光传系统

光传系统（共4篇）

光传系统 篇1

0 引言

大学校园普遍占地面积广,地形复杂,功能区域划分又比较明显,校园环境要求非常高。大学校园一般均有教学工作区、学生和教职工的居住区、食堂、生活超市和运动场所等较为完备的设施。所以在设计大学的室外路灯照明时需要考虑的方面非常多,路灯灯光建设不仅要体现功能性,还要注重其艺术性。学校作为城市中一个很重要的照明用电组成部分,既要保证合理照度,保证师生行路安全,又要尽量节约电能,提倡绿色照明环境。

智能化道路照明系统能够根据不同区域的不同功能需求,在每天不同时段或者不同自然光照度情况下,按照特定的设置,实现对道路照明的动态智能化管理。智能化道路照明控制系统,通过综合考虑和分析与道路照明密切相关的时间、路段、环境照度等因素的场景控制方法,在微机中按照预设的控制策略,对道路照明进行动态智能化管理,控制路灯在不同情况下工作在不同状态,实现多样化的道路照明场景,从而在提高照明质量的同时获得最佳的节能效果。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件设计总体框架

系统硬件模块包含:单片机控制模块,采用STC 89C51;时钟控制模块,采用DSl302时钟芯片;传感器模块,采用光敏检测实,现对周围环境光照度的采样,采用红外检测和声音检测采集人流量信号。系统的总体框架如图一所示:

1.2 光线采集模块设计

光线采集模块通过光敏电阻R1对外部光线进行采样,将采集到的模拟信号通过ADC0832芯片转换成数字信号,送单片机进行处理,执行相应的控制命令,其电路设计如图二所示。

光敏电阻,受到适当波长的光线照射时,电流就会随光强的增加而变大,从而实现光电转换,通过ADC0832器件进行模数转换后提供给单片机。STC89C51按照预设的方案实现如下光控路灯开关功能:(1)自动测光,白天(或光线强时)路灯熄灭,夜晚(或光线暗时)路灯自动点亮;(2)感光度可调,可根据需要调节在任意光线下工作;(3)为防止瞬间强光的干扰,特设延时关闭功能(光线达到强光时,开关延时30秒左右才自动关闭)。

1.3 时钟模块设计

在本系统中,时钟采用一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DSl302[4],它可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时,并具有闰年补偿功能。DSl302与CPU同步串行通讯,接口只需三根线:RST、I/0、SCLK控制方式,主控电路利用时钟模块电路产生时钟及定时等功能,从而实现分路路灯开关进行定时控制,其原理图如图三所示。

STC89C5l单片机根据时钟芯片DSl302提供时钟信号,根据当地的光照度,按照下列时段实现时控开关灯:(1)冬季时间:傍晚18:00开灯,次日早晨6:30关灯;(2)春秋季时间:傍晚18:30开灯,次日早晨6:00关灯;(3)夏季时间:傍晚20:00开灯,次日早晨5:00关灯。

这个时段可动态修改,修改操作在上位机完成,通过通信模块将指令写入STC89C5I芯片内,随即就改变了时控开关灯的工作时段。

1.4 红外检测模块设计

红外检测模块如图四所示,虚线左边为红外感应开关的部分电路,右边为双稳态去抖动电路。当RED=0时,三极管Q4导通,继电器吸合,由74HC00构成的双稳态电路ulA的引脚3输出低脉冲,送单片机的外部中断,引起单片机中断。双稳态电路可以消除红外感应开关继电器触点的抖动信号,避免单元控制器的误操作。

1.5 声控模块设计

驻极体产生的声音信号通过9014放大后送往采样保持电路,再送往模数转换,经过处理后得到的数字信息送往单片机进行处理,如图五所示。

2 系统软件设计

本系统的软件设计分为五部分,主要包括驱动LED灯显示程序设计;光照度检测程序设计;时钟芯片驱动程序设计;开关灯程序设计;通信程序设计;红外检测程序设计等。系统主模块工作流程如图六和图七所示:

