（光学工程专业论文）激光扫描光学系统的研究.pdf

摘要 激光扫描测量系统是一种基于光学技术、现代激光、电子学、计算 机、精密机械等多学科技术于一体在线检测系统，它是用可见激光作为 光源，把被测对象的几何尺寸经过扫描光学系统和光电变换系统转变成 电信号，再由计算机进行实时数据处理，给出测量结果，并数字显示。 本论文完成了激光扫描测量系统的总体方案设计，并对系统的工作 原理和总体结构进行了论述，研究了激光扫描检测系统的光学系统设计 对激光扫描光束的准直特性、多面体转镜扫描系统的入瞳漂移进行了详 细讨论和分析，推导了扫描速度公式，提出合理的多面体转镜的布局方 案，对多面体选取和工艺要求以及考虑参数进行研究，深入分析声透 镜构成的特殊光学系统，最后对激光在线扫描检测系统的精度进行了综 合分析。 关键词：激光扫描，归透镜，转镜，在线测量，光学系统 a b s t r a ( 了r l a s e r 。s c a n n e dm e a s u r i n gs y s t e mi n v o l v e d o p t i c s ，l a s e r ，e l e c t m n i c s ， c o m p u t c ra n dm e c h a n i c se t c ，i t h es y s t e m ，av i s i b l el a s e ri st a k e na si t s l i 曲ts o u r c e ，t h eg e o m e 仃i cp a 姗e t e fo ft h em e a s u r e do b j e c ti st r a n s f o 加e d i 芏l t 0t h ee l e c t r j c a ls i g n a l sb ya s c a n l l i n go p t j c a ls v s t e m柚d a n o p t o - e l e c t m n i ct r a n s f o f m a h o ns y s t c m ，t h em e a s u r e dr e s u l ti s2 i v e na n d d i s p l a y e db yt h ec o m p u t e fr e a l t i m ed a t ap r o c e s s i n g i nt h ep a p e rw ee x p o u n dt l l et o t a ls 打u c t i l f ed e s i l mo fl a s e r - s c a n n e d m e a s u r i n gs y s t 锄，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea l l dt h eo v e r a l ls t r i l c t l l r ca r e i n t r o d u c c d ，也ed e s i 弘s0 f 叩t i c a ls y s t e mi sr e s e a r c h e d ，t h ec o l l i l l l a t i g c h a m c t e r i s t i c so fl a s e fs c a n l l i n gb e a | n sa n dt h e 咖e r g e n tp u p i lo ft h e s a m n i n 窟s y s t c mf o rm u t i p l e s u r f a o em t a t i n g 捌f tm i 抛ra r ed i s c u s s e da n d 锄a l y z e di nd e t a i l ，t h ef 咖u l ao fs c a n n i n gs p c