透射型激光三角法测量蜻蜓翅膀形状

　　1　引　　言

　　昆虫运动机理的研究对微型飞行器的研制是十分重要的。昆虫运动仿生研究包括昆虫运动参数测量、昆虫生理参数测量和昆虫运动机理分析三个方面。其中昆虫翅膀形状测量是昆虫运动参数测量的一个基本内容,它为分析翅膀静变形和动变形提供重要参数[1]。

　　激光三角法是一种常用的非接触式测量方法,也是测量昆虫翅膀形状的一种合理手段。但用常规的激光三角法测量透明的昆虫翅膀时,会由于散射光弱而导致信号信噪比低,影响测量精度。本文针对此问题,提出透射型布局的测量方案,并测量了蜻蜓翅膀3个典型截面的形状。实验证明此方案可用于测量昆虫翅膀形状。

　　2　测量方法

　　2.1　常规激光三角法用于蜻蜓翅膀测量时存在的问题

　　激光三角法的常规布局如图1所示[2],激光束由激光器发出入射至待测面形成物点,其散射光被透镜汇聚至位置传感器PSD(Position Sensing Detector)上形成像点。待测面位置变化使位置传感器上的像点位置改变,导致传感器输出信号变化。用常规激光三角法测量蜻蜓翅膀时,遇到以下3个问题:

　　(1)入射到翅膀上的光斑大,导致PSD上光斑能量中心与几何中心不重合,引入测量误差。

　　(2)透明翅膀的反射光进入PSD,该反射光强远远大于散射光强,造成测量误差。

　　(3)翅膀上翅脉不均匀使成像光斑发散,观察到的光斑呈星型放射状,导致测量精度降低。

　　2.2　改进后的测量系统

　　改进后的测量系统如图2所示。采取图2的布局可解决2.1中的3个问题。透射型布局避免了翅膀反射对测量的影响。图2中显微物镜起到缩小翅膀上物点光斑直径的作用。由于显微物镜焦距短,而激光束在物镜出射镜面上产生一投影光斑,此光斑靠近翅膀上的光斑,两光斑同时在PSD上成像,对测量产生影响。为解决这一问题,需要遮挡镜面上光斑的干扰光线。为此在物镜与翅膀之间紧贴物镜镜面处放置一光阑(图2中光阑1),同时在PSD前方放置另一光阑(图2中光阑2)。设镜面上的光斑处于图2中A点的位置,它发出的光线受光阑1的限制只能入射在透镜的上半部分(如图中虚线所示),而光阑2遮挡此部分光线使其无法入射到PSD上,两光阑配合消除了镜面上光斑对测量的影响。在这一过程中,翅膀上物点的大部分散射光可通过光阑2汇聚至PSD上,因此光阑2不会影响正常测量。光阑2的另一个作用是滤掉由于翅脉等造成的放射状线条,这一点可通过调整其大小来实现。

　　光学系统参数为:轴上点物距do=-100mm,轴上点像距di=150mm,透镜焦距f′=60mm,h≈10mm(由于翅膀形状的起伏,此值在10±2mm之内),激光束与透镜光轴的夹角-α=20°。选择参数时主要考虑到测量的灵敏度,PSD接收光的强度,像点光斑的大小,PSD的几何尺寸及量程范围。由以上参数计算出[3]: