激光三角法测量物体位移
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：
学号：
指导教师：
2014年1月5日
摘要
本文介绍了单点式光学三角法测量物体位移的两种结构一直射式与斜射式，对两种结构的测量原理进行了分析并对其各自的特点进行了阐述。以半导体激光器作为光源，CCD 作为光电探测器件，采用直射式结构设计了一种光电位移传感器。为了提高测量精度，简化计算过程，该课题通过设定一个基准点与实际测量点进行比较得出像点的位移图像,在用软件处理后计算出实际位移。后面对实验误差进行分析和方案进行评价。
关键字：三角法测距；CCD图像传感器；激光；光斑。
引言
激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光
电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。
过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及。随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD等图象探测用电子芯片的发展，激光三角侧距器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际。
用于测量从传感器至目标之间直线距离的激光三角测量传感器已经使用了十多年了，由于数字电子器件和大功率数字信号处理器（DSP）的结合使得激光不再对目标颜色、纹理和周围环境以及环境光线和温度变化那么敏感了，激光三角测量技术方法已经得到了发展。
目录
引言 (1)
1课程设计目的： (3)
2 设计内容 (3)
3 设计要求 (3)
4 方案论证和选择 (3)
4.1 直射式激光三角法原理 (3)
4.2斜射式激光三角法原理 (4)
4.3直射三角法改进一 (6)
4.4 直射式改进方法二 (7)
5 仪器及元件的选择 (8)
6 偏振图像采集 (8)
6.1.1实验光路图 (8)
6.1.2 测量物体位移步骤： (9)
6.2 定标： (9)
6.3测量焦距 (10)
7实验结果与分析 (10)
7.1.1 定标数据 (10)
7.1.2焦距f的测定数据及处理 (10)
7.2b的测量数据及处理 (11)
7.3 物体位移数据： (11)
8 实验评价 (13)
8.1 误差分析： (13)
8.2方案评价 (13)
9. 课设总结 (14)
10. 参考文献 (14)
附件一：实验仪器 (15)
附件二：实验采集图像 (15)
附件三：实验程序 (18)
附件四：实验光路图 (19)
1课程设计目的：
(1) 学习并掌握激光三角法测距的基本原理和方法；
（2）锻炼学生的自主学习和动手能力；
（3）扎实基础，提升能力。
2 设计内容
（1）完成测量光路；
（2）完成测量光路的搭建及物体位移的测量；
（3）分析测量精度；
3 设计要求
（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）掌握精度计算方法；
4 方案论证和选择
4.1 直射式激光三角法原理
直射式三角法测量物体位移的基本原理如图 1 所示，半导体激光器（ LD ）发出的光束经会聚透镜垂直投射并聚焦到被测物体表面上形成一个光斑，由于物体表面有一定程度的粗糙，这个光斑在物体表面上发生漫反射，其中一部分散射光经过接收透镜成像于 CCD 上，如果被测物体发生微小的位移或者表面高低发生变化，那么物体表面上的光点将沿着激光束的向产生微小的移动，从而光电探测器件 CCD 上的像点也会相应随之移动，通过后续处理电路及计算公式就可求出物体产生的位移。若像点在 CCD 上移动的距离为 N, 被测物体表面移动的距离为M,由三角形相似：
整理后有：
式中，l 为激光束光轴的交点到接受透镜前主面的距离；
l′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。
图1为直射式三角法测量物体位
4.2斜射式激光三角法原理
斜射式三角法测量物体位移基本原理如图 2 ，半导体激光器 LD 发出的光束经衰减片和被测物体表面的法线成一定角度入射到被测物体表面上，接收透镜接收光
图 2 斜入射式三角测量原理图
点在被测物体表面的散射光，像点在 CCD 上移动距离为 N ，则被测物体表面沿法线方向
的移动距离为M,有：
整理后有：
（2-4）式中，α为激光束光轴和被测物体表面法线的夹角；
β为接收透镜光轴和被测面法线的夹角。
在上述的三角法测量原理钟,要计算被测面的位移量,还有相应的距离,测量数据多,影响系统的测量精确度,在实际应用中,可以使用另一种表述方式,下面我们来讨论下该方式.
