一种基于线阵型电荷耦合摄像器件的二维位置测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于位置传感器设计技术领域，其特征在于包括共轴设置的主球面镜、球镜和分光棱镜，在所说的分光棱镜分出的两条互相垂直的光轴线上分别设置两个柱面镜及两个线阵型ＣＣＤ器件，两个柱面镜的圆柱轴线互相垂直，主球面镜与球面镜之间的距离等于主球面镜的像距与球面镜的焦距之和。还包括ＣＣＤ驱动电路、ＣＣＤ信号处理电路以及对该信号处理电路输出信号进行计算、显示结果的计算机。具有结构简单、价格低、精度高等优点。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于位置传感器设计
，特别涉及采用线阵型CCD构成的非接触二维位置测量装置。电荷耦合摄像器件(CCD)在非接触测量、图像传感及储存等方面有广泛的应用前景。CCD分为二大类线阵型CCD器件和面阵型CCD器件。线阵型CCD具有像元数多、速度快、拼接技术成熟、价格低等特点，如日本东芝公司的5000位CCD，工作频率20MHz，美国希洛克公司的5732位CCD，工作频率32MHz，英国EV公司的CCD21-40型CCD像元可达12288位，工作频率4MHz。由于上述特点，线阵型CCD很容易实现一维尺寸的高精度测量和定位系统。面阵型CCD可以直接用于二维尺寸测量和定位系统，但是由于面阵型CCD像元少(美国Tektronix公司已经生产出2048*2048像元面阵型CCD，国内目前最多能买到1024*1024像元面阵型CCD，且价格极高。)，因而无法实现高精度位置测量。另外，面阵型CCD图象处理复杂、信号处理周期长，需要专用的图象卡及软件。本专利技术的目的在于为克服已有技术的不足之处，通过设计特殊的光学系统，采用两个线阵型CCD构成了二维位置测量装置。使其具有结构简单、价格低、精度高等优点。本专利技术提出的一种基于线阵型CCD的二维位置测量装置，其特征在于包括共轴设置的主球面镜、球面镜和分光棱镜，在所说的分光棱镜分出的两条互相垂直的光轴线上分别设置两个柱面镜及两个线阵型CCD器件，所说的两个柱面镜的圆柱轴线互相垂直，所说的主球面镜与球面镜之间的距离等于主球面镜的像距与球面镜的焦距之和，还包括CCD驱动电路、CCD信号处理电路以及对该信号处理电路输出信号进行计算、显示结果的计算机。本专利技术所说的球面镜和两个柱面镜可分别粘贴在所说的分光棱镜的光输入面及两个光输出面上，使其成为一体化结构。本专利技术的工作原理描述如下首先结合附图说明图1介绍球面镜一柱面镜组合的特性，它构成该CCD光学成像系统的基础。在图1中，球面镜11的焦距为f1，柱面镜12的焦距为f2，它们共轴且之间的距离分别小于f1和f2。o是球面镜11的焦点，xoy平面是球面镜11的焦平面。m是焦平面上x轴上一点，通过球面镜1后为一束平行光，平行光经柱面镜12汇聚成一条直线。这样通过球透镜一柱面镜组合m点成像为一条直线a，直线a位于柱面镜12的焦平面上且与柱面镜12的圆柱轴线方向平行。同理，过m点平行于y轴的直线上的任意一点成的像都是直线a。这样，a到z轴的距离对应m点的x坐标。设a到z轴的距离为b，由透镜像公式得出bf2=omf1----(1)]]>若取f1＝f2，则a到z轴的距离为b＝om。本专利技术的光学系统工作原理结合图2说明如下完整的光学系统由一组光学元件组成，包括主球面镜21、球面镜22、分光棱镜23、两个柱面镜241、242和两个线阵型CCD251、252。主球面镜11、球面镜12及分光棱镜23共轴，分光棱镜分出两条相互垂直的光轴z、z1，在两条光路轴上分别加上柱面镜241、242，柱面镜251、252的圆柱轴线方向相互垂直。这样，分光棱镜的引入构成了两组球面镜一柱面镜组合，它们分别测定x轴和y轴方向的位置。为方便说明，我们选取具有相同焦距f1的球面镜和柱面镜。在图2中，主球面镜21的焦距是f，m为平面xoy上任意一点，其坐标为(x，y)，物距d0。m点通过主球面镜成像n点，n点在平面x1o1y1上，像距d1。n点的坐标(x1，y1)由下面公式得出1f=1d0+1d1----(2)]]>d0d1=xx1=yy1----(3)]]>主球面镜21与球面镜22之间的距离为d1+f1，这样像点n位于球面镜的焦平面上。