e di sd r i v e d ，p u tf o r w a r dt h e t i 曲td i 嘶嘶o p 啊e c to fm u t i p k l s u r f a c ei 嘶曲堰d f i f tm i t r o r 柚d r e s e a f c ht l l ec h 0 0 s e ，t c c h 嫡c a lr e q u e s t ，a n dt h ep 缸锄e t e f ，t l l ec h o o s eo f o p t i c s 研n c i p l e ，t h es p e c i a lo p t i c a ls y s t e m w h i c hc o n s i s t 归l e n s ， p r o c e s s i l l gs y s t e m a t1 硒t ，t l l ea c c u f a t eo fl 船e rb e a mo nl i n em e a s u r i n g i n s t m m e n th a sb e e na n a l y z e d k e yw o r d s ：i a s e 卜s 咖n e d ，归l e n s ，r o 协“n gm 抽m r ，锄- i i n ej n s p e c t i o n ， 叩h c a l s y 舳 1 1 引言 第一章绪论 光电检测技术是一种实现非接触测量的高新技术，是建立在现代 光、机、电、计算机等科技成果基础上的综合技术，所涉及的基础理论 和工程技术内容十分广泛。它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基 础，通过对载有被检测对象信息的光辐射进行检测，而实现对光学量及 大量非光学量参数进行测量的重要手段，是计量检测技术的一个重要发 展方向。光电检测技术作为现代测试技术的一种最具代表性的高新技 术，它具有某些其它检测设备无法比拟的特点，具体表现在以下几个方 面： ( 1 ) 可实现非接触测量，即可在不改变被测物体性质的条件下进行检 测，能达到最小程度地影响被测对象的整体行为的目的。 ( 2 ) 可通过图像信息显示出待测对象的大量信息。这是其它任何方法无 法比拟的。 ( 3 ) 具有多学科的综合高技术化特点。它以光电传感技术为核心，对待 测对象实现信息获取、转换、处理与显示等功能，便于实现数字化、智 能化和自动化。 1 2 光电检测技术国、内外现状及发展趋势 国际上一些工业发达国家，自六十年代就陆续出现一些光电检测术 的研究成果，并逐步形成产业化，如美国的z y g o 公司、英国的r e n i s h a w 公司、瑞士的z 锄h a c h 公司、德国的z e i s s 和o p t o n 公司以及日本的安利、 三菱、松下等公司都有多种产品投放市场，并且随着激光技术、电子学 技术、光电传感技术和计算机技术的迅速发展，其产品的技术指标越来 越高，产品性能越来越多，并逐渐形成标准化、系列化、通用化的光电 检测仪器系列产品。目前，精度指标已达到亚微米级或纳米级的水平“。 西方工业发达国家非常重视光电检测技术产业的发展，每年投入大 量资金支持新技术的研究和新产品的开发。光电检测技术的产值也以每 年1 0 的速度递增，几乎占领了整个国际市场。随着光和电的渗透进一 步强化，更多的新技术、新器件推广应用，在光机电算一体化的基础上 融入不同原理，将派生出新用途的产品，以满足各领域日益增长的需求， 其有优异性能的光电器件和功能材料的丌发和应用、将加速现代光电检 测技术的发展，如e c d 器件、半姆体激光器、光纤传感器等制造技术趋 予成熟，实现寝翊已获突破，显示了j “泛的应用酶景，光电检测技术由 于世界各园的激烈竞争正以日新月异的遴度突飞猛进。 我黧鑫七十攀钱_ 开黪从事光瞧检测技术数磺究，著逐步取终了一系 列的研究成果，尤其根据需求夜应用基础和实用方面的研究发餍较快。 如清华大学、天津大学、中国科技大学、上海理工大学、重庆大学、长 春理工大学等全强十冗繇赢校帮辩磅蕈袋，都较罩簸事该镶蠛豹磅究。 缀过近3 0 年的努力，现代光电检测技术领域已形成具有一定特色、一定 规模和一定水平的光电捻测仪器产品，冀技术指标有的溅达到国际先进 承平的程度。双激长春璩工大学为铆，扶7 0 年代u 开始研究以几何鼙检测 为主的光电检测技术及仪器，现融取得几十项具有国内领先或国际先进 窳乎豹秘磅残暴，其中多矮获国家或磐、郏级奖麓，懿“矮车发凌捉飞 轮总成穗线检测设各研究”九七年获机械工业部科技进步一等奖；“精 镶激光测头”九五年获黩嚣工业总公司科技进步三等奖；“光电多功能 二维自动捡溅枝”丸六年获吉耩雀稀技滋多三等奖；“激光匿蜜仪”丸 九年获尉防科学技术三等奖，经撩定精度达到土l 朋。这些获奖项目大 部分是鹰于国防戏民用工业生产线上特辣机械加工 牛的几何量的捡测， 为国民缀济发麓和霄簖建设做出了一定的贡献。 光电检测技术的发殿趋势主要表现在n ，： ( 1 ) 兜篷检测纹嚣爨惩电子嚣 孛及惫路自集残链方两发展；捡溅按 术向自动化方向发展 检测结果向数字化方向发展；检测系统向智能化 方向发展。 ( 2 ) 瘫奄检溯佼器懿检灏功缝岗综合链、多参鼗、多维测羹方蘸发 展；仪器体积向小型化、便携化方向发展；仪器结构向模块化、滩元组 会式方趣发展：捻测状态向动态测量方向发展；检测糖发囱高糕度方向 发展；稔测效率向快节麴方向发展。以上这些发展趋势怒现代他生产的 濡要，怒现代科学技术发展的需疆，是豳防建设的需要。 1 3 本文的内容和目的 本文研究的主要内容如下： l 。在全藤分析阑内外光电检测现状的纂础上，对激光扫接测量系统进 行理论分橱，确定系统总舔方案。 2 ，着重研究了激光扫描光学系统设计，设计了准直光柬的获戢方法， 对腰褒直径的大小以及出瑰靛位置进嚣了详纲的捶黪，对入瞳漂移 量、扫描速度进行了公式推导，提出了合理的多面体转镜韵布局方 2 案和对多面体的选取和工艺要求以及考虑参数进行研究。 3 对激光检测系统的速度特性进行了分析，扫描物镜一阳透镜的约束 条件，对阳透镜设计中考虑的因素，参数确定和设计思路进行深入 地探讨，并对阳透镜设计结果进行像差分析。 4 对扫描速度等诸多影响精度的因素进行了具体分析； 5 对系统进行误差分析，提出进一步改善系统精度的方法。 通过本文研究，对激光扫描系统的深入分析，对每个部件功能和设 计方法的探讨，尤其对多面体转镜和阳透镜的设计的研究，为以后的 设计提供有效的设计方法。 第二章总体技术分析 2 1 测量方法比较 根据测量件形状、被测参数以及精度等的不同，测量方法有各种各 样，本文以实心回转件和管状件的测量方法为例介绍一些常用的测量方 法。 一、实心回转体测量方法 常用测量回转体类零件直径的光学原理有：激光衍射法、激光反射 法、激光散射法、激光束扫描法、投影成像法等，各种方法都有各自的 适用范围和优缺点。衍射法适用于直径小于o 1 咖的线材，由于受线材 形状误差以及表面未加工等情况和因素的影响，难以达到其理论精度； 反射测径法由于接收信号与被测件反射光强成正比，所以测量精度受被 测件表面粗糙度影响较大；而激光束扫描法、投影成像法测量范围广， 较适合于o 2 0 m m 测量范围的要求。 1 衍射测径原理“1 “ 图2 1 衍射测径原理图 如图2 1 所示，激光束垂直照射被测细线( 直径d = l o 5 0 0 聊) ，在 透镜焦面上形成衍射图样。根据夫琅和费衍射理论，当x 足够大时， 有：d ；优a ，式中a 为激光波长，r 为透镜焦距，研为暗纹级数， 为第j ，l 级暗纹到光轴的距离，s 为衍射图样暗纹间距，且s t m 。由此 可见，d 的测量归结为s 的测量。 