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基于差分成像的激光光束指向性控制１ 引 言 激光三角位移传感器（ＬＴＤＳ）是一种高精度位 移测量传感器，具有非接触测量、高精度、绝对测距 等优点，广泛应用于机器人、精密加工制造、汽车电 子等工业 检 测 领 域［１－９］。ＬＴＤＳ的 成像 光 路 描 述 如 下。准直激光器垂直投射准直激光光束至被测目标 物上，形成的漫射光线经聚焦镜组聚焦后成像于光 电耦合元件（ＣＣＤ）上，定义γ 为工作距离，α 为观测 角，β为成像角，ｌ和ｌ′分别是聚焦 镜 组 的 物 距 和 像 距。当被测目标物沿垂直于激光光束光轴的方向移 动时，成像于 ＣＣＤ上的成像像点亦随之移动。当被 测目标物 沿 光 轴 移 动 距 离 ｘ 时，成 像 像 点 随 之 在 ＣＣＤ上移动 Δｘ。那么ｘ 与 Δｘ 之间呈近似线性关 系［１０－１１］。依据ｘ 与 Δｘ 之 间的几何关系便可以对 被测目标物移动的位移进行标定。 随着激光加工技术的成熟，激光光束指向性趋 于无限稳定。然而依据实验室测试数据，激光光束 指向仍有±０．４°的 抖动，激 光 光 束 指 向 抖 动 是 光 束 切面质心的漂移。为抑制光源光束指向抖动对测量精度的影响，多篇文献中均提出了双光束成像并取 成像位置均值的方法。Ｏｈ等［１２］提出了一种在聚焦 镜组和 ＣＣＤ之间插入衍射光栅以在光电探测器上 同时成 多 束 波 形 的 方 法。Ｂｌａｉｓ等［１３－１４］提 出 了 Ｂｉ－ Ｉｒｉｓ方法，即在接收镜组的孔径处插入双孔径掩模， 该技术可 在 ＣＣＤ 上 双光 束 成 像。ｂｏｎｔａｒ等［１５］采 用投射圆环光源的方法对称的双高斯光束。文 献［１２－１５］中的方 法 可 减 小 电 磁 干 扰、散 斑、聚 焦 镜 组的畸变和环境光的影响，然而由于双光束成像在 同一侧，对抑制光源指向抖动带来的测量误差效果 有限。Ｙａｎｇ等［１６］设计了一种光源光束抖动抑制装 置，该装置由三角棱镜、五角棱镜、半五角棱镜、双对 称分束镜及两个斜方棱镜组成。基于该装置可得到 对称差分的两束激光光束，因此无论光源如何抖动， 差分的两束激光的质心的均值保持不变。此外，为 克服该装置尺寸过大、棱镜的折射系数不等带来的 测量误差及两束激光的峰值有数量级差异的问题， 该团队改进了该装置。改进的装置由５片反射镜和 １个双对称分束镜组成［１７］。然而改进的装置因有诸 如１５７．５°、１１２．５°、２２．５°的 特殊 角 度，因 此 容 易 产 生安装误差。而且该误差与光源光束抖动的角度有 关，无法 通 过 标 定 的 方 法 进 行 抑 制。Ｉｂａｒａｋｉ等［１８］ 给出了一种双视角结构，即对称的２个聚焦镜组和 ２个光电探测器分列于光源光轴的两侧，该结构 可 在２个光电探测器上成对称的两个像点。相较于文 献［１３］给出的单视角结构，文献［１８］提出的结构不 但可减小电磁干扰、散斑和镜头畸变带来的误差，还 可对光源光束抖动产生的误差进行抑制。然而文献 ［１８］给出的结构并不满足恒聚焦光路条件，因此会 产生非线性误差。 本文基于文献［１８－２０］给出的双视角结构，提出 了一 种 基 于 差 分 成 像 的 光 源 指 向 稳 定 装 置 （ＤＶＬＴＤＳ）。该装置由对称的两个接收透镜组组 成，其中接收透镜组由一个聚焦镜组和一个 ＣＣＤ 组 成，且接收透镜形成对称的两个恒聚焦光路。基于 该装置，可在对称的两个 ＣＣＤ上同时生成对称的两 个高斯波形，因此无论光源指向如何抖动，两束光的 质心的均值保持不变。