專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種用線陣ccd測(cè)量光束中心位置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種測(cè)量入射到線陣CCD表面的光束中心位置的新光電測(cè)量方法，及運(yùn)用這方法對(duì)線位移、長(zhǎng)度和角位移、角度等進(jìn)行測(cè)量的具體方法，屬于幾何量測(cè)量方法與儀器的
技術(shù)領(lǐng)域：
；也可應(yīng)用于可轉(zhuǎn)換成位移量和角度量的其它類(lèi)型被測(cè)量的測(cè)量，例如通過(guò)沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角測(cè)磁通密度、通過(guò)被測(cè)譜線的在譜面上的位置測(cè)譜線波長(zhǎng)等。
背景技術(shù)：
：在以往的運(yùn)用線陣CCD的測(cè)量技術(shù)中，絕大多數(shù)的有效分辨率對(duì)應(yīng)1個(gè)像元間隔W，個(gè)別亞像元分辨技術(shù)的報(bào)導(dǎo)也只能將有效分辨率值減小到0.5W左右，如有的文獻(xiàn)中用錯(cuò)開(kāi)0.5W的兩列CCD實(shí)現(xiàn)亞像元測(cè)量。雖然也有分辨率在0.1像元以下的個(gè)別文獻(xiàn)報(bào)道，但這類(lèi)文獻(xiàn)中未見(jiàn)有非線性標(biāo)準(zhǔn)差或不確定度等指標(biāo)的描述，因而不能看作是與一定測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差相聯(lián)系的有效分辨率。已有技術(shù)中通常要求CCD表面上光束寬度在5W以下，最好窄到2W～3W；通常要求光束分布盡可能均勻，一般采用“重心”判斷法或等權(quán)假定下的最小二乘回歸法。用回歸理論可以證明等權(quán)回歸的因變量具有相同誤差特征值時(shí)，量值較小的邊緣數(shù)據(jù)的誤差對(duì)結(jié)果的影響要顯著大于中部數(shù)據(jù)誤差的影響；而準(zhǔn)高斯線型參量回歸時(shí)因變量yj＝lnVDj的權(quán)因子又正比與量值VDj的平方，線型邊緣因變量的誤差特征值大、權(quán)小。已有技術(shù)還要充分保留獲取的有效信息，對(duì)數(shù)據(jù)剔除采取謹(jǐn)慎態(tài)度。已有技術(shù)中，位移測(cè)量范圍達(dá)35mm左右、分辨率達(dá)亞微米的主要有光柵技術(shù)和激光干涉技術(shù)，但光柵技術(shù)的測(cè)量非線性誤差限在微米量級(jí)。已有技術(shù)中角度測(cè)量分辨率和準(zhǔn)確度比0.5’差的裝置主要有光電編碼器等，角度測(cè)量分辨率和準(zhǔn)確度優(yōu)于2”的有圓光柵技術(shù)。角度測(cè)量準(zhǔn)確度在3～6”、有效分辨率達(dá)到1”數(shù)字自動(dòng)化測(cè)量裝置應(yīng)用需求面廣，用圓光柵技術(shù)以外的方法實(shí)現(xiàn)比較困難.。已有技術(shù)中的CCD光譜儀大多以像元間隔W為波長(zhǎng)分辨率的確定依據(jù)、以光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性來(lái)保證波長(zhǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為提高現(xiàn)有線陣CCD對(duì)光束中心位置測(cè)量的有效分辨率和精密度，提供一種用線陣CCD測(cè)量光束中心位置的方法，使其達(dá)到0.03W以下(W為像元間距)，以實(shí)現(xiàn)亞微米精密度的位移或長(zhǎng)度的測(cè)量方法、有效分辨率達(dá)1”的角位移或角度的測(cè)量方法，并使其能被運(yùn)用于其它相關(guān)物理量的測(cè)量領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用線陣CCD測(cè)量光束中心位置的方法，其特征在于1)使CCD探測(cè)器表面的光斑沿線陣方向的幅射功率線密度呈高斯分布或準(zhǔn)高斯分布；2)求出截尾閾值設(shè)CCD探測(cè)器第j個(gè)中心坐標(biāo)為xj的像元的有效數(shù)字信號(hào)輸出為VDj，所述VDj為L(zhǎng)SB的整數(shù)倍；根據(jù)CCD探測(cè)器及相關(guān)電路特性、輸出比特?cái)?shù)N及噪聲幅度，用公式&PlusMinus;UVj=&PlusMinus;(a+c%Vj)]]>表示出VDj的誤差限，式中a為正常數(shù)，c％為正比例系數(shù)；用(a+c％×2N)到2N/20之間的某一整數(shù)作截尾閾值Vth，使截尾后不小于閾值Vth的像元的有效數(shù)字輸出信號(hào)VDj呈截尾準(zhǔn)高斯分布；3)對(duì)中心坐標(biāo)為xj的像元的截尾準(zhǔn)高斯分布輸出信號(hào)VDj，采用回歸方程模型yj=b0+b1xj+b2xj2,]]>分別以xj和xj2為自變量、以yj＝ln(VDj)為因變量，作權(quán)因子為wyj=(VDj/UVj)2]]>的加權(quán)回歸求b1和b2，再算出光束中心位置估值x^c=-b1/(2b2);]]>4)用蒙特卡羅法數(shù)值模擬誤差分布定出光束寬度范圍，其具體步驟是A).像元間隔W已知時(shí)，對(duì)于光束中心位置xc，按幅射功率線密度的高斯分布El(xc，x)＝Elmexp(-(x-xc)2/(2σ2))，在某一分布標(biāo)準(zhǔn)差σ的取值下、對(duì)固定的采樣時(shí)間間隔和像元內(nèi)的位置變量x積分算出中心坐標(biāo)為xj的第j個(gè)像元的模擬信號(hào)Vj＝Vj(xj，xc)，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換前的光電測(cè)量信號(hào)初值；Vj是相對(duì)值，積分時(shí)選取比例常量使Vj的峰值為0.8×2N；B).按照誤差限為&PlusMinus;UVj=&PlusMinus;(a+c%Vj)]]>的規(guī)律數(shù)值模擬一組隨機(jī)誤差分布&epsiv;Vj=raj+rcj%Vj,]]>這里raj和rcj分別是誤差限為±a和±c的均勻分布隨機(jī)數(shù)；取的整數(shù)部分作為模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸出VDj；C).截取VDj≥Vth的有效數(shù)字信號(hào)；D).對(duì)方程yj=ln(VDj)=b0+b1xj+b2xj2]]>作權(quán)因子為wyj=(VDj/UVj)2]]>的加權(quán)回歸，求出x^c=-b1/(2b2),]]>并算出誤差&epsiv;xc=x^c-xc]]>來(lái)；E).對(duì)多組相同規(guī)律的模擬誤差分布分別計(jì)算出各組的誤差εxc，進(jìn)而算出誤差的標(biāo)準(zhǔn)差sxc，此即與光束分布標(biāo)差σ對(duì)應(yīng)的光束中心位置xc的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差；F).對(duì)不同的σ值重復(fù)上述A到E的步驟計(jì)算對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差sxc，得出sxc/W和σ/W之間的關(guān)系曲線，進(jìn)而找出使sxc/W不大于0.08的光束分布參量σ/W的取值范圍。在上述的方法中，其特征在于使截尾后不小于閾值Vth的像元的有效數(shù)字輸出信號(hào)VDJ的個(gè)數(shù)，即光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～50之間。