（信号与信息处理专业论文）激光三角测量光学系统设计及性能分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在铁路发展飞速的今天，对于铁路行车安全和旅客的舒适度要求也越来越高，所 以针对铁路基础设施的检测就变得尤为的关键，因此，研究简单高效、可应用于铁路 领域的检测技术，具有重要意义。激光三角法作为一种传统的非接触式测量方法，相 较于直接接触测量对测量物体没有要求，可以在恶劣的环境下进行测量，不仅可用来 测量位移、尺寸、角度等几何量，而且具有结构简单、测量速度快、高分辨力、抗干 扰能力强和实时处理等优点。 本文的主要工作是对激光三角测量光学系统进行分析和设计，并通过实验来验证 理论分析的正确性和设计的可行性，主要内容包括： 从激光三角测量原理和实际测量要求出发，对直射式激光三角法的光学系统作理 论分析。采用半导体激光器作为系统的光源、平凸透镜作为成像透镜、高速线阵c c d t c d l 7 0 3 c 作为接收探测器，选择不同的光学系统参数，设计不同测量范围和分辨力 的测量系统。 在实验室环境下，搭建了激光三角测量系统，其中，高速线阵c c d 光电数据利 用实验室自行开发的基于u s b 接口的采集传输系统进行采集。实验中，通过被测物 位移变化量与激光光斑成像在线阵c c d 像元位置之间的对应关系，对测量系统进行 定标。结果表明，在设计的测量量程范围以内，最小分辨力优于2 0 n n ，符合理论设 计预期。 关键词：激光三角测量；光学系统；系统设计l 性能分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼置量曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼舅曼曼曼i i ,!- - 曼曼 a b s t r a c t a st h er a p i d l yd e v e l o p m e n to ft h er a i l w a y ，t h er e q u i r e m e n t so f s a f e t ya n dc o m f o r ta r e ，i n c r e a s i n g s ot h ed e t e c t i o no fr a i l w a yi n f r a s t r u c t u r eb e c o m e sp a r t i c u l a r l yc r i t i c a l t h e r e f o r e , r e s e a r c h i n gd e t e c t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi ss a m p l e e f f i c i e n ta n dc a nb eu s e di n t h er a i l w a yf i e l d ，b e c o m e ss i g n i f i c a n c e l a s e rt r i a n g u l a t i o n ，a sac o n v e n t i o n a ln o n c o n t a c t m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , h a sn os p e c i a lr e q u i r e m e n tf o rt h ed e t e c t e do b j e c ta n dc a nb e c a r r i e do u ti nh a r s he n v i r o n m e n t sc o m p a r e dt od i r e c t d e t e c t i o nt e c h n o l o g y i t i sw i d e l y u s e di nd i s p l a c e m e n t ，d i m e n s i o n ，a n da n g l em e a s u r e m e n t ，f o ri t ss i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，h i g h p e e d ，h i g hr e s o l u t i o n ，a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dr e a l t i m ep r o c e s s i n gc a p a c i t y i nt h i sw o r k a no p t i c a ls y s t e mf o rl a s e rt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d a n da n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ec o r r e c t i o nf o rt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df e a s i b i l i t yf o r t h ed e s i g na r ec o n f i r m e de x p e r i m e n t a l l y t h em a