（光学工程专业论文）基于ccd的石英管壁厚检测系统研究.pdf

摘要 本文基于c c d 器件所具有的自扫描、高分辨率、高灵敏度等特性 以及测量精度高、易维护、操作容易等优点，提出了一种用于透明石英 管壁厚非接触在线测量的光电检测系统基于c c d 的石英管壁厚检 测系统，以满足生产中石英管壁厚检测高效率、自动化、动态检测、非 接触测量等要求。 该系统主要由半导体激光光源、准直扩束整形光学系统、主体精密 机械系统、单片机控制系统和计算机实时数据处理系统等组成。该系统 将光学、机械、电子和计算机技术有机地结合，利用线阵c c d 器件接 收由石英管壁上下表面所反射的一对一字形激光光束，通过计算两光束 间距，从而计算得到石英管壁厚值。浚激光光束通过一系列光学系统处 理，充分利用了c c d 器件的分辨率，达到了高速高精度非接触测量的 设计要求。 本论文主要对“基于c c d 的石英管壁厚检测系统”研制进行基础 理论探讨，在确定该检测系统的总体方案设计的基础上，主要从事了该 检测仪的光学系统、c c d 硬件电路以及单片机控制系统的研究工作， 并对实验结果进行了误差分析，验证了方案的可行性。整机调试和实际 测量结果表明，本系统测量精度可达到士0 0 1 m m 。 关键词：石英管线阵c c d 厚度测量非接触激光检测 a b s t r a c t b a s e do nc c d m e a s l l r i n gt e c h n o l o g y ，w ep r e s e n ti nt h i sp a p e raq u a r t z t u b ew a l lt 1 1 i c k n e s sp h o t o e l e c t r i cc o m p r e h e n s i v em e a s u r i n gs y s t e m ，w h i c h i s 印p l i e dt om e a s u r et h em i c k n e s so fq u a r t zt u b ew a un o n c o n t a c t e d a u t o m a t i c a l l vw i t hal i n ec c dd e v i c e t h es y s t e mi sc o m p o s e do fas e m i c o n d u c t o rl a s e rs o u r c e ，am 血f i n e m e c h a l l i cs y s t e ma n dc o n t r o l l e r ar e a l - t i n l ec o n t r o l l i n gs y s t e m 、v i ms c m a n dd a t ap r o c e s s 证gs y s t e mb yp c t h el i n ec c di nt h i si n s t n l m e n tc a n m e a s u r et l ed i s t a n c eb e t w e e nt i l et w o1 a s e rb e a m sw h i c hw e r cr e n e c t e d 丘o mt 1 1 eo u t s i d ea i l di n s i d es u r f a c e so ft h eq u a r t zt u b ew a l l t h ec o m p u t e r p r o c e s s e st h ed a 诅a i l dw ef i n a l l yg e tt h en l i c k n e s sd a t ao ft 1 1 et u b ew a l l t h j sd e s i 群1i sas i i n p l ea n dd i r e c tw a yt od ot h e 埘【e a s u r e m e n t nt a k e st h e a d v a n t a g e so fo c dd e v i c et oc a r r yo u tt h en o n c o n t a c t e dm e a s u r e m e n t 州t h h i g hs p e e da n dp r e c i s i o n b a s e do nt h e o r e t i c a ir e s e a r c ha n dt o t a ld e s i g n ，血od e s i g n so fo p t i c a l s y s t e m ，h a r d w a r cc i r c u i ta 1 1 ds a mc o n t r o ls y s t e ma r em a i n l vd i s c u s s e di n m i sp a p e l1 t h ee x p e r i m e mh a sp r o v e di t sp r a c t i c a b i