透镜形式对激光位移传感器精度影响的研究
透镜形式对激光位移传感器精度影响的研究
作者:来新民;王以忠;张大卫;曾子平
1问题的提出
随着航空航天汽车、家电及各种办公设备工业的发展,采用送向工程方法从物理模型直接生成CAD模型变得越来越重要口,其中实现原型的数字化是逆向工程的关键步骤.采用激光测距传感器的非接触数字化系统,由于速度快且特别适合于易碎易变形物体等场合而倍受青睐,当激光束沿被测点的法线时,其精度将超过接触式的测量精度.但传统的激光位移传感器一般存在如下三个明显缺陷
1)由于激光发射方向与反射光接收方向间通常有一定夹角,使得基于传统三角法的激光位移传感器存在测量盲区;
2)输人和输出信号之间呈非线性关系;
3)测量误差随激光束与被测点的法线夹角(人射角)增大而增大当人射角增大到一定程度时,将导致测量失效.
近年来许多学者主要在两个方面改善这种非接触式数字化系统门一是通过设计新型或革新传感器本身;二是使传感器的激光柬始终沿被测点的法线,虽然后者对传感器本身的要求相对较低,但要维持激光束与法线重合至少要采用五轴随动系统,对系统的要求较高,人们将更大的精力投人到革新传感器上,其中取得昴著效果的是日本学者Satin所设计的传感器。它使用互相独立且沿光轴均布的三个CCD检测信号减少了盲区测量75的斜面时也不至于出现失效,误差在50pm以内,但测量误差仍然正比于人射角.
Saito的测量原理是从光源发出的光线经过物镜L沿光轴照射到被测物体P点,其散射光线经L和L后到达检测元件CCD被测点P距物镜 L焦点的距离z由检测元件CCD上光点D的位置来检测.由几何光学知,若使汇聚透镜置于L的焦平面上则可得出如下线性关系,为达到线性关系,对物镜L的要求就要相应的提高.Saito采用非球面透镜来达到这种要求。但非球面透镜制选加工相当困难.本文在于研究物镜的形式对测量误差的影响.找出更为简单的透镜形式同时分析传感器结构参数对系统精度的影响.并探讨图象信号处理的方法.
2激光位移传感器
被测物置于微动平台上.物镜1分别取为平凸单片透镜(焦距为32.48mm)和三片式消像差物镜(焦距为60mm),缝隙件的隙宽为0.6mm·汇聚透镜生距为152.5mm半导体激光器的功率在0~5 mW范围内可调,波长680nm检测元件为2048线阵 CCD,像素尺寸为14:m由专用采集卡采集数据.
3图象处理及存在问题
3.1 平滑滤波
由于电噪声等原因CCD图象卡获得的图象信号存在失真,必须进行降噪处理.试验过程中来用两种降嗓平滑处理方法,一是局部平均法(卷积法)"是采用 FFT正逆变换剔除高频分量.
CCD像素尺寸(14um)决定其空间采样频率为(1000/14)~70Hz根据采样定理,图象的空间频率将小于35Hz若光斑强度为准高斯分布.由于CCD的采样,其高频分量必然叠加到35Hz以内利用FFT低通滤波别除图象上的高频分量(电噪声和频混)可获得平滑的降噪图象。试验表明。用局部平均法和低通滤波法都能获得较好的平滑效果,局部平均法计算速度快,但用FFT正逆变换法效果更好些.
3.2亚像素级精度
经平滑滤波后的图象,呈准高斯分布状态,图36是其典型的图象形式,采用峰值探测和图象重心法可获得业像素级精度,使测量精度显著提高+图象的重心计算较峰值计算简单易行,且抗噪能力强,本文采用图象重心法,求取图象重心有以下两种方式:
1)首先检测出图象的边缘再计算其重心、各种图象边缘检测法,拉普拉斯变换探测边缘点ab是常用的方法.