i n l yc o n t e n to ft h i sw o r ki n c l u d e s ： f i r s t l y , t h ep r i n c i p l e o fo p t i c a l s y s t e m o fd i r e c t i n c i d e n tl a s e r t r i a n g u l a t i o n m e a s u r e m e n ti sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yf r o ml a s e rt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n d p r a c t i c a lm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t am e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so fa s e m i c o n d u c t o rl a s e rs o u r c e ，a ni m a g i n gp i a n o - c o n v e xl e n s ，a n dah i g h s p e e dl i n e a rc c d t c d17 0 3 cr e c e i v e r , i sd e s i g n e d t h em e a s u r e m e n tr a n g ea n dr e s o l u t i o nf o rt h i ss y s t e m c a nb ev a r i e db ya d j u s t i n gr e l a t e dp a r a m e t e r s t h e n ，al a s e rt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi sb u i l ti nl a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t t h eh i 吐s p e e dl i n e a rc c dp h o t o e l e c t r i cd a t aa r ec o l l e c t e du s i n gt h ec o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h eu s bi n t e r f a c ed e v e l o p e db yt h el a b i nt h ee x p e r i m e n t , s y s t e mi sc a l i b r a t e db yt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n tv a r i a t i o n o fm e a s u r e do b j e c ta n dt h ep i x e lp o s i t i o no fl a s e rs p o ti m a g i n go nl i n e a rc c d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h em i n i m u mr e s o l u t i o ni sb e t t e rt h a nt h e2 0j _ t mi nt h er a n g eo f d e s i g n e dm e a s u r i n gs p a n ，w h i c hi sa c c o r dt ot h et h e o r e t i c a ld e s i g ne x p e c t a t i o n s k e yw o r d s ：l a s e rt r i a n g u l a t i o n ；o p t i c a ls y s t e m ；s y s t e md e s i g n ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼鼍曼! 蔓曼曼曼皇i 一一一； ；i 曼 第1 章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 在人类的日常生活中，测量占据了举足轻重的地位。随着科学技术和工业生产的 高速发展，人们对测量要求也越来越高，并开始向着高速、高精度、小型化、智能化 等方面发展。尤其近年来铁路跨越式的发展，对于铁路基础设施的检测要求也越来越 高。而传统的测量方式大多通过探针与被测物接触来达到测量的目的，这种方法虽然 精度能达到要求但还是有很多的局限性，比如它在测量过程中不可避免地会损伤被测 物表面引起测量误差；在一些环境恶劣的地方无法实施测量；而且这种方式测量速度 慢、效率低；测量系统复杂，难于操作。因此研究非接触式【1 l 澳, j j 量方法十分重要，也 是铁路无损检n t 2 】工作所迫切需要的。 作为一种先进的非接触式测量技术，光电检测技术【3 】具有高精度、高速度、远距 离、大量程、寿命长、数字化和智能化等特点。