【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度和抗干擾性能，它適用于在線測(cè)量。 1） 掃描速度應(yīng)是均勻的 。 2） 掃描光束應(yīng)和光軸保持平行。 根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)行為特性，一般光學(xué)系統(tǒng)滿(mǎn)足不了這兩個(gè)要求。 由式 (22)可知在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，掃描速度是 φ 的函數(shù)，及掃描速度 v 隨 φ 角的變化而變化，并 且 不是常數(shù)。 激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 另一方面，由于采用多面體 轉(zhuǎn)鏡 ，掃描光束在轉(zhuǎn)鏡上的反射點(diǎn)、回轉(zhuǎn)中心和光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)三者不重合，從而產(chǎn)生離焦現(xiàn)象，在光軸方向的離焦量由下式給出 : ??coscos1KR??f （ 23） 其中， K= ?? 22 sincos ? ，這就意味著掃描光束不是從掃描透鏡的焦點(diǎn)射出的掃描光束 ，不和光軸平行，因而存在準(zhǔn)直誤差。并且由式 (23)可以看出，準(zhǔn)直誤差也是轉(zhuǎn)角 φ 的函數(shù)，所以激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)也是一種動(dòng)態(tài)光學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性主要取決于速度特性和準(zhǔn)直特性。要想獲得微米級(jí)的測(cè)量精度，就必須設(shè)計(jì)出具有良好動(dòng)態(tài)特性的特殊光學(xué)系統(tǒng)。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種?θ透鏡，其成像特性可由下式給出 : H=?θ (24) 式中 :H—— 像高； ?—— 焦距 ； θ —— 入射光與光軸的夾角 (rad)。 激光 源的 選擇 激光光源與普通光源比較，具體亮度高、方向性、單色性和相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是高精度測(cè)量的理想光源。早期的激光掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，均采用氦氖 (HeNi)激光器做光源。氦氖激光器屬于氣體激光器，工作物質(zhì)是氦氣和氖氣，激光管用硬質(zhì)玻璃制成，管子電極間施加幾千伏電壓，使氣體放電。在適當(dāng)放電條件下，氦氖氣體成為激活介質(zhì)，如果管子軸線上安裝高反射比的反射鏡作為反射腔，可獲得激光輸出。這種激光單色性好，發(fā)散角小于 2mrad，光束直徑Φ lmm，可以直接用于激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)。但是氦氖激光采用玻璃管和高壓電源，極易產(chǎn)生慢 漏氣、放電管內(nèi)元件放電、陰極濺射、工作氣體吸附和滲透等情況，影響激光器壽命，激光器壽命只有 2021~5000 小時(shí)，國(guó)產(chǎn)激光器壽命更短。另外由于使用高壓電源，激光器正極極易與附近導(dǎo)體產(chǎn)生放電現(xiàn)象，從而使激光器損壞。所以成為激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)故障率最高的器件。 近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體激光器的不斷成熟，人們更多使用半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。最常用的材料是砷化稼，其結(jié)構(gòu)原理與二極管十分相似。半導(dǎo)體激光器除具有超小型、高功率、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn) : 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 1） 啟動(dòng)電壓低 :半導(dǎo)體激光器只需要 26V 的電源電壓，而 HeNi 激光器則需要1500v 的高壓才能啟動(dòng)。 