光学三角测头的光路系统

1.一种光学三角位移测头的光路系统，包括聚焦光路系统和成像光路系统，所述聚焦光路系统设置为两片式聚焦透镜，用于获取高精度、规则均匀的三角侧头的采样光点；
其中所述聚焦光路系统在距离为聚焦透镜组80mm位置的聚焦平面得到直径大约10微米的微小光点；
聚焦透镜组的入瞳直径为12mm，焦距为120.7mm；
所述成像光路系统设置为四片式照相物镜，用于获取放大的像；其中四片式照相物镜的焦距为70mm;
其中，光源发出的光束通过聚焦光束系统照射在待测物体表面上，通过漫反射或者散射，该光束通过成像光学系统在检测器上成像，并且所述成像光路系统在聚焦平面上成放大的像。
2.如权利要求1所述的光路系统，其中所述光学三角位移测头为白光三角测头。
3.如权利要求1所述的光路系统，其中所述成像光路系统成放大至少3倍的像。
4.一种光学三角位移测头的成像方法，
光源发射器发出的光通过光束准直和聚焦透镜组投射到待测物体表面上，通过漫反射或者散射，光束反射回到测头并通过成像透镜组后，在各自的线阵CCD上成像，其中所述聚焦透镜组设置为两片式聚焦透镜，用于获取高精度、规则均匀的三角侧头的采样光点；
其中所述聚焦光路系统在距离为聚焦透镜组80mm位置的聚焦平面得到直径大约10微米的微小光点；
聚焦透镜组的入瞳直径为12mm，焦距为120.7mm；
所述成像透镜组设置为四片式照相物镜，用于在聚焦平面上成放大的像；其中所述成像透镜组的焦距为70mm。
5.如权利要求4所述的成像方法，其中所述光学三角位移测头为白光三角测头。
6.如权利要求4所述的成像方法，其中所述成像光路系统成放大至少3倍的像。

光学三角测头的光路系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种用于工业测量领域的光学三角测头的光路系统。\n背景技术\n[0002] 随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。光学三角法作为一种非接触测量法，具有良好的精确性和实时性，测量距离大，结构简单，测量采样点小，抗干扰能力强，测量精度高并可用于实时在线快速测量等特点，已经成为测量领域的热点，已经在工业测量中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用。参见图1，光学三角测量法的工作原理是这样的：由测头光源1发出的光束通过照明光束系统2照射在待测物体表面3上，通过漫反射或者散射，该光束通过成像光学系统4在检测器5上成像，当移动物体，使得光束在物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器5上也发生相应的位移，再通过标定得到像移和对应物体实际位移之间的非线性关系，这样就可以在知道像移后计算出实际的位移。\n[0003] 测量范围、测量精度、测量分辨率是光学三角测头的关键技术指标，对这些技术指标产生直接影响的因素包括：一个是物体表面上的聚焦光点的大小、形状以及亮度均匀性，投射光点应该是小而圆并且亮度均匀；另一个是光敏器件接收到的光斑质量和光斑位置，光斑质量决定着光点像移的计算，进而影响测量精度，光斑位置决定着系统的测量范围和分辨率。所以对于光束聚焦光路设计和成像光路设计等内容显得尤其重要。\n发明内容\n[0004] 本发明提供一种光学三角位移测头的光路系统，包括聚焦光路系统和成像光路系统，其中，光源发出的光束通过聚焦光束系统照射在待测物体表面上，通过漫反射或者散射，该光束通过成像光学系统在检测器上成像，并且所述成像光路系统在聚焦平面上成放大的像。\n[0005] 优选的，所述光学三角位移测头为白光三角测头。\n[0006] 优选的，所述聚焦光路系统在距离为聚焦透镜组80mm位置的聚焦平面得到直径大约10微米的微小光点。\n[0007] 优选的，所述成像光路系统成放大至少3倍的像。\n[0008] 本发明提供一种光学三角位移测头的成像方法，光源发射器发出的光通过光束准直和聚焦透镜组投射到待测物体表面上，通过漫反射或者散射，光束反射回到测头并通过成像透镜组后，在各自的线阵CCD上成像，其中所述成像光路系统在聚焦平面上成放大的像。\n[0009] 应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。\n附图说明\n[0010] 参考随附的附图，本发明更多的目的和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：\n[0011] 图1是三角测量法的原理示意图。\n[0012] 图2是本发明的光路系统中的聚焦光路系统。\n[0013] 图3是本发明的光路系统中的成像光路系统。\n具体实施方式\n[0014] 在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。\n[0015] 通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。\n[0016] 以下参考附图，分别介绍根据本发明一实施例的光学三角位移测头的白光光源聚焦光路和成像光路系统。\n[0017] 本发明中的设计内容都是针对白光三角测头展开的，但该光路系统同样可以适用于采用激光三角测头的测量系统。