激光三角法測距原理研究

吳博文 馮國強(qiáng)

摘要：激光三角法測距是一種以激光為光源的非接觸式測量方法，其測量速度快、精度高，已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)檢測領(lǐng)域。本文首先介紹了激光三角法測距的基本原理;然后對不同的測量方案例如直射式和斜射式單點激光三角法測距進(jìn)行系統(tǒng)的分析和比較;其次對各個測量方案的優(yōu)缺點、各方案中采用的光電儀器的作用與優(yōu)劣，以及影響激光三角法測量結(jié)果的因素與其解決方法進(jìn)行了歸納和分析。

Abstract： Laser triangulation is a non - contact measuring method with laser as the light source. It has been widely used in the field of industrial production inspection. This paper first introduces the basic principle of laser triangulation method， and then analyzes and compares the different measurement schemes such as direct beam and oblique beam single point laser triangulation method. Secondly， the advantages and disadvantages of each measurement scheme， the functions and advantages and disadvantages of the photoelectric instruments used in each scheme， as well as the factors affecting the measurement results of laser triangulation method and their solutions are summarized and analyzed. Finally， an improved laser triangulation measurement scheme is designed and its feasibility and influencing factors are discussed. The development trend and prospect of laser triangulation are deduced.

關(guān)鍵詞：激光三角法;測距;直射式;斜射式

Key words： laser triangulation;distance;direct type;oblique type

中圖分類號：TN249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0242-03

0? 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在一些領(lǐng)域?qū)y量方面的要求越來越高越來越嚴(yán)格。而有時傳統(tǒng)的接觸式測量方法不能較好的完成這些測量任務(wù)，然而非接觸式測量方法卻可以在同等的測量條件下較好的完成測量任務(wù)。例如在極端的環(huán)境下進(jìn)行測量和狹小空間進(jìn)行微小測量等[1-2]。其中激光三角法測距技術(shù)是非接觸式測量方法中應(yīng)用較為廣泛的一種技術(shù)，其擁有以下優(yōu)點：①測量距離時，被測物體不會產(chǎn)生形變，測量精度提高。②在對精密物體進(jìn)行測量時被測物體表面不會產(chǎn)生磨損，降低了額外損失。③可以在一些極端的環(huán)境下完成測量任務(wù)。④測量速度快[5]。對于激光三角法測距的原理的研究可以為激光三角法的實際測量提供良好的指導(dǎo)作用。

1? 激光三角法測距的概念

1.1 激光三角法測距的原理

在使用激光三角法測距技術(shù)進(jìn)行測量時，一束激光照射在被測物體上發(fā)生散射或者反射（漫反射），之后散射或者反射的光用過接收透鏡成像于光電探測器上。當(dāng)被測物體位置發(fā)生移動時，在光電探測器上所成的像也會發(fā)生相應(yīng)的位移（該位移通過光電探測器確定）。然后通過幾何三角形確定被測物位移與像位移關(guān)系，就可以得到被測物體移動的距離[1]。光電檢測器件進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)化時，光斑越清晰則在對光電檢測器件輸出的電信號處理計算后所得到的光斑位置越精確[5]。故而在用圖1所示光路測量被測物體移動距離時，在測量過程中盡量要讓光斑保持在清晰的狀態(tài)。所以此時光路必須要滿足Scheimpflug條件。Scheimpflug條件：Scheimpflug（恰普斯基）條件又稱“交線條件”、“向甫魯條件”，是指為保證整個承影面上有清晰的構(gòu)像，使底片面、物鏡面和承影面相交于同一直線的條件。

