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：
MHm=max(△H(n+1)-△H()2=ma 1.56×10°(m+1) 6×10-n 0.098989-5.5×10n0098989-5.5×10°n 曲线图如下图2.4: 图2.4体统分辨率曲线图 由图2.4可以看出,随着n的增大,分辨率降低。当n=3500时 △H=2.5×10-7m △Hm=△H(3500)-MH(-3500),把d,d,Φ,代入上式可得 △H=1.13mm 综上所述:光测头的主要参数d0,d,Φ,O,△H-,△Hmb,就确 定了
( ( ) ( )) ( ) 8 8 min 6 6 1.56 10 1 1.56 10 max 1 max 0.098989 5.5 10 0.098989 5.5 10 n n H H n H n n n − − − − + = + − = − − − 曲线图如下图 2.4： (m) 图 2.4 体统分辨率曲线图 由图 2.4 可以看出，随着 n 的增大，分辨率降低。当 n=3500 时 7 min H m 2.5 10− = 。 = − − H H H max (3500 3500 ) ( ) ，把 0 d ， 1 d ， ， 代入上式可得 max = H mm 1.13 。 综上所述：光测头的主要参数 0 d ， 1 d ， ， ， Hmax ，Hmib ，就确 定了
第三章光测头各的组元 3.1光源的选定 在仪器设计中,只有合理的选择光源,才能充分有效的满足仪器的 要求。因此,在选择光源时,需要考虑的因素有:灯丝的光谱能量分布 特性、光度特性和CCD的光谱响应特性等。 本设计,光源的选择结果是6V,15W的溴钨灯,此灯的特点是:色 温高、光谱能量分布也CCD的光谱特性近似匹配。如图3.1所示。而且 体积小、寿命长、发光效率高 0.8 02 0.40.8 图3.1溴钨灯光谱特性曲线
第三章 光测头各的组元 3.1 光源的选定 在仪器设计中，只有合理的选择光源，才能充分有效的满足仪器的 要求。因此，在选择光源时，需要考虑的因素有：灯丝的光谱能量分布 特性、光度特性和 CCD 的光谱响应特性等。 本设计，光源的选择结果是 6V，15W 的溴钨灯，此灯的特点是：色 温高、光谱能量分布也 CCD 的光谱特性近似匹配。如图 3.1 所示。而且 体积小、寿命长、发光效率高。 ¦ Λ ( ¦ Μ 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 图 3.1 溴钨灯光谱特性曲线
I/Io 05 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.7 0.8 0.9 1.0 λ(um) 图3.2CCD光谱响应曲线 如图3.1可知,两曲线的光谱范围基本重合。其峰值波长均在0.8m 附近,卤钨灯与灯丝的辐射特性有关。而钨丝的辐射又满足位移定理: =·T=2630μmk可见,光源的釆用卤钨灯就可以适当调节色温,使它 的光谱特性与CCD的光谱特性响应相匹配 安装光源时应注意使灯丝的方向与光轴的方向垂直,以满足CCD所 要求的光照度。 又因为CCD输出信号幅度正比于所受光照度的大小(见CCD的光照 度特性)。当光照度过小时,输出信号幅度小,抖动大;当光照度过大 时,其输出饱和溢出。使仪器不能正常工作。因此,为使光照度比较稳 定,应加上稳压源。 3.2照明系统的确定 在CCD尺寸检测系统中,被测物是否得到均匀照明,将对测试后果 产生很大的影响。因此,选择照明系统应满足: 1.保证CCD其间有足够的照度 2.保证被照明的视场范围足够均匀 3.尽可能减少杂光 现在有的照明方式,有反射式与透射式。在本设计中由于要求精度
