光學系統(tǒng)及專用光學軟件

1、光學系統(tǒng)及專用光學軟件1主要內容1 光電檢測中的光學系統(tǒng)2 常用物鏡簡介3 探測器輔助光學系統(tǒng)4 光電檢測中的計量部件5 角反射器與極性分析器21. 光學系統(tǒng)的組成及功能 光學系統(tǒng)在光電檢測中的主要作用可歸納如下： （1）收集并接收來自檢測目標的光輻射通量，供光電探測器進行光電轉換。 （2）觀察或瞄準目標，為正確對待測目標進行光電檢測，需要用人眼協(xié)助觀察或瞄準目標。 （3）確定目標的方位，利用調制盤將目標的光輻射通過編碼形成目標的方位信息。 （4）實現(xiàn)大視場捕獲目標與成像，這里主要是指利用光機掃描的方法，擴大探測器的視場，從而實現(xiàn)利用小視場的探測器在大視場中捕獲目標；或者實現(xiàn)利用小視場探測器對

2、大視場景物成像。1 光電檢測中的光學系統(tǒng)32. 望遠系統(tǒng)具有望遠功能的兩類系統(tǒng)如下：（1）伽利略望遠系統(tǒng):圖5-1 伽利略望遠系統(tǒng)4圖5-2 反射式伽利略望遠系統(tǒng) 圖5-2所示是反射式伽利略望遠系統(tǒng)。 5（2）開普勒望遠系統(tǒng):圖5-3 開普勒望遠系統(tǒng)6圖5-4 反射式天文望遠鏡系統(tǒng)圖5-4所示為開普勒型反射式天文望遠鏡系統(tǒng)。73. 目鏡（1）目鏡的放大率 也就是放大鏡的放大率。定義為通過放大鏡看物體時，其像對眼睛所張角的正切，與眼睛直接看物體時，在明視距離(250mm)上物體對眼睛所張角的正切之比。圖5-5所示為物體經放大鏡成像的光路圖。 圖5-5 目鏡放大率的計算8由圖中可知虛像y對人眼張角

3、的正為 。在明視距離處，物體y對眼睛張角的正切為 ，于是將線放大率 代入上式由式可知，放大率不僅與焦距 有關，還與眼瞳距放大鏡的距離有關。在望遠系統(tǒng)中眼瞳常置于出瞳處，在焦點 之后，所以 上式可近似為(5-1)9(2)惠更斯目鏡 它是內兩塊平凸透鏡組成，其間隔為d。結構原理如圖5-6所示圖5-6 惠更斯目鏡原理圖10（3）冉斯登目鏡 它是由兩凸面相對的平凸透鏡組成，如圖5-7所示。間隔d比惠更斯目鏡小， ；主要參量；2 30o40o ， 。 圖5-7 冉斯登目鏡 （4）凱涅耳目鏡 它是將冉斯登目鏡中的平凸透鏡均該為雙膠合透鏡，使像質得到改善。主要參量： 240o50o ， 。 114. 光電檢

4、測系統(tǒng)中光學系統(tǒng)的特點（1）光電探測器的大小和對應視場的關系 系統(tǒng)半視場角 ，式中d為圓形探測器光敏面的直徑；f為物鏡焦距。設系統(tǒng)物鏡口徑為D、則相對孔徑為D/f，F(xiàn)數為fD。于是有 (5-2)(5-3)用數值孔徑NA表示為(5-4)式中， u為 系統(tǒng)的孔徑角；n為物方空間的折射率。12（2）光學系統(tǒng)的焦深和景深 以衍射為極限時，光學系統(tǒng)的焦深是成像面相對于理想像面前后移動小量 ，像仍比較清晰。也就是說在這段距離內，對應某物點的光束橫截面積十分接近，把這段距離叫作焦深2 ，表示為 (5-5)式中 n 像方折射率； F 光學系統(tǒng)的F數； 探測光輻射的波長。13 以可見光、中紅外和遠紅外三個光譜區(qū)

5、中，三種典型波長的焦深為例，說明這一關系。計算結果列于表5-1中。表中可見，當，2 8m，說明像面有確定的位置，隨著波長增加，2 按正比增加，當10m，2 160m，這時很難斷定像面的確切位置。這是紅外系統(tǒng)的特點之一。 與焦深相對應的物空間中。物移動某一距離x，只要其像面移動不超過 ，那么仍可得到清晰的像。所以，對應焦深在物空間中的范圍就是景深。利用牛頓公式可以計算出x為(5-6)表5-1 不同波長時焦深的計算結果14（3）最小彌散斑及其角直徑 光學系統(tǒng)中影響成像質量的因素主要是像差和衍射。系統(tǒng)的像差按照不同的設計有很大的差別。而衍射作用的大小可用計算艾里斑的方法來估計。當斑內占總衍射能量的8

