光位移测头设计The design of optical displacement measure head

第一章绪论 基于光学三角法研制的激光测头,由于具有测量速度快、精度高和 非接触测量等特点,而被广泛用于工件的长度、宽度、高度等尺寸测量 和圆跳动、同轴度、平面度等形位误差的测量,同时也可对位移、振动 等进行测量,激光测头是一种综合了激光技术、光学、精密机械、光电 变换技术、电子学和计算机等多学科技术的高科技产品,它既可做为独 立的光电检测仪器使用,也可以与其它机构或系统结合成为具有柔性的 多功能测量机使用,因此,开展该项专题研究具有重要的意义和广阔的 应用前景。为了提高测头的精度,本文提出了测头的标定方法,并对光 学系统设计问题进行了讨论、对影响精度的光学系统参数和测量头整体 结构参数的选取进行探讨。本文设计的CCD位移测量装置的理论设计精 度可达0.25微米,测量范围达到1.13毫米,测量速度可达毫秒级,能 连续非接触测量。该系统在工业和国防等领域中,主要应用于精确自动 定位,自动超高精度测量,计算机视觉等方面。 目前,国际上 ZAMBACH、日本安立、三菱等公司先后开发了多种类 似产品,并且已得到了应用,而国内在该领域中的研究起步较晚,水平 还比较低,有待做深入的研究。以前的激光位移传感器利用PSD(位敏 器)作为接收器件。而新近的LK系列的传感器则用CCD作为接收器件 相比之下,CCD测量的是光点象的能量峰值位置。故测得结果精度更高、 且稳定

第一章 绪 论 基于光学三角法研制的激光测头，由于具有测量速度快、精度高和 非接触测量等特点，而被广泛用于工件的长度、宽度、高度等尺寸测量 和圆跳动、同轴度、平面度等形位误差的测量，同时也可对位移、振动 等进行测量，激光测头是一种综合了激光技术、光学、精密机械、光电 变换技术、电子学和计算机等多学科技术的高科技产品，它既可做为独 立的光电检测仪器使用，也可以与其它机构或系统结合成为具有柔性的 多功能测量机使用，因此，开展该项专题研究具有重要的意义和广阔的 应用前景。为了提高测头的精度，本文提出了测头的标定方法，并对光 学系统设计问题进行了讨论、对影响精度的光学系统参数和测量头整体 结构参数的选取进行探讨。本文设计的 CCD 位移测量装置的理论设计精 度可达 0.25 微米，测量范围达到 1.13 毫米，测量速度可达毫秒级，能 连续非接触测量。该系统在工业和国防等领域中，主要应用于精确自动 定位，自动超高精度测量，计算机视觉等方面。 目前，国际上 ZAMBACH、日本安立、三菱等公司先后开发了多种类 似产品，并且已得到了应用，而国内在该领域中的研究起步较晚，水平 还比较低，有待做深入的研究。以前的激光位移传感器利用 PSD（位敏 器）作为接收器件。而新近的 LK 系列的传感器则用 CCD 作为接收器件。 相比之下，CCD 测量的是光点象的能量峰值位置。故测得结果精度更高、 且稳定

第二章测量系统工作原理 2.1光三角测量原理 设A为参考平面、B为被测物体表面、A和B相距MH。如图2.1 所示,激光束照射到A平面的光点经透镜成像在CCD上的A’点,激光 束照射到B平面的光点经透镜成像在CD上的H’点。通过测量CCD上 A’和B’两点的距离ΔH,经过变换和计算,就能求出△H。即被测物 体平面和参考平面之间的距离。 激光束.B CCD芯片 图2.1光三角原理图 若令激光束方向上有一物点为B(x,y),其对应的像点B’(x’,y) 如图2.2。 激光束 Ahe 图2.2光三角法测量图 则由几何光学原理可得:

第二章 测量系统工作原理 2.1 光三角测量原理 设 A 为参考平面、B 为被测物体表面、A 和 B 相距 H 。如图 2.1 所示，激光束照射到 A 平面的光点经透镜成像在 CCD 上的 A’点，激光 束照射到 B 平面的光点经透镜成像在 CCD 上的 H’点。通过测量 CCD 上 A’和 B’两点的距离 H ，经过变换和计算，就能求出 H 。即被测物 体平面和参考平面之间的距离。 图 2.1 光三角原理图 若令激光束方向上有一物点为 B（x，y），其对应的像点 B’（x’，y’）， 如图 2.2。 图 2.2 光三角法测量图 则由几何光学原理可得：

do y x. tgb 将以上方程联立求解可得: (d6-0)g、d 从式(1.5)可知,y与x’是线性关系,也就是说,象点B'(x’,y’) 所形成的轨迹是一条直线。令其与透镜主光轴(X轴)的夹角为中,那 么有 gφ (do-f)tge 这样,也就确定了CCD的位置,建立了激光器,光学镜头和CCD三者之 间的几何位置关系。落差AH与CCD上象点间距M的关系为 △H·sin6d+△ H- cost Mh:sind1-△ Ah-cosΦ Mhdn·sin d1sine- Ah. sin(④+日) 固体摄像器件CCD具有快速自扫描、动态范围大、分辨率髙等特点。 特别是在快速检测的特性使其应用越来越广泛,在高分辨率CCD光电 测径中,选用2048线阵CCD摄像器件做为光电接收器件