λ（μm） 图 3.2 CCD 光谱响应曲线 如图3.1可知，两曲线的光谱范围基本重合。其峰值波长均在 0.8m 附近，卤钨灯与灯丝的辐射特性有关。而钨丝的辐射又满足位移定理： max = T mk 2630 可见，光源的采用卤钨灯就可以适当调节色温，使它 的光谱特性与 CCD 的光谱特性响应相匹配。 安装光源时应注意使灯丝的方向与光轴的方向垂直，以满足 CCD 所 要求的光照度。 又因为 CCD 输出信号幅度正比于所受光照度的大小（见 CCD 的光照 度特性）。当光照度过小时，输出信号幅度小，抖动大；当光照度过大 时，其输出饱和溢出。使仪器不能正常工作。因此，为使光照度比较稳 定，应加上稳压源。 3.2 照明系统的确定 在 CCD 尺寸检测系统中，被测物是否得到均匀照明，将对测试后果 产生很大的影响。因此，选择照明系统应满足： 1.保证 CCD 其间有足够的照度。 2.保证被照明的视场范围足够均匀 3.尽可能减少杂光。 现在有的照明方式，有反射式与透射式。在本设计中由于要求精度
较高,因此采用了透射式的照明系统 对光学系统的要求是 ①要使被测物得到均匀的照明。为了提高测量精度,必须采用远 心成像系统。因为当被测件具有一定的厚度时,在会聚光照明 下会产生较大误差。故照明系统最终采用象方远心光路的柯勒 照明方式。 ②要求适当的校正球差、色差,采用双胶合透镜,可使象差得到 校正 3.3投影系统的确定 在仪器中,投影系统就是把工件表面影像投影到CCD光敏面上。为 了提髙检测精度,要求投影系统清晰、放大倍率准确 本设计中采用2的投影系统。光路如图3.2 物镜 目镜 图3.2 3.4计算机处理系统 3.4.1计算机处理系统组成
较高，因此采用了透射式的照明系统。 对光学系统的要求是： ① 要使被测物得到均匀的照明。为了提高测量精度，必须采用远 心成像系统。因为当被测件具有一定的厚度时，在会聚光照明 下会产生较大误差。故照明系统最终采用象方远心光路的柯勒 照明方式。 ② 要求适当的校正球差、色差，采用双胶合透镜，可使象差得到 校正。 3.3 投影系统的确定 在仪器中，投影系统就是把工件表面影像投影到 CCD 光敏面上。为 了提高检测精度，要求投影系统清晰、放大倍率准确。 本设计中采用 2 的投影系统。光路如图 3.2： 物镜 目镜 图 3.2 3.4 计算机处理系统 3.4.1 计算机处理系统组成
计算机处理系统由硬件部分和软件部分组成。计算机处理系统逻辑 框图如图3-3所示,计算机处理系统由内置视频采集卡、信号处理卡、 通讯接口卡组成。信号处理卡采用自制接口电路,计算机选择工业控制 计算机,和标准研华工业通讯接口卡,完成信号采集、数据处理、实时 输出等功能。 信号 机翼信号 信号 全卡[CD网步信号 数饲 理中心 出院器 键盘鼠怀 图3-3计算机处理系统逻辑视图 系统软件采用在 Windows操作系统下,用VC++6.0编程实现,提 供一个中文环境软件工具库,以窗口形式支持测量、使用帮助、图像显 示用户可通过虚拟仪器实现所有操作系统控制,并可实时得到测量结 果。测量软件流程图如图3.4所示,软件操作灵活方便,使系统更接 近实用化
计算机处理系统由硬件部分和软件部分组成。计算机处理系统逻辑 框图如图 3-3 所示，计算机处理系统由内置视频采集卡、信号处理卡、 通讯接口卡组成。信号处理卡采用自制接口电路，计算机选择工业控制 计算机，和标准研华工业通讯接口卡，完成信号采集、数据处理、实时 输出等功能。 系统软件采用在 WindowsNT 操作系统下，用 VC++6.0 编程实现，提 供一个中文环境软件工具库，以窗口形式支持测量、使用帮助、图像显 示用户可通过虚拟仪器实现所有操作系统控制，并可实时得到测量结 果。测量软件流程图如图 3.4 所示，软件操作灵活方便，使系统更接 近实用化