课程设计Ⅱ（论文）说明书
题目：激光三角法测量物体位移
学院：电子工程与自动化学院
专业：光信息科学与技术
学生姓名：覃荣梅
学号： 1000830303
指导教师：王新强
2014 年 1月 5 日
摘要
本课程设计基于激光三角法原理对物体较小范围内的移动进行测量。在长度、距离及三位形貌等的测试中有广泛应用。通过激光三角法两个方案直射式和斜射式的特点，结合实验条件，选择最合适的方案进行测量。本次测量最大的特点就是非接触式测距，实际中对非接触式测距一般很难知道物体到成像透镜的距离，可由成像透镜焦距以及激光光线和物体散射光线组成的三角形的边长计算出该距离。通过定标，得出透镜上成像距离与物体像移动距离间的对应关系，用此标尺作为计算移动位移的标准。移动物体采集光斑图像，用matlab软件对图像处理进行处理，计算像的移动距离，再根据几何关系推导出物体的实际移动距离。在最后计算出该方案的标准不确定度，并对方案产生的误差进行分析，提出改进意见。设计方案光路简单，方便快捷，受环境影响小而且测量精确度较高。
关键词：激光三角法；测距；定标；CCD；误差分析
目录
引言 (1)
1. 设计任务 (1)
2. 激光三角法测距基本原理 (1)
3.方案论证和选择 (2)
3.1 激光三角法测距现状 (2)
3.2 测量方案 (2)
3.3 方案比较与选择 (4)
3.4 器件选择 (6)
4. 方案验证步骤及数据记录 (6)
4.1 方案验证步骤 (6)
4.2 测量数据记录 (6)
4.2.1 测量获得成像透镜焦距 (6)
4.2.2 定标 (7)
4.2.3 移动物体测量位移 (7)
5. 测量数据处理 (8)
5.1 各个距离测量值计算 (8)
5.2 定标计算 (9)
5.3 光斑位移量计算 (10)
5.4夹角和物体实际移动位移计算 (10)
6. 误差分析及方案评价 (11)
6.1 相对误差和绝对误差计算 (11)
6.2 误差分析 (12)
6.3 设计方案评价 (12)
7. 课题分析评价 (13)
8. 课设总结 (13)
参考文献 (14)
附录1 实验器件清单 (15)
附录2 实验光路图 (16)
附录3 图像处理程序 (17)
附录4 光斑图像处理后灰度图 (18)
附录5 物体移动光斑图 (19)
引言
激光具有方向性好、单色性好、亮度高等特点，因此利用它们作为测距的发射源有很多优势，比如测量速度快、精度高、测距远等。随着半导体激光器的出现，激光测距正向小型、快速、低功耗、低成本和人眼安全方向发展。目前激光测距技术主要有脉冲测距、相位测距、激光干涉法测距、激光三角法测距等。
脉冲激光测距的主要特点是单次测量时间短、测距远、无需合作目标、隐蔽和安全性好。但测量精度相对低，一般为米级精度。相位激光测距，其特点是测量精度高，能够达到毫米级别，但要求使用连续激光器，单次测量时间较长，测量较远距离时，需要在目标处放置合作目标。对于小型或便捷式激光测距设备而言，由于受到激光器功率的限制，相位激光测距的测距一般不大，通常为百米以内。干涉法激光测距，其特点是测量精度较高（达到微米级）。但其测量精度容易受大气起伏的影响，而且要求基座采用笨重的仪器设备。激光三角法测距，其特点是简便、精度高、适合测量微小位移。但其测量精度受光学系统和CCD成像系统分辨率的限制，系统对接收机器件的要求也较高，同时不能用非匹配表面物体和透明物体作为被测目标。
1. 设计任务
（1）掌握激光三角法的测量原理；
（2）掌握CCD的工作原理与数据处理；
（3）设计测量光路；
（4）完成测量光路的搭建及物体位移的测量；
（5）分析测量精度；
2. 激光三角法测距基本原理
在被测物体表面上方，用一束激光以一定角度照射，激光在物体表面发生散射或者反射，在另一角度用成像系统对激光散射或者反射的光进行汇聚成像，当被测物体位置发生变化时，被测物体上的激光照射所产生的光斑的位置变化，光散射或者反射的角度也会发生变化，用光学系统对光线进行汇聚，光斑在成像系统CCD上会发生位移，从而在计算机屏幕上也可观察到光斑的相应移动。通过matlab软件对采集的图像进行处理可以得到两个光斑间的距离，再通过最初定标得到的比例尺，换算出在它CCD表面上的移动距离。由于激光出射光线和反射（散射）光线构成一个三角形，对光斑位移的计算，几何三角和激
光器运用其中，所以称此方法为激光三角法测距。
按照入射激光光束和被测物体表面法线的角度关系，一般分为直射式和斜射式两种方式。
3.方案论证和选择 3.1 激光三角法测距现状
激光三角法测距之初，所选择的激光器体积大，受环境干扰情况严重，因此测量精度大大下降，并未得到广泛应用。近年来随着半导体技术以及计算机技术的发展有了突飞猛进的成果，半导体激光器的出现使得测量光路更加简单，并且受环境干扰性小，计算机对图像的处理使计算距离更加精确、快速，因此激光三角法测试技术在测量物体位移方面得到广泛应用。
激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构，因此有直射式和斜射式两种结构。
3.2 测量方案
方案1：直射式测量
图3.1激光三角法直射式测位移原理图
如图 3.1 所示，激光器发出的光线，经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或者其表面变化，导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电探测器（PSD 或CCD ）上，散射光经接收透镜汇聚后在PSD 或CCD 上成像，移动物体前后采集的两幅图像经过软件处理求出其间距，根据推导得出的公式可求得
n
β
α
x
光电探测器
会聚透镜
激光器
a
b
x ’
接收透镜
物体实际移动距离。 各参量如图3.1所示,应满足以下：
a
n a )
(cos 22-=
α ，sin α=n/a ， x
n
=
βcos （3-1）
()[]()()()α
θαθαθαθθααθβsin cos cos sin sin 90sin cos 90cos 90cos 90180cos cos -=-?--?=-+?≡-?--?=
（3-2）
由相似三角形可得：
)
(22n a b n x -=
' （3-3） CCD 表面移动位移与物体实际移动距离之间的关系，由以上（3-1）式至（3-3）式综合可解得：
θ
θcos sin x b x a x '-'
=
（3-4）
方案2：斜射式测量
图3.2 激光三角法斜射式测位移原理图