2 反射法测径原理“1 输出 图2 2 反射法测径原理图 测量装置如图2 2 所示，激光器经过准直扩束以及针孔滤波后，成 为亮度均匀的平行光，照射到待测金属线材上。线材表面的反射光是分 布在四周的，用半透半反镜取其后向反射光的一部分，经过柱面傅立叶 透镜后，用光电转换器件将焦平面上的光强测出来，即可得到线材的直 径。此法要求被测件圆度和同轴度比较好，但摆脱了把测量件放在测量 装置之间的限制。由于接收信号与被测件反射光强成正比，所以测量精 度受被测件表面粗糙度影响较大。 3 激光扫描法m 图2 3 激光扫描法测量原理图 如图2 3 所示，经过调制有一定光斑图形的激光束经过编号为5 的 归透镜扫过待测工件的边缘，通过光强的相位突变实现对工件边缘的 精确测量。可以采用线性光电效应实现对激光束光强的调制，2 所示均 为反射镜，7 为光电探测器。 4 投影成像法 霞萎寨翁f ：、 ， 迂! l 近伪够囝缮 卜光源；2 一准直扩束系统；3 一待测件 4 一成像系统；5 一光阑；6 一光电接收器 图2 4c c d 投影成像法测径原理图 光源1 发出的光经过透镜系统2 准直、扩束形成平行光束，平行光束 照射到待测件3 上，由成像透镜4 和光阑5 在光电接收器6 上形成放大的阴 影像，测出该阴影像的宽度d ，即可得到工件的直径d ： d 。旦 卢 ( 2 1 ) 卢2 孚 ( 2 2 ) 式中：r 为成像透镜的焦距； l 为成像透镜到光电接受器光敏元面的距离； 口为系统的光学放大倍数。 二、管状工件外径和壁厚测量方法 举例说明，以石英管为例说明各种测量方法。常用测量石英管几何 量的光学原理有干涉、荧光、反射、散射、c c d 成像法等旧。干涉、荧 光原理由于受石英管形状误差以及表面未加工等情况和因素的影响，难 以达到其理论精度；而反射、散射以及折射原理所获得的光信息强，对 其内壁侧点表征的壁厚信息更真实，所以只要满足光电转换的要求，不 失为最佳测量原理。影响石英管质量的两个主要参数是外径尺寸和壁厚 尺寸，外径的测量技术比较成熟，一般均采用激光扫描法和成像法o h ”1 ， 壁厚的测量则相对困难。以下将分别简述各种测量方法。 1 浸液荧光法“” 三：三习= 1 | ，j 7 7 u 图2 5 浸液荧光法 美国贝尔实验室提出浸液荧光法，如图2 5 所示，将被测石英管浸 入一种被h e c d 激光( a = 3 2 5 n m ) 照射会发出荧光的液体中，由于石英管 管壁不发荧光，可得到清晰的边缘界限，用视频相机将光学图像转换为 电信号，经处理由计算机输出外径和壁厚值。此法具有高精度，能同时 测量外径和壁厚，但系统复杂，测量速度低。 2 c c t v 摄像法“ 勰黼然 f o r g i e d 0 h t5 0 u r ：e 图2 6c c t v 摄像法 如图2 6 所示，英国的b t m e g g i t t 提出在空气介质中，用准直光 沿石英管轴线的法线入射，通过空间滤波，将反射和折射光l ：1 成像在 c c t v 摄像机上。在管内外壁之间成功折射和反射后只有唯一的组光 可以被传导，这组光的强度取决于在管壁上折射和反射的角度。该法测 量范围不大，测量精度较低。 3 反射法“ 、 皓 琏砉詈夕 光学系统l 光学系统2 线阵c c d 图2 7 反射法测量原理图 如图2 7 所示，激光光束扩束后照射向石英管内外表面上，经反射 后形成两束发散光束用c c d 接收，经分析计算出外径和壁厚。此方法能 实现快速自动测量，但设备复杂，对管表面质量要求严格，需要标定系 数c i ，k ( f = 1 ，2 ，3 ，4 ) ，且标定对仪器的稳定性要求较高。 4 激光斜入射沿石英管轴向扫描法“4 3 被测石英管 被测石英管 ，夕? 。 形形形彩 ，根 蚣辨雠夕f ：二多二多7 壁厚偏差i 。 