激光三角法及其在幾何量測量中的應用

1、1996年4月宇航計測技術第16卷第2期激光三角法及其在幾何量測量中的應用胡慶英*尤政羅維國文 摘 激光三角法作為一沖獨具持色的非接蝕式的測量方法滿足對快速實時在線檢 測的要求在現(xiàn)代工業(yè)生產中得到廣泛的應用。同時有關激光三館法的設計底用、編碼方式、 測就準晚度、應用領域等方面的研究也很活躍，以探索改進和完善激)t三角法的右效途徑并進 而擴展其使用領域。激光三角法將在幾何雖測殺中發(fā)揮逑來趁更要的作用。主題詞激光測最，三角測駅.幾何雖測址1引 言三角側量法是一種占老的測世方法，它的基本思路可以追溯到遙遠年代的燈塔導航和 上地丈量等。當時只是用于粗測估計，準確度要求低。到了近代，工業(yè)生產的E速發(fā)展對

2、非 接純實時快i東測曲槌出了越來越多、越來越高的要求而激光技術、計算機控制技術、電子技 術、計算機信息處理技術、光學元器件工業(yè)等的發(fā)展使高準確度的激光三角法測呈成為可 能，借助于現(xiàn)代科學技術,古老的三角測量法又恢復廣活力。激光三角法由于其具有非接觸、不易損傷表面、林料適應性廣、結構簡單、測量距離大、 抗干擾、測就點小、測吊準確度高、可用于實時在線快速測雖等掙點在幾何社測雖領域中得 到廣泛的應用人們一直在探索用最現(xiàn)代的科學技術豐富和完善它的途徑，力求進一步簡化 結構，提高準確度，拓寬應用范圍，滿足工業(yè)生產的需要：.2激光三角法的基本原理激光三角法的基本原理如圖1所示。激光器產生的光束投射到被測物

3、體的表面上產生 一光點，光點的一部分散射光(含反射光通過會聚透鏡成像于位敏接收(Position-sensi- fizcd detector)的表面。如果被測物體沿著激光束方向發(fā)生位置移動那末探測器面上的像 點也會相應隨之移動，通過像點的移動距離B可以檢測岀被測面的移動距離人。收槁 H 期：1995 10 16 返修H 期 1995 11 01清華大學，工程師.1OOC84Luxon和Parter指岀在探測器表面與透鏡主光軸垂直且假設位移S很小激光束與 成像光軸間的夾角不隨被測面的移動而變動的情況下，像點的位移B與物體表面的位移4 的關系可表示為(各參數(shù)意義見圖1)(djdj X sin(”)

4、圖1激光三角法的基本原理囹2完全聚焦三角法的安裝位置示竜圖但是，圖1所示的安裝位置不能保證成像完全聚焦。為保證測量準確度，要求光點所成 的像在位敏接收器表面上每一點都清晰，為此要求透鏡光軸與位敏接收面Z間必須有一夾 角s如圖2所示。當被測物體位移A很小時有關系式tg(v)=a f)/fj x tg(u)B =/7a /)X Csin(u)/sin(v)D X A式中:/透鏡焦距。雖然這種近似關系可以用于設計三角法測量裝置但其量程即被測 物體的允許位移受到了限制必必須很小。當物點位移人校大時前述的一些近似關系不再成立，必須推導岀大位移時物點位移4 和像點位移8間的準確關系。為了獲得完善的聚焦，正

5、如斯凱姆普夫拉格條件(Scheimpflug condition)所陳述的，成 像面、物面和透鏡主面必須相交于同一直線。在圖2所示的情況F，物體(就是光點)被限制 在一條沿光束的直線上運動此時完善聚焦的條件轉化為激光束和接收器陣列必須相交于 透鏡主平面上的點。為說明這個條件，我們分析光點沿激光束移動時像點的運動軌跡參 見圖3。設激光束和透鏡主軸的夾角為“，激光束可以用一直線方程表示為y = t X tg(w)當坐標為(d)的光點s沿此直線移動時，設其聚焦后的像的坐標為(x,y),通過幾何X 1994-2011 China Academic Journal lUectronic Publishi

6、ng House. All rights rcsgryefk _b(lp:,Avwv光學的原理我們得出1/d “ + 1/ = 1/a m =(么 + x)/y w/ = y/3 -/ + x)消公,八得y = c-/)/)x tg()xx 由于X和Y成線性關系，所以像的軌跡也是一條直線。設被測面移動的正方向為光點離開 激光器的方向相應地像點移動的方向圖3物點移動時像點的軌跡也為正方向如圖4所示從而可以推導岀物位移A和像位移B的關系式由兩個直角三角 形的相似關系可得A X sin(“)/d“ + Hcos(m) = Bsin(e)/么Bcos(v)匕式可改寫為B =么 X sin(w) X A