3 结束语

校园路灯系统是校园道路交通不可缺少的照明设施,设计一种智能化路灯控制系统,对提高道路的诱导性,美化环境,节省电力资源,具有一定的现实意义和可开发价值。

摘要：本系统以LED路灯为控制系统的研究对象,以STC89C51单片机为控制核心,设计了一个路灯自动控制系统。该系统利用时钟芯片DSl302计时,根据当地天黑天亮的时间对单片机进行编程设定,从而实现对路灯开关状态的时间控制;由光敏器件对环境光照度的采集,将采集信号送给单片机,当白天天气恶劣光线昏暗时,打开路灯照明。该系统具有时间控制、光敏控制相结合的路灯开关智能控制功能,同时还采用声音控制和红外控制作为辅助控制,对校园路灯乃至超市照明等其他光源的设计有参考使用价值。

关键词：STC89C51单片机,时种芯片DSl302,光敏控制,时间控制

参考文献

[1]康华光.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1998.

[3]张义和.例说51单片机(C语言版)[M].北京:人民邮电出版,2007.

[4]杨文显.微型计算机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2006.

光传系统 篇2

随着人们生活水平的提高, 人们对照明控制的要求越来越高, 如营造舒适的照明环境、节约电能、提高光源寿命等。为了提高工作环境的舒适性, 照明控制系统采取光传感器, 根据当前环境的照度自动控制照明设备, 从而使照度控制在舒适的范围内。

在传统的照明控制系统中, 往往采用普通光传感器结合A/D转换器 (ADC) 的方案。一方面由于光传感器检测到的光信号既包含可见光成分又有红外光成分, 在设计中要考虑滤除红外光对光传感器检测结果的影响, 并且由于采用了分离的器件, 因此导致设计比较复杂;另一方面, 对照度的检测范围比较局限, 不利于实现多路照度检测从而对同一场所内多个照明设备实施分区域控制。在此提出了基于ISL29004的多路照度检测方案, 以简化系统设计, 并采用单片机P87LPC768作为智能照明控制设备的控制核心, 以实现对多个照明设备进行分区域控制, 在节能的同时营造更舒适的照明环境。

1 I2C器件ISL29004

1.1 I2C总线概述

I2C 总线是Philips公司推出的芯片间串行传输总线, 以二线传输, 其总线上所有的节点, 如主器件 (单片机、微处理器) 、外围器件、接口模块等都连接到同名端的SDA和SCL上, 实现了完善的半双工同步数据传送, 可以方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C总线采用器件地址的硬件设置方法, 通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法, 从而使硬件系统具有简单灵活的扩展方法。

I2C 总线传输数据必须遵循规定的数据传输格式, 数据传输由主控器控制, 主控器启动数据的传输、发送起始信号、寻址信息以及传送结束时发出停止信号, 被控器进行必要的应答。

1.2 光传感器ISL29004

ISL29004是新一代光-数字传感器, 集成了电流放大器、用于消除人为光闪烁的50 Hz/60 Hz抑制滤波器和16位adc, 能将光照度转化成简便易用的16位、I2C标准数字输出信号, 为用户提供了单芯片解决方案。ISL29004内部有2个光敏二极管, 二极管1检测环境中可见光和红外光总的照度, 二极管2 只检测环境中红外光照度, 两个二极管的光谱响应是互不依赖的。用户可以通过编程控制adc的工作模式, 既可以仅输出光敏二极管1或2的检测结果, 在模式2下还可以输出经内部减函数计算的滤除红外光影响的结果。ISL29004内有8个8位的寄存器, 1个命令寄存器, 1个控制寄存器, 2个中断阈值寄存器, 4个只读数据寄存器。命令寄存器可以设定ADC的工作模式以及分辨率;控制寄存器可以调整增益从而选择照度检测范围;只读数据寄存器LSB_Sensor和MSB_Sensor可以读取ADC最近的数字输出;只读数据寄存器LSB_timer和MSB_timer可以读取ADC最近一次积分的周期数。8个寄存器的地址依次为00H～07H。