、 乃 刃 i ， 钐z 、 7 一7暖9 长t i l l l fl n 叮1 l】l 1 l l i _ n jn t 图2 8 激光斜入射沿石英管轴向扫描法测量原理图 如图2 8 所示，激光束在石英管含轴线垂直剖面内以6 0 。角入射， 经石英管上、下壁的四次折射后落在与石英管轴线平行并距其下壁有一 定距离的线阵c c d 上，理论上可计算出各种标准尺寸石英管的出射光线 在线阵c c d 上的落点位置，当被测石英管的壁厚尺寸与标准值有偏差 时，根据偏移量计算出石英管壁厚。该壁厚方法测量范围为1 2 m m ， 测量精度为o 0 2 咖。此方法必须保证石英管的轴线空间位置不移动， 还需另加一套外径测量装置同步检测外径。 5 c c d 成像法“”一“9 1 照明光学系统被测石英管成像光学系统 图2 9c c d 成像法 如图2 9 所示，被测石英管置于平行光路中，根据光透过率分布的 特性，经成像系统后，在c c d 的光敏面上形成石英管的影像，输出的视 频信号含有外径和壁厚的信息，经信号处理电路提取相应的特征量，计 算出石英管的外径和壁厚尺寸。此法对轴向位置要求较严格，因此其实 际应用受到一定的限制。 2 2 激光扫描测量仪的测量原理 激光扫描检测技术是指利用激光束的方向性和高能量密度，把扫描 的时间转换成为物体尺寸，用激光束的扫描运动来计量物体几何尺寸的 技术，这是种非接触、动态、高精度的测量物体尺寸的检测技术。下 面将分别介绍外径和壁厚的测量原理。激光扫描测量常见系统有外径和 壁厚两个测量系统，两个系统均采用了激光扫描检测技术。 一、外径的测量原理 0 8 图2 1 0 外径测量原理图 外径的测量原理如图2 1 0 所示，从激光器l 发出一束激光束，经 准直系统2 后入射到以一定转速旋转的扫描转镜3 上，其反射的光束经 扫描发射光学系统4 后，成为平弦于光轴的高速捆描光慕，对位于测量 逸域被测件5 进行扫描，劳由诧彩成一个含被溅件尺寸信息的光强调制 信号，经扫描接收光学系统6 聚焦后被光电接收器7 接收，经光电变换 8 窝售号处理9 薅懿扫攘波形爨，妇銎2 。l l 联示。代表被测俘岁 径懿 信号和商频振荡器的脉冲信号经过电路复合后，就得到了代表被测件外 径的高频脉冲数。 图2 “光电接收器扫描波形图 莰潮步电税瀚转速为码，英转动静角速度为鳓，两者关系可斑下式 得出： q = 幻 2 3 ) 由光学平面镜原理可知，反射光线旋转的角速度峨应为电机转动 焦速疫鹣二蓓，箨 啦；2 q ( 2 4 ) 镁谶光束扫擒过 曩播耪镜翡转运楚戳季j 箍秘镜豹焦距，为半径静 圈弧，且是匀速的，则程扫描物镜上，光束移动的速度v 不变，则 y * 貊n j ， ( 2 ，5 ) 速度y 近似等于在整个测量区间的光束扫描速度。 凌被溺结筑舞径为蛰，葵怼疲翡售号辣狰宽浚为蕈，甏 r ；旦 ( 2 6 ) v 将式( 2 国代入瓮( 2 6 ) 蘩理褥 d ；如妒 ( 2 7 ) 假设高频振荡器的脉冲周期为磊，频率为，0 ，则在t 时间内被测件的外 经菠包含耱赢鼗菰净令数n 尧 1 0 h ：三 ( 2 8 ) 瓦 。 由式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 可得每个高频脉冲代表的数值是 d 轨n l f h ，0 ( 2 9 ) 被测件的外径即由 d ；竺里。玎( 2 o ) ，o 可得到，系统确定后，! ! 掣为常数，被澳9 尺寸d 就可由高频脉冲个数 0 n 确定。 二、壁厚的测量原理 图2 1 2 壁厚测量原理图 壁厚的测量原理如图2 1 2 所示，从激光器1 发出一束激光束，经 光学系统2 准直、扩束、整形后入射到以一定转速旋转的扫描转镜3 上， 其反射的光束对位于测量区域被测件4 进行扫描，由被测件上下两表面 反射和透射形成两束平行扫描光束，经扫描接收光学系统5 聚焦分离 后，再经狭缝6 被光电接收器7 接收，将代表被测件的壁厚的信号和高 频振荡器的脉冲信号经过电路复合后，就得到了代表被测件的壁厚的高 频脉冲数。 