: 为了处理目前国内自主研制的激光位移传感器基准作业间隔短和丈量规模小的问题，规划了一种适用于远间隔丈量的大量程激光位移传感器成像光学体系。依据激光三角丈量原理，结合详细运用要求计算了一个大量程激光位移传感器的功能目标和成像光学体系的规划参数。挑选5片式透镜结构作为体系的初始结构，运用光学规划软件对大量程激光位移传感器成像光学体系进行了仿真，完成了体系优化和功能剖析，完成了基准作业间隔为1 000 mm，量程为±500 mm，分辨率为0.4 mm的大量程激光位移传感器成像体系规划。成果表明，在丈量规模±500 mm内，体系均能够满意成像质量要求。该激光位移传感器成像体系具有作业间隔远、丈量量程大、结构简略的特色，可满意1000 mm远间隔处大量程规模的丈量运用要求。

  激光位移传感器是一种高可靠性的非触摸式准确丈量仪器，可完成对间隔、位移、圆径、外形尺度和外表概括等参数的实时丈量，被广泛地运用于航空航天、工业生产与制作、轨道交通等范畴。激光位移传感器的基本原理是激光三角丈量原理，它运用一束入射激光束、图画传感器（charge-coupled device，CCD或complementary metal oxide semiconductor，CMOS）或方位灵敏器（position sensitive detector，PSD）与被测物体外表构成一个三角形光路，依据三角几许联系可计算得到物体外表位移信息。在实践丈量中，基准作业间隔、量程规模、丈量精度是衡量激光位移传感器功能的重要目标。为了进步激光位移传感器的丈量精度，张爽等人改善库克3片式透镜结构，规划了一种丈量规模在40 mm±10 mm内丈量精度优于5 μm的4片式传感器微小型光学体系；周宇等人规划了一种量程为±25 mm的激光位移传感器成像光学体系[13]，其作业间隔为100 mm，丈量分辨率为20 μm，线%；针对杂乱光电噪声搅扰下PSD的非线性输出特性对PSD激光位移传感器丈量精度的影响，崔昊等人提出了一种滤除噪声搅扰的多元自适应卡尔曼预处理算法，并构建了非均匀B样条曲线拟合模型，完成了传感器定位精度为0.7%的高精度标定；依据双目视觉技能，马浩然等人提出了可一起对机器人结尾多个激光位移传感器标定的办法，完成了标定后传感器丈量精度规模为0.038 6 mm±0.025 8 mm。这些研讨都是致力于进步激光位移传感器在较短作业间隔规模内的丈量精度，可是这些激光位移传感器无法满意1 m级远间隔方位处±500 mm大量程规模的位移丈量。

  针对远间隔方位处大量程运用需求，本文选用五片式球面透镜简略结构，规划了一种大量程激光位移传感器的成像光学体系。完成了体系的优化规划与成像质量剖析，为用于远间隔丈量的大量程激光位移传感器的产品化供给了重要的理论依据。

  依据激光三角丈量原理，依据入射激光束的方向与被测物体外表法线方向的视点联系，可将激光位移传感器分为2种类型，即斜入射式和直入射式[10]。其间，斜入射式激光位移传感器的入射激光束方向与被测物体外表法线方向之间会构成一个不为零的夹角，其成像光学体系所接纳的光束为被测物体外表对入射激光束的反射光束；而直入射式激光位移传感器的入射激光束方向与被测物体外表法线方向之间的夹角则为零，其成像光学体系所接纳的光束为被测物体外表对入射激光束的散射光束；在2种类型的激光位移传感器中，反射光束和散射光束经由传感器的成像光学体系在图画平面上被图画传感器或PSD所接纳。在被测物体产生移动或其外表比较杂乱的丈量运用中，直入射式激光位移传感器具有更好的环境适应性和丈量稳定性。因而，本文挑选直入射式激光位移传感器，针对远作业间隔处大量程规模内的位移丈量运用需求，依据激光三角丈量原理，计算了一个大量程激光位移传感器的功能目标和成像光学体系的规划参数，完成了传感器成像光学体系的优化规划和像质剖析，完成了一个大量程激光位移传感器的仿真规划。

