激光扫描和接收装置的研制

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.04.015 北京钢铁学院学报 1983年第4期 激光扫描和接收装置的研制 物理教研室宋贤珠龚育良徐文华 摘要 当澈光照射到金属袁面时，其反射光形成特有的衍射象，检出这种行射象的 形状和分布就可检测表面的粗糙度状态及其它各种缺陷。本文研制的装置是为了 开展自动检测薄纲带表面质量的研究而设计制作的。为了提高扫描光点的分辨 率、改兽扫描的线性，扫描器采用了扩束装置和F-日镜头。对扫描器的核心元件 “旋转多面镜的设计进行了理论计算，推导了半径和面数的设计公式，并提出 了扫描效果的合理取值问题。接收器采用了大面积的圆一直变断面光导纤维传光 束。 在实验宣对廿辊轧制的薄钢带表面情况进行的检测试验表明，本文介绍的装 置可以检测钢带表面上线度在10μ以上的缺陷。 一、前 言 激光扫描虽然还是相当新的技术，但已广泛应用于记录系统，光学文字识别、胶片阅 读器，传真机、全息存贮和寻址等许多方面。以激光扫描为基础的测量和检验具有无接 触、高速度、准确度高、易与电子技术相配合等优点，因此它在现代化工业生产和科学研 究中也获得了广泛的应用。 如图(1)所示，当激光照射到金属等粗糙表面上时，直接观测其反射光，就可以看到 由于表面粗糙所造成的特有的衍射象，此种衍射象与表面粗糙度的相关函数的统计特征相 对应，检出这种衍射象的形状和分布，就可以检测表面粗糙度的状态1]。用激光束扫描 图1激光在粗楂表面上的衍射 正在轧制过程中的金属表面，通过一定的接收装置和数据处理，显示记录系统就可以测 136

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 激光扫描和接收装置的研制 物 理教研 室 宋 贤珠 龚 育 良 徐 文 华 摘 要 当浓光 照射 到金 属表 面 时 ， 其反 射光形成特 有的衍射 象 ， 检 出这 种衍 针 象的 形状 和 分布 就 可检 浏表 面 的粗耗度 状 态及 其 它各种 缺 陷 本文研 制 的装 置是 为 了 开展 自动检 浏薄纲 带表 面 质量 的研 究 而 设 计制 作 的 为 了提 高扫 描 光 点 的 分 辫 率 、 改 菩扫描 的 线性 ， 扫描 器采 用 了扩 束装 置 和 一 镜 头 对扫描 器 的核 心 元 件 一 旋转 多面 镜 的设 计进 行 了理 论 计算 ， 推 导 了半径 和 面数 的设 计公 式 ， 并提 出 了扫 描 效果 的合 理取位 问题 接收 器 来 用 了大 面 积 的 圆一直 变 断 面 光 导纤维 传光 束 。 在实验 室对廿 棍札 制 的薄钢 带表 面情况进行 的检 试验表 明 ， 本文介 绍 的装 兰 可 以 检浏 钢 带表面 上 线度在 协以 上 的缺 陷 一 、 前咭咭 吉分曰 激光扫描虽然还是相当新的技术 ， 但 已广泛应用于记录系统 ， 光学文字识 别 、 胶 片阅 读器 ， 传真机 、 全息存贮和 寻址等许多方面 。 以激光扫描为基 础 的测量和检验 具 有 无 接 触 、 高速度 、 准确度高 、 易与电子技术相配合等优点 ， 因此它在现代化工业生产和科学研 究 中也获得了广泛 的应用 。 如 图 所示 ， 当激光照射到金属 等粗糙表面上时 ， 直 接观测其反射光 ， 就可 以 看到 由于表面粗糙所造成的特有的衍射象 ， 此种衍射象与表面粗糙度的相关函数 的统计特征相 对应 ， 检出这种衍射象的形状和分布 ， 就可 以检测表面粗糙度 的状态 〕 。 用激光束扫描 芦 图 激光在粗糙表面上的 衍射 正 在轧制过程 中的金属表面 ， 通 过一定的接收装置和 数 据 处理 ， 显示记录系 统就可 以测 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．04．015

