（测试计量技术及仪器专业论文）光电式几何量测量系统设计.pdf

人连理i ：人学硕十学位论文 摘要 光电式几何量测量是规则几何物体多种测量方法中应用较广的一种，特别足基于线 阵c c d 的光电式几何量测量由于具有结构简单，成本低等特点，广泛应用于规则几何 物体的尺寸测量中。 本文设计的光电式几何量测量系统采用平行光成像法对规则几何物体进行测量。系 统中的平行光源用于照射物体，将物体的尺寸信息变成光信号，光线经过光接收系统投 影到线阵c c d 上，硬件部分对c c d 输出的电信号进行滤波放大以及数据采集，经过软 件处理后得到被测物体的尺寸。 光源发出的平行光由l e d 点光源转换形成，具有大口径、高精度的特点。其直径 可达4 0 m m ，最大平行度误差小于0 2 度。平行光照射被测物体后，光线被线阵c c d 接 收。在被测物体和线阵c c d 之间加入光接收系统，同时将透镜中某些曲面选用非球面 结构，进一步提高了测量的精度。光学系统的设计基于基本的像差理论，采用z e m a x 软件进行优化。线阵c c d 接收的光信号通过线阵c c d 的光电转换后需要进行硬件处理， 硬件电路实现了c c d 视频信号的接收、预处理和采集，整个硬件电路的运行通过c p l d 进行控制。经过硬件处理后的c c d 视频信号通过u s b 总线送入上位机。采用e a s y u s b 动态库实现u s b 设备与p c 机的通信，省去了固件程序的编写，缩短了设计周期。被测 物体尺寸信息的提取通过在上位机编程实现。使用亚像元细分技术和直线拟合算法两种 方法进行物体尺寸信息的提取，通过计算可求出被测物体尺寸的大小。 光学系统的像差、c c d 自身噪声和分辨率的局限性、硬件系统的误差和软件算法 精度的有限性都会影响测量的精度，再加上外界环境等一些不确定因素的影响，测量系 统误差相对较大。测量系统的软件设计应用了误差补偿的方法，提高了系统测量的精度。 本文设计的光电式几何量测量系统可以实现中等尺寸物体的微米级精度测量，相对 于传统的测量系统具有精度高、体积小等优点。 关键词：线阵c c d ；几何量测量；平行光；像差 t h e d e s i g no fp h o t o e l e c t r i cg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r m e a s u r i n gs y s t e m a b s t r a c t p h o t o e l e c t r i cg e o m e t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r i n gi sak i n do fr e g u l a rg e o m e t r i c a lo b j e c t m e a s u r i n gm e t h o d s ，a n d i ti sw i d e l yu s e d w i t hs i m p l e s t r u c t u r ea n dl o wc o s t , t h e p h o t o e l e c t r i cg e o m e t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r e m e n tb a s e do nl i n e a rc c d i sw i d e l yu s e di n m e a s u r i n gr e g u l a rg e o m e t r i c a lo b j e c t i nt h i sp a p e r ，g e o m e t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nc c d i sd e s i g n e d t 1 1 e s y s t e mu s e sp a r a l l e l r a yi m a g i n gm e t h o d t om e a s u r er e g u l a rg e o m e t r i c a lo b j e c t i nt h e m e a s u r i n gs y s t e m ，p a r a l l e ll i g h ti su s e dt oi r r a d i a t eo b j e c ta n dt u r n t h eo b j e c ts i z ei n f o r m a t i o n i n t oo p t i c a ls i g n a l s t h r o u g ht h er e c e i v i n gs y s t e m ，t h eo p t i c a l s i g n a l sa r ep r o j e c t e d o n t oc c d h a r d w a r ec o m p o n e n ti su s e dt of i l t e r i n g ，a m