摘要：用面阵CCD对刻线进行二维瞄准定位,具有精度高,速度快的优点。本文介绍了亚象素细分定位的原理,瞄准精度的测量方法,以及所能达到的精度。
引 言
在长度和角度测量中,经常要遇到刻线(包括十字丝)的瞄准问题。一般的做法是用单丝或双线目视瞄准刻线,然后从测量元件(刻度尺或度盘)上读取测量值。目视瞄准刻线存在人为误差,瞄准精度低而且不稳定,瞄准速度慢。高精度、自动化的测量需要一种没有人参与的自动化瞄准技术。
较早的自动化刻线瞄准采用振动狭缝技术。但振动狭缝的量程较小,并且只能瞄准一维刻线。CCD器件对点源标象点的亚象素细分技术[1],运用到刻线的瞄准,不仅能消除人为误差,实现自动测量,而且可以瞄准代表两维位置的十字丝。自动瞄准的实验表明,包括漂移、噪声和非线性误差在内的综合瞄准精度可达到1/5～1/10象素的水平。
1 亚象素定位方法
采用CCD瞄准的关键就是用图象处理的方法准确计算十字丝的位置。我们采取以下步骤对十字丝进行细分处理,计算出十字丝线条的中心位置。
(1)读取图象的某一行(或列)数据,求出图象灰度的最大值Vmax与最小Vmin,并计算出灰度中值Vmid。
(2)查找与Vmid相邻的4个象点的灰度值V1,V2,V3和V4及其位置S1,S2,S3,S4,[详见图2(b)]并由插值公式
计算出曲线上升沿对应Vmid的位置Sup和下降沿对应Vmid的位置Sdown,然后求出线条在该行(或列)的中心位置。
(3)分别任意取1行和1列,计算出它们的位置,这样就可以大致确定十字丝的交点位置。
(4)以十字丝交点为分界点,分别在十字丝竖线和横线的两侧均匀取10行和10列计算线条中心位置,最后将竖线和横线上的20个位置的平均值作为整个竖线和横线的位置。
2 定位精度实验
2.1 实验装置
图1所示为测量CCD瞄准精度的实验装置简图。分划板上的十字刻线(线宽20μm)经过10×光学系统放大后,成象在CCD的光敏面上,CCD固定在二维精密调整架上,调整架上还装有光栅尺对CCD的移动进行监测,CCD采集的图象经采集卡量化处理后送入计算机处理得出刻线的位置数据。图象线条的轮廓曲线如图2所示。
2.2 漂移及重复性测量
测量CCD瞄准的重复性误差是判断装置能否正确瞄准并达到预期精度的关键步骤。重复性误差的测量是在短时间内进行的,测量过程中保持装置不动,在某一时刻连续采集10幅图象。计算出每幅图象的线条位置,并将这10幅图象线条位置的平均值作为该时刻线条的位置。间隔一定时间(半小时)计算机采集1次图象,经过数据处理后,计算出网络板十字丝横向和纵向的精确位置。观察线条位置随时间的漂移。
从表1可以看出,两个方向的重复性都比较好,而且在水平方向更加稳定。两个方向重复性的差异跟CCD的读数方式有关,我们使用的CCD采用逐行扫描方式读数,所以在CCD的水平方向,数据要优于垂直方向。
2.3 线性测量
在观测运动目标时,被测目标的象可能落在CCD靶面的任意位置,为了保证测量的准确性,必须要测量CCD瞄准的线性误差。
分别在横向和纵向移动十字丝,顺序采集每次移动后的图象,计算出十字丝在移动后的精确位置。在测量过程中,十字丝位置用光栅尺监测,将采集的十字丝位置数据与光栅尺读出的数据进行直线拟合,求出十字丝的线性位置误差。X方向的线性误差为0.079121象素,Y方向的线性误差为0.149221象素。从图3和图4曲线中可以看出,两组数据都具有较好的线性。
3 结 论
通过实验,我们测定了CCD在横向和纵向瞄准的重复性误差δc和线性误差δx,每个方向的瞄准误差δm是重复性误差和线性误差的均方和,即CCD瞄准误差数据如表2所示。
实验表明,CCD水平方向(行扫描方向)的瞄准定位精度为1/10象素,而在垂直方向(场扫描方向)的瞄准定位精度略低,为1/6象素。
参考文献
1 陈邓云,沈忙作.阵列探测器的象点亚象素定位精度.光学学报,1993,13(10):952～953
2 杨华中,汪惠.数值计算方法与C语言函数库.北京:科学出版社,1996
3 沙定国.实用误差理论与数据处理.北京:北京理工大学出版社,1993
作者简介：乔瑞军:男,1973年8月生,1995年毕业于北京理工大学光电工程系。现为中国科学院光电技术研究所硕士研究生,从事光学仪器与图象处理工作。沈忙作:男,1941年10月生,1964年毕业于浙江大学光学仪器系。研究员,博导,从事光学工程和图象处理研究工作。