量轧制金属板表面的光洁度、平直度、宽度和各种缺陷（坑、槽、刀痕、小孔、油污）， 也可以测量检验其它对表面质量要求高的产品如高级纺织品，显象管屏幕用玻璃等。因此 在生产过程中用激光连续扫描表面的光导自动检测技术是现代各种视觉检查中规模最大、 技术最发展的领域[2]。激光扫描和接收装置就是这类自动检测技术中最基本最主要的装 置。本装置正是主要为开展自动检测薄钢带表面质量的研究而研制的。 本装置是参照1977年日本三菱电机简报刊登的“用激光自动检查金属表面的装置”一 文中检测头部的基本构成图加以改进设计而成的。我们用旋转多面镜代替了振动镜，为了 改进扫描的线性，采用了F-日镜头，接收器采用了大面积光导纤维传光束。我们在实验室利 用这套装置初步进行了钢带小孔和宽度测量的研究，证明扫描器性能稳定可靠，光导纤维 接收装置的透光率等基本满足表面质量检测研究的要求。 二、激光扫描器 1.原理和构成 图(2)为我们研制的激光扫描器的照片，其结构原理如图(3)所示。 图2激光扫描器照片 12 13 1He一Ne激光器2反射镜3扩束准直系统4反射镜 5旋转12面棱镜6F-0透镜7微光电源8测频探头 9扫描电机10电机电源11微光电颈调节12电机电流指示 13电机电压诚节（调频）14反射镜 图3激光扫描器结构原理图 137

量轧制金属板表面 的光洁度 、 平直度 、 宽度和各种缺陷 坑 、 槽 、 刀痕 、 小 孔 、 油污 ， 也可以测量检验其它 对表面质量要求高的产 品如高级纺织 品 ， 显 象管屏幕用玻璃等 。 因此 在生产过程 中用激光连续扫描表面 的光导 自动检测技术是现代各种视觉检查 中规模最大 、 技术最发展的领域 〔 “ 〕 。 激光扫描和接收装置就是这类 自动检测技术中最基 本最主 要 的装 置 。 本装置正 是主 要 为开展 自动检测薄钢带表面 质量的研究而研制的 。 本装置是参照 年 日本三 菱 电机简报刊登 的 “ 用激光 自动检查金属表面 的装置” 一 文中检侧头部的基本构成图加以 改进设计而 成的 。 我们用旋转多面镜代替了振动镜 ， 为了 改进扫描的线性 ， 采用 了 一 镜头 ， 接收器采用 了大面积光导纤维传光束 。 我们在实验室利 用这套装置初步进 行了钢带小孔和宽度测量的研究 ， 证 明扫描器性能稳定可靠 ， 光导纤维 接收装置的透光率等基本满足表面质量检 测研究 的要求 。 二 、 激光扫描器 原理和 构成 图 为我们研制的激光扫描器的照片 ， 其结构原理 如图 所示 。 图 激光扫描器照片 厂一 一 一 激光器 反 射镜 扩束准直系统 反射镜 旋转 面梭镜 一 透镜 激光 电源 侧频探头 扫描电机 电机 电源 激光 电源 调节 电机电流指示 电机电压调节 调频 反射镜 图 激光扫描器结构原理图 注

、为了检验轧制金属板的表面质量，要求激光束在平面上一定宽度内作均速扫描，并且 具有一定的分辨率。这是对激光扫描器的基本要求。由H一N2激光器射出的光束经反射 镜投射到由倒置望远镜组成的准直扩束系统，准直扩束后的光束经反射镜4投射到12面旋 转桉镜上，旋转镜由电机带动作高速旋转。由于反射光束的角位移是旋转镜角位移的两倍， 因此当旋转镜转动一个面（旋转衡一个面角即39）时，其反射光完成一次扫描。扫描光 束通过F一日镜头.（聚焦平场透镜组）便得到一个聚焦很好的平场扫描光点。扫描频率可 通过调节电机电压改变电机转速来实现。8是测频探头，用来测量扫描频率。为了能调节 扫描光束投射到金属表面的入射角，在扫描器出射口按装了一个可转动的反射镜。 为了能检测运动的薄纲带的表面光洁度和小孔等缺陷，扫描光点必须有较高的分辨 率。直接用He-Ne激光器输出的激光束进行扫描聚焦是不能满足这一要求的。所以我们在 扫描前先用倒置望远镜进行准直扩束，光班扩束约13倍，准直距离约增大170倍。 关于聚焦平场透镜组。在普通校正畸变的摄影物镜中，如图(4)所示，扫描复盖度 1=2ftg0,式中f为透镜焦距，20为总 扫描角，扫描光点的速度为 u== (2ftg0) =_2f、d0.4rnf =cm20 df=cm20 式中n为旋转镜转速。由此可见，扫描 速度是不均匀的。为了得到匀速扫描， 必须使实际的扫描复盖度为1'=2f0, 图(4) 即故意让透镜组产生正的桶形畸变，使 实际扫描点位置1'比理论扫描点位登1小信，也就是产生一个大小为(30-9)的线 畸变。这样扫描速度为 di=2r df=4xnf 可见扫描速度是恒定不变的。透镜的这种作用叫平场。透镜组的另一作用是将入射光束聚 焦成很小的光班。所以这种透镜组称为F-0镜头。 旋转多面棱镜是扫描器的核心。由于我们采用物镜前扫描，因此多面镜的按装位置精 确度要求并不高。但它的转速的稳定，转动的平稳直接影响扫描频率的稳定和扫描线的质 量。因此电机的电源必须采用稳定度高的稳压电源，以保证转速的稳定。旋转镜和电机转 轴之间采用锥形配合，以保证有较好的同心度。旋转镜必须严格的保持在水平面内旋转， 否则将引起扫描线的波动。此外电机和旋转镜要尽可能减小振动，其它部件和机架的固有 频率应远离扫描频率，，以防发生共振现象，严重影响扫描质量。 光源采用一般的小功率(1~3mw)He-Ne激光器，反射镜采用一般的玻璃平面反射 镜。 2.光路计算 138

