莫仁蕓,朱萬彬,鐘 俊,陳 璇

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室,吉林長春 130033;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100039;3.長春理工大學(xué),吉林長春 130022)

1 引 言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,激光位移傳感器作為高精度、高響應(yīng)的非接觸測量儀器,在光電技術(shù)檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其采用的激光三角法原理在理論上已相當(dāng)成熟,但在實際應(yīng)用中還有一定的困難。由于三角法建立在理想成像的基礎(chǔ)之上,所以三角法能否準(zhǔn)確實現(xiàn)還要依賴于所采用的光學(xué)系統(tǒng)。現(xiàn)階段,國外此類的高精度物鏡設(shè)計處于領(lǐng)先水平,并擁有比較成熟的產(chǎn)品,但其多透鏡組合與非球面的加工方式在制造成本上相當(dāng)昂貴。國內(nèi)對激光位移傳感器光學(xué)系統(tǒng)的研究主要還處于實驗性階段,尚沒有形成產(chǎn)品化。針對目前市場上對激光位移傳感器的廣泛需求,本文從簡單實用的角度出發(fā),利用 CODE V光學(xué)設(shè)計軟件對激光三角法進(jìn)行實際光路模擬與優(yōu)化設(shè)計,形成了一整套具有優(yōu)良成像特性的光學(xué)系統(tǒng),為傳感器的產(chǎn)品化生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

2 激光三角法的基本光路

激光位移傳感器根據(jù)入射光角度的不同可分為直入射式和斜入射式兩種[1],本設(shè)計采用的是直入射式,其光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直入射式激光三角法結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser triangulation with nor mal incidence

整套光路可以分為兩部分,即整形系統(tǒng)和接收系統(tǒng)[2]。左邊部分是光束整形系統(tǒng),其作用是將激光器發(fā)出的光束匯聚在工作范圍內(nèi),使匯聚的光斑盡量小而均勻。光源為半導(dǎo)體激光器(LD),它經(jīng)整形系統(tǒng)在測量范圍 50±10 mm內(nèi)形成均勻的光斑。后面則是光束接收系統(tǒng),它將物體表面的漫反射光匯聚到光敏探測器上,使其精確成像。圖中α為被測面與成像透鏡光軸夾角,β為光敏探測器與光軸的夾角,do和di分別表示物距和像距。

3 光學(xué)設(shè)計

3.1 整形鏡設(shè)計

激光位移傳感器的測量精度容易受到被測物體表面特征的影響,為了減小測量誤差,在整形鏡設(shè)計中應(yīng)盡量使出射光斑在有效的測量范圍內(nèi)實現(xiàn)光斑小且均勻。針對傳感頭小型化設(shè)計的要求,半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕的優(yōu)點正好符合這一要求,但其光束質(zhì)量并不理想,需要對其進(jìn)行光束整形。半導(dǎo)體激光器快慢軸的光束分布極不對稱:快軸發(fā)散角較大,半角的典型值為 30～40°,光束呈高斯分布,發(fā)光范圍的半寬度為0.6～0.8μm,慢軸發(fā)散角的半角典型值為 3～6°,光束分布不規(guī)則,發(fā)光范圍半寬度為 50～100μm。因此,在不允許能量損失的情況下,要求整形系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑 (NA)＞0.573;但由于光束的快軸能量呈高斯分布,通常取半寬度 (FWHM)為 20°,此時NA=0.342。系統(tǒng)物距應(yīng)盡量小一些,但考慮到工藝問題,不宜過小,選定為 2.5 mm。為了便于設(shè)計,將系統(tǒng)倒置,整個系統(tǒng)的主要要求為:工作波長為 785±10 nm,像方 NA=0.342,像距l(xiāng)′=2.5 mm,物距l(xiāng)=40～60 mm,焦距f=3 ～4 mm。

