激光位移傳感器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計探討

李楠 于儀 鮑建秋

摘 要：本文首先簡要分析了激光三角法的基本光路，分別從整形鏡設(shè)計、成像透鏡設(shè)計兩方面，探討了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的具體思路，望能為此領(lǐng)域設(shè)計研究有所借鑒。

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量儀器，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)檢測領(lǐng)域呈現(xiàn)出日漸寬泛的應(yīng)用勢頭?，F(xiàn)今，光電技術(shù)檢測所運(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。本文以簡單實(shí)用為著眼點(diǎn)，用CODE V光學(xué)設(shè)計軟件，來對激光三角法開展光路模擬與設(shè)計優(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)，推動傳感器產(chǎn)品化生產(chǎn)。

1.激光三角法的光路分析

針對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面所形成的夾角，β是光軸與光敏探測器所形成的夾角，di代表的是像距，do代表的是物距。

2.光學(xué)設(shè)計

2.1整形鏡設(shè)計

針對激光位移傳感器來講，所測物體表面特征會對其測量精度造成影響，為了能最大程度的減少測量誤差，在實(shí)際整形鏡設(shè)計過程中，需盡可能讓出射光斑在有效測量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)光斑的均勻與小。在設(shè)計傳感頭時，對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，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（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，將中心波長權(quán)重設(shè)定為3，另將邊緣波長權(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)計效果。

2.2成像透鏡設(shè)計

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量過程中，物體沿著激光入射的方向而移動，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。針對激光來講，如果其入射到被測物體表面，那么對于此時的散射光強(qiáng)度而言，便會呈現(xiàn)出橢球型分布。如果入射光以垂直方式入射時，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，那么除了會增加制作工藝難度之外，還會影響探測器分辨率，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，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，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，其散射光都可以較好的在探測器上成像。在所看到的不同現(xiàn)場的成像光斑形狀中，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)計結(jié)果，能夠得出像距，即33.09mm，通過進(jìn)行精確計算，得出tanα/tanβ為0.613，di/do為0.615，表明此物鏡設(shè)計可以較好的滿足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，還能較好的完成對半導(dǎo)體激光器的光束整形。此系統(tǒng)裝調(diào)簡便，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，在今后有著廣闊的應(yīng)用前景。

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（作者單位：南京郵電大學(xué)）