2） 電能轉(zhuǎn)換效率高 :半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)換效率與 HeNi 激光器的轉(zhuǎn)換效率相比高得多。 3） 壽命長(zhǎng) :使用壽命約為 10000 小時(shí)。正由于半導(dǎo)體激光器具有上述特點(diǎn)，所以在本系統(tǒng)中我們選擇半導(dǎo)體激光器作為光源。另外，由衍射光斑直徑公式d= /NA 可知，只有光源的波長(zhǎng) λ 較短，才能獲得足夠小的光斑，因此我們選擇波長(zhǎng)為 λ =635nm 的半導(dǎo)體激光器，它能使光學(xué)系統(tǒng)的體積和整體外形尺寸大大減小，利于移動(dòng)、安裝、調(diào)試。 本系統(tǒng)采用 揚(yáng)州聯(lián)創(chuàng)光電有限責(zé)任公司 生產(chǎn) 的 半導(dǎo)體激光器，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 主要技術(shù)參數(shù)： 波 長(zhǎng)： 635nm 出瞳功率： 1— 40mW 工作電壓： DC 3V—— 5V 運(yùn)轉(zhuǎn)方式：連續(xù)式 調(diào)制頻率： 0— 1MHz 使用壽命： ≥1 萬(wàn) 小時(shí) 接口電平： TTL 電平光斑直徑：最小光斑直徑 ≤ Φ 1mm 光束發(fā)散度 ： — 光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)鍍膜玻璃透鏡 工作溫度： 10℃ ～ +60 存儲(chǔ)溫度： 40℃ ～ +80℃ 圖 22 半導(dǎo)體激光器 激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 ?θ透鏡的設(shè)計(jì) 激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)光學(xué)系統(tǒng)，想要獲得微米級(jí)的測(cè)量的精度，就必須采用具有良好動(dòng)態(tài)特性光學(xué)系統(tǒng)，一般采用 ?θ 透鏡作為掃描發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，能夠很好的解決這一問(wèn)題。 ?θ 透鏡的區(qū)別 如圖 23 所示，設(shè)透鏡焦距為 ?掃描角度為 θ ，普通透鏡如 圖校正了 畸 變，其像 高為 : ?tanH ?? f （ 28） 將此式兩邊對(duì)時(shí)間 t 求導(dǎo)，那么有 : dtdse cdtdH 2 ?? ???? f （ 29） 圖 23 通透成像情況 由此可見(jiàn)，對(duì)以等角速度偏轉(zhuǎn)的入射光束在焦平面上的掃描速度不是一定的。 對(duì) ?θ 透鏡而言，為得到一定的掃描速度，像高必須為 : ???fH (210) 這樣，對(duì)時(shí)間 t 微分的結(jié)果為 ?? ff 2dtddtdH ??? (211) 其中 ω 是掃描元件恒定的角速度，這樣要求 ?θ 透鏡要故意產(chǎn)生正 畸 變，當(dāng)掃描角度 θ 增大時(shí)，實(shí)際像高比幾何光學(xué)確定的理想像高要小，是它的 θ /tanθ 倍，其線畸變?yōu)?: )tan(tanH ???? ???????? fff (212) 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 其相對(duì)畸變量為 : %10 0ta nta nDr ??? ? ?? (213) 具有式 (213)所給出的 畸 變像差量的透鏡，當(dāng)入射光以等角速度偏轉(zhuǎn)入射時(shí)，在焦面上的掃描速度就是等速的，由于此透鏡的像高等于 ?θ ，故常簡(jiǎn)稱(chēng)為 ?θ 透鏡。 ?θ 透鏡與普通透鏡的區(qū)別見(jiàn)圖 24 所示，圖 24 中比較 ?θ 透鏡與普通透鏡的 H與 θ 之間的關(guān)系，隨著 θ 的增大，兩者之間的差別越來(lái)越明顯，在線性地保持掃描角度和掃描位置關(guān)系方面， ?θ 透鏡起到了重要的作用。 圖 24?θ 透鏡與普通透鏡的區(qū)別 ?θ 透鏡參數(shù)的選擇 1） F數(shù) 由于使用高亮度激光光源，所以不必象普通透鏡那樣根據(jù)光源亮度決定 F 數(shù)，只是根據(jù)所必需的光點(diǎn)尺寸決定 F 數(shù)，即使由于透鏡 F 數(shù)弱也可以用，因?yàn)檫@有利于像差校正。 2） θ 和 ? 