所提方法不但可抑制光源指 向抖动，还可减小电磁干扰、散斑、聚焦镜组镜头畸 变和环境光带来的测量误差。 ２ 基于差分成像的光束指向控制原理 ＤＶＬＴＤＳ由准直激光器、对称于光源光轴的两 个接收镜组组成，其中接收镜组由聚焦镜组和 ＣＣＤ 组成。ＤＶＬＴＤＳ的成像光路原理如图１所示，光源 投射激光光点至被测目标物后生成差分的两束激光 Ｐ１ 和Ｐ２，两束激光分别经对称的两个聚焦镜组同 时聚焦成像在对称的两个 ＣＣＤ上。 从图１可以看出，当光源指向稳定时，差分光束 Ｐ１ 和Ｐ２ 关于光源光轴对称，定义ｘ１ 和ｘ２ 分别为 差分光束Ｐ１ 和Ｐ２ 的质心，那么均值Ｐｏｓ可写成为 当光源光束抖动角度ε时，ｘ１ 的变化量 Δｘ１ 为 从图１可以 看 出，Δｘ１ 和 Δｘ２ 同向变 化，因 此 依据（１）～（３）式，当光源光束抖动角度ε时，差分光 束的质心的均值Ｐｖ 为 由（５）式 可知，如 果 Ｚ１ 和 Ｚ２ 的值近 似 为 零， Ｅｅｒｒ亦近似为零，这意味着 因此，如果γ、ｌ、α 和ε 的取值满足（６）式，无论 光源指 向 如 何 抖 动，Ｐｏｓ与 Ｐｖ 总是近 似 相 等，即 差 分光束的质心均值保持不变。 ３ 实验及结果 ３．１ 光路设计 依据实验室数据，抖动角度ε 介于－０．４°到０．４° 之间。为满足（６）式，聚焦镜组和 ＣＣＤ 的位置需要 详细设计。基 于 Ｚｅｍａｘ的 非序 列 模 式 的 光 路 设 计 如图２所 示，其 中 聚 焦 镜 组 的 焦 距 是３１．０７８８ｍｍ， 观测角α 设置为２０．０４°。 其他光学 设 计 参 数ｌ、ｌ′、β 和γ 的取值 如 表 １ 所示。 由 表 １ 可 知，γ·ｔａｎε 和 ｌ·ｓｉｎα 分 别 为 ０．５５５０ｍｍ和４９．８９３６ｍｍ，满足（６）式的要求。 ３．２ 标定实验 依据以上参 数 值 搭 建 的 ＤＶＬＴＤＳ装 置 如图３ 所示。该实验 装 置 由 ＤＶＬＴＤＳ、标 准 陶瓷 量 块、旋 转装置、一 维 线 性 移 动 平 台 和 双 频 激 光 干 涉 仪（由 ｂｅａｍｒｅｄｕｃｅｒ、ｒｅｔｒｏ－ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ和 ｌａｓｅｒｈｅａｄ 组 成） 组成。 实验中采用的双频激光干涉仪（型号 ＸＬ－８０，雷 尼绍）精度为１ｎｍ，高出 ＬＴＤＳ精度３个数量级，因 此其测量值可作为标定测试、重复性测试和非线性 测试的标 准 值。标 准 陶 瓷 量 块 和 ｂｅａｍｒｅｄｕｃｅｒ同 时固定在由步进电机驱动的一维线性移动平台上， 步进电机驱动一维移动平台由近光点向远光点步 进，步进范围为０～１０ ｍｍ，步 幅 为０．１ ｍｍ。为 描 述方便，近光点和远光点的中点定义为零点。为模 拟光源光束抖动角度，准直激光器由旋转装置驱动， 在－０．４°～０．４°变化。采用的主要装置如表２所示。 为描述方便，将ｒｅｃｅｉｖｅｒｌｅｎｓ２和ＣＣＤ２组成的 结构定义为ＬＴＤＳ，对激光光束Ｐ２ 的标定结果进行 对比。标定方法描述如下：由步进电机驱动的标准 陶瓷量块在０～１０ｍｍ 内运行，步幅设定为０．１ｍｍ；且在每个 位 置，准直激光光束的指向性在 －０．４°～０．４°内变化（间隔为０．１°）。其中 Ｐｖ 值作为 ＤＶＬＴＤＳ的标定基准，激光光束 Ｐ２ 的质心值作为 未使用光束指向控制装置的 ＬＴＤＳ的标定基准。 标定数据和标定误差分别如图４和图５所示。