p l i f i c a t i o na n dd a t ac o l l e c t i o no f t h ec c d o u t p u t t h es i z eo fo b j e c tc a nb ea v a i l a b l ea f t e rp r o c e s s e db ys o f t w a r e t h ep a r a l l e ll i g h ti sf o r m e db yl e d ，a n dh a sl a r g e - c a l i b e r ，h i g h - p r e c i s i o nc h a r a c t e r i s t i c s i t sd i a m e t e ri s4 0 m m ，a n dt h em a x i m u me r r o ro fp a r a l l e l i s mi sl e s st h a n0 2d e g r e e a f t e r i r r a d i a t i n gt h eo b i e c t ，t h ep a r a l l e ll i g h ti s r e c e i v e db yl i n e a rc c d b yi n s e r t i n gar e c e a v l n g s y s t e mb e t w e e nt h el i n e a rc c d a n dt h em e a s u r e do b j e c t ，a n ds e t t i n gn o n - s p h e r i c a ls u r f a c ei b r s o m es u r f a c eo ft h el e n s ，t h ea c c u r a c yo fm e a s u r i n gi se n h a n c e d t h eo p t i c a ls y s t e mi s d e s i g n e da c c o r d i n gt o a b e r r a t i o nt h e o r y ，a n do p t i m i z e db yz e m a x t h eo p t i c a ls i g n a l s r e c e i v e db yl i n e a rc c dw i l lb ep r o c e s s e db yh a r d w a r ea f t e rp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n h a r d w a r ew h i c hi sc o n t r o l l e db yc p l di su s e dt or e c e i v e ，p r e p r o c e s sa n d c o l l e c tt h es i g n a l s a f t e rp r o c e s s e db yh a r d w a r e ，t h ev i d e os i g n a l so fc c d a r es e n tt ot h eh o s tc o m p u t e rt h r o u g h u s b e a s y u s bi su s e dt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nu s ba n dp c ，e l i m i n a t i n gt h e p r o g r a mo ff i r m w a r ea n dt h ed e s i g nc y c l ew a ss h o r t e n e d t h r o u g hp r o g r a m m i n g a th o s t c o m p u t e r , t h es i z eo fm e a s u r e do b j c o tc o u l db ee x t r a c t e d s u b p i x e lt e c h n o l o g ya n dl i n e a r f i t t i n ga l g o r i t h ma r eb o t hu s e dt oe x t r a c tt h es i z ei n f o r m a t i o no fo b j e c t ，a n d t h es i z eo fo b j e c t c a nb ea v a i l a b l eb yc a l c u l a t i n g t h e r ea r em a n yf a c t o r sc a na f f e c tt h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t ，s u c ha st h ea b e r r a t i o n s o fo p t i c a ls y