6、4時，所對應的角直徑分別為(5-7)(5-8)151. 折射式物鏡可見及近紅外區(qū)域中常用折射式物鏡。 （1）單片折射式物鏡 它結構簡單，可用于像質要求較低的檢測系統(tǒng)中。通過像差計算，可有以下結論：透鏡形狀要按所用材料的折射率和工作波長來確定。視場增大，像散增大。當工作在光譜范圍較寬時，如某個大氣窗口中，其色差將相當嚴重。光敏面較小的檢測系統(tǒng)，對應視場又很小，可采用單片透鏡。單片折射物鏡的優(yōu)點是結構簡單、體積小、重量輕等。2 常用物鏡簡介16 圖5-8所示為美國探測金星的水手號宇宙飛船上，所用紅外輻射計的光學系統(tǒng)。它由鍺物鏡和鍺超半球浸沒透鏡組成，并組合消像差。主要參量為：D=32mm，f，視場

7、oo，探測器尺寸2，浸沒透鏡縮小比是1/15，彌散斑直徑約為。圖5-8 紅外輻射計的光學系統(tǒng)17（2）多片式折射物鏡（組合透鏡) 圖5-9所示為三片薄透鏡組成的消球差物鏡。第一片為平凸鏡、目的是使其球差最小。 圖5-9 三片式消球差物鏡 圖5-10所示為雙分離消色差物鏡，它用于中紅外3波段，氟化鎂鏡片折射率較低，無需鍍增透膜，而硫化鋅鏡片折射率高，應對以4m為中心的波段鍍增透膜。典型參數為：f100mm，F(xiàn)4，處的透射比90，到1m和處透射比下降為30%。圖5-10 雙分離消色差物鏡18 圖5-11所示為具有較大視場和相對孔徑的柯克物鏡，D/f1:4.5, 2=50o。該物鏡可變參量有6個面和

8、兩個間隔，在滿足焦距要求后，還有7個變量，正好用以校正7種初級像差。 圖5-11 三片式柯克物鏡192. 反射式物鏡（1）單反射物鏡 圖5-12所示為球面反射鏡，像質接近單透鏡。但無色差，價格便宜。小孔徑使用時，像質較好。但隨視場增大、F數減小則像質很快變壞。有時可在系統(tǒng)的球心處加一補償透鏡，以消除球差改善像質。圖5-12 球面反射鏡20 圖5-13所示為拋物面反射鏡、是由拋物線 回轉而成，r0為拋切線頂點的曲率半徑。拋物面反射鏡對無限遠處軸上物點成像時無像差，只有衍射影響像質。因此它是用于小視場的優(yōu)良物鏡。物鏡焦距f= r0/2。使用中兩種結構形式如圖5-14所示。其中，圖()為同軸式工作，

9、將要擋去一部分有效光束；圖()為離軸式工作，光路安排方式較好，但裝調較困難。 圖5-13 拋物面反射鏡（a）同軸式（b）離軸式圖5-14 拋物面反射鏡的兩種結構形式21 二次曲面中的雙曲面和橢球面均有共軛點P與P存在，如圖5-15所示。在P與P間成像無像差存在。圖5-15 雙曲面、橢球面的共軛關系22（2）雙反射物鏡 雙反射物鏡是由主鏡和次鏡組成。光束首先經主鏡反射到次鏡，再由次鏡反射輸出。 圖5-16是由拋物面主鏡和平面次鏡構成的牛頓系統(tǒng)，圖中（b）為牛頓補充型系統(tǒng)。它們的像質與單拋物面反射鏡相當。適用于小視場系統(tǒng)中。（a）牛頓型（b）牛頓補充型圖5-16 牛頓系統(tǒng)23 圖5-17所示為卡塞

10、格倫系統(tǒng)，主鏡為拋物面，次鏡為凸雙曲面，將雙曲面的一個焦點P與拋物面的焦點F重合，則系統(tǒng)焦點將在雙曲面的另一個焦點P處，焦距f為正，成倒立實像。它比牛頓系統(tǒng)的軸外像差小。優(yōu)點是像質好、鏡筒短、焦距長、在焦點處便于放置探測器。圖5-17 卡塞格倫系統(tǒng) 圖5-18所示為格雷果里系統(tǒng)，主鏡為拋物面，次鏡為凹橢球面，兩鏡面焦點重合放置，則系統(tǒng)焦點在橢球的另一焦點處。該系統(tǒng)無球差、成正像。缺點是長度較長。圖5-18 格雷果里系統(tǒng)24 為克服視場小和中間擋光的缺點，也有使用如圖5-19所示的四反射鏡系統(tǒng)。 圖5-20所示為一種有效的三反射鏡系統(tǒng)，主鏡是F數為1的拋物面鏡；次鏡為橢球面；而第三個反射鏡為球面