  为了点评激光位移传感器成像光学体系的成像作用，分别从MTF（modulation transfer function）、点列图和畸变3个方面临成像光学体系优化规划成果进行剖析和点评。图3为成像光学体系MTF图，体系部分视场MTF曲线挨近衍射极限。依据体系所选用CMOS像元尺度巨细可知，其奈奎斯特频率约为112 lp/mm。依据图3中MTF曲线 lp/mm处，体系各视场的弧矢方向MTF曲线比子午方向MTF曲线要高，即体系各视场成像质量弧矢方向要优于子午方向。体系最大正视场78.5 mm的子午方向和弧矢方向的MTF数值分别为0.23和0.38，最大负视场−78.5 mm的子午方向和弧矢方向的MTF数值分别为0.41和0.45。这种成像光学体系的子午方向与弧矢方向的成像质量差异是由体系的物面和像面与体系光轴不笔直引进的离轴像差所导致的。由图3可知，在112 lp/mm处体系最大正视场子午方向MTF数值最小，其数值为0.23，即体系各视场MTF均大于0.20，体系规划成果可满意成像质量要求。

  图4为成像光学体系点列图，体系艾里斑半径尺度为4.78 μm，图中0、±0.5、−0.707和−1视场的光斑半径均小于体系艾里斑半径，即达到了体系衍射极限。可是0.707和1视场的光斑半径大于体系艾里斑半径，这首要是受轴外像差的影响，例如轴外球差、彗差、像散。

  图5. 成像光学体系畸变网格和图画仿线为成像光学体系畸变网格和图画仿线（a）畸变网格可知体系除图画中心方位处以外其他方位的畸变较大，且图画中心方位上下两边区域的畸变性质相反，即如图5（a）所示图画中心方位以上区域为正畸变，而图画中心方位以下区域为负畸变。为了剖析体系成像作用，图5（b）给出了体系的图画仿真成果。因为体系畸变的影响，图画仿真成果中图画产生了畸变，在产生正畸变的边际区域图画呈现了溢呈现象。因为所选用的CMOS光敏面大于体系成像平面上的成像区域，因而，在实践运用中，溢出部分仍能够被图画传感器所接纳。

  由上述成像光学体系规划成果及剖析可知，该体系子午方向和弧矢方向的成像质量存在必定的差异，即弧矢方向成像质量优于子午方向。影响体系成像质量的首要像差是轴外像差，且体系的畸变较大导致了图画的畸变。这些影响体系成像作用的首要因素是由体系物平面和像平面与体系光轴之间不笔直所引起的。但依据体系规划成果剖析可知，在奈奎斯特频率处体系各视场MTF可满意体系成像质量要求，而体系畸变所导致的图画畸变则可经过图画畸变校对算法予以校对。因而，该大量程激光位移传感器的成像光学体系可满意激光位移传感器的高精度丈量运用需求。

  本文规划了一种大量程激光位移传感器的成像光学体系，选用5片式球面透镜结构完成了体系的优化规划，完成了激光位移传感器对基准作业间隔1 000 mm处丈量规模±500 mm内被测物体外表的高度或位移的丈量，丈量分辨率为0.4 mm。经过对体系规划成果的剖析可知，因为体系轴外视场子午方向遭到轴外像差的影响，其成像质量下降，但在空间分辨率小于112 lp/mm时，成像光学体系各视场MTF均大于0.20，满意体系成像质量要求。此外，体系的畸变较大，而畸变所导致的图画变形可选用图画校对算法进行校对。跟着工业自动化水平的进步，大型自动化设备的运用越来越广泛，对大量程非触摸式丈量仪器的运用需求越来越大，而大量程激光位移传感器的成像光学体系可有用进步传感器的远间隔方位处量程规模，且体系结构简略，在丈量范畴具有较好的运用价值。

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