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，大大的提高了測量靈敏度,，也方便了光電元件的放置,。

　　本文利用長光柵的位移傳感器，借助CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅光電池檢測莫爾條紋,，完成了信號的細分，并實現(xiàn)對位移和角度的高精度測量,。因此,，若利用光柵精密測量位移或角度，可利用光電元件測出莫爾條紋的移動,，通過脈沖計數(shù)得到度量,。

　　測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作方式

　　以位移測量為例,，通常光柵傳感器是由光路系統(tǒng)、一對光柵副,、與指示光柵相對位置固定的光電接收元件,、整形細分電路組成。當(dāng)光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動時,，莫爾條紋就會沿近似垂直于光柵移動的方向運動,。當(dāng)光柵移動一個柵距時，莫爾條紋就移動一個條紋間隔B,。光電接收元件將莫爾條紋的明暗強弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出,。該正弦波經(jīng)整形為方波，在一個完整的光柵測量系統(tǒng)中,，后級電路(往往是以單片機為核心)接收該信號后,，根據(jù)兩路或多路信號的時序關(guān)系判別運動方向，并根據(jù)方波個數(shù)判斷位移,。

　　光柵數(shù)字傳感器的測量分辨率等于一個柵距,。但是，在精密檢測中常常需要測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現(xiàn)：1)增加刻線密度來減小柵距，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制,。2)采用細分技術(shù),，在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖,，而是輸出若干個脈沖,，以減小脈沖當(dāng)量，提高分辨力,。細分的方法有多種,，如直接細分、電橋細分,、鎖相細分,、調(diào)制信號細分和軟件細分等。下面介紹論文采用的4倍直接細分的信號處理過程,。

　　根據(jù)莫爾條紋的性質(zhì),，光電元件產(chǎn)生的信號近似為正弦波。A,、B為兩個光電元件,，使A、B的位置相距1/4B那么A、B輸出的正弦信號相位差π/2,，如圖2所示,。設(shè)莫爾條紋移動方向為從A到B。A領(lǐng)先Bπ/2,，A,、B兩路信號經(jīng)整形后變?yōu)榉讲ǎ?/4個周期為單位時間,，則在一個周期內(nèi)的4個單位時間內(nèi),，A依次為1、1,、0,、0，B依次為0,、1,、1、0,，AB代表的二進制數(shù)為10,，11，01,、00,，即光柵移動一個柵距內(nèi)，可以得到4組信號,，根據(jù)不同的信號值從而將位移確定在1/4個柵距內(nèi),，實現(xiàn)了4倍細分。同時根據(jù)AB代表的系列值可以判斷移動方向,。

　　圖像傳感器的選用

　　根據(jù)以上對光柵傳感器的剖析,，可以看出要想提高對莫爾條紋的細分精度，可以采用提高光柵線的密度或放置更多路光敏元件實現(xiàn)對信號更高倍的細分的方法,。但是由于工藝上的難度成本上的限制,，不可能無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,。所以從以上兩點入手試圖改進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)電路完成信號處理,。所以考慮采用新的圖像探測器件來取代傳統(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,、動態(tài)范圍,、靈敏度和價格上。雖然CMOS圖像傳感器的生產(chǎn)過程較簡單,、成本較低,、功耗較小，但其具有信噪比低,、寬動態(tài)范小,、電荷轉(zhuǎn)換效率低和輸出圖像質(zhì)量低的缺點，而CCD圖像傳感器的最大優(yōu)點是信噪比高,、靈敏度和動態(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,，對于光柵傳感器的應(yīng)用來說,，CCD更適于對精度和靈敏度要求較高的莫爾條紋的檢測。

