反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定平台

为满足高机动装甲车辆对光电瞄准系统视轴高稳定精度的要求,设计了光路中嵌入快速反射镜的反射镜式光电系统复合轴稳定平台。首先,利用施奈尔反射镜定律的矢量方程,构建系统视轴矢量方程,研究其运动特性、稳定补偿原理;然后,分析了控制方法、控制系统频率特性,分析结果显示,传统稳定平台控制系统的截止频率26Hz,而复合控制系统的截止频率为215Hz,控制系统带宽提升了8倍以上;最后,构建了复合轴稳定平台实验装置、测试装置,介绍了实验方法、稳定精度测试原理,开展了复合轴平台与传统平台的稳定精度比较实验。实验结果表明,在相同的实验条件下,复合轴平台较传统平台的稳定精度提高了5倍以上,反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定平台能够实现光电瞄准镜的高精度稳定。     

基于图像处理的光轴平行性检测系统研究

针对光电系统关键部件光轴平行性检测问题,开展光斑图像采集与检测数据分析的技术研究,建立基于 CCD 相机及 USB 图像采集卡的图像采集与处理硬件系统,通过计算机驱动 CCD 相机完成光斑图像采集,对采集到的光斑图像进行数字处理,得到光斑质心在靶平面的坐标值。根据光学成像原理,计算出该光电部件激光光轴偏差的角度值,得到光电系统光轴平行性的装调量,为光电部件光轴平行性装调提供检测及数据分析工具。     

双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计

为了有效地减小航天相机的体积,减轻其重量并满足冷备份要求,设计了双读数系统的航天级绝对式光电编码器.根据航天相机的要求,对绝对式光学码盘进行了小型化设计;根据码盘的特点,研制了双读数狭缝盘及读数系统;最后,对设计的双读数系统的航天级绝对式光电编码器进行了精度检测.实验结果表明:双读数系统的航天级绝对式光电编码器外形尺寸为50 mm×32 mm、重量为150 g、分辨力为20″、精度σ≤30″.本编码器具有读数系统冷备份功能,且体积小、重量轻、抗干扰能力强,可满足航天相机的要求.     

运动跟踪测量相机的设计与实现

针对运动跟踪问题,设计了一种千兆网测量相机,在相机中做基本的单点空间运动坐标的抽取计算,极大简化了系统结构并提高了系统性能。千兆网测量相机采用CMOS图像传感器CMV2000,具有高帧高清的性能;采用高速高性能FPGA做驱动器和数据处理器,集成度高。在FPGA内嵌入Micro Blaze软核处理器设计了片上系统(SOC);采用了一种基于直线段的连通域快速检测算法,实时计算数字图像的多个标志点的空间坐标;用以太网MAC核(TEMAC)和88E1111高速以太网收发器实现千兆网传输,将运动物体的空间坐标数据发送到上位机。测试结果表明,系统运行稳定,数据测量的实时性和精度都满足要求,具有很大的应用价值。     

半导体制冷型高帧频CMOS数字摄像机研究与成像噪声分析

为了提高高速CMOS图像传感器的成像质量,降低图像传感器暗电流和随机噪声,文章中介绍了采用半导体制冷的方法来设计高帧频CMOS数字摄像机成像系统,针对该相机系统设计出结构一体化的多级半导体制冷制冷器,实现制冷量可控。图像传感器制冷后的温度与环境温度的温差最大可达40度,暗电流固定模式噪声降低50%,瞬态随机噪声减少90%,图像信噪比提高6dB。该相机系统具有集成度高,结构紧凑,高分辨率高帧频,高信噪比,宽动态范围,成像质量好的特点。     

高精度音圈快速反射镜的自适应鲁棒控制

为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能,文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型,同时保证电机的输出力矩稳定;然后在PD控制器的基础上,引入了自适应鲁棒控制器,对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制;最后分别通过带宽测试实验、扰动抑制实验、视轴稳定实验和鲁棒性实验对其性能进行测试,并采用DOB型音圈式-快速反射镜和压电陶瓷式-快速反射镜做对比。实验结果表明:相比于传统的DOB型音圈式-快速反射镜系统,本文控制方法的参数鲁棒性更强;相比于传统的压电式-快速反射镜,本文控制方法不仅视轴稳定精度与其不相上下,还具有更大的行程。除此之外,在80Hz以内任意频率扰动的影响下,基于ARC型音圈式-快速反射镜的复合轴航空光电稳定平台的视轴稳定精度均可以控制在5μrad(RMS)以内;同时在-40℃~50℃的温度条件下依然可以保持该性能,远远优于DOB型音圈式-快速反射镜的效果。本文控制方法完全满足高精度航空光电稳定平台的性能要求,对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。     