本發(fā)明提供了利用上述方法測(cè)定轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)用焦距為10mm≤f1′≤50mm的第一凸透鏡，使光源照亮的狹縫形成一等效寬度被縮小且寬度調(diào)節(jié)方便的亮狹縫實(shí)像，該狹縫實(shí)像發(fā)出的光經(jīng)轉(zhuǎn)鏡反射后，再經(jīng)過(guò)焦距為焦距50mm≤f2′≤300mm的第二凸透鏡，在CCD探測(cè)器表面形成光束寬度；使截尾后像元有效輸出信號(hào)VDj的個(gè)數(shù)，即光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～50之間；2)利用CCD探測(cè)器和信號(hào)采集與處理的計(jì)算機(jī)，按照上述用線陣CCD探測(cè)器測(cè)量光束中心位置xc的方法，求出截尾閾值，對(duì)截尾準(zhǔn)高斯分布的有效數(shù)字信號(hào)輸出VDj加權(quán)回歸，實(shí)時(shí)給出光束中心位置；3)利用轉(zhuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)角α和CCD探測(cè)器表面光束中心位置xc的偏移量(xc-xc0)之間的一階近似關(guān)系式(xc-xc0)＝(k2d)sin(2α)，即可求得轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角α的一階估值，式中k2是第二透鏡的橫向放大率，d是狹縫實(shí)像Q1到轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸O的距離，sc0是轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角α＝0時(shí)光束中心位于CCD探測(cè)器表面與第二透鏡光軸的交點(diǎn)處的坐標(biāo)；測(cè)量裝置安裝調(diào)整之后通過(guò)定度得到偏轉(zhuǎn)角α和CCD探測(cè)器表面光束中心位置xc之間關(guān)系的定度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到一階估值的修正值數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供了一種運(yùn)用上述方法測(cè)定沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)角方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)用焦距為10mm≤f1′≤50mm的第一凸透鏡，使光源照亮的狹縫形成一等效寬度被縮小且寬度調(diào)節(jié)方便的狹縫實(shí)像，該狹縫實(shí)像發(fā)出的光經(jīng)沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡反射后，再經(jīng)過(guò)焦距為50mm≤f2′≤300mm的第二凸透鏡，在CCD探測(cè)器表面形成準(zhǔn)高斯分布光斑；將沖擊電流計(jì)和所述部件固定在加有防震措施的同一剛性板上；2)選用像元總數(shù)Np≥7400、像元間距W＝4.7μm的線陣CCD探測(cè)器，信號(hào)輸出比特?cái)?shù)N＝8，VDj的誤差限用式&PlusMinus;UVj&ap;&PlusMinus;(1.5+1.5%VDj)]]>表示，選取截尾閾值Vth＝6LSBs；3)調(diào)節(jié)橫向放大率k和狹縫實(shí)像Q1到轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)的距離d，使CCD探測(cè)器有效寬度NpW與沖擊電流計(jì)需測(cè)的沖擊電荷量或電流的量程相對(duì)應(yīng)；同時(shí)調(diào)節(jié)狹縫到第一透鏡的距離，使CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在10～30之間；4)調(diào)節(jié)光源的亮度或信號(hào)采集與計(jì)算處理部件中的電路增益，使截尾后像元的數(shù)字信號(hào)最大值(VDj)max≈200LSB，截尾后加權(quán)回歸時(shí)的因變量yj＝ln(VDj)的權(quán)因子用wyj=(VDj/UVj)2]]>式來(lái)計(jì)算，算出光束中心位置xc的估值后進(jìn)而算出電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)角來(lái)。本發(fā)明還提供了一種運(yùn)用所述用線陣CCD測(cè)量光束中心位置xc的方法對(duì)位移或長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的方法，該方法包括如下步驟1)利用信號(hào)采集和計(jì)算處理部件、CCD探測(cè)器和光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)測(cè)量，所述的CCD探測(cè)器采用像元總數(shù)Np≥5000且像元間隔W≤7μm的線陣CCD探測(cè)器；所述的光學(xué)組件由半導(dǎo)體激光器和透鏡組成，準(zhǔn)平行半導(dǎo)體激光光束經(jīng)透鏡在CCD探測(cè)器表面形成準(zhǔn)高斯分布束腰；所述的光學(xué)組件或由發(fā)光二極管、狹縫或小孔、透鏡組成，透鏡將透過(guò)狹縫或小孔的光匯聚于CCD探測(cè)器表面；2)所述光學(xué)組件所出射的光束在CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在10～30之間，CCD探測(cè)器和光學(xué)組件分別安裝在靜止部件和可作直線運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)部件上，CCD探測(cè)器像元排列方向與可動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)方向平行，當(dāng)光束軸線或光斑中心位置和CCD探測(cè)器之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，加權(quán)回歸結(jié)果的值隨之改變，以直接反映位移或位置改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移或長(zhǎng)度的測(cè)量。本發(fā)明提供了一種運(yùn)用所述用線陣CCD探測(cè)器測(cè)量光束中心位置的方法實(shí)現(xiàn)0～360度角的測(cè)量方法，其特征在于1)使直徑不小于3mm的準(zhǔn)平行半導(dǎo)體激光光束被可旋轉(zhuǎn)金屬正n面體的任一鏡面反射，設(shè)該反射鏡面的序號(hào)為i，反射光束經(jīng)有效孔徑角不小于±360°/n的物鏡匯聚在像元總數(shù)Np≥5000且像元間隔W≤7μm的線陣的表面，所述物鏡焦距為物鏡光軸垂直于CCD探測(cè)器表面；2)調(diào)焦使光束在CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在10～30之間，對(duì)CCD探測(cè)器數(shù)字信號(hào)輸出采用截尾處理和加權(quán)回歸求出光束中心坐標(biāo)xc的估值；3)所述的正n面體的方位角φ由反射鏡面序號(hào)i和光束中心坐標(biāo)xc的估值確定。&phi;=360ni+arctan(x^c-xc0f3&prime;)+&epsiv;(x^c,i)+&phi;0,]]>式中xc0是透鏡9的光軸與CCD探測(cè)器表面交點(diǎn)的坐標(biāo)，φ0是常量項(xiàng)，是通過(guò)定度來(lái)確定的角度修正項(xiàng)，通過(guò)信號(hào)采集和計(jì)算部件直接輸出或顯示正n面體的方位角φ。本發(fā)明提供了一種運(yùn)用所述用線陣CCD探測(cè)器測(cè)量光束中心位置xc的方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量線狀可見(jiàn)光譜波長(zhǎng)的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)使每毫米不少于1200線的光柵色散元件發(fā)出的具有不同衍射角的不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)平行光束經(jīng)過(guò)一焦距不小于150mm的透鏡或凹面反射鏡后，成像于線陣CCD探測(cè)器表面，所述的CCD探測(cè)器像元總數(shù)Np≥5000且像元間隔W≤7μm；2)對(duì)所述透鏡或凹面反射鏡調(diào)焦使在CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～15之間；3)通過(guò)對(duì)CCD探測(cè)器像元的數(shù)字信號(hào)輸出截尾處理和加權(quán)回歸，計(jì)算出待測(cè)線狀譜線λx中心的坐標(biāo)估值再同時(shí)或交替測(cè)量出波長(zhǎng)位于待測(cè)譜線附近的He-Ne放電管的若干條已知波長(zhǎng)λi的參考譜線中心坐標(biāo)估值用最小二乘法直線擬合或二次回歸求出局域線色散方程x^ci=f(&lambda;i),]]>最后將代入色散方程求出未知譜線波長(zhǎng)λx來(lái)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性進(jìn)步本發(fā)明通過(guò)采用準(zhǔn)高斯分布的光束分布以提高光束中心位置的探測(cè)靈敏度；通過(guò)適當(dāng)提高截尾閾值以降低干擾噪聲的影響；通過(guò)適當(dāng)加寬光束有效寬度來(lái)使各像元的響應(yīng)特性不均勻、非線性等未定系統(tǒng)誤差分量的影響在總測(cè)量有效信號(hào)中“隨機(jī)化”，再通過(guò)考慮像元實(shí)際測(cè)量誤差特性后的加權(quán)回歸來(lái)提高光束中心位置測(cè)量的準(zhǔn)確度。