要想在工作范圍內(nèi)得到好的光斑質(zhì)量,可采用柱面鏡或非球面實現(xiàn),另外波前編碼和切趾法在延拓焦深方面也有很好的效果[3,4],但這樣的光學(xué)系統(tǒng)相對較復(fù)雜,元件較多,不宜裝調(diào),成本也會大大提高。因此,在精度允許的情況下,可考慮全部采用球面鏡,不考慮焦深延拓,用變倍的方法實現(xiàn)在 40、45、50、55、60 mm物距處光斑大小盡量均勻一致。根據(jù)光譜分布,設(shè)定中心波長權(quán)重為 3,邊緣波長權(quán)重為 1。要消掉少量的色差,系統(tǒng)至少需要兩片鏡片。根據(jù)以上要求選定了一個初始結(jié)構(gòu),經(jīng)過優(yōu)化得到以下最優(yōu)設(shè)計結(jié)果。圖2為優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu) (像距在 50 mm處)。表1為有效工作范圍內(nèi)軸上視場的光斑大小分布。

圖2 優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of lens after optimization

表1 光斑大小分布Tab.1 D istributions of spot sizes

從圖2的鏡頭圖可以看出,第二塊透鏡的半徑很小,主要是為了保證系統(tǒng)在整個工作范圍內(nèi)得到相對均勻的光斑。表1給出了在工作范圍內(nèi)光斑的直徑大小,最大為 0.4 mm,在靠近透鏡的一邊,最小為 0.08 mm,在 55 mm處。由于成像系統(tǒng)的入射光是整形部分光經(jīng)過物體散射回去的,因此整形系統(tǒng)得到的光斑不能太小;同時為了保證精度要求,光斑也不能太大,上面的結(jié)果能夠滿足需求。

圖3 優(yōu)化后的成像光學(xué)系統(tǒng)Fig.3 Opt imized imaging system

3.2 成像透鏡設(shè)計

得到好的出射光斑以后,如何接收物體表面的散射光并使其精確成像,是確保激光位移傳感器精度的關(guān)鍵問題。在直入射式三角法測量中,物體沿激光入射方向移動,物面并不垂直于成像光軸。那么在透鏡成像過程中 (如圖1),由幾何成像公式可證明:

即為理想成像的 Scheimpflug條件[5]。要想達(dá)到理想的成像效果,光電探測器需依此條件放置。根據(jù)物體表面的散射特性,可確定入射光與成像透鏡光軸的夾角。激光入射到被測物體表面,散射光強(qiáng)度成橢球型分布[6]。當(dāng)入射光垂直入射時,α值越小,成像透鏡接收到的散射光強(qiáng)度越大,但角度過小對探測器分辨率要求及制作工藝上都有較高難度,綜合考慮取α值為 21.8°,由儀器的測量范圍 ±10 mm可得到物距為53.85 mm。通常情況下,庫克三元組有很好的成像效果[7],因此選擇庫克三元組作為成像透鏡的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過程中以各個鏡片表面的半徑為變量,控制厚度在適當(dāng)范圍,同時將像面與光軸的夾角β設(shè)為可變,采用 CODE V的橫向像差與波像差相結(jié)合的方式進(jìn)行優(yōu)化,得到下面的結(jié)果。圖3為優(yōu)化后的成像光學(xué)系統(tǒng)。

從圖3所示的成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可看出,在整個物面并不垂直于光軸時,經(jīng)過系統(tǒng)成像以后得到的像面也不垂直于光軸,與光軸存在一定的夾角β,設(shè)計的最終β優(yōu)化值取為 60.4628°,此時像面上可得到比較理想的光斑分布。在工作范圍內(nèi)不同視場的散射光均能很好地成像于探測器。在圖4中可看到不同視場的成像光斑形狀,此點列圖表明成像光斑分布均勻,但還存在一定的剩余像差,主要為球差,光斑大小可見表2,光斑直徑在 20μm左右。同時根據(jù)設(shè)計結(jié)果可得像距為 33.092 mm,經(jīng)計算 tanα/tanβ=0.6137,di/do=0.6145,此物鏡設(shè)計基本滿足于 Scheimpflug理想成像條件。

表2 像面上的光斑大小分布Tab.2 D istributions of spot sizes

圖4 成像光斑形狀Fig.4 Shape of image spot

4 結(jié) 論

本文在理論分析的基礎(chǔ)上,采用 CODE V光學(xué)設(shè)計軟件對激光位移傳感器的整套光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了分塊模擬,高質(zhì)量地完成了對半導(dǎo)體激光器的光束整形及散射光的精確接收。該系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、裝調(diào)方便;一體化的球面鏡設(shè)計,使生產(chǎn)成本大幅度降低,具有很好的應(yīng)用前景。實際結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有較高的可行性。

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