s t e m ，t h en o i s ea n dt h er e s o l v i n gp o w e ro fc c d ，t h ee r r o r so fh a r d w a r ea n dt h e a c c u r a c yo ft h ea l g o r i t h mi ns o f t w a r e s o m eu n c e r t a i nf a c t o r so fe x t e r n a le n v i r o n m e n t c a l l a l s om a k et h ee r r o ro fm e a s u r i n gs y s t e mr e l a t i v e l yl a r g e i nt h es o f t w a r ep a r to f t h em e a s u n n g , e r r o rc o m p e n s a t i o ni su s e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n t i i 人连理i ：人学硕十学位论文 t h ep h o t o e l e c t r i cg e o m e t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e md e s i g n e di n t h i sp a p e rc a n m e a s u r em i d d l es i z eo b je c tw i t hm i c r o n - l e v e la c c u r a c y ，h a v i n gh i g ha c c u r a c ya n ds m a l ls i z e a d v a n t a g e k e yw o r d s ：l i n e a rc c d ；g e o m e t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ；p a r a l l e ll i g h t ； a b e r r a t i o n m 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：羞鱼垫坐丝沤丝丞缝返主 作者签名：叠橱日期：丝! ! 年丝月王日 人连理1 ：人学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名：日期：年业月卫日 大连理1 ：大学硕十学位论文 1绪论 1 1课题研究的意义和使用需求 工业生产中，经常需要对加工的工件进行在线的测量，及时的了解工件的加工精度。 传统的工件尺寸测量采用接触测量的方法，存在着能引起工件表面变形、影响测量精度 的测量力，不能对弹性、脆性等材料进行测量，而且耗人力物力，实时性差，无法适应 工业的发展、满足现代工业对生产力和精度的要求。近代的测量方法开始向非接触方向 发展，降低了对被测工件物理表面的要求，不存在接触误差，可以在不改变工件性质的 条件下进行在线测量。 随着科学技术的快速发展，非接触技术也不断向前发展，其中光电式测量是非接触 测量中应用较普遍的一种。光电系统采用光作为信息的载体，精度可达到与光波波长相 同的量级，在目前已有的测量系统中得到广泛应用。电荷耦合器件( c c d ) 是一种新型 的半导体器件，它具有体积小、功耗小、灵敏度高、响应速度快等特点，自诞生起就得 到广泛的关注和应用。c c d 器件及其应用技术的发展进步很快，特别是在图像传感和 非接触测量领域，很多光电式非接触测量装置采用c c d 器件作光电信号的接收器。目 前已有的应用c c d 进行物体尺寸非接触测量的系统很多，测量范围也很广，但测量的 范围和精度大多无法协调【l 巧】。通常进行小尺寸测量的测量系统精度较高，随着测量物 体的尺寸增大，系统的测量精度也会降低。测量的尺寸越大，精度越难保证，很难实现 在大的测量范围内都有很高的精度。虽然已有即保证范围也保证精度的测量系统，但是 成本较高。本论文研究的目标是基于线阵c c d 的非接触光电式几何量测量系统，实现 中等尺寸物体的高精度测量，且成本较低。 无论是国内还是国外，光电式钡i 量系统的研究都取得了很大的成就。日本k e y e n c e 公司生产的l s 7 0 0 0 系列高速、高精度c c d 测量仪器可以实现物体的非接触高精度测 量，其中l s 一7 0 3 0 m 可以实现广范围测量，测量范围是0 3 m m , - - - 3 0 m m ，测量精度是 2 “m ，重复性精度是1 5 p , m ，仪器长度约为4 0 0 m m ；l s 一7 0 1 0 m 可以实现超细测量， 测量范围是0 0 4 m m 6 m m ，测量精度是0 5 u m ，重复性精度是0 0 6 t m ，仪器长度 约为2 3 0 m m 。