小型激光三角探頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第 3 5 卷第 4 期2 0 1 2 年 l 2月長(zhǎng)春理工大 學(xué)學(xué)報(bào) ( 自然科學(xué)版 )J o u r n a lo f C h a n g c h u n U n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n )Vo 1 ． 3 5No ． 4De c ． 2 0l 2小型激光

2、三角探頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 閏力 口 俊 ，安志勇 ，高璃含 ( 長(zhǎng)春理_ T大學(xué) 光電T程學(xué) 院，長(zhǎng)春 1 3 0 0 2 2 )摘 要 ：分析 了激光三角法測(cè)距的基本原理和物像位 移的關(guān) 系，利用光 學(xué)設(shè)計(jì)軟件 Z E MA X設(shè)計(jì) 了激 光三角探 頭 中光源整 形 光學(xué) 系統(tǒng)和成像 光學(xué) 系統(tǒng) ，通過(guò) Z E MA X軟件 的優(yōu)化功 能對(duì)光 學(xué)系統(tǒng) 的像 差進(jìn)行 了優(yōu)化 ， 使 其滿足 系統(tǒng) 對(duì)像 差的要 求。從設(shè)計(jì)的結(jié)果來(lái)看 ，該套光

3、學(xué) 系統(tǒng)滿足使 用要 求，并且 實(shí)現(xiàn) 了激光三角探 頭結(jié)構(gòu)的小型化和緊湊化。關(guān)鍵詞 ：非接觸測(cè)量 ；激光三角法 ；整形 光學(xué)系統(tǒng) ；成像光學(xué) 系統(tǒng) 中圖分類號(hào) ：T H 7 6 1 ． 2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： A文章編號(hào) ：1 6 7 2 — 9 8 7 0 ( 2 0 1 2 )0 4 — 0 0 3 8 — 0 4Th eOp t i c a lS y s t e m De s i g no f aM i n i a t u r i z

4、 a t i o nLa s e rTr i a n g u l a t io nPr o be a s e r1r i a n R ' u l a t i o nt ' r o D eY A NJ i a j u n ， A NZ h i y o n g 。G A OY u h a n( S c h o o lo fP h o t oe l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ，

5、C h a n g c h u nUn i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， C h a n g c h u n1 3 0 0 2 2 )Ab s t r a c t ： Th i sp a p e ra n a l y z e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fl a s e rt r i a n g u l a t i

6、o nr a n g i n ga n dd e r i v e dt h ef o r mu l ab e t we e nt h eo b — —j e c ta n dt h ei m a g eo ft h el a s e rt r i a n g u l a t i o n ． D e s i g n e dal a s e rp l a s t i co p t i c a ls y s t e ma n da n i

7、m a g i n go p t i c a ls y s t e mb yo p t i c a ld e s i g ns o f t wa r eZ EM AX． Us i n gt h eo p t i mi z a t i o nf u n c t i o no ft h eZ EAMX， t h ea b e r r a t i o no ft h es y s t e m h a sb e e no p t i mi z

8、 e dt ome e tt h ea b e ra t i o nr e q u i r e me n t so ft h es y s t e m． Fr o m t h er e s u l t so ft h ed e s i g n ， t h eo p t i c a ls y s t e msme tt h er e q u i r e me n t sa n da c h i e v e das ma l la n d

9、c o mp a c ts t r u c t u r eo ft h el a s e rt r i a n g u l a t i o np r o b e ．K e ywo r d s ： n o n —c o n t a c tme a s u r e me n t ；l a s e rt r i a n g u l a t i o n；p l a s t i co p t i c a ls y s t e m ；i ma g

10、i n go p t i c a ls y s t e m 激光三角探頭是基于激光三角法測(cè)距原理的一 種精密測(cè)量?jī)x器。激光三角法測(cè)量技術(shù)是利用激光 的高度定 向特點(diǎn) ， 將被測(cè)物體表面參數(shù)信息的光學(xué) 信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) ， 再經(jīng)過(guò)計(jì)算 機(jī)處理后 ， 就可 以得到物體表面參數(shù)信息的變化結(jié) 果 。由于激光三角法測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量精度高 、 實(shí) 時(shí)在線處理能力強(qiáng) 、 自動(dòng)化 、 智能化程度高等優(yōu)點(diǎn) 。， 廣泛應(yīng)用于精密位移測(cè)量 、

11、 輪廓形狀檢測(cè)等測(cè)量 領(lǐng)域中。本文的研究 目的是根據(jù)激光三角法測(cè)量原理研 制一種小型化的激光三角探頭。利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 Z E MA X對(duì)激光 角探頭中的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì) ， 設(shè)計(jì)一套結(jié)構(gòu) 緊湊 、 口徑較小 、 成像效果優(yōu) 良的 光學(xué)系統(tǒng)作為激光三角探頭中的光源整形光學(xué)系統(tǒng) 和成像光學(xué)系統(tǒng)。文中主要研究了激光j角法測(cè)量 技術(shù)的基本原理 以及物像位移關(guān) 系； 利用光學(xué)設(shè)計(jì) 軟件Z E MA X設(shè)計(jì) 了激光三角探頭 中的激光光源整

12、形光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng) ， 并對(duì)所設(shè)計(jì) 的光學(xué)系 統(tǒng) 的像差進(jìn)行了優(yōu)化 ， 獲得 了優(yōu) 良的成像質(zhì)量 ， 并且 實(shí)現(xiàn)了激光三角探 的小型化。1 激 光三角法測(cè)量原理 激光三角法是一種非接觸式測(cè)量方法 ， 利用光 電探測(cè)器將物體位移量 的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) ，經(jīng)過(guò)后續(xù) 電路處理后 ， 將物體 的位移以數(shù)字形式輸 出， 基本原理如圖 1 所示 ， 光源發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直和 聚焦光學(xué)系統(tǒng)后人射 到被測(cè)物體表面上 ， 經(jīng)該點(diǎn)漫 反射的光通過(guò)成

13、像光學(xué)系統(tǒng)后成像在光 電接收的光 敏面上 ， 當(dāng)被測(cè)物體沿著光入射方向移動(dòng)， 或者表面 收稿 日 期 ： 2 0 1 2 - 0 3 - 0 5作者簡(jiǎn)介：閆加俊 ( 1 9 8 5 ) ，男，碩士研究生，主要從事小型激光三角探頭的研究，E - ma i l ： y a n j i a j u n 1 9 8 6 @s i n a ． c o m通訊作者 ：安志勇 ( 1 9 4 3 一 ) ，男 ，教授 ，博士生導(dǎo)師，主要從事光 電測(cè)控