基于激光测距原理的大尺寸三维形貌测量光学系统设计

摘要

三维形貌测量技术广泛的应用于CAD、CAM、逆向工程等产品的研发、制造、检测过程中，涉及了汽车、模具、电子通信、航空航天等多个领域。本文主要是基于激光测距原理，针对大尺寸目标，如火车、飞机等，对其进行表面三维形貌测量技术的光学系统设计。其光学原理主要利用双光路比较法测距技术，测量光采用基频200THz+100GHz红外1550nm激光器，光束直径3mm，发散角10mrd;光纤输出端采用梯度折射率透镜调整光束平行度;激光扩束准直镜采用变倍式扩束镜，分别针对不同测量距离，扩束比4～7倍;传感器选取1/3英寸高感光CDD，对角线长6mm，有效像素752×582;CCD传感器采用变倍率镜头，变倍范围1/2～2/7。光学系统测量范围2～18m，测量精度0.2mm/m，光斑大小12～21mm。根据系统总体原理，本系统满足测距要求。
　　本文首先介绍基于激光测距原理的大尺寸三维形貌测量技术的总体设计方案，然后拟定光学系统原理，接下来重点对光学系统部分进行分析。本文重点阐述了梯度折射率透镜、激光变倍扩束镜、CCD镜头等的光学设计，并根据实际加工工艺对各部分透镜进行了公差分析。最后分析总结了系统的误差来源，并对光学系统设计进行总结。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 三维形貌测量国内外发展现状

1．3 本论文研究的内容及意义

第二章 三维形貌测量技术理论

2．1 三维形貌测量概述

2．1．1 接触式测量

2．1．2 非接触式测量

2．2 激光测距原理

2．2．1 激光脉冲法测距

2．2．2 激光相位法测距

2．2．3 激光干涉测距法

第三章 基于激光测距原理的大尺寸三维形貌测量

3．1 系统原理

3．1．1 测距原理

3．1．2 测角原理

3．2 系统总体设计

3．3 光学系统原理

第四章 光学系统设计及优化

4．1 自聚焦透镜

4．1．1 自聚焦透镜原理

4．1．2 梯度折射率透镜参数确定

4．2 红外激光扩束准直镜

4．2．1 扩束准直镜原理

4．2．2 扩束准直镜参数确定

4．3 激光分束镜

4．4 CCD传感器

4．4．1 CCD简介

4．4．2 CCD与CMOS对比

4．5 CCD变倍镜头

4．5．1 CCD变倍镜参数确定

4．5．2 能量计算

4．5．3 CCD变倍镜的光学设计

4．6 滤波片

4．7 公差分析

4．7．1 激光扩束准直镜公差分析

4．7．2 CCD变倍镜公差分析

第五章 光学系统精度分析

5．1 随机误差

5．2 系统误差

5．3 粗大误差

5．4 本系统误差分析

5．4．1 激光频率稳定性和复现性

5．4．2 空气参数误差

结论

致谢

参考文献