基于PSD的激光三角测距法原理、系统和精度分析

激光三角测距法原理、系统和精度分析

目录

1 三角测距方式 ...................................................................................................... 2 2 激光三角法原理分析 ............................................................................................ 4 3 激光三角法距离计算 ............................................................................................ 5 4 激光三角法精度分析 ............................................................................................ 6 5 系统探测能力的影响因素 .................................................................................. 9 5.1 PSD接收光功率对系统探测能力的影响 ...................................................... 9 5.2光能质心对探测能力的影响......................................................................... 16 5.3像点弥散斑对系统探测能力的影响............................................................. 19

激光三角法作为目前一种非常重要的非接触式测量方法，广泛运用于物体位移、厚度和三维面形等方面的测量。激光三角法利用一束激光经光学系统调节后照射到被测物体表面，形成一小光斑，经过被测物体表面散射后通过接收物镜聚焦成像在光电探测器的接收面上。被测点的位移信息由该光点在探测器的光接收面上所形成的像点位置决定。当被测物体移动时，光斑相对于接收物镜的位置发生变化，相应的其像点在光探测器接收面上的位置也将发生改变，根据其像点位置的变化和测量系统的结构参数可求出被测点的位移信息。由于入射光线和反射光线构成一个三角形，所以该方法被称为激光三角法。

1 三角测距方式

系统三角结构方式初步选定采用直入射法垂直接收屏方式。

对于本系统，接收物镜面几乎与散射光光轴垂直，接收物镜光轴与入射光光轴的夹角?角非常小，计算出只有约1.14度，在一般的机械零件加工和安装调试过程中这么小的角度是很难实现的，而且此时接收物镜也很难在普通光学支架上定位，故将垂直接收方式的结构设计为以下形式：

LDδPo’A’did1LsAd0θM’改进型方式中，接收物镜光轴平行于入射光轴，并与物面散射光光轴成?角，接收物镜与光电探测器接收面平行。

光束i垂直入射到移动物面上并与接收物镜的主光轴相交于位于M平面上的O点，称M平面为零参考平面，O点在像屏上的像点是O’点。移动物面上的A点和参考平面上的O点经过漫反射和半漫反射后通过透镜分别成像在光电传感器P上的A’点和O’点。A点相对于零参考平面M的位移量记为?，A点的位移计算公式为：

Δo参考平面M

图1 改进型垂直接收屏方式原理图

d0cos2??? (1)

d1sin??cos??与垂直接收屏接收方式相比，位移计算公式中多了一个系数cos2? 此时，焦距公式为

111?? (2) fd1s由此推导出精度公式：

d?(d0cos2???cos?)2(s2??s)211??(?) (3) d?fsd0d1sin?cos2?ds2

在相同焦距和系统宽度条件下，比垂直接收方式相对比，三种颜色曲线代表不同的接收物镜焦距，如图2。

9000800070006000精度50004000300020001000-500-400-300-200-1000100工作距离(mm)200300400500

图2 改进型垂直屏接收方式与未改进对比

图中，三组曲线分别代表了三组不同的接收物镜焦距。“＋”、“○”和“☆” 分别为f?15mm、f?20mm和f?25mm，实线曲线代表垂直屏接收方式的精

度曲线，带符号曲线代表改进方式的精度曲线。

由图2可知，与垂直接收屏方式相比，改进后的系统测量精度与之前并无明显差异。证明在此种结构方式下，系统精度满足项目要求。假设PSD最大分辨率为0.3?m，接收物镜焦距为f?20mm，系统测量的最低精度为

7000?0.3?m?2.1mm，则在测量范围内均可以满足系统测量精度的要求。

激光三角法(Laser Triangulation)是激光近场探测技术的一种，也是激光技术在工业测试中的一种较为典型的测试方法。由于该方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等特点，与其它非接触方法相比，这种探测方法具有更大的偏置距离和测量范围，对待测表面要求较低。因此，激光三角法在长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用。

2 激光三角法原理分析

光学三角法的基本原理是依据透镜的横向放大特性，如图所示，当物点由A1'移动到A2，对应像点由A1'移动到A2，当透镜的横向放大率为?时，可以得到'A1'A2A1A2??，利用透镜的这个特性，便可以对位移进行放大和缩小的转换。

A2A1LA1'A2'

图：透镜的光学成像特性

实际测量示意图如下所示，光源发出的光经会聚透镜投射到被测物体表面，其漫反射光经成像透镜形成光斑成像在传感器上。散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之间的距离决定。被测物体的位移改变引起传感器上成像光斑产生位移，而光电检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关，通过对光电检测器件输出的电信号进行运算处理，就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。

PSD探测器前置放大器激光器接收透镜MCUA/D采样L2L1探测目标

图：装置测量示意图

3 激光三角法距离计算

按照入射光线与法线夹角的不同，单点式激光三角法测量通常可分为直射式和斜射式两种结构，如图所示。在图中a，激光器发出的光线，经过会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或者其表面发生变化，则会导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电位置探测器上。若光点在成像面上的位移为x'，则被测面在沿轴方向的位移为

ax'x?

bsin??x'cos?式中，a为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b是接收透镜后主面到成像面中心点的距离；?是激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。

图所示为斜射式三角法测量原理图。激光器发出的光线和被被测面的法线成一定角度入射到被测面上，同样地，物体移动或其表面变化，将导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电位置探测器上。若光点在成像面上的位移为x'，则被测面在沿法线方向的移动距离为

ax'cos?1 x?'bsin??1??2??xcos??1??2?

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