本發(fā)明能將用線陣CCD探測(cè)器測(cè)量光束中心位置的有效分辨率和標(biāo)準(zhǔn)差減小到0.03W以下，比已有技術(shù)減小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，應(yīng)用本發(fā)明的位移測(cè)量方法當(dāng)W≈4.7μm時(shí)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差可小于0.25μm，當(dāng)Np≈7400時(shí)非線性標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)測(cè)量范圍的1×10-5以下；運(yùn)用本發(fā)明的角度測(cè)量方法也能有效提高測(cè)量的精密度。本發(fā)明要求光斑成準(zhǔn)高斯分布這一比較容易實(shí)現(xiàn)的分布。本發(fā)明強(qiáng)調(diào)必須采用因變量不等精密度的加權(quán)回歸方法，以有效減少分布邊緣部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差的影響。用回歸理論可以證明等權(quán)回歸的因變量具有相同誤差特征值時(shí)，量值較小的邊緣數(shù)據(jù)的誤差對(duì)結(jié)果-b1/(2b2)的影響要顯著大于中部數(shù)據(jù)誤差的影響；而準(zhǔn)高斯線型參量回歸時(shí)因變量yj＝lnVDj的權(quán)因子又正比與量值VDj的平方，線型邊緣因變量的誤差特征值大、權(quán)小。圖1為按照本發(fā)明的方法測(cè)定轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為測(cè)量0～360度的角度測(cè)量方法的主要結(jié)構(gòu)的示意圖。具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明所述的用線陣CCD測(cè)量光束中心位置的方法以及按照該方法進(jìn)行轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角測(cè)量、沖擊電路計(jì)轉(zhuǎn)鏡動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)角測(cè)量、位移測(cè)量、0～360度角度測(cè)量以及線狀可見(jiàn)光譜波長(zhǎng)測(cè)量作具體說(shuō)明如下一、用線陣CCD測(cè)量光束中心位置的測(cè)定方法1.1采用準(zhǔn)高斯分布的光束輻射功率密度分布高斯分布是常見(jiàn)光束截面幅射功率密度分布較接近的分布，也是較容易近似實(shí)現(xiàn)的分布。設(shè)CCD探測(cè)器相鄰像元中心間距為W(像元間隔)。設(shè)接收面上的幅射功率線密度為高斯分布El(xc，x)＝Elmexp(-(x-xc)2/(2σ2))(1)式中xc為光束中心坐標(biāo)，σ為分布標(biāo)準(zhǔn)差。半極大值半寬度近似為σ(半值半寬度等于1.177σ)，因此可用σ或相對(duì)值σ/W來(lái)表征CCD探測(cè)器接收面上光束寬度特征。對(duì)于CCD探測(cè)器的中心坐標(biāo)為xj的第j個(gè)像元(像元間隔W＝xj-xj-1)，像元傳輸?shù)哪M信號(hào)Vj(xj，xc)正比于像元上的輻射能，即正比于幅射功率線密度El對(duì)采樣時(shí)間dt與x方向有效像元寬度內(nèi)位置變量x的積分Vj=Vj(xj,xc)=S&Integral;(&Integral;xljxrjEt(xc,x)dx)dt---(2)]]>式中xl、xr為像元左右邊界的坐標(biāo)，像元有效寬度(xrj-xlj)略小于W。系數(shù)S為光電轉(zhuǎn)換因子。第j個(gè)像元的數(shù)字信號(hào)輸出VDj是Nbit的二進(jìn)制整數(shù)所對(duì)應(yīng)的量值。VDj末位“1”所對(duì)應(yīng)的量值記作LSB。其它相應(yīng)量也用LSB為單位。VDj=int(Vj(xc)VLSB)---(3)]]>對(duì)于一定束寬參量σ，僅有限個(gè)相鄰像元的輸出不為零。當(dāng)光束中心xc連續(xù)變化時(shí)，有限個(gè)相鄰像元的輸出VDj只能取分立的整數(shù)值，VDj基本正比于接收到的輻射能。VDj-εj＝Amexp(-(xj-xc)2/(2σ2))(4)上式中Am是比例常量，εj是偏離嚴(yán)格高斯分布線型的誤差，εj綜合反映了光束分布對(duì)高斯分布的偏離、CCD探測(cè)器響應(yīng)度的不均勻與非線性、AD轉(zhuǎn)換的化整誤差、能量積分區(qū)間不連續(xù)等因素的誤差影響。對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)可得ln(VDj-&epsiv;j)=lnAm-12&sigma;2(xj-xc)2---(5)]]>以第j個(gè)像元的中心坐標(biāo)xj和xj2為自變量，以yj＝ln(VDj)為因變量，采用下式表示的回歸模型yj=b0+b1xj+b2xj2---(6)]]>原則上可求出各系數(shù)b0、b1和b2，進(jìn)而可得光束中心位置xc的估值x^c=-b12b2---(7)]]>1.2截尾準(zhǔn)高斯分布xc附近的一個(gè)區(qū)間內(nèi)像元數(shù)字信號(hào)輸出VDj呈準(zhǔn)高斯分布。由于衍射效應(yīng)、背景光和干擾噪聲的影響，使該區(qū)間之外的某些像元輸出也非零，設(shè)其最大值為VN，它的典型值為1LSB。為減小噪聲和其它干擾對(duì)回歸結(jié)果的影響，選取稍大于VN的截尾閾值Vth或其它較高的截尾閾，僅僅保留VDj≥Vth的截尾準(zhǔn)高斯分布數(shù)據(jù)作回歸計(jì)算。在大致確定出VDj的誤差限±UVj之后，選定大于(UVj)max、小于2N/20之間的某一整數(shù)作截尾閾值Vth1.3加權(quán)回歸以減小具有隨機(jī)性的誤差分量影響|εj|＜VDj時(shí)(5)式左邊可改寫(xiě)為ln(VDj-&epsiv;j)=ln(VDj(1-&epsiv;jVDj))=lnVDj-&epsiv;jVDj+&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;---(8)]]>從上式可看出即使εj的標(biāo)準(zhǔn)差為常量、VDj等精密度，因變量yj＝ln(VDj)的誤差近似值為εj/VDj，yj的精密度也不等，VDj小時(shí)yj精密度低，VDj大時(shí)yj精密度高。因此需用如下的加權(quán)回歸方法設(shè)VDj的誤差限為±UVj，因變量yj＝ln(VDj)的相對(duì)權(quán)因子為wyj=(Uyj)-2&ap;(VDj/UVj)2.]]>對(duì)方程(6)式的加權(quán)回歸可以變換為(9)式所示的常量項(xiàng)為零的“等權(quán)”回歸問(wèn)題y^j*=b0x0j*+b1x1j*+b2x2j*---(9)]]>回歸時(shí)因變量和自變量分別為yj*=wyjyj=ln(VDj)Vj/UVDjx0j*=wyj=VDj/UVj;x1j*=xjwyj;x2j*=xj2wyj---(10)]]>光束中心位置的估值仍用(7)式計(jì)算，即x^c=-b1/(2b2).]]>根據(jù)CCD探測(cè)器及相關(guān)電路特性、輸出比特?cái)?shù)N、噪聲幅度等估計(jì)出VDj的用&PlusMinus;UVj=&PlusMinus;(a+c%VDj)]]>形式表示的誤差限，這里a為正常數(shù)，c％為正比例系數(shù)，比特?cái)?shù)N＝8時(shí)UVj典型值取為(1.5+1.5％VDj)。1.4用蒙特卡羅法數(shù)值模擬誤差分布定出光束寬度范圍A).高斯分布假設(shè)下積分求各像元的相對(duì)輸出像元間隔W已知時(shí)，對(duì)于光束中心坐標(biāo)xc，按照幅射功率線密度的高斯分布(1)式，在某一分布標(biāo)準(zhǔn)差σ的取值下積分算出中心坐標(biāo)為xj的第j個(gè)像元的模擬信號(hào)Vj＝Vj(xj，xc)，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)前的光電測(cè)量信號(hào)初值；Vj是相對(duì)值，用(2)式積分時(shí)選取固定的比例常量使Vj的峰值約為0.8×2N。