双无衍射光束三角测量系统

　　无衍射光束三角测量系统[1,2]结构简单、测量范围大、精度高、速度快,适用于在线测量.机械振动是在线测量中影响测量精度的重要因素,单入射光束三角测量系统难以去除振动噪声的影响.为此,本文提出了双无衍射光束三角测量系统.

　　1　系统结构及原理

　　双无衍射光束三角测量系统如图1所示.

　　系统中,无衍射光束的实现方法同文献[3].双无衍射光束由方解石材料制作的萨瓦特分束器实现.方解石的双折射特性使入射的无衍射光束分为两平行的无衍射光束.假设分束器光轴与通光面的夹角为γ,与入射光光轴的夹角为φ,分束器内两出射光束的夹角为ω,方解石材料的两个折射率分别为no及ne,则ω与φ的关系为

两出射光束的间距σo为σo=ltanω,式中l为分束器的长度.

　　在实际测量中,σo可通过转动分束器,改变φ角进行调节,以适用于凸凹程度不同的表面轮廓,增加系统的灵活性.

　　系统测量原理为:两无衍射光束同时入射在被测物体表面,在线测量受到纵向机械振动影响时,被测物点经漫反射或反射光成像在探测器上的两像点位置也同时发生变化.根据物像位置关系,可由测得的像点位置求得相应的被测物点位置,进而用差分法求得两被物测点的高度差.在高度差中,振动噪声被去除.横向移动被测物体,可得到去振后的轮廓曲线.

　　2　系统物像位置关系算法

　　由图1,假设O1及O2位于同一平面,O1是三角测量系统的参考位置,即O1O′1位于成像透镜光轴上,O1及O2间距为两入射光束间距σo,其像点间距为σi.当平面上移或下移时,两像点的位置随之发生变化.对光束1照射的被测物点O1,其物像位置关系Z1-I1为一般三角测量系统的物像位置关系[4]:

式中符号含义同文献[3].式(1)中的“-”及式(2)中的“+”表示物体上移时的计算公式.反之,则为下移时的计算公式.

　　对光束2照射的被测物点O2,其物像位置关系Z2-I2则需进一步推导.由图1,Z2及I2可转换为等效的Z1及I1,即Z2-I2关系可由Z1-I1关系推得.

　　假设O2下移至位置Z2,即A点.连接A的像点A′与A并延长,使之与光束1的光轴交于B点(其像点也在A′处).即相当于O1下移至Z1.由ΔSLA~ΔO1LB可以推得Z2与Z1的关系为

　　图1中,若对应光束2产生的像点以O′2为参考点移动,其移动量为I′2,此时有等式I1=I′2+σi.但在实际测量中,光束2的像点可以O′1为参考点移动,其移动量为I2.对光束1与2照射的被测物点A与B,其像点有I1=I2.

　　将Z1与Z2,I1与I2的等效关系式代入等式(1)及(2),可得Z2-I2关系如下:

　　在实际测量中,I1及I2由探测器记录,Z1及Z2由相应像点位置求得.若没有振动噪声的影响,则被测物体轮廓可由Z1或Z2直接得到.否则,系统须采用差分算法求得被测物体轮廓.