它以激光、红外、光纤等现代光电器 件为基础，通过对载有被测物体信息的光辐射( 发射、反射、散射、衍射、折射、透 射等) 进行检测，及通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放 大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过a d 变换和微机接口输入计算机运算、处 理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量【4 】。光电检测技术这种融合 了多种方式的非接触式测量技术已经成为现代检测技术的发展主流。 激光三角测量作为一种传统的光电检测方法，最原始的模型就是很久以前的灯塔 导航。这种测量技术具有结构简单、测量速度快、高分辨力、抗干扰能力强和实时处 理等优点【5 1 ，因此在自动加工、在线检测、实物仿形、军事等领域得到了广泛应用【6 1 们。 近年来随着激光器、光电探测器件和计算机的发展，激光三角法也有了很多新的发展 和应用，比如在预防地质灾害、铁路轮对测量和磁悬浮车悬浮高度的检测等方面的应 用”1 3 】，而且其测量速度和精度也在不断提高【1 4 】。 本文正是在这样的研究背景下，选择合适的器件，设计不同测量范围和分辨力的 激光三角测量系统。通过实验验证系统理论设计的可行性，探索激光三角测量的有效 途径，进一步扩展其使用领域。 1 2 国内外发展综述 1 2 1 国外发展现状 目前在1 訇# 1 - ，基于传统三角法的光学非接触式测量技术己经发展的比较成熟，并 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 且已经投入使用，市面上有相当多激光三角测量的成型产品。比较典型的激光位移传 感器有美国的m t i 公司的m i r o t r a k 系列；德国的m i c r o e p s i l o n ( 米铱) 公司的o p t o n c d t 系列和日本的k c y e n o e ( 基恩士) 公司l b 、l k 、l s 、l d 等系列，甚至有精度达到 纳米级的产品。 m t i t l 5 】公司的m i r o t r a ki i 系列已经代替了m i r o t r a k 7 0 0 0 ，采用c m o s 做为接受探 测器，是一体化的高速高精度激光位移传感器，它不受表面物体材质、颜色及发射光 源的影响，不再需要信号处理器就能独立完成操作。 德国米引1 6 】精密位移传感器中的o p t o n c d t 系列产品，线性量程大、高分辨率、 高线性精度，可多传感器同步，点式测量可检测微小部件。产品系列中1 3 0 0 、1 4 0 1 、 1 7 0 0 和2 2 0 0 系列，使用了高分辨率的c c d 及c m o s 数字感光片，1 6 0 7 系列使用了 高频p s d 模拟感光片。 日本基恩士【1 7 】生产的激光位移传感器种类比较多，应用广泛，在市场同类产品中 占有相当的比例。其中全新开发的l k g s 0 0 系列是超高速、超高精度c m o s 激光位移 传感器，具有超高的再现性0 0 0 5 m ，超高精度士0 0 2 ，超快的速度3 9 2 k h z 。还有 高精度、高速度、长距离的c c d 激光位移传感器l k - g 系列，它精度高达士0 0 2 ，再 现性达到0 0 1 肌，速度达到5 0 k h z ，最大的测量距离可达1 0 0 0 m m 。并开发了全新 阵容的智能传感器i 系列，如多功能c c d 激光测微仪i g 系列。表1 1 列出了国外几款 常见激光位移传感器的主要技术指标。 表1 - 1 国外几款激光位移传感器的主要技术指标 1 2 2 国内研究现状 在国外致力于减小产品测量误差和提高速率的时候【l 睨，国内对于激光三角法的 研究也相当活跃，主要分布在各科研院校，如天津大学、四川大学、长春光机所、华 中科技大学等【2 1 2 5 1 。其中，中科院合肥智能机械研究所研究的基于p s d 的激光三角测 距系统，准确度达到0 5 以上，线性度为0 1 t 2 6 】。但是上述激光三角测量系统在被 测表面的特性发生变化时，会出现不能稳定准确测量的问题，严重阻碍了该系统的应 用领域的扩大。华中科技大学的贾玉虎提出了一种c c d 实时增益技术，即每帧c c d 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曝光时间由光强本身决定，光强越大，则曝光时间就越短，反之则长，这种方法在一 定程度上解决了实时动态测量的精度问题【2 7 】。天津大学庄葆华教授等人利用光散射的 基本原理对激光三角测量系统中被测物体表面倾斜度对测量精度的影响进行了理论 分析，推导出了被测物体表面倾斜度与相应的测量误差之间的关系式，并在此基础上 提出了校正被测物体倾斜所带来误差的方法【2 争圮j 。另外还有很多关于激光三角法研究 的报导，主要集中在分析影响系统测量精度的因素和如何提高激光三角测量的应用范 围，减少测量环境、被测物体表面特性等因素对系统的影响等方面的理论研究【3 3 弓引。 目前国内大部分的研究都停留在实验室阶段，成型的产品比较少，较早的产品是 深圳光学测量有限公司【3 9 】和华科合作开发的l t 系列激光位移传感器，测量范围有 1 0 m m 、3 0 m m 、1 0 0 m m 、3 0 0 m m 四种规格。表1 4 列出了国产l t 系列激光位移传感 器的主要技术指标。