激光器发出的光线和被测面法线成一定角度入射到被测面上，同样地，物体移动或其表面变化，将导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电探测器上。斜射法中通过使入射光方向与测量物表面法线成一定的夾角，避免了直射式中要求的入射光方向物体表面垂直的要求。由于直射式测量法散射后的光线只有很少一部分被
CCD
接收透镜
夹角β
n
m
a b
'x
1θ
2θ
x
激光器
会聚透镜
CCD 接收到，因此不能测量反射性很好的物体表面。斜射法不用限制物体表面反射率，只要物体表面平整即可。 各参量如图3.2所示，应满足以下： 角度满足关系
αθθαθθαθθsin )cos(cos )sin()sin(212121+-+=-+ （3-5）
由相似三角形有
)
(2
2
n a
b
n
x -='
（3-6）
)
(b cos 2
2
N b -=
α )
(sin 2
2
N b x -'
=
α （3-7）
m
n
)sin(21=
-+αθθ （3-8） 测量位移与入射角间满足
m
x
=
1cos θ （3-9） CCD 表面移动位移与物体实际移动距离之间的关系，可以由（3-5）式至（3-9）式综合解得：
)
cos()sin(cos x 21212
θθθθθ+'-+'=x b x a （3-10）
3.3 方案比较与选择
由于直射式测量法散射后的光线只有很少一部分被CCD 接收到，因此不能测量反射性
很好的物体表面。斜射法则不用限制物体表面反射率，只要物体表面平整即可。通过对比两种方案的特点以及实验中测量物体的特性，斜射式在搭建光路时对角度受限制性小，无需使激光入射角为零，并且在CCD 接收光斑时对物体表面要求较低。斜射式测量方法精确度高，实验中测量的距离较短，因此在本次实验设计中选择斜射式激光三角法测距。并且考虑到测量的误差，实际测量中，又把斜射式进行了改良，使得误差在理论上有所减少。
该改进的斜射式把图3.2中的2θ角设为0度。原因有：
（1） 测量目标的移动使得光斑移动，即成像前后在CCD 上的光线形成一个夹角。由于
CCD 的接收面积有限，在实验中不能接收任意角度的光线。而为了测量的精确度
需要测量多组数据，所以测量目标移动相对比较大，光线夹角也较大，CCD 就不能很理想的接收各个位移的光斑，给本次测量带来不可实现的困难。这样就使得图3.2的方案无法实现或者实现的效果不好。
（2） 该改良方案保持被测目标、成像透镜和CCD 在同一水平线上，CCD 扫描轨迹没
有改变，即成像的光斑不变形。光斑也是相对的准确，它们在一定程度下都是处于相同条件采集得到，当用MATLAB 进行图像处理时比较方便可靠。这种方法有效避免了CCD 斜拍时产生的图像扭曲造成的误差，提高测量精度。
（3） 该改良方案中激光出射的光线的法线上依次放置光屏、接收透镜和光电探测器
CCD ，所以该方案中只有一个角度值，故实际只需要测量两个边长，通过余弦定理求出公式中的sin 1θ和cos 1θ，与传统的斜射式相比，减少了两个边长的测量，而由于测量量的减少，从理论上大大提高了测量的精确度。
（4） 该改良方案大大提高物体位移的距离，也就是说可以测量很多点的位移，测量方
法灵活，可操作性强。提高了激光三角法在实践测量中的应用，而且实验时所用到得仪器简单且数量少，光路简单，容易理解激光三角法的基本工作原理，从而简化了物体位移的最终计算公式。
图3.3 激光三角法实际实验图
则最后所求的物体位移公式为：
1
11
cos sin cos x θθθx b x a '-'= （3-11）
CCD
成像透镜
衰减器 激光器
'x
1θ A
a
b
B
x
3.4 器件选择
从设计出的实验光路图可得，所需仪器有半导体激光器、成像透镜、CCD 、衰减器、
刻度尺、白屏、卷尺、细绳（无弹性）、手电筒、计算机、光学实验平台。
4. 方案验证步骤及数据记录 4.1 方案验证步骤
（1）测量获得成像透镜的焦距，用于间接确定像距和物距，经过与测量值对比，减少误差；
（2）确定成像过程中的比例尺——定标；
（3）根据图 3.3搭建完整光路图，等间距移动物体，通过光具座上的坐标尺等距离移动被测目标，采集移动到各个位置处的光斑图像；
（4）测量如图3.3中三角形各边长度A 、B 、a 、b ，用于计算光轴和法线之间的夹角； （5）记录数据，并将采集到的各部分数据进行相应处理，最终由（式3-11）计算出物体实际 移动距离并画出位移曲线图。
4.2 测量数据记录
4.2.1 测量获得成像透镜焦距
在实际应用中，如非接触式测量时，成像透镜到物体的距离无法直接测量出，或者知道但精确度不高，影响到系统的测量准确度，所以需要间接得出该段距离。可以通过测量成像透镜的焦距f 计算出该段距离。对于直射式激光三角法测距计算方法如下图4.1：
图4.1 间接测量透镜焦距原理图
如上图所示，有如下关系
βtan b z = ''tan x f =β
被测距离为 ''x f b z = （5-1） 其中z 为成像透镜到物体表面距离，b 为成像透镜到CCD 距离，'x 为CCD 上的位移。
当测量方式为斜射式时将CCD 、成像透镜、目标三者沿光学实验平台某一行或列放置，使三者尽量在一条直线上，移动物体至某一位置，调整透镜使成像最清晰，分别测量此时透镜到CCD 距离'l 和透镜到物体距离l ，由物象位置关系式 ''1
11f
l l =+，求出透镜焦距，多次测量求得成像透镜焦距平均值。数据记录见表1。
表1 测量透镜焦距数据记录
4.2.2 定标
定标的目的是为了获得CCD 和物体在CCD 表面实际移动距离的对应关系，为后面确定物体实际移动距离奠定基础。
定标时将刻度尺放在光具座上，固定在某一位置处，距离尽可能远，以便减小物体纵向时可以忽略的定标尺寸变化。并且要保证刻度尺在计算机上成像尽量水平，这样定标才能准确。用手电筒照射刻度尺，移动调节成像透镜镜头，使刻度尺的像最清晰，用计算机上的软件采集图像信息，最后通过matlab 软件计算出该段距离，该段距离与刻度尺上的标准距离之间有一对应关系，该对应关系即为所需要的标尺。在后面的数据处理时均以此标尺为标准来进行计算。实验数据见图5.1。 4.2.3 移动物体测量位移
本次测量物体位移中，物体目标放置于光具座上，通过移动光具座上的游标卡尺，为了数据处理的准确性以及实验结果的误差分析，每次目标移动都是等间距，采集目标每移动5mm 后的光斑图，以相同的格式保存每个光斑图，以便后期用MATLAB 软件进行图像处理。由于目标移动后多得的光斑基本一致，故其中的两个物体位移的光斑数据实验记录见图4.2 ，其余12个物体位移的光斑数据图见附录5.