i i 研r e a im e a s u r e dd a t a i n d i c a t e st h a tm es y s t e mc a nb eu pt om e a s u r i n gt u b ew a ut h i c k n e s sw i m 口r e c i s i o no f o 0 1 m m k e yw o r d s ：q u a r t zt u b e j i n ec c dt h i c l m e s sm e a s u r e m e n t n o n c o n t a c t e dl a s e ri n s p e c t i o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于c c d 的石英管壁厚 检测系统研究是本人在指导教师的指导r ，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者签名：岔磕翘，盘年月旦日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位沦文。 作者签名：盔丝丝，2 年月! 生目 指导导师签名：! 缝 ! 年月旦h 1 1 引言 第一章绪论 近几年来，随着光纤通讯和c c d 技术的发展，一些新型的，基于 c c d 的光电检测技术应运而生，特别是以c c d 为主要器件的光电非接 触测量系统，其发展极为迅速，大大适应了现代化工业生产的要求。c c d 光电非接触检测系统主要是由精密机械及其伺服系统、精密光学系统、 高分辨率高灵敏度c c d 、高速数据采集与处理系统构成，是日前较为 先进的非接触光电检测系统。这种c c d 光电测量系统：【作稳定、测量 精度高、实时检测、操作简单易行，可减轻工人劳动强度、提高检测效 率、减少由主观因素造成的测量误差，适用于车间在线自动化检测。“。 石英管主要用于光纤外皮管，石英管的壁厚尺寸直接影响光纤的寿 命和特性。所以在石英管生产过程中，石英管的壁厚是一个重要参数， 必须实时监控这个参数使之控制在公差范围内。在传统的石英管制作过 程中，其尺寸的控制以手工工艺为主，即石英管的壁厚等几何量在制作 过程中只能凭借加工人员的视觉观察来完成，因而质量很难得到保证。 为了克服由此而引起的产品质量问题，制作一套在线非接触检测仪器， 对于石英管的高质量加工就显得十分必要，采用在线的检测手段不仅能 在加工过程中对产品质量进行很好的控制，而且还能大幅度提高生产效 率“。 1 。2 国内外发展现状阎 对于检测石英管几何量的技术国外起步较早，技术成熟并已产品 化。目前国外石英管生产线上均配置了石英管的尺寸检测装置。其采用 的方法有：美国贝尔实验室提出的浸液荧光法，测量精度高，但测量系 统比较复杂、速度慢；美国w e s t e me l e c t r i c 公司发展了反射法作不接触 测量，其测量精度不超过0 ，0 3 唧，设备相对简单；英国的b j m e g g l t t 所提出在空气介质中使用准直光源和空间滤波来将入射光成像在 c c t v 系统上的方法，其外径和壁厚测量范围分别为7 岫1 6 m m 和 o 6 m m 2 m m ，其相对精度为3 ；美国的特思( t s i ) 公司利用全息激光 扫描技术所研制的h o l i x 系统，外径测量范丽为1 o 4 8m m ，分辨率 为o 0 1pn 1 ，但它不能测量石英管的壁厚。日本k e y e n c e ( 基恩一l ：) 公司生的“l k g 3 5 ”型c c d 位移计可用于平板透明体、树脂等材利的 厚度测量，测量精度达到o 0 5 ，测量范围l m ；法图一家公司采用光 电倍增管作为传感器件和扫描接收方式，研制过玻璃厚度测量系统，其 测量范围为1 ，2 5 岫；以上两种仪器均用于平板玻璃的测量，刑f 石 英管或玻璃管壁厚测量到目前为止还没有见过报导。 我国的光电检测技术起步较晚，但发展迅速，从八十年代末、九十 年代初国内一些单位开始研究石英管几何量测量技术，到目前为此，北 京、上海、南京、长春等的一些单位均采用激光扫描法研制出测量外径 的设备。如北京光电所在1 9 9 7 年研究过采用激光扫描方法的石英管壁 厚测量系统，其测量范围为1 5 珊，精度为0 0 1 姗；长春理工大学 研制生产的激光扫描检测系统。国内对石英管壁厚尺寸测量也有相关的 研究报道，但未见在生产中实际应用。目前国内外尚未见到采用c c d 图像处理原理，具有大测量范围的石英管壁厚光电检测仪器的报导。 1 3 课题来源及研究的目的和意义 1 3 1 课题的来源 本课题来源于吉林省科技厅高新技术重点项目“石英管壁厚光电在 线检测系统研究”。应用激光检测技术和c c d 传感技术，研究一种可实 现高速、高精度、非接触测量的石英管壁厚光电在线检测技术，针对目 前石英管行业急需的检测问题，研制石英管壁厚光电在线检测系统。