设扫描光线的入射角为疗，扫描速度为v ，被测管的折射率为h ， 由折射定理可知，折射角口为： 一椰恤争疗) 若被测管出射的两束光的时间间隔为f ，则有以。w ， 口c ；_ ! 冬：二，则该管的壁厚尺寸b 由下式得出： c o s 口c o s 口 三口c! w 占：三一。 2 姆吐培口c o s 8 ( 2 + 1 1 ) 在血出中 ( 2 1 2 ) 将( 2 1 1 ) 式代入( 2 1 2 ) 式可得 丑。三竺! w 。堕x v x t( 2 1 3 ) 2s i n a s 口 s i n 2 口 2 3 测量仪系统设计要求 影响测量精度的因素有电机转速的稳定性、扫描透镜焦距的精 度、计数值的精度等等。为保证测量精度，激光扫描测量系统必须满 足以下三个基本条件： 1 物面上扫描光束主光线应当与轴线平行； 2 扫描光束在物面上的扫描线速度保持恒定； 3 必须准确测量出被测管的扫描时间。 为满足这三个基本要求，设计方案中应采取以下几项措施： 1 设计高线性度的，p 扫描透镜，实现对被测件的线性扫描； 2 以高频晶振作为计数时间标准，保证扫描时间的测量精度； 3 使扫描光束入射多面体扫描的扫描点和阳透镜的前焦点重 合，形成像方远心光路，保证扫描主光线和物面垂直，光电 接收器位于系统的出瞳处； 4 用单片机计数采集反映同步电机转速特征量波形的两个波峰 之间宽度，由此来求得反应被测量的脉冲计数值，这样能消 除同步电机转速不稳定的影响，保证测量精度； 5 用单片机作为数据采集、处理和显示的主控制器； 6 控制和预处理软件采用能实时处理的汇编语言编写； 7 设计单片机与计算机数据通讯软件，运用计算机高速数据处 理能力处理数据，编写系统误差修正软件，提高测量精度； 8 设计稳功率半导体激光器电源，保证激光光束光强的稳定 9 增加系统自检功能，保证系统的稳定性。 2 4 被测其它参数测量 激光扫描测量仪与主体精密机械系统、直线与回转运动伺服控制系 统相结合可测量件的多种参数，通过测量仪测得不同截面、不同位置外 径和壁厚等的测量信息，经计算机实时控制与数据处理，计算出被测管 的平均外径、平均厚度、截面积、椭圆度、偏壁度和弯曲度。 若被测件的测量截面数为n ，每截面上测量点数为小，且f = 1 州， ，；1 厅 l 、平均外径 。捌丢剐 嘧蛩订嗍 式中，d m ，一所有测量点的外径最大值： d 0 。所有测量点的外径最小值； 见。一所有测量点的外径平均值。 2 、平均壁厚 式中，口一一所有测量点的壁厚最大值： b 。；。一所有测量点的壁厚最小值； b 名一所有测量点的壁厚平均值。 3 、截面积 s ；生 4 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 。x 智 堕 l m 曰一g ， 一一 m 。v 箭 坠胃 撇芋 2 捌去引 s 误差= 鱼! ! ! ：二- 堕1 0 0 上) 4 增 式中，s 。所有测量点的面积最大值； s 。所有测量点的面积最小值； s 。所有测量点的面积平均值。 4 、椭圆度 每个测量面的椭圆度f 为： t i 。d i 。一d i m 该石英管的椭圆度t 为 f2 其中，f ，。为各测量面的最大椭圆度。 5 、偏壁度 每个测量面的偏壁度p ；为： 只。气圳 该石英管的偏壁度p 为： p ；只。 6 、弯曲度 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 1 4 图2 1 3 弯曲度测量原理图 如图2 1 3 所示，采用狭缝扫描方法可测得被测管不同截面、不同 位置的各点到扫描光线下边缘的距离。，其中f 为被测管的一截面上 的某一位置，为某一截面。各位置的弯曲度m 为： 。 嵋。f ( 2 2 5 ) 式中，l 为该管的管长，蚝。