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。
LXcH<) R9V v*F]m@ 图2 红宝石球与物体表面接触
Y,C3E>}Dq 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。
1\BQq a$'=a09 图3 三角测量结果
!3#*hL1fy 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
ih/MW_t=m= JGKiVBN 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。