单光源高精度正交十字形激光标定装置设计

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激光标线具有亮度高、方向性好等优点，可用于长距离 、高精度的非接触式测量和标定，已广泛应用于建筑、纺织、军事等领域。激光标线是激光通过光学元件后在物体表面投射出的-条或多条明亮直线.它在多种工作中作为基准线、定位线，为各种标线工作带来很大方便，根据不同用途的需求，可将激光标线做成各种特殊形状，虽然它们的结构和用途不完全相同，但主要都是半导体激光器和某些光学元件的组合。十字丝是光学仪器设备标定中经常使用的-种标定线，其可以同时满足两个方向上的标定需求 ，定位精度高，因此为实现同时进行4个方向高精度标定 ，满足正交方向上垂直度优于40”，4.5 in收稿日期：2012-04 Received Date：2012-04$基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA121505)资助项目692 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷处光束峰值半宽在 0.1～0.2 mm之间的特殊标定需求，需设计-组正交精度高的十字形激光 。目前国内的大恒光电公司已经有单方向十字形激光光源的成熟产品，但激光束的正交性及光束宽度指标等无法满足精密标定需求。目前尚无能同时进行 4个方向高精度标定的激光测量系统的相关报道。

2 十字形激光成形原理为了获得高精度正交的十字形激光标线，可以利用两组-字形的激光线进行正交叠加形成，必须先要获得- 字形激光标线。文献[2]中介绍了-种获得-字形激光束的方法，即激光通过光学元件后在物体表面投射出的-条在远处形成垂直于柱面镜的亮线如图 1所示。标线的粗细由激光的束腰直径和准直性决定，-般标线宽度在毫米量级。

图 1 激光标线仪的工作原理Fig.1 Principle of laser graticule instrument基于以上原理，可以采用两组激光器分别经过-组柱面镜后形成两组-字形激光光线，再将两路激光的-字形激光光线进行正交叠加形成-套双激光器十字丝指示器，如图2所示，但要实现4个方向上同时获得-组十字形激光标线则需要采用 8个激光器，极大地增加了系统的成本、体积等 ，并且要保证 4组十字丝的正交性和每组十字丝的正交性，给光学装涮带来极大麻烦 。

y方向柱透镜1f肪 向柱透镜图2 双激光器十字丝指示器原理Fig.2 Principle of cross laser indicatorwith two lasers为了解决以上问题，本文创新采用单激光器配合柱透镜、分光棱镜的方法，通过双光路合成的方法在靶面处得到十字丝图像3 光学设计3.1 准直物镜准直物镜的作用就是将激光发出的点光源发散光转换为平行光。经过准直物镜转换后的光束半张角/3与光纤芯径 a的关系为： arctan a式中：，为准直物镜的焦距。

激光十字线的宽度B与靶面距离准直物镜的距离的关系为：B 0Ltan 2B (2)因为B≤0.2 ITI/I，L4.5 m，根据式(2)可以得出 ≤4.58”，由式(1)可以得出准直物镜的焦距厂≥112.6 inn，因此选定准直物镜的焦距为150 mm 。 。

选用双胶合加校正镜的三透镜组合完成准直物镜的设计 ，如图3所示。该准直物镜的球差曲线和点列图如图4、5所示。

f f / 图3 准直物镜设计Fig.3 Design of colimating object lens --..。

$1JERBVEtlM P -30E C 2620 3L NW3 AREN O 口 口 0" 蚺 zm ， 爱 0.539 ≈ 鬣 .，～ 漂憋 -图4 准直物镜各视场点列图Fig.4 Spot diagram of colimating object lens第3期 安 源 等：单光源高精度正交十字形激光标定装置设计 6934 MILLIMETERS) /-。 00。050 。 .0000 。 0.0050。

