第一章 绪论
1.1 研究的背景及意义
对于球面金属网栅的制备，需要数道工序才能完成。但无论采用哪一种刻划方式，也无论是凹球面或是凸球面，均需要在工艺实施过程中，对各主要技术环节进行当前效果的检测。如机械刻划方式中由刻划保护膜所构成的负型网栅、负型网栅经过镀金属膜及处理后所形成的正型金属网栅或是在光刻方式中，经过激光直写并经显影等处理后所形成的胶膜负型网栅或由金属膜构成的正型金属网栅等，适时检测栅线的宽度、网栅的周期、栅线的质量及其它疵病，这对于保证网栅的质量和精度是必要的，尤其是在形成批量生产的过程中，不仅检测速度要快，而且还要准确。因此，在某种程度上可以说这是一种在线检测。
由于用来依附网栅的基体是球冠状形体，大口径大面积，并且对可见光呈不透明状态等等，这给网栅的检测带来了很大的困难。也就是说，我们通常所采用的检测平面光栅、平面网栅的无论是光学还是电学的方法在这里都是不合适的。因此，通过理论上的详细分析、各种可能的检测方法的对比和模拟试验，对凹球面拟采用分区扫描成像、计算机数字处理的方法来实现网栅的检测。
1.2 金属网栅的发展概况
1.3 论文研究目的和内容
第二章 检测系统组成与工作原理
2.1 检测系统的组成
检测系统主要由照明系统、固定装置、显微成像系统、CCD图像接收与驱动电路、图像处理接口电路和伺服机械传动装置构成，系统结构及过程如图2.1所示。
其中，照明系统使被测目标得到充分的照明，并在PC机的控制下通过伺服机械传动装置进行垂直平面摆动和水平方向转动，从而实现被测网栅整体的扫描。显微成像系统将被测件成像在CCD光敏面上。CCD器件在驱动脉冲的作用下完成光电转换并将图像信息由空间分布的光学图像变成按时间顺序分布的视频信号，送往图像处理接口电路。图像处理接口进行图像实时采集并传入计算机，进行图像处理，最后显示输出。
图2.1 检测系统结构示意图
2.2 检测系统的工作原理
由于测量的面积大而且需要高的分辨能力，所以，无论从数据容量和测量可行性来说都需要采取扫描分区成像。如图2.2所示：被测球冠在水平方向做匀速转动，球冠截面与光轴垂直，球心在光轴上；而显微物镜和CCD相机在垂直方向旋摆角度。调试成像光学系统对球冠中心局域小区域成像，然后围绕球心在水平方向上转动被测件，对球冠水平方向一个带成像后，使显微物镜和CCD相机绕球心在垂直方向旋转一个角度，旋转角度的大小视其一次成像的局部小区域的大小而定，旋转一个角度后，在使被测件绕水平方向的转动，这样继续到整个球冠扫描成像，完成一个件的全部检测过程。
图2.2 检测原理图
第三章 CCD器件的选择
电荷耦合器件(简称CCD)的突出特点是以电荷作为信号，而不同大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是电荷的储存和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储传输和检测。
CCD本身具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其有的特性密切相关。因此各种CCD器件广泛应用于军事、工业、商业医学、科研等领域。
电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件。简称为ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出。它有两大类型：线阵和面阵。二者都需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元(MOS电容)中。然后，再转移到CCD的位移寄存器(转移电极下的势阱)中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。
线型CCD可直接接收一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法来实现[5]。
3.1 CCD的主要性能
(1)像元分辨率与摄像分辨率
对于摄像系统而言，CCD图像扫描方式是被采用金属网栅采样的显微图，像元分辨率和摄像系统分辨率是CCD图像传感器是两个很重要的参数指标。所谓像元分辨率就是指CCD图像传感器中每一个像元所覆盖的被测物体宽度，由于CCD依据几何学光学原理，而没考虑摄影物的对比度，显微光学系统的衍射以及像位移的影响。但是，对于摄像系统而言，最具意义的参数是摄像分辨率，它与像元分辨率之间满足以下经验公式：
(3.1)
其中： 为摄影系统的实际分辨率； 为CCD图像传感器的像元分辨率；k为科尔系数，它与摄影物的对比度、光学系统等有关，通常情况下，当被摄影物的对比度比较高时，科尔系数取值在1.4左右，而当对被摄影物的对比度较低时，科尔系数取值为2。
针对此任务要求，被检测目标的网栅线纹宽度在2μm-10μm之间，即要求此摄像系统的实际分辨率应小于2μm，相应的像元分辨率应小于1μm，对于实际摄像系统，其分辨率的实际选择主要取决于被测线纹宽度的测量精度，通过对被测物体的分析，虽然最细线纹达到
2μm，但是线与线之间的距离达到200μm，它通过光学系统后可以视为线扩散函数，所以，如果仅用于判断线纹是否有断裂，并不需要很高的摄像分辨率便可以完成此任务，但要比较精确的测量线的宽度，则需要比较高的摄像分辨率。所以在实际设计中，要根据实际应用的场合和综合其它参数后，对系统的实际分辨能力进行优化选择。
(2)像素几何尺寸和放大倍数
对于CCD图像传感器，首先需要确定的参数便是CCD像素几何尺寸，因为它将直接影响显微系统的放大倍数。根据像元分辨率的定义我们得到以下公式：
(3.2)
其中： 为CCD的像素几何尺寸； 为系统的像元分辨率； 为显微系统的放大倍数，由此可见，一旦像元分辨率 确定，为了减小系统的放大倍数，需要选择像素几何尺寸小的CCD图像传感器。但是，CCD的几何尺寸的选取毕竟存在一定的限度，一旦系统分辨率需要提高，那么最有效的途径就是增加光学系统的放大倍数 。
3.2 CCD数据采样
CCD可用于位置、尺寸和图像的检测，根据CCD传感器视频信号应用的差异，CCD视频信号的处理有两种方法：一是对CCD信号进行二值化处理后，再进行数据采样：二是对CCD视频信号采样、量化编码后再采样到计算机系统。
由于线阵CCD既具有高灵敏度的光电转换功能，又具有光电信号的存储和快速读出功能，所以通过一组时序脉冲的驱动控制(驱动器)，可以实现对目标光源的实时光电转换与信号读出。当入射在CCD像元上成像时，入射光子被CCD像元吸收并产生相应数量的光生电荷。在光积分期间，光生电荷被积累并储存在彼此隔离的相应像元的势阱中所积累的信号电荷数与照射在该像元面上的平均照度和光积分时间的乘积成正比。在电荷转移期间，光生电荷依次转移至输出区，通过复位脉冲的控制，在输出极形成视频信号，每次积分的输出波形代表目标光图像在CCD采样方向的瞬态强度的空间分布，输出视频信号经过低噪声宽带放大器放大处理后，每个光斑的输出波形如图3.1(a)所示。然后，对CCD的视频信号进行二值化处理，原理如图3.1(b)所示，二值化的前沿和后沿分别对应CCD像元的信号，计算出这两个像元位置的平均值，既为光线的中心位置，这即是一个检验数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经过处理后，通过通讯电路将结果传送给计算机。
图3.1 CCD信号处理及二值化处理
在进行CCD在线检测时，干扰光线较难克服，而且光源使用一段时间，光强也会变弱，这样会引起CCD输出信号幅度变化，从而导致测量误差，因此对上边的电路作了一定改进，即让阀值电压随CCD视频信号的幅值变化，改进后的浮动阀值电路。当光源强度变化引起CCD视频信号变化时，可以通过电路CCD视频信号的起伏反馈到阀值上，使阀值电压随之改变，从而保证在光较弱时，二值化电路仍能输出二值化信号。
二值化处理后输出的信号为二值化信号。二值化信号为一个方波形,该波形的前沿和后沿分别对应CCD像元的序号，计算出两个像元位置的平均值，即为线光源在CCD上成像的中心位置，从而获得一个检测数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经处理后，再经过并行通讯电路将结果传给计算机进行下一步处理。
3.3 线阵CCD的选取
由于被检测的金属网栅的实际宽度存在很多差异，最小值为2μm，最大值达到10μm，为了使系统随着被测目标的不同，采用不同的分辨率和放大倍数，将使测量系统的各种性能指标都达到比较理想。对于比较粗的金属网栅，无须非常高的分辨能力，这种情况下，可以减小系统的空间分辨能力和放大倍数，这将使被测条带的宽度增加、测量时间减小，图像处理复杂度降低。
本系统采用TCD1703C线阵CCD作为图像传感器。TCD1703C具有7500个像敏单元数，像元尺寸及间距为7μm 7μm；TCD1703C具有灵敏度高、暗电流低等特点，工作电压为单一的5V，是二相输出的线阵CCD器件。主要用语通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。TCD1703C传感器共需要四个5V的驱动时钟(SH、RS、φ1、φ2).
