小型激光三角探头光学系统设计

The Optical System Design ofa M iniaturizationLaser Triangulation Probe1 R' i t' D YAN Jiajun，AN Zhiyong。GAO Yuhan(School of Photo electronic Engineering， Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022)Abstract：This paper analyzed the basic principle of laser triangulation ranging and derived the formula between the ob--ject and the image of the laser triangulation.Designed a laser plastic optical system and an imaging optical system byoptical design software ZEMAX.Using the optimization function of the ZEAMX， the aberration of the system has beenoptimized to meet the aberation requirements of the system.From the results of the design ， the optical systems metthe requirements and achieved a smal and compact structure of the laser triangulation probe。

Key words：non-contact measurement；laser triangulation；plastic optical system；imaging optical system激光三角探头是基于激光三角法测距原理的-种精密测量仪器。激光三角法测量技术是利用激光的高度定向特点，将被测物体表面参数信息的光学信号通过光电转换器件转变为电信号，再经过计算机处理后，就可以得到物体表面参数信息的变化结果。由于激光三角法测量技术具有测量精度高、实时在线处理能力强 、自动化、智能化程度高等优点。，广泛应用于精密位移测量、轮廓形状检测等测量领域中 。

本文的研究 目的是根据激光三角法测量原理研制-种小型化的激光三角探头。利用光学设计软件ZEMAX对激光 角探头中的光学系统进行优化设计 ，设计-套结构紧凑、口径较孝成像效果优良的光学系统作为激光三角探头中的光源整形光学系统和成像光学系统。文中主要研究了激光j角法测量技术的基本原理以及物像位移关系；利用光学设计软件ZEMAX设计了激光三角探头中的激光光源整形光学系统和成像光学系统，并对所设计的光学系统的像差进行了优化，获得了优良的成像质量，并且实现了激光三角探的小型化。

1 激光三角法测量原理激光三角法是-种非接触式测量方法，利用光电探测器将物体位移量的光学信号转变为电信号，经过后续电路处理后，将物体的位移以数字形式输出，基本原理如图1所示，光源发出的光束经准直和聚焦光学系统后人射到被测物体表面上，经该点漫反射的光通过成像光学系统后成像在光电接收的光敏面上，当被测物体沿着光入射方向移动，或者表面收稿 日期 ：2012-03-05作者简介：闫加俊 (1985)，男，硕士研究生，主要从事小型激光三角探头的研究，E-mail：yanjiajun1986###sina.com通讯作者：安志勇 (1943-)，男，教授，博士生导师，主要从事光电测控系统与仪器的研究 ，E-mail：an-zhiyong###126.com 。

第四期 闫加俊，等：小型激光三角探头光学系统设计 39发生变化时，入射光斑相对于原来位置产生变化，其相应的像点经过成像光学系统后在光电接收器光敏面上的位置也会发生变化，只要通过测量光电接收器光敏面上像点的位移 就可以计算出被测物体的位移量 △H 。因为人射激光与反射激光形成-个三角形，因此这种测量方法被称为激光三角法。激光三角法按人射光线与被测表面法线的关系分为直射式激光三角法和斜射式激光三角法两种结构。本文中选用的是直射式激光 角法，为了提高测量的精度，在本系统中选择半导体激光器作为激光三角探头的发射光源，线阵CCD作为光电接收器。

准直聚焦透匀J/ f 入9、0 /三 - /成像透镜测器图 1 激光三角法测距原理图Fig.1 Principle of laser triangulation ranging在直射式激光 角测距结构中，人射光束垂直于被测表面，只有-个准确的调焦位置，而其余位置的像都处于不同程度的离焦状态，从而引起像点的弥散 ，使系统的测量不完全 ，产生较大的误差。为了提高系统的测量精度，使光点所成的像在光电探测器线阵CCD接收面上每-点都能清晰成像，光路的布局需要满足Scheimpflug”条件 ，即入射光轴-I成像物镜主平面和线阵CCD三者延长线相交于-点，如图1中P点。其中 。和 分别为物距和像距，物体的实际位移量DH，像点在线阵CCD光敏面上的位移为 ，入射光与成像透镜光轴的夹角为 ，线阵CCD与成像透镜光轴的夹角为 。假设入射激光照射到被测物表面上的光斑正好落在成像物镜的光轴上，选该点作为测量的基准点，即图中的O点。

