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1、第7卷第3期光学精密工程Vol.7,No.31999年6月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGJune,1999三维曲面的光学非接触测量技术杜颖李真张国雄(天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072)摘要对三维曲面的光学非接触测量中的各种方法进行了较为全面的介绍,并重点说明了目前几种常用测量方法的发展状况和在其原理基础上研制的新型传感器。关键词三维曲面非接触测量传感器1引言随着科学技术和工业生产的发展,对表面轮廓、几何尺寸、粗糙度、
2、各种模具及自由曲面的测量工作越来越多,精度要求越来越高。传统的探针式的接触测量方法存在测量力、测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量较软质材料等局限性。光学非接触测量技术比较成功地解决了上述问题,以其高响应、高分辨率而倍受重视,该方法具有受环境电磁场影响小、工作距离大、测量精度高及可测量非金属面等特点。随着各种高性能器件如半导体激光器LD、电荷耦合器件CCD、CMOS图像传感器、位置敏感器件PSD等的出现,光学非接触测量技术得到迅猛的发展,新型传感器不断出现,传感器的性能也大幅度提高。2光学非
3、接触测量方法光学非接触测量技术大体上可分为光纤法、双目立体视觉法、干涉法、离焦法、轴向位移转换法和三角法。各种测量方法的比较如下。光纤法:通过被测量的变化来调制波导中的光波,使光纤的光波参量随被测量的变化而改变,从而求得被测信号的大小。具有灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、不受电磁干扰、光路可挠曲、便于遥测等许多优点,但价格较高。双目立体视觉法:两台相对位置固定的摄像机与被测物构成三角形,被测物体在两像面上收稿日期:1998-12-18修稿日期:1999-03-092
4、光学精密工程7卷形成立体图像对,进行相关特征点匹配获取被测物体的三维空间尺寸。若图像某区域光强或颜色不均匀,则匹配不可实现;测量时,两摄像机位置相隔越远,视差深度计算越精确,但盲区现象越严重,覆盖视场越小。干涉法:利用干涉原理进行测量,各种类型的干涉显微镜都可用于被测物表面形貌的非接触测量。这种方法具有高分辨率和高测量精度的特点,但电路较为复杂,对被测表面质量要求很高,通常需要精密制造的参考镜。而且测量范围偏小。离焦法:将位移量首先转换为物镜像平面相对于被测面的偏
5、移量,再由不同的转换元件(离焦检测元件)将这种偏移量转换为光电探测器上光斑强度或大小的变化,进而转换为电量输出的变化。这种方法具有较高的分辨率,易形成小型化测头,适于在线测量;缺点是工作距离偏小。轴向位移转换法:将被测物相对于物镜前焦点的位移量转换为探测器上的轴向位移量,进而求出被测点与物镜前焦点的相对距离。三角法:入射光照射到被测表面,接收器接收被测表面的散射光。成像光点在接收器上的位置是测头和被测表面距离之间的函数,检测像点的位移变化可求得物体表面位移变化。优点是结构简单、分辨率高、工作距离大;
6、但原理上存在非线性,被测面表面质量对测量结果有影响,且被测面倾角不宜大于45。3常用三维曲面非接触测量方法的发展状况在一般的三维曲面非接触测量中,较常采用的方法有三角法、离焦法和轴向位移转换法。3.1三角法三角法是三维曲面非接触测量中最常使用的一种。根据入射光不同,以三角法为原理的测量方法可分为点光源入射、线光源入射和栅光源入射三种形式。3.1.1点光源入射图1是基本三角法的测量原理。其中是投影光轴与成像物镜光轴的夹角,由设计决定:是光电探测器受光面与成像物镜光轴的夹角。当变化很小
7、,即在小位移的情况下,近似d1sin有:=。通过分析可以证明,在三角测量中,可以通过缩小测量范围,增大成像物d0sin镜的共轭距,增大三角测量系统的角度,缩小成像物镜的放大倍率,达到线性的测量结果。单发射四接收传感器和双向扫描三角测量法能够较好地克服由于被测表面倾斜产生的阴影和死区对测量产生的影响,下面进行简单介绍。单发射四接收传感器的原理如图2。半导体激光器LD发出的光照射到被测物表面O处,该处的散射光被四套接收透镜A、B、C、D接收,并会聚到各自的光电接收器上。四套接收透镜以入射光束为轴
8、对称分布,与入射光束的夹角相同。实际测量过程中,如果遇到测量死区,就会使得某一接收装置所接收的光能过大或过小,此时将该测量装置所对应的测量信息舍去,只利用其余三个接收透镜即可测量入射光束入射于被测面上的反射光束。传感器中四套接收系统采用了冗余的设计思想,避免了实际测量中的粗大误差。3期杜颖等:三维曲面的光学非接触测量技术3Fig.1MeasurementprincipleofbasictriangulationFig.