l 'l 'f
69.8cm 8.9cm 7.89cm 79.9cm 8.8cm 7.93cm 92.4cm
8.6cm
7.87cm
图4.2 物体移动光斑数据图 表2 激光三角法实验数据表
斜边A 直角边B 物距a 像距b 物体移动Δ
d 测量值
83.5cm
25.6cm 79.4cm 7.9cm 5mm 83.4cm 25.7cm 79.5cm 8.1cm 5mm 83.6cm
25.6cm
79.4cm
8.1cm
5mm
5. 测量数据处理 5.1 各个距离测量值计算
由表1可算出透镜的平均焦距为f ′=1/3×(7.89+7.93+7.87)cm=7.897cm
从该计算出的透镜平均焦距和实际测量中像距可以得出，测量时放置透镜的位置已经接近理想值，所以可以用平均像距和平均物距来测量轴向放大倍率，最后算出物距。而该透镜平均焦距只是计算值，不代表实验中该距离就是最清晰最合适测量的，所以实验时还是调节像距，使得CCD 的成像最清晰时再测量。
由表2可算出各个长度测量值的平均长度为： A=(1/3) ×(83.5+83.5+83.6)cm=83.500cm B=(1/3) ×(22.1+21.9+22.1)cm=25.633cm a=(1/3) ×(79.4+79.5+79.4)cm=79.433cm b=(1/3) ×（7.9+8.1+8.1）cm=8.033cm
本次实验中，测量各个距离时都是多次测量，处理时采用多次测量值平均值法。本次
微小位移测量很容易受到测长度时微小误差的影响，使得结果出现很大的误差。而采用多次测量值平均值法，可以有效的减少误差。
5.2 定标计算
用matlab软件处理定标图像，估计刻度尺最长厘米所在刻度的位置，编程选取该行，读取相邻峰值间的像素间距，求取平均值，计算出比例尺。定标图数据图5.1所示。用MATLAB处理后定标数据图后像素间距图如图5.2所示。
图5.1 定标数据图
图5.2 定标图像matlab处理后像素距离图
表3 定标数据处理值
相邻峰值像素间距 166像素 160像素 164像素 160像素
轴向放大倍率 β=-b/a=-8.033/79.433=-0.101
刻度尺实际距离
1cm 1cm 1cm 1cm 实际1cm 经成像透镜缩小后的像大小
0.101cm
0.101cm
0.101cm
0.101cm
每个像素对应的实际距离大小
mm 310215.6-?
因此CCD 和实际距离之间的对应关系为：实际每个像素对应实际距离为mm 310215.6-?。
5.3 光斑位移量计算
用matlab 软件处理定标图像，估计每个光斑中心处的行位置，编程选取该行，读取该位置处的像素值，计算等间距移动后像素值移动的距离。再由坐标尺可计算出每次移动的位移x ’，每一厘米实际距离对应162.5个像素。
表4 光斑移动后像素移动值及对应的空间移动距离
各光斑像素坐标
与前一光斑间像素差
像距离
x
’
（mm ）
各光斑像素坐标 与前一光斑间像素差
像距离
x ’
（mm ） 1x 263 0 0 8x 444 25 0.155 2x
290 25 0.155 9x 468 24 0.149 3x
316 26 0.162 10x
494 26 0.162 4x 342 26 0.162 11x 517 23 0.143 5x
369 25 0.155 12x
541 24 0.149 6x 396 25 0.155 13x
563 25 0.155 7x
419
23
0.143
14x
584
23
0.143
5.4夹角和物体实际移动位移计算
根据如图3.3所标定的量及测量值，通过余弦定理，计算夹角1θ大小。
307.0433.82/033.22/sin 1===A B θ
952.0sin 1cos 121=-=θθ
由公式（3-11）
1
11
cos sin cos x θθθx b x a '-'=
计算得到的13次移动得到的实际物体移动量
表5 相邻光斑间物体实际移动距离
物体移动次
数
物体实际距离x(mm)
物体移动次数 物体实际距离x(mm)
1 0 8 5.056
2 5.056 9 4.848
3 5.299 10 5.299
4 5.299 11 4.641
5 5.05
6 12 4.848 6 5.056 13 5.056 7
4.641
14
4.641
图5.3目标实际位移和计算位移拟合曲线图
6. 误差分析及方案评价 6.1 相对误差和绝对误差计算
由相对误差计算公式：相对误差=|真实值—实际值|/实际值，计算出相对误差平均值。
平均相对误差=
1/13×(1.12%+5.98%+5.98%+1.12%+1.12%+7.18%+1.12%+3.04%+5.98%+7.18%+3.04%+1.12%
+7.18%)=3.93%
平均绝对误差=
1/13×（0.056+0.299+0.299+0.056+0.056+0.359+0.056+0.152+0.299+0.359+0.152+0.056 +0.359）mm=0.197mm
由以上计算所得的平均相对误差和平均绝对误差可以看出，本次测量所用方案是可行的，差生的误差在可以接受的范围以内。
6.2 误差分析
方案验证过程中，任何一个步骤都会存在误差，并且有些误差是不可避免的。针对本次测量，误差产生的原因主要有两大类：
一：系统误差
（1）仪器的不完善、仪器不够精密或者安装调整不妥，如刻度不准、零点不准等，导致测量长度时引起读数误差。
（2）读数是眼睛不能绝对的正视刻度尺，使得测量值偏大或偏小。
（3）在定标时，在采集软件上观察到刻度尺的像不是完全水平，还有一些倾斜，故造成比例尺存在误差。
（4）本次测量需要在不同灯光下采集定标图像和光斑图像，反复开光灯，影响物体上的光照，使得图像有噪声影响。
（5）用MATLAB进行图像处理时，都是大概取光斑所在行和厘米刻度所在行，造成一定误差。
（6）被测物体表面的光泽和粗糙度关系到散射光斑的大小和光强。
二：随机误差
在相同条件下，对于同一物理量进行重复多次测量，即使系统误差减小到最小程度之后，测量值仍然出现一些难以预料和无法控制的起伏，而且测量误差的绝对值和符号在随机地变化。针对本次测量，随即误差的主要来源于人的视觉和触觉能力的限制以及实验环境偶然因素干扰。例如温度、湿度、电源电压起伏、气流波动以及实验平台振动等因素的影响。
6.3 设计方案评价
设计的改良版斜射式激光三角法测位移方案，精度较高，光路简单易搭建，所需器件简单，减少光斑成像扭曲，受环境温度影响小，能够实现微位移的非接触式测量。此方案与直射式相比具有测量精度高，与传统的斜射式相比光斑较小且不会扭曲，综合考虑认为
本设计方案成功，然而尽管光斑变小了，为了后期图像处理，还是不能每处都能形成光斑，因此不能测量物体各个点处的位移。同时受激光器特性和CCD有效接收面积的限制，测量范围有限，为提高测量精度和大尺寸测量，提出以下改进方案。
为提高测量精度，一方面可以改进光源，选择聚焦深度长，中心光斑小的光束作为入射光束。另一方面可以设计发光射光强可自动调节的装置，根据物体表面特征的不同，实时调节发光强度，能够使CCD接收到最佳图像。最后一个方面，选择接收面积更大成像更好的光电探测器，以便提高测量位移的可操作性。
7. 课题分析评价
该课题基于本专业所学知识，与专业相关，能够联系所学知识，拓展了知识面。课题研究的方向主要是应用于非接触方式测量微小位移，激光光斑的移动对位移很敏感，同时图像处理能够准确计算位移，对物体的位移能够准确标定。测量时对物体表面的粗糙度要求较低，针对测量物的不同可选择直射式和斜射式方式，测量方法简单，在生活中可以得到广泛应用。随着半导体制造技术的发展，激光三角法测位移能够达到更高的精度，测量方法更加成熟化，有很好的应用前景。
8. 课设总结
本次课程设计能够紧密联系本专业所学知识，通过本次课程设计，加深了对激光三角法测量物体位移的基本原理和测量方案的了解，把书面的知识运用到实验中，发现许多不可预计的问题，并学会了减少测量误差的方法，这是一个把理论和实验结合起来很好的机会。学习过的实验方法、数据处理方法能够很好地综合，对所学知识是一种巩固，同时使自己有了更进一步的工程设计思想，为接下来将要进行的毕业设计奠定了很好的基础。辅导老师能够耐心、细致的指导我们的课程设计，鼓励我们能够积极提出问题并帮助解决，积极尝试多种方案测量位移，在此表示衷心感谢。在今后的学习中会更加注重实验设计，增强动手能力。
参考文献
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表1 实验器件
器件数量备注
半导体激光器 1 激光光源，照射目标
成像透镜 1 使散射光会聚到CCD上白屏 1 承接光斑、调整激光器水平