由球面镜一柱面镜组合的特性可知，n点通过球面镜、分光棱镜和两个柱面镜成像为两条直线a和b，直线a位于柱面镜241的焦平面上且与z轴的距离为x1，直线b位于柱面镜242的焦平面上且与z1轴的距离为y1。分别在柱面镜的焦平面上过z和z1轴与柱面镜弯曲方向平行放置线阵型CCD。这样，像线a和b分别与CCD251、252垂直且相交，CCD测出直线a和b的位置x1和y1，通过公式(3)可以求出m点的坐标(x，y)。本专利技术具有如下特点一.本专利技术原理简单，实现可靠。本专利技术属于非接触位置测量，该方法利用球面镜-柱面镜组的特性，通过特殊光路设计，用两个线阵CCD实现了高精度二维位置测量。二.响应速度快。该套装置的信号处理周期可达到毫秒量级，使它可以用于动态目标实时跟踪和工业生产的在线测量。三.二维位置测量精度高。当选用5000像元的线阵CCD，该套装置测量分辨率可达到或接近五千分之一。四.成本低。由于线阵型CCD的价格大大低于面阵型CCD，而在一维方向上像元数远远多于面阵型CCD，使得本套装置具有很高的性能价格比。附图简要说明图1为球面镜一柱面镜组合成像2为本专利技术的二维位置测量光学系统原理3为本专利技术的高精度二维位置测量装置实施例结构示意4为本实施例的CCD信号处理电路5为本实施例信号处理流程图本专利技术提出一种基于线阵型CCD二维位置测量装置实施，其总体结构如图3所示，它可以实时检测靶面上随机运动的m点的位置。该装置由三部分构成，分别是变焦镜头31、CCD成像部分32和外围电路33，以及PC计算机34。变焦镜头的作用是将m点成像在后面的球面镜的前焦平面上，选用变焦镜头的目的是通过调节像距使CCD上产生清晰的像；另外变焦镜头还有改变装置的工作范围的作用，即通过调节镜头的焦距而改变装置的检测距离和检测范围。图3中给出的是变焦镜头焦距为50mm的情况，这时该装置的检测距离为1000mm，检测范围是边长530mm的正方形，设定变焦镜头焦距的变化范围是40～60mm，表一中给出焦距取边界值时的工作参数。表一 </tables>CCD成像部分为一体化结构，由球面镜321、分光棱镜322、两个柱面镜3231、3232和两个线阵型CCD3241、3242组成，球面镜和柱面镜均为平凸透镜，焦距均为100mm，分和两个线阵型CCD3241、3242组成，球面镜和柱面镜均为平凸透镜，焦距均为100mm，分别按图示方向粘在分光棱镜的前面和两个侧面(图中为表示清楚球面镜而将它与分光棱镜分开，实际上应于分光棱镜粘在一起)，两个柱面镜的中心分别在分光棱镜分出的两条光轴上，并且它们的圆柱轴线方向互相垂直，CCD垂直通过光轴放置，其方向分别与柱面镜圆柱轴线垂直。图3中给出各部件之间的位置关系，单位毫米，其中分光棱镜的尺寸为35×35×35mm3，球面镜的孔径为35mm，柱面镜的尺寸为35×35mm2。CCD是日本东芝公司产的TCD102C型线阵CCD，具有2048像元，光敏面长28.67mm。外围电路由CCD的驱动电路和信号处理电路组成。CCD驱动电路在各种CCD应用资料上均有详细介绍，这里不在叙述，需要指出的是TCD102C型CCD具有输出采样保持功能，即CCD输出的是去掉暗脉冲的标准脉冲视频信号。CCD信号处理电路主要包括，电位器U1、电压比较器U2、与门U3、Z80-CTC计数器U4、时序电路U5和PC计算机U6，其主要功能是将CCD输出的视频信号处理成计算机能接收的数字信号。下面结合图4、图5说明CCD信号处理电路的结构和工作过程根据限制电压幅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于线阵型ＣＣＤ的二维位置测量装置，其特征在于包括共轴设置的主球面镜、球面镜和分光棱镜，在所说的分光棱镜分出的两条相互相垂直的光轴线上分别设置两个柱面镜及两个线阵型ＣＣＤ器件，所说的两个柱面镜的圆柱轴线互相垂直，所说的主球面镜与球面镜之间的距离等于主球面镜的像距与球面镜的焦距之和，还包括ＣＣＤ驱动电路、ＣＣＤ信号处理电路以及对该信号处理电路输出信号进行计算、显示结果的计算机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尤政，董斌，杨韧，刘兴占，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]