为该管各截面j 中第f 个测量位置到扫描 光线下边缘的最大距离，k 。为该管各截面j 中第f 个测量位置到扫描 光线下边缘的最小距离。 该管的弯曲度w 为： w = 一 ( 2 - 2 6 ) 其中，w l 一为各测量位置的最大弯曲度。 第三章光学系统设计 3 1 激光器的选择 激光光源与普通光源相比，因具有能量集中、方向性好、单色性好 和相干性好等优点，己成为高精度测量的理想光源。 一、气体激光器“” 气体激光器的工作物质是气体状态的原子、分子或离子，利用不同 的气体可以产生许多波长的激光。气体激光器的优点是相干性好，在连 续工作状态下能获得很大的功率，也可以工作在脉冲状态，使瞬时输出 功率显著增加。 几种有代表性的气体激光器的特性如表3 1 所示。 表3 1 典型的气体激光器特性 激光每米腔体长 最大连 器类度的功率输 续多模效率谱线宽脉冲输出脉冲 波长 功率输 1 0 0 度h z功率宽度 “，孢 别出w m 出确 h e n e0 0 5 00 1o 11 0l o o w1 0 “s0 6 3 2 8 0 ，0 2 00 1 1 1 5 2 6 0 o l oo 0 1 3 3 9 c 0 26 0 8 01 2 0 01 0 2 0 1 0 31 0 0 k w2 0 n s1 0 6 a r 十1 1 01 0 0o 1 l o o k w1 5 “so 4 8 8 0 o 5 1 4 5 h e n e 激光器是典型的原子激光器，其输出功率一般只有几毫瓦到 几十毫瓦。虽然输出功率不高，但它的单色性、相干性都特别好，频率 稳定，又是连续工作，被广泛用于尺寸测量，定位及准直领域。 早期的激光扫描检测系统均采用氦氖( h e n e ) 激光器作为光源，氦 氖激光器属于气体激光器，工作物质是氦气与氖气，在用硬质玻璃或石 英玻璃制成的激光管电极间旋加几千伏电压，使气体放电。在适当放电 条件下，氦氖气体成为激活介质，经过反射腔就可获得激光输出。该激 光束的特点是：单色性好，发散角小于2 m r a d ，光束直径为o 5 1 m m 。 可直接用于激光扫描检测系统，但其体积大，目_ 由于极易产生慢漏气， 阴极溅射，工作气体吸附等情况，其使用寿命只有2 0 0 0 5 0 0 0 小时，另 外由于使用高压电源，激光器正电极易与附近导体产生放电现象，使激 光器损坏，从而使激光扫描检测系统出现故障。 c o z 激光器是一种分子激光器，工作波长为l o 6 m 。这个波长的大 气穿透性好，因此c o z 激光器在测距方面的应用引起人们极大兴趣。它 与工作波长8 1 3 肛m 的热成像系统兼容，国外已研制出热成像激光测距 装景。连续工作时，c o 。激光器能产生很大的功率，在工业上有许多应 用，如打孔、焊接、热处理等。 a r + 激光器是一种离子激光器，它输出蓝绿光，是目前可见光谱中 连续输出功率最大的气体激光器，主要用于彩色电视、全息照相、医疗 等方面。 二、半导体激光器 近些年来，随着半导体激光器技术的迅速发展，它因具有体积小、 重量轻、结构简单，电压直流电源供电、转换效率高，可高速直接调制、 调制频率高、可靠性高、使用寿命长等优点而得到广泛的应用。半导体 激光器工作物质是半导体材料，常用材料是砷化镓，另有掺铝的砷化镓、 硫化铬、硫化锌等激光器，激励方式有光泵浦、电激励等。 常用的十分成熟的半导体激光器是砷化镓( g a a s ) p n 结注入式激光 器。其结构原理与发光二极管类似，图3 1 就是g a a s 的p n 结正向注入式 激光器的示意图。 图3 1g a a s 结型激光器的基本结构 为了提高半导体激光器的性能，设法在g a a s 的侧生长异种材料 ( 例如g a a l a s ) 而形成异质结。如果半导体激光器只有一个异质结， 则叫单异质结激光器，如果有两个异质结，则叫双异质结激光器。有了 双异质结激光器，便实现了激光器在室温下的连续运转。