郑卅i 明锐科技有限公司生产的激光测径仪适用于金属线材、玻璃管、胶 管、电线电缆等的测量，l d m 2 5 的测量范围是0 1 m m , - - 2 5 m m 、分辨率是o 0 0 1i i l l n ， l d m 5 0 的测量范围是0 2 m m , - - 5 0 m m 、分辨率是0 0 0 1 m m ，测量头( 不含去架) 外形尺 寸为4 6 1m m ( 长) 8 0 m i l l ( 宽) x 2 0 0 r e a l ( 高) ，支架外形尺寸为3 5 0 m l n ( 长) 2 0 0m l n ( 宽) ( 7 0 0 1 0 0 0 ) r a n l ( 高) 。天津市核人仪器设备有限公司生产的c c d 光电式儿何鼙测量系统设汁 在线测宽仪测径仪，运用c c d 线阵图像传感器，在线检测生产线上产品的外径或宽度 值，具有非接触、实时测量、精度高等优点，测量范围是5 0 m m - - - - 3 0 0 0 m m ，测量精度 小于0 0 3 。北京鸿泰顺达科技有限公司生产的d m 9 9 犁号的c c d 测径实验仪可选用 多种方法测黾细小物体，进行实时在线的高精度测最，测最范围是o 8 m m 2 5 m m ，采 用幅度切割边界提取分辨率是o 1 微米，采用梯度切割边界提取分辨率是o 2 微米。 基于线阵c c d 的非接触测量方法很多，一般尺寸较小的小孔或是细丝直径采用衍 射法进行测量，中等尺寸的物体测量采用平行光成像法，较大尺寸一般采用缩小成像法 或c c d 拼接法，大尺寸采用双光路成像法测量。本文研究的测量系统主要应用于中等 尺寸的测量，因此采用平行光成像法【昏8 1 。测量系统涉及到线阵c c d 、光学成像、光电 检测以及滤波、图像处理等相关技术，具有测量速度快、抗干扰能力强等特点，属于无 损伤测量。文中设计的测量系统成本低，而且可与计算机相连，进行测量数据的集中采 集、分析和处理。 1 2 本课题的主要研究内容 本文采用平行光成像法实现规则几何物体的测量，着重于对线阵c c d 在尺寸测量 方面的应用、平行光的设计、u s b 总线的传输、数据处理方法的研究。主要进行的工作 有以下几个方面： ( 1 ) 在深入了解线阵c c d 在尺寸测量上的应用以及平行光成像法的基础上，对 整个测量装置进行系统分析和设计，特别是在影响测量系统精度的地方进行了认真的分 析和设计。 ( 2 ) 对光学系统进行设计。本文设计的测量系统应用目标是中等尺寸的物体，采 用平行光对被测物体进行照射，平行光的平行度，对测量系统的精度影响很大。光学系 统由光源和光接收部分组成，两个部分的主要作用是：光源部分产生光线均匀、平行度 较好的平行光，使被测物体可以得到均匀的照明；光接收部分接收平行光照射物体后的 输出光线，将它投影到线阵c c d 上。整个光学系统根据像差原理进行设计，在保证光 源平行度和光接收系统特性的情况下，使像差值最小。采用z e m a x 软件进行光学系统 的优化。 ( 3 ) 进行测量系统的软件设计。测量系统的软件设计包括c p l d 的程序设计、u s b 通信程序设计、c c d 视频信号的图像处理以及系统的人机交互界面等，同时还有数据 补偿程序。 人连理i ：人学硕+ 学位论文 ( 4 ) 对整个测量系统进行仿真，对c c d 采集的数据信号进行分析处理，分析测 量误差的产生，研究减小测量误差的方法。根据分析的结果对数据的软件程序进行修改， 改善整个测量系统的精度。 光电式儿何鲢测革系统设汁 2 测量系统整体概述 2 1系统的测量原理 本文设计的测量系统丰要足用于测量中等尺寸的规则物体，具有精度高、结构简单、 成本低等特点，测量系统选用平行光成像法，整体框图如图2 1 所示。 、f被 光 数 数边 行测 接c据 据 u s b 缘 显 光 收c预 采 一- 物 系d处 传输提不 源体集取 统理 图2 1 测量系统结构 f i g 2 1 s t r u c t u r eo fm e a s u r i n gs y s t e m 测量系统的基本原理是：点光源转换成平行光后照射被测物体，由于物体对光的阻 挡，平行光的中心部分将产生一个阴影区，阴影区宽度的大小正好等于被测物体的尺寸， 经过光接收系统后再由c c d 传感器接收，此时在线阵c c d 上形成的阴影部分长度和被测 物的尺寸成一定比例，统计阴影部分的像元数，根据像元尺寸和放大倍率就可以计算出 被测物体的尺寸。c c d 接收的光信号，经过硬件处理后送入p c 机，通过软件计算将被测 物体的尺寸值显示在p c 机上。 设c c d 传感器接收的光线的阴影部分像元数为，像元尺寸为m ，光接收系统的 放大率，则被测物体的尺寸d 为： ， m n ，o1 、 “= 一 厶工， 8 测量系统的精度与平行光的准直程度、光接收系统放大率和c c d 器件的分辨率有 关。平行光达到理想很难，c c d 器件的分辨率也受像元尺寸的影响，所以本文通过软 件对测量值进行修正，提高测量精度。 2 2 整体设计思想 测量系统一共由三部分组成：光学系统部分，硬件部分和软件部分。光学部分由光 源和光接收系统两部分组成。光源部分负责产生平行光，对被测物体进行照射，获取被 测物体尺寸信息。