光柵線夾角θ小，莫爾條紋寬帶B越大,，相當(dāng)于把W放大了1/θ倍,，大大的提高了測(cè)量靈敏度，也方便了光電元件的放置,。

　　本文利用長(zhǎng)光柵的位移傳感器,，借助CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅光電池檢測(cè)莫爾條紋,，完成了信號(hào)的細(xì)分，并實(shí)現(xiàn)對(duì)位移和角度的高精度測(cè)量,。因此,，若利用光柵精密測(cè)量位移或角度，可利用光電元件測(cè)出莫爾條紋的移動(dòng),，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)得到度量,。

　　測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作方式

　　以位移測(cè)量為例，通常光柵傳感器是由光路系統(tǒng),、一對(duì)光柵副,、與指示光柵相對(duì)位置固定的光電接收元件、整形細(xì)分電路組成,。當(dāng)光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動(dòng)時(shí),，莫爾條紋就會(huì)沿近似垂直于光柵移動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí),，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間隔B,。光電接收元件將莫爾條紋的明暗強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。該正弦波經(jīng)整形為方波,，在一個(gè)完整的光柵測(cè)量系統(tǒng)中,，后級(jí)電路(往往是以單片機(jī)為核心)接收該信號(hào)后，根據(jù)兩路或多路信號(hào)的時(shí)序關(guān)系判別運(yùn)動(dòng)方向,，并根據(jù)方波個(gè)數(shù)判斷位移,。

　　光柵數(shù)字傳感器的測(cè)量分辨率等于一個(gè)柵距。但是,，在精密檢測(cè)中常常需要測(cè)量比柵距更小的位移量,，為了提高分辨率，可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn)：1)增加刻線密度來(lái)減小柵距,，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制,。2)采用細(xì)分技術(shù)，在莫爾條紋變化一周期時(shí),，不只輸出一個(gè)脈沖,，而是輸出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量,，提高分辨力,。細(xì)分的方法有多種，如直接細(xì)分,、電橋細(xì)分,、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號(hào)細(xì)分和軟件細(xì)分等。下面介紹論文采用的4倍直接細(xì)分的信號(hào)處理過(guò)程,。

　　根據(jù)莫爾條紋的性質(zhì),，光電元件產(chǎn)生的信號(hào)近似為正弦波。A,、B為兩個(gè)光電元件,，使A,、B的位置相距1/4B那么A,、B輸出的正弦信號(hào)相位差π/2，如圖2所示,。設(shè)莫爾條紋移動(dòng)方向?yàn)閺腁到B,。A領(lǐng)先Bπ/2，A,、B兩路信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)榉讲?，?/4個(gè)周期為單位時(shí)間，則在一個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)單位時(shí)間內(nèi),，A依次為1,、1、0,、0,，B依次為0、1,、1,、0，AB代表的二進(jìn)制數(shù)為10,，11,，01、00,，即光柵移動(dòng)一個(gè)柵距內(nèi),，可以得到4組信號(hào)，根據(jù)不同的信號(hào)值從而將位移確定在1/4個(gè)柵距內(nèi),，實(shí)現(xiàn)了4倍細(xì)分,。同時(shí)根據(jù)AB代表的系列值可以判斷移動(dòng)方向。

　　圖像傳感器的選用

　　根據(jù)以上對(duì)光柵傳感器的剖析,，可以看出要想提高對(duì)莫爾條紋的細(xì)分精度,，可以采用提高光柵線的密度或放置更多路光敏元件實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)更高倍的細(xì)分的方法。但是由于工藝上的難度成本上的限制,，不可能無(wú)限制地提高光柵線的密度,，目前較普遍的是1mm 50～100線。也不可能精確地在保證一定的相位差下放置多路光敏元件,。所以從以上兩點(diǎn)入手試圖改進(jìn)光柵傳感器的精度意義不大,。目前的光柵傳感器一般采用硅光電池,，再配以相應(yīng)的后續(xù)電路完成信號(hào)處理。所以考慮采用新的圖像探測(cè)器件來(lái)取代傳統(tǒng)的光電池是另一種值得考慮的方法,。