TCD1703C的主要技术指标：
像敏单元数 7500
像元总长 52.5mm
像元中心距 0.007mm
驱动频率 20MHz
行周期 1ms
响应度 15V/1x.s
动态范围 1660
第四章 显微光学及精密机械系统
所设计检测系统取样是靠光学系统完成的。光学系统的作用是使被测物体得到均匀的照明，并按照一定的倍率要求成像在CCD传感器的光敏接受面上。为了满足上述要求，保证测量精度，光学系统设计采用了远心成像系统。为了消除背景光的影响，系统中加入滤光片和照明系统。所以光学系统由成像系统和照明系统两部分组成。光学系统光路如图4.1所示。
图4.1 光学系统光路图
4.1 光学成像系统
光学成像系统如图4.1，有物镜L、光阑P2和CCD器件组成。光阑P2设在成像物镜L的像方焦平面F‘处。光阑P2为系统的孔径光阑，形成了物方远心光路，以控制轴外物点主光线的方向，使AB在CCD光敏面的像点位置不变。
影响该系统成像特性的因素主要是成像物镜L。因此，如何根据使用要求确定物镜的光学参数，从而合理地设计或选择物镜是非常重要的。
设被测物体物方线视场为2y、线阵CCD器件像敏单元的宽度为 、像敏单元数为N物像之间共轭距为L，则成像系统的光学参数可由以下公式求出。
(1)系统放大倍率
系统放大倍率 由下式计算
(4.1)
式中，2 =N· ，为CCD敏感面尺寸。
(2)物镜的相对孔径(或数值孔径NA)
物镜的相对孔径是由物镜的分辨率和CCD器件所需光照度的大小决定的。物镜的分辨率 与CCD器件的分辨率 有关。它们之间的关系为
(4.2)
显微物镜最重要的光学参数是数值孔径，它影响了系统的分辨率，像面照度和成像质量。所谓数值孔径就是显微镜物方介质的折射率n和物方孔径角正弦之乘积，用符号NA来表示。
由物镜的分辨率 可确定物镜的数值孔径。当被测物体本身不发光，被其它光源垂直照明时，数值孔径为:
(4.3)
在斜照明情况下，数值孔径为
(4.4)
当NA确定，可由式
(4.5)
(4.6)
分别求出物方孔径角 和像方孔径角 值。式中 和 分别表示物像方介质折射率。
(3)确定物镜的焦距
解联立方程组
(由结构尺寸决定) (4.7)
可以求出物镜的焦距 和成像系统的外型尺寸 和 值。
(4)视场角2
(4.8)
式中， = - ，为CCD光敏面到物镜像方焦点F的距离。
(5)孔径光阑 的直径
(4.9)
(6)物镜通光口径
(4.10)
4.2 光学照明系统
4.2.1照明方式
照明系统主要由光源和聚光镜组成。它的作用是使目标物得到充分照明，以保证像平面有足够的照度。
照明方式一般有临界照明和柯拉照明两种。临界照明把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的均匀性会影响显微镜的观察效果。临界照明的聚光镜的出射光瞳和像方视场分别与物镜的入射光瞳和物方视场重合。一般物镜的入射光瞳在无限远处，所以聚光镜的可变光阑放在其前焦平面上。
图4.2 临界照明原理图
柯拉照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点。柯拉照明是将光源成像在物镜的入射光瞳处，如图4.3所示。柯拉照明必须满足以下成像关系。光源1经辅助聚光镜2(也称柯拉镜)成像在光阑4处；辅助聚光镜2经聚光镜5成像于物平面6上；聚光镜5把它焦点处的光阑4成像于无限远，与成像物镜的入瞳重合(设物镜的入瞳位于无限远)。由于柯拉照明不是直接把光源，而是把被光源均匀照明了的辅助聚光镜2成像在物平面上，因此，柯拉照明的优点是可以使物体得到均匀的照明。
图4.4 柯拉照明原理图
对于被检测系统中的光学系统部分，对成像质量和测量精度要求较高，且成像系统采用了物方远心光路，所以照明方式采用柯拉照明。[4]
4.2.2照明系统设计
为了使接受器获得足够的照度并且使照度分布均匀，设计照明系统应注意照明系统提供的光能量问题、光能量的利用率问题和能量在像平面上的分布问题。
照明系统提供的光能量与光源的发光强度、光源的尺寸和聚光镜的孔径角有关。当光源的发光强度一定时，光源的面积越大，聚光镜的孔径角越大，照明系统所提供的光能量越多。即照明系统提供光能量的大小是由它的拉赫不变量决定的，即:
(4.11)
式中： 为物方介质折射率； 为灯丝半高； 为聚光镜的孔径角。
照明系统所提供的光能量能不能全部进入成像系统取决于两者之间的衔接广西。为了使照明系统和成像系统很好的衔接起来，在光学计算时应使照明系统的拉赫不变量 等于或大于成像系统的拉赫不变量，即:
(4.12)
式中： 为物体半高； 为成像系统的孔径角； 为成像系统物方介质折射率。[1]
另外，当显微系统数值孔径确定，从提高分辨率角度来说，应选取波长较短的入射光对被测物体进行照射。但是，CCD器件的响应峰值波长在0.8μm处，越往短波长处响应越小，这将影响到图像的灵敏度和信噪比，所以，对于光源的选取应兼顾这两方面。
根据各方面的要求，照明系统采用柯拉照明，斜照，光源选择型号为LYQ24-150的卤钨灯，电源为稳压稳流源。为防止测量系统相面照度不均匀，采用滤光补偿法在CCD器件光敏面前放置滤光片。
4.3 精密机械系统结构
用来形成金属网栅的基底是口径为210mm,球面直径R=160mm的球冠，被测的网栅线纹宽度在2μm-10μm之间，网栅间隔200μm-500μm，网栅线纹在球面上呈纬线分布。由于测量的面积大而且需要高分辨能力，所以说，无论是从数据容量和测量可行性来说都需要采取扫描分区成像。我们拟采用的方法是被测球冠在水平方向做匀速转动，球冠截面与光轴垂直，球心在光轴上；而显微物镜和CCD相机在垂直方向转动角度。调试成像光学系统对球冠中心局部小区域成像，然后围绕球心在水平方向上转动被测件，对球冠水平方向一个带成像后，使显微物镜和CCD相机绕球心在垂直方向旋转一个角度。旋转角度的大小视其一次成像的局部小区域的大小而定，旋转一个角度后，在使被测件绕球心进行水平方向的转动，这样继续到整个球冠扫描成像，完成一个件的全部检测过程。
由于显微物镜系统的作用距离通常比较短，在检测时，由于被测件需要做圆周匀速转动，如果在运动时有微小的震动或偏心，将使图像的离焦量变大，使像质变差，从而带来检测误差、判断错误。所以要保证检测件运动时不仅保证速度均匀性好，而且要保证运动平稳。
被测件的安装固定及回转台的结构初步拟定如图5.1所示。被测件2安装固定在一圆桶行夹具3上；为了便于球冠截面与光轴垂直的调整，圆桶行夹具3可沿垂直导轨4做上下位移。同样CCD相机及显微物镜的旋摆回转机构也可在固定于支撑座13上的垂直导轨7、水平导轨8上做垂直升降位移和前后水平位移。图中的12为锥行回转轴系，轴上端固定连接蜗轮9，蜗轮9上方固定连接工作台6。
1— CCD相机及显微物镜和旋摆回转机构
2— 被测件
3— 圆柱形夹具
4— 被测件垂直升降导轨
5— 被测件水平位移导轨
6— 工作台
7— CCD系统垂直升降导轨
8— CCD系统水平位移导轨
9— 蜗轮
10— 传动蜗杆
11— 伺服电机
12— 锥形轴系
13— 支撑座
图4.5 被测件安装及回转台结构示意图
4.4 回转台及控制系统
4.4.1回转台运行控制
在测量过程中，被测件2需要绕自身轴在水平方向上做往复摆动，该运动的实现来自于蜗轮9的传动，蜗杆10的传动可以采用伺服电机驱动装置。
d=210mm
当被测件 r=210/2=105mm时
R=160mm
(5.1)