光源部分产生的平行光源的精度是决定测量系统精度的重要因素，因 人迮理l ：人学硕十学位论文 此是整个测量系统设计的重点。光接收系统部分负责将被测物体尺寸按一定例投影到线 阵c c d 上，起到除去杂光、减小光学系统像差、提高精度的作用。 硬件部分主要进行信号的接收、预处理、采集。线阵c c d 将接收的光信息转换成 与光强成比例的电倚，并用一定频率的时钟脉冲进行移位传送，在c c d 的输出端输出 被测对象的视频信号。c c d 输出信号的电流很小，幅值也很小，同时存在噪声。共集 电极电路具有输入电阻高，输出电阻低的特点，可减小负载变动对电压增益的影响，同 时对电流仍有放大作用，因此采用共集电极电路对c c d 进行电流放大。c c d 信号的噪 声采用二阶巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，滤波放大后信号通过运算放大器进行幅 值放大。c c d 信号是模拟信号，由a d 转换器进行模数转换变成数字信号。r a m 对 a d 转换器输出的数据进行储存，通过u s b 总线传给p c 机。硬件电路还需要完成对 c c d 的驱动，使c c d 能够讵常工作。 数据的处理以及显示都通过软件编程实现。软件部分会对c c d 信号进行二值化处 理。根据采集到的信号进行被测物体边缘信息的提取，获得边缘位置的数据信息，计算 出被测物体的精确值。系统软件主要实现以下几个功能：对c p l d 进行编程，实现对 c c d 的驱动，控制m d 转换器的运行和数据的采集；对u s b 总线进行编程，实现上位 机和下位机之间的数据传输，保证采集到的数据能通过u s b 总线传送给p c 机；编写数 据处理程序，将传送进p c 机的数据信息进行提取，获取被测物体的尺寸值并显示在p c 机上。 光电式儿何量测鼍系统设计 3 光学系统设计 测量系统中c c d 器件对被测物体尺寸信息的获取足通过光学系统完成的。光学系 统一共由两部分组成，一部分是光源，另一部分是光接收系统。 光源主要是用来提供平行光，照射被测物体，获取被测物体的尺寸信息。携带被测 物体尺寸信息的平行光，通过光接收系统后，投影到线阵c c d 上，形成和被测物体的 尺寸成一定比例的阴影。 光学系统如图3 1 所示。 透镜! f l i 1透镜组l 2透镜组l 3o c d 钐参 厂、 蘸rn 一 图3 。1 光学系统图 f i g 3 1o p t i c a ls y s t e m 图3 1 中s 为点光源，l i 、l 2 、l 3 都是透镜组，点光源s 和透镜组l i 组成光源部分， 透镜组k 和l 3 组成光接收系统部分，p 是位于透镜组k 焦点处的光阑，是线阵c c d 上阴影区的脉冲数，。厂是透镜组k 的焦距，x 是光阑p 到透镜组l 3 的距离，像元尺寸 为m 。进行光学系统设计时，取f = x ，因此被测物体尺寸d 为： d ：m 二! 二：m n( 3 。1 ) 工 3 1光学设计原理及z e m a x 软件 3 1 1 像差理论 按照几何光学和近轴光学理论，一个点目标经过光学系统成像后仍为一个点。然而， 由于光的衍射，即使光学系统没有任何像差，一个点目标经过该系统的像也不是一个点， 而是一个弥散的艾瑞盘。实际上，绝对无像差的光学系统几乎是不存在的，即使像差可 以校正得很好，但衍射效应仍存在。所以，通常光学系统的最终设计目标是使像差尽可 能的小，而不是彻底消除。 大连理i ：人学硕十学位论文 光学系统的像差分为单色像差和颜色像差两类，同时又有初级像差和高级像差之 分。初级像差也叫三级像差或赛得像差，而高级像差又有五级像差、七级像差之分。单 色初级像差分为轴上像差和轴外像差，轴上点单色像差只有球差一种，轴外点像差有慧 差、像散、像面弯曲和畸变等。颜色像差的初级量主要有轴向( 纵向) 色差和倍率( 横 向) 色差两种，高级色差主要有二级光谱、色球差等。高级像差一般对光学系统的成像 质量影响较小，大多数光学系统设计时只消除初级像型9 1 。 3 1 2 设计方法 光学系统的设计一般有两种方法。一种是以像差理论为基础，根据对光学系统的质 量要求，用像差表达式，特别是用三级像差表达式来求解光学系统的初始结构，然后计 算光线并求出像差，对其结果进行分析。如果不尽人意，那么就要在像差理论的指导下， 利用校正像差的手段( 弯曲半径，更换玻璃，改变分焦度分配等) ，进行像差平衡，直 到获得满意的结果。如果最后得不到满意的结果，那么就要重新利用像差理论求解仞始 结构，而后再重复上述过程，直到取得满意的结果。 另一种方法是从现存的光学系统的结构中找寻适合于使用要求的结构，这可从专利 或文献中查找，然后计算光线，分析像差，采用弯曲半径，增加或减少透镜个数等校正 像差的手段，消除和平衡像差，直到获得满意的结果。对于常规物镜，如c o o k e 三片、 双高斯、区兹瓦尔物镜等，常采用这种方法。 本文进行光学设计时结合上述两种方法，以像差理论为指导，进行像差平衡。设计 好的光学结构采用z e m a x 软件进行优化。 3 1 3z e m a x 软件简介 z e m a x 是f o c u ss o f t w a r e 公司推出的一套用来模拟、分析和辅助设计光学系统的 程序。