李楠 于儀 鮑建秋
摘 要:本文首先簡(jiǎn)要分析了激光三角法的基本光路,分別從整形鏡設(shè)計(jì)、成像透鏡設(shè)計(jì)兩方面,探討了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體思路,望能為此領(lǐng)域設(shè)計(jì)研究有所借鑒。
關(guān)鍵詞:激光位移傳感器;整形鏡;成像透鏡
激光位移傳感器是一種非接觸測(cè)量?jī)x器,具有高響應(yīng)、高精度等優(yōu)點(diǎn),隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展與完善,其在光電技術(shù)檢測(cè)領(lǐng)域呈現(xiàn)出日漸寬泛的應(yīng)用勢(shì)頭?,F(xiàn)今,光電技術(shù)檢測(cè)所運(yùn)用的激光三角法原理,已有比較成熟的理論體系,但在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中,仍存在困難與不足。本文以簡(jiǎn)單實(shí)用為著眼點(diǎn),用CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,來對(duì)激光三角法開展光路模擬與設(shè)計(jì)優(yōu)化,進(jìn)而構(gòu)建一套成像特性優(yōu)質(zhì)的光學(xué)系統(tǒng),推動(dòng)傳感器產(chǎn)品化生產(chǎn)。
1.激光三角法的光路分析
針對(duì)激光位移傳感器來講,其依據(jù)入射光角度的差異性,可劃分為兩種,即斜入射式與直入射式,本設(shè)計(jì)選用直入射式,圖1為光路結(jié)構(gòu)。整套光路由兩部分組成,其一為整形系統(tǒng),其二為接收系統(tǒng)。對(duì)于左邊部分而言,其實(shí)際就是光束整形系統(tǒng),主要作用就是匯聚激光器所發(fā)出的光束,使之均處于工作范圍內(nèi),使所匯聚的光斑盡可能小且均勻。半導(dǎo)體激光器(LD)為其光源,其通過整形系統(tǒng),于(50±10)mm的測(cè)量范圍內(nèi),能夠形成比較均勻的光斑。后面為光束接收系統(tǒng),其能夠在光敏探測(cè)器上,匯聚物體表面的漫反射光,精確成像。在圖1中,α是成像透鏡光軸與被測(cè)面所形成的夾角,β是光軸與光敏探測(cè)器所形成的夾角,di代表的是像距,do代表的是物距。
2.光學(xué)設(shè)計(jì)
2.1整形鏡設(shè)計(jì)
針對(duì)激光位移傳感器來講,所測(cè)物體表面特征會(huì)對(duì)其測(cè)量精度造成影響,為了能最大程度的減少測(cè)量誤差,在實(shí)際整形鏡設(shè)計(jì)過程中,需盡可能讓出射光斑在有效測(cè)量范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)光斑的均勻與小。在設(shè)計(jì)傳感頭時(shí),對(duì)其小型化方面的要求,半導(dǎo)體激光器重量輕及體積小的優(yōu)勢(shì)正好與此要求相符,但卻有著并不佳的光束質(zhì)量,須做光束整形處理。對(duì)于半導(dǎo)體激光器而言,其快慢軸的光束存在非常不均勻的分布形態(tài):有著比較大的快軸發(fā)散角,半角典型值35~45°,光束呈現(xiàn)出高斯分布,慢軸發(fā)散角的半角值3~6°,發(fā)光范圍半寬度0.5~0.7?m,光束呈不規(guī)則分布,反光范圍半寬度50~100?m。所以,在能量損失并不被允許的前提下,需要對(duì)系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑(NA)進(jìn)行整形,使其>0.572;但需指出的是,因光束快軸能量呈現(xiàn)出典型的高斯分布,一般設(shè)定半寬度(FWHM)為20°,此時(shí),NA為0.341。應(yīng)盡可能減小系統(tǒng)物距,但受制于工藝因素影響,不可過小,可選2.5mm。為了使設(shè)計(jì)變得更加方便,可以倒置系統(tǒng),系統(tǒng)主要要求:像方NA0.341,工作波長(zhǎng)(784±9)mm,物距l(xiāng)為(45~60)mm,像距l(xiāng)′為(2.4)mm,焦距f為(3~4)mm。