最大转角 ，故被测件每次绕球心水平转动 ，蜗杆转两圈。
由于扫描行周期为5s，则蜗杆转速为24r/min。
工作时先给伺服电机一个正向脉冲使电动机正向旋转，带动蜗杆正向转动两圈，通过啮合蜗轮使得被测件逆时针转动 完成第二个带的扫描。如此反复，直到扫描完毕。
转台的控制我们采用PC机进行控制，流程图为：
图5.2 PC机转台控制流程图
4.4.2 显微物镜和CCD相机的运行控制
当纬线之间的间距为200μm -500μm，工作半径R=160mm时
转角
(5.2)
则显微物镜和CCD相机每次绕球心转动
由于此蜗轮较小，故初步定i=30
所以蜗杆每次转动
即步进电机每次转动 ，由于每次接受一个脉冲，输出的角位移可达到 ，所以只用一个脉冲即可。
工作中当一条纬线扫描完毕，需要转到下一条纬线时，给步进电机一个指令脉冲，步进电机带动蜗杆转动 ，蜗杆和蜗轮啮合使蜗轮连同显微物镜和CCD相机一同转动 ，于是转到被测件的下一条纬线。
4.4.3 导轨选择
导轨主要作用是用来保证各运动部件的相对位置和相对运动精度以及承受载荷(包括工作台滑板部分的重量)。本检测系统对导轨的基本要求是：导向精度高，刚度大，耐磨性好，精度保持性好，运动灵活而平稳，结构简单，工艺性好。
目前，从运动形式及结构上划分，导轨主要有滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、静压导轨等。
其中，滚动摩擦导轨是在运动条件和承载件之间放置滚动体(滚动轴承，滚珠，滚柱等)使导轨运动时处于滚动摩擦状态而形成的导轨。与滑动摩擦导轨相比，其优点为：摩擦系数小，运动灵便，不易出现爬行现象，定位精度高，磨损较小，寿命长，润滑简便。其缺点是较为复杂，加工比较困难，成本较高，对赃物及导轨面的误差比较敏感。
弹性摩擦导轨的优点是：摩擦力极小；没有磨损，不需润滑；运动灵便性高；当运动件的位移足够小时，精度很高，可以达到极高的分辨率。弹性导轨的主要缺点是：运动件只能做很小的移动，这就大大限制了其使用范围。
静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动浮起来，以保证导轨面间处于液体或气体摩擦状态下工作。其优点是：摩擦系数很小，可使驱动功率降低，运动轻便灵活，低速时无爬行现象；导轨表面基本无摩擦，寿命长；承载能力大，刚度好；摩擦发热小，导轨温升小；抗震性好。缺点是：结构复杂，需要是摩擦阻力大、避免了由于热变行所引起的配合状况变化，且工艺性较好。
4.4.4 伺服传动
对于精密定位工作台需要能在点与点之间自动地实现精确移动。为了能够高效率、高精度、稳定地实现要求、伺服传动系统必须具有很好的快速响应性，能灵敏地跟踪指令，实现单步和连续运动并且在运行时不出现丢步或多少步现象，满足运动精度要求并且具有较高的稳定性。
伺服系统按控制技术可以分为：开环伺服系统和闭环伺服系统。开环伺服系统主要是采用步进电机为驱动元件。步进电机每接受一个指令脉冲。电机轴就转动相应的角度，驱动工作台移动。开环系统的最高移动速度受到步进电机频率特性的限制，精度则完全取决于电机，丝杠螺母，齿轮副和工作台导轨等部件的精度，因此适用与对移动精度和精度要求不高的情况。
闭环伺服系统的重点特点是在工作台上装有位置检测装置，可以随时测量工作台的实际位移，进而将测定值反馈到数值控制装置中的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制，因此有可能校正传动链内由于电器、刚度、间隙、惯性、摩擦及制造精度等因素所形成的各种误差，从而提高伺服驱动精度。位置检测装置的分辨率是影同步器响伺服驱动精度的重要因素。根据精度要求，通常分别采用感应同步器、磁栅、光栅及激光等传感器作为位置检测装置。系统包容了从电机到工作台的全部器件，环节较多，如调整不当将会造成系统震荡影响稳定工作。因此，闭环伺服系统的设计、制造和调整都较开环系统复杂，通常使用于要求精度高的情况。
本设计采用闭环伺服控制系统以满足本检测系统要求的高精度，系统组成如图4.5所示。伺服系统主要包括数字控制驱动装置、机械传动装置和位置检测装置。
其中传动专职采用滚珠丝杠与螺母组成的螺旋传动。滚珠丝杠副有很高的传动效率，效率高达90%-95%左右，耗费的动力仅为滑动丝杠的三分之一，可使驱动电机乃至机械小型化。其逆转传动效率几乎与正传动效率相同。系统刚度高，使用寿命长，使用广泛极好的满足系统的要求。
伺服电机在伺服系统中执行元件，常用的伺服电机可以分为四大类：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、直接驱动电机。支流伺服电机、交流伺服电机和直接驱动电机均采用位置闭环控制，一般用于要求高精度、高速度的机电一体化产品。步进电机主要用于开环系统，一般用于精度速度要求不高、成本要求低的电机一体化产品。
对于本检测系统，在电机选择时要注意选择速度均匀且反映灵敏的电机。综合比较现有电机型号的技术指标，选取型号为SY200的支流伺服电机，该电机采用烯土磁钢，具有体积小，伺服性能好，反应速度快，功率体积比大，功率重量比大等特点
第五章 图像采样及处理系统
5.1 图像采样及处理系统概述
本系统主要由线阵CCD、ADC、DSP、可编程逻辑器件CPLD等几部分组成。待输入图像经光源照明后，经物镜成像在CCD光敏元件阵列上，CCD通过驱动电路完成一次X-Y面的自扫描。在控制电路的作用下，CCD输出信号进行滤波放大处理，并经A/D转换电路进行数字化处理。一条图像数据通过数据通道进入帧存储器。以上操作与CCD自扫描同步进行，不受CPU的控制。随后，控制电路启动同步电机，带动进纸机构移动到下一采样位置，CCD又进行X-Y面的自扫描，并重复上述过程，输入第二条的数据，直至整个球面输入完毕。DSP读取存储器存储的处理数据，并根据用户的要求将处理结果上传给主机供用户使用。系统结构如图5.1所示。
图5.1 系统结构图
5.2 基本硬件组成
5.2.1 放大滤波及A/D转换
TCD1703传感器输出信号OS有以下特点：
·负极性信号
·包含有周期性的复位脉冲串扰
·有效信号幅值较小
CCD输出信号的上述特点决定了它不能直接送入A/D转换器，必须先从硬件上对其进行一系列的预处理，消除信号中的驱动脉冲(主要是复位脉冲)及噪声等所造成的干扰，因此需将信号进行前置反向、滤波及放大。在电路设计中，选用一片CA3450运算放大器进行方向、放大，并在CA3450的输出端接一级RC滤波器滤除噪声。经过上述处理的信号就可以被送入A/D转换器进行数字化处理。8位、高速、并行闪速结构的A/D转换芯片(CA3318CE)的转换速率(最大为15MHz)完全可以满足CCD(1MHz)的工作要求，利用A/D转换技术将信号转换成与之相应的、能够反应图像灰度变化的数字量，提高了测量精度和分辨率。当CA3318CE的输出使能有效时，就可以将A/D转换结果送至8位数据线上。这样，在数据存储器允许及地址有效的前提下，就能将数据写入数据存储器SRAM中。
5.2.2 可编程逻辑电路CPLD
CPLD的主要作用有：用来控制CCD的驱动时钟、各种同步控制时钟(A/D转换，数字信号存取)以及存储器地址的产生。合适的CPLD是根据实际需要在实验过程中选定的，在设计中选用了ALTERA公司的MAX7000系列芯片EPM7128S，该系列芯片是典型的通过JTEG在线编程的CPLD器件。外部时钟信号作为CPLD的基准信号，其它时序信号的产生都是以此为基础的。