11、鏡，它加工在主鏡的中央部分。該系統(tǒng)可獲平場的像面。圖5-19 四反射鏡系統(tǒng)圖5-20 三反射鏡系統(tǒng)253. 折反式物鏡（1）施密特系統(tǒng) 其主鏡是球面反射鏡，單獨成像時可無彗差和像散，只產生球差和場曲，為校正球差在反射鏡曲率中心處，放置一塊特制的非球面補償透鏡。即施密特校正板。如圖5-21所示。 圖5-21 施密特系統(tǒng)26（2）曼金折反系統(tǒng) 圖5-22所示為曼金系統(tǒng)，由兩球面構成背面反射和前面折射。它適用于大口徑的折反系統(tǒng)中充當主鏡。也可在雙反射鏡系統(tǒng)中充當次鏡。如圖5-23所示，主反射鏡為球面，曼金次鏡消色差。 圖5-22 曼金折反系統(tǒng)圖5-23 曼金次鏡消色差27（3）包沃斯馬克蘇托夫系統(tǒng)

12、這是由包沃斯和馬克蘇托夫各自獨立提出，用球面反射鏡和厚彎月型負透鏡組成的系統(tǒng)。如圖5-24所示。厚彎月型負透鏡消色差。該系統(tǒng)的特點是各球面同心，光闌置于公共球心處，這樣無彗差和像散存在。其像面也是與各球面共心的曲面。彎月透鏡可在球心前或球心后，其作用一樣，在球心前稱心前系統(tǒng)，反之稱心后系統(tǒng)。圖5-24 包沃斯馬克蘇托夫系統(tǒng)281. 場鏡 工作在物鏡像面附近的透鏡稱為場鏡。如圖5-25所示，可以看出場鏡的主要作用是：(1)場鏡的應用可提高邊緣光束入射到探測器的能力。(2)在相同的大光學系統(tǒng)中，附加場鏡將減小探測器的面積。(3)場鏡放置在像面附近，可讓出像面位置放置調制盤，以解決無處放置調制盤的問

13、題。(4)場鏡的使用也使探測器光敏面上非均勻光照得以均勻化。(5)當使用平像場鏡時，可獲得平場像面。 （a）無場鏡時的光路圖（b）有場鏡時的光路圖圖5-25 場鏡的作用3 探測器輔助光學系統(tǒng)29 圖中參量含意如下： Lf是場鏡距物鏡焦面的距離；D0是物鏡的口徑； 是物鏡焦距； 是物鏡的F數；Dl是場鏡的口徑；是場鏡的焦距；是場鏡的F數；d是探測器的直徑。 加入場鏡后光學系統(tǒng)參量可按薄透鏡理想公式計算。圖5-25(b)中將場鏡放在物鏡的焦平面上，這是常用的一種形式。在需放置調制盤的系統(tǒng)中，則將場鏡后移一段距離。而把探測器放在物鏡口徑經場鏡所成像的位置上，如圖5-26所示。 圖5-26 場鏡的放置

14、 30按成像公式有：垂軸放大率為： 將兩式組合可得場鏡的焦距公式(5-9)設視場光闌口徑為Dv，有則場鏡門徑D1可導出ANBMND則有(5-10)有時為計算方便而忽略第二項、使D12(BC)則 (5-11)31 當系統(tǒng)不用調制盤時，場鏡置于物鏡焦面上，這時 ， ，則有 使用場鏡后，探測器直徑由Dl變?yōu)閐。一般取 ，則有(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)32 下面引入光學增益G的慨念，它定義為：有、無某光學系統(tǒng)時，探測器接收到光輻射通量之比。有、無物鏡時的光學增益G0為 式中，A0為物鏡入瞳的面積；Ad為探測器的面積；0為物鏡的透射比。有、無物鏡和場鏡時的光學增益G為： 有或無場鏡

15、時的光學增益的變化，用光學增益倍數m表示，注意這時式(5-16)中的Ad應用場鏡的面積A1代替 (5-16)(5-17)將式（5-15）代入上式得，332. 光錐 光錐是一種圓錐體狀的聚光鏡?？芍瞥煽招暮蛯嵭膬煞N類型。使用時將大端放在主光學系統(tǒng)的焦面附近收集光束，并利用圓錐形內壁的高反射比特性、將光束引到小端輸出。將探測器置于小端，接收集中后的光束。它是一種非成像的聚光元件，與場鏡類似可起到增加光照度或減小探測器面積的作用。 （1）光束在光錐內的傳播以圖5-27所示的實心光錐為例。圖5-27 光線在光錐內的傳播34由圖5-27中的BEF可知所以按外角等于二內對角之和的關系，則有 依次有經m次反