该 检测系统的基本原理为采用激光检测技术、c c d 传感技术及特殊光学 系统相结合，用准直半导体激光线形光束以一定角度入射到被测量石英 管径向某一截面的位置上，石英管内外表面会形成有一定空间位置关系 的两束反射光束。这个携带石英管壁厚被测量信息的光束，经接收光学 系统后平行入射到线阵c c d 传感器的光敏面上，由高速c c d 数据采集 电子学系统对接收信号采集和数据处理可得到石英管壁厚测量结果。 1 3 2 研究的目的和意义 石英管主要用于光纤外皮管，石英管的壁厚尺寸直接影响光纤的寿 命和特性。所以在石英管生产过程中，石英管的壁厚是一个重要参数， 必须实时监控这个参数使之控制在公差范围内。石英管生产中具有高 温、红热、脆性大和不易采用接触法测量的特点，必须采用非接触在线 检测技术实现壁厚尺寸的测量。通过检测系统实时在线检测，把测量结 果转换为反馈控信号，通过反馈控系统控制石英管生产设备壁厚调整机 构，从而达到生产石英管壁厚闭环控制与监测的目的。 2 本课题提出的这项具有现丈意义的检测技术，是采用半导体激光技 术与c c d 技术相结合的光电f 譬感技术来研究呵实现石英管壁厚尺寸在 线非接触自动测量的壁厚尺寸光电榆测技术的崭新理论，此项理论的应 用将形成一种石英管壁厚光电在线非接触检测新技术，它与电子学、计 算机技术相结合可构成具有实际应用价值的自动检测系统。 近几年来，随着通讯行业的迅速发展，光纤光缆的需求量迅速增长， 由于国内企业生产工艺与设备相对落后，其性能与寿命与发达国家同类 产品相比差距较大，所以进口数量较大。采用激光非接触检测技术可以 改进我国石英管生产质量问题，进而改善光纤光缆行业的生产现状，对 保证光纤产品的质量，提高产品的国际竞争力有重要意义。 随着科学技术的发展，具有非接触、高速度、高精度、便于数字化， 易于和计算机相结合，易于自动化，适于在线检测等特点的石英管壁厚 光电在线检测技术，可推广应用于石英玻璃和普通玻璃制造业中对管材 壁厚和板材壁厚进行在线非接触自动检测，同时在医药和酒类制造业将 得到广泛的应用。采用这项技术可实现对药瓶及酒瓶的壁厚1 0 0 进行 高速度、高精度非接触在线测量。能够适应现代化生产的需要，具有广 阔的应用前景。 第二章系统总体设计 2 1 测量方法比较 在测量石英管几何量的实践中，本文常用到的光学原理有干涉、荧 光、反射、散射、c c d 成像法等。 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，对其内壁测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，一般均采用激光扫瞄法 和成像法，壁厚的测量则相对困难。以下将分别简述各种测量方法“。 1 荧光浸液法 美国贝尔实验室提出浸液荧光法，测量原理如图2 1 所示。 h e c d 激光 幽21 荧光浸液法原理图 将被测石英管浸入一种被h e c d 激光( = 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 d 成像法 测量原理如图2 2 所示。 照明光学系统成像光学系统 “ 被测石英管 ：。 囊! j 1 图2 2c c d 成像法原理图 c d 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。 3 反射法 测量原理如图2 3 所示， 反 被洲石英管 图2 3 反射法原理蚓 激光光束扩束后照射向百英管内外表i 】上，经反射后形成两柬发散 光束用c c d 接收，经分析计算山外径和擘厚。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 ，k 。 ( i _ 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 测量原理如图2 4 所示。 图24 激光斜入射沿石英管轴向扫描法原理图 激光束在石英管含轴线垂直剖面内以6 0 4 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。该法壁厚测量范围为1 2 m ，测量精度为 0 0 2 舢。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 激光扫描法 激光扫描检测系统结构如图2 5 所示，半导体激光器作为光源，其 发出的高斯光束经准直、扩束和整形光学系统后，形成1 0 o 1 5 唧准 直线状光束，其以一定的角度入射到石英管侧面上，这柬光线被分为两 部分：一部分被石英管外表面反射。另一部分经外表面折射后入射到内 6 表面上，被内表面反射再次入射到外表面，折射后形成一个平行于外表 面反射光线的折射光线。这两束平行光线的空间位置与石英管的壁厚有 关。 测量系统 图2 5 激光扫描法原理图 光线经接收光学系统和平面反射镜后，汇聚到多面体旋转反射镜 ( 转镜) 反射面上，由于转镜的旋转使得两束光线经平面反射镜反射后 以一定的时间间隔分别入射到接收光电传感器光敏面上，光电器件输出 两个这个携带有被测壁厚信息的光强脉冲信号，经光电子学系统采集和 数据处理后，其测量结果可直接数字显示或送入计算机显示、存贮和打 印。 