5.2.3 步进机构
线性CCD是逐行扫描的，要想得到清晰的图像，对步进机构的速度是有要求的。步进机构应该匀速运动，其速度必须和扫描速度保持一致。影响水平方向分辨率的不要原因是转动电机的转速。虽然转速越高，越节省时间，但是扫描间隔却相应增大，分辨率下降；转速越低，则分辨率越高。
5.2.4 TMS320VC5402处理器
TMS320VC5402是定点数字信号处理器，体系结构为哈佛结构，具有先进的多总线结构，40位算术逻辑单元(ALU)包括一个40位桶形移位寄存器和两个40位累加器，数据/程序寻址空间为64K/MB，内置16KB的RAM和4KB的ROM，有两个缓冲串口。另外，它还提供DMA方式和多种片内外设，操作速度最高为100MIPS。
5.3 系统的硬件设计
5.3.1 CPLD控制信号
根据驱动脉冲时序关系确定时钟驱动信号SH、φ1、φ2和RS的参数。各种脉冲的技术指标如下：RS=1MHz，占空比为1：3，方波；φ1=φ2=0.5MHz，占空比为1：1，方波，φ1、φ2在并行转移时是一个大于SH=1持续时间的宽脉冲；在SH的光积分时间内，至少有2212个RS脉冲。在设计中，SH波形采用计数器的形式进行设计。φ1、φ2、RS的波形由分频产生。行同步信号φc与SH同周期，利用φc的上升沿使A/D转换器进入工作状态(φc为低电平时，A/D转换无法启动)，它的上升沿对应CCD输出信号的第一个有效像素。SP是像元同步信号，它的脉冲频率是复位信号RS的整数倍。为了保证CCD输出、A/D转换、地址发生三者同步，将CCD驱动电路的RS与ADC的时钟CLK相连，存储器的允许端与ADC的允许端相连。部分设计程序如下：
PROCESS (CLK, RESET)
BEGIN
IF RESTT=‘1’ THEN CNTB<=0;
ELSE
IF LEK’EVENT AND CLK=‘1’ THEN
IF CNTB>2212 THEN CNTB<=0;
ELSE CNTB<=CNTB+1;
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (RESET, CNTB)
BEGIN
IF RESET=‘1’ THEN SH<=‘1’;
ELSE
CASE CNTB IS
WHEN 0 TO 2212=> SH<=‘0’;
WHEN OTHERS=> SH<=‘0’;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (CLK, RESET)
BEGIN
IF RESET=‘1’ THEN CNT<=0;
ELSE
IF CLK’ EVENT AND CLK=‘1’ THEN
IF CNT<5 THEN
CNT<=CNT+1;
ELSE CNT<=0
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (CNT, RESET)
BEGIN
IF RESET=‘1’ THEN F1<=‘1’;F2<=‘0’;
ELSE
CASE CNT IS
WHEN 0=>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
WHEN 4=>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
WHEN 5=>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
WHEN OTHERS=>F1<=‘0’;F2<=‘1’;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
根据所要摄取图像的数据量，选用三片IS61LV5128AL-12TSRAM(共1.5B)，用来存放一帧图像数据。它们的地址线和读写控制线是由CPLD提供的。
SRAM地址信号的产生是通过计数器实现的，这里将A/D转换的时钟同步信号作为计数器的技术时钟信号。每次采样前，设初始地址为零，时钟同步信号每次出现一次下降沿，地址值加1。在采集完一帧数据时地址自动复位。考虑到延时的问题，数据信号与地址信号不能同时发生。如果写信号一直有效，会造成同一地址存放不同的数据，从而影响了输出数据的正确性。针对这一问题，在设置写信号WR时，检测地址ADDR最后一位(ADDR[0])和时钟同步信号的上升沿的变化。当检测到ADDR[0]变化是，WR置低，说明有效；当检测到时钟同步信号上升沿到来时，WR置高，此时无效。这样每一位数据都能被写入相应的地址中。
在设计中，时序发生器产生的所有驱动和控制时序信号都是在MUXPLUSII开发环境下设计完成并经编译、校验后在线下载到CPLD器件内部的。可见，一片CPLD可以替代原来的几十个分立元件来实现CCD图像读入系统中各种驱动和控制时序逻辑，而且CPLD还允许设计编程保密位。总之采用CPLD有利于减小系统电路板的面积、提高系统的安全保密性、降低系统功能和保证产品的质量。
5.3.2 DSP的控制信号
当系统启动时，DSP通知EPM7128S启动采集，采集完毕后DSP便可以访问SRAM中的数据，并完成后继的图像处理工作。另外，在本系统中，DSP还有一个重要的功能，即负责控制SRAM的访问权。在系统中，ADC以及DSP都需要对SRAM进行访问，这必然会产生SRAM的访问争用问题。对于这一问题是通过DSP来解决的。在采集图像期间，DSP通过XF引脚控制缓冲/驱动器SN74LVTH16244，使得采集期间ADC与SRAM导通，这样就解决了ADC、DSP对SRAM的使用权争用问题。
1.1 研究的背景及意义
对于球面金属网栅的制备，需要数道工序才能完成。但无论采用哪一种刻划方式，也无论是凹球面或是凸球面，均需要在工艺实施过程中，对各主要技术环节进行当前效果的检测。如机械刻划方式中由刻划保护膜所构成的负型网栅、负型网栅经过镀金属膜及处理后所形成的正型金属网栅或是在光刻方式中，经过激光直写并经显影等处理后所形成的胶膜负型网栅或由金属膜构成的正型金属网栅等，适时检测栅线的宽度、网栅的周期、栅线的质量及其它疵病，这对于保证网栅的质量和精度是必要的，尤其是在形成批量生产的过程中，不仅检测速度要快，而且还要准确。因此，在某种程度上可以说这是一种在线检测。
由于用来依附网栅的基体是球冠状形体，大口径大面积，并且对可见光呈不透明状态等等，这给网栅的检测带来了很大的困难。也就是说，我们通常所采用的检测平面光栅、平面网栅的无论是光学还是电学的方法在这里都是不合适的。因此，通过理论上的详细分析、各种可能的检测方法的对比和模拟试验，对凹球面拟采用分区扫描成像、计算机数字处理的方法来实现网栅的检测。
1.2 金属网栅的发展概况
1.3 论文研究目的和内容
第二章 检测系统组成与工作原理
2.1 检测系统的组成
检测系统主要由照明系统、固定装置、显微成像系统、CCD图像接收与驱动电路、图像处理接口电路和伺服机械传动装置构成，系统结构及过程如图2.1所示。
其中，照明系统使被测目标得到充分的照明，并在PC机的控制下通过伺服机械传动装置进行垂直平面摆动和水平方向转动，从而实现被测网栅整体的扫描。显微成像系统将被测件成像在CCD光敏面上。CCD器件在驱动脉冲的作用下完成光电转换并将图像信息由空间分布的光学图像变成按时间顺序分布的视频信号，送往图像处理接口电路。图像处理接口进行图像实时采集并传入计算机，进行图像处理，最后显示输出。