近年来也有少数的公司开发的一些产品，如有北京飞拓信达激光 技术有限公司生产的型号为f t c j - a 的激光位移传感器，测量距离最大可达1 0 0 m ，精 度已经优于l m m 。北京金石激光科技有限公司专为工业测量市场设计的j s l a s e r a + 系列激光测距传感器，其精度也达到了l m m ，测量范围0 5 m - 5 m 。 表卜2 国产l t 系列激光位移传感器主要技术指标 1 3 本文的主要工作和结构安排 本文的主要工作包括理论分析和实验验证两个方面。在理论分析过程中，介绍了 激光三角测量的基本原理，并对相应的公式做详细的推导，同时比较了两种测量方式 的优缺点和各自的使用环境。对激光三角测量光学系统进行理论分析，对不同器件的 特点做比较，然后根据实际需求选择合适的器件和光学系统参数，设计不同的测量系 统。在实验验证中，为了实现激光三角位移的测量，对测量系统做合理的布局并模拟 测量系统搭建实验平台。采用c c d 数据采集卡和计算机可视化界面收集实验数据， 并对测量数据分析处理，最后给出实验结果，以验证理论分析的正确性。 论文的主要内容分为以下几部分： 第1 章：绪论。从非接触测量方法研究的紧迫性和重要性出发介绍了研究激光三 角测量方法的目的和意义，另外描述了国内外在激光三角测距领域的概况。最后陈述 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 了论文的主要工作和总体的框架内容。 第2 章：激光三角测量基本原理。介绍激光三角测量的基本理论，其中的关键是 著名的斯凯姆普夫拉格( s c h e i m p f l u g ) 条件，重点对直射式激光三角法做详细数值分 析。最后比较直射式与斜射式不同特点，根据实际测量要求选择直射式激光三角法作 为本文的测量方法。 第3 章：光学系统设计。分析比较各器件的特点和适用场合，选择合适光源、成 像透镜和光电探测器。然后对激光三角测量光学系统进行理论分析，从测量原理和实 际需求出发，选择合适的光学系统参数进行系统设计。最后介绍系统的组成与总体布 局，对测量系统进行结构设计。 第4 章：实验验证与系统分析。在介绍测量系统采用的光斑定位方法后，选择不 同的光学系统参数对测量系统进行实物装置模拟和实验验证。对测量数据进行处理和 分析，得出结果验证前面理论分析的正确性和系统设计的可行性。最后对系统做误差 分析，讨论可能的误差原因和改进方法。 最后是结论与展望、致谢、参考文献、附录和攻读硕士学位期间发表的论文。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章激光三角测量原理 三角测量法是一种传统的距离测量方法，具有悠久的历史。由于新的光电扫描技 术和阵列型光电探测器件的发展，加之微机的控制与数据处理，使这种传统的方法有 了很多新的进展及应用m 】。最简单的三角位移测量结构光系统由光源投射一个单光点 到被测物体表面，在另一个方向上通过观察成像光点的位置，从而计算出光源到物点 的距离。因为其投影光轴、成像光轴和光电检测器基线构成一个三角形，所以这种方 法被称为三角测量法。按照入射光线和被测物体表面法线间形成的角度，可分为直射 式和斜射式1 4 l l 。 2 1 直射式激光三角法 直射式测量光学系统如图2 1 所示。激光器发出的光束，经聚光后垂直入射到被 测物体表面上产生一光点，光点的一部分散射光通过接收透镜成像于光电检测器的感 光面上。如果被测物体沿激光光轴移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动，那 么光电探测器上的成像点也会相应随之移动，根据物象之间的关系从而确定被测物的 变化【4 2 1 。 图2 1 直射式激光三角测量光学系统示意图 图2 1 中： o 平面一被测物的基准位置： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 p 点一成像光点的基准点； 、 口一激光光轴与接收透镜光轴的交点到接收透镜主平面的距离，定义为工作距； 卜接收透镜主平面到成像基准点的距离，定义为像距： 口一激光光轴与成像光轴之间的夹角，定义为工作角； 步一光电探测器基线与成像光轴间的夹角，定义为成像角； 广成像光点相对于成像基准点移动的距离； r 被测物体相对于基准位置移动的距离。 我们将激光轴线与成像光轴的交点所在的位置作为参考位置，而这时像点的位置 就是测量的参考零点。根据图2 2 光斑成像示意图我们知道要使光斑在探测器上成清 晰的实像就要满足近轴透镜成像公式。即要满足下式： i 1 + i 1 = 7 1 ( 2 - 1 )一+ 一= 一 i z - l l 口 6厂 、 式( 2 1 ) 中：厂一接收透镜的焦距。 图2 - 2 光斑成像示意图 当被测物体沿激光轴线远离激光器时，即由光斑由0 点移动到0 1 ，对于透镜光轴 以外的光线，要想在光电探测器上成清晰的像也要满足成像公式，即 去+ 去f ( 2 - 2 )一+ 一= 一 f 2 2 1 q岛 。7 此时 兰1=a+ycosa(2-3)b 2 j l = - x c o s 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 由c 么q a c b p 。我们可以得到： 鱼：y s m a ( 2 - 4 ) 6 l x s i l l 联合( 2 1 ) 、( 2 2 ) 得到： 一a + b ：旦凸j 鱼鱼二竺：鱼 ( 2 5 )- 一i - 一， a b 口1 2 j i6 l ( 口一a 1 ) 口 、。 