CCD 1 接收光斑，连接到计算机上采集图像
细绳 1 测量长度辅助
衰减器 1 减小激光器出射光强度
聚焦透镜 1 使激光器光会聚，减小斑范围，提高测量精确度刻度尺 1 定标时用
卷尺 1 测量细绳长度，计算角度
手电筒 1 定标时提供光源
计算机 1 采集图像，处理图像
光具座数个夹持各器件，调整位置
图1 实际光路图
附录3 图像处理程序
i=imread('0.bmp'); %读取光斑图像
im=rgb2gray(i); %转换为灰度图
M=310; %取光斑所在行
n=length(im(M,:)); %计算该图像M行长度x=1:n; %x轴坐标
y=im(M,:); %y轴坐标
plot(x,y); %输出图像
Radiation Harsh Application | 强辐射环境应用 强辐射环境下FPS3010激光干涉测量 Laser Interferometry in Radiation Harsh Environments using the FPS3010 介绍 目前，同步辐射应用已经扩展到多种邻域中，如生物科技（蛋白质晶体），医药研究（微生物），工程应用（高分辨率裂缝演变成像），高级材料研究（纳米结构材料）。在纳米领域许多应用中，如透镜组，布拉格反射器，狭缝以及目标定位等都需要非常高的分辨率。机械结构需要高集成度，高稳定性，并且要减小温漂以及定位误差的影响。另外，运动部件的质量需要严格控制到最低，从而提高机械特性，并且减小位置误差。 针对以上讨论，这意味着编码必须在待测物附近，也就是说，编码器即使不是在X光或者粒子束中，也需要安置在辐射区内。 FPS3010激光干涉仪最大的特点是皮米级分辨率，兼容真空环境，并且在此类应用中，可以采用远程控模块。因此，FPS3010可以工作在强辐射环境下，也就是将干涉仪系统以及子系统安装在同步辐射光源或者束线附近，以及其他高辐射的环境中。 在目前的传感器选型中，“M12”传感器探头可以工作在高达10MGy的辐射环境下。这个研究主要针对这些新型传感器的耐辐射强度。实验主要工作在60Co源下(1.17 MeV / 1.33 MeV γ- and 0.31 MeV β-rays)。实验证明在3MGy辐射强度下传感头的读数没有明显偏差。在第二步骤测试中，对比传感器头放置在10MGy强辐射环境前后，对固定目标的测量值。对比结果为传感器所得目标值没有明显偏差。将两个UHV真空兼容 M12传感头（一个是带AR膜透镜，一个是不带AR膜透镜），安装到聚酰亚胺光纤上，放置在1Gy/s辐射区域中。两个探测头都安装在铝支架上，实验过程中将会有20 nm/°C的温漂。为避免曝光情况，采用镀了金膜的耐辐射镜子，搭建3m反射腔。FPS3010控制器放置在探头测试腔体外，另一个带温控无辐射腔内。在整个测量周期内，腔内温度稳定性高于1℃。测试的最后，总累积量达3.024MGy。 测量 图2a显示在测试过程中，测得的位置值。编码器位置采样率为1kHz。在图中，每一个点为100次独立测量平均值。位置漂移观察周期为34天，采用镀膜传感器测量，3MGy累积量为150nm；未镀膜传感器3MGy累积量为400nm。由于信号保持性较好，所以测得位置值的不确定性（标准偏差）优于10nm。 在未镀膜传感器头，在累积总量达2MGy之后，漂移会略微增大（22.5天）。达到这点之后，可进行两个传感器头性能比较。图2b显示编码器（红线）以及控制器位置（蓝线）的温漂情况。整个周期中，温度漂移小于1℃。
激光测距的方法及原理 激光测距技术与一般光学测距技术相比具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。与雷达测距相比，激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度，而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力。其在探测距离较长时，激光测距的优越性更为明显。光测距技术是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的距离测量技术。较常用的激光测距方法有三角法、脉冲法和相位法激光测距。 1．三角法激光测距 激光位移传感器的测量方法称为激光三角反射法，激光测距仪的精度是一定的，同样的测距仪测10米与100米的精度是一样的。而激光三角反射法测量精度是跟量程相关的，量程越大，精度越低。 采用激光三角原理和回波分析原理进行非接触位置、位移测量的精密传感器。广泛应用于位置、位移、厚度、半径、形状、振动、距离等几何量的工业测量。半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 图1. 激光三角测量原理图 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。 同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。常用在铁轨、产品厚度、平整度、尺寸等方面。
激光干涉位移测量技术 张欣（2015110034） 摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。 关键词：纳米级；激光干涉；位移测量； 1 引言 干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。 1.1激光干涉仪分类 激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。 光的相长干涉和相消干涉： 图1.光的相长以及相消干涉 如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮
光电子课程设计： 基于三角测量法的激光测距 摘要：本文先对激光测距的种类及原理进行介绍，其次分析不同种类的优缺点。确定制作测距仪器的制作方向。分析测量当中不同元器件存在的问题，寻找有效的解决方案，重点研究摄像头成像时存在误差的形成原因。根据研究得到的数据，对PC客户端的程序设计进行调整。利用程序尽可能减少由于硬件产生的误差。重点是设计出能确定光点的定位算法，通过对摄像头的定标、激光定位，达到实验数据与实际测量误差在10%以内。最后，提出对作品进行优化和系统功能提升计划 关键词：短距离、低成本、三角测量法 ABSTRACT: In this paper, the principle of laser ranging species and introduced first, followed by analysis of the advantages and disadvantages of different types. Production rangefinder to determine the direction of the production. Analytical measurements among different components of the problems, to find effective solutions to the causes errors in the presence of the camera focused on imaging. According to data obtained from studies on the client PC programming adjustments. The use of procedures to minimize errors due to hardware-generated. Focuses the light spot can be determined to design the location algorithm, through the camera calibration, laser positioning, to the experimental data and the actual measurement error is within 10%. Finally, the work in optimizing system functionality and Enhancement Programme KEY WORDS: Short distance、Low cost 、Triangle measurement
光学系统设计论文