ISL29004有2个I2C接口地址选择引脚A0, A1, 可以在1条I2C总线线路上安装4个ISL29004, 并且可以和其他I2C外围节点共存。

2 硬件结构以及工作原理

2.1 总体结构

系统构成框图如图1所示。单片机P87LPC768作为I2C总线的主控器, ISL29004作为被控器, 4个ISL29004的设备地址依次为:44H～47H, 通过ISL29004的地址引脚A1, A0进行设置。在系统中, 使用了准双向I2C总线缓冲器P82B96对I2C总线进行驱动扩展, 实现I2C总线的远距离传输, 拓展了照度采集距离;P87LPC768的I2C总线经P82B96缓冲器扩展后通过双绞线和远端的P82B96以及ISL29004连接。

与4组照度采集电路相对应, 调光控制电路也有4组, 与P87LPC768的4个PWM引脚相连。

2.2 调光控制电路

调光控制电路如图2所示, 用光电耦合器MOC3041作为晶闸管的驱动器, 同时能实现强、弱电的隔离。MOC3041内部有过零检测电路, 当P0.0为低电平时, 输出端6引脚、4 引脚之间的电压稍过零时, MOC3041内部双向晶闸管导通, 触发外部晶闸管T1导通。当P0.0为高电平时, MOC3041内部双向晶闸管关断, 从而外部晶闸管T1也关断。

通过P87LPC768的PWM输出控制MOC3041的导通与关断时间比值来调节照明设备的功率, 从而实现照明设备的打开、关闭以及亮度调节。

2.3 工作原理

在程序中通过定时中断读取4路ISL29004的ADC输出, 并转换为照度值;ISL29004内部的ADC工作在模式2, 分辨率为16, 照度检测范围一般设为0～1 000 Lux即可满足一般的照明场所的照度检测要求。假设读取ISL29004的ADC的输出为DATA, 则可以通过以下的公式转换为照度值:

$E=\frac{1000\times 100/R{}_{\text{E}\text{X}\text{Τ}}}{2{}^{16}}\times \text{D}\text{A}\text{Τ}\text{A}$

然后根据计算所得到的照度值进行调光控制;由于P87LPC768的PWM输出的占空比是根据计数映像寄存器CNSW的值和比较映像寄存器CPSWn的值确定, PWM输出保持高电平期间的MCU时钟脉冲数为 (CNSW-CPSWn+1) 。由此可见, CPSWn越大, 则高电平维持的时间越短, 则调光控制电路的T1导通时间也就越长, 照明设备的亮度就越高;反之照明设备的亮度就越低。

在程序中通过比较得到的照度值E和标准照度值ES来调整CPSW的值, 实现自动调光控制。CPSW的初值设为0, 并在0～CNSW之间分为若干档, 比如10档, 得到每次CPSW的调整值ΔP= (CNSW-1) /10, 以实现较为平滑的调整。计算出照度值后和标准照度值ES比较, 如果小于标准照度值ES, 则在当前CPSW的基础之上增加ΔP, 直到达到CPSW的最大值 (CNSW-1) ;如果大于标准照度值ES, 则在当前CPSW值的基础上减少ΔP, 直到CPSW的值为0, 照明设备关闭。同时为了避免较小的照度变化导致自动调光, 可以根据标准照度值确定一个调光允许的照度差值ΔES, 如果当前得到的照度值和上次所得到的照度值差的绝对值ΔE不小于ΔES, 才进行调光控制。

3 软件设计

主要包括主程序、定时器0中断服务子程序以及I2C总线数据传输程序模块。主程序完成P87LPC768以及ISL29004的初始化, 照度采集以及调光控制在定时器0中断服务子程中完成。I2C总线数据传输程序模块详见参考文献[1], 这里给出定时器0中断服务子程序的流程图, 如图3所示。