联合( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 得到： ( a , - a ) c o s f l ：a is i n f lj 刍鱼二尘：! 业 ( 2 6 ) ( 6 一岛) c o s 口2 j ls i n aa l ( 6 一岛) t a n 口 、。 显然由( 1 5 ) 、( 1 - 6 ) 可见： t a n 口：一b t a n 口 ( 2 7 ) 即： t a n 口：旦二t a n a( 2 8 ) 3 式( 2 8 ) 就是著名的斯凯姆普夫拉格( s c h e i m p f l u g ) 条件，也就是说激光轴线、物 镜主平面、光电探测器基线三者的延长线应该相交于一点( 或者三者相互平行) 。满 足式( 2 1 ) 、( 2 8 ) 的光路即为恒聚焦光路，这样的光路无论被测物体怎样移动成像光斑 都可以准确的落在接收探测器的感光面上，并且成清晰的像。 因为a c a q - a c s p , ，根据相似三角形各边的比例关系则有： 羔磐竺：a + y c o s a ( 2 9 ) 。一 i x s i n pb x c o s p 由此可以求出被测物的位移y 与光斑在c c d 成像面上的位移工间的关系式： y = 瓦石a x 丽s i n p ( 2 - l 。) 当被测物体沿激光轴线靠近激光器时，同样道理我们可以得到： y = 面两a x 丽s i n f l ( 2 1 1 ) 如果规定x 在被测物体远离激光器时取“+ ”，而靠近时取“一，贝j j ( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 就可综合为( 2 1 0 ) 式。这样z 用y 可表示为： 工：竺竺竺一 ( 2 一1 2 ) a s i n f l + y s i n ( a + ) 。 由式( 2 1 0 ) 可得激光三角测量物像位移关系如图2 - 3 所示。由图可见随着被测物 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 沿激光轴线远离激光器其相应的像点在光电探测器上的变化越来越小，即放大倍率逐 渐变小。而随着被测物靠近激光器其像点在光电探测器上的变化越来越大，即放大倍 率逐渐变大。 2 2 斜射式激光三角法 图2 - 3 物象位移关系图 斜射式激光三角测量光路图如图2 4 所示。激光器发射的光束以与被测物表面法 线成角度入射到被测物表面，接收透镜光轴与被测物表面法线成口：角度，反射光 经过接收透镜成像于光电探测器感光面上，而光电探测器基线与接收透镜光轴的夹角 为夕。 与直射式测量系统一样，激光光斑要在光电探测器成清晰的像点，光路也要满足 s c h e i m p f l u g 条件，即： t a n ( a l + 口2 ) = 二t a n ( 2 1 3 ) 同理由相似三角形各边之间的比例关系： (ycosai)sin(at+a2)：a+(ycosat)cos(a,+a2) ( 2 1 4 ) x s i npb x c o sp 可以得到y 与z 间的关系式： y 2 赢鬲石a x s i n 忑f lc o 丽sa i 而( 2 - 1 5 ) y - 面而i 万i 面再而 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼曼皇曼皇曼舅舅曼曼曼邑曼曼舅罡曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼詈曼曼曼皇皇曼曼鼍曼曼曼舅曼曼曼曼曼璺i 一一一。曼i 舅 图2 - 4 斜射式激光三角测量光学系统示意图 当口：= 0 时，物象关系就成变成： a x s i n 口 v = - ：一 。b s i n a l - x s i n ( a l + ) ( 2 1 6 ) 这时斜射式就变成了斜入射直接收式，其光路图如图2 5 所示。这种方式是斜射 式的特例，它弥补了斜射式体积大的局限性。 图2 - 5 斜射直接收式光路图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 直射式与斜射式特点比较 从以上原理分析，这两种方法都可以用来几何量和形貌的测量，但是使用的效果 肯定是不一样的，它们的主要区别有以下几个方面j ： 1 ) 斜射式测量系统中探测器接收的是来自被测物体表面的反射光，比较适合测量 表面反射率较高的物体。而直射式测量系统中探测器接收接收的被测物表面的散射 光，因此更适合于测量表面散射性较好的物体。但是其对光强有要求，因为如果散射 光强太弱，探测器无法感应就无法测量，这样就可能会出现测量盲区。 2 ) 直射式的优点是体积较小，而且光斑较小，光强集中，不会因被测物体的移 动而扩大光斑。比较式斜射式( 2 1 0 ) 与式( 2 1 5 ) ，在相同的口、b 、少的情况下，相同 的像点移动距离工值，斜射式的物体移动距离y 值比直射式的要小，可见斜射式的测 量系统传感器分辨能力高于直射式，但它的测量范围较小。而斜入射直接收式测量系 统的体积和直入射式相当，并且分辨力高于直射式，因此在小范围测量中较为常用。 3 ) 比较图2 1 与图2 4 显然斜射式在测量过程中激光投射在被测物体表面的不同 地方，因此不能直接给出被测物某点的位移，而直射式就可以直接测量出来。 由于只是做系统研究所以本文主要讨论结构简单的直射式激光三角测量系统。