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激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计

张爽 朱万彬 李健 鲁秀娥

张爽, 朱万彬, 李健, 鲁秀娥. 激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计[J]. 中国光学, 2018, 11(6): 1001-1010. doi: 10.3788/CO.20181106.1001
引用本文: 张爽, 朱万彬, 李健, 鲁秀娥. 激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计[J]. 中国光学, 2018, 11(6): 1001-1010. doi: 10.3788/CO.20181106.1001
ZHANG Shuang, ZHU Wan-bin, LI Jian, LU Xiu-e. Design of micro-optical system for laser displacement sensor sensing probe[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 1001-1010. doi: 10.3788/CO.20181106.1001
Citation: ZHANG Shuang, ZHU Wan-bin, LI Jian, LU Xiu-e. Design of micro-optical system for laser displacement sensor sensing probe[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 1001-1010. doi: 10.3788/CO.20181106.1001

激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计

doi: 10.3788/CO.20181106.1001
基金项目: 

吉林省科技厅重点科技成果转化项目 20150307036G X

吉林省科技厅重点科技成果转化项目 20150307039G X

详细信息
    作者简介:

    张爽(1990-), 女, 吉林白城人, 硕士研究生, 主要从事光学设计、光学测量、激光应用等方面的研究。E-mail:zhangshuang_ciomp@163.com

    朱万彬(1963-), 男, 吉林长春人, 本科, 副研究员, 硕士生导师, 1987年于长春理工大学获得学士学位, 现为中科院长春光机所应用光学国家重点实验室副研究员, 主要从事光学测量方面的研究。E-mail:wanbinzhu@163.com

    李健(1991-), 男, 山西忻州人, 硕士研究生, 主要从事光学设计、图像处理等方面的研究。E-mail:tuolaji4596@outlook.com

    鲁秀娥(1963-), 女, 吉林长春人, 研究员, 2010年于长春理工大学获得硕士学位, 现为长春相干光学机电技术有限公司研究员, 主要从事光机电仪器方面的研究。E-mail:luxiue63@163.com

  • 中图分类号: O439

Design of micro-optical system for laser displacement sensor sensing probe

Funds: 

Jilin Provincial Science and Technology Department Key Science and Technology Transformation Project 20150307036G X

Jilin Provincial Science and Technology Department Key Science and Technology Transformation Project 20150307039G X

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-03
  • 修回日期:  2018-03-01
  • 刊出日期:  2018-12-01

激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计

doi: 10.3788/CO.20181106.1001
    基金项目:

    吉林省科技厅重点科技成果转化项目 20150307036G X

    吉林省科技厅重点科技成果转化项目 20150307039G X

    作者简介:

    张爽(1990-), 女, 吉林白城人, 硕士研究生, 主要从事光学设计、光学测量、激光应用等方面的研究。E-mail:zhangshuang_ciomp@163.com

    朱万彬(1963-), 男, 吉林长春人, 本科, 副研究员, 硕士生导师, 1987年于长春理工大学获得学士学位, 现为中科院长春光机所应用光学国家重点实验室副研究员, 主要从事光学测量方面的研究。E-mail:wanbinzhu@163.com

    李健(1991-), 男, 山西忻州人, 硕士研究生, 主要从事光学设计、图像处理等方面的研究。E-mail:tuolaji4596@outlook.com

    鲁秀娥(1963-), 女, 吉林长春人, 研究员, 2010年于长春理工大学获得硕士学位, 现为长春相干光学机电技术有限公司研究员, 主要从事光机电仪器方面的研究。E-mail:luxiue63@163.com

  • 中图分类号: O439

摘要: 光斑质量直接影响激光位移传感器测量的精度。为了提高激光位移传感器传感探头光学系统的成像质量,设计了传感探头四片式微小型光学系统。本文在理想成像基础上,分析光束在光学系统中能量传递的变化规律,对比光电探测器的感光能力,利用光学设计软件(ZEMAX)实现了激光位移传感器传感探头微小型光学系统的设计。通过理论计算分析,严格控制传感探头孔径光阑的大小,对光学系统进行优化处理,成像最大弥散斑半径低于3.3 μm,空间分辨率120 lp/mm以下的传递函数MTF(Modulation Transfer Function)值大于0.5,光线扇形图的最大像差小于5 μm,畸变量低于0.1859%。该光学系统具有良好的成像效果,可以满足激光位移传感器探测系统对成像系统成像光斑质量的要求,以保证传感器的测量精确度优于5 μm。