　　CCD圖像傳感器與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器目前已經(jīng)得到大量而廣泛的應(yīng)用,。CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器都基于硅半導(dǎo)體材料，但由于工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)的不同,，這兩種傳感器在性能上存在著很大的區(qū)別,，主要體現(xiàn)在集成度、讀出方式,、功耗,、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和價(jià)格上,。雖然CMOS圖像傳感器的生產(chǎn)過(guò)程較簡(jiǎn)單,、成本較低、功耗較小,，但其具有信噪比低,、寬動(dòng)態(tài)范小、電荷轉(zhuǎn)換效率低和輸出圖像質(zhì)量低的缺點(diǎn),，而CCD圖像傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是信噪比高,、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍大、電荷轉(zhuǎn)換效率高和輸出圖像質(zhì)量高,。綜合以上特點(diǎn),，對(duì)于光柵傳感器的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，CCD更適于對(duì)精度和靈敏度要求較高的莫爾條紋的檢測(cè),。

　　CCD圖像傳感器的功能是把二維圖像光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維視頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào),。從結(jié)構(gòu)上分為線陣CCD和面陣CCD兩大類，從受光方式分為正面光照和背面光照兩種,。線陣CCD有單溝道和雙溝道兩種信號(hào)讀出方式,，其中雙溝道信號(hào)讀出方式的信號(hào)轉(zhuǎn)移效率高。面陣CCD的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，常見(jiàn)的有幀轉(zhuǎn)移(FT) CCD,、全幀轉(zhuǎn)移(FFT)CCD、隔列內(nèi)線轉(zhuǎn)移(IIT)CCD,、幀內(nèi)線轉(zhuǎn)移(FIT) CCD,、累進(jìn)掃描內(nèi)線轉(zhuǎn)移(PSIT) CCD等。如以幀轉(zhuǎn)移(FT) CCD 面陣,，CCD由成像區(qū)(光敏區(qū)),、暫存區(qū)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成。每個(gè)成像單元稱為一個(gè)像素。假定有M個(gè)轉(zhuǎn)移溝道,，每個(gè)溝道有N個(gè)成像單元,，那么整個(gè)成像區(qū)共有M×N個(gè)像素。暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)和單元數(shù)與成像區(qū)相同,，暫存區(qū)與水平讀出寄存器均作遮光處理,。工作時(shí)，圖像經(jīng)物鏡成像到光敏區(qū),，光敏區(qū)上面的電極加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí),，光生電荷被收集到電極下方的勢(shì)阱里，這樣就將光學(xué)圖像變成了電荷包圖像,。當(dāng)光積分周期結(jié)束時(shí),，加到成像區(qū)和暫存區(qū)電極上的時(shí)鐘脈沖使所有收集到的信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)中,，然后經(jīng)由水平讀出寄存器,，在時(shí)鐘脈沖控制下，經(jīng)輸出級(jí)逐行輸出一幀信息,。在第一幀讀出的同時(shí),，第二幀信息通過(guò)光積分又收集到勢(shì)阱中。這樣可以一幀一幀連續(xù)地讀出,。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　下面采用CCD圖像傳感器FTF4052M芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)莫爾條紋的檢測(cè),。DALSA公司的FTF4052M型CCD是一款全幀型CCD圖像傳感器，具有22M像素(4008×5334)的超大分辨率全幀CCD圖像傳感器,，內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

　　圖3中，芯片在結(jié)構(gòu)上分為3部分：⒈中間最大的區(qū)域?yàn)楣饷魠^(qū),，即光積分區(qū)域,。每個(gè)光敏單元都有在行列方向上的地址，行選通邏輯和列選通邏輯共同選定某光敏單元,，考慮到各像敏單元的偏置電壓不均勻,，使用增益控制和平衡控制等輔助電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行校正。特別是對(duì)于處于莫爾條紋光強(qiáng)波谷處的像敏單元,，其信號(hào)是微弱的,，此時(shí)該校正是很必要的。⒉上下兩部分為兩個(gè)輸出寄存器,。將光積分生成的電荷水平轉(zhuǎn)移到4個(gè)角的輸出放大器,，輸出放大器將光生電荷形成的電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)移出CCD。C1,、C2,、C3為水平像素轉(zhuǎn)移寄存器的時(shí)鐘信號(hào)。A1、A2,、A3,、A4為垂直行驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)。⒊TG是光敏區(qū)與輸出寄存器之間的隔柵;OG是輸出柵;SG是輸出柵之前的最后一個(gè)柵;RG是輸出放大器,。該芯片的最大特點(diǎn)是將光敏區(qū)生成的圖像分成W,、X、Y,、Z四個(gè)對(duì)稱的象限,，每個(gè)象限的電荷可以以不同的方向轉(zhuǎn)移，通過(guò)四個(gè)輸出端同時(shí)輸出,，有效地提高了幀速率,，單端輸出的幀速率為1FPS，而四端同時(shí)輸出就可以達(dá)到3.6FPSs,。工作時(shí),，莫爾條紋投射在CCD圖像傳感器表面，莫爾條紋沿X軸向左或向右平移,，產(chǎn)生明顯的莫爾條紋光強(qiáng)分布,。

