新型单面阵自由曲面光学测量方法成像特性仿真

万瑾 李志阳 卢光义 陈南京

(厦门华厦学院信息与机电工程系,福建厦门 361024)

新型单面阵自由曲面光学测量方法成像特性仿真

万瑾 李志阳 卢光义 陈南京

(厦门华厦学院信息与机电工程系,福建厦门 361024)

本文提出一种新型单面阵自由曲面光学测量方法,利用环状球面内反射镜与半反半透镜构成T字型光路,完成单CCD面阵光线探测。该单面阵自由曲面光学测量方法结构紧凑,成本较多面阵光学测量方法大大降低,并能一定程序上减少物面倾斜造成的漏检。用ZEMAX软件对其探测器随系统结构参数的变化进行仿真分析,以得到最佳系统设计,从而缩短系统设计时间。

ZEMAX非序列仿真 激光三角法 物面形貌测量

1 引言

在激光三角法位移测量方法的研究中，由于被测物面倾斜给测量带来的误差可达几十微米[1]甚至漏检。采用双三角法可以一定程度上解决该问题。但实际应用中，无法保证双三角法要求的激光束始终和被测量物体表面垂直。

针对此，本文引入环状球面内反射镜，提出一种新型单面阵自由曲面光学测量方法，利用半反半透镜构成T字型光路，由单CCD面阵完成光线探测，这种结构紧凑的测量系统，不但降低测量系统成本，并能减少由于物面倾斜而无法进行激光三角测量法光学系统的激光束数量。本文用ZEMAX软件对其探测器随系统结构参数的变化进行仿真分析，以得到最佳系统设计，从而缩短系统设计时间。

2 光学系统各光学元件分析

2.1 环状球面内反射镜的成像特性仿真

设计中所使用的环状球面内反射镜是取球反射镜的一段做成平台，在系统中将物面的漫反射光收敛再会聚在C C D上。在ZEMAX中，观察点光源经环状球面内反射镜反射后，经透镜会聚在接收器上的情况。图1(a)为仿真的光学元件图。

(a)环状球面内反射镜光学仿真系统结构；(b) 环状球面内反射镜半径为20mm时探测器上光能量分布；(c) 环状球面内反射镜半径为10mm时光能量分布；(d)会聚透镜与内反射镜距离为40mm时光能量分布；(e)会聚透镜与内反射镜距离为60mm时光能量分布。

仿真数据表明探测器接收到的能量峰值每次都出现在同一个光环上，如图1(b)；内反射镜半径为10mm，能量分布改变，总能量降低为0.73W，如图1(c)；将会聚透镜与环状球面内反射镜距离由原来的30mm增加到40mm，能量分布为图1(d)，增加到60mm，能量分布改变为图1(e)。因此，光环半径大小反映系统中光学元件尺寸和距离变化。

2.2 激光束准直数据优化

激光发出的光束要经过准直且进一步缩小光束直径后入射物面。由于激光的准直性本身较好，在此，只考虑缩小激光光束直径，即扩束入射光斑要尽量小且入射光线尽量与主光线平行，才可以更真实的反映物面一点的情况。因此应调整好激光准直的光线角度和光斑大小。在此用ZEMAX优化设计光学元件的相互距离。

会聚透镜为76.56mm曲率半径的H-K9L双凸透镜，按照实际光学元件的参数，得到焦距73.635mm，爱里斑半径5.766μm。准直透镜为24.50mm曲率半径的H-K9L双凸透镜，设置光源为无穷远处的波长为632.8nm的平行光束，得到焦距22.198mm，爱里斑半径9.778μm。

3 单面阵自由曲面光学测量方法实验系统仿真

ZEMAX可仿真Sequential和Non-Sequential的成像系统和非成像系统。用ZEMAX的非序列模式搭建整个系统。

将元件7的镜面反射改为朗伯反射，当物面与入射光束的光轴垂直，探测器能量分布仍然集中在中央，但在外圈有一个光环。光总能量与物面-入射光束的光轴夹角变化关系。物面与入射光束光轴垂直时，光环的半径随物面与内反射镜在光轴上相对距离的增加而减小。

4 结语

本文提出的新型单面阵自由曲面光学测量方法引入了环状球面内反射镜。用ZEMAX的非序列模式实现整个光学系统的仿真。对仿真数据进行分析发现，对于理想的漫反射物面，在实验系统的真空参数条件下，探测器接收到的能量与损失的能量都会随物面与入射光束的光轴夹角变大而减少，但在-30°～10°夹角范围内，接收到的能量变化不大，物面位移在5.5mm内对接收到的能量也没有明显影响，光环的半径随物面位移的增大而减小。

[1]金洪禹.基于光散射的三角法测量技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

福建省教育厅社会科学研究项目(JA13449)资助。

万瑾(1976—),女,汉族,湖北武汉人,博士,副教授,研究方向:光电应用技术与传感器技术。