图3中只给出一组ISL29004的照度采集以及调光控制电路的控制程序, 由于系统中有4组, 因此在定时器0中断服务子程序中, 应该是按顺序依次通过I2C总线读取4组ISL29004的采集值并通过4个PWM通道进行相应的自动调光控制。

4 结 语

对智能照明控制系统中照度检测的问题, 提出一种基于ISL29004多路照度采集方案, 并给出硬件结构、工作原理以及软件流程图。由于ISL29004内部集成了ADC, 直接输出数字量, 具有抗干扰能力强和低功耗的特点;并且可以编程灵活配置, 又具备比较灵活的I2C总线接口, 从而简化了照明控制设备的设计;使用准双向I2C总线缓冲器P82B96对I2C总线进行驱动扩展以后, 拓展了I2C总线的传输距离, 实现了照明场所内的多路照度检测, 从而可以对多个照明设备实行分区域控制, 并且通过P87LPC768的PWM输出实现了自动调光控制, 在节能的同时营造更舒适的照明环境。

摘要：针对智能照明控制系统中照度检测的问题, 提出一种基于ISL29004的多路照度检测方案。介绍一种采用该方案的智能照明控制设备, 该设备以单片机P87LPC768为控制核心, 采用具有I2C总线接口的ISL29004进行照度检测, 使用准双向I2C总线缓冲器P82B96对I2C总线进行驱动扩展, 在简化系统设计的同时实现了多路照度检测以及自动照明控制。

关键词：照明控制,ISL29004,I2C总线,P82B96

参考文献

[1]周航慈, 周立功.PHILIPS 51LPC系列单片机原理及应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.

[2]Anon.P82B96 Dual Bidirectional Bus Buffer Product DataSheet Rev.05[EB/OL].http://www.nxp.com/.January27, 2006.

[3]何立民.I2C总线应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1995.

[4]Anon.ISL29004 Data Sheet FN6221.0[EB/OL].http://www.intersil.com/.December 21, 2006.

[5]李振峰, 李海峡, 李济顺.基于LPC2104的智能灯光控制器设计[J].国外电子元器件, 2006 (10) :4-6.

[6]吴玮, 胡必春, 张敏明.I2C总线驱动在嵌入式系统中的两种实现[J].现代电子技术, 2007, 31 (8) :56-58.

《宋史·司马光传》述评 篇3

关键词：《宋史·司马光传》,语言表达,史料运用,史学思想

一、语言表达

在司马光谏仁宗立嗣一事中,语言表达方面最大的一个特色就是采用比较的方法来彰显人物的特点。面对国嗣未立的情况,“天下寒心而莫敢言”,“寒心”是指极其地害怕。《新唐书·席豫传》:“乃上书请立皇太子,语深切,人为寒惧”,此两者的用法一样。在当时那样人皆自保的环境中,司马光却多次冒死上疏,“自谓必死,不意陛下开纳”,当面向皇帝陈述自己的看法。通过比较的方法,很自然的将司马光作为人臣不惧死的品格表现出来了。此外,还有“忠臣”与“小人”的比较,“得非欲选宗室为继嗣者乎?此忠臣之言,但人不敢及耳。”“小人无远虑,特欲仓卒之际,援立其所厚善者耳。”将司马光忠臣的形象完美塑造。