图2.1 检测系统结构示意图
2.2 检测系统的工作原理
由于测量的面积大而且需要高的分辨能力，所以，无论从数据容量和测量可行性来说都需要采取扫描分区成像。如图2.2所示：被测球冠在水平方向做匀速转动，球冠截面与光轴垂直，球心在光轴上；而显微物镜和CCD相机在垂直方向旋摆角度。调试成像光学系统对球冠中心局域小区域成像，然后围绕球心在水平方向上转动被测件，对球冠水平方向一个带成像后，使显微物镜和CCD相机绕球心在垂直方向旋转一个角度，旋转角度的大小视其一次成像的局部小区域的大小而定，旋转一个角度后，在使被测件绕水平方向的转动，这样继续到整个球冠扫描成像，完成一个件的全部检测过程。
图2.2 检测原理图
第三章 CCD器件的选择
电荷耦合器件(简称CCD)的突出特点是以电荷作为信号，而不同大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是电荷的储存和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储传输和检测。
CCD本身具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其有的特性密切相关。因此各种CCD器件广泛应用于军事、工业、商业医学、科研等领域。
电荷耦合摄像器件是用于摄像或像敏的器件。简称为ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出。它有两大类型：线阵和面阵。二者都需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元(MOS电容)中。然后，再转移到CCD的位移寄存器(转移电极下的势阱)中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。
线型CCD可直接接收一维光信息，而不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法来实现[5]。
3.1 CCD的主要性能
(1)像元分辨率与摄像分辨率
对于摄像系统而言，CCD图像扫描方式是被采用金属网栅采样的显微图，像元分辨率和摄像系统分辨率是CCD图像传感器是两个很重要的参数指标。所谓像元分辨率就是指CCD图像传感器中每一个像元所覆盖的被测物体宽度，由于CCD依据几何学光学原理，而没考虑摄影物的对比度，显微光学系统的衍射以及像位移的影响。但是，对于摄像系统而言，最具意义的参数是摄像分辨率，它与像元分辨率之间满足以下经验公式：
(3.1)
其中： 为摄影系统的实际分辨率； 为CCD图像传感器的像元分辨率；k为科尔系数，它与摄影物的对比度、光学系统等有关，通常情况下，当被摄影物的对比度比较高时，科尔系数取值在1.4左右，而当对被摄影物的对比度较低时，科尔系数取值为2。
针对此任务要求，被检测目标的网栅线纹宽度在2μm-10μm之间，即要求此摄像系统的实际分辨率应小于2μm，相应的像元分辨率应小于1μm，对于实际摄像系统，其分辨率的实际选择主要取决于被测线纹宽度的测量精度，通过对被测物体的分析，虽然最细线纹达到
2μm，但是线与线之间的距离达到200μm，它通过光学系统后可以视为线扩散函数，所以，如果仅用于判断线纹是否有断裂，并不需要很高的摄像分辨率便可以完成此任务，但要比较精确的测量线的宽度，则需要比较高的摄像分辨率。所以在实际设计中，要根据实际应用的场合和综合其它参数后，对系统的实际分辨能力进行优化选择。
(2)像素几何尺寸和放大倍数
对于CCD图像传感器，首先需要确定的参数便是CCD像素几何尺寸，因为它将直接影响显微系统的放大倍数。根据像元分辨率的定义我们得到以下公式：
(3.2)
其中： 为CCD的像素几何尺寸； 为系统的像元分辨率； 为显微系统的放大倍数，由此可见，一旦像元分辨率 确定，为了减小系统的放大倍数，需要选择像素几何尺寸小的CCD图像传感器。但是，CCD的几何尺寸的选取毕竟存在一定的限度，一旦系统分辨率需要提高，那么最有效的途径就是增加光学系统的放大倍数 。
3.2 CCD数据采样
CCD可用于位置、尺寸和图像的检测，根据CCD传感器视频信号应用的差异，CCD视频信号的处理有两种方法：一是对CCD信号进行二值化处理后，再进行数据采样：二是对CCD视频信号采样、量化编码后再采样到计算机系统。
由于线阵CCD既具有高灵敏度的光电转换功能，又具有光电信号的存储和快速读出功能，所以通过一组时序脉冲的驱动控制(驱动器)，可以实现对目标光源的实时光电转换与信号读出。当入射在CCD像元上成像时，入射光子被CCD像元吸收并产生相应数量的光生电荷。在光积分期间，光生电荷被积累并储存在彼此隔离的相应像元的势阱中所积累的信号电荷数与照射在该像元面上的平均照度和光积分时间的乘积成正比。在电荷转移期间，光生电荷依次转移至输出区，通过复位脉冲的控制，在输出极形成视频信号，每次积分的输出波形代表目标光图像在CCD采样方向的瞬态强度的空间分布，输出视频信号经过低噪声宽带放大器放大处理后，每个光斑的输出波形如图3.1(a)所示。然后，对CCD的视频信号进行二值化处理，原理如图3.1(b)所示，二值化的前沿和后沿分别对应CCD像元的信号，计算出这两个像元位置的平均值，既为光线的中心位置，这即是一个检验数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经过处理后，通过通讯电路将结果传送给计算机。
图3.1 CCD信号处理及二值化处理
在进行CCD在线检测时，干扰光线较难克服，而且光源使用一段时间，光强也会变弱，这样会引起CCD输出信号幅度变化，从而导致测量误差，因此对上边的电路作了一定改进，即让阀值电压随CCD视频信号的幅值变化，改进后的浮动阀值电路。当光源强度变化引起CCD视频信号变化时，可以通过电路CCD视频信号的起伏反馈到阀值上，使阀值电压随之改变，从而保证在光较弱时，二值化电路仍能输出二值化信号。
二值化处理后输出的信号为二值化信号。二值化信号为一个方波形,该波形的前沿和后沿分别对应CCD像元的序号，计算出两个像元位置的平均值，即为线光源在CCD上成像的中心位置，从而获得一个检测数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经处理后，再经过并行通讯电路将结果传给计算机进行下一步处理。
3.3 线阵CCD的选取
由于被检测的金属网栅的实际宽度存在很多差异，最小值为2μm，最大值达到10μm，为了使系统随着被测目标的不同，采用不同的分辨率和放大倍数，将使测量系统的各种性能指标都达到比较理想。对于比较粗的金属网栅，无须非常高的分辨能力，这种情况下，可以减小系统的空间分辨能力和放大倍数，这将使被测条带的宽度增加、测量时间减小，图像处理复杂度降低。
本系统采用TCD1703C线阵CCD作为图像传感器。TCD1703C具有7500个像敏单元数，像元尺寸及间距为7μm 7μm；TCD1703C具有灵敏度高、暗电流低等特点，工作电压为单一的5V，是二相输出的线阵CCD器件。主要用语通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。TCD1703C传感器共需要四个5V的驱动时钟(SH、RS、φ1、φ2).