按照几何光学近轴成像公式以及相似三角形边角关系，可以推导出物点位移与像点位移之问的关系为：- ㈩ 1 sin 千 sin( )(被测面从基准点向上移动劝-”，向下移动取”)当物体的位移较小时， sin(0 )<< 1 sin ，所以上式可以近似为：AH ：-loO"s： K. (2)Z1 SnK ： -l o sin，是-个常数，可以看出当物体发生l sin ∥微小位移时， -△H近似成线性关系。但是在实际测量过程中，物点位移和像点位移之间的关系是由式(1)决定的。

在直射式激光三角法中需要满足的Scheimp-flug”条件为：tan /；'tan (3)这里的 是激光三角位移传感器中成像光学系统的横向放大倍率。对于设计好的激光三角位移传感器，其 。、 、 、 都是已经确定的值，因此只要知道像点的位移 ，就可以计算出被测物体的位移量。由于激光三角法测量具有测量精度高，非接触测量的优点 ，该测量方法已经广泛应用于现代工业精密测量领域中 。我们设计的小型激光三角探头主要技术指标和结构参数为：探头外形尺寸：80x75x20(mm。)；工作距离： 10mm；测量范围： lmm(9llmm)；分辨率： l m；光源： 半导体激光器光电接收器： 线阵CCD(TCD17O8D)人射光与成像透镜光轴之间的夹角： 45。；CCD与成像透镜光轴之间的夹角： 11.3。。

2 光源整形光学系统设计激光三角探头采用半导体激光器作为照射光源，由于半导体激光器发出的光束发散角较大，像点在CCD光敏面上会占据较大的像元面积，降低系统的测量精度。所以半导体激光器发出的激光在照射到被测物体表面之前要进行准直和聚焦，减小光斑面积，提高系统测量精度。

2.1 准直光学系统的优化设计准直光学系统的设计思路是根据几何光学中的光路可逆”原理来反向设计，假设-束平行光经过- 组透镜后会聚于-点，根据计算确定透镜的各个参数，反过来只要将光源放在透镜的焦点处，发散光经过透镜后就会获得平行光。实验中选用的半导体激光器的光束发散角为 × 34。x8。，先对发散角较大的垂直方向的光束准直，选择非球面柱透镜来进行准直，透镜的数值孑L径取0.44，透镜的宽度和厚度均为2ram。为了降低发射激光束光能的损失，52 长春理]二大学学报 (自然科学版)向下平移4.1 mm，这将由复合镜的机械固定结构实现，最终保证复合后的双波段图像中心重合。利用膜系设计软件 ，选择适用于红外波段的镀膜材料，设计得到双波段透射/反射膜系及长波红外减反射膜系结构。

3 结论基于动态红外嘲产生器的基本原理、结合长波8 m ～14 m、近红外0.8/xm ～1.1/xm的波段特点及衍射元件的相关特性，成功设计了应用于红外制导测试的双波段复合信号光的红外嘲产生器的光学系统 ，该系统成像质量 良好，长波红外准直光学系统在Nyquist频率约为1.251p/mm情况下，MTF大于0.9；近红外准直光学系统在Nyquist频率约为 1.81p/ram情况下，MTF大于0.8，该双波段准直光学系统具有结构简单、体积小等优点，该系统的成功研制，将使红外双波段图像制导xx的室内(接第4l页)象，操作数EFFI 控制系统焦距，TTHI、OPI T操作数控制系统总长，并且自定义独立的几何像差评价优化函数，通过控制系统的球差 、慧差、像散、场曲和畸变、以及平衡系统高级像差等优化措施，优化后的成像系统结构如图8(a)所示，有效焦距为20mm，后焦距 10.53ram，光学系统总长为 26ram。图8(b)是系统的点列冈，可以看到成像系统成像的像点集中，最大弥散斑不大于2ram。网8(C)是优化后的MTF曲线 ，系统达到了衍射极限，在整个视场内，成像清晰 ，在 内奎斯特频率 (1071p/ram)处的MTF大于0.6，并且在整个视场内MTF曲线集中，没有明显分又。图8(d)是系统的场曲和畸变图，系统畸变远小于0.01%，完全满足设计要求。图8(e)是全视场能量分布图，在像点半径大于4ram时，像点能量达到 了总能量的 90%，并且能量分布均匀 ，有利于CCD接收光能，减小被测物表面特性对测量精度的影响。由此可见系统符合小型激光 角探头的成像要求，系统成像清晰、结构紧凑、畸变小，具有实际应用价值。

4 结论小型激光三角探头是-种高精度的位移传感器 ，本文设计了-套用于小型激光三角探头的光学系统，包括光源整形光学系统和探头成像光学系测试评定成为可能。