新型單面陣自由曲面光學測量方法成像特性仿真

萬瑾 李志陽 盧光義 陳南京

【摘 要】本文提出一種新型單面陣自由曲面光學測量方法，利用環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡與半反半透鏡構成T字型光路，完成單CCD面陣光線探測。該單面陣自由曲面光學測量方法結構緊湊，成本較多面陣光學測量方法大大降低，并能一定程序上減少物面傾斜造成的漏檢。用ZEMAX軟件對其探測器隨系統(tǒng)結構參數(shù)的變化進行仿真分析，以得到最佳系統(tǒng)設計，從而縮短系統(tǒng)設計時間。

【關鍵詞】ZEMAX非序列仿真 激光三角法 物面形貌測量

1 引言

在激光三角法位移測量方法的研究中，由于被測物面傾斜給測量帶來的誤差可達幾十微米[1]甚至漏檢。采用雙三角法可以一定程度上解決該問題。但實際應用中，無法保證雙三角法要求的激光束始終和被測量物體表面垂直。

針對此，本文引入環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡，提出一種新型單面陣自由曲面光學測量方法，利用半反半透鏡構成T字型光路，由單CCD面陣完成光線探測，這種結構緊湊的測量系統(tǒng)，不但降低測量系統(tǒng)成本，并能減少由于物面傾斜而無法進行激光三角測量法光學系統(tǒng)的激光束數(shù)量。本文用ZEMAX軟件對其探測器隨系統(tǒng)結構參數(shù)的變化進行仿真分析，以得到最佳系統(tǒng)設計，從而縮短系統(tǒng)設計時間。

2 光學系統(tǒng)各光學元件分析

2.1環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡的成像特性仿真

設計中所使用的環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡是取球反射鏡的一段做成平臺，在系統(tǒng)中將物面的漫反射光收斂再會聚在CCD上。在ZEMAX中，觀察點光源經(jīng)環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡反射后，經(jīng)透鏡會聚在接收器上的情況。圖1（a）為仿真的光學元件圖。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

圖 1點光源經(jīng)環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡反射由透鏡會聚到探測器

（a）環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡光學仿真系統(tǒng)結構；（b） 環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡半徑為20mm時探測器上光能量分布；（c） 環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡半徑為10mm時光能量分布；（d）會聚透鏡與內(nèi)反射鏡距離為40mm時光能量分布；（e）會聚透鏡與內(nèi)反射鏡距離為60mm時光能量分布。

仿真數(shù)據(jù)表明探測器接收到的能量峰值每次都出現(xiàn)在同一個光環(huán)上，如圖1（b）；內(nèi)反射鏡半徑為10mm，能量分布改變，總能量降低為0.73W，如圖1（c）；將會聚透鏡與環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡距離由原來的30mm增加到40mm，能量分布為圖1（d），增加到60mm，能量分布改變?yōu)閳D1（e）。因此，光環(huán)半徑大小反映系統(tǒng)中光學元件尺寸和距離變化。

2.2激光束準直數(shù)據(jù)優(yōu)化

激光發(fā)出的光束要經(jīng)過準直且進一步縮小光束直徑后入射物面。由于激光的準直性本身較好，在此，只考慮縮小激光光束直徑，即擴束入射光斑要盡量小且入射光線盡量與主光線平行，才可以更真實的反映物面一點的情況。因此應調(diào)整好激光準直的光線角度和光斑大小。在此用ZEMAX優(yōu)化設計光學元件的相互距離。

會聚透鏡為76.56mm曲率半徑的H-K9L雙凸透鏡，按照實際光學元件的參數(shù)，得到焦距73.635mm，愛里斑半徑5.766μm。準直透鏡為24.50mm曲率半徑的H-K9L雙凸透鏡，設置光源為無窮遠處的波長為632.8nm的平行光束，得到焦距22.198mm，愛里斑半徑9.778μm。

3 單面陣自由曲面光學測量方法實驗系統(tǒng)仿真

ZEMAX可仿真Sequential 和Non-Sequential 的成像系統(tǒng)和非成像系統(tǒng)。用ZEMAX的非序列模式搭建整個系統(tǒng)。

將元件7的鏡面反射改為朗伯反射，當物面與入射光束的光軸垂直，探測器能量分布仍然集中在中央，但在外圈有一個光環(huán)。光總能量與物面-入射光束的光軸夾角變化關系。物面與入射光束光軸垂直時，光環(huán)的半徑隨物面與內(nèi)反射鏡在光軸上相對距離的增加而減小。

4 結語

本文提出的新型單面陣自由曲面光學測量方法引入了環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡。用ZEMAX的非序列模式實現(xiàn)整個光學系統(tǒng)的仿真。對仿真數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，對于理想的漫反射物面，在實驗系統(tǒng)的真空參數(shù)條件下，探測器接收到的能量與損失的能量都會隨物面與入射光束的光軸夾角變大而減少，但在-30?～10?夾角范圍內(nèi)，接收到的能量變化不大，物面位移在5.5mm內(nèi)對接收到的能量也沒有明顯影響，光環(huán)的半徑隨物面位移的增大而減小。

參考文獻：

[1]金洪禹.基于光散射的三角法測量技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

福建省教育廳社會科學研究項目（JA13449）資助

作者簡介：萬瑾（1976—），女，漢族，湖北武漢人，博士，副教授，研究方向：光電應用技術與傳感器技術。