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基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器光学系统设计

张欣婷 吴倩倩 亢磊

张欣婷, 吴倩倩, 亢磊. 基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器光学系统设计[J]. 应用光学, 2023, 44(4): 720-725. doi: 10.5768/JAO202344.0401003
引用本文: 张欣婷, 吴倩倩, 亢磊. 基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器光学系统设计[J]. 应用光学, 2023, 44(4): 720-725. doi: 10.5768/JAO202344.0401003
ZHANG Xinting, WU Qianqian, KANG Lei. Optical system design of compact laser displacement sensor based on auto-collimation principle[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(4): 720-725. doi: 10.5768/JAO202344.0401003
Citation: ZHANG Xinting, WU Qianqian, KANG Lei. Optical system design of compact laser displacement sensor based on auto-collimation principle[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(4): 720-725. doi: 10.5768/JAO202344.0401003

基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器光学系统设计

doi: 10.5768/JAO202344.0401003
基金项目: 吉林省科技厅重点科技攻关项目(20150204044G X)
详细信息
    作者简介:

    张欣婷(1984—),女,博士,教授,硕士生导师。主要从事光学设计、光学检测和光电仪器等研究。E-mail:luoyiwuhens@163.com

  • 中图分类号: TN202;O439

Optical system design of compact laser displacement sensor based on auto-collimation principle

  • 摘要: 分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性,结合两者的优势,设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上,利用直线结构取代了大三角的光路布局,形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜,与光轴成45°角放置,将会聚透镜和成像透镜合为一枚,并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴,简化了系统结构,减小了仪器体积,同时,推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真,系统采用单透镜的结构形式,前表面为Forbes非球面,入瞳直径$ D=4\;\text{mm} $,视场角$ \text{2}\omega =4^{\circ}$,总长$L = 20\;{\text{mm}}$,成像质量和系统尺寸均达到最佳。该系统具有测量范围大、分辨力高、结构尺寸小、光能损失小等特点,通过实验与Keyence激光位移传感器比较,该系统能够保证测头分辨力$1\;{\text{μm}}$、综合检测精度$ \pm {\text{2}}\;{\text{μm}}$的技术指标。
  • 图  1  直射式激光三角法

    Fig.  1  Direct laser triangulation

    图  2  斜射式激光三角法

    Fig.  2  Oblique laser triangulation

    图  3  自准直激光三角测头原理

    Fig.  3  Schematic diagram of auto-collimation laser triangular probe

    图  4  光学系统结构图

    Fig.  4  Structure diagram of optical system

    图  5  MTF曲线

    Fig.  5  Modulation transfer function curves

    图  6  点列图

    Fig.  6  Spot diagram

    图  7  球差曲线

    Fig.  7  Spherical aberration curve

    图  8  实验装置图

    Fig.  8  Physical drawing of test device

    表  1  直射式和斜射式激光三角测头对比

    Table  1  Comparison of direct and oblique laser triangular probe

    直射式斜射式
    测量范围
    分辨力
    结构尺寸
    光能损失
    被测对象表面较粗糙、散射性好表面高反射率
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    表  2  主要技术指标

    Table  2  Main technical indicators

    主要技术参数指标
    成像波段/nm650
    入瞳直径/mm4
    视场角/(˚)40
    系统总长/mm20
    分辨力/μm1
    综合检测精度/μm±2
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    表  3  非球面系数

    Table  3  Aspheric coefficients

    级数非球面系数${a_m}$/mm
    0$2.370 \times {10^{ - 3}}$
    1$1.985 \times {10^{ - 3}}$
    2$6.450 \times {10^{ - 3}}$
    3$3.328 \times {10^{ - 4}}$
    4$ 4.057\times {10}^{-5} $
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    表  4  圆柱度误差测量结果

    Table  4  Cylindricity error measurement results

    序号回转
    角度/(°)
    轴向
    行程/mm
    测量值/mm真值/mm标准差/mm
    10500.0390.0390.001 05
    2 401000.0410.040
    3 801500.0400.040
    4 1202000.0410.040
    5 1602500.0410.039
    6 2003000.0390.040
    7 2403500.0400.041
    8 2804000.0410.040
    9 3204500.0390.039
    103605000.0410.040
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    表  5  Keyence和自准直激光三角测头参数比较

    Table  5  Parameter comparison of Keyence and auto-collimation laser triangular probe

    主要技术参数 Keyence激光
    三角测头
    自准直激光
    三角测头
    结构尺寸(系统总长)/mm>4020
    测量范围(被测距离)/mm60<40>40
    分辨力/μm0.10.11
    综合检测精度/μm1 1 2
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-06
  • 修回日期:  2022-12-26
  • 网络出版日期:  2023-05-04
  • 刊出日期:  2023-07-15

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