在掃描范圍一定的情況下 ，盡可能用大的 θ 角小的? ,這種選擇能使透鏡的尺寸和反射器的尺寸減小，從而使 反射鏡表面的不均勻、反射角不準(zhǔn)確以及掃描器不穩(wěn)定等造成的誤差減小 ，使 由于棱鏡表面角度不均勻和掃描器軸承不穩(wěn)造成的不利影響較小。由于入射光瞳即位于掃描器上，又處于透鏡前焦面上，所以選取較小的焦距?可以使掃描器與物鏡之間的距離減小 ， 使結(jié)構(gòu)緊湊 。但是大的 θ 角也會(huì)給物鏡設(shè)計(jì)激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 帶來(lái)困難 ， 而且 θ 受掃描器性能限制。實(shí)際上， 如果 ? 較小，則像方工作距相應(yīng)也小，不便操作，因此應(yīng)充分利用掃描器轉(zhuǎn)角 θ ，同時(shí)滿(mǎn)足掃描器范圍的要求，由此確定 ?。 在 F 數(shù)較小時(shí)， θ 和?都不可能大，特別是為了獲得均勻大小的光點(diǎn)尺寸，常常考慮遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，若此時(shí)掃描角與焦距都較大，則透鏡也大，制造也有困難。 透鏡的通光口徑要根據(jù)測(cè)量范圍、被測(cè)件的振動(dòng)幅度以及中心位置的可能移動(dòng)范圍選取定。同時(shí)為了形成較好的平行光掃描，希望光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑 D/?盡可能小，但是焦距太大會(huì)使測(cè)頭的體積增大，所以一般相對(duì)孔徑 D/?取 1/4~1/6。 ?θ設(shè)計(jì)要求 1） 結(jié)構(gòu)類(lèi) 型 ?178。 θ 透鏡多屬小孔徑、大視場(chǎng)并具有遠(yuǎn)心光路的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有正光焦度。一般光源為單色光，光學(xué)系統(tǒng)不需要消色差，軸上軸外均達(dá)到或接近衍射極限的像質(zhì)要求。為控制高級(jí)本征衍射像差，通常不使用易產(chǎn)生高級(jí)像差的膠合面，即由多片分離的單透鏡構(gòu)成。一般透鏡片數(shù)越多，所能達(dá)到的精度指標(biāo)也越高。本設(shè)計(jì)選用兩個(gè)透鏡組成的負(fù) 正型結(jié)構(gòu)，如圖 25 所示。它可使像方工作距較長(zhǎng)，物方工作距短，從而使結(jié)構(gòu)緊湊且又易于操作。 圖 25 兩個(gè)透鏡組成的負(fù) 正型結(jié)構(gòu) 2） 光焦度分配及像差校正 從降低高級(jí)像差考慮，正透鏡宜 采用高折射率低色散玻璃，負(fù)透鏡應(yīng)采用低折射率 玻璃。光焦度分配應(yīng)注意兩點(diǎn)：首先應(yīng)滿(mǎn)足總光焦度要求，其次是平像場(chǎng)。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 掃描接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在回轉(zhuǎn)體直徑測(cè)量系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)聚焦透鏡作為掃描接收光學(xué)系統(tǒng)，光電接收器放置在掃描接收光學(xué)系統(tǒng)的后焦面上。根據(jù)透鏡的性質(zhì)知道，平行光經(jīng)過(guò)透鏡后的會(huì)聚點(diǎn)并不是一個(gè)理想點(diǎn)，而是一個(gè)衍射斑，其直徑 d= /D，式中， f 為會(huì)聚透鏡焦距； λ 為激光波長(zhǎng) 。D 為激光束直徑。由上式可以看出 :f 越小， d 就越小。因此要設(shè)計(jì)焦距短的會(huì)聚透鏡作為掃描接收光學(xué)系統(tǒng)。 多面體反射鏡 激光掃描無(wú)論是哪種方式都需要有光學(xué)掃描器。實(shí)現(xiàn)此功能的有振鏡掃描、聲光掃描、電光掃描和多面體轉(zhuǎn)鏡掃描。 目前以旋轉(zhuǎn)多面體掃描應(yīng)用最廣泛。 圖 26 轉(zhuǎn)鏡的基本種類(lèi) 多面體轉(zhuǎn)鏡掃描的缺點(diǎn)： 1)多面體的加工精度要求高； 2)掃描電機(jī)的均勻性要求嚴(yán)格； 3)與多面體相關(guān)的光學(xué)部分調(diào)整復(fù)雜，精度要求高。 