目录 摘要….......................................................................................................................... 第一章引言.................................................................................................................. 1.1研究的背景和意义........................................................................................... 1.2 国内外研究现状................................................................................................ 1.2.1 国外发展现状............................................................................................. 1.2.2 国内发展现状............................................................................................... 第二章测量原理及方案论证..................................................................................... 2.1 设计任务分析..................................................................................................... 2.2 测厚技术简述.................................................................................................... 2.3 激光三角法测量原理........................................................................................... 2.3.1激光三角法测量的类型和区别.................................................................... 2.3.2激光三角法测量的基本原理........................................................................ 2.4 沙姆条件…………………………………………………................................ 2.5 测量模型及方案论证…………………………………………........................... 第三章光学系统设计.................................................................................................... 3.1总体结构布局....................................................................................................... 3.2光源...................................................................................................................... 3.3聚焦系统与成像系统........................................................................................... 第四章误差与精度分析................................................................................................ 4.1 误差分析............................................................................................................... 4.1.1光学系统误差分析......................................................................................... 4.1.2随机误差分析................................................................................................ 4.2 精度分析............................................................................................................. 第五章总结.................................................................................................................... 参考文献.........................................................................................................................
激光三角测距实验 ——第八组 一、实验目的 学习激光三角测距基本原理；了解激光三角测距的应用；搭建激光三角测距系统，实现测量距离的显示，掌握激光三角测距技术。 二、实验原理 三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置，从而计算出物点的位移。由于入射光和反射光构成一个三角形，所以这种方法被称为三角测量法，又可按入射光线与被测工件表面法线的关系分为直射式和斜射式。 三、摆放方式 直射式直射式三角法测量等效光路如图 1 所示。激光器发出的光线,经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上,物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光点位置探测器(如PSD、CCD)敏感面上。 若光点在成像面上的位移为x′,利用相似三角形各边之间的比例关系，有 化简后可求出被测面的位移
式中，a 为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b 为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；α 为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角；β 为探测器与接收透镜光轴之间的夹角。 斜射式 图3.2 为斜射式三角测量原理图，激光器发出的光与被测面的法线方向成一定角度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射光。 若光点的像在探测器敏感面上移动x′，则物体表面沿法线方向的移动距离为x，利用相似三角形的比例关系，参照前一个公式，用x/cosγ 替换x，α+γ 替换α，有 式中，α 为激光束光轴与被测面法线之间的夹角；γ 为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角；β 为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。当γ 为零时，属于斜入射直接收式。 直射式和斜射式特点比较 斜射式可接收来自被测物体的正反射光，比较适合测量表面接近镜面的物体。λ直射式接收散射光，适合于测量散射性能好的表面，如果表面较为平滑，则可能由于耦λ合到光电探测器的散射光强过弱，使测量无法进行，也就是说可能存在测量盲区。斜射式入射光光点照射在物体不同的点上，因此无法直接知道被测物体某点的位移情况,λ而直射式可以。当然，斜射式也可以通过标定的方法得出位移。直射式光斑较小，光强集中，不会因被测面不垂直而扩大光斑，而且一般体积较小。斜λ射式传感器分辨率高于直射式，但它的测量范围较小，体积较大。斜入射直接收式传感器的体积和直入射式相当，并且分辨率高于直射式，因此较为常用。