半导体制冷型高帧频CMOS数字摄像机及其成像噪声分析

为了提高高速CMOS图像传感器的成像质量,降低图像传感器暗电流和随机噪声,介绍了采用半导体制冷方法设计的高帧频CMOS数字摄像机成像系统,并针对该相机系统设计出结构一体化的多级半导体制冷器,实现了制冷量可控。实验结果表明,图像传感器制冷后的温度与环境温度的温差最大可达40℃;通过降低传感器温度很大程度上减少了暗电流固定模式噪声和瞬态随机噪声;此外,在摄像机内硬件实现了彩色滤波阵列转换和列向非均匀性校正,使输出图像信噪比提高了6dB。该相机系统具有集成度高,结构紧凑,高分辨率,高帧频,高信噪比,宽动态范同,成像质量好等特点。     

基于机器视觉的陶瓷基板检测系统

为了设计陶瓷基板视觉检测系统,首先采用互补金属-氧化物半导体（CMOS）图像传感器采集陶瓷基板的图像信号,通过光学成像和照明系统优化设计来提高像质,然后运用图像预处理和亚像素算法来提高边缘的检测精度,最后建立并分析了机器视觉检测系统尺寸及形位误差数学模型,实现了对陶瓷基板长度、宽度参数的测量。实验结果表明,该系统较好地提高了视觉检测系统的精度,并得到了较为准确的结果。     

基于CMOS图像传感器的高帧频相机的设计

随着大规模集成电路技术的发展,CMOS图像传感器日益受到重视,广泛应用于各种高速成像系统中。本文设计了一个基于MICRON公司的MT9M413图像传感器的高帧频相机,详细介绍了系统的整体结构及原理。系统具有体积小、结构紧凑、功能完善、性能稳定可靠、功耗低等优点。     

单片机在CMOS APS图像采集系统中的应用

近年来CMOS APS(active pixel sensor,有源图像传感器)发展较快,成为图像传感器市场中CCD的有力竞争者,在抗模糊、单电源供电、低功耗方面优势显著,而且由于集成度高,一般芯片内集成有模拟信号处理电路和A/D转换,信号直接数字输出,使成像系统外围电路简单,可以实现系统的小型化和低功耗.在带I2C总线控制接口的LM9617CMOS图像传感器成像系统的设计中,采用单片机8051模拟I2C总线进行相机控制,并控制CPLD器件产生相机时序,完成了图像的采集和数据存储控制.这种图像采集系统可以实现相机的微小化和低成本,应用领域广泛.     

测试设备位姿失调对自准直仪法测量圆分度误差的影响

为了提高圆分度仪器分度误差的测量精度,介绍了用多面棱体自准直仪测量分度误差的原理和方法,对影响测量结果的误差源进行了分析。根据测量原理建立了多面棱体和自准直仪坐标系,利用坐标变换分别建立了多面棱体工作面与受检仪器轴线的平行差、自准直仪光轴与多面棱体工作面不垂直度误差、自准直仪电十字竖线与受检仪器轴线的平行差对分度误差影响的精确模型。在实验室内,以单轴位置转台的定位精度为测试对象,设计了以上三种位姿失调误差模型的验证实验,实验结果与理论模型仿真结果具有很好的一致性,三种位姿失调引入的误差实测值与理论值的最大偏差小于0.9″,验证了位姿失调量引入测量误差模型的正确性,该模型及仿真结果可以准确指导圆分度误差测试。     