6 玻璃厚度测量尺 如图2 6 所示为美国设计制造的m i g 玻璃厚度测量尺( m a n l l a li g t h i c k ：i l e s sg a u g e ) ，用于平板玻璃和其间空气厚度以及平而镜厚度的测 帚。 图26 m i g 玻璃厚度测量尺 其工作原理则由图2 7 所示： 圈2 7m i g 测量尺丁作原理 由图2 7 可知，该m i g 测量尺利用激光器作为测量光源，将激光光 束压缩整形后形成窄细亮光束，经过玻璃中板的上下表日1 j 分别发乍反 射和折射，从而形成r 测量指示光束和，这些光束射到指示面 板后即可读出玻璃的厚度示数( ，) 以及玻璃川空。厚度 示数( ) 。通过调节面板七的旋纽，可以使指示光束归零，并叮 以使示数面板伸出以适应大范围的测量案例。其测量原理简单，操作方 便直观，性能可靠，具有很高的实用价值。 2 2 关键技术及主要技术指标 2 ，2 1 拟解决的关键技术 本设计涉及光学、激光技术、电子学、精密机械、自动控制、现代 c c d 传感技术与计算机等多学科领域的高科技课题，要解决的主要关 键技术有以下几项： ( 1 ) 系统数学模型的建立，光机电参数匹配与优化等总体设计技 术： ( 2 ) 石英管壁厚激光检测精密机械系统设计； ( 3 ) 特殊半导体激光整形与接收光学系统设计； ( 4 ) 高性能光学转换与处理技术； ( 5 ) 线阵c c d 信号采集与处理系统； ( 6 ) 检测过程的计算机实时控制与数据处理技术。 2 2 2 技术创新点 ( 1 ) 根据透明材料的反射与折射特性，采用光学成像原理，提出 了石英管壁厚光电非接触检测新方法； ( 2 ) 采用窄带滤光与线阵c c d 传感技术相结合，解决生产环境对 石英管壁厚测量精度的影响。 2 2 3 主要技术指标 ( 1 ) 测量范围：1 5 1 5 m m ( 2 ) 分辨率：1 “m ( 3 ) 测量精度：o 0 1 m m 2 3 系统设计方案 根据对测量原理的分析，结合激光扫描检测系统和m i g 玻璃厚度 测量尺的没计经验，本文提出以下基于c c d 器件的检测设计方案。该 系统为一种高速、高精度、非接触的测量系统。涉及到光学、精密机械、 现代传感技术、自动控制、电子学和计算机等多学科的现代技术，其结 构框图如下图2 8 所示： 激光器驱动控制 厚度检测激光发射和接收 系统 激 d c d 驱动控制号 滤光 冬囊学趋鬈 网 幽 被 直线运动机构h 叫伺服电机 测量控制计算机 键盘 输入 数据 显示 幽2 8 设计方案结构框图 以下介绍各部分的原理、组成和功能。 2 31 激光发射和c c d 测量系统的设计 英管 愫黧h 糕 转机构r 电机 伺服控制 系统 1 基本测量原理 本系统采用6 5 0 n 1 i l 半导体激光器作为光源，其发出的高斯光束经准 直、扩束和整形光学系统后，形成准直线状光束( 如图2 9 所示) ， 整形前光斑 图2 9 对激光测量光束的扩束准直整形 整形后光斑 其以一定的角度入射到石英管侧面上，这束光线被分为两部分：一部分 被石英管外表面反射。另一部分经外表面折射后入射到内表面上，被内 表面反射再次入射到外表面，折射后形成个平行于外表面反射光线的 折射光线。这两束平行光线的空间位置与石英管的壁厚有关。厚度测量 原理如图2 1 0 所示。 彤光 统 h -il 图2 1 0 测量原理图 当半导体激光光束以一定角度0 【入射到石英管上时，形成如图所示 的光路。由反射定律形成一束与入射光线对称的反射光线o c ，同时有 一部分光存管壁内拆射，折射角为e ，根据折射定律则有s i n 。：三s i n a h 关系成立( n 为石英管折射率) 。在石英管壁内的光线入射到内表面a 处时，同样遵循反射和折射定律，形成的内反射光线会再次入射到外表 嘶，根据折射定律形成弓o c 平行的光线射出。发石英管的蹙厚为 ， 揪据几何关系由0 a b 和o b c ，可以求出b c 值。 占c = 2 k 。， ( 2 1 ) 热弘a n 卜c 扣，卜0 s a 。 光线经扩束光学系统后，入射到线阵c c d 的光敏面上，b c 乘以扩 束系统的放大系数，便得到光束宽度h 。光电器件输出两个这个携带有 被测壁厚信息的光强脉冲信号，经光电子学系统采集和数据处理后，其 测量结果可直接数字显示或送入计算机显示、存贮和打印。 2 c c d 测量系统 本设计中的线阵c c d 测量系统是将c c d 传感器与机械、电子和计 算机相结合的非接触测量系统。 由于c c d 传感器具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、像元 尺寸小、几何精度高、抗震动、防潮湿及成本低、功耗低、噪声低和使 用寿命长等特点，多年来它一直受到人们的高度重视，发展十分迅速。 结合c c d 传感器的这些优点，再配置以适当的光学系统，便可获得很 高的空间分辨率，特别适用于几何尺寸的高精度非接触式在线检测。 