TCD1703C的主要技术指标：
像敏单元数 7500
像元总长 52.5mm
像元中心距 0.007mm
驱动频率 20MHz
行周期 1ms
响应度 15V/1x.s
动态范围 1660
第四章 显微光学及精密机械系统
所设计检测系统取样是靠光学系统完成的。光学系统的作用是使被测物体得到均匀的照明，并按照一定的倍率要求成像在CCD传感器的光敏接受面上。为了满足上述要求，保证测量精度，光学系统设计采用了远心成像系统。为了消除背景光的影响，系统中加入滤光片和照明系统。所以光学系统由成像系统和照明系统两部分组成。光学系统光路如图4.1所示。
图4.1 光学系统光路图
4.1 光学成像系统
光学成像系统如图4.1，有物镜L、光阑P2和CCD器件组成。光阑P2设在成像物镜L的像方焦平面F‘处。光阑P2为系统的孔径光阑，形成了物方远心光路，以控制轴外物点主光线的方向，使AB在CCD光敏面的像点位置不变。
影响该系统成像特性的因素主要是成像物镜L。因此，如何根据使用要求确定物镜的光学参数，从而合理地设计或选择物镜是非常重要的。
设被测物体物方线视场为2y、线阵CCD器件像敏单元的宽度为 、像敏单元数为N物像之间共轭距为L，则成像系统的光学参数可由以下公式求出。
(1)系统放大倍率
系统放大倍率 由下式计算
(4.1)
式中，2 =N· ，为CCD敏感面尺寸。
(2)物镜的相对孔径(或数值孔径NA)
物镜的相对孔径是由物镜的分辨率和CCD器件所需光照度的大小决定的。物镜的分辨率 与CCD器件的分辨率 有关。它们之间的关系为
(4.2)
显微物镜最重要的光学参数是数值孔径，它影响了系统的分辨率，像面照度和成像质量。所谓数值孔径就是显微镜物方介质的折射率n和物方孔径角正弦之乘积，用符号NA来表示。
由物镜的分辨率 可确定物镜的数值孔径。当被测物体本身不发光，被其它光源垂直照明时，数值孔径为:
(4.3)
在斜照明情况下，数值孔径为
(4.4)
当NA确定，可由式
(4.5)
(4.6)
分别求出物方孔径角 和像方孔径角 值。式中 和 分别表示物像方介质折射率。
(3)确定物镜的焦距
解联立方程组
(由结构尺寸决定) (4.7)
可以求出物镜的焦距 和成像系统的外型尺寸 和 值。
(4)视场角2
(4.8)
式中， = - ，为CCD光敏面到物镜像方焦点F的距离。
(5)孔径光阑 的直径
(4.9)
(6)物镜通光口径
(4.10)
4.2 光学照明系统
4.2.1照明方式
照明系统主要由光源和聚光镜组成。它的作用是使目标物得到充分照明，以保证像平面有足够的照度。
照明方式一般有临界照明和柯拉照明两种。临界照明把光源的像成在物平面上，故光源表面亮度的均匀性会影响显微镜的观察效果。临界照明的聚光镜的出射光瞳和像方视场分别与物镜的入射光瞳和物方视场重合。一般物镜的入射光瞳在无限远处，所以聚光镜的可变光阑放在其前焦平面上。
图4.2 临界照明原理图
柯拉照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点。柯拉照明是将光源成像在物镜的入射光瞳处，如图4.3所示。柯拉照明必须满足以下成像关系。光源1经辅助聚光镜2(也称柯拉镜)成像在光阑4处；辅助聚光镜2经聚光镜5成像于物平面6上；聚光镜5把它焦点处的光阑4成像于无限远，与成像物镜的入瞳重合(设物镜的入瞳位于无限远)。由于柯拉照明不是直接把光源，而是把被光源均匀照明了的辅助聚光镜2成像在物平面上，因此，柯拉照明的优点是可以使物体得到均匀的照明。
图4.4 柯拉照明原理图
对于被检测系统中的光学系统部分，对成像质量和测量精度要求较高，且成像系统采用了物方远心光路，所以照明方式采用柯拉照明。[4]
4.2.2照明系统设计
为了使接受器获得足够的照度并且使照度分布均匀，设计照明系统应注意照明系统提供的光能量问题、光能量的利用率问题和能量在像平面上的分布问题。
照明系统提供的光能量与光源的发光强度、光源的尺寸和聚光镜的孔径角有关。当光源的发光强度一定时，光源的面积越大，聚光镜的孔径角越大，照明系统所提供的光能量越多。即照明系统提供光能量的大小是由它的拉赫不变量决定的，即:
(4.11)
式中： 为物方介质折射率； 为灯丝半高； 为聚光镜的孔径角。
照明系统所提供的光能量能不能全部进入成像系统取决于两者之间的衔接广西。为了使照明系统和成像系统很好的衔接起来，在光学计算时应使照明系统的拉赫不变量 等于或大于成像系统的拉赫不变量，即:
(4.12)
式中： 为物体半高； 为成像系统的孔径角； 为成像系统物方介质折射率。[1]
另外，当显微系统数值孔径确定，从提高分辨率角度来说，应选取波长较短的入射光对被测物体进行照射。但是，CCD器件的响应峰值波长在0.8μm处，越往短波长处响应越小，这将影响到图像的灵敏度和信噪比，所以，对于光源的选取应兼顾这两方面。
根据各方面的要求，照明系统采用柯拉照明，斜照，光源选择型号为LYQ24-150的卤钨灯，电源为稳压稳流源。为防止测量系统相面照度不均匀，采用滤光补偿法在CCD器件光敏面前放置滤光片。
4.3 精密机械系统结构
用来形成金属网栅的基底是口径为210mm,球面直径R=160mm的球冠，被测的网栅线纹宽度在2μm-10μm之间，网栅间隔200μm-500μm，网栅线纹在球面上呈纬线分布。由于测量的面积大而且需要高分辨能力，所以说，无论是从数据容量和测量可行性来说都需要采取扫描分区成像。我们拟采用的方法是被测球冠在水平方向做匀速转动，球冠截面与光轴垂直，球心在光轴上；而显微物镜和CCD相机在垂直方向转动角度。调试成像光学系统对球冠中心局部小区域成像，然后围绕球心在水平方向上转动被测件，对球冠水平方向一个带成像后，使显微物镜和CCD相机绕球心在垂直方向旋转一个角度。旋转角度的大小视其一次成像的局部小区域的大小而定，旋转一个角度后，在使被测件绕球心进行水平方向的转动，这样继续到整个球冠扫描成像，完成一个件的全部检测过程。
由于显微物镜系统的作用距离通常比较短，在检测时，由于被测件需要做圆周匀速转动，如果在运动时有微小的震动或偏心，将使图像的离焦量变大，使像质变差，从而带来检测误差、判断错误。所以要保证检测件运动时不仅保证速度均匀性好，而且要保证运动平稳。
被测件的安装固定及回转台的结构初步拟定如图5.1所示。被测件2安装固定在一圆桶行夹具3上；为了便于球冠截面与光轴垂直的调整，圆桶行夹具3可沿垂直导轨4做上下位移。同样CCD相机及显微物镜的旋摆回转机构也可在固定于支撑座13上的垂直导轨7、水平导轨8上做垂直升降位移和前后水平位移。图中的12为锥行回转轴系，轴上端固定连接蜗轮9，蜗轮9上方固定连接工作台6。
1— CCD相机及显微物镜和旋摆回转机构
2— 被测件
3— 圆柱形夹具
4— 被测件垂直升降导轨
5— 被测件水平位移导轨
6— 工作台
7— CCD系统垂直升降导轨
8— CCD系统水平位移导轨