B).按照誤差限為&PlusMinus;UVj=&PlusMinus;(a+c%Vj)]]>的規(guī)律數(shù)值模擬一組隨機(jī)誤差分布&epsiv;Vj=raj+rcj%Vj,]]>這里raj和rcj分別是誤差限為±a和±c的均勻分布隨機(jī)數(shù)；取的整數(shù)部分作為ADC后的數(shù)字信號(hào)輸出VDj。C).采用從(2N×c％+a)到2N/20之間的某一整數(shù)作截尾閾值Vth，截取VDj≥Vth的有效數(shù)字信號(hào)。D).對(duì)方程yj=ln(VDj)=b0+b1xj+b2xj2]]>作權(quán)因子為wyj=(VDj/UVj)2]]>的加權(quán)回歸，求出x^c=-b1/(2b2),]]>并算出誤差&epsiv;xc=x^c-xc]]>來(lái)。E).對(duì)多組相同規(guī)律的模擬誤差分布分別計(jì)算出各組的誤差εxc，進(jìn)而算出誤差的標(biāo)準(zhǔn)差sxc，此即與光束分布標(biāo)準(zhǔn)差σ對(duì)應(yīng)的光束中心位置xc的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差。F).對(duì)不同的σ值重復(fù)上述A到E的步驟計(jì)算對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差sxc，得出sxc/W和σ/W之間的關(guān)系曲線，進(jìn)而找出使sxc/W不大于0.08的光束分布參量σ/W的取值范圍。大量計(jì)算表明xc的取值對(duì)sxc/W和σ/W之間的關(guān)系曲線的影響很小。用蒙特卡羅法數(shù)值計(jì)算的典型結(jié)果有對(duì)于8bit的線陣CCD探測(cè)器，即使假設(shè)測(cè)量誤差限為零，僅僅考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換的隨機(jī)性化整誤差的影響，對(duì)截尾高斯分布數(shù)據(jù)作最小二乘法等權(quán)回歸，當(dāng)σ/W＝1.8時(shí)，可得化整誤差導(dǎo)致的誤差限為0.06W；σ/W＝1.8時(shí)對(duì)截尾高斯分布數(shù)據(jù)作權(quán)因子wyj&Proportional;VDj2]]>的加權(quán)最小二乘法回歸，可得化整誤差導(dǎo)致的誤差限為0.006W，比等權(quán)回歸減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。加權(quán)回歸的另一優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)參與回歸的連續(xù)的VDj的截尾閾值的選取不敏感。表1CCD像元序號(hào)與輸出信號(hào)測(cè)量值數(shù)據(jù)表例如對(duì)于表1所示的數(shù)據(jù)，表1的第一行是像元序號(hào)，第二行是10個(gè)典型的含誤差的測(cè)得值VDj。若對(duì)分布數(shù)據(jù)作不同的截尾處理，包含第504～507這4個(gè)像元、截尾后像元數(shù)不少于6的可能截尾方式共有8種(自由度分別為6～3)，連同自由度為7的原數(shù)組，共有9種。對(duì)這9種不同的數(shù)據(jù)截尾結(jié)果作加權(quán)回歸，可得的平均值為505.366。9個(gè)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.0035，可見(jiàn)不同的截尾閾值對(duì)結(jié)果影響甚小。即使自由度僅為3，也影響不大。實(shí)際測(cè)量中，衍射、散射及其它噪聲和誤差因素的影響將會(huì)使某些本應(yīng)輸出為零的像元輸出非零。加權(quán)回歸對(duì)截尾方式不敏感允許提高截尾閾值，為削減噪聲影響創(chuàng)造了條件。對(duì)8bit輸出的線陣CCD探測(cè)器，采用(VDj)max&ap;200LSBs]]>及截尾閾值Vth＝4的取值(這里的閾值是計(jì)算時(shí)取的一個(gè)典型數(shù)據(jù)，取更為保險(xiǎn)的閾值Vth＝6也可以算得類(lèi)似的結(jié)果來(lái))，和UV&Lambda;j=1.5LSBs+1.5%VDj]]>的誤差分布模型，對(duì)輻射功率線密度高斯分布的情形，用蒙特卡羅法計(jì)算了sxc/W和σ/W之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)0.7≤σ/W≤18時(shí)0.005＜sxc/W＜0.045，且sxc/W和σ/W之間成近似的直線關(guān)系。使sxc/W不大于0.08的光束分布參量σ/W的取值范圍約為0.7～25。用CCD探測(cè)器像元總數(shù)Np≈7400且像元間隔W＝4.7μm的器件，使在CCD探測(cè)器表面束寬參量σ/W≈2.5～5時(shí)(對(duì)應(yīng)截尾閾值為4、峰值為200時(shí)的截尾后全寬度約為14W～28W)，大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明對(duì)同一的光束中心位置重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.04W；對(duì)分組重復(fù)測(cè)量，每組內(nèi)相鄰測(cè)次的時(shí)間間隔為0.5ms～100ms，每組平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于0.02W，各組平均值之間的最大偏差也不大于0.02W，從而證明了本發(fā)明的有效分辨率已可達(dá)0.02W，即像元間隔的1/50使sxc/W不大于0.08的光束分布參量σ/W的取值范圍比較大，實(shí)際測(cè)量時(shí)的誤差常常比估計(jì)出的誤差限要小。當(dāng)σ/W較大時(shí)準(zhǔn)高斯分布的中央部分基本呈現(xiàn)為變化不大的平頂型。實(shí)際選取的截尾后不小于閾值Vth的像元的有效數(shù)字輸出信號(hào)VDj的個(gè)數(shù)，即光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～50之間。二、測(cè)量轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角的方法圖1為按照本發(fā)明的方法測(cè)定轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置包括光源3、狹縫4、第一凸透鏡1、轉(zhuǎn)鏡5、第二凸透鏡2和CCD探測(cè)器6；用焦距為10mm≤f1′≤50mm的第一凸透鏡1使得被光源3照亮的狹縫4在圖示被測(cè)轉(zhuǎn)鏡5的下方Q1點(diǎn)處形成一等效寬度被縮小且寬度調(diào)節(jié)方便的狹縫實(shí)像，該實(shí)像發(fā)出的光經(jīng)轉(zhuǎn)鏡5反射后、再經(jīng)過(guò)焦距為50mm≤f2′≤300mm的第二凸透鏡2，在CCD探測(cè)器6的表面Q2點(diǎn)處形成光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～50之間的準(zhǔn)高斯分布光斑；用CCD探測(cè)器6和信號(hào)采集與計(jì)算處理部件7實(shí)現(xiàn)截尾處理和加權(quán)回歸，實(shí)時(shí)給出光束中心位置xc的估值；利用轉(zhuǎn)鏡5的偏轉(zhuǎn)角α和CCD探測(cè)器表面光束中心位置xc的偏移量(xc-xc0)之間的一階近似關(guān)系式為(xc-xc0)＝(k2d)sin(2α)，即可求得轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角α的一階估值，式中k2是透鏡2的橫向放大率，d是狹縫實(shí)像Q1到轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸O的距離，xc0是轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角α＝0時(shí)光束中心位于CCD探測(cè)器表面與透鏡2光軸P20Q20的交點(diǎn)Q20處的光束中心坐標(biāo)。測(cè)量裝置安裝調(diào)整之后通過(guò)定度得到偏轉(zhuǎn)角α和CCD探測(cè)器表面光束中心位置xc之間關(guān)系的定度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到一階估值的修正值數(shù)據(jù)。