激光三角法测量表面形貌

《激光三角法测量表面形貌》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第!"卷#第$期厦门大学学报（自然科学版）%&’(!"#)&($#*++!年$月,&-./0’&123045/6/375.839:（)09-.0’;<35/<5）,0/(*++!#文章编号：+!"=>+!?@（*++!）+$>++A+>+!激光三角法测量表面形貌卢晋人，黄元庆（厦门大学机电工程系，福建厦门"D$++A）摘要：对激光三角测量法应用于表面形貌的检测进行研究(通过分析激光三角测量的基本原理，得出光路设计条件与输入输出关系(分析了几种激光三角测量的改进方法的优点、局限与适用范围(讨论了激光三角测量中影响分辨率与精度的几个因素并提出应对的措施(关键词：激光三

2、角测量；非接触测量；表面形貌中图分类号：E)*!?文献标识码：F#################在非接触三维形貌测量中，激光三角法由于结构简单、测量速度快、具有实时处理能力、使用灵活、适应力强，已在机器人视觉、实物仿形、自动加工、工业检测等领域得到广泛的应用(特别是@+年代以来，随着反求工程和快速成型制造技术的迅速发展，对三维物体形貌进行快速精密测量的需求日益增长(从工业实际应用情况来看，利用漫反射光接收的三角法测量是使用最为广泛的非接触测量手段(三角法测量的本质是通过分析受到三维物体表面形貌调制的光场，从而获得物体表面的三维信息(本文对这种方法的基本原理、结构

3、改进以及误差因#图$#三角法测量的基本结构素做了较系统地分析(#I3J($#K083<89.-<9-.5&19.30/J-’093&/4508-.545/9!"三角法测量的测量原理位置有唯一的对应关系(测出GGH线阵上所成实像的中心位置，即可通过几何光学的计算方法求出光!(!"三角法测量系统的基本结构斑此刻的深度坐标，从而得到被测表面该点处的深三角法测量物体表面形貌的基本结构如图$所度参数(通过对若干采样点的测量，得到被测表面形示(图中，激光器的轴线、成像物镜的光轴以及GGH貌的一组数据(这种基本的光学三角法测量属于逐线阵，三者位于同一个平面内(激光光源作为测量的

4、点测量(指示光源，将一个理想的点光斑投射在被测表面上(!(#"三角法测量的光路设计计算该光斑将随其投射点位置的深度坐标变化而沿着激由于三角法测量原理中包含有凸透镜成像过光器的轴向作同样距离的位移(点光斑同时又通过程，因此光源、物镜及GGH线阵三者的位置关系必物镜成像在GGH线阵上，且成像位置与光斑的深度须满足高斯定理(图*所示为激光器轴线、物镜主平面及光轴、GGH线阵三者关系，它们之间的位置与收稿日期：*++">+">*!姿态关系由!+，"+，!，"!个参数确定(其中，!+是激基金项目：数字化制造技术支持与服务（*++*B$+*）资光器轴线与物镜光轴的交点到物镜光

5、心的距离；"+助是GGH线阵与物镜光轴的交点到物镜光心的距离；作者简万方数据介：卢晋人（$@?@C），男，硕士研究生(!为激光器轴线与物镜光轴的夹角；"为GGH线阵第8期!!!!!!!!!!!!!!!!卢晋人等：激光三角法测量表面形貌·?8·%·":·/$0#$9#:·/$0";%·/$0（";#）显然，这是一个非线性的关系&当且仅当!9"9B:C&时（即激光器轴线、物镜主平面以及667线阵三者平行），上式可简化为%·":$9#:!图"!三角法测量的光路设计此时的输入与输出方为线性关系&!#$%&"!’()$*+,-./$%012)3$+0%4,+)$105.+/

6、43.5.0)另外可求出三角法测量的灵敏度表达式&即当667线阵上像点移动#@时，物点位移为与光轴的夹角&根据高斯定理，当投射在被测表面上的光斑恰":·#:·/$0"·/$0#$$9"·$%［#:/$0";%·/$0（";#）］好位于物镜光轴上时（可将这个位置作为测量的参由此式可知三角法测量的灵敏度在零点处（%9:）考零点），要使光斑通过物镜在667线阵上成清晰最高，也是非线性的&实像，满足8889;（8）$#三角法的几种结构改进!":#:式中!为物镜焦距&而对于光轴以外的光斑，也要使$&!#无衍射光束代替高斯光束其在667线阵上成清晰实像，此时物距为通常三角法测

7、量的光源采用半导体激光器，并":经过准直透镜变为平行光束，最后经物镜聚焦到被"9（"）8;)+0!·*1)"测表面上&这样的系统其量程将受限于高斯光束的像距为焦深范围&若增加调焦装置，则系统复杂程度会大大#:#9（=）增加，也不利于提高测量速度&因此就产生了用新兴8<)+0!·*1)#的无衍射光束来代替高斯光束作测量光束的解决办"、#也必须满足高斯定理，因此有法&888;9（>）无衍射光束由7D30$0E于8BFG年首次提出，它"#!是自由空间标量波动方程的一组特殊解，其场分布联立式（8）、（"）、（=）、（>）可以得到具有第一类零阶贝塞尔函数的形式&无衍射光束具

8、":·)+