提高激光位移传感器精度的技术研究
提高激光位移传感器精度的技术研究
作者:王蕾;王会峰;王金娜
激光测距传感器作为一种新型的非接触式测距传感器,采用激光投射结构光三角测距原理,由于其具有结构小巧简单、测量速度快、精度高、非接触式、抗干扰能力强等优点,使其广泛应用于在线检测、三维重构等微位移测量领域。作为传感器的重要组成部分,其成像光学系统的好坏直接影响着系统的分辨率,好的光学系统会改善成像的像质,进而提高系统的测量精度。因此从事测量方面研究和设计的机构和学者有必要对光学系统进行精心设计研究以便优化系统的性能。
近年来,国内外从事结构光激光位移传感测量的专业公司和学者们纷纷研究开发了不同的激光位移传感器,但是其研究内容大部分都从信息处理软硬件和测量外部测量条件方面,如天津大学的段发阶团队从高稳定的光强调制方案和基于电路的误差补偿模型,校正测量原理的非线性误差; 上海交通大学的赵辉、陶卫等则从系统信号处理和外界环境的因素方面研究对测量的影响; 哈尔滨工业大学的张琢等研究了物面倾斜对测量结果的影响及其数据处理补偿技术。
文中从激光三角位移传感器的接收光学系统和激光光斑图像处理等多个角度出发,对三角测距的传感器的进行深入研究,探求一种能够克服使用传统光学系统、信号处理技术等因素难以完成的精度补偿技术。
1、 激光位移传感器测量原理和光学系统结构
单点式激光位移传感器采用三角测量原理,三角测量的结构形式有两种,即: 直射式和斜射式。
1.1 激光位移传感器测距原理
直射式系统由半导体激光器、发射镜头、接收滤光片、接收镜头和光电探测器( CCD) 等组成,发射镜头将激光器发出的光聚焦在物体表面,激光光斑通过接收透镜在探测器上成像,光斑中心在探测器上成像的位置和探测器到物体表面的距离有关, a0 为激光光束的光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离; b0 为接收透镜后主面到成像面的距离; α 为激光光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角; β 为光电探测器与接收透镜光轴之间的夹角,当被测物体远离参考平面时候取“- ” 号,相反取“+ ”号。
1.2 激光位移传感器光学系统模型
系统为定焦系统,为满足设计的体积要求选择 a0 = 25 mm,可确定接收系统的焦距 f = 40 mm 左右,视场角 2ω = 13. 6°,景深 300 mm. 可见除 PT 点以外,其它的点都是轴外光成像,为了确保像质的均匀性,使得激光光点在整个视场中分布是均匀的。首先确定接收光学系统的光轴与发射激光光轴的夹角 α,由于光学系统的视场角为 2ω = 13. 6°,景深为 300 mm,可得接收光学系统光轴与发射激光光轴的夹角为 α = 10. 56°,在粗定光学系统的参数后,再据实际对其进一步的微调整。
2 非球面设计在激光位移传感器中的应用光学系统是激光位移传感器的重要部分,光学系统的分辨率直接影响着系统测量精度,从经济设计的角度出发,先对光学系统进行球面透镜设计,然后再加入非球面校正系统达到设计效果。
2. 1 基于球面的光学系统设计
首先将光学系统的各参数( 入瞳直径 8 mm; 半视场角 0°、 2°、4°、6. 8°; 波长 λ = 0. 650 nm) 输入 ZEMAX 光学设计软件的相应的选项中,为达到理想的设计输出,通过 ZEMAX 软件进行多次的优化,反复修改参数达到逐步逼近最佳设计的目的,可得到系统透镜最终参数的优化结果。
由像差报告可见,由于像差不可能达到理想的状况,将各像差校正到极小的程度,所得到的并非是像质最好的光学系统,由于某些像差之间的相互制约性,因此像差之间只有通过合理的优化匹配,才能使系统得到较好的成像像质。传递函数空间频率只有 70 lp /mm,这远无法达到设计的要求,其原因主要是由于边缘处的球差过大造成的。为了达到系统的 MTF 空间频率在 145 lp /mm 的设计要求,在光学系统的设计中可采用增加透镜的片数的方法,达到像差平衡的目的,但采用这种方法将会是系统的投射率急剧减小,减小系统的信噪比,并且使得系统的体积增大。
2. 2 非球面校正系统的光学结构
由于非球面系统有更优化的曲率半径,它通过改变离轴较远的面型,比如椭圆、抛物面、双曲线等使得系统在远轴仍能维持良好的像差校正,从而获得较佳的像质,同时可以有效控制系统的设计体积。从前面的设计可知,制约系统像质的主要原因是边缘视场的高级球差和畸变,为了解决这个问题,在设计光学系统的第一面使用非球面透镜,不但会大幅提高成像质量,还可以改善像面光照的均匀性。从系统结构参数中可见,系统外径 10 mm,入瞳 9 mm,总长36. 36 mm,比采用球面设计缩短了 14. 52 mm. 下面为几个成像主要曲线图。