光路的有關(guān)計(jì)算和補(bǔ)充說(shuō)明設(shè)寬度為w0的精密狹縫4到焦距為f1′透鏡1的物方主點(diǎn)的距離為l1；實(shí)像中心在Q1處的等效光源狹縫寬度為w1，Q1到透鏡1像方主點(diǎn)的距離為l1′，可得w1=w0l&prime;1l1=w01l1(1f1&prime;-1l1)-1=w01(l1/f1&prime;)-1---(11)]]>設(shè)透鏡1的光軸經(jīng)過(guò)平面轉(zhuǎn)鏡5的轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)，透鏡2的光軸也經(jīng)過(guò)O點(diǎn)。在轉(zhuǎn)鏡起始位置，透鏡1和2的光軸相對(duì)于平面轉(zhuǎn)鏡5的法線對(duì)稱(chēng)。Q1與其平面鏡中虛像P20的對(duì)稱(chēng)平面是鏡面。設(shè)線段OQ1與OP20的長(zhǎng)度均為d。當(dāng)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)過(guò)小角度α?xí)r，設(shè)新的虛像中點(diǎn)在P2處，連線OP2與OP20之間的夾角為2α。P2到光軸的垂直距離為dsin(2α)。虛像中點(diǎn)P2經(jīng)透鏡2成像在CCD探測(cè)器表面上Q2點(diǎn)，Q2到光軸的距離(xc-xc0)為x&alpha;=xc-xc0=lQ2XQ2=k2(dtan2&alpha;)---(15)]]>式中k2是透鏡2的橫向放大率。只考慮CCD探測(cè)器對(duì)截尾高斯分布光束中心探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差sxc時(shí)，系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)角α的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差sα近似正比于sxc、反比于d和k2，sα≈sxc/(2dk2)。三、實(shí)現(xiàn)的對(duì)沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)角的線陣CCD光電測(cè)量方法采用如圖1所述的裝置，將沖擊電流計(jì)主機(jī)和所述裝置安裝在加有防震措施的同一剛性板上，圖1中的轉(zhuǎn)鏡5就是沖擊電流計(jì)的轉(zhuǎn)鏡，CCD探測(cè)器6的表面光斑呈準(zhǔn)高斯分布；1)用焦距為10mm≤f1′≤50mm的第一凸透鏡(1)，使光源(3)照亮的狹縫(4)形成一等效寬度被縮小且寬度調(diào)節(jié)方便的狹縫實(shí)像，該狹縫實(shí)像發(fā)出的光經(jīng)沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡(5)反射后，再經(jīng)過(guò)焦距為50mm≤f2′≤300mm的第二凸透鏡(2)，在CCD探測(cè)器(6)表面形成準(zhǔn)高斯分布光斑；將沖擊電流計(jì)和所述部件固定在加有防震措施的同一剛性板上；2)選用像元總數(shù)Np≥7400、像元間距W＝4.7μm的線陣CCD探測(cè)器，信號(hào)輸出比特?cái)?shù)N＝8，VDj的誤差限用式&PlusMinus;UVJ&ap;&PlusMinus;(1.5+1.5%VDj)]]>表示，選取截尾閾值Vth＝6LSBs；3)調(diào)節(jié)橫向放大率k和狹縫實(shí)像Q1到轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)的距離d，使CCD探測(cè)器有效寬度NpW與沖擊電流計(jì)需測(cè)的沖擊電荷量或電流的量程相對(duì)應(yīng)；同時(shí)調(diào)節(jié)狹縫(4)到第一透鏡(1)的距離，使CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在10～30之間；4)調(diào)節(jié)光源(3)的亮度或信號(hào)采集與計(jì)算處理部件(7)中的電路增益，使截尾后像元的數(shù)字信號(hào)最大值(VDj)max≈200LSB，截尾后加權(quán)回歸時(shí)的因變量yj＝ln(VDj)的權(quán)因子用wyj=(VDj/UVj)2]]>式來(lái)計(jì)算，算出光束中心位置xc的估值后進(jìn)而算出電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)角來(lái)。實(shí)施例中沖擊電流計(jì)采用AC43型，選用像元總數(shù)Np≈7400、像元間距W＝4.7μm的線陣CCD探測(cè)器，信號(hào)輸出比特?cái)?shù)N＝8，VDj的誤差限用式UVj&ap;1.5+1.5%VDj]]>表示，選取的截尾閾值Vth＝6LSBs。調(diào)節(jié)橫向放大率k2和狹縫實(shí)像Q1到轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)的距離d，使CCD探測(cè)器有效寬度NpW與沖擊電流計(jì)需測(cè)的沖擊電荷量(或電流)的量程大致對(duì)應(yīng)；同時(shí)調(diào)節(jié)狹縫4到透鏡1的距離，使CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在8～18之間；調(diào)節(jié)采用發(fā)光二極管的光源的亮度或信號(hào)采集與計(jì)算處理部件中的電路增益使截尾后像元的數(shù)字信號(hào)最大值(VDj)max≈200LSB，截尾數(shù)據(jù)加權(quán)回歸時(shí)因變量yj＝ln(VDj)的權(quán)因子用wyj=(VDj/UVj)2]]>式來(lái)計(jì)算，算出光束中心位置xc的估值后進(jìn)而算出電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)量來(lái)。光路設(shè)計(jì)采用參數(shù)為轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸O到CCD探測(cè)器表面的間距L＝560mm、第二凸透鏡2的焦距f2′＝150mm、狹縫實(shí)像Q1到轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸O的距離d＝110mm、第一凸透鏡1的焦距f1′＝35mm。計(jì)算得到第二凸透鏡2的橫向放大率k2＝1.96，小角度下xα≈216tan(2α)，單位為mm。像元間距1W＝4.7μm所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為0.01mrad。參量選擇時(shí)未追求理論分辨率的極小值，主要考慮是為了使各像元的響應(yīng)特性不均勻、非線性等未定系統(tǒng)誤差分量的影響在總測(cè)量有效信號(hào)中充分“隨機(jī)化”，也為了使裝置緊湊、調(diào)節(jié)方便、兼顧測(cè)量范圍。傳統(tǒng)的沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角的有效分辨率為0.2mm2&times;1000mm&ap;1&times;10-4rad=0.1mrad.]]>采用本發(fā)明方法的裝置，當(dāng)sx≈0.1W～0.47μm時(shí)轉(zhuǎn)角的有效分辨率可達(dá)約0.001mrad原AC4/3型沖擊電流計(jì)在光源標(biāo)尺間距為1.3m時(shí)電流分度值為8×10-10A/mm。采用線陣CCD探測(cè)器的新測(cè)量系統(tǒng)單個(gè)像元對(duì)應(yīng)的電流“分度值”已達(dá)24pA，測(cè)量微電流的標(biāo)準(zhǔn)差已達(dá)sI≈4pA。對(duì)于200～60000pA之間的被測(cè)微電流，部分測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。CCD探測(cè)器上光束中心偏轉(zhuǎn)讀數(shù)xα與電流I成較好的正比關(guān)系，i＝b1xαi，直線擬合所得的電流殘差υIi＝Ii-b1xαi的絕對(duì)值|υIi|≤3.6pA+0.25％Ii。常規(guī)的沖擊電流計(jì)有效分辨率僅約為量程的0.1％，轉(zhuǎn)角分辨率約0.1mrad，本實(shí)施例中，3.6pA所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角標(biāo)準(zhǔn)偏差已能減小到0.002mrad以下。與原來(lái)的AC4/3型沖擊電流計(jì)的標(biāo)尺讀數(shù)裝置相比，實(shí)施例的電流測(cè)量的精密度和轉(zhuǎn)角分辨率均提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。