z e m a x 可以从给定的镜头数据中计算出结果，用数字或图形表示。这些结果包 括轮廓图、像差曲线图、点列图、衍射计算等等。但z e m a x 并不能教人如何去进行镜 头或光学系统的设计，z e m a x 只是在进行光学系统的设计和分析的时候，提供一些帮 助，设计者仍然是自己。 3 2 光源部分设计 光源部分主要是用来产生光线均匀、平行度较好的平行光，即点光源通过透镜组产 生高精度的平行光。设计方案是：点光源先通过聚光镜汇聚光能，同时缩小光源的尺寸， 然后再通过准直镜发出口径较大的平行光，实现小面积光源照明大面积物体。这样设计 光电式儿何鞋测精系统设计 的平行光平行度较好，而且光能的利用率也比较高，同时也能保证在较大孔径下光线也 有较好的的平行度【l o 】。 测量系统选择了高密度g a n 超高亮绿色l e d 作为点光源，长度约为l m m ，中心波 长为5 2 5 n m ，功率为3 瓦，发出的光线均匀性好、含杂讯少。 3 2 1 聚光镜的设计 由于光源部分使用的l e d 点光源足单色光，所以不必考虑颜色像差。l e d 点光源 存在一定的长度，因此即存在轴上单色像差也存在轴外单色像差，这两类像差是进行光 学设计时要消除的像差。 在l e d 点光源和准直镜问加聚光镜的目的是将点光源的尺寸缩小，理论上将尺寸 缩小的越小越好，最好是汇聚于一点。但是由于光学系统的成像特点，将具有一定尺寸 的l e d 光源完全聚于一点是不可能的，所以设定l e d 点光源经聚光镜成像后尺寸减小 一倍。设物距为厶，像距为厶，焦距为，则： i111 i 一牟一= 一 厶。厶f ( 3 2 ) 【i f l = - 2 为了减小光源部分的长度，光源部分的每个组成部分都应该使共轭距( 即物点到像 点的距离) 尽可能的小。焦距增长，共轭距也会相应增大；焦距太小，则相对孔径太大， 像差也相应增大。初步设定聚光镜焦距一为1 5 m m ，通过计算可得：物距厶是4 5 m m ，像 距厶是2 2 5 m m 。通光口径d 选为1 0 m m ，则相对孔径为1 ：1 5 。聚光镜的相对孔径较大， 选择双高斯结构比较适合【9 ，1 0 1 。 双高斯透镜利用了厚的弯月透镜的特性和结构对称原理，它的半部结构基本上是由 一个厚的弯月形透镜和一个正透镜组成。先对右半部结构进行设计，透镜厚度忽略不计。 一般半部透镜的焦距约是透镜焦距的1 2 5 倍，因透镜焦距选为1 5 m m ，所以半部结构的 焦距约为1 9 m m 。选择k 9 ( 折射率n ，= 1 5 1 6 3 ，阿贝数u = 6 4 1 ) 作为负透镜的材料， 选择z f 2 ( 折射率n ，= 1 6 7 2 5 ，阿贝数y ，= 3 2 2 ) 作为正透镜的材料。为了计算方便， 将弯月透镜分成三部分：左边是一个凸平透镜，设透镜左边球面半径为，光焦度为仍： 中间是一个平板玻璃，则光焦度为o ；右边是一个平凸透镜，设透镜右边球面半径为， 光焦度为仍：。正透镜当作等凸透镜处理，左、右球面半径分别设为吒，、，i 。，光焦度设 为仍，。则满足场曲条件为： 人连理l ：人髑十学位论文 则 忐+ 彘十且1 6 7 2 5 156 316 7 2 5 _ 0l5 1 6 3l ( 3 3 ) 根据经验取矿1 2 = 2 e p t 3 ，x 凶为张j + p 1 2 + 吼3 = 1 1 9 ，可得： h 1 6 ”9 纯2 = 1 1 2 7 ( 34 ) 【吼，= o5 6 3 5 设弯月透镜左球而曲率为q ，右球面曲率为c 等凸透镜的左球面曲率为g ， 由此得到 q = 粤一3 1 7 2 4 月一l g 2 = 4 = - 2 1 8 2 8 h l 一1 c i ，= 且n 2 - 1 ；= ( 3 5 ) i = 一5 9 8 9 22 87 0 4 ( 3 6 ) r 1 3 = 4 53 4 6 = _ 4 53 4 6 将双高斯透镜右半部结构的数据填入z e m a x 软件，左半部选择和右半部对称的结 构也填入z e m a x 软件。取距离光轴高度分别为0 r a m 、03 7 5 m m 和05 m m ( 由于光学 系统是对称结构，只取光源在光轴上面的部分进行优化) 的三条光线进行优化，优化目 标足球差、慧差、像差、畸变和场曲等单色像差为0 。在用z e m a x 软件优化的过程中， 适当的调整透镜的厚度和透镜之问的距离，力求使优化后的成像质量最好。最后得到的 聚光镜如图3 2 所示。 图3 2 聚光镜 e i g 3 2c o l l a t o r l e a s 光电式儿何鲑测革系统设汁 3 2 2 准直镜的设计 准自镜的作用是将缩小后的点光源( 设计时将光源尺寸忽略) 的光转换成平行光。 如果一个光学系统的结构对称，物像关系也处在对称位置，则垂轴像差( 慧差、畸变、 倍率色差) 将自动消除。本文选用两个结构对称的双胶合透镜作准直镜，可以使慧差、 畸变和像散得到很好的校j 下，同时场曲也不大。准直镜采用逆光路设计，即无限远处的 平行光经过透镜后汇聚于一点。焦距厶设定为9 0 m m ，通光v i 径设定为4 0 m m 。