PSD光电位置探测器实时测距系统研究(4)
基于PSD的光学三角法测距已成为当前的热门研究课题，应用领域广泛。国外基于PSD的光学三角法的测距传感器已有很多，而且精度和稳定性都较好：尤其是日本、美国和德国，都走在世界的前列。而在我国由于起步较晚，而且制造工艺跟不上要求，所以仅有少数单位研制出基于PSD的测距传感器，目前尚未大规模商业化应用，所以开发基于PSD的测距系统显得十分必要。
激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。
同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。
3.1 三角法测距的基本原理
激光三角法的基本原理如图3.1所示。
图3.1 激光三角
激光器产生的光束投射到被测物体的表面上产生一光点，光点的一部分散射光(含反射光)通过会聚透镜成像于位敏接收器的表面。如果被测物体沿着激光束方向发生位置移动，那么探测器面上的像点也会相应随之移动，通过像点的移动距离B可以检测出被测面的移动距离 。
在探测器表面与透镜主光轴垂直且假设位移A很小，激光束与成像光轴间的夹角不随被测面的移动而变动的情况下，像点的位移B与物体表面的位移A的关系可表示为
（3.1）
但是，图3.1所示的安装位置不能保证成像完全聚焦。为保证测量准确度，要求光点所成的像在位敏接收器表面上每一点都清晰。为此，要求透镜光轴与位敏接收面之间必须有一夹角v ，如图3.2所示。
图3.2 完全聚焦三角法的安装位置示意图
当被测物体位移A很小时，有关系式
式中：f——透镜焦距。虽然这种近似关系可以用于设计三角法测量装置，但其量程即被测物体的允许位移受到了限制，A必须很小。
当物点位移A较大时，前述的一些近似关系不再成立，必须推导出大位移时物点位移A和像点位移B间的准确关系。
为了获得完善的聚焦，正如斯凯姆普夫拉格条件所陈述的，成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线。在图3.2所示的情况下，物体(就是光点)被限制在一条沿光束的直线上运动，此时完善聚焦的条件转化为激光束和接收器阵列必须相交于透镜主平面上的一点。为说明这个条件，我们分析光点沿激光束移动时像点的运动轨迹。[10][11][12]，参见图3.3
图3.3物点移动时像点的轨迹
设激光束和透镜主轴的夹角为u，激光束可以用直线方程表示为
当坐标为(x，y )的光点S沿此直线移动时，设其聚焦后的像的坐标为(X，Y)，通过几何光学的原理，我们得
消去x, y 得