表2用線陣CCD測(cè)量沖擊電流計(jì)偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量數(shù)據(jù)四、實(shí)現(xiàn)位移或長(zhǎng)度測(cè)量的方法1)利用信號(hào)采集和計(jì)算處理部件、CCD探測(cè)器和光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)測(cè)量，所述的CCD探測(cè)器采用像元總數(shù)Np≥5000且像元間隔W≤7μm的線陣CCD探測(cè)器；所述的光學(xué)組件由半導(dǎo)體激光器和透鏡組成，準(zhǔn)平行半導(dǎo)體激光光束經(jīng)透鏡在CCD探測(cè)器表面形成準(zhǔn)高斯分布束腰；所述的光學(xué)組件或由發(fā)光二極管、狹縫或小孔、透鏡組成，透鏡將透過(guò)狹縫或小孔的光匯聚于CCD探測(cè)器表面；2)所述光學(xué)組件所出射的光束在CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在10～30之間，CCD探測(cè)器和光學(xué)組件分別安裝在靜止部件和可作直線運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)部件上，CCD探測(cè)器像元排列方向與可動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)方向平行，當(dāng)光束軸線或光斑中心位置和CCD探測(cè)器之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，加權(quán)回歸結(jié)果的值隨之改變，以直接反映位移或位置改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移或長(zhǎng)度的測(cè)量。實(shí)施例中，采用像元總數(shù)Np≈7400且像元間隔W＝4.7μm的線陣CCD探測(cè)器；采用的是發(fā)光二極管光源經(jīng)狹縫衍射的主極大部分光束被透鏡匯聚于CCD探測(cè)器表面的方法。實(shí)施的一種位移測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)，光學(xué)組件固定不動(dòng)，CCD探測(cè)器安裝在阿貝比長(zhǎng)儀的平動(dòng)臺(tái)上。CCD探測(cè)器平移時(shí)，阿貝比長(zhǎng)儀的讀數(shù)值、光束中心位置以像元間隔W為單位的回歸值、測(cè)量點(diǎn)偏離回歸直線的殘差值等分別列于表3中。19組連續(xù)測(cè)量位置的數(shù)據(jù)的殘差標(biāo)準(zhǔn)差為0.67μm。阿貝比長(zhǎng)儀的不確定度為1.5μm。表3中每組CCD探測(cè)器測(cè)量值是同一位置上CCD探測(cè)器的20次掃描測(cè)得值的平均值，每組平均值的標(biāo)準(zhǔn)差均不大于0.02W。表3用線陣CCD測(cè)阿貝比長(zhǎng)儀工作臺(tái)位移的數(shù)據(jù)根據(jù)資料分析表明，阿貝比長(zhǎng)儀本身的讀數(shù)示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差約為0.6μm，它與本發(fā)明裝置的誤差綜合在一起，標(biāo)準(zhǔn)差已經(jīng)不大于0.7μm，這說(shuō)明了本發(fā)明方法在30mm的測(cè)量范圍內(nèi)非線性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差已經(jīng)不大于0.67&times;0.00130&ap;2.3&times;10-5.]]>實(shí)現(xiàn)的第二種位移測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)，將CCD探測(cè)器盒固定于按彈性形變?cè)碇圃煳⒅聞?dòng)臺(tái)上，連續(xù)22組微致動(dòng)臺(tái)鼓輪讀數(shù)z和CCD探測(cè)器光束中心位置xc的測(cè)得值列于表4中。擬合直線為x^c=b0+b1z,]]>應(yīng)變量標(biāo)準(zhǔn)差Sxc&ap;0.039W~0.18&mu;m,]]>最大非線性殘差為0.45μm，這里的標(biāo)準(zhǔn)差和殘差，還包含了微致動(dòng)臺(tái)本身位移與鼓輪讀數(shù)之間的非線性誤差的影響(這一誤差影響未見(jiàn)有檢定和參考資料表述)。表4中的數(shù)據(jù)表明對(duì)不小于像元間隔的準(zhǔn)連續(xù)變化的被測(cè)位移量，非線性標(biāo)準(zhǔn)差已不大于0.20μm。表4用線陣CCD測(cè)微致動(dòng)臺(tái)位移的數(shù)據(jù)<tablesid="table5"num="005"><tablewidth="835">光束中心位置xc/μm33.3533.7433.8033.8533.9634.3534.3434.5835.3235.2735.93殘差/μm0.120.300.13-0.04-0.170.01-0.22-0.200.18-0.180.24測(cè)量序號(hào)1213141516171819202122微致動(dòng)臺(tái)讀數(shù)z/格2628.230.232.234363840424446光束中心位置xc/W7.6197.6757.647.8037.8027.8877.9187.9688.0458.1038.124光束中心位置xc/μm35.8136.0735.9136.6736.6737.0737.2137.4537.8138.0838.18殘差/μm-0.08-0.060.450.09-0.110.06-0.010.000.140.190.07</table></tables>五、實(shí)現(xiàn)0～360度角度的測(cè)量方法圖2為測(cè)量0～360度的角度測(cè)量方法的主要結(jié)構(gòu)的示意圖。直徑不小于3mm的準(zhǔn)平行半導(dǎo)體激光光束被可旋轉(zhuǎn)金屬正n面體8的任一鏡面反射，其中n＝24，正24面體的一個(gè)面轉(zhuǎn)動(dòng)±180°/n＝±7.5°時(shí)，反射光束轉(zhuǎn)過(guò)±15°。反射光束經(jīng)有效孔徑角不小于±15°的透鏡9匯聚在像元總數(shù)Np≈7400且像元間隔W＝4.7μm的線陣CCD探測(cè)器6的表面，透鏡9的焦距為使物鏡光軸垂直于CCD探測(cè)器表面；調(diào)焦使CCD探測(cè)器表面匯聚的準(zhǔn)高斯分布光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在8～18之間，對(duì)CCD探測(cè)器像元的數(shù)字信號(hào)輸出采用截尾處理和加權(quán)回歸求出光束中心坐標(biāo)xc的估值。正24面體8的方位角φ由反射鏡面序號(hào)i和光束中心坐標(biāo)xc的估值確定，&phi;=15i+arctan(x^c-xc0f3&prime;)+&epsiv;(x^c,i)+&phi;0,]]>式中xc0是透鏡9的光軸與CCD探測(cè)器表面交點(diǎn)的坐標(biāo)，φ0是常量項(xiàng)，是可以通過(guò)定度來(lái)確定的角度修正項(xiàng)，φ0及ε(xc，i)固定在計(jì)算程序之中。信號(hào)采集和計(jì)算處理部件直接輸出或顯示正24面體8的方位角φ。金屬正24面體采用名義直徑為120mm、誤差等級(jí)為2”的定型產(chǎn)品。實(shí)際選用的透鏡9為相對(duì)孔徑f3′/D＝1.4、焦距f3′＝50mm的攝影物鏡。六、實(shí)現(xiàn)的測(cè)量線狀可見(jiàn)光譜波長(zhǎng)的方法1)使每毫米不少于1200線的光柵色散元件發(fā)出的具有不同衍射角的不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)平行光束經(jīng)過(guò)一焦距不小于150mm的透鏡或凹面反射鏡后，成像于線陣CCD探測(cè)器表面，所述的CCD探測(cè)器像元總數(shù)Np≥5000且像元間隔W≤7μm；2)對(duì)所述透鏡或凹面反射鏡調(diào)焦使在CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～15之間；3)通過(guò)對(duì)CCD探測(cè)器像元的數(shù)字信號(hào)輸出截尾處理和加權(quán)回歸，計(jì)算出待測(cè)線狀譜線λx中心的坐標(biāo)估值再同時(shí)或交替測(cè)量出波長(zhǎng)位于待測(cè)譜線附近的He-Ne放電管的若干條已知波長(zhǎng)λi的參考譜線中心坐標(biāo)估值用最小二乘法直線擬合或二次回歸求出局域線色散方程x^ci=f(&lambda;i),]]>最后將代入色散方程求出未知譜線波長(zhǎng)λx來(lái)。