CCD分段测量的光学位移测量系统

　　1　引　言

　　随着现代科学技术和工业的发展，具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强等优点的光学三角测量技术越来越受到人们的青睐，并在工业检测、精密检测等领域得到了广泛的应用[1-3]。测量精度是衡量测量设备性能好坏的指标[4]，传统的激光三角测量设备由于其自身特点，受被测物和环境等因素的影响很大[5]，其测量精度一直受到相关领域的极大关注。目前，北京光电技术研究所、中科院等单位均在进行这方面的研究[6-8]，其中，北京光电技术研究所和中科院合肥智能机械研究所研究的激光测距装置均以PSD为光电转换器件，其精度均达到0.5%以上[9-10]。另外，以三菱为代表的一些国外公司已经研制出直射式和反射式的激光三角测量头[11];而德国NCDT系列和日本LK系列激光三角测量传感器以测量速度快，可以实时补偿被测表面影响的特点占据了国内市场[12-13]。

　　本文在传统激光三角法测量基本原理的基础上，针对现有测量中输入与输出之间的非线性关系带来的原理性误差，分辨力和测量范围的相互制约以及目前CCD的发展水平对大范围的高精度测量的限制，提出了一种新的基于虚拟探测器的激光三角法测量方法并设计了相应的光学测量系统。该方法采用3个互相独立且沿光轴均布的3个CCD进行分段测量来实现较高精度的大尺寸测量。

　　2　测量原理及系统设计

　　首先分析一个透镜成像时的情况，如图1所示。激光器发出光线经物镜L0沿光轴到达被测物P点，在P点发生散射，那么总有一条散射光线会经L0和L1后到达检测元件CCD，L0焦点到被测点P的距离z1可通过CCD上点D的位置得到。由光学原理可知，一束与光轴成一定夹角的平行光经透镜后将汇聚于像方焦平面上，故若使汇聚透镜置于L1的焦平面上，那么P点发出的平行于直线O1E光线必汇聚于B点，并成像于CCD的D点。由相似三角形可得：

　　式中：f1为透镜L0的焦距，f2为透镜L1的焦距;Δd为CCD像素的大小;a为L1相对于L0光轴的偏距，a对传感器的分辨力的大小有影响。选用像元尺寸为7μm，像元数为7　500个 的TCD1703C型线性CCD，所以CCD的最大尺寸为：

　　第一种情况，取f1=600mm，f2=400mm，a=150mm，根据以上推导计算量程为：

        设计中利用平面镜作为虚拟探测器来对CCD的尺寸进行扩展，使CCD尺寸变为原来的两倍，考虑到误差等因素，取d=100mm。所以测量0～600mm的长度理论分辨率可达42μm。

　　同理，第二种情况，当f1不变，f2=600mm，a=100mm时，计算量程为：