16、射的通式為 (5-18)35對空心光錐u= u，經m次反射的通式為(5-19) 由上述公式可知，入射角i隨反射次數的增加而迅速減小。當im0之后，光線不再向小端傳播，而返回大端?？梢娫谄渌鼦l件不變時，i1角愈大，允許向小端前進的反射次數愈多。而il愈小則返回愈快。一個具體的光錐能否使光線由大端傳到小端有一臨界角i1c存在，與此相應也有臨界入射角uc存在。它們與光錐的頂角2，光錐長度L，以及實心光鍍的材料折射率n有關。uc與i1c的關系為 (空心光錐) (實心光錐) (5-20)(5-21)從物理意義上說，uc也限制了系統(tǒng)的視場角2,uuc的光束將傳不到小端。36（2）空心光錐參量的確定 光錐的

17、主要參量有：頂角2、光錐長度L，大端半徑R和小端半徑r等。圖5-28所示為光錐的展開圖。 圖5-28 光錐的展開圖 如圖5-29所示為設計實用光錐的作圖法。將空心光錐的大端放置在系統(tǒng)物鏡的焦平面處，作為視場光闌，小端處放置探測器。圖5-29 利用作圖法設計光錐37 光錐的具體設計步驟如下： (1)按系統(tǒng)所要求，視場的邊緣光線AO與視場光闌交于B，并將該光線延長。 (2)以距焦面a處光軸上的E點為圓心，作AB光線延長線的切圓并切于D點。該圓周與光軸的交點F就是光錐小端的中心。 (3)連接BE與圓周交于F點，則BF為光錐斜面，并可找到小端半徑r。BEO為半頂角，光錐長LBFcos。其它參量均可按圖

18、確定。如不滿意可另選E點，重新設計參量。有關參量的計算公式為 (5-22)38（3）實心圓錐體光錐 討論、展開圖和設計均與空心光錐類似，只增多丁入射和出射時的兩次折射。當入射角不大時，結合式(5-20)和(5-21)有 (5-23)(5-24)(實心光錐) (空心光核) 39（4）二次曲面光錐 在空心光錐中，為減少光錐內壁上的反射次數，減少能量損失，可采用二次曲線為母線的光錐。母線可以是圓、橢圓、拋物線或雙曲線等。圖5-30所示為橢圓母線的光錐。 在使用時，采用光錐還是場鏡來聚光，主要由主光學系統(tǒng)的F數決定。當F2，采用場鏡較合適。而當F1，用光錐適合。當F數在12之間，可用帶場鏡的光錐。圖5

19、-31所示為兩種場鏡與光錐的組合結構。(a)為場鏡與空光心光錐的組合，(b)為場鏡與實心光錐的組合。圖5-30 以橢圓為母線的二次曲面光錐圖5-31 光錐與場鏡的組合結構403. 浸沒透鏡 浸沒透鏡也是一種二次聚光元件。它是由球面和平面組成的球冠體，如圖5-32所示。探測器與浸投透鏡平面間或膠合或光膠，使像面浸沒在折射率較高的介質中。它的主要作用是顯著地縮小探測器的光敏面積，提高信噪比。浸沒透鏡的設計和使用，按物像共軛關系處理。圖5-32 浸沒透鏡41（1）浸沒透鏡的物像關系相等的條件 如圖5-33所示，當像面未離開浸沒透鏡而在鏡內時，可把浸沒透鏡看成是單球面折射成像。圖中有關參量：n是浸沒透

20、鏡前介質折射率；n是浸沒透鏡材料的折射率；r是球面半徑；C是球心；b是透鏡的厚度；O是頂點。光線AP在無透鏡時，本應與光軸相交于B點，現(xiàn)因透鏡作用交于B點。OB=L、OBL。 圖5-33 浸沒透鏡的物像關系42按折射球面的物(B)像(B)關系有 設物高為y，像高為y，則垂軸放大率為如果浸沒透鏡置于空氣中，n=1，成像面與光敏面重合，L=b,則有 常把的倒數B叫作浸沒透鏡的浸沒倍率:(5-25)(5-26)(5-27)(5-28)(5-29)43 單折射球面有像差存在，但在等明點或不暈點處的球差和彗差等于零。存在著三個等明點的物像共軛關系。它們是： LL 0，物、像點重合在折射球面上，這沒有實用

