS 的性能指标略低于 CCD，部分存在成像质量差、响应速度慢的情况，随着未来制作工艺的成熟，应该能够提高性能，而因其可以集成多种电路的功能，未来会得到更多的使用。

        PSD 对光源的均匀性要求不高，位置分辨能力强，但容易受到杂光影响，因其为电流输出，具有暗电流的干扰，不利于大量测量使用。

        目前国内外的光电自准直仪，多数都使用 CCD 作为光电探测器，它具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高、结构简单、信噪比高等优点，另外，CCD 的光谱响应范围广，动态范围大，感光灵敏度也相对较高，被广泛应用于数据识别、存储等领域^[7]。

2.3 光源

        光电自准直仪是通过自准直像的偏移来进行角度测量的，因此工作时的光源质量会直接导致测量结果的精确程度，良好的照明、低背景光干扰是高精度测量的必要条件，光源设计包括光源的选择、照明方式等^[5]。

• 传统光源

        在上个世纪 60 年代左右，光电自准直仪采用的光源并没有很高的要求，一般直接使用普通的白炽灯，随着对光电自准直仪测量精度要求的提升，传统的普通光源已经不再被使用，原因是传统光源的热量很大，在自准直仪测量过程中，温度也是影响其测量精度的因素之一，同时，传统光源的发光效率低、亮度低、光能损耗大、不稳定等因素，都决定了不会再作为光源使用；

• 高性能 LED 光  

        相比发光二极管而言，高性能 LED 拥有体积更小、工作电压低、耗电低、亮度高、效率高、便于调整、驱动简单、发光热量小的优点，很快取代了传统光成为光电自准直仪的光源，尤其是发光热量的降低，减少了光源发热导致的环境温度变化，从而影响到光电自准直仪的测量精度。但是高性能 LED 的光能损耗随着距离的增加会提升，当需求远距离测量时，采集光斑图案质量将随着光源质量的降低而降低。

• 激光器     

        激光是一种新型、高效的光源，半导体激光器拥有损耗低、寿命长、频率高等优点，广泛应用于精密测量光源使用上。激光本身有很高的稳定性，而且属于单色光，方向性好、相干性强。相比较于高性能 LED 光源，激光的优点是随着距离的增加，光能损耗并不明显，适用于需求远距离的光电自准直仪测量。但与此同时，激光的稳定性比高性能 LED 光低，主要是因为激光的发散性和漂移问题，导致在使用激光作为光源时，对光学系统的设计要求更高，另外，激光和传统光源一样热量大，会造成温度变化从而导致光电自准直仪测量精度降低。

        目前较多使用的光电自准直仪光源为高性能 LED 光和半导体激光器，半导体激光器可以解决激光作为光源时的许多弊端，但其使用成本较高，而高性能 LED光也不能满足远距离测试的需求，有时候还会采用阵列 LED 光，可以有效解决远距离测量时光能损耗、光的发散和漂移造成的精度降低问题。

2.4 图像处理

        图像处理是光电探测器测量的最后一步，在整个检测系统中，图像处理是很重要的部分，好的图像处理算法能够进行边缘处理、像素分析和误差修正，能够有效提升光电自准直仪的测量分辨率。

        以 CCD 作为光电自准直仪的光电探测器时，边缘检测和像素定位的算法有很多，如二值化法、重心法、概率论法、多项式插值法、矩阵法等等，不同的算法有不同的抗噪声强度，适用的环境也不同，如何优化图像处理算法一直是光电自准直仪系统研究的难点。在实际测量过程中，应该根据不同的环境和需求，选择合适的图像处理算法，保证接收象元的可靠性和测量结果的稳定性。

3.1 光学系统原因

        光学系统是光电自准直仪的核心，在设计过程中，其焦距、透镜材料、曲率半径、通光口径大小等等，都会直接影响测量的准确度。光学系统不光在设计、选材上会影响最终测量精确度，其安装、调整过程也很重要，如光学元件表面是否洁净、安装位置是否准确、基准面是否水平等等，都是影响其性能指标的重要因素。

3.2 理论误差

图7 光电自准直仪测量原理

                                                                                                                                       （3-1）

        此式是经过tan2α ≈ 2α简化而来的，从而已经产生了误差，当偏转角α 越大时，产生的误差也越大。

        此外，由光电自准直仪的光学系统结构可知，其原理是根据光路经由准直物镜出射后会形成平行光轴的平行光束，在使用软件设计过程中，仿真的光源为点光源，且没有外界和材料的限制，但在实际制造过程中，经过准直物镜的光束并不是严格的平行光，若入射光与光轴有微小夹角，便会带来测量上的误差^[8]。  

3.3 空气及振动干扰

        当环境温度骤变、过高或者过低的时候，空气团会导致入射光线发生微小的折射，相当于放置了一个微弱的透镜，使光斑的位置发生一定改变，从而影响测量精度。振动对光电自准直仪的使用有很大影响，所以在校准和调整的时候，要求基准面安装水平、测量环境平稳等。

3.4 背景杂光干扰

        背景天光拥有宽频谱、高亮度等特点，是室外使用光电自准直仪时无法避免的背景干扰，一般情况下，背景光对光电自准直仪的测量精度影响在以下两个方面^[9]：

        （1）过强的背景光夹杂在信号光中，大幅度增加整体光照的强度，当强度超过光电探测器的光强阈值时，会导致光电探测器无法正常工作，输出的信号为无意义数据，使光电自准直仪无法正常工作。

        （2）当背景光和信号光的混杂光强度不足光电探测器的饱和阈值时，光电探测器可以正常工作，但会增加光电探测器的最小可探测功率，同时导致电流引起的噪声，降低光电自准直仪的测量精度。