在 具体的应用中，应该根据实际情况，如被测面的粗糙度、工作距离、测量范围、安装 位置、精度要求等来决定选择哪种类型。 2 4 本章小结 本章首先介绍了激光三角测量的基本原理，并对相应的公式进行了详细的推 导，验证了激光三角测量的关键s c h e i m p f l u g 条件。对比两种测量结构的特点和适用 场合，选定直射式结构来做系统分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 曼曼曼曼量曼皇暑皇曼舅曼曼舅曼曼曼舅曼曼曼舅皇曼曼舅曼! 曼皇i 舅蔓曼皇曼皇曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼鼍曼曼蔓皇曼皇曼皇曼量笪舅曼曼曼皇曼曼曼皇曼鼍曼曼 第3 章光学系统设计 激光三角测量系统主要是由激光器、成像透镜、图像数据采集卡组成，而光学系 统包括光源发射系统和接收成像系统。由于本文只进行原理性的试验，对精度没有特 别的要求，所以没有对测量系统做机械设计和封装处理，也就是说在测量过程中除了 个别器件的固定其他的器件都是处在一个开放的环境中。 3 1 器件选择 激光三角测量系统是一种精密测量系统，所以对各器件的选择很关键。我们要根 据实际情况选择合适的光源、成像透镜及接收探测器等器件。 3 1 1 光源 由于激光具有方向性好、单色性好、亮度极高等特点，所以在光电检测系统一般 把它作为光源，比较常用的有氦氖气体激光器和半导体激光器。其中氦氖激光器是以 连续光输出的，而且它光束发散角小、稳定性好，但是氦氖激光器体积比较大、功耗 大、调节复杂。这与我们小型化测量系统设计的不符，所以在本文采用半导体激光器 作为光源。 半导体激光器是一种基于受激辐射的微小光源，与其他光源相比较，它具有重量 轻、体积小、功耗低、结构简单、发光效率高、易于集成、寿命长等优点，而且可以 直接应用直流稳压电源或电池来供电【“4 5 1 。选用半导体激光器作为光源很多程度上简 化了发射装置的设计，另外它的价格较低，所以在光电检测技术中半导体激光器是光 源的首选。 3 1 2 成像透镜 成像透镜的作用是将经被测物表面反射或散射的光束成像形成光点落在接收探 测器光敏面上，所以成像透镜的选择直接关系到光斑的质量，从而影响测量系统的准 确度。由于我们使用的装置底座没有进行紧密设计，系统不能做到很紧凑，并且设计 的系统测量范围较大，所以选择的透镜焦距不能很小。在本文中采用了两个不同焦距 的成像透镜来聚焦被测物表面的散射光，它们分别为大恒光电生产的型号 g c l - 0 1 0 1 3 8 焦距为6 0 r a m 的平凸透镜和型号g c l - 0 1 0 6 0 3 焦距为7 5 r a m 的双胶合透 镜，其结构如图3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 t c 睡 f “- 、， 、l - - 、 ，7 i 一 氏 ， f j 。 a ) g c l - 0 1 0 1 3 8 t c b ) g - c l - 0 1 0 6 0 3 图3 - 1 成像透镜结构图 图3 1 中：矽为透镜直径，f 为透镜焦距，以为透镜后焦距，t c 为透镜中心厚度，t e 为透镜边缘厚度。则透镜主要参数如表3 1 所示： 表3 1 接收透镜参数( 单位：m m ) 3 1 3 接收探测器 在激光三角测量系统中常用到的接收探测器件有位置敏感探测器( p o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r ，p s d ) ，电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) ，它们各有 各的优缺点。 1 ) 电荷耦合器件m 】( c c d ) c c d 是1 9 6 9 年由美国贝尔实验室研究发明的一种特殊的半导体器件，最初的目 的是想作为内存记忆用的，但意外发现c c d 有很好的光电成像效果。构成c c d 的基 本单元是m o s ( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r 金属一氧化物一半导体) 结构，一对m o s 充电电容和储电电容耦合成光敏单元，又称像素( p i x e l ) ，就是一个点。充电电容把 光信号转换为电能，储电电容不感光但可以储存电能。读取时将各个光敏元( 像素) 收到的光电能以电脉冲信号的方式一个个地送出。每一个脉冲信号只反映一个像素的 受光情况，脉冲幅度的高低反映该像素受光的强弱，读出的脉冲顺序可以反映像素的 位置【4 。m o s 的基本结构如图3 2 所示，它是在p 型s i 衬底表面上用氧化的办法生 成一定厚度的s i 0 2 ，再在s i 0 2 表面镀一金属层( 多晶硅) ，在衬底和金属电极间加上一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 鲁曼曼曼曼曼罡曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼曼皇曼舅舅i i i ；ii i i ； 一i i i 曼笪曼曼曼曼舅量曼曼曼曼毫 个偏置电压，就构成一个m o s 电容器。