21、意義； L=r=L=b，物、像點均在折射球面的曲率中心上；物距和像距分別為：Lr(n+n)/n，和Lr(n十n)n。 圖5-34所示為像差隨Lr變化的曲線關系，圖中的標號(1)、(2)和(3)分別對應上述三種情況。后兩個等明情況可用作設計浸沒透鏡的條件。這時不但能對寬光束完善成像，還對垂軸小平面物體完善成像，這種透鏡叫作等明透鏡。圖5-34 像差曲線44 （2）半球浸沒透鏡和超半球浸沒透鏡 符合（1）中等明條件時，Lrb的透鏡叫作半球浸沒透鏡，無球差和彗差。系統(tǒng)安排如圖5-35所示。 圖5-35 半球浸沒透鏡 為進一步擴大入射光束的孔徑角，可采用br的超半球浸沒透鏡，按等明條件，在b=L時得到

22、滿足。這時不僅不存在球差和慧差，也不存在像散。這種透鏡叫作標準超半球浸沒透鏡。其它超半球浸沒透鏡均不滿足等明條件。圖5-36所示為計算標準超半球浸沒透鏡的光路及相關參量。這時LL，n=1，則有(5-30)(5-31)圖5-36 超半球浸沒透鏡45（3）全反射導致浸沒透鏡的限制半球浸沒透鏡的限制 設主光學系統(tǒng)的口徑和焦距分別為D0和，對無限遠軸上點入射光在像方的孔徑角為u，如圖5-37所示。 圖5-37 半球浸沒透鏡的限制令u=ic (5-32)(5-33)將式（5-32）與（5-33）聯(lián)立可得臨界條件：(5-34)當n4，n0時，F(xiàn)0。實際限制了入射的孔徑。46標準超半球浸沒透鏡的限制 如圖5

23、-38所示，孔徑角由u0經浸沒透鏡轉變?yōu)閡，兩者間關系為 圖5-38 超半球浸沒透鏡的限制在空氣中使用，n=1, 如n4，n0，則F0?？梢姌藴食肭蚪]透鏡適用于相對孔徑較小的場合。，(5-35)(5-36)474 光電檢測中的計量部件 5.4.1 計量光柵5.4.2 電子細分技術的基本原理5.4.3 光學碼盤及編碼本節(jié)主要包括以下幾部分內容：48 光柵是由若干通光與不通光相間的柵狀條帶構成的器件，如圖5-39所示。d1為不通光條帶的寬度，d2為通光條帶的寬度，并將d1+d2= d叫作光柵常數、光柵節(jié)距或光柵柵距。為便了制作，常使d1+d2= d/2。按其工作原理不同，光柵可分為兩大類，即物

24、理光柵和計量光柵。 圖5-39 計量光柵 計量光柵491. 長光柵的莫爾條紋 用兩塊光柵面對面地靠近，中間只留很小的間隙，并使兩光柵的柵線間保持很小的夾角。如圖5-40所示。在aa線上兩光柵的柵線即不透明的線相交。光線可從縫隙中通過，形成四棱形的亮區(qū)，而在bb線上。兩光柵的柵線彼此錯開，形成柵線交叉的暗帶。從總體上看形成了明暗的莫爾條紋。 實用中用一長一短兩光柵構成計量部件。其中短光柵固定，柵線與y軸成角，叫做指示光柵或固定光柵。而長光柵柵線與y軸平行，工作時垂直y軸移動，叫做移動光柵或主光柵。將鄰近兩亮帶或暗帶間的距離叫做莫爾條紋的寬度或間距。圖5-40 長光柵莫爾條紋502. 長光柵莫爾條

25、紋方程 圖5-41是簡化長光柵莫爾條紋。將柵線用細黑線表示。取主光柵A的0號柵線為y軸，取x軸與主光柵各柵線垂直。使指示光柵的0號柵線與主光柵0號柵線交于坐標原點0,0，兩光柵柵線間夾角為。主光柵線序號用i表示，指示光柵的柵線序號用j表示。柵線間交點用i,j表示。 圖5-41 簡化長光柵的莫爾條紋51 主光柵柵距為d0，指示光柵柵距為dc。主光柵的柵線方程為 指示光柵的柵線斜率為tg(90o-)ctg，任一柵線j與x軸的交點oj的坐標為 。而指示光柵的柵線方程為 兩光柵柵線交點i,j的坐標為 莫爾條紋l的斜率tg為 (5-37)(5-38)(5-39)(5-40)(5-41)注意這時i=j所以