　　CCD圖像傳感器的功能是把二維圖像光學(xué)信號轉(zhuǎn)變成一維視頻信號或數(shù)字信號,。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讀出方式,，其中雙溝道信號讀出方式的信號轉(zhuǎn)移效率高,。面陣CCD的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常見的有幀轉(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,。每個成像單元稱為一個像素。假定有M個轉(zhuǎn)移溝道,，每個溝道有N個成像單元,，那么整個成像區(qū)共有M×N個像素。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,，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,，光生電荷被收集到電極下方的勢阱里,，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,，加到成像區(qū)和暫存區(qū)電極上的時鐘脈沖使所有收集到的信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)中,，然后經(jīng)由水平讀出寄存器，在時鐘脈沖控制下,，經(jīng)輸出級逐行輸出一幀信息,。在第一幀讀出的同時，第二幀信息通過光積分又收集到勢阱中,。這樣可以一幀一幀連續(xù)地讀出,。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　下面采用CCD圖像傳感器FTF4052M芯片實現(xiàn)對莫爾條紋的檢測。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)域為光敏區(qū),，即光積分區(qū)域。每個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信號進行校正,。特別是對于處于莫爾條紋光強波谷處的像敏單元,，其信號是微弱的，此時該校正是很必要的,。⒉上下兩部分為兩個輸出寄存器,。將光積分生成的電荷水平轉(zhuǎn)移到4個角的輸出放大器，輸出放大器將光生電荷形成的電壓信號放大并轉(zhuǎn)移出CCD,。C1,、C2、C3為水平像素轉(zhuǎn)移寄存器的時鐘信號,。A1,、A2、A3,、A4為垂直行驅(qū)動時鐘信號,。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柵;RG是輸出放大器。該芯片的最大特點是將光敏區(qū)生成的圖像分成W,、X,、Y,、Z四個對稱的象限，每個象限的電荷可以以不同的方向轉(zhuǎn)移,，通過四個輸出端同時輸出,，有效地提高了幀速率，單端輸出的幀速率為1FPS,，而四端同時輸出就可以達到3.6FPSs,。工作時,，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分布,。

　　由于CCD圖像傳感器的同一列像元從上至下的光強分布是一致的,，莫爾條紋的光強分布只是體現(xiàn)在行方向上，所以無需進行逐行掃描,，只需考察一行上的像元信號即可分析莫爾條紋的移動情況,，這樣大大降低了信號處理任務(wù)。圖4代表莫爾條紋在一行像敏單元上的光強分布,，X軸為莫爾條紋移動方向,，Y軸表示光強的大小。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，各行情況會略有差別,，所以可以考慮選擇不同位置的幾行,，考察其光強分布情況，避免信號質(zhì)量差時過大的單行誤差,，達到降低誤差的目的,。

　　FTF4052M和光柵傳感器、DSP,、MCU和PC組成測量系統(tǒng)時,，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通過對FTF4052M 芯片發(fā)出時鐘信號指令,、以及對FTF4052M 芯片進行時序控制，來完成參數(shù)的配置;系統(tǒng)配置完后,，F(xiàn)TF4052M 芯片開始對莫爾條紋信號進行采集,，并輸出同步信號給MCU,，其包括垂直同步信號、水平同步信號,、數(shù)據(jù)同步信號,，判別一幀圖像數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束;DSP發(fā)出讀信號請求后，MCU根據(jù)同步信號決定是否開始數(shù)據(jù)采集;采集的數(shù)據(jù)被送至RAM;DSP接收到READY信號后開始采集數(shù)據(jù)并處理;數(shù)據(jù)最終被送往PC進行處理,，得出測量結(jié)果,。

　　結(jié)論

　　從信號處理的角度來說，最簡單的方法就是通過調(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度一致,，設(shè)其為L。該方向有n個像素,，將L分為n份,， 即細分倍數(shù)達到n倍，對位移的分辨精度達到了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,。考慮到光柵線質(zhì)量問題等,，該理論值并不代表整個傳感器在實際測量中能達到的精度,。但經(jīng)過實測，采用CCD圖像傳感器對莫爾條紋的分辨精度遠遠高于采用傳統(tǒng)的硅光電池和整形細分電路等對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也在不斷的改善,，對莫爾條紋的分辨率將不斷提高,，滿足光柵傳感器現(xiàn)在和未來的高精度、高分辨率等測量需求將綽綽有余,，理論上,，若提供的莫爾條紋信號質(zhì)量足夠高，則可以實現(xiàn)納米級的測量精度,。