如圖1所示，為直射式激光三角法測距。

設(shè)接收透鏡的光心為M，則由幾何關(guān)系可得：

由上圖可得：MO=a+y*cosβ，MO1=b-x*cosα，BO=y*sinβ，B1O1=x*sinα。將這些分別代入式（1）中可得：

所以被測物體移動距離y與光斑的移動位移x之間的運算關(guān)系為：y=。

Scheimpflug條件的推導(dǎo)過程如下：

在用圖1所示光路測量被測物體移動距離時，測量過程中始終光斑保持在清晰的狀態(tài)則：。聯(lián)立兩式可得：?（3）

由幾何關(guān)系可得：MO=a+y*cosβ，MO1=b-x*cosα。將之進(jìn)行變換可得：

聯(lián)立式（3）和式（6）可得：tanα*b=tanβ*a

所以Scheimpflug條件的表達(dá)式為：tanα*b=tanβ*a。

如圖2所示，為斜射式激光三角法測距。

由圖2中的幾何關(guān)系可得：?（7）

由圖2可以直接得知：BC=，B1D=x*sinβ，OC=L+，OD=L1-x*cosβ。將它們分別代入式子 （7）中可得：

y=?（8）

所以被測物體移動距離y與光斑的移動位移x之間的運算關(guān)系為：y=。

Scheimpflug條件的推導(dǎo)過程如下：

在用圖3所示光路測量被測物體移動距離時，測量過程中始終光斑保持在清晰的狀態(tài)則：。聯(lián)立兩式可得：?（9）

由圖2可直接得出：OC=L+，OD=L1-x*cosβ。將這兩個式子經(jīng)過變化后可得：

（10）

聯(lián)立式（7）和式（10）可得：

（11）

聯(lián)立式（9）和式（11）可得：

tan（α+γ）*L=tanβ*L1

所以Scheimpflug條件的表達(dá)式為：

tan（α+γ）*L=tanβ*L1。

1.2 激光三角法測距的優(yōu)缺點分析

①直射式單點激光三角法測距的優(yōu)缺點分析。

使用直射式激光三角法測量物體位移時，光電探測器只能接受散射光，且有時會由于散射光過于弱小而導(dǎo)致光電探測器輸出信號過于弱小而導(dǎo)致測量無法進(jìn)行。只能用于測量散射性好的物體，例如表面粗糙的物體和形狀不規(guī)則物體，而不適用于測量較為光滑物體。其分辨率相對較低，但其測量范圍相對會相對較大，且更容易操作和實現(xiàn)實驗?zāi)康腫1-2]。

②斜射式單點激光三角法測距的優(yōu)缺點分析。

使用如圖2所示光路測量物體距離時，光電探測器主要接收來自物體表面的反射光，不會出現(xiàn)由于光的強(qiáng)度過于弱小而導(dǎo)致光電探測器輸出信號過于弱小而導(dǎo)致測量無法進(jìn)行情況，適用于測量表面光滑的物體。其分辨率相對較高但是其測量范圍相對會相對較小，在實驗時不易操作且斜射式激光三角法系統(tǒng)所占空間相對較大。當(dāng)被測物體表面發(fā)生移動時入射光光點照射在物體表面不同的點上，從而無法得知被測物體表面某一點的位移情況，故而斜射式激光三角法不能用于測量不規(guī)則物體[1-2]。

1.3 激光三角法測距的常規(guī)應(yīng)用

如圖3所示為激光三角法測距的常規(guī)應(yīng)用方法。

令某一束散射光經(jīng)過接收透鏡光心射到光電檢測器件上這道光線與光電檢測器件夾角為α。由圖3可直接得到tanα=，由幾何圖形可得Z=b*tanα，則聯(lián)立兩式可得Z=。在該光路中b，f是已知量。物體移動的位移是被測物體移動后Z的量減去被測物體移動前的Z量。

這種表述方式的優(yōu)缺點分析：

其原理與操作過程較為簡單。這種表述方式中不需要測量角度，這避免了在測量角度時人為因素產(chǎn)生的誤差，并且只要高準(zhǔn)確度的標(biāo)定b和f值就可以保證一定的測試不確定度。但是這種表述方式中不滿足Scheimpflug條件，所以在測量過程中光電探測器上的光斑無法保證保持清晰的狀態(tài)，這會影響最終所得的被測物體移動距離的結(jié)果，給測量帶來誤差。

2? 測量時重要的儀器選擇

①激光器的選擇：一般選擇常見的可見光半導(dǎo)體激光器。激光口徑越小最終在光電探測器上所形成的光斑就會越小，則確定的光斑位置就越準(zhǔn)確，這有利于減小實驗誤差。半導(dǎo)體激光器射出的激光口徑要小于He-Ne激光器射出的激光所以應(yīng)當(dāng)選擇半導(dǎo)體激光器，則在測量時一般會選擇可見光半導(dǎo)體激光器。

②在激光三角法測距過程中最重要的一步就是通過光電檢測器件將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并對輸出的電信號進(jìn)行處理與運算。在這個過程中一般選用光電檢測器件的都是電荷耦合器CCD （一般是線陣CCD）或者位置敏感器PSD[1][4]。