此外，由于c c d 传感器是以时间积分方式工作的，光积分时闻可 以在很宽的范围内调节，所以输出信号易于进行数字化处理，容易与计 算机连接组成实时自动化测控系统，便于扩大其应用功能和使用范围。 将线阵c c d 技术应用于工业测控中便构成了线阵c c d 测控系统。 本接收系统具体组成包括：光源、被测件、线阵c c d 传感器、c c d 驱动电路、信号预处理电路、二值化处理电路、数据采集接口、计算机 系统( 显示、控制) 和等。该系统的组成框图如图2 1 l 所示。 幽21 1c c d 测量系统原理框幽 2 3 2 伺服控制系统的设计 为了充分发挥c c d 测量系统高速、非接触的特点，本文设计，回 转运动与直线运动伺服控制系统及其执行机构，使被测石英管绕轴线转 动，对石英管圆周方向的不同部位进行检测，同时使本测量系统沿轴向 移动，对石英管轴线方向不同截面进行检测。本文采h ! ip c a 公司生产 的交流伺服电机驱动c c d 测量系统轴向移动，采用步进电机驱动被测 石英管回转，设计并实现回转和直线运动速度控制。其系统框图如图 2 1 2 所示。 图2 1 2 伺服系统设计框图 2 3 3 主体机械系统的设计 机座采用焊接式结构，测量系统的水平可由地脚螺钉调整，机座上 部装有摹准装置，供安装其它零部件使用。且山，二使用叫转和直线运动 执行机构完成较精确的转动和移动，其现较高精度的定位、导向和传动， 刻此需严格设计测量基准装置。带动c c d 测量仪轴向运动的传动、支 承、导向部件选定符合设计精度要求的产品。c c d 测量仪前后位置调 整机构采用燕尾导轨，通过旋转前后移动手柄由丝杠带动其f ； 后运动， 以满足不同直径石英管的测量要求。被测石英管测量工作台采用双层结 构，底部空间用于c c d 测量仪轴向移动，上部空间用于支承被侧石英 管。石英管两个支承回转机构均采用滚动轴系，其中一个固定不动。另 一个可通过导轨沿轴向和径向移动，并装有锁紧装置，以便用于测量不 同长度的石英管。被测石英管夹紧定位机构采用自定心机构，设计时考 虑采用不易使石英管破碎的耐磨且具有弹性的材料。 2 3 4 计算机实时控制与数据处理系统的设计 计算机采用系统稳定、兼容性好的工业控制计算机，其实时控制与 数据处理系统采用模块化设计。主要包括：测量模式的选择和测量参数 的设定模块、计算机与主控制器通讯模块、计算其它各种参数模块、系 统误差修正模块、显示与打印模块等。 3 1 光源的选择 第三章光学系统的设计 31 1 激光器的种类和应用 9 自从1 9 6 0 年第一台红宝石激光器问世以来，激光器技术发展非常 迅速。到目前为止，已在几百种物质中获得了光的受激放大并由其制成 激光器。激光作为一种新型光源，与其它光源相比具有举色性好、方向 性强、亮度高的优点，因而在困防、科研、工农业生产和医疗等方面得 到广泛的应用。目前常用的激光器按工作介质的种类可分为固体激光 器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四类。 固体激光器一般采用光激励，其能量转化环节多，因此效率低。光 的激励能量大部分转化为热能。为了提高激光器的效率和避免固体介质 过热，通常要采用脉冲方式工作并采用合适的冷却装置。固体激光器由 于晶体缺陷和温度关系，发出的光的相干性比气体激光器要差。使用特 殊方式激发的固体激光器脉冲峰值功率很大，较适合工业加工，如打孔 和焊接。气体激光器一般要采用电激发，其效率高，寿命长。由于气体 介质的均匀性好，易得到频率稳定的光输出且激光相干性好，常用于精 密测量，全息照相等。液体激光器的主要特点是可以在很宽的波长范围 内调谐。目前广泛应用在光谱学中。 早期的激光扫描检系统均采用氦氖( 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施加几千伏电压，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 o 5 1 m m ， 可直接用于激光扫描检测系统，但其体积大，且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，激光器正电极极易与附近导体产生放电现象， 使激光器损坏，从而激光扫描检测系统出现故障。 半导体激光器又称为二极管激光器( l d ) ，是体积最小的激光器件， 它结构简单坚固，便于直接调制。经过多年的发展，半导体激光器件的 可靠性寿命从几分钟增加到百，j ，j 、时，波长覆盖从中红外到近紫外，输 出功率从几毫瓦直到百瓦水平。半导体激光器二i _ ：作物质是半导体材料， 常用材料是砷化镓，其结构原理与发光二极管类似。半导体激光器作为 检测光源通常要求光源输出光强g j 稳定性蚶，一j 【超激光光弧变化的l 烈素 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1 作时间的变化而产生的热变形与应力等。所以，激光器需要使用稳压电 源。由于半导体激光器有源层横截面的不对称性和很小的线度，半导体 的远场光斑既不对称又具有很大的光束发散角，且发散角不同，垂直于 结平面方向的发散角很大，一般高达5 0 。