五角棱镜扫描系统中调整误差及制造角差的影响分析-

五角棱镜扫描系统可以实现高精度测量光学表面面形,为了全面分析五角棱镜扫描系统中的调整误差及制造角差对指向误差和测角仪测量误差的影响。根据旋转变换矩阵和光线矢量追迹理论,运用MATLAB编写通用的五角棱镜扫描系统的光线矢量追迹函数及相关分析程序。同时通过二维二次多项式拟合推导出,在一定角度范围内,用于计算指向误差和测角仪测量值的二阶近似公式。分析结果表明：在扫描测量过程中,测角仪的俯仰角和五角棱镜的制造角差对沿扫描方向指向误差和测角仪垂直方向测量值的影响是常量,五角棱镜扫描过程中的偏摆角和滚动角与其成二次函数关系;五角棱镜的偏摆角和滚动角、测角仪的偏摆角与垂直扫描方向指向误差和测角仪水平方向测量值均成线性关系。当导轨误差滚动10"、偏摆10",系统的各项调整误差为±3"时,沿扫描方向最大测角误差为0.0010666"。     

三维姿态角高精度测量装置

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵,提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法,并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型,根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统,采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法,保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证,并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明:在±20′的视场范围内,三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″,2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高,且易工程实现三维姿态角的测量。     

Profile measurement of a wide-area resist surface using a multi-ball cantilever system

In the semiconductor industry, a device that can measure the surface profile of thin film like photoresist with high accuracy and high speed is needed. Since the surface of photoresist is very smooth and deformable, a device is required that will measure vertically with nanometer resolution and not damage the film during the measurement. We developed an apparatus using a multi-ball cantilever and white light interferometer to measure the surface profile of thin film. However, this system, as assessed with a scanning method, suffers from the presence of a moving stage and systematic sensor errors. Therefore, this paper describes an approach using a multi-ball cantilever as coupled distance sensors together with an autocollimator as an additional angle measuring device, which has the potential for self-calibration of a multi-ball cantilever. Using this method, we constructed an experimental apparatus and made measurements on resist film. The results demonstrated the feasibility of the constructed multi-ball cantilever system with the autocollimator for measuring thin film with high accuracy.     

Nanometer profile measurement of large aspheric optical surface by scanning deflectometry with rotatable devices: Uncertainty propagation analysis and experiments

High-accuracy mirrors and lenses with large dimensions are widely used in huge telescopes and other industrial fields. Interferometers are widely used to measure near flat surfaces and spherical optical surfaces because of their high accuracy and high efficiency. Scanning deflectometry is also used for measuring optical near flat surfaces with sub-nanometer uncertainty. However, for measuring an aspheric surface with a large departure from a perfect spherical surface, both of these methods are difficult to use. The key problem for scanning deflectometry is that high-accuracy autocollimators usually have a limited measuring range less than 1000″, so it cannot be used for measuring surfaces having a large slope. We have proposed a new method for measuring large aspheric surfaces with large slopes based on a scanning deflectometry method in which rotatable devices are used to enlarge the measuring range of the autocollimator. We also proposed a method to connect the angle data which is cut by the rotation of the rotatable devices. An analysis of uncertainty propagation in our proposed method was done. The result showed that when measuring a large aspheric surface with a diameter over 300 mm and a slope of 10 arc-deg, the uncertainty was less than 10 nm. For the verification of our proposed method, experimental devices were set up. A spherical optical mirror with a diameter of 35 mm and curvature radius of 5000 mm was measured. The measuring range of the autocollimator was successfully enlarged by our proposed method. Experimental results showed that the average standard deviation of 10 times measurement was about 20 nm.     

激光跟踪仪测角误差补偿

由于激光跟踪仪的角度测量精度直接影响仪器的测量精度,本文提出了用自准直仪结合多面棱体对跟踪仪金属圆光栅测角误差进行离散标定的方法。研究了基于谐波分析的误差补偿方法,取金属柱面圆光栅测角误差中幅值较大且相位基本不变的谐波分量建立了补偿模型,避免了最小二乘法不收敛的问题。分析了标定测角误差的不确定度,结果显示：水平测角精度补偿前后分别为1.60"和0.90",俯仰测角精度补偿前后分别为4.89"和0.91",精度分别提高了44%和81%,从角秒级提高到了亚角秒级。结果表明,提出的方法可为激光跟踪仪水平和俯仰轴系提供测角误差补偿,对类似测角系统的误差补偿也有参考价值。     