2)设定一阈值T以阈值以上的图象计算重心.图象是不对称的,随阈值的减少重心具有收敛性。并收敛到由方法1所确定的重心,在最小阔值了一正邻域区间内,重心变化很缓慢故可在这一区域内任意设定一阔值T来计算重心,这样既避免了Laplace变化的计算量,又不至引人过大的误差。
3.3测量精确度
对同-被测点进行了多次重复测量,经平滑滤波后,在一定阈值T下求取图象的重心,发现重心有一定程度的漂移.这种漂移随阈值T的不同有所变化,一般阈值T越大,漂移越大。
实验中对同一被测点在某一阔值了,下重复采样2048次其重心最大漂移为0.46像素(7um)均方差0u9像素.通过30准则别除粗大误差并9次采样平均。其重心漂移为0.09象素以内,可见采用多次平均来提高测量的精确度是行之有效的方法,但演量时间将显著增加,效率降低。
3.4影响精确度的原因
实验表明,在只有环境光信号时,从CCD采集的图象中也可以看到有随机的噪声干扰,但经过FFT正逆变换平滑滤波后,图象的重心漂移极小,因此,可认为影响测最稳定性的主要原因是半导体激光器的光源稳定性.这也和传感器的结构及激光器的特性相吻合由传感器的结构可知,只要激光束有1/6000度的偏移将会引起图象重心漂移半个像素.试验中使用的半导体激光器的稳定性不如He-Ne激光器。
4物镜对测量的影响
为分析物镜L的形式对测量的影响,试验采用两种透镜:1)焦距52.48mm通光口径为30.4mm的单片平凸镜头:2)焦距为60mm通光口径为22mm的三片式复合透镜.分别采用双频激光干涉仪进行测量标定.
4.1单片平凸透镜
单片平凸透镜的像差较大,测量范围不在焦点的对称位置.试验中。线具有明显的弧线形状,与直线的差别较大.分别用直线二次曲线、三次曲线和三次样条进行拟合,可求出相应的实际分辨率和定标误差的均方差。
4.2 三片复合透镜
由于所选用的三片复合透镜的通径只有22mm测量范围也不在焦点的对称位置试验中的测量范围,锋隙像距a=12mm的定标曲线。从这条定标曲线可见,它的光滑程度不如前面的定标曲线,但与直线的差别较小.分别采用直线、二次曲线、三次曲线和三次样条进行拟合,求出相应的实际分辨率和定标误差的均方差,从平品透镜和三片式复合透镜的对比可以看出,平凸透镜的分辨率与理论分辨率相差较大而三片式复合透镜的分辨率与理论分辨率相差较小,即三片式复合透镜的线性程度较好,这是由于三片式复合透镜的消球差影响所致.若以二次曲线、三次曲线作最小二乘拟合,平凸透镜定标误差的均方差较三片式复合透镜的定标误差的均方差减小近一倍若以三次样条曲线进行拟合,平凸透镜定标误差的均方美较一片式复合意镜的定标误差的均方差也小近一倍。这是由于平凸透镜的规律性较好所致,从三次样条拟合看,定标点的间距越小,定标误差的均方差越小,当间距为100m时,平凸透镜定标误差的均方差为数2um;当间距为的100um时,三片式复合透镜定标误差的均方差3.85um因此,若以直线拟合定标曲线三片式复合透镜较理想.若以三次样条或二次曲线拟合定标曲线.平凸透镜较理想,在三次样条拟合的前提下,用平凸透镜和三片式透镜代替非球透镜都能达到较高测量精度.
5其它结构因素的影响
1)偏距u影响到测量范围和分辨率,u的大小应与物镜的通径相适应。
2)CCD绕轴的转角.CCD沿r轴的位移、CCD绕:轴的转角对测量的影响较大,它们直接影响到信号的光强,因而这几个参数必须能够调整。
3)CCD沿轴的位移、CCD绕上轴的转角汇聚透镜与物镜间轴线的平行性和汇聚透镜沿:轴的位置等对测量无显著的影响。
4)汇聚透镜和光源组成的镜架与物镜的平行性,同轴性对测量影响也较大要求加工装配较严格。
5)被测物体表面对光信号的强度有明显的影响。当被测表面为金属面(如铝板)和倾角达30°时,CCD上的信号光强下降到原来的1/10,当被测表面为漫反射面(如细砂纸|和倾角达45时.CCD上的信号光强下降到原来的1/3.
6、结语
Saito提出的非球面物镜的激光位移传感器可以实现较好的线性化,但非球面透镜加工相当困难,若以三次样条拟合定标曲线可以用单片普通透镜代替非球面透镜.从平品透镜和三片式消球美物镜的对比可见三片式透镜的线性度比单片透镜好,但单片透镜伏得的定标曲线更光滑.若以多项式拟合定标曲线,单片式透镜的效果更好.如以三次样条拟合定标曲线,二者都能达到较好的精度. 在传感器的结构参数中,对测量影响较大的是 CCD绕:轴的转角、CCD沿工轴的位移及CCD绕轴的转角等,如针对这些参数设计成可调结构,对测量是有利的.该传感器的结构对激光束的稳定性较敏感,激光束在方向上的微小波动直接影响测量的精确度.采用3σ准则别除粗大误差和样本平均法可以提高精确度,但测量速度会显著降低。
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