　　由于CCD圖像傳感器的同一列像元從上至下的光強(qiáng)分布是一致的，莫爾條紋的光強(qiáng)分布只是體現(xiàn)在行方向上,，所以無(wú)需進(jìn)行逐行掃描,，只需考察一行上的像元信號(hào)即可分析莫爾條紋的移動(dòng)情況，這樣大大降低了信號(hào)處理任務(wù),。圖4代表莫爾條紋在一行像敏單元上的光強(qiáng)分布,，X軸為莫爾條紋移動(dòng)方向，Y軸表示光強(qiáng)的大小,。莫爾條紋在各行分布一致的情況僅僅是理想的情況,，實(shí)際上由于光柵線質(zhì)量，光柵間隙等工藝因素的影響,，各行情況會(huì)略有差別,，所以可以考慮選擇不同位置的幾行，考察其光強(qiáng)分布情況,，避免信號(hào)質(zhì)量差時(shí)過(guò)大的單行誤差,，達(dá)到降低誤差的目的。

　　FTF4052M和光柵傳感器,、DSP,、MCU和PC組成測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)工作原理框圖如圖5,。

　　系統(tǒng)上電后,，CCD圖像傳感器初始化,，根據(jù)相關(guān)寄存器值控制有關(guān)參數(shù)，確定采集圖像的窗口位置,、大小和工作模式;MCU通過(guò)對(duì)FTF4052M 芯片發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)指令,、以及對(duì)FTF4052M 芯片進(jìn)行時(shí)序控制，來(lái)完成參數(shù)的配置;系統(tǒng)配置完后,，F(xiàn)TF4052M 芯片開(kāi)始對(duì)莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行采集,，并輸出同步信號(hào)給MCU，其包括垂直同步信號(hào),、水平同步信號(hào),、數(shù)據(jù)同步信號(hào)，判別一幀圖像數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束;DSP發(fā)出讀信號(hào)請(qǐng)求后,，MCU根據(jù)同步信號(hào)決定是否開(kāi)始數(shù)據(jù)采集;采集的數(shù)據(jù)被送至RAM;DSP接收到READY信號(hào)后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)并處理;數(shù)據(jù)最終被送往PC進(jìn)行處理,，得出測(cè)量結(jié)果。

　　結(jié)論

　　從信號(hào)處理的角度來(lái)說(shuō),，最簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)調(diào)整光柵夾角,，使莫爾條紋間隔B和CCD圖像傳感器最大感知圖像的行方向長(zhǎng)度一致，設(shè)其為L(zhǎng),。該方向有n個(gè)像素,，將L分為n份,， 即細(xì)分倍數(shù)達(dá)到n倍,，對(duì)位移的分辨精度達(dá)到了W/n(以FTF4052M為例，其分辨率為1312 ×1036),。設(shè)光柵線密度為100線/mm,，W=0.01mm，故位移分辨精度為：W/n=0.01/13127nm,?？紤]到光柵線質(zhì)量問(wèn)題等，該理論值并不代表整個(gè)傳感器在實(shí)際測(cè)量中能達(dá)到的精度,。但經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè),，采用CCD圖像傳感器對(duì)莫爾條紋的分辨精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用傳統(tǒng)的硅光電池和整形細(xì)分電路等對(duì)莫爾條紋的分辨精度。并且,，隨著集成電路技術(shù)的提高,，CCD圖像傳感器的性能指標(biāo)也在不斷的改善，對(duì)莫爾條紋的分辨率將不斷提高,，滿足光柵傳感器現(xiàn)在和未來(lái)的高精度,、高分辨率等測(cè)量需求將綽綽有余，理論上,，若提供的莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量足夠高,，則可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測(cè)量精度,。