26、有 (5-42)式中，為莫爾條紋1與x軸的夾角。 52由此可知，條紋l的方程為 條紋2和3的方程分別為 莫爾條紋的間距可用相鄰兩條紋在y軸上的距離By表示，也可用實際間B表示(5-43)(5-44)(5-45)(5-46)533. 橫向莫爾條紋 橫向莫爾條紋是由dadcd的兩光柵，傾角很小的條件下形成。這時條紋與x軸夾角。一般約為為幾分，可近似認為條紋與y軸垂直，所以叫做橫向莫爾條紋。它的間距公式為 近似計算為 當兩塊光柵間夾角0時，B=，這時主光柵移動時，指示光柵相當于一個閘門。兩光柵柵線重疊時，條紋最亮；柵線錯開時，條紋變黑。把這種條紋叫作光閘莫爾條紋。 (5-47)544. 縱向莫爾條紋

27、 由兩柵距不等而又接近的光柵可疊合成縱向莫爾條紋。設da=d，dc=d(1+)，而光柵柵線平行放置，0，如圖5-42所示，柵線方向與條紋方向平行。莫爾條紋的間距B可由式(5-47)簡化后給出通常1，上式可簡化為 (5-48)圖5-42 縱向莫爾條紋555. 斜向莫爾條紋 它的形成條件是；da=d，dc=(1+)d，0，可以看作是橫向和縱向莫爾條紋的綜合結果，如圖5-43所示。條紋的斜率為當很小時 斜向莫爾條紋間距B可由式(5-47)簡化為 由式(5-50)可知，當cos(1十)時，0，tg0，這時斜向莫爾條紋轉變?yōu)閲栏竦臋M向莫爾條紋。但需兩種柵距的光柵合成。圖5-43 斜向莫爾條紋(5-51)

28、(5-50)(5-49)566. 莫爾條紋的主要特性 莫爾條紋在測量中得到廣泛應用，因為它具有放大作用和移動方向性這兩個重要的特性。 從式(5-48)可知，間距B是柵距d和傾角決定，調整就可改變B。此外、當很小時，B可遠大于d。把條紋間距與光柵間距之比叫作莫爾條紋的放大倍數K。 (5-52) 設o10mrad，d，當B2mm，K100?？梢娪糜嬃抗鈻艤y定位移時，移動光柵每移動一個柵距，莫爾條紋移動一個間距2mm。對同等精度的測量，精度可提高l00倍。 577. 光柵讀數頭簡介 利用光柵莫爾條紋對位移進行精密測量必須靠光電方法獲取位移信號。如圖5-44所示為光柵光電讀數頭的裝置原理。指示光柵固定

29、不動，主光柵與移動物體固緊，兩光柵間約有幾微米到幾十微米的間隔。從光源發(fā)出的光經準直鏡后，以平行光照射光柵，光束經某組莫爾條紋后，由硅光電池接收。主光柵移動，莫爾條紋周期生地變化，光電池接收這一變化，每變化一周期計數器計一次。如果計數為N，則移動距離為Nd。 圖5-45 光柵光點讀數頭的裝置原理58 光電讀數通常不是針對某一點的條紋進行，而是在一定長度內針對若干同相位點的條紋進行檢測。這樣不僅可以提高信號量，更重要的是使刻線誤差得到平均，在很大程度上消除局部及周期誤差的影響，使檢測精度可能優(yōu)于光柵本身的刻線精度。這種作用叫做平均效應。 利用單個讀數頭測量，存在著兩個未能解決的問題。一是末測出移

30、動方向；二是精度未能提高。實際上常用多個光電讀數頭，它們以一定的相位差放置在莫爾條紋的相應周期范圍內，為細分讀數器和方向判別器提供信號。如圖5-45所示為相位相差的兩光柵信號，經電路處理后，給出加、減信號脈沖，以實現(xiàn)位移計數和方向判別。圖5-45 處理電路方框圖598. 圓光柵的莫爾條紋 圓光柵的種類很多，如圖5-46所示為三種圓形光柵，其中(a)為徑向光柵，柵線呈輻射狀，并全部通過圓心。又叫做輻射光柵；(b)為切向光柵，柵線均與一個直徑很小的圓相切；(c)為環(huán)形光柵，柵線內許多柵距為d的同心圓組成。圖5-46 三種圓光柵60 使用較多的是徑向光柵。采用兩塊柵距相同的徑向光柵疊合，并使兩光柵中

31、心保持一個不大的偏心量e，就可產生莫爾條紋。如圖5-47所示。 如果仔細研究全面積上的莫爾條紋，如圖5-48所示，有以下兩個特點：（1）莫爾條紋由一系列切于中心的圓組成；（2）莫爾條紋的法向寬度隨距中心的半徑R變換而不同，可用下式表示式中：B為莫爾條紋的法向寬度；dR為位于R處的柵距；e 為兩光柵間的偏心量。圖5-47 徑向光柵的莫爾條紋 圖5-48 全面積莫爾條紋 (5-53)61 電子細分技術的基本原理 單個光電讀數頭進行位移量或轉動量測量時，產生正弦信號輸出 式中：d為光柵常數；x為相對移動的距離；v為動光柵的移動線速度；u0為輸出電壓的幅值。 當x從0增至d時，光柵移過一個柵距，電壓信

