新型單面陣自由曲面光學(xué)測(cè)量方法成像特性仿真

萬(wàn)瑾 李志陽(yáng) 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(xué)測(cè)量方法，利用環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡與半反半透鏡構(gòu)成T字型光路，完成單CCD面陣光線探測(cè)。該單面陣自由曲面光學(xué)測(cè)量方法結(jié)構(gòu)緊湊，成本較多面陣光學(xué)測(cè)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(duì)其探測(cè)器隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化進(jìn)行仿真分析，以得到最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間。

【關(guān)鍵詞】ZEMAX非序列仿真 激光三角法 物面形貌測(cè)量

1 引言

在激光三角法位移測(cè)量方法的研究中，由于被測(cè)物面傾斜給測(cè)量帶來(lái)的誤差可達(dá)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(wèn)題。但實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)法保證雙三角法要求的激光束始終和被測(cè)量物體表面垂直。

針對(duì)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(xué)測(cè)量方法，利用半反半透鏡構(gòu)成T字型光路，由單CCD面陣完成光線探測(cè)，這種結(jié)構(gòu)緊湊的測(cè)量系統(tǒng)，不但降低測(cè)量系統(tǒng)成本，并能減少由于物面傾斜而無(wú)法進(jìn)行激光三角測(cè)量法光學(xué)系統(tǒng)的激光束數(shù)量。本文用ZEMAX軟件對(duì)其探測(cè)器隨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化進(jìn)行仿真分析，以得到最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間。

2 光學(xué)系統(tǒng)各光學(xué)元件分析

2.1環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡的成像特性仿真

設(shè)計(jì)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(tái)，在系統(tǒng)中將物面的漫反射光收斂再會(huì)聚在CCD上。在ZEMAX中，觀察點(diǎn)光源經(jīng)環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡反射后，經(jīng)透鏡會(huì)聚在接收器上的情況。圖1（a）為仿真的光學(xué)元件圖。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

圖 1點(diǎn)光源經(jīng)環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡反射由透鏡會(huì)聚到探測(cè)器

（a）環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡光學(xué)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（b） 環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡半徑為20mm時(shí)探測(cè)器上光能量分布；（c） 環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡半徑為10mm時(shí)光能量分布；（d）會(huì)聚透鏡與內(nèi)反射鏡距離為40mm時(shí)光能量分布；（e）會(huì)聚透鏡與內(nèi)反射鏡距離為60mm時(shí)光能量分布。

仿真數(shù)據(jù)表明探測(cè)器接收到的能量峰值每次都出現(xiàn)在同一個(gè)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(huì)聚透鏡與環(huán)狀球面內(nèi)反射鏡距離由原來(lái)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(xué)元件尺寸和距離變化。

2.2激光束準(zhǔn)直數(shù)據(jù)優(yōu)化

激光發(fā)出的光束要經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直且進(jìn)一步縮小光束直徑后入射物面。由于激光的準(zhǔn)直性本身較好，在此，只考慮縮小激光光束直徑，即擴(kuò)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(shí)的反映物面一點(diǎn)的情況。因此應(yīng)調(diào)整好激光準(zhǔn)直的光線角度和光斑大小。在此用ZEMAX優(yōu)化設(shè)計(jì)光學(xué)元件的相互距離。

會(huì)聚透鏡為76.56mm曲率半徑的H-K9L雙凸透鏡，按照實(shí)際光學(xué)元件的參數(shù)，得到焦距73.635mm，愛(ài)里斑半徑5.766μm。準(zhǔn)直透鏡為24.50mm曲率半徑的H-K9L雙凸透鏡，設(shè)置光源為無(wú)窮遠(yuǎn)處的波長(zhǎng)為632.8nm的平行光束，得到焦距22.198mm，愛(ài)里斑半徑9.778μm。

3 單面陣自由曲面光學(xué)測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)。

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

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的新型單面陣自由曲面光學(xué)測(cè)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(shí)現(xiàn)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的仿真。對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于理想的漫反射物面，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的真空參數(shù)條件下，探測(cè)器接收到的能量與損失的能量都會(huì)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(duì)接收到的能量也沒(méi)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(xiàn)：

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

福建省教育廳社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目（JA13449）資助

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)瑾（1976—），女，漢族，湖北武漢人，博士，副教授，研究方向：光電應(yīng)用技術(shù)與傳感器技術(shù)。