在實(shí)施例中，光柵為每毫米1200線，準(zhǔn)平行光束經(jīng)過(guò)一焦距為150mm的物鏡成像于線陣CCD探測(cè)器表面，CCD探測(cè)器像元總數(shù)Np≈7400且像元間隔W＝4.7μm。對(duì)物鏡調(diào)焦使CCD探測(cè)器表面形成光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～10之間的準(zhǔn)高斯分布的譜線；用這一方法測(cè)量H和D光譜中藍(lán)光483nm的兩條相距約0.13nm的譜線的波長(zhǎng)差，使CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～10之間，現(xiàn)有帶CCD的光譜儀衍射級(jí)次固定為1，有效分辨率所對(duì)應(yīng)的位置分辨率一般為1W，實(shí)施測(cè)量例選藍(lán)光的衍射級(jí)次為3、入射角大于75度，在焦距為150mm的物鏡焦平面上用測(cè)微目鏡觀察到H和D的藍(lán)光譜線中心間距約0.100mm，約為20W。由于本發(fā)明的線陣CCD的有效分辨率以可達(dá)0.03W用以下，能使波長(zhǎng)差測(cè)量的有效分辨率提高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。采用截尾處理和加權(quán)回歸可使H和D的藍(lán)光譜線波長(zhǎng)差測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.3％。對(duì)待測(cè)譜線波長(zhǎng)λx進(jìn)行測(cè)量時(shí)，輝光放電的He-Ne放電管的旁側(cè)光譜中有近60條波長(zhǎng)準(zhǔn)確已知的譜線。選擇待測(cè)譜線附近的5～7條已知波長(zhǎng)λi的譜線進(jìn)行測(cè)量。求局域線色散方程用直線擬合還是二次回歸，主要依據(jù)擬合(回歸)后不同模型應(yīng)變量的標(biāo)準(zhǔn)差大小，一般選取標(biāo)準(zhǔn)差明顯小的模型；如果兩種模型的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大，則應(yīng)當(dāng)選用直線模型。一般光柵光譜儀靠機(jī)械系統(tǒng)的重復(fù)性來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確度約為0.2nm。由于本實(shí)施例中參考譜線的波長(zhǎng)不確定度一般小于0.005nm，本方法本質(zhì)上是一種比較測(cè)量方法，所以能實(shí)現(xiàn)較高的線狀光譜波長(zhǎng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。權(quán)利要求1.一種用線陣CCD測(cè)量光束中心位置的方法，其特征在于1)使CCD探測(cè)器表面的光斑沿線陣方向的幅射功率線密度呈高斯分布或準(zhǔn)高斯分布；2)求出截尾閾值設(shè)CCD探測(cè)器第j個(gè)中心坐標(biāo)為xj的像元的數(shù)字信號(hào)輸出為VDj，所述VDj為L(zhǎng)SB的整數(shù)倍；根據(jù)CCD探測(cè)器及相關(guān)電路特性、輸出比特?cái)?shù)N及噪聲幅度，用公式&PlusMinus;UVj=&PlusMinus;(a+c%Vj)]]>表示出VDj的誤差限，式中a為正常數(shù)，c％為正比例系數(shù)；用(a+c％×2N)到2N/20之間的某一整數(shù)作截尾閾值Vth，使截尾后不小于閾值Vth的像元的有效數(shù)字輸出信號(hào)VDj呈截尾準(zhǔn)高斯分布；3)對(duì)中心坐標(biāo)為xj的像元的截尾準(zhǔn)高斯分布的有效數(shù)字信號(hào)輸出VDj，采用回歸方程模型yj=b0+b1xj+b2xj2,]]>分別以xj和xj2為自變量、以yj＝ln(VDj)為因變量，作權(quán)因子為wyj=(VDj/UVj)2]]>的加權(quán)回歸求b1和b2，再算出光束中心位置估值x^c=-b1/(2b2);]]>4)用蒙特卡羅法數(shù)值模擬誤差分布定出光束寬度范圍，其具體步驟是A).像元間隔W已知時(shí)，對(duì)于光束中心位置xc，按幅射功率線密度的高斯分布El(xc，x)＝Elmexp(-(x-xc)2/(2σ2))，在某一分布標(biāo)準(zhǔn)差σ的取值下、對(duì)固定的采樣時(shí)間間隔和像元內(nèi)的位置變量x積分算出中心坐標(biāo)為xj的第j個(gè)像元的模擬信號(hào)Vj＝Vj(xj，xc)，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換前的光電測(cè)量信號(hào)初值；Vj是相對(duì)值，積分時(shí)選取比例常量使Vj的峰值為0.8×2N；B).按照誤差限為&PlusMinus;UVj=&PlusMinus;(a+c%Vj)]]>的規(guī)律數(shù)值模擬一組隨機(jī)誤差分布&epsiv;Vj=raj+rcj%Vj,]]>這里raj和rcj分別是誤差限為±a和±c的均勻分布隨機(jī)數(shù)；取(Vj+εVj)的整數(shù)部分作為模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸出VDj；C).截取VDj≥Vth的有效數(shù)字信號(hào)；D).對(duì)方程yj=ln(VDj)=b0+b1xj+b2xj2]]>作權(quán)因子為wyj=(VDj/UVj)2]]>的加權(quán)回歸，求出x^c=-b1/(2b2),]]>并算出誤差&epsiv;xc=x^c-xc]]>來(lái)；E).對(duì)多組相同規(guī)律的模擬誤差分布分別計(jì)算出各組的誤差εxc，進(jìn)而算出誤差的標(biāo)準(zhǔn)差sxc，此即與光束分布標(biāo)差σ對(duì)應(yīng)的光束中心位置xc的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差；F).對(duì)不同的σ值重復(fù)上述A到E的步驟計(jì)算對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差sxc，得出sxc/W和σ/W之間的關(guān)系曲線，進(jìn)而找出使sxc/W不大于0.08的光束分布參量σ/W的取值范圍。2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于截尾后不小于閾值Vth的像元的有效數(shù)字輸出信號(hào)VDj的個(gè)數(shù)，即光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～50之間。3.一種運(yùn)用權(quán)利要求1所述方法測(cè)定轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)用焦距為10mm≤f1′≤50mm的第一凸透鏡(1)，使光源(3)照亮的狹縫(4)形成一等效寬度被縮小且寬度調(diào)節(jié)方便的狹縫實(shí)像，該狹縫實(shí)像發(fā)出的光經(jīng)轉(zhuǎn)鏡(5)反射后，再經(jīng)過(guò)焦距為50mm≤f2′≤300mm的第二凸透鏡(2)，在CCD探測(cè)器(6)表面形成光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～50之間的光斑；2)利用CCD探測(cè)器(6)、信號(hào)采集與計(jì)算處理部件(7)，按照權(quán)利要求1中步驟2)和3)的方法，對(duì)截尾準(zhǔn)高斯分布輸出信號(hào)VDj加權(quán)回歸，實(shí)時(shí)給出光束中心位置xc的估值；3)利用轉(zhuǎn)鏡(5)的偏轉(zhuǎn)角α和CCD探測(cè)器表面光束中心位置xc的偏移量(xc-sc0)之間的一階近似關(guān)系式(xc-xc0)＝(k2d)sin(2α)，即可求得轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角α的一階估值，式中k2是第二透鏡的橫向放大率，d是狹縫實(shí)像Q1到轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸0的距離，xc0是轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角α＝0時(shí)光束中心位于CCD探測(cè)器表面與第二透鏡光軸的交點(diǎn)處的坐標(biāo)；測(cè)量裝置安裝調(diào)整之后通過(guò)定度得到偏轉(zhuǎn)角α和CCD探測(cè)器表面光束中心位置xc之間關(guān)系的定度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到一階估值的修正值數(shù)據(jù)。