32、號變化一個周期。如果用走過距離對應電壓變化的周期數表示，那么和計量柵距數沒有兩樣。為提高檢測精度，采用電子細分技術，將每個周期分解為若干分，通過對每分的測量，使精度提高若干倍。(5-54)621. 直接細分法 以四倍細分法為例加以說明。在莫爾條紋的一個周期內，等距地放置四組光電讀數頭，組間間隔為B4，對應相位差為2。產生信號經放大后分別為(5-55a)(5-55c)(5-55b)(5-55d) 計數脈沖形成電路是由鑒零器和微分電路，以及一些與非門和觸發(fā)器構成。鑒零器將正弦信號轉換為方波信號，經微分電路后產生計數脈沖。每組信號形成原理如圖5-49所示。 圖5-49 單組信號形成電路63 實際四倍

33、細分電路還要進行編碼處理，可同時獲得移動量和移動方像兩個參量。具體處理時，不僅要從四組微分電路中取出移動脈沖信號p1，p2，p3和p4，還要從四組鑒零電路后，取出方向信號t1，t2，t3和t4，把它們按圖5-50所示的編碼原理進行處理，由或門1輸出加法脈沖，由或門2輸出減法脈沖，并分別接到可逆計數器的十、一脈沖輸入端，計數器就可顯示動光柵的移動量及移動方向。對應上述編碼波形如圖5-5l所示。 圖5-50 編碼原理圖64圖5-51 編碼波形65 該方法借助于電阻鏈中不同位置可以產生不同相位的正弦電壓函數這一特點，獲得n組相位差相位相差2n的n個正弦電壓細分信號。其原理如圖5-52所示。在同電阻上

34、獲取多組電位函數的方法叫做串聯(lián)電阻相移法。這種方法在調整時信號間相互有影響。目前多采用并聯(lián)電阻相移法，如圖5-53所示，在每個電阻上，只采樣一個信號，相互不影響，調整方便，并可獲得較高的精度。2. 移相并聯(lián)電阻鏈細分法圖5-52 串聯(lián)電阻相位原理圖5-53 并聯(lián)電阻相位原理66 實際使用的相移并聯(lián)電阻鏈細分法，在上述四倍細分法基礎上進行。取樣電路原理如圖5-54所示?？晒┹敵鲇糜诩毞值膎個正弦電壓函數為 圖5-54 使用并聯(lián)電阻相位細分電路673. 電平切割比較細分法 該方法又叫作幅值切割比較法，基本原理如圖5-55所示。將莫爾條紋變化產生的正弦信號出sin進行幅值分割，形成比較電壓U1，U2

35、,-U1,-U2等。測量時將變化的莫爾條紋正弦信號與比較電壓相對照，正半周與正信號比，負半周與負信號比。當兩者相同時，比較器發(fā)出跳變信號，形成計數脈沖。如要進行n倍細分，則要在一個電壓變化周期內設置n個比較電壓，測量信號變化個周期，就可獲得n個計數脈沖信號。 圖5-55 幅值切割比較法68 該方法的最大缺點是，正弦函數各點斜率不等，在拐點附近斜率大，細分間隔電位變化大，易于實施，而在極值附近斜率接近于，細分間隔電位變化甚小，易受干擾，不易實施。 為克服上述缺點，有多種方法可對它進行改造。下面介紹一種近似三角波法實施細分。如圖5-56所示為利用正弦函數和余弦函數合成的近似三角形波F() 圖5-5

36、6 近似三角波的形成(5-56)694. 調制信號細分法 前面介紹的方法都是非調制信號細分法。如圖5-57所示為調制信號細分法的原理。把光柵莫爾條紋上取出的正弦信號u0sin和余弦信號u0cos分別引入乘法器A和B。再設法獲取一組輔助的調制正、余孩信號u1sinwt和u1coswt，并把它們按圖示引入相應的乘法器，乘法器輸出信號uA和uB分別為將uA和uB經加法器后，輸出信號u為式中：K1為乘法器的傳輸系數；K2為加法器的傳輸系數；w為調制輔助信號的圓頻率；為取樣點莫爾條墳的相位角。(5-57)(5-58)(5-59)圖5-57 調制信號細分法原理框圖70 調相信號細分也是一種常用電子細分法，