精密位移量的激光干涉测量方法及实验 一、实验目的： 1． 了解激光干涉测量的原理 2． 掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法 3． 了解激光干涉测量方法的优点和应用场合 二、实验原理 本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green ）干涉系统，T －G 干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的简化。用激光为光源，可获得清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图1所示。 图1 T －G 干涉系统 激光通过扩束准直系统L 1提供入射的平面波（平行光束）。设光轴方向为Z 轴，则此平面波可用下式表示： ikz Ae Z U =)( (1) 式中A ??平面波的振幅，λ π 2= k 为波数，λ??激光波长 此平面波经半反射镜BS 分为二束，一束经参考镜M 1，反射后成为参考光束，其复振幅U R 用下式表示 )(R R z R R e A U φ?= (2) 式中A R ??参考光束的振幅，φR （z R ）??参考光束的位相，它由参考光程z R 决定。 另一束为透射光，经测量镜M 2反射，其复振幅U t ，用下式表示： )(t t z i t t e A U φ?= (3) 式中A t ??测量光束的振幅，φt （z t ）??测量光束的位相，它由测量光程Z t 决定。 此二束光在BS 上相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强I(x,y)由下式决定
*?=U U y x I ),( (4) 式中** *+=+=t R t R U U U U U U ,，而U*，U R *，U t *为U ，U R ，U t 的共轭波。 当反射镜M 1与M 2彼此间有一交角2θ，并将式(2)，式(3)代入式(4)，且当θ较小，即sin θ?θ时，经简化可求得干涉条纹的光强为： )2cos 1(2),(0θkl I y x I += (5) 式中I 0??激光光强，l ??光程差，t R z z l -=。 式(5)说明干涉条纹由光程差l 及θ来调制。当θ为一常数时，干涉条纹的光强如图2所示。 2 λ ? =N l (6) 式中N ??干涉条纹数 因此，记录干涉条纹移动数，已知激光波长，由式(6)即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量?L 。干涉条纹的计数，从图1中知道，定位在BS 面上或无穷远上的干涉条纹由成像物镜L 2将条纹成在探测器上，实现计数。 测量灵敏为：当N ＝1，则m l μλλ 63.0,2 == ?（He-Ne 激光），则m l μ3.0=? 如果细分N ，一般以1/10细分为例，则干涉测量的最高灵敏度为m l μ03.0=? 三、实验光路 激光器1发出的激光经衰减器2（用于调节激光强度）后由二个定向小孔3，5引导，经反射镜6，7进入扩束准直物镜8，10（即图1中的L 1），由分光镜14（即图1中BS ）分成二束光，分别由反射镜16（即图1中的M 1），18（M 2）反射形成干涉条纹并经成像物镜
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/ba7045155.html, 基于激光三角测距法的激光雷达原理综述 作者：周俞辰 来源：《电子技术与软件工程》2016年第19期 摘要 本文主要介绍了激光雷达系统的特点和基本结构，着重讨论了基于激光三角测距法的激光雷达的工作原理，详细论述了二维激光扫描的测量方法，并延伸讨论了三维激光扫描的测量方法及光路结构。 【关键词】激光雷达激光三角测距法 2D/3D激光扫描 1 引言 激光雷达LiDAR（Light Detection and Ranging），是激光探测及测距系统的统称，是一种通过位置、距离、角度等测量数据直接获取对象表面点三维坐标，实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术。激光雷达最基本的工作原理与普通雷达相似，均是通过发射系统发送一个信号，由接收系统收集并处理与目标作用产生的返回信号，来获得对象表面的三维信息。目前激光雷达的测量原理主要分为脉冲法，相干光法和三角法三种，本文主要讨论基于激光三角测距法的激光雷达系统的工作原理。 2 激光雷达基本理论 2.1 激光雷达系统的特点及应用前景 激光雷达相比于传统接触式测量具有快速、不接触、精度高等优点，同时该技术受成像条件影响小，反应时间短，自动化程度高，对测量对象表面的纹理信息要求低。 在激光雷达应用的主要测量原理中，脉冲法和相干光法对激光雷达的硬件要求高，但测量精度比激光三角法要高得多，故多用于军事领域。相比于此，激光三角测距法因其成本低，精度满足大部分工业及民用要求，得以受到关注。 目前移动机器人的导航方式主要包括：磁导航、惯性导航和视觉导航，其中视觉导航由于具有信号探测范围广，获取信息完整等优点，是移动机器人导航的一个主要发展方向。目前机器人的SLAM（Simultaneous localization and mapping，同步定位与地图构建）算法中最理想的设备仍旧是激光雷达，机器人通过激光扫描得到所处环境的2D或3D点云，从而可以进行诸如SLAM等定位算法，确定自身在环境当中的位置并创建出所处环境的地图。激光雷达的非 接触式测量特点，具有快速、精度高、识别准确等优点，广泛应用于移动机器人视觉系统的距离、角度、位置的测量方面，成为测量研究领域的热点。
word格式文档 高精度光学测量微位移技术综述 *** （******大学光电**学院，重庆400065） 摘要 微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。 关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势 1 引言 随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种[2]。按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在 专业资料整理
几十皮米到几纳米之间。此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6]。现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示。 纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭新的时代。由表1可见，目前电容传感器和SPM的测量分辨力也很高，但它们的共同缺陷是当溯源至国际标准长度单位时，必须借助激光干涉仪等方法进行标定和校准。根据1983年第17次度量大会对“米”的新定义，激光干涉法对几何量值溯源有着天然优越性，同时具有非接触测量、分辨力高、测量速度快等优势。本文将对目前主要的光学微位移测量技术介绍和比较分析。 表1 常用微位移测量技术 仪器种类分辨力/nm 测量范围 电容传感器0.05-2 10nm-300μm 电感传感器 5 10μm SPM 0.05 1-10μm 激光三角测头 2.5 100-500μm 光纤位移传感器 2.5 30-100μm 双频激光干涉仪0.1 >10m 光栅尺0.1-10 70-200mm X射线干涉仪0.005 200μm F-P干涉仪0.001 5nm-300μm 2 光学微位移测量技术概述 2.1 激光三角法微位移测量技术 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。而非接触测量由于其良好的精确性和