English Abstract

张爽, 朱万彬, 李健, 鲁秀娥. 激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计[J]. 中国光学, 2018, 11(6): 1001-1010. doi: 10.3788/CO.20181106.1001
引用本文: 张爽, 朱万彬, 李健, 鲁秀娥. 激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计[J]. 中国光学, 2018, 11(6): 1001-1010. doi: 10.3788/CO.20181106.1001
ZHANG Shuang, ZHU Wan-bin, LI Jian, LU Xiu-e. Design of micro-optical system for laser displacement sensor sensing probe[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 1001-1010. doi: 10.3788/CO.20181106.1001
Citation: ZHANG Shuang, ZHU Wan-bin, LI Jian, LU Xiu-e. Design of micro-optical system for laser displacement sensor sensing probe[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 1001-1010. doi: 10.3788/CO.20181106.1001
    • 当今世界已经进入信息时代,信息技术成为推动科学技术高速发展的关键。信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术,测量技术是基础。激光位移传感器作为微位移测量工具,在光电检测领域中具有非常重要的作用。随着工业集成化程度的提高,工业上对位移测量精度的要求也随之提高,激光位移传感器作为微位移测量的重要手段,其精度的提高将促进工业集成化的进步[1-3]

      目前激光位移传感器系统的设计主要集中在对传感器嵌入式系统的开发及图像探测器数据采集方面[4-10]。许多设计者通过提高MCU(Micro Control Unit)数据采集速率和减小图像探测器的像元尺寸来提高系统整体测量速率和精确度[11-13]。这种做法在数据处理与采集领域起到了一定的效果,但是还无法在整个光电探测系统达到理想的探测要求。另外,受到整个制造行业加工工艺水平的制约,MCU采样频率以及探测器的像元尺寸与设计者所提出的性能指标有一定的差异。因此,在探测系统设计中,需要从整体把握各个部分的性能参数,在保证整体系统测量精度的要求下,降低工艺的要求。在激光位移传感器系统中,除了MCU数据采集速率和探测器像元尺寸会影响系统的测量精度外,光学系统的成像质量也对传感器测量精度起到了决定性作用[14-16]。目前激光位移传感器通常采用一片凸透镜或者一个针孔装置作为成像光学系统,然而这种成像系统所成像的散斑略大[17]。在图像处理过程中,大的散斑增加了图像光斑中心提取的不确定性,很难精确定位成像位置,增加了后期数据处理的难度,进而影响了位移测量的精确性[18-20]。因此,急需一种小像差的光学成像系统,来提高激光位移传感器的成像光斑质量,进而提高整个测量系统的精确性。

      本文针对激光位移传感器传感探头光学系统成像需求,对经典库克三片镜进行拆分处理。通过合理地控制孔径光阑的大小,优化其结构参数,设计出一种适用于小型传感探头的光学系统。物表面散射光信息经过该光学系统成像后,可将光斑尺寸控制在很小范围内,提高了测量的精确性。

    • 激光位移传感器以激光三角法为基本测量理论[21-23]。其主要结构由三部分组成:光学发射系统,成像系统,光电探测系统,如图 1所示。

      图  1  激光位移传感器结构图

      Figure 1.  Diagram of the laser displacement sensor structure

      本文设计了一种新型激光位移传感器,其光束发射装置采用650 nm半导体激光器[24],成像系统采用本文设计的微小型光学系统,光电探测器采用东芝TCD1707[25]

    • 图 2所示,激光束经过准直处理后投射于被探测物体表面并在物体表面发生散射。散射光经过成像光学系统后成像于光电探测器。根据探测器上成像光斑的位置,利用光学三角法可计算出物体表面的位移信息,然后通过DSP对接收到的光信号进行分析处理[26-28]。另外,探测器受到其光学灵敏度的制约光强太弱时,探测器感应不到测量物体散射的光信息[29];光强太强时,探测器接收到的物体散射光信号强度太强,探测器会出现光饱和现象,将为后期图像处理增加难度。根据郎伯余弦辐射定律[30],散射光的强度I(θ)=I0cosθ,如图 3所示,不同观察方向接收到的光强度不同[31]。另外,光学系统孔径大小和位置决定了光学系统成像范围和物体散射光的主观察方向。因此,孔径光阑的设置成为该光学系统设计的关键[32]。同时,为了在探测器上得到清晰成像点,系统的光路设计、物面、像面、光学系统的主平面应满足Scheimpflug[33-38]条件,光路如图 4所示。根据光学系统的符号法则、光学成像定理以及三角法可得:

      (1)

      图  2  激光位移传感器测量原理示意图

      Figure 2.  Measuring principle of laser displacement sensor

      图  3  余弦辐射图

      Figure 3.  Diagram of the cosine radiation

      图  4  Scheimpflug成像原理图

      Figure 4.  Scheimpflug imaging principle

      其中,|BC|=-l2tanω,|B′C′|=l2tanω

      将其代入公式(1)中可得:

