激光位移傳感器的光學系統設計探討

李楠 于儀 鮑建秋

摘 要：本文首先簡要分析了激光三角法的基本光路，分別從整形鏡設計、成像透鏡設計兩方面，探討了光學系統設計的具體思路，望能為此領域設計研究有所借鑒。

關鍵詞：激光位移傳感器；整形鏡；成像透鏡

激光位移傳感器是一種非接觸測量儀器，具有高響應、高精度等優點，隨著現代工業的不斷發展與完善，其在光電技術檢測領域呈現出日漸寬泛的應用勢頭。現今，光電技術檢測所運用的激光三角法原理，已有比較成熟的理論體系，但在現實運用中，仍存在困難與不足。本文以簡單實用為著眼點，用CODE V光學設計軟件，來對激光三角法開展光路模擬與設計優化，進而構建一套成像特性優質的光學系統，推動傳感器產品化生產。

1.激光三角法的光路分析

針對激光位移傳感器來講，其依據入射光角度的差異性，可劃分為兩種，即斜入射式與直入射式，本設計選用直入射式，圖1為光路結構。整套光路由兩部分組成，其一為整形系統，其二為接收系統。對于左邊部分而言，其實際就是光束整形系統，主要作用就是匯聚激光器所發出的光束，使之均處于工作范圍內，使所匯聚的光斑盡可能小且均勻。半導體激光器（LD）為其光源，其通過整形系統，于（50±10）mm的測量范圍內，能夠形成比較均勻的光斑。后面為光束接收系統，其能夠在光敏探測器上，匯聚物體表面的漫反射光，精確成像。在圖1中，α是成像透鏡光軸與被測面所形成的夾角，β是光軸與光敏探測器所形成的夾角，di代表的是像距，do代表的是物距。

2.光學設計

2.1整形鏡設計

針對激光位移傳感器來講，所測物體表面特征會對其測量精度造成影響，為了能最大程度的減少測量誤差，在實際整形鏡設計過程中，需盡可能讓出射光斑在有效測量范圍內，實現光斑的均勻與小。在設計傳感頭時，對其小型化方面的要求，半導體激光器重量輕及體積小的優勢正好與此要求相符，但卻有著并不佳的光束質量，須做光束整形處理。對于半導體激光器而言，其快慢軸的光束存在非常不均勻的分布形態：有著比較大的快軸發散角，半角典型值35～45°，光束呈現出高斯分布，慢軸發散角的半角值3～6°，發光范圍半寬度0.5～0.7?m，光束呈不規則分布，反光范圍半寬度50～100?m。所以，在能量損失并不被允許的前提下，需要對系統的物方數值孔徑（NA）進行整形，使其>0.572；但需指出的是，因光束快軸能量呈現出典型的高斯分布，一般設定半寬度（FWHM）為20°，此時，NA為0.341。應盡可能減小系統物距，但受制于工藝因素影響，不可過小，可選2.5mm。為了使設計變得更加方便，可以倒置系統，系統主要要求：像方NA0.341，工作波長（784±9）mm，物距l為（45～60）mm，像距l′為（2.4）mm，焦距f為（3～4）mm。

要想在工作范圍使光斑質量更佳，可以選用非球面或者是柱面鏡來達此要求，此外，在延拓焦深方面，切趾法與波前編碼同樣可得到較好效果，但此種光學系統比較復雜，元件也相對較多，不容易裝調，成本高。所以，如果精度允許，可以都選用球面鏡，而不降焦深延拓考慮在內，在物距分別為40mm、45mm、50mm、55mm與60mm處，運用變倍法，從中獲取均勻一致的光斑大小。另外，依據光譜實際分布情況，將中心波長權重設定為3，另將邊緣波長權重設定為1。在此過程中，系統需2片鏡片來消除其中的色差。依據上述要求，選擇一初始結構，經優化，便可得到最佳設計效果。

2.2成像透鏡設計

當獲得好的出射光斑后，怎樣接收物體表面的散射光，并使其能夠精確成像，乃是保障激光位移傳感器精度的重點所在。在直入射式三角法測量過程中，物體沿著激光入射的方向而移動，物面與成像光軸之間并不垂直。如此一來，在透鏡成像中，利用幾何成像公式便可證明：

（1），這便是理想成像所需要的Scheimpflug條件。要想獲得最佳的成像效果，需要依據此條件來放置光電探測器。依據物體表面所具有的實際散射特性，可明確成像透鏡光軸與入射光之間的夾角。針對激光來講，如果其入射到被測物體表面，那么對于此時的散射光強度而言，便會呈現出橢球型分布。如果入射光以垂直方式入射時，當α值越小，成像透鏡所接收到的散射光強度就越大，但如果存在過小的角度，那么除了會增加制作工藝難度之外，還會影響探測器分辨率，因此，經綜合考量，將α值設定為21.8°，用儀器的測量范圍±10mm，便可獲得物距53.84mm。一般狀況下，庫克三元組在成像效果方面較好，所以，可將其當作成像透鏡的初始結構，并以此來進行優化。優化中，將各鏡片表面半徑當作變量，維持合理厚度，另把光軸與像面所形成的夾角β設定為可變，用CODE V橫向像差，結合波像差來優化，便可得到較好效果。

圖1為優化之后的成像光學系統。由此圖可知，當物面與光軸并不垂直時，經系統成像后，所獲得的像面同樣與光軸不垂直，另外，其與光軸還存在夾角β，而最終得到的β優化值為60.46，此時，在像面上，能夠獲得較佳的光斑分布。在準允的工作范圍內，無論在何種視場，其散射光都可以較好的在探測器上成像。在所看到的不同現場的成像光斑形狀中，該點列圖表明成像光斑呈現出均勻分布狀態，但仍有一定的剩余像差，多為球差，光斑直徑一般為20?m。另外，依據設計結果，能夠得出像距，即33.09mm，通過進行精確計算，得出tanα/tanβ為0.613，di/do為0.615，表明此物鏡設計可以較好的滿足Scheimp-flug的成像條件。

3.結語

綜上，用CODE V光學設計軟件，以分塊的方式來模擬激光位移傳感器的整套光學系統，能夠高質量的完成散射光的精確接收，還能較好的完成對半導體激光器的光束整形。此系統裝調簡便，結構簡單，體積小，在今后有著廣闊的應用前景。

參考文獻

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（作者單位：南京郵電大學）