光栅式位移测量 欣欣机械学院 摘要光栅是高精度位移测量元件，它与数字信号处理仪表配套，组成位移测量系统，被广泛地应用于数控机床等自动化设备当中。光栅测量位移的原理主要是利用光栅莫尔条纹原理来实现的.本文主要介绍了光栅的测量位移原理以及几种干涉的测量方法，有助于简单了解光栅式位移测量。 关键词光栅莫尔条纹辨向光栅干涉 1 引言 随着人们对大量程、高分辨力和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移测量技术正在受到越来越广泛的重视。相比于其它高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都非常方便，在位移测量领域具有广阔的发展前景。 传统的光栅测量系统一般是采用接受光栅副的莫尔条纹信号，然后进行电子细分和处理来实现位移量的测量。但此类基于光强幅度调制的测量系统，为达到信噪比很大的稳定输出，必须使得经莫尔条纹产生的光电输出电压的交变成分幅值尽可能大。这就要求标光栅和指示光栅之间的距离必须很小且稳定。中间不能有异物而生产现场环境恶劣，常常会因为污染而使传感器信号变坏，甚至不能工作。粗光栅位移测量系统继承了传统光栅测量的优点，同时又改进了它的不足。它采用栅距为0.635mm的反射式粗线纹光栅尺光学系统设计成物方远心光路，取消了指示光栅这种系统中光栅尺不用密封。传感头与光栅尺之间工作间隙为15mm左右，表面不怕沾有油或水。同时由于其具有自对准特性加之线纹间距大，因而具有接长方便的特点。特别适用于需要进行大范围测量和定位的各种大中型数控机床。 2 光栅式位移测量分析 2．1光栅测量原理 2．1．1光栅的分类和结构 光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍 射现象，常用于光谱分析和光波波长测定，而在检测技术中常用的是计量光 栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分 辨力。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、主光栅、指 示光栅、光电元件三大部分组成。光电元件可以是光敏二极管，也可以是光电 池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间 距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。 计量光栅的结构图如图2．1所示。
双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，加上轻巧、无噪音等优点，在测量的应用上常被采用。作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，d 为 光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。 如果光栅在y 方向以速度v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
课程设计Ⅱ（论文）说明书题目：激光三角法测量物体位移 学院：电子工程与自动化学院 专业：光信息科学与技术 学生姓名：覃荣梅 学号：1000830303 指导教师：王新强 2014 年1月5 日
摘要 本课程设计基于激光三角法原理对物体较小范围内的移动进行测量。在长度、距离及三位形貌等的测试中有广泛应用。通过激光三角法两个方案直射式和斜射式的特点，结合实验条件，选择最合适的方案进行测量。本次测量最大的特点就是非接触式测距，实际中对非接触式测距一般很难知道物体到成像透镜的距离，可由成像透镜焦距以及激光光线和物体散射光线组成的三角形的边长计算出该距离。通过定标，得出透镜上成像距离与物体像移动距离间的对应关系，用此标尺作为计算移动位移的标准。移动物体采集光斑图像，用matlab软件对图像处理进行处理，计算像的移动距离，再根据几何关系推导出物体的实际移动距离。在最后计算出该方案的标准不确定度，并对方案产生的误差进行分析，提出改进意见。设计方案光路简单，方便快捷，受环境影响小而且测量精确度较高。 关键词：激光三角法；测距；定标；CCD；误差分析
目录 引言 (1) 1. 设计任务 (1) 2. 激光三角法测距基本原理 (1) 3.方案论证和选择 (2) 3.1 激光三角法测距现状 (2) 3.2 测量方案 (2) 3.3 方案比较与选择 (4) 3.4 器件选择 (6) 4. 方案验证步骤及数据记录 (6) 4.1 方案验证步骤 (6) 4.2 测量数据记录 (6) 4.2.1 测量获得成像透镜焦距 (6) 4.2.2 定标 (8) 4.2.3 移动物体测量位移 (8) 5. 测量数据处理 (9) 5.1 各个距离测量值计算 (9) 5.2 定标计算 (9) 5.3 光斑位移量计算 (11) 5.4夹角和物体实际移动位移计算 (11) 6. 误差分析及方案评价 (12) 6.1 相对误差和绝对误差计算 (12) 6.2 误差分析 (13) 6.3 设计方案评价 (13) 7. 课题分析评价 (14) 8. 课设总结 (14) 参考文献 (15) 附录1 实验器件清单 (16) 附录2 实验光路图 (17) 附录3 图像处理程序 (18) 附录4 光斑图像处理后灰度图 (19) 附录5 物体移动光斑图 (20)
实验一 双光栅测量微弱振动位移量 精密测量在自动化控制的領域里一直扮演着重要的角色，其中光电测量因为有较佳的精密性与准确性，加上轻巧、无噪音等优点，在测量的应用上常被采用。作为一种把机械位移信号转化为光电信号的手段，光栅式位移测量技术在长度与角度的数字化测量、运动比较测量、数控机床、应力分析等领域得到了广泛的应用。 多普勒频移物理特性的应用也非常广泛，如医学上的超声诊断仪、测量海水各层深度的海流速度和方向、卫星导航定位系统、音乐中乐器的调音等。 双光栅微弱振动测量仪在力学实验项目中用作音叉振动分析、微振幅(位移)、测量和光拍研究等。 【实验目的】 1. 了解利用光的多普勒频移形成光拍的原理并用于测量光拍拍频； 2. 学会使用精确测量微弱振动位移的一种方法； 3. 应用双光栅微弱振动测量仪测量音叉振动的微振幅。 【实验原理】 1． 位移光栅的多普勒频移 多普勒效应是指光源、接受器、传播介质或中间反射器之间的相对运动所引起的接收器接收到的光波频率与光源频率发生的变化，由此产生的频率变化称为多普勒频移。 由于介质对光传播时有不同的相位延迟作用，对于两束相同的单色光，若初始时刻相位相同，经过相同的几何路径，但在不同折射率的介质中传播，出射时两光的位相则不相同。对于位相光栅，当激光平面波垂直入射时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，见图1。 激光平面波垂直入射到光栅，由于光栅上每缝自身的衍射作用和各缝之间的干涉，通过光栅后光的强度出现周期性的变化。在远场，我们可以用大家熟知的光栅衍射方程即(1)式来表示主极大位置： λθk d ±=sin ???=,2,1,0k （1） 式中 ，整数k 为主极大级数，d 为 光栅常数，θ为衍射角，λ为光波波长。 如果光栅在y 方向以速度v 移动，则从光栅出射的光的波阵面也以速度v 在y 方向移动。因此在不同时刻，对应于同一级的衍射光线，它从光栅出射时，在y 方向也有一个vt 的位移量，见图2。 这个位移量相应于出射光波位相的变化量为)(t φ? 图1 出射的摺曲波阵面
文章编号:100525630(2006)022******* 基于CM O S 单点激光三角法测距系统设计 Ξ 林小倩,林 斌,潘泰才 (浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心,浙江杭州310027) 摘要:根据三角法测距原理,运用单片机技术对距离进行测量,设计了一套基于C M O S 的单点激光三角法测距系统。详细地介绍了系统的硬件组成和软件结构,针对测量用的光 敏传感器之标定曲线的非线性特征,提出了用逐段折线逼近该标定曲线的方法,最后给出 实验结果,并分析了各个参数对实验精度的影响。实验结果表明方案切实可行,该方法的测 量误差小于3%。 