要想在工作范圍使光斑質(zhì)量更佳,可以選用非球面或者是柱面鏡來達(dá)此要求,此外,在延拓焦深方面,切趾法與波前編碼同樣可得到較好效果,但此種光學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜,元件也相對(duì)較多,不容易裝調(diào),成本高。所以,如果精度允許,可以都選用球面鏡,而不降焦深延拓考慮在內(nèi),在物距分別為40mm、45mm、50mm、55mm與60mm處,運(yùn)用變倍法,從中獲取均勻一致的光斑大小。另外,依據(jù)光譜實(shí)際分布情況,將中心波長(zhǎng)權(quán)重設(shè)定為3,另將邊緣波長(zhǎng)權(quán)重設(shè)定為1。在此過程中,系統(tǒng)需2片鏡片來消除其中的色差。依據(jù)上述要求,選擇一初始結(jié)構(gòu),經(jīng)優(yōu)化,便可得到最佳設(shè)計(jì)效果。
2.2成像透鏡設(shè)計(jì)
當(dāng)獲得好的出射光斑后,怎樣接收物體表面的散射光,并使其能夠精確成像,乃是保障激光位移傳感器精度的重點(diǎn)所在。在直入射式三角法測(cè)量過程中,物體沿著激光入射的方向而移動(dòng),物面與成像光軸之間并不垂直。如此一來,在透鏡成像中,利用幾何成像公式便可證明:
(1),這便是理想成像所需要的Scheimpflug條件。要想獲得最佳的成像效果,需要依據(jù)此條件來放置光電探測(cè)器。依據(jù)物體表面所具有的實(shí)際散射特性,可明確成像透鏡光軸與入射光之間的夾角。針對(duì)激光來講,如果其入射到被測(cè)物體表面,那么對(duì)于此時(shí)的散射光強(qiáng)度而言,便會(huì)呈現(xiàn)出橢球型分布。如果入射光以垂直方式入射時(shí),當(dāng)α值越小,成像透鏡所接收到的散射光強(qiáng)度就越大,但如果存在過小的角度,那么除了會(huì)增加制作工藝難度之外,還會(huì)影響探測(cè)器分辨率,因此,經(jīng)綜合考量,將α值設(shè)定為21.8°,用儀器的測(cè)量范圍±10mm,便可獲得物距53.84mm。一般狀況下,庫克三元組在成像效果方面較好,所以,可將其當(dāng)作成像透鏡的初始結(jié)構(gòu),并以此來進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化中,將各鏡片表面半徑當(dāng)作變量,維持合理厚度,另把光軸與像面所形成的夾角β設(shè)定為可變,用CODE V橫向像差,結(jié)合波像差來優(yōu)化,便可得到較好效果。
圖1為優(yōu)化之后的成像光學(xué)系統(tǒng)。由此圖可知,當(dāng)物面與光軸并不垂直時(shí),經(jīng)系統(tǒng)成像后,所獲得的像面同樣與光軸不垂直,另外,其與光軸還存在夾角β,而最終得到的β優(yōu)化值為60.46,此時(shí),在像面上,能夠獲得較佳的光斑分布。在準(zhǔn)允的工作范圍內(nèi),無論在何種視場(chǎng),其散射光都可以較好的在探測(cè)器上成像。在所看到的不同現(xiàn)場(chǎng)的成像光斑形狀中,該點(diǎn)列圖表明成像光斑呈現(xiàn)出均勻分布狀態(tài),但仍有一定的剩余像差,多為球差,光斑直徑一般為20?m。另外,依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果,能夠得出像距,即33.09mm,通過進(jìn)行精確計(jì)算,得出tanα/tanβ為0.613,di/do為0.615,表明此物鏡設(shè)計(jì)可以較好的滿足Scheimp-flug的成像條件。
3.結(jié)語
綜上,用CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,以分塊的方式來模擬激光位移傳感器的整套光學(xué)系統(tǒng),能夠高質(zhì)量的完成散射光的精確接收,還能較好的完成對(duì)半導(dǎo)體激光器的光束整形。此系統(tǒng)裝調(diào)簡(jiǎn)便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,在今后有著廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]王蕾,王會(huì)峰,王金娜.提高激光位移傳感器精度的技術(shù)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(4):1-4.
[2]張志峰,馮其波,陳士謙,等.用于軌道檢測(cè)的新型激光位移傳感器的研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2006,27(z1):189-191.
[3]陳驥,王鑫,曹久大,等.高速CCD激光位移傳感器[J].光學(xué)精密工程,2008,16(4):611-616.
(作者單位:南京郵電大學(xué))