37、實現(xiàn)的關鍵是鑒相細分，下面介紹脈沖填補法的鑒相細分原理。相位計原理如圖5-58所示。主要由鑒零器、整形器、R-S觸發(fā)器、時鐘發(fā)生器和計數器等組成。調相信號u與基準信號uR經鑒零器和整形器后形成方波信號u與uR，兩者間相位差仍是，如圖5-59所示的波形。 圖5-58 鑒相原理圖5-59 鑒相各環(huán)節(jié)波形715. 鎖相細分法 細分技術中利用鎖相技術的原理如圖5-60所示。其中關鍵是產生穩(wěn)定的倍頻信號輸出。動光柵連續(xù)運動時，從變化的莫爾條紋中取出的光電信號頻率為f，如要進行n倍細分則使倍頻振蕩器產生頻率為Fnf的信號輸出。采用鎖相技術，以確保F跟蹤f并始終是其n倍。方法是將倍頻振蕩器輸出信號經n分頻，

38、再與光柵信號進行相位比較。圖5-60 鎖相細分法框圖721. 碼盤的工作原理 光學碼盤是光學軸角編碼器的角度基準光學元件，是將轉角的模擬量轉換為數字量(AD)的有效工具。按照代碼形成，編碼器可分為增量式和絕對式兩種。前述計量光柵是一種增量式的編碼器，沒有固定的零位。當編碼器有絕對零位時，稱其為絕對式編碼器。光學碼盤是一種絕對式編碼器，按輸出代碼形式可以有二進制、二十進制和六十進制等。以二進制代碼為基礎進行編碼的碼盤。用透光和不透光兩種狀態(tài)表示“1”和“0”。并以每個碼道代表二進制的一位數，對應在光學碼盤上是黑白相間的一個圓環(huán)。若干這樣的碼道就構成按二進制規(guī)律的碼盤圖案。如圖5-61所示為一個五

39、碼道組成的二進制碼盤。圖5-62所示為五位碼盤的編碼表和展開圖。 圖5-61 二進制碼盤 光學碼盤及編碼73二進制碼盤的碼道數n和碼道編碼容量M之間的關系為其角度分辨率與碼道數n之間的關系為(5-61)(5-60)圖5-62 五位二進制碼盤編碼和展開圖二進制碼盤中內圈為高位碼，外圈為低位碼。 742. 格雷碼碼盤 循環(huán)碼的形式很多，有格雷碼、周期碼以及反射碼等。圖5-63所示是一種典型的格雷碼圖案。它有五個碼道，其編碼表及展開圖如圖5-64所示。圖中以黑線代表“0”，而白線代表“1”。 循環(huán)碼的重要特點是： (1)代碼從任何數轉變到相鄰數時，各碼位中僅有一位發(fā)生變化； (2)循環(huán)碼每一個碼道的

40、周期比普通二進制碼盤增加了一倍。 圖5-63 格雷碼碼盤圖5-64 格雷碼盤表和展開圖753. 格雷碼的計算 格雷碼與普通二進制碼的關系如表5-2所示。由表中可以看出：對高位來說兩種碼的取值相同，而最低三位間的關系是： 式中號表示不進位的加法，在數字電路中也把它叫做“模和”。即：00=0；01=1；10=1；11=0。 (5-62)764. 碼盤參數的選擇 碼盤的主要參數有：分辨率、碼道位數n、黑白刻線總數M、刻線周期、刻線寬度b、最小內圈直徑min、刻線長度l和碼道間隔R等。 由所要求的最小碼盤讀數來確定碼盤的分辨率。按公式(5-63)計算出黑白刻線總數，即編碼容量M，按公式(5-62)計算

41、出碼道位數n。 碼道的刻線周期是指每對黑白線段所對應的中心角度，各碼道值不同，對最低位碼道來說，刻線的周期等于分辨率的二倍。 最小內圈直徑min是指最高位碼道刻劃的內徑。該值取的大對精度有利，但儀器體積、重量均增大；反之對體積、重量減小有利，但對精度不利，應視具體要求而定。 劃線長度l是指刻線在直徑方向上的長度。通常取即可。 碼道間隔R通常取(12)l，約12mm即可。 刻線寬度bi由碼道刻線半徑Ri和刻線周期i確定，注意bi對應的是i碼道一個周期的線寬，可由下式給出式中 (5-63)775. 光學編碼器 它是利用光學碼盤通過光學讀碼完成軸角到編碼電信號變換的儀器。它主要由光源、光學碼盤、狹縫、光電探測器及處理電路、軸系和一整套相應的機械零件所組成。它的核心是光電讀碼系統(tǒng)，如圖5-65所示為一個碼道的光電讀出系統(tǒng)。圖5-65 單碼道光電讀