在全视场内空间分辨率趋于一致,没明显的分支现象,说明轴向与边缘视场的像质基本一致,在空间频率为 145 lp /mm 时,其轴上达到 43% ,外部边缘视场也达到 38% 以上。从系统的点列图可知,该光学系统的成像光点形状规则,像点半径最大不大于 10 μm,且光线集中,半径远远小于瑞利光斑大小。在全视场内,像点直径在小于 5μm 时,光点已占据总能量的 90% 以上。
3 基于高斯曲线拟合的激光光点处理
激光光点的处理算法是调高系统精度的另一个重要环节,在激光光点数据处理上采用了亚像素细分算法。由于光点的能量服从高斯分布,因此采用高斯曲线拟合插值的方法处理激光光点图像,理论证明该方法能够有效提高系统测量精度。
3. 1 高斯曲线拟合原理
由于光点图像灰度呈高斯曲线分布。如果用传统的重心算不符合激光光斑能量分布的特点,会造成一定的处理误差,这里通过高斯曲线拟合实现对光斑的精确定位。这样就能用取对数后的值来拟合抛物线,求出顶点坐标,使计算大大简化。
3. 2 算法实现
为了求出梯度方向上二次曲线的形式,先用一个一元二次多项式去拟合梯度方向点像素的对数值,得到曲线拟合函数,然后再通过曲线拟合函数来得到二次曲线形式。在上面求解的过程中,需要注意到一点,就是二次曲线是由原高斯曲线取对数后得到的,因此求解时应将像素点的灰度值用其对数值代替。
4 激光光点功率自适应调节技术
在高精度的测量系统中,由于工作环境、光照强度或被测物体表面漫反射情况不同,使得 CCD 上像点接受的光强也不同,从而造成 CCD 输出光斑像点信号时强时弱,会极大的影响测量精度; 同时,在有效测量范围的近端和远端 CCD 接收到的信号的能量是不相同的,最恶劣的情况是 CCD 出现饱和或者能量极低导致噪声较大,这些都是制约光点图像处理算法难以实现的因素,所以应根据被测物体的材料和表面状况以及测量环境来自适应调节发射激光的光强,从而稳定 CCD 输出信号的大小。为此研究了一种 CCD 的自适应调光技术,这样可以保证CCD 工作的最佳工作状态,提高信噪比,充分利用亚像素细分算法提高系统的测量精度。
激光光功率自适应调节技术可以通过接收 CCD 采集光的有效信号,然后求光斑的灰度的均值和方差,然后根据均值和方差大小通过硬件电路调节激光器的电流达到调节激光器光功率的目的。
根据采集得到的激光光斑图像的灰度的均值和方差统计参数调节激光器的输出实现激光输出能量的自适应调节。
5 精度分析和实验结果对比
从整体测量精度分析采用上述技术方法和不采用上述技术方法的测量效果。
5. 1 精度分析
( 1) 通过上述分析可见,通过上述分析可见,球面系统其像质要明显低于非球面系统,从 80 ~ 380 mm 其像点移动范围为 32 mm,小于所选用的 CCD 的有效感光面的尺寸( TCD1500D: 37. 4 mm) ; 而采用非球面透镜从 80 ~ 380 mm 其像点移动范围为 47. 6 mm,大于CCD 的有效感光面的实际尺寸,这时可对非球面系统的测量范围适当调整,其测量范围调整为 90 ~ 390 mm,其成像点移动范围为 34. 7 mm,落在 CCD 的有效感光面尺寸范围内; ( 2) 从系统空间像点的分布情况来看,无论是采用哪种系统,在等间距测量的前提下,其像点的分布都是由松到密,即其测量精度是非线性的,且距离较近时分辨率较高; ( 3) 从上述分析还可见在系统测量有效范围的两端,光点成像是远轴外光成像,其像质会有所下降,系统的分辨率降低; ( 4) 从第一点的分析还可见,随着测量距离由近到远非球面系统比球面系统的像点分布要稀疏一些( 球面为 32 mm,非球面为 47. 6 mm) ,而探测器上的像元是均布的,即在相同的测量范围内( 300 mm) ,非球面系统测量精度高于球面系统; ( 5) 采用高斯曲线拟合算法当光斑中心在 CCD 探测面内,通过自适应调节电路 CCD 的光斑能量不饱和的情况下,曲线拟合方法可以使得测量精度提高一个数量级。
5. 2 实验样机的性能对比
通过设计实验样机对改进后和改进前系统性能进行了对比实验,在实验中分别将两个系统装在同一工装上进行实验测量所示,可见改进后的实验原样机有了较大提高,在 110 ~ 120mm 段可达到 μm 级。
6 结束语
在详细分析该系统的成像特点和要求的基础上,应用非球面校正系统像差的方法,提出了解决系统大视场和大景深所带来的较大像差的光学系统设计方案,同时在图像处理上提出了高斯曲线拟合的算法合激光光斑的自适应调节技术,并对系统进行了验证,提高了系统的测量精度。
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