但是,与《东都事略·司马光传》相比,这一章节在语言表达方面也有一个瑕疵:过分渲染。这种渲染主要是为了从侧面凸显司马光的高尚品质,如仁宗在听了司马光的谏言之后,“大感动”,而《东都事略·司马光传》中却是“大感悟”,很明显“感动”带有的感情色彩要强于“感悟”。韩琦等人对司马光上疏后的态度,《宋史·司马光传》:“琦等拱手曰:‘敢不尽力。’”,而《东都事略·司马光传》:“琦等皆唯唯曰:‘敢不尽力。’”“拱手”是指两手在胸前相合,表示恭敬,“唯唯”则是指应答声。当时,韩琦作为一个宰相,司马光作为一个谏官,上下有别,韩琦应该不会有“拱手”之行为。由此可见,作者在撰写此章时着实加入了一些个人的情感,以致于过分渲染,这主要是由于治史者个人的修史的观念所造成的。

二、史料运用

《宋史·司马光传》中对于司马光谏仁宗立嗣一事共有390个字,《东都事略·司马光传》中则有771个字,通过研究这两段的内容发现,《宋史·司马光传》的记载大体上与《东都事略·司马光传》相同。可见,在史料的来源方面,主要是取于前代的记载,有所裁剪。这种对于史料的裁剪可谓是有利也有弊。一方面,言简意赅,让人一目了然,在当时两年半的时间里,史料的裁剪对于完成《宋史》这部鸿篇巨制是必要的,很难面面俱到。另一方面,由于史料繁芜,有时候一些重要的信息容易被遗漏,如司马光在并州为通判时给仁宗上疏的内容没有被记载,《东都事略·司马光传》中有(光)上疏言:“《礼》:‘大宗无子,则小宗为之后。’为之后者,为之子也;愿陛下择宗室贤者,使摄储贰,以待皇嗣之生,退居藩服,不然,则典宿卫,尹京邑,亦足以系天下之望。”这段话展示了司马光恪守古代礼的思想,以及他对立嗣一事所提出的对策,但却没有留下。

此外,在史料方面还有一个不足之处,即对于历史时间的概念不明晰。综观这部分的内容,没有具体的年月记载,而《东都事略·司马光传》中开篇就有:“初,至和三年仁宗始不豫”。并且对于时间段的概念与《东都事略·司马光传》相比出入也较大,如《东都事略·司马光传》:“今皇子辞不赀之富,至三百余日不受命”,《宋史·司马光传》:“皇子辞不赀之富,至于旬月”,“旬月”可指一个月也可指十个月,显然有指代不明之嫌。通过以上分析,可以看出《宋史·司马光传》对于史料的收集范围很广,注重对史料的摘录,但在具体的细节方面还有欠缺,对于史料的删减也欠妥。究其原因,主要是当时时间过于仓促,加上修史者缺乏一种严谨的治史态度。

三、史学思想

通过对司马光谏仁宗立嗣一事的记载,我认为作者所表达的史学思想主要有以下几个方面:(1)对大臣不敢言事的明哲保身行为表示不满。“仁宗始不豫,国嗣未立,天下寒心而莫敢言”,开篇即含蓄道出了作者的观点,对于这种人皆知之的社稷大事,满朝官员却是“寒心而莫敢言”,这是作者所要批判的。(2)重视用人问题对国家政治的影响。这一段中涉及到了“忠臣”与“小人”之别,并着重强调了由于用人不当而造成“定策国老”、“门生天子”的祸患,看似在描写司马光的政治理念,实际上也是借古喻今,给统治者以启示。(3)颂扬忠孝节义思想和正直的品格。文中极力描写了司马光的勇敢﹑忠诚﹑正直的品质,实际上也是作者在现实社会中所要颂扬的,《宋史·司马光传》对于司马光一生总结性的言语:“光孝友忠信,恭俭正直,居处有法,动作有礼。”这更印证了作者的这一思想。

《宋史·司马光传》对于司马光生平事迹的记载,有助于我们了解司马光这一人物形象。作为一代名臣,司马光确实有许多值得后人称颂的地方:对君主忠心;对父母孝敬;对朋友有情义;对百姓仁爱。他敢作敢为,有独立的人格,有出众的智慧。阅读《宋史·司马光传》,我们很难看出司马光的不足之处,全文都是在讴歌司马光的种种美德。但是,人无完人,司马光过于保守,过于恪守封建的礼法,极力反对改革,这些都是其性格的弱点。