\n[0018] 简要介绍本发明中的光学三角测头结构参数设计和优化方法：\n[0019] 光学三角测头数学测量模型如下：\n[0020] 物移像移关系：\n[0021] 测量分辨率：\n[0022]\n[0023] 从上式可以看出，在一定的测量范围之内，影响系统测量分辨率的决定性因素有工作距a，成像焦距f，放大倍数k(b/a)，工作角α，其中β为CCD和光轴之间的夹角，α为光轴和光束的夹角。\n[0024] 根据上面的公式对测头系统结构进行参数设计和优化。通过分析后发现，在固定工作角α和焦距f的情况下，放大倍数k越大，测量范围对应的成像长度越长，系统的灵敏度越高，即测量分辨率越高；在固定放大倍数k和固定工作角α的情况下，焦距f越大，测量分辨率越高；在放大倍数k和焦距f的情况下，当k<1，即成缩小像的时候，工作角α越大，灵敏度越高，当k>1，即成放大像的时候，工作角α越小，灵敏度越高。目前一般的测头都是成缩小的像，使得灵敏度受到限制。根据以上规律，最终确定三角测头系统的工作参数和结构参数。\n[0025] 因此，测头系统结构工作参数和结构参数确定好后，就确定了成像系统的焦距和物镜，结合测量范围，就可以确定成像透镜的设计要求，本发明采取成放大的像来提高系统的测量灵敏度，并单独设计了满足要求的成像系统。\n[0026] 根据本发明的光学三角位移测头系统的聚焦光路系统，参见图2，选用两片式聚焦透镜11和12。聚焦透镜组的入瞳直径为12mm，焦距为120.7mm，详细结构参数见下表1。\n[0027] 表1\n[0028]\n序号 备注 曲率半径 厚度 材料\nOBJ 物面      \nSTO 第一块透镜前表面 37.680 6.00 BK7\n2 第一块透镜后表面 -190.956 9.10  \n3 第二块透镜前表面 -66.305 22.80 SF4\n4 第二块透镜后表面 -484.300 85.00  \nIMA 像面      \n[0029] 如图2所示，测头系统中的光源经光纤准直器准直后得到一平行光束，该光束经过聚焦光路系统后，在距离为聚焦透镜组80mm位置的聚焦平面得到一个直径10微米左右的小光点，该光点可以用作高精度三角测头的采样光点，规则均匀的小光点保证了采样点的质量。\n[0030] 在本发明的成像光路系统中，采用对物体成放大的像来提高系统的测量灵敏度。\n相比，现有技术中一般采用成缩小的像，所以系统灵敏度不高，而本发明采用成放大的像，系统测量灵敏度得到提高。\n[0031] 光学系统设计按照显微物镜的设计思想来进行，即，在物镜的一倍焦距和二倍焦距之间位置处的物体可通过显微物镜成倒立、放大的实像。入射光束一般从共轭距较大的一方入射，由光路的可逆性原理，本发明中的成像光路系统采用逆向光路思想进行设计。本发明选定了四片式照相物镜21-24，如图3所示，设计出了数值孔径为0.0333，焦距为70mm，前截距为260mm，后截距为62.8mm，缩小-3倍的具有较好像质的成像光学系统。然后在此基础上，根据光路可逆性，将系统中的各个镜面颠倒过来，即得到数值孔径为0.1，放大-3倍的光学系统，四块透镜21-24的详细结构参数见下表2所示。\n[0032] 表2\n[0033]\n序号 备注 曲率半径 厚度 材料\n1 物面   68.30  \n2 第一块透镜前表面 514.620 11.80 N-SK4\n3 第一块透镜后表面 -69.382 8.00  \n4 第二块透镜前表面 174.471 5.50 N-SK4\n5 第二块透镜后表面 -52.593 2.00  \n6 第三块透镜前表面 -43.525 7.00 SF5\n7 第三块透镜后表面 85.405 2.00  \n8 光阑   8.98  \n9 第四块透镜前表面 179.558 3.1  \n10 第四块透镜后表面 -59.508 260  \n[0034] 通过聚焦光学系统的光束通过成像光学系统在检测器上成放大的像，如此获得高灵敏度的光斑图像，构成物像位移之间的对应关系。本发明中的成像光路系统平衡了各种像差，畸变小，具有很高的空间分辨率，传递函数MTF(80lp/mm)>0.3，配合匹配的CCD接收器件，可以用来获取高质量的光斑图片，从而通过数字图像处理进一步获取光斑的中心定位信息，最终实现高精度高灵敏度的三角位移测头系统。\n[0035] 本发明设计出了一款高精度，高分辨率，长基准测量距离的小尺寸白光测头，采用垂直照射倾斜接收方式的光学三角法，完成了具体的测头结构尺寸设计，包括光源投射系统，成像系统和光敏接收系统三大部分，其中光束聚焦采用专门自行设计的焦距为120mm的聚焦透镜组，成像部分采用专门自行设计焦距为70mm，放大倍数为3的成像透镜组，光敏接收器件采用高分辨率的线阵CCD。本发明设计的三角测头系统的测距基准距离可以达到\n80mm,测量范围为4mm，在此测量范围之内的系统灵敏度可以达到7，如果结合光斑图像的亚像素处理方法，在理论上，本发明设计的测头系统的测量分辨率可以高达0.1个微米，即相对分辨率为0.0025%，完成可以胜任高精度的位移测量要求。\n[0036] 本发明与其他的三角测头中的光学系统相比，对于光束准直系统，具有比较大的投射距离，并且是针对白光设计的，得到的光点形状规则亮度均匀直径小，可以满足高精度的采样要求；对于成像系统，所得到的是放大的实像，实现了检测所需的高灵敏度。\n[0037] 虽然已经参照本发明的示例性实施方式具体描述和显示了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。\n[0038] 结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。