关键词:单点激光三角法;单片机;C M O S ;逐段折线逼近 中图分类号:TH 76112 文献标识码:A D istance m ea sur i ng usi ng si ngle -po i n t la ser tr i angula tion syste m design ba sed on C MOS L IN X iao 2qian ,L IN B in ,PA N T a i 2ca i (CN ERC fo r Op tical Instrum ent ,Zhejiang U niversity ,H angzhou 310027,Ch ina ) Abstract :In th is paper ,acco rding to the p rinci p le of distance m easu ring u sing triangu lati on ,a su it of distance m easu ring u sing single 2po in t laser triangu lati on system based on C M O S is designed th rough the techn ique of M CU .T he hardw are of the system and the structu re of the softw are are described in detail ,due to the non 2linear characteristic of the u sed ligh t 2sen sitive tran sducer ′s calib rati on cu rve ,the m ethod of u sing p iecew ise linear line to app rox i m ate calib rati on cu rve is given ,at last ,the resu lts of the exp eri m en t are in troduced and it is analyzed the relati on betw een every param eter and experi m en tal p recisi on .T he resu lts of the exp eri m en t p rove the feasib ility of the idea ,the m easu rem en t erro r of th is m ethod is less than 3%. Key words :single 2po in t laser triangu lati on ;M CU ;C M O S ;p iecew ise linear A pp rox i m ati on 1 引 言 激光测距技术是集光、机、电一体化的高精度测距技术,在军事、测距、测绘等领域得到广泛的应用。常用的几种测距方法中,脉冲测距方式比较适合远距离的测量,特别是在天体测量方面,虽然在目前加以改进后,可测量几米的距离,但是对激光器要求更高,造价也更高;相位测距方式也比较适合于较大距离的测量;激光干涉测距法主要是用来测量微小距离或形状变化的。现设计了一种以单片机技术为核心的低成本数字显示C M O S 单点激光三角法测距仪,利用三角法测距原理、采用激光遥感方式实现距离的非接触测量。对系统的基本原理、硬件电路、软件设计等进行了介绍,最后给出了实验结果。该系统结构简单、成本 第28卷 第2期 2006年4月 光 学 仪 器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .28,N o.2 A p ril,2006 Ξ收稿日期:2005206214 作者简介:林小倩(19802),女,湖北锦门人,硕士生,主要从事光、机、电一体化技术方面的研究。
课程设计Ⅱ（论文）说明书 题目：激光三角法测量物体位移 学院：电子工程与自动化学院 专业：光信息科学与技术 学生姓名：覃荣梅 学号： 1000830303 指导教师：王新强 2014 年 1月 5 日
摘要 本课程设计基于激光三角法原理对物体较小范围内的移动进行测量。在长度、距离及三位形貌等的测试中有广泛应用。通过激光三角法两个方案直射式和斜射式的特点，结合实验条件，选择最合适的方案进行测量。本次测量最大的特点就是非接触式测距，实际中对非接触式测距一般很难知道物体到成像透镜的距离，可由成像透镜焦距以及激光光线和物体散射光线组成的三角形的边长计算出该距离。通过定标，得出透镜上成像距离与物体像移动距离间的对应关系，用此标尺作为计算移动位移的标准。移动物体采集光斑图像，用matlab软件对图像处理进行处理，计算像的移动距离，再根据几何关系推导出物体的实际移动距离。在最后计算出该方案的标准不确定度，并对方案产生的误差进行分析，提出改进意见。设计方案光路简单，方便快捷，受环境影响小而且测量精确度较高。 关键词：激光三角法；测距；定标；CCD；误差分析
目录 引言 (1) 1. 设计任务 (1) 2. 激光三角法测距基本原理 (1) 3.方案论证和选择 (2) 3.1 激光三角法测距现状 (2) 3.2 测量方案 (2) 3.3 方案比较与选择 (4) 3.4 器件选择 (6) 4. 方案验证步骤及数据记录 (6) 4.1 方案验证步骤 (6) 4.2 测量数据记录 (6) 4.2.1 测量获得成像透镜焦距 (6) 4.2.2 定标 (7) 4.2.3 移动物体测量位移 (7) 5. 测量数据处理 (8) 5.1 各个距离测量值计算 (8) 5.2 定标计算 (9) 5.3 光斑位移量计算 (10) 5.4夹角和物体实际移动位移计算 (10) 6. 误差分析及方案评价 (11) 6.1 相对误差和绝对误差计算 (11) 6.2 误差分析 (12) 6.3 设计方案评价 (12) 7. 课题分析评价 (13) 8. 课设总结 (13) 参考文献 (14) 附录1 实验器件清单 (15) 附录2 实验光路图 (16) 附录3 图像处理程序 (17) 附录4 光斑图像处理后灰度图 (18) 附录5 物体移动光斑图 (19)
实验三激光干涉测量技术 一、引言 激光精密干涉测量技术有着广泛的应用。区别于基础实验课程中应用成套的干涉仪设备进行测量，本实验使用零散的光学元件搭建干涉装置，旨在锻炼学生的实际光路搭建能力以及相关的实践技巧。 二、实验目的 1．了解激光干涉测量的原理 2．掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法 3．了解激光干涉测量方法的优点和应用场合 4. 锻炼实际光路搭建能力以及搭建干涉测量装置的相关技巧 三、实验原理 本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系统，T－G干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的一种变型，在光学仪器的制造工业中，常用其产生的等间距干涉条纹对光学零件或光学系统作综合质量检验。 图1 泰曼－格林干涉仪原理图
泰曼－格林干涉仪与原始的迈克尔逊干涉仪不同点是，光源是单色激光光源，它置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A 分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个校正像差的透镜L2会聚，观察屏放在透镜L2的焦点位置观察，也可不加透镜L2直接观察。能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹，其原理如图1所示。 若作出反射镜M1在半反射面A中的虚像M1’（图中未画出），干涉仪的出射光线相当于M2和M1’所构成的空气楔的反射光，因而泰曼干涉仪实际上就等效于平面干涉仪，只是这里两束光的光路被完全分开，进而产生了等厚干涉条纹。当光源是点光源时，条纹是非定域的，在两个相干光束重叠区域内的任何平面上，条纹的清晰度都一样。不过，实际上为了获得足够强度的干涉条纹，光源的扩展不能忽略，这时条纹定域在M1和M2构成的空气楔附近。 如图1所示，设入射平面波经M1反射后的波前是W1，经M2反射后相应的波前是W2，W1和W2位相相同。引入虚波前W1’，它是在W1半反射面A中的虚像，图中画出了虚相交于波前W2上P点的两支光路，这两支光在P点的光程差为 即等于W1’到P点的法线距离，因为W1’和W2之间介质（空气）折射率为1，显然当 时，P点为亮点，而当 时，P点为暗点。如果平面M1和M2是理想的平面，那么反射回来的波前W1（或W1’）和W2也是平面，这样当眼睛聚焦于W2上时，在W1’和W2之间有一楔角 的情况下，将看到一组平行等距的直线条纹（W1’和W2相互平行，视场是均匀 照明的，没有条纹），它们与所形成的空气楔的楔棱平行。从一个亮条纹（或暗条纹）过渡到相邻的亮条纹（或暗条纹），W1’和W2之间的距离改变λ。由于 测量镜M2移动l会带来2l的光程差则： 式中N为干涉条纹数。 因此，记录下干涉条纹移动数，已知激光波长，即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量l。测量灵敏为：当N＝1，则