z = btan β tan β= f/x ˊ
被测距离为
z = bf/x ˊ
式中，b 为激光器光轴与接收透镜光轴之间的距离； f 为接收透镜焦距；
x ˊ为接收光点到透镜光轴的距离。其中，b 和f 均已知，只要测出x ˊ的值，就可以求出距离z 。只要高准确度地标定b 和f ˊ值，就可以保证一定的测试不确定度。如图3所示：
但是，此方案中图像只有一个光斑，没有作为基准的参考点，不利于观察和测量，所
以提出了直射式改进二方案。
z
b
'x
CCD
f
图3 直射式改进一
z = btan β tan β= f/'x
被测距离为
z = bf/('1x'2x )
式中，b 为激光器光轴与接收透镜光轴之间的距离； f ˊ为接收透镜焦距；
x ˊ为接收光点到透镜光轴的距离。
在直射式改进方案一中，从物体侧加入一束激光，使初始的两束光重合入射到CCD 上，在图像中成同一个光斑。然后移动物体发生位移即可测量。
`
方案选择：
综上所述，三种方案各有优缺点，可根据测量条件的不同采用不同的方法，考虑到斜射法中入射光光点照射在物体表面不同的点上，无法知道被测物体表面某点的位移情况；并且光斑较大，体积也大；需要测量的量较多，增加误差。又由直射式可以获得体积小且光强集中的光斑，受被测物体表面的光斑受到被测物体表面特性影响小 ，同时因为有一个参考光斑，这样更便于观察被测点的位移情况，所以初步选择直射式改进二的三角测距原理来搭建光路。
激光器
激光
z
'x
CCD
f
b
图4.3 直射式改进二
5 仪器及元件的选择
所 选 器件有：手电筒 ，半导体激光器 、被测物、 带刻度的三角板 、 衰减片 、 透镜、卷尺、 计算机、支架 光具座 等。
（ 1 ）光源的选择： 半导体激光器，它具有超小型，重量轻，效率高和发射激光的高 的连续性和可见性等优点 ；
（ 2 ）被测物的选择：选择反射效果较好的物体； （ 3 ） 三角板 ： 用于定标；
（ 4 ） 衰减片 ： 衰减激光光束，使其在被测物体表面形成较小的光斑； （ 5 ）透镜： 对光线进行会聚 ； ( 6 ) CCD 成像器件：用 于 图像采集； （ 7 ） 卷尺 ： 测量距离；
（ 8 ）计算机：主要用于 对采集图像 图像用 MATLAB 编程进行数据处理。
6 偏振图像采集
6.1.1实验光路图
激光发出后，经过分束镜a 分成1光束和2光束；1光束经过白屏后散射，被CCD 接
收到，2光束经过反射镜反射到分束镜b,再反射到CCD 上，调整使两束光在CCD 上重合。
激光器
白屏
CCD
分束镜a
反射镜
分束镜b
1
2
1,2
6.1.2 测量物体位移步骤：
1.按照光路图摆设好光路；
2.调节CCD和透镜，使在电脑上成像清晰；
3.打开激光器，调节分束镜和反射镜，使第二个束激光入射到CCD，让两个激光点重合；
保存此时的图像；
4.调整白屏，使其移动5mm,保存此时的图像；
5.重复步骤4，记录多组数据；
6.测量b,f等相关数据；
7.拆分光路，整理好仪器，为定标做准备。
6.2 定标：
按照图6.2 搭建光路，调节各支架旋钮使直尺刻度、透镜中心，CCD 接收屏
中心在同一条水平线上，保持透镜和直尺之间的距离足够远，打开计算机图像采集软
件，用手电筒将光打到直尺刻度线上，使从电脑上观察到的图像较亮，缓慢移动透镜和
直尺支架，使直尺刻度经过透镜所成的像经CCD 采集后在屏幕上显示的图像最清晰，
采集定标图像并记下此时直尺的位置。
CCD
直
尺透
镜
ιˊι
图6.2 定标测量图
6.3 测量焦距
（1）按照图6.2搭建光路，调节透镜与CCD 以及物体的位置，直到看到成像最清晰为止； （2）多次测量物距与像距，记录数据；
（3）根据物像关系求出透镜焦距，并求出平均值作为实际透镜焦距。
7 实验结果与分析
7.1.1 定标数据
刻度/cm 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 像素坐标 129 265 396 530 665 坐标间隔 136
131
134
135
--
由表得出像素坐标间隔平均值：△d=134
△=0.5/△d=0.0037
由于图像经CCD 被放大，放大倍率：l l '
=β=10.48/61.70=0.1699
所以每个像素对应的长度：N ?=β??=0.00063cm/像素。 采集的图像如图7.1所示：
图7.1(a)为直尺的灰度图像 图7.1（b ）为直尺对应的二值图
7.1.2焦距f 的测定数据及处理
表7.1.2 焦距f 的数据
组别
1 2 3 4 5 l /cm
75.40
67.80 63.10 62.16 61.90 l '/cm
10.19
10.30 10.47 10.51 10.45 f/cm 8.98
8.94
8.98
8.99
8.93
计算平均值得透镜焦距：f=8.96cm
当l '=10.48cm 时，由 f l l 111=
'+ （7 -2）
得 l =61.70cm
7.2 b 的测量数据及处理
b/cm 15.55
15.63
15.78
16.10
16.05
平均值=15.82
7.3 物体位移数据：
1.运用Matlab 软件对采集到的图像进行处理，算出相应的所在像素坐标（见附件二）；
2.根据运行结果求出两光斑中心像素坐标，两坐标相减得两光斑中心间的像素N ；
3.利用公式