9— 蜗轮
10— 传动蜗杆
11— 伺服电机
12— 锥形轴系
13— 支撑座
图4.5 被测件安装及回转台结构示意图
4.4 回转台及控制系统
4.4.1回转台运行控制
在测量过程中，被测件2需要绕自身轴在水平方向上做往复摆动，该运动的实现来自于蜗轮9的传动，蜗杆10的传动可以采用伺服电机驱动装置。
d=210mm
当被测件 r=210/2=105mm时
R=160mm
(5.1)
最大转角 ，故被测件每次绕球心水平转动 ，蜗杆转两圈。
由于扫描行周期为5s，则蜗杆转速为24r/min。
工作时先给伺服电机一个正向脉冲使电动机正向旋转，带动蜗杆正向转动两圈，通过啮合蜗轮使得被测件逆时针转动 完成第二个带的扫描。如此反复，直到扫描完毕。
转台的控制我们采用PC机进行控制，流程图为：
图5.2 PC机转台控制流程图
4.4.2 显微物镜和CCD相机的运行控制
当纬线之间的间距为200μm -500μm，工作半径R=160mm时
转角
(5.2)
则显微物镜和CCD相机每次绕球心转动
由于此蜗轮较小，故初步定i=30
所以蜗杆每次转动
即步进电机每次转动 ，由于每次接受一个脉冲，输出的角位移可达到 ，所以只用一个脉冲即可。
工作中当一条纬线扫描完毕，需要转到下一条纬线时，给步进电机一个指令脉冲，步进电机带动蜗杆转动 ，蜗杆和蜗轮啮合使蜗轮连同显微物镜和CCD相机一同转动 ，于是转到被测件的下一条纬线。
4.4.3 导轨选择
导轨主要作用是用来保证各运动部件的相对位置和相对运动精度以及承受载荷(包括工作台滑板部分的重量)。本检测系统对导轨的基本要求是：导向精度高，刚度大，耐磨性好，精度保持性好，运动灵活而平稳，结构简单，工艺性好。
目前，从运动形式及结构上划分，导轨主要有滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、静压导轨等。
其中，滚动摩擦导轨是在运动条件和承载件之间放置滚动体(滚动轴承，滚珠，滚柱等)使导轨运动时处于滚动摩擦状态而形成的导轨。与滑动摩擦导轨相比，其优点为：摩擦系数小，运动灵便，不易出现爬行现象，定位精度高，磨损较小，寿命长，润滑简便。其缺点是较为复杂，加工比较困难，成本较高，对赃物及导轨面的误差比较敏感。
弹性摩擦导轨的优点是：摩擦力极小；没有磨损，不需润滑；运动灵便性高；当运动件的位移足够小时，精度很高，可以达到极高的分辨率。弹性导轨的主要缺点是：运动件只能做很小的移动，这就大大限制了其使用范围。
静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动浮起来，以保证导轨面间处于液体或气体摩擦状态下工作。其优点是：摩擦系数很小，可使驱动功率降低，运动轻便灵活，低速时无爬行现象；导轨表面基本无摩擦，寿命长；承载能力大，刚度好；摩擦发热小，导轨温升小；抗震性好。缺点是：结构复杂，需要是摩擦阻力大、避免了由于热变行所引起的配合状况变化，且工艺性较好。
4.4.4 伺服传动
对于精密定位工作台需要能在点与点之间自动地实现精确移动。为了能够高效率、高精度、稳定地实现要求、伺服传动系统必须具有很好的快速响应性，能灵敏地跟踪指令，实现单步和连续运动并且在运行时不出现丢步或多少步现象，满足运动精度要求并且具有较高的稳定性。
伺服系统按控制技术可以分为：开环伺服系统和闭环伺服系统。开环伺服系统主要是采用步进电机为驱动元件。步进电机每接受一个指令脉冲。电机轴就转动相应的角度，驱动工作台移动。开环系统的最高移动速度受到步进电机频率特性的限制，精度则完全取决于电机，丝杠螺母，齿轮副和工作台导轨等部件的精度，因此适用与对移动精度和精度要求不高的情况。
闭环伺服系统的重点特点是在工作台上装有位置检测装置，可以随时测量工作台的实际位移，进而将测定值反馈到数值控制装置中的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制，因此有可能校正传动链内由于电器、刚度、间隙、惯性、摩擦及制造精度等因素所形成的各种误差，从而提高伺服驱动精度。位置检测装置的分辨率是影同步器响伺服驱动精度的重要因素。根据精度要求，通常分别采用感应同步器、磁栅、光栅及激光等传感器作为位置检测装置。系统包容了从电机到工作台的全部器件，环节较多，如调整不当将会造成系统震荡影响稳定工作。因此，闭环伺服系统的设计、制造和调整都较开环系统复杂，通常使用于要求精度高的情况。
本设计采用闭环伺服控制系统以满足本检测系统要求的高精度，系统组成如图4.5所示。伺服系统主要包括数字控制驱动装置、机械传动装置和位置检测装置。
其中传动专职采用滚珠丝杠与螺母组成的螺旋传动。滚珠丝杠副有很高的传动效率，效率高达90%-95%左右，耗费的动力仅为滑动丝杠的三分之一，可使驱动电机乃至机械小型化。其逆转传动效率几乎与正传动效率相同。系统刚度高，使用寿命长，使用广泛极好的满足系统的要求。
伺服电机在伺服系统中执行元件，常用的伺服电机可以分为四大类：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、直接驱动电机。支流伺服电机、交流伺服电机和直接驱动电机均采用位置闭环控制，一般用于要求高精度、高速度的机电一体化产品。步进电机主要用于开环系统，一般用于精度速度要求不高、成本要求低的电机一体化产品。
对于本检测系统，在电机选择时要注意选择速度均匀且反映灵敏的电机。综合比较现有电机型号的技术指标，选取型号为SY200的支流伺服电机，该电机采用烯土磁钢，具有体积小，伺服性能好，反应速度快，功率体积比大，功率重量比大等特点
第五章 图像采样及处理系统
5.1 图像采样及处理系统概述
本系统主要由线阵CCD、ADC、DSP、可编程逻辑器件CPLD等几部分组成。待输入图像经光源照明后，经物镜成像在CCD光敏元件阵列上，CCD通过驱动电路完成一次X-Y面的自扫描。在控制电路的作用下，CCD输出信号进行滤波放大处理，并经A/D转换电路进行数字化处理。一条图像数据通过数据通道进入帧存储器。以上操作与CCD自扫描同步进行，不受CPU的控制。随后，控制电路启动同步电机，带动进纸机构移动到下一采样位置，CCD又进行X-Y面的自扫描，并重复上述过程，输入第二条的数据，直至整个球面输入完毕。DSP读取存储器存储的处理数据，并根据用户的要求将处理结果上传给主机供用户使用。系统结构如图5.1所示。
图5.1 系统结构图
5.2 基本硬件组成
5.2.1 放大滤波及A/D转换
TCD1703传感器输出信号OS有以下特点：
·负极性信号
·包含有周期性的复位脉冲串扰
·有效信号幅值较小