、 为 了检验轧制金属板的表面质量 ， 要求激光束在平面上二定宽度 内作均速 扫描 ， 并且 具有一定的分辨率 。 这 是对激光 扫描器 的基本要求 。 由 一 激光 器射出的光束经 反 射 镜投射到 由倒置望远镜组成 的准直扩束系统 ， 准直扩束后 的光束经 反射镜 投射到 面旋 转棱镜上 ， 旋转镜 由电机带动作高速旋转 。 由于反射光束的角位移是旋转镜 角位移的两倍 ， 因此 当旋转镜转动一个面 旋转镜一 个 面 角即 时 ， 其反射光 完成一 次扫描 。 扫描光 束通过 一 镜头 聚焦平场透镜组 便 得到 一个 聚 焦很好 的平场扫描光点 。 扫描频率可 通过调节 电机 电压改 变龟机转速来实现 。 是测频探头 ， 用 来测量 扫描频率 。 为 了能 调 节 扫描光 束投射到金属表面 的入射角 ， 在扫描器出射 口 按装 了一个可转动的反射 镜 。 为 了能检测运动的薄纲 带的表 面光洁度和小孔等缺陷 ， 扫描光点必须有较 高 的 分 辨 率 。 直接用 一 激光器输出的激光 束进行扫描聚焦是不 能满足这一要求的 。 所 以我们在 扫描前先用倒置望远镜进 行准直扩束 ， 光班扩束约 倍 ， 准直 距离约增大 倍 。 关于 聚焦平 场透镜 组 。 在普通校正 畸变的摄影 物镜 中 ， 如 图 所 示 ， 扫描复 盖 度 ， 式 中 为透镜焦距 ， 为总 扫描 角 ， 扫描光点的速度为 八奋月 一 它，， 一 曰 ︸了几‘万 一 一 北 图 式 中 为旋转镜转速 。 由此可见 ， 扫描 速度是不 均匀的 。 为 了得到匀速扫描 ， 必须使实际 的扫描复盖 度 为 尸 二 ， 即故意让 透镜组产生正 的桶 形 畸变 ， 使 实际扫描点位置 ， 比 理 论 扫描点位置 小去倍 ， 也就是产生一 个大小为 于。 的线 吕口 畸变 。 这 样扫描速度 为 狱一 二 ， 下 兀 可见扫描速度是恒定不 变的 。 透镜 的这种作用 叫平场 。 透镜组 的另一 作用 是将入射光束 聚 焦成很小的光班 。 所 以这种透 镜组称为 一 镜头 。 旋转多面棱镜是扫描器 的核心 。 由于 我们 采用 物镜前扫描 ， 因此 多面镜 的按装位置精 确度要求并不 高 。 但它 的转速 的稳定 ， 转动的平稳直接影 响扫描频率的稳定和扫描线的质 量 。 因此 电机的电源必须采用稳定度 高 的稳压 电源 ， 以保证转速 的稳定 。 旋 转镜和 电机转 轴之 间采用锥形配合 ， 以保证有较好的同心度 。 旋 转镜 必须严格的保持在水平面 内旋 转 ， 否则将 引起扫描线的波动 。 此外电机和旋 转镜要尽 可能减小振动 ， 其它部件和 机架的固有 频 率应远离扫描频率 ， 以 防发生共振现 象 ， 严重影响扫描质量 。 光 源采用 一般的小功率 一 激光 器 ， 反 射镜 采用一 般的玻璃平面反射 镜 。 光路计算