7、/G4 X sin(“ + v) + dtl X sin(u) =Z)2 x A/A + D)= 01 一 D/C4 + D)A = do X sin(v) X B/Cd, X sin() B X sin(“ 十 v)D =D X B/(A 一 B) = D1 + DJIB 一 0)圖5 A_B關系曲線式中:D = d。X sin(v)/sin(w + v)；Dz =么 X sin(zz)/sin( + v)0 參數(shù)D和D2決定A-B關系曲線的位置幾何意義如圖5所屁由于A-B關系的推導過程沒有經(jīng)過任何假設或近似，所以可以認為這個關系式是 人一B的準確關系式對各種表面位移都適用，可用于設計測大位

8、移的澈光三角法傳感器。 另外，當A很小時，sin(” +v)|NX sin(v) | tA-B關系可簡化為B = dr X sin(u) X A/Cdo X sin(v)12Mj2()U China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/?wwv這個式子就是Luxon和Parker給出的近似式。3激光三角法的理論研究3.1關于編碼方式的研究從編碼方式上激光三角法可分為空間編碼法和時間編碼法?？臻g編碼法是在被測表面 上一次形成梯次形特征表面一次讀取全部借息。由于受分辨力的制約簡單的空間編碼

9、法 已經(jīng)很少有人使用了（圖6）。1993年德國Gerd Hausler和Dieter Ritter進行了顏色編碼的 研究他們用色散方法在.被測表面上產生不同的顏色及其強弱區(qū)域用不同的顏色組合來代 替掃描光線對被測表面進行空間編碼用彩色攝像機讀取信息。顏色編碼法由于其硬件持別投射到平面上的二元圖樣/st 棱平J平RGB祓測物體彩色TV播0機圖6簡單空間編碼圖7堿色空間編碼0激光滅00 0 o OSO00 0 0 0 0|o0 o o 0 000 0 0 0 0所有厳尤都開激光交瞽開圖8非移動式時間編碼圖9移動式時間編碼 1994-2011 China Academic Journal Elect

10、ronic Publishing House. All rights_h(lp: ?wwv簡單、測量速度快、沒有運動部件竽持點具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑD7即為他們的實驗原理 圖。近年來由于CCD和PSD等光學元器件的分辨力和響應速度不斷提高以及電子技術和 計算機控制技術的發(fā)展以時間編碼為主要特征的激光二角法占據(jù)了主導地位。其中，非移 動式時間編碼也山于分辨力太低和結構龐大而使其應用范圍受到了限制（圖8）。移動式吋 間編碼通過激光面的擺動（或移動）或被測杵的移動來實現(xiàn)整個被測表面的打描（圖9）。無 論何種編碼方式只是含待測特征的待測點的產生方式的不同激光三角法的原理沒有改 變。3.2關于測量準確度的

11、研究研究測量準確度是為了探索提高三角法測量準確度的途徑。天津大學莊葆華等人在 1994年研究了在激光三角法位移測址中被測表面的傾斜對測量準確度的影響認為被測 物體表面的傾斜導致破測物體表面光點處的法線與入射光線方向不重合，進而影響到光電 接收面上光能質心的位置，從而影響了測量準確度,其最大誤差可達百微米級。適當選擇結 構參數(shù)，如減小光斑點的尺寸可以有助于減小表面傾斜的彫響，選擇適當?shù)奈恢冒惭b測量頭 也可以達到減小傾斜影響的目的。1994年，德國Rainer G. Dorsch等人通過散斑統(tǒng)計分析得出了激光三甬法用于位移測呈時的不確定度其值是波長、物鏡孔大小和散斑對比度的函數(shù)，經(jīng)驗公式為A =

12、&? = C/2兀sin） sin（）J式中:“ 夾角（見圖2）C）；C=1/（1 + 4 X加J叫散斑對比度血一表面粗 糙度;人一光源的相干長度?？梢钥磳?，為減?。ā⒍档筒淮_定度&應比厶小。所以，激 光三角法不適合于測蚩超精表面的粗糙度，同時降低光源的相干性減小厶適當選取結構 參數(shù)“和v都可以提高測量準確度。他們進一步分析了 Heisenberg測不準原理得到的結論和上述分析一致。4激光三角法在幾何量測量中的應用4.1位移檢測包括距離測量、厚度檢測、液位檢測等方面。測駅距離是激光三角法的一個經(jīng)典應用領 域,根據(jù)兩個不同位置上的光點在位置敏感元件上所成的像的距離，運用物象關系即可算出 其距離；用兩個三角探測頭的差動原理,可以測量物體的厚度，或進而控制袋裝物體的重量； 檢測鋼水或強腐蝕液體的液面,也可以控制其流量。4.2表面檢測使用多臺激光傳感器可以測冊板材或平面上多點的相對位置，從而計算岀其表面的起 伏或整體的傾斜