（7-3） 其中l 和'l 的值在定标时测得，'l =10.48，l =61.70，将单位像素的实际距离N ?、l 、'l 以及N 代入就可求出像的实际位移。
同理：将物体位移分别为0.5cm 、1cm 、1.5cm 、-0.5cm 、-1cm 、-1.5cm 时对应像的实际位移求出。相关数据如表7.3.1所示：
表7.3.1 物体移动距离及其对应光斑像素坐标
物体实际位移/cm 0 0.5 1.0 -0.5 -1.0 1.5 -1.5 参考光斑像素坐标 434.5 434.5 434.5 434.5 434.5 434.5 434.5 测量光斑像素坐标 435.5 401 367.5 467.5 501 333.0 532.5 两光斑间像素值/
个 0
33.5
67
33
66.5
101.5
98
像点的实际位移
/cm
0 0.00359 0.0717
0.0353 0.0712 0.1086 0.1049
l l N N x ''?
??=
3.再根据实验原理可得出物体实际距离的计算公式，即 ''x bf z =，其中b =15.82cm,
f=8.96cm ，将像点实际位移'x 代入公式，即可求得物点的距离，结果如下：
表7.3.2物体实验位移与实际位移数据处理结果
表7.3.3 误差分析-0.50%
0.00%
0.50%1.00%1.50%
2.00%
2.50%
3.00%-2
-1.5
-1
-0.50
0.5
1
1.5
2
实际位移
相对误差
系列1
由表7.3.2和表7.3.3可以看出，物体实验位移的和实际位移基本一致，误差都在3%一下，满足实验的要求；在距离参考点越近，误差越少，偏离则反之；物体向负方向（即向左）移动，误差比向正方向（即向右）要小；
物体实际
位移/cm 0
0.5 1.0 1.5 -0.5 -1 -1.5
物点坐
标1z /cm 0
0.5089 1.016 1.539 -0.5004 -1.009 -1.487 物点位移
量z ?/cm --
0.5089 0.5089 0.523 0.5004 0.5086
0.478
绝对误差
/cm --
0.0089 0.016 0.039 0.004 0.009 0.022
相对
误差
--
1.78% 1.60%
2.60% 0.80% 0.90% 1.47%
8 实验评价
8.1 误差分析：
（1）外界因素：定标时我们用手电筒进行照明，由于手电筒的光束实际上并不够理想，
加上电筒的晃动，打到直尺上的光亮度不均匀，得到的定标图像不理想。
（2）视觉因素：我们认为所采集到的图像是“最清晰”实际上也许往往不是最清晰地，
我们认为的平行实际上也不一定平行，视觉误差是人为因素所造成的误差之一。
（3）操作原因：由于实验原理采用了较为理想化的条件，要求严格平行，但实际操作过
程中调整各个仪器时可能达不到完全的水平和等高。
（4）仪器误差：接收透镜本身存在各种像差，激光器的输出不稳定，导致测量的数据跳跃，不准确，使得记录的数据与实际数据存在误差。被测物体、光源等上面的飞尘、污点
对实验结果也会造成一定影响。
（5）设计因素：光路设计采用理想化条件即激光器和透镜所在直线与被测物体表面所在
直线严格平行，CCD 与透镜平面严格平行，实际中不一定能达到，通过多次用卷尺测量距
离来计算角度，误差会被积累。
8.2方案评价
该实验方案采用直射式激光三角法测量物体位移，光路原理较为简单，采用LD 激光器作为光源，体积小，光束效果好，在实际使用中更具有普遍性，用CCD 进行图像采集，精度高，数据结果用MATLAB 处理，方便简单。而且在图4.3中，b和f均已知，只要测出x的值即可求出距离z。只要高准确度地标定b和f值，就可以保证一定的测试部确定度。在改进二中，加入了一个参考点，使观察物体位移情况更加清晰明了。对于数据处理也简化了很多。
9. 课设总结
在这次课程设计过程中，通过对激光三角法测量物体位移的基本原理和直射式测量物体
位移的基本操作了解和分析，提出了直射式有参考点的方案，而测量结果的误差在允许范围
之内，深刻体会到激光三角法在距离测量领域的广泛应用性。本次课设，不仅巩固了大学所
学的知识，拓宽自己的知识面，还提高了自己的分析能力和动手能力。在课设中遇到了很多
困难，即使是原理很简单的实验，实际操作时仍会受到各种因素的影响，激光不平行，CCD
采集不够精确等等，都会使得后期计算光斑距离不准确等。所以在定方案和实验过程中，要
把各种影响因素都要考虑进去，找出相应的减小影响的方法。而数据后期数据处理过程有一
些繁琐，计算量很大，加上时间紧迫，非常考验耐心和毅力。总之，本次课程设计收获很多，
对以后的工作有很大帮助，做事要用心，耐心，多参考一些文献，结合自己的理解与分析，
做出更好的选择。
10. 参考文献
[1] C.冈萨雷斯(Rafael C.Gonzalez)，Richard E.Woods.数字图像处理(第二版)[M].北京:
电子工业出版社,2007。
[2]任伟明.一种标定三角测量法激光位移计的方法[J]. 光学技术, 1997, (3) : 10- 12.
[3]王晓嘉,高隽 ,王磊.激光三角法综述 [J].仪器仪表学报.2004,25（4）：601-608.
[4]黄战华, 蔡怀宇, 李贺桥, 张以谟.三角法激光测量系统的误差分析及消除方法 [J].光