MⅡ LIM ETERSLD GITUOINRI ABERRATIDNFRI：C 26I2003W AVELENCTHS 0 532 - l 若j )i 。

图5 准直物镜球差曲线Fig.5 Spherical aberration curve of collimating object lens3.2 柱面镜在准直光路中利用柱面镜聚焦，即可在焦面处形成单个方向的-字线。为便于加工，柱面镜采用平凸形式，即-面为平面，另-面为柱面。根据透镜的光焦度公式： 1If ( -1)(P -P )(n-1) 口。P：/n(3)式中 厂 为焦距，可以通过聚焦点与仪器的距离及仪器内部光程计算得到；n为玻璃材料的在激光波长处的折射率；d为镜片中心厚度，选 10 mm；本系统中采用最常见的K9玻璃，计算得到对应4.5 m工作距离的柱面曲率为2 353.08 mm。

3.3 分光与合成充分利用分光棱镜正交分光的特性，将扩束后的激光进行-次分光 ，形成完全-致的两路激光光束，每-路光束再分别通过-组分光棱镜，进行二次分光，形成四路激光光束，每路光束分别通过两个方向的柱面镜形成-字横激光和-字竖激光，再通过分光棱镜进行第三次分光和合束，即可形成四组十字形激光，其光学路径如图6所示。

由于最终形成的十字丝光源中的每-束都来源于统-光源，并经过相同的光程.因此在4个方向能量均等。

l疆 l F I 、0，rfq I图6 十字形激光光路仿真图Fig.6 Optical path simulation diagram of cross laser从图6中可以看出，系统实际上是由8个相同的光路组成的，因此，只需要在其中-个光路中进行设计，即可确定8路光学元件的参数。-个光路的设计如图7所示 ，其中，将分光棱镜展开成平板玻璃，准直后的平行光路中的平板玻璃不附加像差，因此位置不加限定，而经过柱透镜后的平板玻璃，位置固定，使得4个方向的光路光程相等，聚焦面也离交会点等距。

--- l n l l lI l lI- l lII I I III IIRj 。 ：，z。。9 ll uRATJ0图7 单路-字形激光等效光学系统Fig.7 Equivalent optical systemof single line laser经仿真分析，在距离光源4.5 m处的靶面上接收的十字 线 图形 如 图 8所 示 ，十字 线 长 53.84 mm，宽0.15 mm。图9为4.5 m处靶面上的照度图 。

- /- ～ 宙 /、 宴 / ff .， ， 。 量 害t 盆/-/ -APAY lN - .92 9RAY MAX ： 26 9219 lMRAAYxYRMADINIUs 2-6692.2I919wRAAYvEYLEMNAoX 2：6.n92513920 jC OoNF lRAH JAISLULA2NzM图8 计算得到的十字形激光图像Fig.8 The Image of cross laser obtained fromsimulation calculation仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷度，数据见表 2。

表2 十字形激光长度值Table 2 Length of the cross laser5.3 十字形激光峰值半宽测量在距离十字中心4.5 m放置激光质量测试仪，使十字丝的中心成像在激光质量测试仪视场内(图 18)，利用激光质量测试仪软件计算出峰值半宽 。 ，数据见表3。

表3 十宇形激光峰值半宽数据1able 3 The half w讯th data of laser peak十字形激光编号 水平 垂直----丢----- ----- - [6]2 0.38 O.433 0.46 0.424 0.39 0.426 结 论[7]本装置的创新之处在于巧妙利用了分光镜的分光和合成原理，将同-激光光源发出的激光光束经过三次分光形成两个横-字和两个竖-字光束，再通过两个分光棱镜合成 4个方向正交的十字形激光标定线，在满足了 [8]高精度标定使用要求的同时，简化了系统组成，系统中仅采用-个激光光源形成四路十字丝，减少了激光器的数量，降低了系统的功耗，同时在分光棱镜折转光路的基础上，利用五组三角形内反射镜，将光路进行了折转，使系统的体积减少了-半以上。

这种单光源四向的激光十字丝标定装置具有4个方 r 0]向的十字丝垂直精度高、光源-致性好，作用距离远，结构紧凑，稳定性好等优点，可满足同时多方向激光十字丝高精度标定的要求。依据本装置的设计思想，可按照不同需求进行改进，满足不同角度、精度和形状的标定线需求。