激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 在掃描過(guò)程中，多面體的各 小平面反射面繞多面體中心 O 旋轉(zhuǎn)， 如圖 27 所示， 盡管轉(zhuǎn)鏡 以勻速旋轉(zhuǎn)， 反射光的掃描軌跡嚴(yán)格說(shuō)不是勻角速度，掃描軌跡必然產(chǎn)生非線性誤差。這誤差是由多面體反射面與 其外接圓矢高 ΔR 所引起的。 ]2/c o s1[RR ）（ ???? （ 214） 圖 27 非線性誤差示意圖 但它也有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)掃描角度大，通?？纱笥?30176。； 2)在較長(zhǎng)的掃描寬度上具有高的分辮率； 3)反射面上鍍?nèi)瓷淠?，反射率高、光能損失?。? 4)實(shí)現(xiàn)掃描機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。 多面體反射鏡之所以如此廣泛地被使用，是與目前的精密加工技術(shù)的發(fā)展分不開(kāi)的。決定激光光束掃描用的多面體反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)是面數(shù)，每 個(gè)面面積的大小和材料是通過(guò)對(duì)掃描分辮率、掃描速度、激光束的利用率，反射鏡的旋轉(zhuǎn)速度和機(jī)械強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及加工精度等進(jìn)行綜合考慮而確定的。 本儀器采用旋轉(zhuǎn)多面體反射鏡掃描方式，通過(guò)多面體反射鏡的高速旋轉(zhuǎn)完成掃描任務(wù)，所以多面體反射鏡本身的精度及其回轉(zhuǎn)精度將直接影響掃描系統(tǒng)的精度。影響旋轉(zhuǎn)多面體反射鏡掃描質(zhì)量的誤差來(lái)源主要有多面掃描反射鏡各反射面的面形誤差、各反射面間的分度誤差、反射面的塔差及轉(zhuǎn)軸晃動(dòng)引起的掃描點(diǎn)位置誤差等。多面體反射面的面形誤差將造成掃描系統(tǒng)在主掃描方向上掃描位置偏離理想位置，所以必須對(duì)掃 描轉(zhuǎn)鏡的形位公差予以嚴(yán)格的限制。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 從上面的分析中我們知道旋轉(zhuǎn)多面體反射鏡的制造精度將直接影響掃描系統(tǒng)的精度，為此，旋轉(zhuǎn)多面體必須滿(mǎn)足一定的規(guī)格和公差要求。其技術(shù)規(guī)格和公差有以下一些項(xiàng)目，如圖 28 所示： 機(jī)械特性 ： 1） 面數(shù) N 及各面的面形誤差； 2） 反射面到中心的距離 A 和公差； 3） 反射面寬度 B和公差； 4） 反射面與反射面的角度 C 及公差； 5） 裝配孔的直徑 D和公差； 如圖 28 圖 28 棱鏡 尺寸規(guī)格 圖 光學(xué)特性： 1） 反射面的平面度； 2） 表面反射率； 3） 表面質(zhì)量 ； 4） 基體材料： a、一般情況下選用銘與銘合金； b、高速時(shí)選用不銹鋼或被合金； c、特殊低速時(shí)選用石英、硼硅玻璃和可切削的陶瓷。 物理特性： 1)基體材料選擇； 2)運(yùn)轉(zhuǎn)速度； 3)工作溫度； 4)工作和存放溫度范圍。 有關(guān)各項(xiàng)的允許值主要由對(duì)像質(zhì)的要求來(lái)決定，例如 :激光仿真用的 16面多棱反射鏡，其各面的分度誤差以及各面對(duì)轉(zhuǎn)軸的傾 斜 公差在 2″以?xún)?nèi)，各面對(duì)中心軸的偏離為 ，平面度在 λ /10 以下。 對(duì)于多面體反射鏡的臨界轉(zhuǎn)速 v，其確定方法如下： 激光掃描測(cè)徑儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 ??E2v? (215) 其中 ρ —— 密度 ε —— 屈服極限 E—— 材料的彈性模數(shù)。 多面體反射鏡 設(shè)計(jì)計(jì)算 我們采用高慣性局部照明的旋轉(zhuǎn)多面體作為掃描偏轉(zhuǎn)元件。如圖 5 所示利用反射光進(jìn)行掃描。當(dāng)多面鏡發(fā)生Δθ角位移時(shí)，反射光發(fā)生 2Δθ的角位移。當(dāng)入射光照射到多面鏡棱角 時(shí)，反射光被分裂為兩部分，一部分繼續(xù)完成掃描，另一部分開(kāi)始新的掃描。這時(shí)掃描光的強(qiáng)度是變化的。實(shí)際上照明光束遇到多面鏡棱角 這段時(shí)間形成掃描空程。所以，這種掃描是間斷的。多面鏡的面數(shù)與掃描角有關(guān)。為減小掃 描 空程，應(yīng)加大每一反