总之,受时间和时代背景的限制,《宋史·司马光传》不免有些瑕疵,这也是可以理解的,任何事情都不能求全责备。

四、对史书编写的感想

通过对司马光谏仁宗立嗣一事的研读和分析,我想从以下三个方面谈谈自己对史书编写这一问题的感想:

1、文字表达方面。史书的编写不像小说的创造,一部小说中作者可以根据自己的写作需要使用各种文字的表达方式,而历史学者必须忠于历史事实,任何过分的表达和不切实际的渲染都会让历史偏离真实的轨道。但是,历史也是有血有肉的,如果只是单纯的以时间加事件的形式来编写历史,不免会让人觉得乏味,如何让沉睡的历史活灵活现的展示在世人面前,如何做到“微言大义”,这是历史学者在编写史书时所要考虑的。

2、史料的运用。作为我们现在了解历史的最重要的渠道莫过于前人所留下的记载。但是,如何选取史料,如何做到详略恰好,如何辨别史料的真伪则是一个重要的问题。一方面,需要有广泛的阅读涉猎面,能够从相互比较中得到较符合真实的资料;另一方面,则需要有相当的想象力,陈寅恪先生曾倡导“了解之同情”法,站在古人的角度,以古人的心境来感受历史。的确,历史已经远去,究竟哪些记载属实,有时候我们很难得出明确的结论,不妨从情义的角度去推敲。

3、史学思想的表达。任何一部史书的创造都不是凭空而作,其中总蕴含着作者的思想,这种思想既是时代的呼唤,也是作者本人思想的寄托。由于史书的记载要忠于事实,作者不能过多的加入对其主观思想表达的内容。但是,通过分析其语言文字以及对史料的运用,我们能在字里行间找到富含作者史学思想的东西。总之,史书的编写是一项艰巨的任务,如何使史书在语言文字﹑史料运用﹑史学思想三方面恰到好处,还真是一门不小的学问!

参考文献

光传系统 篇4

随着工业对测量精度要求越来越高, 利用光学技术进行非接触测量是最具潜力的三维测量方法。其优点是系统柔性好、量程大、速度与精度适中。线结构光传感器基于激光三角法, 激光器将结构光投影到三维物体, 再以一定角度漫反射回位置探测器, 由探测器接收面位移算出物体表面点的三维坐标。系统结构决定测量范围与精度, 分析结构参数对结果的影响十分必要。

本文基于激光三角法建立测头数学模型, 透视投影建模转换成像坐标系与世界坐标系, 研究系统综合测量误差与结构参数的关系, 给出目标方程与边界函数, 结合非线性规划思想用matlab对结构参数仿真优化。选取合适的结构参数后用zemax设计满足要求的物镜结构。

1 线结构光传感器测头数学模型的建立

构造测头数学模型是本文的关键内容。三角法是从光源发射光线到被测表面, 在另一向透镜成像观察入射点位置, 入射与反射光线空间位置成三角形。按入射光与被测目标法线间角度关系分为直射式和斜射式。直射法建模具有代表性, 本文选择分析直射法, 透视投影建立数学模型。透视投影变换在齐次坐标下进行, 测量原理如图1 所示。

图1 中Ow-XwYwZw和Oc-XcYcZc为世界坐标系和摄像坐标系, 是三维空间坐标系;O-XY为物体成像二维坐标系; X、 Y轴平行于Xc、 Yc轴。世界坐标系由摄像坐标系与光切平面唯一确定。 Zc轴斜向下与光切平面交点为世界坐标系原点Ow; Zw轴在光切平面内垂直向上, 在Zc轴和Xc轴决定的平面内; Yw轴在光切平面内与Yc轴平行; Xw轴垂直于光切平面。物体曲线方程为:

视场内线段经物镜成像在像平面, 物体表面在Zw轴偏离XwOwYw平面使光线成像与Y轴不重合, 偏移量由Zw值决定。本文要建立世界坐标系点P (0, Yw, Zw) 与摄像坐标系点P’ (Xi, Yi, -f) 的关系式, f为摄像物镜焦距。把世界坐标点写成齐次坐标形式 (Xw, Yw, Zw, 1) , 摄像坐标点为 (Xc, Yc, Zc, 1) , 世界坐标系经坐标平移使Ow与Oc重合, 绕X轴旋转180°, 再绕Y轴旋转-θ (右手坐标系从正半轴向原点看逆时针是正方向, 这里按右手定则是反方向取负号) 后转换成摄像坐标系。表达式如下:

式中RY (-θ) 和RX (180°) 代表绕Y轴和X轴旋转的矩阵, T代表平移矩阵, 其表达如下:

将世界坐标系光切平面坐标点集 (0, Yw, Zw, 1) 带入公式 (2) , Yw、 Zw为未知量, 得摄像坐标点集:

将图像坐标系P’点转换到摄像坐标系, 齐次坐标形式表示 (Xi, Yi, -f, 1) , 联立公式, 结合, 得世界坐标系光切平面点和摄影坐标系图像传感器点之间的关系式:

式中 (Xw, Yw, Zw) 为世界坐标系被测物体点的坐标, (Xi, Yi, -f) 为图像坐标, θ 为物镜光轴与光切平面夹角, L是物镜中心到光切平面垂直距离, 在透视坐标系下便于分析外部参数L、 θ。

2 线结构光传感器测头结构参数分析与优化

本节利用数学模型分析结构参数, 给出约束条件, 根据主要影响因子进行优化设计, 结合实例给出最优参数, 尽量使测量误差达到最小。

2.1 结构参数设计分析

测量模型中世界坐标系Yw和Zw是L、θ、f、 Xi和Yi的函数, 根据误差理论分析得Yw和Zw测量误差与各自变量有关, 可得:

其中 ΔL、 Δθ、 Δf是结构参数L、 θ、 f的标定误差, ΔXi和 ΔYi为像面坐标Xi和Yi提取误差。系统综合测量误差△为:

有两种因素影响被测表面点坐标测量误差:结构参数L、 θ、 f的标定误差和图像处理中像点坐标提取误差。给定系统参数固定不变, 使用前精确标定, 因此 ΔL、 Δθ、 Δf影响很小, 主要误差是像点坐标提取误差。实际中像点坐标提取误差随算法改变, 在此令 ΔXi和ΔYi为一定值 δ。利用式 (5) Yw、 Zw坐标分别对Xi、 Yi求偏导, 得被测面上点在Yw、 Zw轴方向测量误差, 再由式 (7) 得系统综合测量误差:

由上得△随被测点位置不同而改变, 在物面分布不均匀;△值随f和 θ 增加单调减小, 随L和 δ 增加单调增加。设图像传感器尺寸2CX×2CY, Xi∈ [-CX, CX]、 Yi∈ [-CY, CY] ;得△在Xi=-CX, Yi=±CY时最大。要在视场内测量精度都达标, 即△最大时要符合要求, 得:

式中 θ 为线激光漫反射到物镜的角度, 实际要考虑光能量, 把漫反射光条近似为郎伯辐射体, 光条辐射强度满足余弦定理, 随 θ 余弦变化, 当 θ 为90°光强为0, 即 θ 不能太大, 否则不能捕捉清晰图像。式中 α 为视场半角小于 θ 值, 即, 实际中图像传感器不能探测无穷远处物点。当CX、 CY已知, △max为L、 f、 θ 的函数, 把公式 (9) 定为结构目标函数, 常取最小值时的结构参数量。当像面尺寸已知, 由公式 (5) 可得Zw、Yw最小值和最大值。