其中 图４（ａ）是 ＤＶＬＴＤＳ的标定数据，图４（ｂ）是 ＬＴＤＳ及ＳＴＤ如表３所示。 由图５（ａ）可知，进行光束指向控制后的装置 ＤＶＬＴＤＳ的标准方差估计（ＳＴＤ）是０．２５３２μｍ。由 图５（ｂ）可知，未进行光束指向控制的ＳＴＤ 高达２８． ５３μｍ，即基于 ＤＶＬＴＤＳ的拟合曲线很好地跟随激 光干涉仪得到的结果。 ３．３ 重复性测试 标准陶瓷量块分别固定于近光点、远光点和零 点。当准直激光光 束 指 向 在－０．４°～０．４°内 变化 时 （间隔为０．１°），基于 ＤＶＬＴＤＳ和基于ＬＴＤＳ的重复 性测试结果如图６所示。 由图６（ａ）、（ｃ）和（ｅ）可 知，随着 光 源 光 束 抖 动 角度的增大，ＤＶＬＴＤＳ的 测量 值 先 增 大 后 降 低，且 抖动角 度 越 接 近０°，测 量 误 差 越 小，且 重 复 性 误 差 控制在μｍ 级以内；由图６（ｂ）、（ｄ）和（ｆ）可知，未采 用光束指向 控 制 的 ＬＴＤＳ的 测量 值 随 光 源 光 束 抖 动角度的增大而呈现递减趋势，且 重 复 性 误 差 达 ｍｍ级。当光源抖动在－０．４°～－０．２°变化时，远 光点处的像点无法聚焦，因为在进行基于光强分布 的质心计算时，出现了较大的计算误差，由此导致了 图６（ｆ）中出现测量值先增大后递减的现象。尽 管 如此，总体上仍呈现与图６（ｂ）和图６（ｄ）相同的递减 趋势。基于 ＤＶＬＴＤＳ和基于 ＬＴＤＳ的重复性误差的标定数据。图５（ａ）和图５（ｂ）分别为二者的标定 误差，Ｐｉｘｅｌ是质心在 ＣＣＤ上的像素值。 综合近 光 点、零 点 和 远 光 点 的 重 复 性 误 差 和 ＳＴＤ 的 数 据，全量程内未采用光束指向控制的 ＬＴＤＳ的 重 复 性 误 差 和 ＳＴＤ 的 最 小 值 分 别 超 过 ±０．７ｍｍ和 ０．５ ｍｍ，而采用了光束指向控制的 ＤＶＬＴＤＳ的重复性误差和ＳＴＤ分别减小至±５μｍ 和０．００３５ｍｍ 以内。 ３．４ 非线性测试 非线 性 定 义 为 （ｘｔ －ｘｒ）／ｌｒ，其 中 ｘｔ 是 由 ＬＴＤＳ得到的测量值，ｘｒ 是由激光干涉仪 ＸＬ－８０得 到的标准值，ｌｒ 为测量范围。在该实验中，标准陶瓷 量块由步进 电 机 驱 动，由 近 光 点 移 动 到 远 光 点，步 幅为０．１ｍｍ，记 录每 个 位 置 的 测 量 值 和ＸＬ－８０得 到的标准值，并重复３次。ＤＶＬＴＤＳ和 ＬＴＤＳ得到 的测试结果 与 激 光 干 涉 仪 ＸＬ－８０得 到的 测 量 值 之 间的 误 差 （ｘｔ－ｘｒ）如 图７所 示 。由 图７（ａ）可 知 ，ＤＶＬＴＤＳ 测 得 数 据 的 非 线 性 度 为 全 量 程 的 ±０．０４％；由图７（ｂ）可知，未 采 用 光 束 指 向 控 制 的 ＬＴＤＳ测得数据的非线性度达全量程的±０．８％。 ４ 结 论 光源指向抖动是激光检测中测量误差的重要来 源之一。本文提出了一种基于差分成像的激光光源 指向抖动控制装置，该装置由准直激光器、两个对称 的聚焦镜组和 ＣＣＤ组成，可抑制光源光束抖动带来 的测量误差。基于该装置，可在两个 ＣＣＤ上同时生 成差分的激光光束，因此无论光源指向如何变化，成 像在 ＣＣＤ上的两束激光的质心的均值均保持不变。 实验结果表明：当光源指向由－０．４°到０．４°变化时， 采用 ＤＶＬＴＤＳ的非线性度优于全量程的±０．０４％， 单点重复性的ＳＴＤ优于０．００３５ｍｍ；而未采用光源 指向控制的传统 ＬＴＤＳ的非线性度达全量程的±０． ８％，单点重复性的ＳＴＤ高于０．５ｍｍ。 |
