摘 要：本文首先简要分析了激光三角法的基本光路，分别从整形镜设计、成像透镜设计两方面，探讨了光学系统设计的具体思路，望能为此领域设计研究有所借鉴。
关键词：激光位移传感器；整形镜；成像透镜
激光位移传感器是一种非接触测量仪器，具有高响应、高精度等优点，随着现代工业的不断发展与完善，其在光电技术检测领域呈现出日渐宽泛的应用势头。现今，光电技术检测所运用的激光三角法原理，已有比较成熟的理论体系，但在现实运用中，仍存在困难与不足。本文以简单实用为着眼点，用CODE V光学设计软件，来对激光三角法开展光路模拟与设计优化，进而构建一套成像特性优质的光学系统，推动传感器产品化生产。
1.激光三角法的光路分析
针对激光位移传感器来讲，其依据入射光角度的差异性，可划分为两种，即斜入射式与直入射式，本设计选用直入射式，图1为光路结构。整套光路由两部分组成，其一为整形系统，其二为接收系统。对于左边部分而言，其实际就是光束整形系统，主要作用就是汇聚激光器所发出的光束，使之均处于工作范围内，使所汇聚的光斑尽可能小且均匀。半导体激光器（LD）为其光源，其通过整形系统，于（50±10）mm的测量范围内，能够形成比較均匀的光斑。后面为光束接收系统，其能够在光敏探测器上，汇聚物体表面的漫反射光，精确成像。在图1中，α是成像透镜光轴与被测面所形成的夹角，β是光轴与光敏探测器所形成的夹角，di代表的是像距，do代表的是物距。
2.光学设计
2.1整形镜设计
针对激光位移传感器来讲，所测物体表面特征会对其测量精度造成影响，为了能最大程度的减少测量误差，在实际整形镜设计过程中，需尽可能让出射光斑在有效测量范围内，实现光斑的均匀与小。在设计传感头时，对其小型化方面的要求，半导体激光器重量轻及体积小的优势正好与此要求相符，但却有着并不佳的光束质量，须做光束整形处理。对于半导体激光器而言，其快慢轴的光束存在非常不均匀的分布形态：有着比较大的快轴发散角，半角典型值35～45°，光束呈现出高斯分布，慢轴发散角的半角值3～6°，发光范围半宽度0.5～0.7µm，光束呈不规则分布，反光范围半宽度50～100µm。所以，在能量损失并不被允许的前提下，需要对系统的物方数值孔径（NA）进行整形，使其>0.572；但需指出的是，因光束快轴能量呈现出典型的高斯分布，一般设定半宽度（FWHM）为20°，此时，NA为0.341。应尽可能减小系统物距，但受制于工艺因素影响，不可过小，可选2.5mm。为了使设计变得更加方便，可以倒置系统，系统主要要求：像方NA0.341，工作波长（784±9）mm，物距l为（45～60）mm，像距l′为（2.4）mm，焦距f为（3～4）mm。
要想在工作范围使光斑质量更佳，可以选用非球面或者是柱面镜来达此要求，此外，在延拓焦深方面，切趾法与波前编码同样可得到较好效果，但此种光学系统比较复杂，元件也相对较多，不容易装调，成本高。所以，如果精度允许，可以都选用球面镜，而不降焦深延拓考虑在内，在物距分别为40mm、45mm、50mm、55mm与60mm处，运用变倍法，从中获取均匀一致的光斑大小。另外，依据光谱实际分布情况，将中心波长权重设定为3，另将边缘波长权重设定为1。在此过程中，系统需2片镜片来消除其中的色差。依据上述要求，选择一初始结构，经优化，便可得到最佳设计效果。
2.2成像透镜设计
当获得好的出射光斑后，怎样接收物体表面的散射光，并使其能够精确成像，乃是保障激光位移传感器精度的重点所在。在直入射式三角法测量过程中，物体沿着激光入射的方向而移动，物面与成像光轴之间并不垂直。如此一来，在透镜成像中，利用几何成像公式便可证明：
（1），这便是理想成像所需要的Scheimpflug条件。要想获得最佳的成像效果，需要依据此条件来放置光电探测器。依据物体表面所具有的实际散射特性，可明确成像透镜光轴与入射光之间的夹角。针对激光来讲，如果其入射到被测物体表面，那么对于此时的散射光强度而言，便会呈现出椭球型分布。如果入射光以垂直方式入射时，当α值越小，成像透镜所接收到的散射光强度就越大，但如果存在过小的角度，那么除了会增加制作工艺难度之外，还会影响探测器分辨率，因此，经综合考量，将α值设定为21.8°，用仪器的测量范围±10mm，便可获得物距53.84mm。一般状况下，库克三元组在成像效果方面较好，所以，可将其当作成像透镜的初始结构，并以此来进行优化。优化中，将各镜片表面半径当作变量，维持合理厚度，另把光轴与像面所形成的夹角β设定为可变，用CODE V横向像差，结合波像差来优化，便可得到较好效果。
图1为优化之后的成像光学系统。由此图可知，当物面与光轴并不垂直时，经系统成像后，所获得的像面同样与光轴不垂直，另外，其与光轴还存在夹角β，而最终得到的β优化值为60.46，此时，在像面上，能够获得较佳的光斑分布。在准允的工作范围内，无论在何种视场，其散射光都可以较好的在探测器上成像。在所看到的不同现场的成像光斑形状中，该点列图表明成像光斑呈现出均匀分布状态，但仍有一定的剩余像差，多为球差，光斑直径一般为20µm。另外，依据设计结果，能够得出像距，即33.09mm，通过进行精确计算，得出tanα/tanβ为0.613，di/do为0.615，表明此物镜设计可以较好的满足Scheimp-flug的成像条件。
3.结语
综上，用CODE V光学设计软件，以分块的方式来模拟激光位移传感器的整套光学系统，能够高质量的完成散射光的精确接收，还能较好的完成对半导体激光器的光束整形。此系统装调简便，结构简单，体积小，在今后有着广阔的应用前景。
参考文献
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（作者单位：南京邮电大学）
