光学工程

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光学测量作为一种非接触式测量方法，在某些方面与接触式三坐标测量相比具有本质上的优势。它不使用接触式测针进行采点，而是利用了光的物理特性来进行测量，这样就能够完全避免测针补偿带来的潜在问题，也使被测物体表面不再受到测针接触带来的影响。而光学测头的测量速度通常也远远高于触发式测头。首先，光学测头的采点方式都是连续的，不需要进行测针归位；而且在采点过程中，光学测头也区别于触发式测头：触发式测头会因为接触物体表面时速度过快而被认为发生了碰撞，而光学测头则完全不会出现这个问题。
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图2 红宝石球与物体表面接触

' S, W# h8 ]/ O8 q) Z5 y& V光学测头的分类方法有很多，种类更是繁复。从测量原理上通常可以分为共轴测量和三角测量；从光源维度上可以分为点光源、线光源和面光源；从光源色谱上又可以分为单色光源和白光源。共轴测量中常见的方法有2种：其一是干涉法，它利用了光的波长特性，将一束光通过平面分光镜（半透半反）分成两束，一束由镜面反射至参考平面，另一束则透射至被测物体表面，两束光经叠加后产生干涉条纹，干涉条纹的形式取决于物体的距离与物体表面的几何特征；另一种是共焦法，从一个点光源发射的探测光通过透镜聚焦到被测物体上，如果物体恰在焦点上，那么反射光通过原透镜应当汇聚回到光源，即所谓的共焦。在反射光的光路上加上了一块半反半透镜，将反射光折向带有小孔的挡板，小孔位置相当于光源。光度计测量小孔处的反射光强度，强度最大时物体即位于透镜焦点平面，这样即可测得物点的位置。三角测量则利用光源、像点和物点之间的三角关系来求得物点的距离。以点光源为例：光源向物体发射一个光点，光点到达物体后经过反射在传感器上得到一个像点；光源、物点和像点形成了一定的三角关系，其中光源和传感器上的像点位置是已知的，由此可以计算得出物点的位置所在。

图3 三角测量结果

目前各种光学测头采用的光源种类主要有激光和白光。激光作为一种准直、相干的单色光，广泛地用作测头光源。白光则是由各种波长的光组成的，因此颜色呈白色。激光和白光的最大区别在于，激光是一种单色光，因此拥有高度相干性，有些测头正是利用了激光的相干性来实现其功能；而白光由各种波长的光组成，因此相干性相当微弱。如前所述，利用单色光的高度相干性可以根据某些原理进行测量，但事物的两面性同时说明，在有些地方相干性也会干扰测量。例如，激光测头利用物体表面的反射光进行三角测量时，照射到物体表面的激光会呈现颗粒状的结构，这种颗粒状的结构称为“散斑”，而这种现象称为“散斑效应”。散斑效应是由于激光照射在粗糙表
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* ]! S1 |7 M$ y面经反射造成的。大多数物体的表面与激光的波长相比都是粗糙的，因此当光波从物体表面反射时，表面各点都发出一束高度相干的子波，子波叠加的结果就形成了物体表面呈随机分布的散斑。而白光由于由各种波长的光组成，因此相干性被大大削弱，所以在物体表面反射时，很难观察到散斑效应。这样的区别对于三角测量来说影响是十分巨大的。原因在于，三角测量依据像点在传感器上的位置来确定物点的空间位置；而像点在传感器上通常不会是简单的一个像素点，反射光照射到传感器上使得一部分像素感光，计算机可以通过像素分析来确定这一群像素的中心，从而得到像点的位置。由于散斑效应的存在，使得要确定像点的位置变得非常困难，且误差较大；而分布均匀且对称的光点会对像点位置的确定非常有利。这就是三角测量当中白光性能要优于激光的根本原因。
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