激光位移傳感器的成像系統設計結果及分析

　　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，可實現對距離、位移、圓徑、外形尺寸和表面輪廓等參數的實時測量，被廣泛地應用于航空航天、工業生產與制造、軌道交通等領域。

　　

　　針對遠距離位置處大量程使用需求，采用五片式球面透鏡簡單結構，設計了一種激光位移傳感器的成像光學系統。完成了系統的優化設計與成像質量分析，為用于遠距離測量的大量程傳感器的產品化提供了重要的理論依據。

　　

　　選擇直入射式移傳感器，針對遠工作距離處大量程范圍內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和成像光學系統的設計參數，完成了傳感器成像光學系統的優化設計和像質分析，實現了激光位移傳感器的仿真設計。

　　

　　為了評價傳感器成像光學系統的成像效果，分別從MTF、點列圖和畸變3個方面對成像光學系統優化設計結果進行分析和評價。根據系統所選用CMOS像元尺寸大小可知，其奈奎斯特頻率約為112lp/mm。根據MTF曲線數據可得，在112lp/mm處，系統各視場的弧矢方向MTF曲線比子午方向MTF曲線要高，即系統各視場成像質量弧矢方向要優于子午方向。

　　

　　成像光學系統的子午方向與弧矢方向的成像質量差異是由系統的物面和像面與系統光軸不垂直引入的離軸像差所導致的。由圖3可知，在112lp/mm處系統大正視場子午方向MTF數值小，其數值為0.23，即系統各視場MTF均大于0.20，系統設計結果可滿足成像質量要求。

　　

　　由上述成像光學系統設計結果及分析可知，該系統子午方向和弧矢方向的成像質量存在一定的差異，即弧矢方向成像質量優于子午方向。影響系統成像質量的主要像差是軸外像差，且系統的畸變較大導致了圖像的畸變。

　　

　　這些影響系統成像效果的主要因素是由系統物平面和像平面與系統光軸之間不垂直所引起的。但根據系統設計結果分析可知，在奈奎斯特頻率處系統各視場MTF可滿足系統成像質量要求，而系統畸變所導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系統可滿足傳感器的高精度測量使用需求。