，平行于结平而方的发散角也 有1 0 0 ，所以应用半导体激光器的光学系统需考虑激光束的准直、像差 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。 3 1 2 激光器的选用 通过对四种激光器各自的特点和应用进行分析比较可看出，由于固 体激光器激光的相干性不好，不适合用于精密测量。气体激光器由于气 体介质均匀性好，易得到稳定性好的激光，方向性很强，很适合于精密 测量，但其体积庞大，安装不方便。液体激光器光谱范围宽，适合于光 谱学研究，但不适合用于测量：半导体激光器便于调制，体积小，价格 便宜，在测量方面有大量的应用。因此在本龄测系统中，本文选择半导 体激光器作为本测量系统的光源。 选用激光器时，除了要考虑光源的特性是否适合用于测量外，还要 考虑以下凶素： ( 1 ) 安装方便性。受测量空间限制，必须采用外形较小的激光器， 因此选用半导体激光器作为本监测系统的测量光源较为适宜。 ( 2 ) 光斑形状。针对不同的应用，激光器发出的光线光斑又分为 点状光斑，一字线光斑和十字线光斑，考虑c c d 像元尺寸较小，为方 便安装及调试，系统中采用一字线光斑激光器较为合适。 ( 3 ) 波长。因c c d 的波长响应范围为4 0 0 8 0 0 i l m ，因此所选用 的激光器的波长必须位于c c d 波长响应范围内。 ( 4 ) 线宽和亮度。由于c c d 有效测量范围有限，过宽的光束线宽 易造成量程变小且激光光斑易越界，使测量结果不准。因此应能通过电 压对光束线宽和亮度进行调节。 基于以上考虑，本系统中采用华科光电有限公司生产的l a 6 5 0 2 _ 3 型一字线半导体红光激光器。主要性能指标为：发散度为0 1 0 2 m r a d ， 波长6 5 0 m ，激光器额定功率为3 m w 。 3 2 准直光学系统的设计 此光学系统采用波艮为6 5 0 1 1 1 1 1 ，功率为3 m w 的可见光、# 导体激光 器作为激光光源。该激光器发出的高斯光束沿z 轴方向传播的光场分布 为： 忙卜焉) 州。j ( ，。) 式中，c 为常数因子，( z ) 、r ( z ) 、中( 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： 脚( z ) 砜 1 + ( 寺) 2 此) _ z 1 + ( 粤) 2 ( 3 z ) 中( z ) 2 口删g 等 其中，z 为光束的传播距离，九为波长，。为高斯光束的束腰半径。 高斯光束的发散角e 由下式给出： 培护= 上 万国0 ( 3 3 ) 由于高斯光束具有一定的光束发散角，而在测量领域中，对测量光 束的发散角有一定的要求。因此对于半导体激光器所发出的激光光束要 进行准直系统设计。 准直扩束与激光束的聚焦正好相反，因为高斯光束的远场发散角与 腰斑半径成反比，要减小发散角就必须扩大腰斑，所以激光准直通常伴 随着扩束。经一个像方焦距为厂的透镜变换后其光束发散角近似为： 其中， 环 目，：l 疗珊j ( 3 4 ) 由此看出，对于给定的束腰半径o ，无论z 和，取何值，都不可 能使激光束发散角0 = o ，说明高斯光束经单个透镜变换后不能获得平 的+ | 1 ，一m 一)二心 j j y ze 向波。凶此犬焦距的单透镜加光阐控制光斑直径大小的准a 方法因其准 直程度低、体积大、降低半导体馓比功率的利用率而小被系统采用。但 、与z = 一厂时，可得： 曰，：堕( 3 5 ) 说明e 与o 和，有关，要想获得较小的0 7 ，必须减小o 和加大 厂。出此，该准直光学系统采用倒望远系统的两个透镜组合系统。先 采用短焦距的聚焦透镜来压缩高斯光束的束腰半径【i ) o ，再用较大焦距 的变换透镜来减小高斯光束的发散角e ，其准直原理如图3 1 所示。 图3 1 准直原理图 图中l 1 是焦距为一的短焦距透镜，l 2 是焦距为，2 的长焦距透镜， 设入射光束的腰斑为2 。，经l l 、l 2 后分别为2 b 、2 5 ，其发散角o 经 l 、l 2 后分别为0 、0 ”。其中2 ；的位置恰好是l 1 的后焦面，基本匕 在l 2 的前焦面上，这两个透镜之间的距离基本上等于两个透镜焦距之 和。聚焦的方法，2 ( i ) 。可放在远离l l 的地方即z ” ，也可将2 o 放在 i i 的表面处，叩z = o 。存咳准直系统，本文选择第：种方法聚焦。此 时，准直倍率为： 们：旦：垡。立 f 3 6 1 8 “ m of l 、。 在准直光学系统设计中，还应考虑其数值i l 径与半导体激光器所发 光束的发散角的匹配【1 4 】。 由于半导体激光器的p n 结为非轴旋转对称几何形状的激活介质， 其出射的激光光束为像散椭圆高斯光束，具有本征像散，即弧矢束腰 与子午束腰0 f 不重合，将n o 束腰分离量z 。定义为像散量。该准直光 学系统中采用柱面透镜c 放置在准直物镜l 之后，其母线与弧矢平面 重合，来得到共腰的椭圆高斯光束，如图3 - 2 所示。 