设两个 双胶合透镜的光焦度分别为c , o ：。、仍：，将两个双胶合透镜理想化当作薄透镜处理，距离 为0 ，初步设定两组双胶合透镜结构完全相同，则有妒：。= 缈：= 1 1 8 0 。 由于两组双胶合透镜的结构相同，因此只需对一个双胶合透镜进行设计。设计好一 个双胶合透镜后，再将另一个双胶合透镜以对称的结构加到z e m e x 软件中。在用 z e m a x 优化的过程中，可以通过改变透镜的曲率、厚度，以及双胶合之间的距离对像 差进行校正，同时在优化过程中，两个双胶合透镜的结构不再需要完全对称，少许的不 对称可以更好的校正像差。 双胶合透镜采用p w 法进行设计，设计步骤如下【9 】： ( 1 ) 根据对双胶合透镜的像差要求，球差为0 ，即s 。= 0 ，慧差为0 ，即s 兀= 0 。 由s i = 矿可得p = 0 ，由s n = y p 尸+ 形可得形= 0 。因此： 芦* ：去：0 y 。缈。 ( 3 7 ) w 一：罢：0 y 。伊 ( 3 8 ) r = p 一。一0 8 5 ( r v 。一0 1 ) 2 = 一0 0 0 8 5 ( 3 9 ) ( 2 ) 由上面得到的e o = 一0 0 0 8 5 值( 取己= 0 ) 查昂表，为了能得到合理结构， 选：k 9 ( 折射率n 。= 1 5 1 6 3 ，阿贝数嵋= 6 4 1 ) 作正透镜和z f 2 ( 折射率，l ：= 1 6 7 2 5 ， 阿贝数v 2 = 3 2 2 ) 作负透镜，仍= 2 0 0 9 4 0 4 ，q o = - 4 2 8 4 0 7 4 ，e o = 0 0 3 8 3 1 9 ， r v o = 一0 0 6 0 9 9 。 ( 3 ) 根据对球差和慧差的不同要求，形状系数q 可以通过下面两个公式求得： q = q o i vp = 2 3 - 5 p o - ( 3 1 。) 人连理i 人学硕士学 奇论文 q = q o 一百w ”- w a ( 31 1 ) 为了同时满足球差和慧差的要求，取公式3 i o 和公式3 1 1 的平均值，即：由公式 3 1 0 求出两个q 值，选取与公式3 1 i 求出的q 值相近一个，然后二者求甲均。最后求得 的q 值是：q * - 42 8 4 0 7 4 。 ( 4 ) 由q 值和仍，以及两个透镜的折射率可以求得三个曲面的曲率为： c 2 l _ n n ，l f o t l + q = 1 6 1 7 2 6 c 2 2 = 赢+ q = - 22 7 4 6 7 ( 3 1 2 ) 印一3 _ _ 0 册彻 最后求出单个双胶合透镜的半径为： ir 2 i = 1 1 1 2 9 9 r 2 2 = - 7 9 1 3 2 ( 3 1 3 ) i r 2 ) = - 2 3 26 4 7 将两个双胶合透镜的初始数据填入z e m a x 软件，对透镜适当加厚，入射光线选择 为平行光。准直镜设计时通光口径设为4 0 m m 。光学系统的成像特点：平行光入射，像 距会略小于焦距；平行光出射，物距必会小于焦距。准直镜设定的焦距是9 0 r a m ，根据 数据填入z e m a x 软件的实际情况，像点到透镜的距离设定为8 0 m m 较适宜。在用 z e m a x 软件优化的过程中，将透镜的半径设为变量，适当的调整透镜的厚度和透镜之 | l l i 的距离，寻求使像差最小的结构。最后将设计的结构反转，得到的准直镜如图3 3 所 不。 图33 准直镜 f i g 33c o l l i m a t i n g l e n s 32 3 光源整体优化 设计好聚光镜和准直镜之后，将两个透镜组组合在一起，并将数据一起输入到 z e m a x 软件。将通光口径设在聚光镜的第一个面上，大小为1 0 m m 。由于准直镜的设 光电式儿何晕测茸系统设计 计是使忽略尺寸点光源通过准直镜后发出平行光，而l e d 点光源通过聚光镜聚光后虽 缩小却仍有一定尺寸，所以将聚光镜和准直镜组合在一起后会存在很大的轴外像差，必 须进行优化。由于轴外像差很大，采用球面镜很难使光学系统的轴外像差有很好的校正， 所以在进行光源整体优化时加入了非球面。非球面透镜具有消像差的功能，可以克服球 面透镜的不足】。在用z e m a x 优化过程中，可以根据需要将一些球面改成非球面，非 球面系数一口以通过z e m a x 自行计算得出，本文将准直镜最左边透镜的左球面、最右边 透镜的右球面设成是非球面。球面系数设为变量。 本文设计的平行光源的应用对像是测量系统，对精度的要求很高，由于不可能使各 种像差值都为零，所以设计的最终目标是将这些像差限制在一定数量级上，使这些像差 对光源平行度的影响降到最低。使用z e m a x 软件进行优化时要注意以下两点：z e m a x 软件由于其自身的特点，不同的初始值会产牛不同的优化结果，必须在优化过程中尝试 不断的改变聚光镜和准直镜的一些参数，一次次的进行优化，才能找到比较合适的光学 结构；在用z e m a x 软件优化的过程中，无法将出射光线的宽度直接设定为4 0 m m ，优 化的目标只能设定为像差为0 优化过程中避免出射光线的宽度发生太大变化。 