一种用于曲面快速测量的激光片光源的研究

　　自由曲面快速反求中曲面测绘是将片光照射在被测曲面上,转动被测面进行扫描,同时由CCD摄像机从与光平面呈一定角度的方向采集信号,根据片光被弯曲的情况,测出曲面的形状。片光质量与测量精度密切相关,要求片光宽度窄、均匀,焦深大,横向光强分布有极值,以便形成实质上的线形片光。

　　1　柱面反射形成片光的原理

　　自由曲面快速反求技术中应用的激光片光通常有2类:①柱面透镜扩展法,将激光准直后或直接投射在柱面透镜上,单向扩展形成片光,这种片光宽度不能窄于光斑的直径,光强分布受柱面透镜表面质量及材料均匀性的影响大,因而图像不很清晰;②光点扫描法,将激光束照射在摇摆反射镜上实现扫描,由于视觉保留而形成片光。由于这种片光应用了运动机构,微小的运动误差将形成相当大的光点运动轨迹误差,产生重复性误差。此外片光的各光点不能同时呈现,给信号采集带来不便,片光宽度也不能窄于光斑直径。

　　针对上述方法的缺点,我们设计出一种新型激光片光源。令激光束照射在一个使光的入射角连续变化的反射镜上,使光束扩展成片光。这一既能满足使入射角连续变化又便于加工的曲面,应是圆柱面,见图1。当近似平行的激光束照在柱面的侧面时,柱面反射镜的一部分将实现图1中反射镜所起的作用,形成片光。

　　虽然激光束发散角小,但形成的片光宽度还是随距离增加而变宽,所以应该压缩激光束的发散角。片光中被应用的部分实际只是图1b中的CC部分,可以通过调节柱面反射镜和光斑的相互位置,通过选择图2中AA、BB或CC部分形成片光来改变片光的宽度,使片光的宽度可以小于光斑直径。应根据满足测量的最小扩展角选择圆柱直径。采用钢等普通材料精磨、抛光加工即可,镀一层高反射层更好,这比加工玻璃圆柱和柱面透镜容易得多,且避免了光通过透镜内部,玻璃材料均匀性不良对光分布的影响。

　　2　应用激光高斯光束特性改善片光的发散角

　　(1)激光束的发散角影响片光的横向发散,使其宽度随被测面远离而变宽。如采用常用共焦腔He—Ne激光器或平凹腔He—Ne激光器,激光为高斯光束,以平凹腔为例分析,激光高斯光束的束腰在平面镜处,当凹镜球面半径为1100 mm,腔长为150 mm时,束腰半径为0.276 mm[2]。从激光管平面镜端外20 mm处用直径为6mm的圆柱反射镜直接扩展激光束,如从反射镜算起,测量需焦深1000 mm,此范围内光斑半径(片光半宽)用文献[1]中公式计算

　　算得光斑直径(片光宽)将从0.55 mm随距离增加,1000 mm处将为1.59mm,变化为1.04mm,因此这个片光的焦深是很差的。