2.2 设计实例

本文设计一个轻型线结构光测头, 提出设计指标:综合测量误差小于0.020mm, 测量深度范围80-120mm, 宽度范围50-80mm, 响应速度快, 外形尺寸紧凑。

本文选取Thorlabs L650P007 型号TO封装半导体激光器, 标准光输出功率7m W, 标准波长650nm, 门限电流20m A, 正常工作电流和电压为28m A和2.2V, 垂直方向半光束发散角28°, 平行方向半光束发散角9°, 最大象散值15μm, 监测电流0.12m A。数字图像传感器选用Aptina IMAGING MT9P031 型号1/2.5-Inch 5Mp CMOS传感器, 像面尺寸5.70×4.28mm, 对角线长7.13mm, 像元大小2.2×2.2μm, 有效像素2592H×1944V, 最高帧率53fps, 支持数字和模拟信号输出。常用工业镜头焦距有8mm、 12mm、16mm、 25mm, 取像素提取误差为1/4 个像元尺寸, 将已知参数带入目标函数与约束方程, 优化出合适的结构参数。基本约束:传感器尺寸L为70-120mm, θ 值大于 α, 由焦距与图像传感器尺寸确定。

此优化模型为非线性规划问题, 用matlab对结构参数仿真优化, 由于选取初值不确定, 可得多组满足要求的结构参数, 表1只列出不同焦距f的部分仿真数据:

由图2 得综合测量误差与结构参数L、 θ的关系, L与△max呈线性关系, △max随L增大而增大;焦距与△max呈非线性关系, 一定范围内△max值随f增加而降低。综合考虑相机视场、测头尺寸和设计要求, 从仿真结果中选取合适的结构参数: f =12mm, θ=47°, L=87mm, △max=0.01417mm, 满足要求。

3 线结构光传感器测头物镜设计

摄影物镜光学特性由焦距f、相对孔径和视场角共同决定。焦距为12mm ;相对孔径由像面照度和物镜分辨率决定, 普通摄影物镜为1 : 9~1 : 2.8, CMOS传感器对角线ymax为7.13mm, 得相对孔径D/f’ =1 : 3.37, 实际设计取更大值;视场角由焦距和像面大小决定, 半视场角 ω=arctan (ymax/2f’ ) =16.54 °, 视场角2ω=33.08°。本文从光学设计手册选取近似结构, 通过缩放焦距法得到初始结构。

查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜, 初始参数:焦距f’ =42.12mm, 相对孔径1 : 2.8, 视场角2ω=54°。初始结构效果一般, 要添加MTFA、 MTFT、 MTFS操作数控制衍射调制函数在空间频率内高于一定值, 也要添加镜片边界函数控制各镜片中心和边缘厚度, 还要添加像差操作数SPHA、 COMA、ASTI、 DIST等来控制系统基本像差, 然后根据实际情况添加TTHI、 OPGT等操作数来进行优化, 得到最终结构如图3-8 :

系统第6 面采用非球面, 其余面是标准球面, 在zemax中用合适的优化函数和操作数校正像差, 逐步进行像差平衡, 获得实际焦距12.011mm的物镜镜头, 总畸变不超过0.4%, 所选视场内MTF轴上超过70%@100lp/mm, 轴外0.7071 超过35%@100lp/mm, MTF曲线比较理想, 整个系统球差0.000223, 彗差-0.002911, 像散-0.000304, 镜头总长14.666mm, 镜头结构紧凑, 像质较好, 满足设计要求。

4 总结

在线结构光传感器测头数学模型基础上分析各结构参数对综合测量误差的影响, 综合考虑测量精度和像素提取误差, 建立优化目标方程和边界条件, 结合非线性规划思想用matlab软件对结构参数仿真优化, 得到理想的结构参数, 再用zemax软件设计满足要求的物镜结构, 对线结构光传感器测头结构参数优化与物镜设计有理论指导意义。

参考文献

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