激光位移传感器的成像系统设计结果及分析

　　激光位移传感器是一种高可靠性的非接触式精确测量仪器，可实现对距离、位移、圆径、外形尺寸和表面轮廓等参数的实时测量，被广泛地应用于航空航天、工业生产与制造、轨道交通等领域。

　　

　　针对远距离位置处大量程使用需求，采用五片式球面透镜简单结构，设计了一种激光位移传感器的成像光学系统。完成了系统的优化设计与成像质量分析，为用于远距离测量的大量程传感器的产品化提供了重要的理论依据。

　　

　　选择直入射式移传感器，针对远工作距离处大量程范围内的位移测量使用需求，基于激光三角测量原理，计算了一个传感器的性能指标和成像光学系统的设计参数，完成了传感器成像光学系统的优化设计和像质分析，实现了激光位移传感器的仿真设计。

　　

　　为了评价传感器成像光学系统的成像效果，分别从MTF、点列图和畸变3个方面对成像光学系统优化设计结果进行分析和评价。根据系统所选用CMOS像元尺寸大小可知，其奈奎斯特频率约为112lp/mm。根据MTF曲线数据可得，在112lp/mm处，系统各视场的弧矢方向MTF曲线比子午方向MTF曲线要高，即系统各视场成像质量弧矢方向要优于子午方向。

　　

　　成像光学系统的子午方向与弧矢方向的成像质量差异是由系统的物面和像面与系统光轴不垂直引入的离轴像差所导致的。由图3可知，在112lp/mm处系统大正视场子午方向MTF数值小，其数值为0.23，即系统各视场MTF均大于0.20，系统设计结果可满足成像质量要求。

　　

　　由上述成像光学系统设计结果及分析可知，该系统子午方向和弧矢方向的成像质量存在一定的差异，即弧矢方向成像质量优于子午方向。影响系统成像质量的主要像差是轴外像差，且系统的畸变较大导致了图像的畸变。

　　

　　这些影响系统成像效果的主要因素是由系统物平面和像平面与系统光轴之间不垂直所引起的。但根据系统设计结果分析可知，在奈奎斯特频率处系统各视场MTF可满足系统成像质量要求，而系统畸变所导致的图像畸变则可通过图像畸变校正算法予以校正。

　　

　　因此，该激光位移传感器的成像光学系统可满足传感器的高精度测量使用需求。