lc 夕 0f 7 【o t ff 7 l s f lf ll ， r z 吐l d 一一c 一 图3 2 柱面透镜c 位置图 柱面透镜的像方焦距，町由下面公式求得。 ，2 孚 x t 厶j f ( 3 7 ) 其中，x ：是以准直物镜l 的像方焦点为原点的柱面透镜c 的位置，以为 准直物镜l 的像方焦距。 9 由( 321 0 ) 式可知，当x ：= o ，七式i ；l j 精确为： = 等 ( 3 8 ) 柱面镜的像方焦距与其所处位置无关，在实际中便于系统安装 调校，且使得半导体激光器与柱面镜的位置调节误差系数均为零。 柱面透镜的曲率半径可由下面公式确定。 d 2 卜 8 以z ( 1 一c o s “) ( 3 9 ) 式中，d 为有效孔径，”为折射率，“为半孔径角，z 为像散量。 3 3 整形扩束光学系统的设计 一般而言，半导体激光器给定参数为了7 r 方向与弧矢方向的远场半 发散角臼。，、吼。及其比值k ，根据牛顿公式，经过校j f 像散变换之后 的光束为束腰位于物镜像方焦平面的共腰椭圆高斯光束，予午与弧矢光 束的束腰半径；、0 之比为： 凸 堕：墨l ：七( 3 1o ) 甜：， 毋， 目前整形的可选方法有： ( 1 ) 拦光法：采用数值孔径小的两个透镜，用二二次成像的方法拦 住一部分角度太大的光，使椭圆光束变为圆形光束。此方法光能利用率 低，边缘有衍射。 ( 2 ) 柱面镜法：利用柱面透镜对准直光束的一个方向发散而对其 垂直方向仍是准直的特性来整形。 ( 3 ) 楔形棱镜法：单棱镜对光束的横向缩放倍数为： ( 3 1 1 ) 式中，c c 为棱镜顼角，为入射角，疗为棱镜折射率。如图3 3 所示。 2 0 图3 3 楔形棱镜校正椭圆光束 采用一对性能相同的楔形棱镜的放大率为m = 二= ! ! 等，( 其中 爿c o s ，和，分别为光束的入射角和折射角) ，使用一对楔形棱镜能在一个方 向上精确地将光束扩展或压缩到规定尺寸而不改变光束的准直性能，出 射光束的直径可通过改变棱镜与棱镜和棱镜与入射光束的角度来调节， 选择适当的放大率即可以圆整光束。 在石英管测厚光学系统中，为减小石英管的抖动对壁厚测量的影 响，保证入射光线与石英管相切，则需使入射到石英管壁上的光束的截 面为细长条的光束，因此，在入射到石英管壁之前应对光束再次进行整 形。此时可采用柱面镜法对圆光束压缩成细长的窄光束。 3 4 窄带滤光片的选用 在c c d 器件之前本文考虑采用窄带滤光片，以起到如下作用：一 是减小外界杂光对c c d 输出信号的干扰和影响；二是起到光强衰减作 用，以适应c c d 器件能量特性的要求。在滤光片设计中，考虑了激光 波长和c c d 光谱特性匹配问题。 市场上窄带滤光片品种繁多，根据所选择的半导体激光光源参数， 本文选取的窄带滤光片其中心波长为净6 5 0 1 1 m ，带宽为1 0 n m ，透过滤为 t = 7 8 ，其光谱特性曲线大致如图3 4 所示。 2 l 图3 4 滤光片光谱特性曲线 3 5 系统具体参数的确定 根据本系统主要技术指标的确定( 测量范围1 5 1 5 m m ；分辨率 1 岬；精度1 0 岬) ，本文选取t o s h i b a 公司的生产的t c d l 7 0 2 c 型线 阵c c d 器件。 t c d1 7 0 2 c 为t o s h i b a 公司生产的一种有效像素数为7 5 0 0 的双 沟道二相线阵c c d ，其像敏单元尺寸为长7 肛1 、高7 岬、中心距亦为 7 岫。像敏区总长度为5 2 5 m m ，最高工作频率l m h z 。 根据工作原理，当半导体激光光束以一一定角度仅入射到石英管上 时，形成如图2 1 0 所示的光路。由反射定律形成一束与入射光线对称 的反射光线o c ，同时有一部分光在管壁内折射，折射角为o ，根据折 1 射定律则有s i l l 0 = 二s i n 旺关系成立( n 为石英管折射率) 。在石英管壁内 ” 的光线入射到内表面a 处时，同样遵循反射和折射定律，形成的内反 射光线会再次入射到外表面，根据折射定律形成与o c 平行的光线射 出。设石英管的壁厚为1 ，根据几何关系由o a b 和o b c ，可以求出 b c 值，b c = 2 足。，式中，k 。：t a n la r c s i n ( 二s i n0 【) 1 c o s 。光线经 “ l ” j 扩束学系统后，入射到线阵c c d 的光敏面上，b c 乘以扩束系统的放大 系数b ，便得到测量光束间距h 。 本文取n = 一l4 5 7 2 8 ，e 【= 4 9 。，j 以求出k 。= 0 3 9 2 7 。代入剑公中 c j 以得到经过表面和内层反射后山射的两光束问k h 口c = 2 k 。，= 2 0 _ 3 9 2 7 ( 1 5 1 5 ) = 1 1 7 8 l 1 1 7 8 l 卅( 3 1 2 1 所以有以下两个参数： 1 扩束光学系统的放大倍率b 由于选用的线阵c c d t c d l 7 0 2 c ，其像敏区总长度上= 5 2 5 聊7 z ，为 了保证测量精度以及不浪费c c d 元器件的有效测量长度，本文尽量使 得l = b c b 成立，其中l 和b c 已知。 