激光测头光束质量分析与控制

　　激光三角法广泛用于与目标物相隔距离较大、探测器体积小巧、辨析度为mm级以下的非接触测量中[1]。常用的光电探测器有线阵电荷耦合器件(CCD)和位置敏感器件(PSD)。当采用CCD探测器时,获取的信号是一幅光斑图像,因此需要复杂的信号处理电路来对光斑中心进行亚像素定位,这限制了测量精度和速度。当采用PSD探测器时,输出信号只与光点能量中心位置有关,只需设置一个简单的光电信号输出处理电路,而且,PSD的几何精度和响应速度均优于CCD[2]。然而,来源于被测物体表面粗糙度、散斑、光源波动、信号处理电路和探测器自身的误差在一定程度上限制了它的应用[3]。有许多作者通过模型拟合来修正误差[4-5],但大多是对PSD器件本身来进行标定,在实际应用情况中并不能做到对每个器件进行单独修正。

　　激光测头将光点在其光敏面上的强度及位置转换成两路电流信号输出[6],测量精度与激光束在被测物体表面形成的光斑尺寸和散射光强有明显关系。散射光束的信号强度分布不均会引入测量误差。如果采取措施使散射光束直径小于激光测头的定位分辨率,则可有效地将所引入的误差限制在激光测头的定位分辨率内,从而提高测量精度。减小光束直径的最直接办法是聚焦。然而,聚焦仅能在焦面处使光束直径最小,在其它位置,高斯光束的光束直径会急剧增大。因此,聚焦只能降低某一测量点的定位误差,不能提高激光测头在整个测量范围内的测量精度。要保证在测量范围内具有一致的测量精度,应使光束直径在测量范围内保持不变。准直方法可以使光束直径在测量范围内基本一致,但准直后会使光束扩束,对提高测量精度不利。为此,本文建立了激光测头光束质量控制数学模型,提出了一种光束质量控制的评价参数,并依照经优化的评价参数,设计了测头的光束质量控制光学系统,在保持光束均匀性的基础上减小光束束腰,获得了满意的光束。

　　1　激光测头的光束质量控制评价参数

　　1.1　光束质量控制数学模型

　　在激光三角法测量系统中,对光束的控制要求在测量范围内,光束直径既要尽可能均匀,又要尽可能小。因此,如果对光束进行压束,并使激光光束束腰正好处于测量范围的中点位置,在适当控制束腰大小的同时,控制测量区域内的光束传输均匀性,即可较好地减小激光测头测量误差。设经压束后的束腰为w1,控制束腰使之正好处于测量区域中心位置,则在测量区域[-zmax,zmax]内,z位置的光束半径为

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　　1.2　评价参数优化选择

　　K1,K2的选择与测量系统的参数有关。本文设计的激光测头中所用的光源波长λ=650 nm,z=±5 mm。为优化选择K1,K2,在不同压束状态下,对光束质量进行分析。当w1为10,20,30,40μm时,各个光束形状如图1所示。从图1可以看出:当w1=10和20μm时,尽管光束束腰相对较小,但光束均匀性很差,光束质量不好;当w1=40μm时,尽管光束均匀性较好,但光束束腰相对较大,光束质量也不够好;当w1=30μm时,光束质量相对较好。