4.一種運(yùn)用權(quán)利要求1或3所述方法測(cè)定沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)角的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)用焦距為10mm≤f1′≤50mm的第一凸透鏡(1)，使光源(3)照亮的狹縫(4)形成一等效寬度被縮小且寬度調(diào)節(jié)方便的狹縫實(shí)像，該狹縫實(shí)像發(fā)出的光經(jīng)沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡(5)反射后，再經(jīng)過(guò)焦距為50mm≤f2′≤300mm的第二凸透鏡(2)，在CCD探測(cè)器(6)表面形成準(zhǔn)高斯分布光斑；將沖擊電流計(jì)和所述部件固定在加有防震措施的同一剛性板上；2)選用像元總數(shù)Np≥7400、像元間距W＝4.7μm的線陣CCD探測(cè)器器件，信號(hào)輸出比特?cái)?shù)N＝8，VDj的誤差限用式&PlusMinus;UVj&ap;&PlusMinus;(1.5+1.5%VDj)]]>表示，選取截尾閾值Vth＝6LSBs；3)調(diào)節(jié)橫向放大率k和狹縫實(shí)像Q1到轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)的距離d，使CCD探測(cè)器有效寬度NpW與沖擊電流計(jì)需測(cè)的沖擊電荷量或電流的量程相對(duì)應(yīng)；同時(shí)調(diào)節(jié)狹縫(4)到第一透鏡(1)的距離，使CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在10～30之間；4)調(diào)節(jié)光源(3)的亮度或信號(hào)采集與計(jì)算處理部件(7)中的電路增益，使截尾后像元的數(shù)字信號(hào)最大值(VDj)max≈200LSB，截尾后加權(quán)回歸時(shí)的因變量yjln(VDj)]]>的權(quán)因子用wyj=(VDj/UVj)2]]>式來(lái)計(jì)算，算出光束中心位置xc的估值后進(jìn)而算出電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)角來(lái)。5.一種運(yùn)用權(quán)利要求1所述方法對(duì)位移或長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的方法，該方法包括如下步驟1)利用信號(hào)采集和計(jì)算處理部件、CCD探測(cè)器和光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)測(cè)量，所述的CCD探測(cè)器采用像元總數(shù)Np≥5000且像元間隔W≤7μm的線陣CCD探測(cè)器；所述的光學(xué)組件由半導(dǎo)體激光器和透鏡組成，準(zhǔn)平行半導(dǎo)體激光光束經(jīng)透鏡在CCD探測(cè)器表面形成準(zhǔn)高斯分布束腰；所述的光學(xué)組件或由發(fā)光二極管、狹縫或小孔、透鏡組成，透鏡將透過(guò)狹縫或小孔的光匯聚于CCD探測(cè)器表面；2)所述光學(xué)組件所出射的光束在CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在10～30之間，CCD探測(cè)器和光學(xué)組件分別安裝在靜止部件和可作直線運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)部件上，CCD探測(cè)器像元排列方向與可動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)方向平行，當(dāng)光束軸線或光斑中心位置和CCD探測(cè)器之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，加權(quán)回歸結(jié)果的值隨之改變，以直接反映位移或位置改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)位移或長(zhǎng)度的測(cè)量。6.一種運(yùn)用權(quán)利要求1所述方法實(shí)現(xiàn)0～360度的角度測(cè)量方法，其特征在于1)使直徑不小于3mm的準(zhǔn)平行半導(dǎo)體激光光束被可旋轉(zhuǎn)金屬正n面體(8)的任一鏡面反射，設(shè)該反射鏡面的序號(hào)為i，反射光束經(jīng)有效孔徑角不小于±360°/n的物鏡(9)匯聚在像元總數(shù)Np≥5000且像元間隔W≤7μm的線陣CCD探測(cè)器(6)的表面，所述物鏡焦距為物鏡光軸垂直于CCD探測(cè)器表面；2)調(diào)焦使光束在CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在10～30之間，對(duì)CCD探測(cè)器像元的數(shù)字信號(hào)輸出采用截尾處理和加權(quán)回歸求出光束中心坐標(biāo)xc的估值3)所述的正n面體(8)的方位角φ由反射鏡面序號(hào)i和光束中心坐標(biāo)xc的估值確定，&phi;=360ni+arctan(x^c-xc0f3&prime;)+&epsiv;(x^c,i)+&phi;0,]]>式中xc0是透鏡9的光軸與CCD探測(cè)器表面交點(diǎn)的坐標(biāo)，φ0是常量項(xiàng)，是通過(guò)定度來(lái)確定的角度修正項(xiàng)，通過(guò)信號(hào)采集和計(jì)算部件直接輸出或顯示正n面體(8)的方位角φ。7.一種運(yùn)用權(quán)利要求1所述方法實(shí)現(xiàn)的測(cè)量線狀可見(jiàn)光譜波長(zhǎng)的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)使每毫米不少于1200線的光柵色散元件發(fā)出的具有不同衍射角的不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)平行光束經(jīng)過(guò)一焦距不小于150mm的透鏡或凹面反射鏡后，成像于線陣CCD探測(cè)器表面，所述的CCD探測(cè)器像元總數(shù)Np≥5000且像元間隔W≤7μm；2)對(duì)所述透鏡或凹面反射鏡調(diào)焦使在CCD探測(cè)器表面光束寬度內(nèi)的有效像元數(shù)在5～15之間；3)通過(guò)對(duì)CCD探測(cè)器像元的數(shù)字信號(hào)輸出截尾處理和加權(quán)回歸，計(jì)算出波長(zhǎng)為λx的待測(cè)線狀譜線中心的坐標(biāo)估值再同時(shí)或交替測(cè)量出波長(zhǎng)位于待測(cè)譜線附近的He-Ne放電管的若干條已知波長(zhǎng)λi的參考譜線中心坐標(biāo)估值用最小二乘法直線擬合或二次回歸求出局域線色散方程x^ci=f(&lambda;i),]]>最后將代入色散方程求出未知譜線波長(zhǎng)λx來(lái)。全文摘要一種用線陣CCD測(cè)量光束中心位置的方法，涉及一種測(cè)量入射到線陣CCD表面的光束中心位置的光電測(cè)量方法及運(yùn)用該方法測(cè)位移和角位移的具體方法。本發(fā)明使CCD表面光斑的輻射功率密度呈高斯分布或準(zhǔn)高斯分布；由CCD、相關(guān)電路特性等定出數(shù)字信號(hào)輸出的誤差限并選定截尾閾值；對(duì)截尾準(zhǔn)高斯分布的有效數(shù)字信號(hào)用加權(quán)回歸法計(jì)算出光束中心位置估值；用蒙特卡羅法數(shù)值模擬誤差分布定出光束寬度范圍。本發(fā)明方法可使線陣CCD測(cè)光束中心位置的有效分辨率和精密度從1W左右降到0.03W以下(W為像元間距)，以實(shí)現(xiàn)亞微米精密度位移及1秒有效分辨率角度的測(cè)量，并使其能被運(yùn)用于沖擊電流計(jì)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)角、線狀光譜波長(zhǎng)等其它相關(guān)量的測(cè)量領(lǐng)域。文檔編號(hào)G01B21/02GK1710378SQ20051001206公開(kāi)日2005年12月21日申請(qǐng)日期2005年7月1日優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日發(fā)明者朱鶴年申請(qǐng)人:清華大學(xué)