CCD输出信号的上述特点决定了它不能直接送入A/D转换器，必须先从硬件上对其进行一系列的预处理，消除信号中的驱动脉冲(主要是复位脉冲)及噪声等所造成的干扰，因此需将信号进行前置反向、滤波及放大。在电路设计中，选用一片CA3450运算放大器进行方向、放大，并在CA3450的输出端接一级RC滤波器滤除噪声。经过上述处理的信号就可以被送入A/D转换器进行数字化处理。8位、高速、并行闪速结构的A/D转换芯片(CA3318CE)的转换速率(最大为15MHz)完全可以满足CCD(1MHz)的工作要求，利用A/D转换技术将信号转换成与之相应的、能够反应图像灰度变化的数字量，提高了测量精度和分辨率。当CA3318CE的输出使能有效时，就可以将A/D转换结果送至8位数据线上。这样，在数据存储器允许及地址有效的前提下，就能将数据写入数据存储器SRAM中。
5.2.2 可编程逻辑电路CPLD
CPLD的主要作用有：用来控制CCD的驱动时钟、各种同步控制时钟(A/D转换，数字信号存取)以及存储器地址的产生。合适的CPLD是根据实际需要在实验过程中选定的，在设计中选用了ALTERA公司的MAX7000系列芯片EPM7128S，该系列芯片是典型的通过JTEG在线编程的CPLD器件。外部时钟信号作为CPLD的基准信号，其它时序信号的产生都是以此为基础的。
5.2.3 步进机构
线性CCD是逐行扫描的，要想得到清晰的图像，对步进机构的速度是有要求的。步进机构应该匀速运动，其速度必须和扫描速度保持一致。影响水平方向分辨率的不要原因是转动电机的转速。虽然转速越高，越节省时间，但是扫描间隔却相应增大，分辨率下降；转速越低，则分辨率越高。
5.2.4 TMS320VC5402处理器
TMS320VC5402是定点数字信号处理器，体系结构为哈佛结构，具有先进的多总线结构，40位算术逻辑单元(ALU)包括一个40位桶形移位寄存器和两个40位累加器，数据/程序寻址空间为64K/MB，内置16KB的RAM和4KB的ROM，有两个缓冲串口。另外，它还提供DMA方式和多种片内外设，操作速度最高为100MIPS。
5.3 系统的硬件设计
5.3.1 CPLD控制信号
根据驱动脉冲时序关系确定时钟驱动信号SH、φ1、φ2和RS的参数。各种脉冲的技术指标如下：RS=1MHz，占空比为1：3，方波；φ1=φ2=0.5MHz，占空比为1：1，方波，φ1、φ2在并行转移时是一个大于SH=1持续时间的宽脉冲；在SH的光积分时间内，至少有2212个RS脉冲。在设计中，SH波形采用计数器的形式进行设计。φ1、φ2、RS的波形由分频产生。行同步信号φc与SH同周期，利用φc的上升沿使A/D转换器进入工作状态(φc为低电平时，A/D转换无法启动)，它的上升沿对应CCD输出信号的第一个有效像素。SP是像元同步信号，它的脉冲频率是复位信号RS的整数倍。为了保证CCD输出、A/D转换、地址发生三者同步，将CCD驱动电路的RS与ADC的时钟CLK相连，存储器的允许端与ADC的允许端相连。部分设计程序如下：
PROCESS (CLK, RESET)
BEGIN
IF RESTT=‘1’ THEN CNTB<=0;
ELSE
IF LEK’EVENT AND CLK=‘1’ THEN
IF CNTB>2212 THEN CNTB<=0;
ELSE CNTB<=CNTB+1;
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (RESET, CNTB)
BEGIN
IF RESET=‘1’ THEN SH<=‘1’;
ELSE
CASE CNTB IS
WHEN 0 TO 2212=> SH<=‘0’;
WHEN OTHERS=> SH<=‘0’;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (CLK, RESET)
BEGIN
IF RESET=‘1’ THEN CNT<=0;
ELSE
IF CLK’ EVENT AND CLK=‘1’ THEN
IF CNT<5 THEN
CNT<=CNT+1;
ELSE CNT<=0
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (CNT, RESET)
BEGIN
IF RESET=‘1’ THEN F1<=‘1’;F2<=‘0’;
ELSE
CASE CNT IS
WHEN 0=>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
WHEN 4=>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
WHEN 5=>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
WHEN OTHERS=>F1<=‘0’;F2<=‘1’;
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
根据所要摄取图像的数据量，选用三片IS61LV5128AL-12TSRAM(共1.5B)，用来存放一帧图像数据。它们的地址线和读写控制线是由CPLD提供的。
SRAM地址信号的产生是通过计数器实现的，这里将A/D转换的时钟同步信号作为计数器的技术时钟信号。每次采样前，设初始地址为零，时钟同步信号每次出现一次下降沿，地址值加1。在采集完一帧数据时地址自动复位。考虑到延时的问题，数据信号与地址信号不能同时发生。如果写信号一直有效，会造成同一地址存放不同的数据，从而影响了输出数据的正确性。针对这一问题，在设置写信号WR时，检测地址ADDR最后一位(ADDR[0])和时钟同步信号的上升沿的变化。当检测到ADDR[0]变化是，WR置低，说明有效；当检测到时钟同步信号上升沿到来时，WR置高，此时无效。这样每一位数据都能被写入相应的地址中。
在设计中，时序发生器产生的所有驱动和控制时序信号都是在MUXPLUSII开发环境下设计完成并经编译、校验后在线下载到CPLD器件内部的。可见，一片CPLD可以替代原来的几十个分立元件来实现CCD图像读入系统中各种驱动和控制时序逻辑，而且CPLD还允许设计编程保密位。总之采用CPLD有利于减小系统电路板的面积、提高系统的安全保密性、降低系统功能和保证产品的质量。
5.3.2 DSP的控制信号
当系统启动时，DSP通知EPM7128S启动采集，采集完毕后DSP便可以访问SRAM中的数据，并完成后继的图像处理工作。另外，在本系统中，DSP还有一个重要的功能，即负责控制SRAM的访问权。在系统中，ADC以及DSP都需要对SRAM进行访问，这必然会产生SRAM的访问争用问题。对于这一问题是通过DSP来解决的。在采集图像期间，DSP通过XF引脚控制缓冲/驱动器SN74LVTH16244，使得采集期间ADC与SRAM导通，这样就解决了ADC、DSP对SRAM的使用权争用问题。
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