激光位移傳感器的光學系統(tǒng)設計

莫仁蕓,朱萬彬,鐘 俊,陳 璇

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室,吉林長春 130033;2.中國科學院研究生院,北京 100039;3.長春理工大學,吉林長春 130022)

1 引 言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,激光位移傳感器作為高精度、高響應的非接觸測量儀器,在光電技術檢測領域得到了廣泛的應用。其采用的激光三角法原理在理論上已相當成熟,但在實際應用中還有一定的困難。由于三角法建立在理想成像的基礎之上,所以三角法能否準確實現(xiàn)還要依賴于所采用的光學系統(tǒng)。現(xiàn)階段,國外此類的高精度物鏡設計處于領先水平,并擁有比較成熟的產品,但其多透鏡組合與非球面的加工方式在制造成本上相當昂貴。國內對激光位移傳感器光學系統(tǒng)的研究主要還處于實驗性階段,尚沒有形成產品化。針對目前市場上對激光位移傳感器的廣泛需求,本文從簡單實用的角度出發(fā),利用 CODE V光學設計軟件對激光三角法進行實際光路模擬與優(yōu)化設計,形成了一整套具有優(yōu)良成像特性的光學系統(tǒng),為傳感器的產品化生產提供了理論依據(jù)。

2 激光三角法的基本光路

激光位移傳感器根據(jù)入射光角度的不同可分為直入射式和斜入射式兩種[1],本設計采用的是直入射式,其光路結構如圖1所示。

圖1 直入射式激光三角法結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser triangulation with nor mal incidence

整套光路可以分為兩部分,即整形系統(tǒng)和接收系統(tǒng)[2]。左邊部分是光束整形系統(tǒng),其作用是將激光器發(fā)出的光束匯聚在工作范圍內,使匯聚的光斑盡量小而均勻。光源為半導體激光器(LD),它經整形系統(tǒng)在測量范圍 50±10 mm內形成均勻的光斑。后面則是光束接收系統(tǒng),它將物體表面的漫反射光匯聚到光敏探測器上,使其精確成像。圖中α為被測面與成像透鏡光軸夾角,β為光敏探測器與光軸的夾角,do和di分別表示物距和像距。

3 光學設計

3.1 整形鏡設計

激光位移傳感器的測量精度容易受到被測物體表面特征的影響,為了減小測量誤差,在整形鏡設計中應盡量使出射光斑在有效的測量范圍內實現(xiàn)光斑小且均勻。針對傳感頭小型化設計的要求,半導體激光器體積小、重量輕的優(yōu)點正好符合這一要求,但其光束質量并不理想,需要對其進行光束整形。半導體激光器快慢軸的光束分布極不對稱:快軸發(fā)散角較大,半角的典型值為 30～40°,光束呈高斯分布,發(fā)光范圍的半寬度為0.6～0.8μm,慢軸發(fā)散角的半角典型值為 3～6°,光束分布不規(guī)則,發(fā)光范圍半寬度為 50～100μm。因此,在不允許能量損失的情況下,要求整形系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑 (NA)＞0.573;但由于光束的快軸能量呈高斯分布,通常取半寬度 (FWHM)為 20°,此時NA=0.342。系統(tǒng)物距應盡量小一些,但考慮到工藝問題,不宜過小,選定為 2.5 mm。為了便于設計,將系統(tǒng)倒置,整個系統(tǒng)的主要要求為:工作波長為 785±10 nm,像方 NA=0.342,像距l(xiāng)′=2.5 mm,物距l(xiāng)=40～60 mm,焦距f=3 ～4 mm。

要想在工作范圍內得到好的光斑質量,可采用柱面鏡或非球面實現(xiàn),另外波前編碼和切趾法在延拓焦深方面也有很好的效果[3,4],但這樣的光學系統(tǒng)相對較復雜,元件較多,不宜裝調,成本也會大大提高。因此,在精度允許的情況下,可考慮全部采用球面鏡,不考慮焦深延拓,用變倍的方法實現(xiàn)在 40、45、50、55、60 mm物距處光斑大小盡量均勻一致。根據(jù)光譜分布,設定中心波長權重為 3,邊緣波長權重為 1。要消掉少量的色差,系統(tǒng)至少需要兩片鏡片。根據(jù)以上要求選定了一個初始結構,經過優(yōu)化得到以下最優(yōu)設計結果。圖2為優(yōu)化后的鏡頭結構 (像距在 50 mm處)。表1為有效工作范圍內軸上視場的光斑大小分布。