考虑到实际在线测量过程中，石英管的抖动会导致实际测量光束h 的抖动；同时由于入射光线与法线夹角发生改变，石英管物质折射率 n 的改变都会导致兄的改变，最终导致实际测量光束宽度h 的改变。 综合以上误差因素，本文确定扩束光学系统的放大倍率卢= 4 。由以上 条件计算出的实际测量光束间距为： 厶= b c b = ( 1 1 7 8 1 1 1 7 8 l l 4 = 4 7 1 2 4 4 7 1 2 4 聊”( 3 1 3 ) 实际参加长度计算的有效c c d 像素数为： l ：! ：! ! 丝二! ! ：! 翌 0 0 0 7 0 0 0 7 6 7 3 6 7 3 2 ( 3 1 4 ) 则每一像素能分辨的实际管壁厚度为： 矗：三：芸：羔2 l o 嘲p m ( 31 5 ) 。2 i 2 否万2 i 元三2 2 。1 u “22 p “ i 1 3 j 也就是说，按照现有的设计参数，可以满足2 u m 的分辨率，可以保证 1 0 岬的测量精度；如果需要达到设计指标中1 肛m 的分辨率，可以考虑 在后期c c d 信号处理时适当采取c c d 像素细分技术，则完全可以满 足设计指标的要求。 用z e m a x 模拟扩束棱镜系统图如图3 5 所示，只要改变图中棱镜 和入射光线的夹角以及棱镜之间的相对位置，就可以改变光束的扩束 比，便于实际装调。 s u r t e a d i u st h l c k h e f ；g l a 5 cs e m l 一d 1 洫e t e r o 螗s c a n d a r 疆b i 丑00 u u 0 0 0 c 0 0 r db r i a kon 0 n 0口n 0 0 0 0 0 2c o o r db r e a ko 1 0 n n l no0 0 0 0 0 0 0 +t 1 l 七e dl z0 d 。0 0 20 0 0 0 0 0u 4 c o o r db r e a k 00 d j 0 0 0 00 0 0 0 0 0 sc o o r db r e 吐00 0 1 0 0 000 0 0 d 0 0 6 t i l t e dl z0 0 ( 0 0 0b a k 21 00 0 d 0 0 0u 1 t t 1 l t e d 1 00 0 c 0 0 01 00 0 d 0 0 0u 8c o o r db r ea l f 00 0 0 0 0 0o0 0 0 0 0 0 9c o o r db r e a k 00 0 0 0 0 000 0 0 0 0 0 1 0 + t i l t e d1 00 0 0 0 0 0b a k 21 00 0 d 0 0 0u g t 0 t i l t e d 1 00 0 0 0 0 01 00 0 0 0 0 0u 1 2c o o r db r ea ) 1 00 0 0 0 0 000 0 0 0 0 0 i h 且s t a n d a r di n f l n i t v 1 00 0 0 0 0 0u 耸鞴答翮 鹤鞘 g u = z ” 一k 一 蕊研一b 翮嘧盈霸疆啊 图3 5 棱镜扩求系统模拟图 2 整形光学系统的压缩倍率y 在石英管洲厚光学系统巾，为减小石英管的抖动对肇厚测黾的影 响，保证入射光线与石英管相切，则需使入射到石英管壁i ：的光束的截 面为细长条的光束，因此，在入射到彳i 樊管壁之前应对光束再次进行整 形。此时可采用柱面镜法对圆光束煺缩成细长的窄光束，具体如图2 5 右图所示。 本系统巾采用华科光电有限公司生产的l a 6 5 0 2 3 型一字线半导 体红光激光器。主要性能指标为：发散度为o 1 0 2 m r a d ，波长6 5 0 n m ， 激光器额定功率为3 m w 。 设半导体激光传播5 0 0 m m 到达被测石英管丧i 酊，冉次传播约 5 0 0 m m 后到达c c d 光敏而。取最人发散角0 2 m r a d ，则j 以计算到达 被测面时的光束宽度1 1 0 ： = o 2 1 0 一5 0 0 2 = o - 2 m m( 3 1 6 ) 可见l ，远大】jc c d 的象素尺寸7 “m ，必须使用柱面镜将其压缩，使其 满足( 、c d 的分辨率，则柱面镜的压缩倍率y 为： 土：黑 2 8 _ 6 3 0 ( 3 17 ) ro 0 0 7 、 即需彤：没计压缩倍率为去的柱面镜刊t 叮以使的到达c c 。光敏面的测 量光r 辰宽度在c c d 象素尺、卜之内，即不浪费c c d 的分辨率。用z e m a x 模拟ji 面镜压缩光束的过程如卜- 图3 6 所示： s i l ：t ：t 弹e a d l u st h l c k n e s sg l a s s s e 虬- d 1 姐北e r 0 8 0s 七a n d a r d i n f i u t vi n f l l l i c v 0 0 0 0 0 0 0 lg c a n d a r d i n f i n i t y 8 0