      (2)

      又由高斯定理有:

      (3)

      结合公式(2)、(3)可得:

      (4)

      当激光位移传感器探头结构尺寸以及测量范围确定时,可根据Scheimpflug条件确定成像位置,标定探测器在传感器探头中的结构位置,确定光学系统焦距大小[39]

    • 图 3可以看出,激光束经过测量物体表面时,会从不同方向观察到物体散射光。根据郎伯余弦辐射定律可知,随着散射角度增大,散射光强度减小。由图 2所示的成像原理并结合余弦定律,可得:光学系统孔径光阑增大时,小于标准面中心散射角的那部分通光量会大幅度增加,孔径光阑增大到一定值时,探测器会因为光饱和现象而无法分辨出成像点位置;光学系统孔径光阑减小时,小于标准面中心散射角的通光量会大幅度减小,通过光学系统成像后,探测器探测到的光信号变弱。当光学系统孔径小于一定值时,探测器无法感知微弱的光信号,导致无法分辨出成像点位置。因此,需要确定光学系统孔径光阑和所观察标准面中心理想散射角的大小,再结合位移量程、测量距离和Scheimpfulg条件初步计算出激光位移传感器传感探头尺寸和光学系统工作性能参数。如图 2所示,激光位移传感器测量范围为(40±10) mm,中心标准面在40 mm位移处,距离标准面最大前后测量范围为10 mm,激光束作用在标准面上的P点到光学系统中心O点之间的距离记为l,探测器上相应的像点P′到O点之间的距离记为l′。根据表 1表 2所示的参数值,可计算出中心标准面光强适中的散射角值。

      表 1  探测器规格参数

      Table 1.  Specifications of photodetector

      探测器型号TCD1707D
      像元尺寸x/μm4.7
      像元个数m7 450
      最小曝光量SE(lx.s)0.08

      表 2  激光器规格参数

      Table 2.  Specifications of laser

      激光器型号K650E03SN-0.010W
      波长λ/nm650
      功率P/mW10
      光束整形后光斑直径d/μm105

      为了使探测器能够识别物面信息,必须使物面散射成像的光强度大于探测器的最小曝光量SE。记光电探测器单个像元面积为dSIMA,像元dSIMA距光学系统光学中心O之间的距离为l′,单个像元面对点O所张的空间立体角为:

      (5)

      像元面的光通量为:

      (6)

      又有像面照度:

      (7)

      则从光学系统光学中心出射的光强度为:

      (8)

      为达到像面成像的能量要求,根据所使用的激光器,通过光强度之间的关系,即可以得出设计指标,相应的计算过程如下:

      (9)
      (10)
      (11)

      根据郎伯余弦辐射定律有:

      (12)

      其中,ω为光学中心点O的空间立体角,ϕ为空间立体角所对应的光通量,I为光强度,IMA为像面,OBJ为物面,τ=0.6为光学系统的透过率系数,ξ=0.38 lm/w,为650 nm半导体激光器的发光效率。光学系统的横向放大率为,空气中物面和像面的折射率可看作n′=n=1,则。像元个数m=7 450,像元尺寸为x=4.7 μm,则β=1.750 75。由于探测器长度已经确定,为了使物面在测量范围内的像点均能成像于探测器,在光学系统设计时,应使系统的横向放大率小于1.750 75。考虑到光学系统的横向放大率较大时更容易观察成像信息,所以选择光学系统的横向放大率β=1.5(此处不考虑符号法则,只看大小变化)。

      将所取参数值代入公式(5)~(12),可得:

      (13)

      由公式(3)、(4)以及β=1.5可得:

      (14)

      激光测量的三角形关系如图 5所示,经计算得:|MA|=30 mm,θ=26.33°,|OA|=44.631 7mm,根据三角形关系,可得:

      (15)

      图  5  激光测量三角形关系

      Figure 5.  Triangulation relationship of laser measurement

      则孔径的大小为:Δ=2.293 3 mm,视场角为ψ=11.8°。

    • 激光位移传感器具有小型化、测量便捷、使用范围广的特点。复杂的光学结构不仅会导致激光位移传感器光学系统透过率严重减小,而且增加了传感器的体积与装调难度。因此,传感器探头光学系统的设计不宜太复杂,在设计传感器探头光学系统的时候,选取3~4片式为最佳的设计结构。

      图 6所示,库克三片组由两片凸透镜(冕牌玻璃)和一片凹透镜(火石玻璃)组成,其成像性能优良,光学结构简单、可使用视场大。由于光阑设置在中间,使得前后元件具有合理的对称度。