圖2 優(yōu)化后的鏡頭結構Fig.2 Structure of lens after optimization

表1 光斑大小分布Tab.1 D istributions of spot sizes

從圖2的鏡頭圖可以看出,第二塊透鏡的半徑很小,主要是為了保證系統(tǒng)在整個工作范圍內得到相對均勻的光斑。表1給出了在工作范圍內光斑的直徑大小,最大為 0.4 mm,在靠近透鏡的一邊,最小為 0.08 mm,在 55 mm處。由于成像系統(tǒng)的入射光是整形部分光經過物體散射回去的,因此整形系統(tǒng)得到的光斑不能太小;同時為了保證精度要求,光斑也不能太大,上面的結果能夠滿足需求。

圖3 優(yōu)化后的成像光學系統(tǒng)Fig.3 Opt imized imaging system

3.2 成像透鏡設計

得到好的出射光斑以后,如何接收物體表面的散射光并使其精確成像,是確保激光位移傳感器精度的關鍵問題。在直入射式三角法測量中,物體沿激光入射方向移動,物面并不垂直于成像光軸。那么在透鏡成像過程中 (如圖1),由幾何成像公式可證明:

即為理想成像的 Scheimpflug條件[5]。要想達到理想的成像效果,光電探測器需依此條件放置。根據(jù)物體表面的散射特性,可確定入射光與成像透鏡光軸的夾角。激光入射到被測物體表面,散射光強度成橢球型分布[6]。當入射光垂直入射時,α值越小,成像透鏡接收到的散射光強度越大,但角度過小對探測器分辨率要求及制作工藝上都有較高難度,綜合考慮取α值為 21.8°,由儀器的測量范圍 ±10 mm可得到物距為53.85 mm。通常情況下,庫克三元組有很好的成像效果[7],因此選擇庫克三元組作為成像透鏡的初始結構進行優(yōu)化。優(yōu)化過程中以各個鏡片表面的半徑為變量,控制厚度在適當范圍,同時將像面與光軸的夾角β設為可變,采用 CODE V的橫向像差與波像差相結合的方式進行優(yōu)化,得到下面的結果。圖3為優(yōu)化后的成像光學系統(tǒng)。

從圖3所示的成像光學系統(tǒng)結構圖可看出,在整個物面并不垂直于光軸時,經過系統(tǒng)成像以后得到的像面也不垂直于光軸,與光軸存在一定的夾角β,設計的最終β優(yōu)化值取為 60.4628°,此時像面上可得到比較理想的光斑分布。在工作范圍內不同視場的散射光均能很好地成像于探測器。在圖4中可看到不同視場的成像光斑形狀,此點列圖表明成像光斑分布均勻,但還存在一定的剩余像差,主要為球差,光斑大小可見表2,光斑直徑在 20μm左右。同時根據(jù)設計結果可得像距為 33.092 mm,經計算 tanα/tanβ=0.6137,di/do=0.6145,此物鏡設計基本滿足于 Scheimpflug理想成像條件。

表2 像面上的光斑大小分布Tab.2 D istributions of spot sizes

圖4 成像光斑形狀Fig.4 Shape of image spot

4 結 論

本文在理論分析的基礎上,采用 CODE V光學設計軟件對激光位移傳感器的整套光學系統(tǒng)進行了分塊模擬,高質量地完成了對半導體激光器的光束整形及散射光的精確接收。該系統(tǒng)體積小、結構簡單、裝調方便;一體化的球面鏡設計,使生產成本大幅度降低,具有很好的應用前景。實際結果表明,該系統(tǒng)具有較高的可行性。

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