在双异质结结 构的基础上，又研制出大光腔激光器( l o c ) 。这样，半导体激光器的性 能得到了很大的改善，可以满足不断增长的某些需要。将若干单异质结 激光器串联或并联而形成阵列，能大大提高激光输出功率。 表3 2 典型的半导体激光器特性 结构输出光功率脉冲宽度重复频率泵浦电流 光波长 单异质单个3 l o w 阵列1 7 1 0 2 0 0 n s 1 0 k h z2 0 4 0 a9 0 5 n m 结型 3 0 0 w 8 0 0 双异质结型 2 0 0 m a5 5 0 0 n s2 m z1 1 0 a 8 5 0 n m c w 型 1 0 虬al g h z1 8 5 l a 8 4 0 n m 半导体激光器作为检测系统的光源通常要求光源输出光强的稳定 性好，引起激光光强变化的因素有激光器电源稳定性的好坏、激光器的 结构微小几何量变化以及它随工作时间的变化而产生的热变形与应力 等，所以，激光器需采用稳压电源。 由于半导体激光器有源层横截面的不对称性，远场光斑既不对称又 具有很大的光束发散角，且发散免不同，垂直于结平面方向的发散角很 大，一般高达4 0 0 ，平行于结平面方向的发散角也有1 0 。，半导体激光器 输出光束为像散椭圆高斯光束，所以应用半导体激光器的光学系统需考 虑激光束的准直、像羡的校正和椭圆光束的整形，因而需设计准直光学 系统和整形光学系统。半导体激光器功率的选择取决于光电接收器件以 及后续光学信息处理对光通量的要求，还应考虑中间光学系统对透过光 通量的影响”“。 3 2 激光光束准直特性分析 半导体激光器输出的光束为像散椭圆高斯光束，如图3 2 所示。将 弧矢平面的曲线旋转9 0 。后绘制于子午平面上，其光强分布为， ，= ，。e x p 一z ( 言+ 暑) c 3 1 ， 式中，。为光阑面上光束中心点强度；峨、q 分别为弧矢和子午方向上 光束半径。”。 n o l 一一l 、 、 爿7一弋 l j t l l i z t 图3 2 半导体激光束特性示意图 由于半导体激光束为像散椭圆高斯光束，它须经过校正像散变换与 旋转对称化变换之后方可应用。由于光学镜头的缺陷或表面附有灰尘， 当激光束输出时就会发生衍射，结果在激光光斑上出现一些衍射花纹， 影响其光斑的均匀性。这种激光束经过准直透镜形成平行相干光是非常 有害的，它由两部分组成：产生花纹( 高频部分) 的衍射光束和呈高斯分 布的光束，而且高斯分布函数的傅里叶变换仍然是一个高斯函数，因此 必须要经过针孔滤波，滤去高频噪声。 半导体激光器的光束发散角大，如一般的双异质结半导体激光器其 发散角达到5 0 一1 0 0 3 0 0 一5 0 2 “。在光纤系统中使用带尾纤的半导体 激光器较为方便，但带尾纤的半导体激光器造价昂贵，且在其它一些系 统和场合又不宜使用。所以在使用半导体激光器时，需首先对其光束进 行准直或聚焦。 半导体激光器输出光束的单色性比较好，因此透镜的色差可以不必 考虑。为了获取高质量的准直光束，准直光学系统必须是球差、彗差、 像散以及像场弯曲都经过精确修正的优良光学系统，并可把这种系统看 作是空间相位变换器，可将透镜后焦点处发出的点源球面相位变换成平 面相位，而对振幅能无失真地传输。 3 3 准直光学系统设计 激光器发出的高斯光束沿z 轴方向传播的光场分布为 e h 扣南i 鬻。惜+ 箫卜1 ( 3 z ) 式中，c 为常数因子，甜( z ) 、r g ) 、妒( z ) 分别为高斯光束的截面半径、 波面曲率半径和位相因子。其表达式分别为 此叫，+ j s ， 雌叫+ 】 慨a ， 妒( z ) = 口r c f g 三 ( 3 5 ) 其中，z 为光束的传播距离，a 为波长，为高颠光束的束 腰半径。 高斯光束的发散角日由下式给出： 瑶疗t l ( 3 6 ) ( 3 6 ) 近似表达式为 疗= _ 二l(