①CCD是由很多像元組成光敏器件，CCD最基本的構(gòu)成單元為MOS電容器。其工作原理分為：電荷儲存、電荷耦合、電荷的注入與檢測。其在位置信息測量時，其優(yōu)點在于測量精度高、穩(wěn)定、線性度高。缺點在于：電路復(fù)雜和成本相對高。在選用光電探測器時應(yīng)考慮這些問題[1]。

②PSD的主要作用是測量光點的連續(xù)位置，是一種非分割型器件。其工作基本原理是：當(dāng)一束光照射在PSD感光面上P層時，在被照射位置產(chǎn)生光能量對應(yīng)的電子—空穴對流過P層電阻，連接在感光面板兩端的電極上就會有電流產(chǎn)生，兩端電流的差異和光點在感光面上的位置有關(guān)。其優(yōu)點在于：響應(yīng)速度快，位置分辨率較高，處理電路簡單。[3]缺點在于：由于是模擬信號輸出，A/D轉(zhuǎn)換后失真較大，以及零位變化范圍大，容易受環(huán)境光影響，在選用時應(yīng)考慮這些問題[1]。

③其他儀器的選擇：1）準(zhǔn)直透鏡和接受透鏡選凸透鏡。2）被測物體選擇白屏。3）MATLAB軟件。

3? 測量方案的選擇

根據(jù)以上分析，對斜射式激光三角法測距進(jìn)行改良，改良后其光路為圖4。

類比斜射式激光三角法測距可得被測物體移動距離與光電檢測器件的運算關(guān)系式為：

Scheimpflug條件為：tanβ*a=tanα*b

方案分析：有效地解決了實驗所占空間較大的問題，并且在測量時操作難度相較于改進(jìn)前稍有降低。在測量距離時需要測量的角度有所減少，可以減少實驗誤差。分辨率相對會較高，但是其測量范圍相對會相對較小。

4? 影響測量的因素

影響激光三角法測量的因素主要有：測量過程中系統(tǒng)的放大率的變化、環(huán)境的溫度與濕度對空氣折射率的影響、激光束強(qiáng)度分布不好、光電檢測器件固有的誤差與分辨率、被測物體表面的粗糙度、被測物體表面顏色、激光的穩(wěn)定性、測量時方案選擇不當(dāng)與操作有誤等因素。

①在測量時由測量過程中系統(tǒng)的放大率的變化而引起的誤差。可以采用定點標(biāo)定和插值來削減誤差。

②由環(huán)境的溫度與濕度對空氣折射率的影響而導(dǎo)致的誤差?？梢圆捎秒p光路結(jié)構(gòu)或者標(biāo)準(zhǔn)點校正方法來消除誤差。

③由激光束強(qiáng)度分布不好、被測物體表面的粗糙度而產(chǎn)生的誤差。保證激光束的質(zhì)量和采用信號峰值求光斑中心位置，或采用全數(shù)字處理來消除誤差。

④由被測物體表面顏色所引起的誤差。在標(biāo)定傳感器側(cè)頭時與測量時的被測物體顏色保持一致來避免該誤差。

⑤由激光的穩(wěn)定性不佳導(dǎo)致的誤差?？膳c通過光學(xué)雙穩(wěn)裝置來穩(wěn)定光源的光強(qiáng)以減小誤差。

⑥由在測量時方案選擇不當(dāng)與操作有誤而導(dǎo)致的誤差，應(yīng)在測量前分析當(dāng)前情況選擇合適的測量方案，測量時要仔細(xì)和小心操作[7]。

5? 總結(jié)

本文在研究激光三角法測距的原理的過程中對激光三角法測距的已有光路與重要器件進(jìn)行分析，找出各方案的特點。在該過程中，知道了所需重要儀器工作的原理和它們各自優(yōu)缺點與它們各自對測量結(jié)果有何影響。掌握激光三角發(fā)測距時被測物體移動位移與光斑位移之間的運算關(guān)系式的推導(dǎo)能力。找到影響激光三角法測距結(jié)果的因素，提出解決這些因素對測量結(jié)果的影響的方法，減小測量時所產(chǎn)生的誤差。這些可以為激光三角法測距的實際操作提供良好的指導(dǎo)作用。

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[6]常誠，張志峰.激光三角法測量的誤差研究[J].中國科技信息2006，2（2）：6-11.

[7]吳劍鋒，王文，陳子辰.激光三角法測量誤差分析與精度提高研究[J].機(jī)電工程2003，20（5）：89-91.

作者簡介：吳博文（1998-），男，湖北黃岡人，本科;馮國強(qiáng)（指導(dǎo)老師）。