图(5)扫描器光路图 (1)He-Ne邀光器输出光束 图(5)中L=250mm为激光器谐振腔的腔长，谐振腔凹面曲率半径R=1000mm,被 长λ=6328A激光器输出的高斯光束腰在a处，腰粗为 @,=[片(RL-L)]/4=[(828×10')'a00×250-250)]V4 =0.2953mm 发散角20。=21=2×6328×101 =1.364×103弧度 π0。元×0.2953 准直距离d,=π0.2-r×0.29532 入-6328×10°1=433mm (2)准直扩束 目镜焦距f,=15.49mm,物饶焦距f2=196.46nm,目镜处光斑尺寸为 o=+(品)]/8， Z=ab+bg=100mm 0-0c.295(2a501820g1o0）门/2-0.3031mm 目镜处波阵面曲率半径为 R:=2+(z）门-1ocl+(g3208g9g10o)门-974mm R:>f λf,= r01云 6328×10-T×15~49=3.4×102<1 π×0.30312 望远镜筒长1=「：+[2。在以上三条件下，经倒置望远镜后高斯光束的腰粗为 :=号a+(2.）']V2-196×0.2951+(63280290g1o0）门h 15.49 元×0.2953 =3.844mm 腰位于物能焦点处，所以图(5)中de+ek=f2=196.46mm 发散角2：8动，-2义6婴0”1.04s×104应 139

一一 一 卜 、 卜车一一一 － 一 － 图 扫描器光路图 一 激光器输出光束 图 中 为激光 器谐 振腔的腔长 ， 谐振腔凹面 曲率半径 。 。 二， 彼 长入 入激光器输出的高斯光 束腰 在 处 ， 腰粗为 。 。 二 「黑 一 ‘ ‘ 「户旦丝兰鱼笙二、 。 。 。 。 一 。 ，门 ’ 兀 “ 几 。 发散角 。 入 兀 又 ， 北 义 。 一 二，弧度 准直距离 。 二 兮 兀 。 火 一 了 二 准直扩束 目镜焦 距 工 ， 物镜 焦 距 二 叹 二 ， 口镜 处光斑尺 寸为 。 ， 。 「 华典、 ￡ ‘ “ 。 。 。 兀 一 ， 工 ” · ” 卜 · 嘿饥铭瑟 ” ” ’ “ 。 月 镜处波 阵面 曲率半径 为 ‘ 卜 匹哭笋 卜 ，。 。卜 晶认豁碧 。 。 入 一 叹 。 一艺 嘿飞姗异 一 ‘ · “ ‘ ” 一 “ ‘ 望远镜筒长 。 在 以上三 条件下 ， 经 倒置 望远镜后 高斯光 束的腰粗为 。 、、 八 。 · 瓮 。 。 · 二 禁 一 ’ ’‘ “ 攫贯 · · ， ‘ · 一 ， 兀 义 。 。 腰 位于物镜焦点处 ， 所 以 图 中 毛 火 一 了 石 发散角 二 入 兀 兀 。 火 一 峨孤度

准直距离d2=不2二=π×3.8442 0.328×10-7=7,33×104mm 准直前后发散角之比为28。=02=13，即发散角压缩近13倍。 20200 (3)F-0镜头聚焦 准直光束腰0.2到F-O镜头的距离为： Z/=kh+hi=[de+eh-(dj+jh)+hi =(65+165-196.46)+192.96=226.5mm 入射到F-日镜头处的光斑尺寸为 @:=o1+(g)]/2=8.841+(28×09826.)）门/2-8.844mm π×38442 波阵面曲率半径为 R=zv+(92z)门-26.l+(g688:942z6.门-2.878×0mm 入射到透镜上光班直径D=2o3=2×3.844=7.688mm,光斑直径小于透镜直径，所以象 的强度分布呈高斯分布。透镜焦距f=436.31mm。 R,>f λf O32 =6328×107×436.31=5.94×103《1 π×3.8442 所以经透镜后聚焦在透镜的焦点处，腰粗为 0=Af=6328×10,7×436.31=2.285×10-2mm π①3 π3.844 扫描光点直径d=2o。3=2×2.285×10-2=4.57×10-2mm 3.扫描偏转元件 我们采用高惯量局部照明的旋转多面镜作为扫描器的偏转元件。如图(6)所示，旋 空恩 转多面镜用上述准直激光束照明，反射光束进行扫描。当 多面镜发生△日角位移时，反射光束发生2△日角位移，双 射光 倍速率扫描继续到多面镜棱角過到照射光束，然后反射光 束分裂为两部分，一部分继续完成扫描，另一部分开始新 反射光 的扫描[3]、这时扫描光的强度是变化的，实际上照明光 束遇到多面镜棱角这段时间形成扫描空程。所以这种扫描 图(6) 是间断的。多面镜的面数与扫描角有关。为了减小扫描的 空程，就应加大每一反射面的线度，即加大旋转多面镜的半径。但多面镜的尺寸还受到马 达、转速等其它因素的限制。因此要合理地设计多面镜，就必须弄清扫描角，光斑尺寸、扫 描空程、旋转多面体半径和多面镜面数的相互关系。 设准直光斑尺寸为2⊙。，旋转多面体半径为R,镜面数为N,一次扫描多面镜的角位 移为a(等于反射光扫描角的一半)。 由图(7)可见，旋转多面镜的一个镜面从ck开始扫描，到GL扫描结束，它们的位置分 别用它们的法线OD和OF表示。所以一次扫描多面镜的角位移α为： 140

准直距 离 北 。 北 义 入 。 巧 “ 火 准直 前后发散” 之 比为瓷 器 ， 即发散角压缩近 倍 。 一 镜头聚焦 准直光束腰 。 。 到 一 镜头的距离为 ， 瓦 不 币 瓦 一 丽 石 一 。 。 。 入射到 一 镜头处的光斑尺 寸为 。 。 。 「乙鱼旦 二 、 ’ ‘ 些鱼巡里华李丝少、 ’ ’ “ 、 屁 “ 、 河 吕 ‘ 波阵面 曲率半径为 。 ‘ 卜 愕遗共 ’ · 丽豁粤劣丽匕 “ 甲 入射到透镜上光斑直径 。 。 又 ， 光斑 直径小于透镜直径 ， 所 以象 的强度分布呈 高斯分布 。 透镜焦距 二 。 久 一 了 兀 充 又 。 腰粗为 。 一 《 所 以经透镜后 聚焦在透 镜的焦点处 ， 。 。 丛一 旦旦翌多兰坦二兰兰丝 ，丝 火 一 兀 兀 。 吕 扫描光 点直径 二 。 一 “ 二 又 一 旋双当 扫描偏转元件 我们采用高惯量局 部照 明的旋 转多 面镜作为扫描器 的偏 转元件 。 如 图 所 示 ， 转多面镜用上述准直 激光束照 明 ， 反射光束进行扫描 。 多面 镜发生 △ 角位移 时 ， 反射光 束发生 △ 角位移 ， 图 倍速率扫描继续到多面镜棱角遇到照射光 束 ， 然后反射光 束分 裂为两部分 ， 一部分继续完成扫描 ， 另一部分开始新 的扫描〔 〕 。 这 时扫描光 的强度 是 变化的 ， 实际上照 明光 束遇 到多面镜棱角这段时间形成扫描空程 。 所 以这种扫描 是 间断的 。 多面 镜 的面数与扫描角有关 。 为 了减小扫描的 空程 ， 就应加大每一反射面的线度 ， 即加大旋转多面镜的半径 。 但多面镜的尺 寸还受到马 达 、 转速等其它 因素的限制 。 因此要合理地设计多面 镜 ， 就 必须弄清扫描角 、 光斑尺 寸 、 扫 描空程 、 旋转多面体半径和多 面镜面数的相互 关系 。 设准直光斑尺寸为 。 ， 旋 转多面体半径 为 ， 镜 面 数为 ， 一 次扫描多 面镜的角位 移为 等于反射光扫描 角的一半 。 由图 可见 ， 旋 转多面镜的一个 镜面从。 开始扫描 ， 到 扫描结束 ， 它们 的位 置 分 别用它们 的法线 和 表示 。 所 以一 次扫描多面镜的角位移 为