      图  6  库克三片式光学结构

      Figure 6.  Cooke Triplet system

      为了增大系统的相对孔径,提高系统的F/#(系统焦距与通光孔径的比值),对库克三片式透镜组进行拆分改进[40],将最前面的正透镜拆分成两片正透镜。系统设计初始结构参数如表 3所示,最后设计系统结构如图 7所示。输出的性能参数如图 8~图 12所示。

      表 3  结构设计参数表

      Table 3.  Design data of optical system

      Surf: Type(Standard)RadiusThicknessGlassSemi-Diameter
      OBJInfinityInfinityInfinity
      1Infinity9.1804.958
      26.5942.052H-BAK63.879
      3-83.8700.0133.658
      47.5181.080H-BAK63.202
      512.8361.0832.841
      6-20.9600.689ZF12.370
      74.2590.7261.945
      STO9.5251.899
      9109.8762.050H-BAK63.222
      10-11.40512.0583.344
      IMAInfinity-2.783

      图  7  系统输出结构图

      Figure 7.  Layout structure of optical system

      图  8  系统光斑输出图

      Figure 8.  Output spot diagram of optical system

      图  9  系统传递函数输出图

      Figure 9.  Diffraction MTF Layout

      图  10  扇形图

      Figure 10.  Ray Fan of system

      图  11  畸变图

      Figure 11.  Grid Distortion

      图  12  模拟图像

      Figure 12.  Simulation image

      图 8可以看出:在最大视场角时,系统输出的RMS值为3.226 μm,从像面上的光斑与艾里斑的分布可以看出成像光斑主要集中在艾里斑区域内,光斑RMS值小于所选TCD1707型号的CCD像元尺寸。由图 9中MTF传递函数曲线可看出空间频率120 lp/mm范围内的MTF值高于0.5,接近衍射极限。成像光学系统的光线扇形图如图 10所示,像差范围在±5 μm之间,并且扇形曲线波动平缓,无过多的波浪型线。表明该系统的球差控制在很小范围内,系统离焦程度小,高级球差小。由图 11可以看出,系统畸变在0.185 9%内,控制在很小范围内。模拟成像如图 12所示,表明光学系统能够清晰成像。

      综上所述,这种4片式光学系统成像光斑质量好,能够很好地采集物面位移信息。其结构简单,也符合激光位移传感器传感探头对微小型尺寸的要求。

    • 根据图 2激光位移传感器工作原理图和光学三角法理论计算分析可得:所测量的位移量y与探测器上成像光斑移动大小x之间的关系为:

      (16)

      其中,∓表示的是测量物体表面方向。由公式(3)、(16)联合计算可得:

      (17)

      根据分析可知:则有:

      (18)

      θ即为激光位移传感器的测量精确度。

      对传统小孔成像、单透镜及本文设计的光学系统进行精度分析,结果如下:

      ① 采用传统小孔成像方法时,半导体激光器整形后光束直径d=105 μm,物面距离l=44.631 7 mm,像面距离l′=64.947 6 mm;通过三角形法计算可得光斑直径大小d′=0.157 5 mm,大约相当于TCD1707D型号的CCD探测器34个像元的大小,传感器测量精度ε1为:

      ② 采用单透镜成像时,控制镜头的孔径、焦距与本文设计的光学系统一致。优化后成像质量较差,最大弥散斑半径为7.576 μm。如图 13所示,光斑直径大小近似等于探测器4个像元大小,传感器测量精度为:

      图  13  单透镜成像光斑

      Figure 13.  Spot Diagram of single lens

      ③ 采用本文设计的微小型光学系统,成像光斑半径大小为3.226 μm,光斑直径大小近似等于探测器2个像元的大小,此时传感器测量精度为:

      通过对①~③三种不同的光学成像系统对传感器测量精确度影响的对比分析可得,采用本文设计的四片式微小型光学系统,传感器测量精确度最高,测量精度为4.5 μm。

    • 本文设计了一种激光位移传感器传感探头微小型光学系统。根据系统的成像需求,约束了孔径光阑的大小、焦距、成像物距、像差等多个变化参量,将光学系统像差控制在很小范围内,完成了光学系统的优化设计。光学系统输出的成像光斑半径低于3.3 μm,在空间分辨率小于120 lp/mm时,传递函数MTF高于0.5,系统的畸变量小于0.186 9%,光学扇形图的最大波动范围为±5 μm。根据设计的光学系统成像指标,分析其对传感器测量精度的影响可得,传感器测量精确度优于5 μm,比传统的小孔成像系统和单透镜成像系统测量的精度高,满足激光位移传感器测量系统对光学系统成像质量的要求。

参考文献 (40)

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