激光位移傳感器的成像系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果及分析

　　激光位移傳感器是一種高可靠性的非接觸式精確測量儀器，可實現(xiàn)對距離、位移、圓徑、外形尺寸和表面輪廓等參數(shù)的實時測量，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)與制造、軌道交通等領(lǐng)域。

　　

　　針對遠(yuǎn)距離位置處大量程使用需求，采用五片式球面透鏡簡單結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種激光位移傳感器的成像光學(xué)系統(tǒng)。完成了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與成像質(zhì)量分析，為用于遠(yuǎn)距離測量的大量程傳感器的產(chǎn)品化提供了重要的理論依據(jù)。

　　

　　選擇直入射式移傳感器，針對遠(yuǎn)工作距離處大量程范圍內(nèi)的位移測量使用需求，基于激光三角測量原理，計算了一個傳感器的性能指標(biāo)和成像光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，完成了傳感器成像光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和像質(zhì)分析，實現(xiàn)了激光位移傳感器的仿真設(shè)計。

　　

　　為了評價傳感器成像光學(xué)系統(tǒng)的成像效果，分別從MTF、點列圖和畸變3個方面對成像光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行分析和評價。根據(jù)系統(tǒng)所選用CMOS像元尺寸大小可知，其奈奎斯特頻率約為112lp/mm。根據(jù)MTF曲線數(shù)據(jù)可得，在112lp/mm處，系統(tǒng)各視場的弧矢方向MTF曲線比子午方向MTF曲線要高，即系統(tǒng)各視場成像質(zhì)量弧矢方向要優(yōu)于子午方向。

　　

　　成像光學(xué)系統(tǒng)的子午方向與弧矢方向的成像質(zhì)量差異是由系統(tǒng)的物面和像面與系統(tǒng)光軸不垂直引入的離軸像差所導(dǎo)致的。由圖3可知，在112lp/mm處系統(tǒng)大正視場子午方向MTF數(shù)值小，其數(shù)值為0.23，即系統(tǒng)各視場MTF均大于0.20，系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果可滿足成像質(zhì)量要求。

　　

　　由上述成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果及分析可知，該系統(tǒng)子午方向和弧矢方向的成像質(zhì)量存在一定的差異，即弧矢方向成像質(zhì)量優(yōu)于子午方向。影響系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要像差是軸外像差，且系統(tǒng)的畸變較大導(dǎo)致了圖像的畸變。

　　

　　這些影響系統(tǒng)成像效果的主要因素是由系統(tǒng)物平面和像平面與系統(tǒng)光軸之間不垂直所引起的。但根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果分析可知，在奈奎斯特頻率處系統(tǒng)各視場MTF可滿足系統(tǒng)成像質(zhì)量要求，而系統(tǒng)畸變所導(dǎo)致的圖像畸變則可通過圖像畸變校正算法予以校正。

　　

　　因此，該激光位移傳感器的成像光學(xué)系統(tǒng)可滿足傳感器的高精度測量使用需求。