当有一束光线投射到m o s 电容器上时，光 子穿过电极及氧化层，进入p 型s i 衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量 而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子一空穴对，电子一空穴对在外 加电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是信号电荷。不同于大多数以电流、电 压为信号载体的传感器，c c d 电荷耦合器件最突出的特点就是以电荷为信号载体。 图3 - 2m o s 基本结构示意图 沟阻 线阵c c d 结构是由一列m o s 光敏元和一列移位寄存器并行构成，其结构如图 3 3 所示。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移，因此，c c d 的基本工作过程 是信号电荷的产生i 存储、传输和检测。它的分辨力受像元数目的影响，具有集成度 高、体积小、重量轻、稳定度高、测量重复性好、空间分辨率高、光电效应灵敏度高、 动态范围大、与计算机兼容性高等特点 4 s - 5 0 】。 | ，i 图3 3c c d 基本结构示意图 2 ) 位置敏感器件( p s d ) p s d 是一种基于非均匀半导体横向光电效应的新型光电位置敏感器件，是在2 0 世纪7 0 年代研制成功的。其半导体感光板上面有三根电极，一根连在它的背面，另 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 外两根连在两头。p s d 结构如图3 - 3 所示，p 型层在表面，n 型层在另一面，i 层在中 间。当一个点形状的光照在p s d 的光敏面距中心点石。处时，入射光转换成光电子由p 型层两端的电极探测并形成光电流、厶输出。此电流与光斑照在感光板上的位置有 关系，根据这两端流出电流进行比较可算出点形状的光照在板上的具体位置。 图3 4 p s d 器件结构示意图 p 层 l 层 n 层 与c c d 不同，p s d 探测的位置信号是以模拟量输出的，分辨力受入射光功率的 影响。它对光斑的形状无严格要求，即输出的信号与光的聚焦无关，只与光的能量中 心位置有关。p s d 的光敏面无需分割，消除了死区，可连续测量光斑位置。且具有位 置分辨力高、响应速度快和处理电路相对简单等优点。但是p s d 输出信号具有非线 性，它的线性度受到表层材料电阻率分布均匀性和有效受光面的影响，与c c d 相比 线性度较差，而且不能探测多个光斑。在实际测量中p s d 主要用于一维和二维位置 检测，直接用于三维定位和位置检测还有许多的问题需要解决，因此目前关于p s d 应用的研究比较多 5 1 - 5 2 】。 3 ) 线阵c c dt c d l 7 0 3 c 由于p s d 不能检测多个光斑，在本文设计中采用比较成熟的传统光电耦合器件 c c d 作为接收探测器。测量系统中选择的由t o s h i b a 公司生产的型号为t c d l 7 0 3 c 的线阵c c d ，其内部结构如图3 4 所示，它是由7 6 5 0 个光电二极管构成的光敏单元 阵列，其中前1 2 8 个和后1 6 个是用作暗电流检测而被遮蔽的，中间的7 5 0 0 个二极管 是有效光敏单元。t c d l 7 0 3 c 的电荷信号在转移栅的作用下并行的分奇、偶输出，并 行线阵c c d 在相同的驱动频率下可以获得更高速的信号输出速率，所以这类c c d 在 高速测量系统得到广泛的应用。并且t c d l 7 0 3 c 在输出电路上添加了钳位脉冲c p ， 使得电荷信号输出更稳定1 5 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 豁钳警冲? 搿2 啦驱警 s 地s 垭，佃 m c p r s 说b中l 晓伽2 s s 0 2 0 1 m l o i 蕃 复位脉冲驱动脉冲1 图3 - 5t c d i7 0 3 c 内部结构图 s h 移脉冲 t c d l 7 0 3 c 具有高灵敏度、低暗电流等优点。有效像元数目高达7 5 0 0 个，像元 尺寸为7 t m x 7 p m ，像元的中心距也为7 a , m ，则有效地成像长度为7 z m x 7 5 0 0 即为 5 2 5 m m 。其主要特性参数如表3 2 所示。 表3 - 2t c d l 7 0 3 c 的主要技术指标 本文采用基于c p l d 的数字电路驱动方法来驱动线阵c c d ，选用a l t e r a 公司 生产的e p m 2 4 0 t l o o c 5 n 芯片，使用了q u a r t u si i 软件来进行设计、仿真、编译和下 载到芯片e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 5 n 内来产生t c d l 7 0 3 c 的驱动时序【5 4 彤】，其驱动时序如图 3 6 所示。它包含5 路驱动时序信号，分别为转移脉冲s h 、驱动脉冲f1 和f 2 ；复 位脉冲r s 、钳位脉冲c p ，t c d l 7 0 3 c 的两输出信号o s l 与0 s 2 为并行输出，且输 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 出信号的频率与驱动脉冲和复位脉冲的频率相同。t c d l 7 0 3 c 的最高驱动频率可达 2 0 m h z ，等效数据率为4 0 m h z 。 