z e m a x 软件采用a f o e a l 像面模式对平行光源进行整体优化，优化目标是球差、慧 差、像散、像面弯曲和畸变等像差值都为0 。本文采取的优化方法是：将聚光镜整体设 为常量、组成准直镜的透镜的半径设为变量进行优化，在优化过程中适当的改变组成准 直镜的透镜的距离和厚度，多次优化后将准直镜整体设为常量，组成聚光镜的透镜的半 径设为变量，在优化过程中适当的改变组成聚光镜的透镜的距离和厚度。重复上述过程， 将聚光镜和准直镜在常量和变量之间交换，这样即可以优化平行光源，也可以保证出射 的平行光的宽度不会发生太大的变化。在用上述方法反复优化数十次之后可以将聚光镜 和准直镜的透镜都设为变量，此时再进行整体优化出射光线的宽度就不会发生太大变 化。经过几十次优化后，像差值都变得很小，而且进一步进行优化，结果相差不大。最 后得到的光路图如图3 4 所示。 图34 光源光路幽 f i g 3 ao 埘剐p a t h o f l x a r a u e l l i g h t 人近理l ：人学硕十学位论文 光源总长约为1 8 0 m m ，出射的平行光宽度约为4 0 r a m 。本文设计的光学系统属于大 像差光学系统，评价大像差光学系统成像质量的方法主要有两种：点列图和能量集中度。 点列图是评价大像差系统成像质量比较好的方法，它表示来自点目标的光线在像面上的 交点的集中程度和弥散范围。集中程序越高，弥散半径越小，成像质量也就越好。能量 集中度描绘出能量随弥散半径的变化。光源的点列图和能量集中度如图3 5 所示。 ( a ) 点列图( b ) 能量集中度 图3 5 平行光源的点列图和能量集中度 f i g 3 5s p o td i a g r a ma n de n c i r c l e de n e r g yo fp a r a l l e ll i g h t 图3 5 中图( a ) 是平行光源的点列图，图中弥散斑的直径很小，最大为0 0 0 3 m m ，点 目标的光线在像面上的交点的集中程序很好，像质很高；图( b ) 是优化后的能量分布图， 它的横坐标为弥散半径，纵坐标是在所选的半径范围内的光强占总光能的百分比，光能 达到8 0 时，半径大小仅为微米级。从这两个图中可以看出光源的质量很好，满足对平 行光高精度要求。通过计算可得，最大视场时发出光线的最大平行度误差小于0 2 度， 零视场时发出光线的最大平行度误差几乎为零。 3 3 光接收系统设计 本文设计的光源虽然平行光精度很高，但是仍存一定的误差，对测量精度有一定的 影响，同时，外界的杂光也会影响测量结果。为了减少误差，消除杂光，提高测量精度， 光接收系统采用远心光路。 远心光路就是孔径光阑位于光学系统焦点处的光路，能降低因系统离焦而引起的测 量误差。远心光路有物方远心光路和像方远心光路两种，都可以减小误差，提高精度。 物方远心光路是指孔径光阑处在像方焦点处的光路。如图3 6 所示，光学系统的孔径 光阑位于光学系统的后焦点处，用来控制主光线的方向。被测物体可能会沿光轴方向有 所移动，使像平面与光电接收面不能真正重合，因而产生了测量误差。采用远心光路后， 光电式儿何鼙测鼙系统设计 主光线平行于光轴，当被测量物平面偏离基准位置时，主光线的方向却不随物平面的偏 离而改变，出射主光线仍通过像方焦点，方向没有任何变化。在光敏面上像点弥散斑的 中心不变，但由于a b 在分划板m n 上的投影要有一些弥散，会有一些误差，但误差要小 很多，大大减小由于被测量物体的位置误差而产生的测量误差【9 1 。 图3 6 物方远心光路 f i g 3 6 t e l e c e n t r i co p t i c a lp a t hi no b j e c ts p a c e 像方远心光路是指孔径光阑处在物方焦点处的光路。如图3 7 所示，光学系统的孔径 光阑位于光学系统的前焦点处。当测量物体a b 时，像面彳b 和分划板m n 可能不重合， 如果不采用远心光路，测量时不可避免的会造成测量误差。采用远心光路后，入射主光 线通过物方焦点，当调焦不准，像面彳b7 和分划板m n 不重合时，出射主光线仍平行予 光轴，主光线方向在分划板上的位置并没有变化，读数还是相同。 f i g 3 7 t e l e c e n t r i co p t i c a lp a t hi ni m a g es p a c e 为了能更好的减小误差，本文设计的光接收系统即采用物方远心光路也采用像方远 心光路，主光线在物空间和像空间都是平行。在图3 1 中，平行光通过透镜组l 2 入射， 在透镜组l 2 焦点处设置了孔径光阑p ，从透镜组l 3 出射的光线也是平行的。实际上， 远心透镜很少有完全平行的主光线，以致平行主光线概念通常是指主光线设计成只有几 度平行误差的透镜。 人迮理l ：人学硕十学位论文 3 3 1 透镜组l 2 的设计 透镜组k 在测量系统中的作用是接收平行光照射物体后的光线，理论上接收的是 平行光，所以在进行透镜组l 2 设计时，视场角设为0 。透镜组l 2 的设讨目标是来自无 穷远的平行光通过透镜组l 2 后汇聚于一点。通光口径选为4 0