光电稳定跟踪装置的稳定机理分析研究

介绍了一类使用微机电速率陀螺组合、具有全稳定功能、且无天顶跟踪盲锥区的新型高精度三轴光电稳定跟踪装置的稳定机理.首先分析了该类装置中的坐标系及其相互之间的关系,然后运用多体力学的方法推导了该类装置的运动学方程,得出了三轴平台式速率稳定装置的数学模型.该模型表明,实现三轴全姿态稳定,不同的陀螺安装方法有不同的优缺点.研究了由于瞄准线稳定误差带来的图像相对运动和变形情况,分析了瞄准线稳定精度对图像稳定精度的影响.结果表明,两轴稳定装置绕轴线的旋转会造成比较大的图像稳定误差,而三轴稳定装置可以有效抑制绕轴旋转误差,从而达到较高的图像稳定精度.     

耦合扰动下船载成像系统的复合稳像

针对船载精密成像系统在船体晃动时产生的杆臂牵连平动和等效圆锥旋转,提出了一种将惯性量测信息引入电子稳像技术对耦合干扰进行补偿的方法。首先,基于俯仰-偏航式光学稳定平台分析其在视线稳定过程中所产生的等效圆锥旋转,推导了视线旋转角与平台转角之间的数学关系。然后,分析了杆臂牵连平动对像点虚化的影响,并结合圆锥旋转构建了耦合扰动模型;针对耦合扰动模型提出利用惯性测量信息复合电子稳像的方法来实现低特征背景下的高精度稳像。最后,通过半实物仿真验证了该方法在低特征环境中的成像稳定精度和实时性。结果显示:提出的方法能够有效补偿俯仰-偏航式稳定平台转动以及船体晃动时形成的耦合干扰,在低特征环境中具有较高的成像稳定精度和实时性,修正误差为亚像素级。图像稳定后的峰值信噪比平均提高了4dB,基本满足船载光学精密探测系统对实时性、精度、抗干扰能力和稳定性的要求。     

Multi-probe scanning system comprising three laser interferometers and one autocollimator for measuring flat bar mirror profile with nanometer accuracy

This paper describes a multi-probe scanning system comprising three laser interferometers and one autocollimator to measure a flat bar mirror profile with nanometer accuracy. The laser interferometers probe the surface of the flat bar mirror that is fixed on top of a scanning stage, while the autocollimator simultaneously measures the yaw error of the scanning stage. The flat bar mirror profile and horizontal straightness motion error are reconstructed by an application of simultaneous linear equations and least-squares method. Measurement uncertainties of the flat bar mirror profile were numerically evaluated for different installation distances between the laser interferometers. The average measurement uncertainty was found to be only 10 nm with installation distances of 10 and 21 mm between the first and second, and first and third interferometers, respectively. To validate the simulation results, a prototype system was built using an X–Y linear stage driven by a stepper motor with steps of 1 mm along the X direction. Experiments were conducted with fixed interferometers distances of 10 and 21 mm, as in the simulation, on a flat bar mirror with a profile known to an accuracy of λ = 632.8 nm. The average value of two standard deviations (95%) of the profile calculated over ten experiments was approximately 10 nm. Other results from the experiment showed that the system can also measure the yaw and horizontal straightness motion errors successfully at a high horizontal resolution. Comparing with the results measured by ZYGO's interferometer, our measured data excluding some edge points showed agreement to within approximately 10 nm. Therefore, we concluded that our measurement profile has an accuracy in the nanometer range.     

光电稳定跟踪装置中微机电陀螺应用研究

以微机电陀螺在高精度光电稳定跟踪装置中的应用为背景,研究了陀螺输出噪声对光电稳定跟踪平台精度的影响.结果表明,陀螺噪声会引起平台基准轴的抖动和缓慢漂移.根据微机电陀螺的实测数据,分析了其噪声特性.基于AR模型建立了微机电陀螺的噪声统计模型.研究了基于Kalman滤波的陀螺去噪算法,给出了去噪结果,分析了该算法不能够取得较好滤波效果的原因.针对Kalman滤波在微机电陀螺信号低频去噪方面的局限性,将基于阈值决策的小波去噪方法应用于微机电陀螺的信号处理中,给出了滤波结果.实测结果表明由于后者不依赖于噪声的精确模型,可根据噪声在不同频段的统计特性采用阈值决策滤波,具有更好的抑噪效果.最后给出了两种滤波算法的比较.