蜘几! = 二二二= 二竺兰二二二二二习 一万齐阿甬甬最f j 斤斤斤汽齐衙斤斤f i r 一盖菁蓦罱盖蓦蒿蒿蒿菁禹蒿蒿慧r 0 2 聊b 几几几门几几几几几n 门几几r 6 | 几几几n 几ng 几几几几几nn 几n 几nn nn r 骼几nnnn nnnn n nnnn 几g nnn nn nn gnn nnnn nnnnnnnn n n c p 几nnn n 錾n n nnnnn nn 几岛n 几n 八nn nn nnn 八nnn n nnn n g 丌九 o s z 黼滕滕n 盂泳* 辩馨呲聊。 1 _ j 八_ j 1 - 哪nnnn 、nnn 、j 1 f 、丁【- 1 1 - p - n 、- j 1 p 二f 1 _ p - f 1 - f l j l = j 1 r l 了l n j l 晦几 3 2 光路设计 3 2 1 光学系统分析 图3 - 6t c d l 7 0 3 c 驱动时序 测量系统的灵敏度是用来描述测量装置对被测量变化的反应能力，用输出与输入 量的增量之比的极限来表达。而在激光三角测量系统中输出量是被测物位置变化时光 斑像点在探测器上的位移，则其灵敏度可以表示为： ： 坐：一d x s l i m ( 3 1 ) = = = 一 ( 3 1 ) 缈训少咖 。 测量系统的灵敏度越高，其测量范围越窄，就越容易受到外界干扰的影响，即测 量系统的稳定性就越差。 对第2 章测量原理中的式( 2 1 2 ) 两边求导得到直射式激光三角测量系统的测量灵 敏度如下： s ：d x ： ! 垒! 垫竺! ! 呈壁 ：(3-2) d y 【a s i n f l + y s i n ( a + ) 】2 从( 3 2 ) 式可以看出测量灵敏度s 与参数口、b 、口、夕、y 有关，又因为b 、少可以 用口、口、f 来表示，所以总的来说测量灵敏度由参数口、玑f 及测量距离y 决定的。 而y 的值在整个测量过程是变化的，所以在整个测量过程中测量灵敏度是个不定值。 图3 7 是在口、口、f 取定值的情况下测量灵敏度s 与测量距离y 之间的关系图，y 取正 值表示被测物表面远离激光器，否则表示靠近激光器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 7 测量灵敏度与测量距离的关系 由图3 7 可以看出测量灵敏度随着测量距离变大而变小，并且是非线性的，从图 中还可以发现s 的最小值发生在y 取正值最大处，把这个最小的s 记为趾，把它作 为测量系统的一个特性参数，在接下来的分析中提到的灵敏度都是指。 如果定义： m ：竺墅旦：塑里竺 s i n ( a + 夕)s i n ( a + ) 那么第2 章中的式( 2 1 0 ) 可简化为( 3 3 ) 式： ：兰(3-3)y 2 i 一 v x 根据( 3 3 ) 式可以得到简化物象关系如图3 8 所示。由图可见在被测物远离激光器 时，工的值越接近值n 时无论被测物移动多少探测器就上的像点都没什么变化，也就 是说探测器无法分辨物体的位移了，所以在这个方向测量范围受限。而从y 取负值即 被测物靠近激光器时，当被测物的位移趋向于m 时像点的位移趋于无穷，所以在这 个方向上移动的范围也有限制。所以在进行测量系统设计时在考虑测量精度的同时还 要考虑测量范围。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 y 。 l d 。 n x 7 - _ _ 一 一m 图3 - 8 简化后物象位移关系图 本文采用的高速线阵c c dt c d l 7 0 3 c ，其有效的成像长度为5 2 5 m m ，在测量整 个测量范围进行测量时可能不能完全的使用c c d 的所有的像元，那么下面讨论一下 在c c d 上的成像范围对测量灵敏度的影响。假设设计的系统量程为1 0 0 m m ，系统可 测量的最小被测物位移为l p m ，选择工作距a = 1 0 0 m m ，工作角a = 3 0 。，而像点在c c d 上的成像轨迹与灵敏度的关系如图3 - 9 所示。 图3 9 测量灵敏度与成像轨迹长度关系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 由图3 - 9 可知测量灵敏度s 随着像点c c d 感光面上上的成像轨迹长度的增大而 增大，所以在测量过程中要尽可能的充分利用c c d 的整个感光面，这种情况下的成 像一般称为最优成像。 3 2 2 光学系统参数选择 本文选用高速线阵c c d ( t c d l 7 0 3 c ) ，其有效的成像长度为5 2 5 m m ，由于在实际 系统搭建中精细程度不够，所以c c d 边缘检测误差较大，我们选择中间部分来作为 有效地成像区域。假设将c c d 的中心作为测量原点，取c c d 测量范围 f 2 3 6 2 5 m m ，2 3 6 2 5 m m ，根据第2 章的式( 2 一l o ) 可知成像在c c d 两端的像点所对应的 被测物位移分别为： = 瓦忑2 j 3 6 孺2 5 瓦xa 五s i n 而f l ( 3 - 4 ) - 2 3 6 2 5 x a s i n 、 y m i n 。bs i n a + 2 3 6 2 5x s i n l ( a 一+ f 1 ) 【3 。5 ) 则系统的测量范围为 y 曲，】，记r = y 麟- y 曲来反映测量范围的大小。另外 测量系统水平宽度上= ( a + b ) s i n a ，垂直长度h = b p o s a ，可见只有在工作角改变时两 者的变化趋势不同，在分析过程中本文只是分析水平宽度。 采用c c