基于PSD激光三角测量的非线性校正电路

　　0　引　言

　　激光三角测量是目前非接触测量的主要方法之一,它主要应用在物体表面是非镜面的场合,应用范围非常广泛。由于激光三角测量的倾斜光学成像特点,使得被测位移量与像面上光点位置的关系不是线性的[1]。激光三角测量系统所用的光电传感器一般有CCD和PSD, CCD常用于高精度、低速场合, PSD常用于中/低精度、高速场合。CCD信号处理方法大都是数字的。因此,三角测量关系的非线性校正一般用软件的方法或FPGA的数字硬件电路来实现;PSD器件是一种电流输出的模拟器件,通常用专用PSD信号处理模块或类似的前置处理电路,得到与PSD的像点位置大小成比例的电压信号,A/D转换后,用数字处理的办法进行软件校正[2]。然而,软件处理的方法速度受到限制,实时性差。

　　本文针对激光三角测量的非线性数学关系特点,结合PSD的特性,设计了一种电路,将非线性校正和PSD信号处理结合起来,在PSD信号处理的同时实现激光三角测量的非线性校正。这样减少了处理环节,降低了实现难度,简化了电路。并由于完全的硬件处理,速度有了很大的提高。

　　1　激光三角测量原理

　　激光三角测量广泛用于三维轮廓、厚度、宽度及振动测量中,其原理如图1所示。在满足三角成像测量条件下[1],当被测表面发生高度位置变化时,探测器a′b′上面的像点o′相应地发生变化。根据像移大小和三角测量系统的结构参数可以获取被测物面的位移Z的大小信息。

　　当物面由o点向上移动到b,由几何关系可得到Z2x关系式为：

　　式中　α(即∠boo′)为透镜主光轴入射激光的夹角;β(即∠a′o′o)为探测器像面和透镜主光轴的夹角;d0(即oL)为透镜光轴上的物距,mm;d1(即Lo′)为透镜光轴上的像距,mm;Z为物面纵向位置变化,mm;x为像面成像点位置的变化,mm。

　　2　PSD工作原理与特性

　　PSD是根据横向光电效应工作的半导体敏感器件。当光投射在PSD的光敏面上时,在两极上分配一定比例的电流,其原理如图2所示。

　　以电极1为坐标零点时,两极的光电流I1和I2大小可以表示为[3]：

　　式中　I1,I2分别为从电极1和电极2流出的电流,A; I0为总光电流,和入射光光强成正比,A;L为PSD光敏区总长度,mm;XB为入射光在PSD上的光斑中心到电极1的距离,mm。于是,有：

　　式中　XA为入射光在PSD上的光斑中心到PSD光敏面中心的距离,mm。

　　式(5)和式(6)中都没有I0,说明它们不受入射光的光强影响,即入射光满足PSD的光强感应范围时,测量过程中,光强的改变对测量结果不会产生影响。