' ' 0 0 y y d x x d = − − (2.1) 0 1 1 1 1 d d f + = (2.2) ' 0 0 1 1 1 d x x d f + = − − (2.3) y x tg =   (2.4) 将以上方程联立求解可得： ( ) 2 ' ' 0 0 d f tg d y x tg f f   − = − (2.5) 从式(1.5)可知，y’与 x’是线性关系，也就是说，象点 B’（x’，y’） 所形成的轨迹是一条直线。令其与透镜主光轴（X 轴）的夹角为 ф，那 么有： (d f tg 0 ) tg f   − = (2.6) 这样，也就确定了 CCD 的位置，建立了激光器，光学镜头和 CCD 三者之 间的几何位置关系。落差 H 与 CCD 上象点间距 h 的关系为： 0 1 sin cos sin cos H d H h d h      +   =   −    (2.7) ( ) 0 1 sin sin sin h d H d h        =  −    + (2.8) 固体摄像器件 CCD 具有快速自扫描、动态范围大、分辨率高等特点。 特别是在快速检测的特性使其应用越来越广泛，在高分辨率 CCD 光电 测径中，选用 2048 线阵 CCD 摄像器件做为光电接收器件

2.2测头参数的选取 2.2.1CCD芯片的选取 用来做测量用的CCD芯片,有两个重要参数:光敏单元与有效单元 数。光敏单元的尺寸,决定了最小测量分辨率;有效光敏单元总数,它 决定了最大测量范围。在本文中我们选择的CCD芯片,光敏单元尺寸为 7μmx7μm,有效光敏总数为7000。 2.2.2透镜倍率m的选取 将式(2-1)和式(2-6)联立消去f可得 tgp =-1gb 光学系统的放大倍数m表示为 (2.10) CCD上的象点间距Mh可表示为nh,其中n为光敏个数;h为光敏间 距。则式(2-8)可写为 由于d1sinO≥ n.h. sin(中+0)所以有 MH≈hn·do…snd_ n-ho.sinΦ d, sin (2.13) m·sinb 当m1时,O>Φ AH hosIn中<鸟 (2.14) ne 当h=7m时,要使得Hm<lm时,必须使m7

2.2 测头参数的选取 2．2．1 CCD 芯片的选取 用来做测量用的 CCD 芯片，有两个重要参数：光敏单元与有效单元 数。光敏单元的尺寸，决定了最小测量分辨率；有效光敏单元总数，它 决定了最大测量范围。在本文中我们选择的 CCD 芯片，光敏单元尺寸为 7μm  7μm，有效光敏总数为 7000。 2．2．2 透镜倍率 m 的选取 将式（2-1）和式（2-6）联立消去 f 可得 0 1 d 1 tg tg tg d m  = =   (2.9) 光学系统的放大倍数 m 表示为 1 0 d m d = (2.10) CCD 上的象点间距 h 可表示为 0 n h ，其中 n 为光敏个数； 0 h 为光敏间 距。则式（2-8）可写为： ( ) 0 0 1 0 sin sin sin n h d H d n h        =  −    + (2.11) 由于 1 d sin  n h   + 0 sin(  ) 所以有 0 0 0 1 sin sin sin sin n h d n h H d m            =   (2.12) 0 min sin sin h H m       (2.13) 当 m>1 时，   0 0 min sin sin h h H m m        （2.14） 当 0 h m = 7 时，要使得 min H m 1 时，必须使 m>7

2.2.3与φ的选取 θ的选取应尽量减小,越接近0越好,因为其越大,测量头的几何 尺寸越大并且使激光斑点散射光进入透镜越少。而Φ的选取越接近x/2 越好,这样CD上成像的像面照度越高,成像质量会越好。从图2.3中 可以看出,O和Φ的选取存在着矛盾的。在选取中以b为主,兼顾Φ。 当O=丌/4时,可得Φ=7.1° 0 0.2 40.81.21,6 图2.36和Φ关系图 2.2.4d的选取 d的选取决定着测头的工作范围,此值应尽量大。d的选取对测量 头的几何尺寸的影响大。且两者应满足式(2.10),经综合考虑,选定 do 2.2.5系统分辨率和测量范围的选定: (n+1)九 nhodo. sin gp d, sin8-(n+1) ho sin e d, sinO (6+d 将d、d1、Φ、θ代入上式,得:

2．2．3  与  的选取 θ 的选取应尽量减小，越接近 0  越好，因为其越大，测量头的几何 尺寸越大并且使激光斑点散射光进入透镜越少。而  的选取越接近  /2 越好，这样 CCD 上成像的像面照度越高，成像质量会越好。从图 2.3 中 可以看出，  和  的选取存在着矛盾的。在选取中以  为主，兼顾  。 当  = /4 时，可得 7.1  = 图 2.3  和  关系图 2．2．4 0 d 的选取 0 d 的选取决定着测头的工作范围，此值应尽量大。 1 d 的选取对测量 头的几何尺寸的影响大。且两者应满足式（2.10），经综合考虑，选定 0 d cm =1.8 ， 1 d cm =14.4 ， =  45 ， 7.1  = ，m=8。 2．2．5 系统分辨率和测量范围的选定： ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 sin sin sin 1 sin sin sin n n n h d n h d H H d n h d n h     + +          −  = −  − +    −   +  将 0 d 、 1 d 、、 代入上式，得：