学精密工程.2002,29（3）：58-61.
[5]万瑾,黄元庆.激光三角法测量的研究[J].三明学院学报.2006,23(4).
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[7] 祝军，戴立铭，江潼君.激光三角法测量位移[D].仪表技术与传感器.1992,(1):18-21
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[8] 庄葆华，王少清，张吉华，蒋诚志，张文伟.高精度激光三角法位
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量测试,1999,(1)．
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[11]C.冈萨雷斯(Rafael C.Gonzalez)，Richard E.Woods.数字图像处理(第二版)[M].北京
电子工业出版
[12]David R.Wesi.用于非接触高速尺寸检验的欲光三角测量传感器.国外计量.1990(1)
附件一：实验仪器
图表 1附件表一
序号仪器名称数量备注
1 激光器 1
2 CCD图像传感器 1
3 透镜 1 f=90mm
4 白屏 1
5 分束镜 2
6 反射镜 1
7 直尺 1
8 手电筒 1
9 卷尺 1
10
附件二：实验采集图像
图附一物点在参考点上对应的二值图
图附二物点在参考点右侧+1 对应的二值图
图附三物点在参考点左侧-1位置对应的二值图
图附四物点在参考点右侧+2位置对应的二值图
半圆的是参考光斑，圆点是被测光斑;图附一为光斑起始位置，参考光斑与被测光斑重合；图附二是被测光斑向有移动了5mm后的图像以及对应的二值图；图附三是被测光斑向左移动了-5mm后的图像以及对应的二值图；接下来的是以此类推，从这些图可以看出，有参考光点，可以明显观察到被测光点的移动情况。由于白屏的移动，使其不在焦距上，从而被测光点光斑变化，散射情况也有不同，造成了一定的误差。因此，可以尽量减少激光光斑的大小，可
以减少误差。
附件三：实验程序
程序一：定标程序
i=imread('E:\11\1.bmp');
im=rgb2gray(i);
M=355; %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);
程序二：物体位移图像处理程序
InImg=ImRead(‘E:\11\1.bmp’);
I=rgb2gray(InImg);
bw1=im2bw(InImg,0.6);
subPlot(1,2,1);
a=max(bw1);
b=max(bw1');
subPlot(1,2,1);
plot(a)
subPlot(1,2,2);
plot(b)
附件四：实验光路图
图附十实验光路实际图
激光干涉仪应用原理(八)——激光干涉测量
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
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
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
激光三角法测量钢板厚度光学系统设计
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报告
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
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
基于激光三角测距法的激光雷达原理综述
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/ef17467565.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。
高精度光学测量微位移技术综述
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
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。
大学物理实验：双光栅测量微弱振动位移量
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
激光三角法测量物体位移
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)
1实验一-双光栅测量微弱振动位移量
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
基于CMOS单点激光三角法测距系统设计
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。
激光三角法测量物体位移
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
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