專利名稱：離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型激光三角位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以采用光學(xué)方法為特征的計(jì)量設(shè)備，尤其是涉及一種具有離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 特性的激光三角位移傳感器。
技術(shù)背景由于激光三角位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、精度較高、測(cè)量速度快、可實(shí)時(shí)處理 等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種幾何參數(shù)檢測(cè)、表面形貌測(cè)量、三維建模和逆向工程等方面。 傳統(tǒng)的激光三角傳感器在實(shí)際應(yīng)用中由于被測(cè)工件表面的傾斜，或是階躍邊緣如孔、臺(tái)階等 在測(cè)量時(shí)會(huì)造成的光路遮擋，從而引起傳感器失效，嚴(yán)重影響測(cè)量效果。近年來也出現(xiàn)了具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的激光三角位移傳感器，用以解決上述問題，但是這些 方法使用了專門設(shè)計(jì)加工的二維環(huán)形PSD傳感器，或是高次非球面的環(huán)形反射與折射表面， 加工困難，造成產(chǎn)品價(jià)格非常昂貴。公開號(hào)為CN1332358的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開一種激光三角法測(cè)頭，它是由三個(gè)或四個(gè) 半導(dǎo)體激光器、透鏡、CCD接收器、平面反射鏡構(gòu)成，透鏡與被測(cè)物體之間設(shè)置有偏振片。 該測(cè)頭能夠測(cè)量強(qiáng)反射自由曲面物體形狀及大傾斜角的表面，并且從一定程度上降低了測(cè)頭 的成本，同時(shí)還能給出被測(cè)點(diǎn)處的表面法線方向。公開號(hào)為CN2653435的中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)公開一種折疊式激光三角法測(cè)量裝置， 該裝置包括至少一個(gè)平面反射鏡，這些反射鏡都位于成像透鏡的像方光路中，且其鏡面的法 線平行于激光器出射光束與成像透鏡中心所確定的平面。該實(shí)用新型根據(jù)在高光學(xué)放大率的 情況時(shí)，像距很長(zhǎng)的問題，用一個(gè)或若干個(gè)平面反射鏡折疊成像透鏡的像方光路，從而大大 減少了儀器尺寸，同時(shí)又可以增大光學(xué)放大率，獲得高的位置分辨率。公開號(hào)為CN1357748的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開一種角位移傳感器光電檢測(cè)裝置，采用光 學(xué)多面體作為角度基準(zhǔn)，激光瞄準(zhǔn)位置探測(cè)，高速度光電轉(zhuǎn)換器件作為接收器，計(jì)算機(jī)釆集 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)施顯示。由待測(cè)角位移傳感器、光學(xué)多面體、激光光源、光電接收器、計(jì) 算機(jī)處理及顯示系統(tǒng)組成的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種可顯著降低傳感器成本，能夠測(cè)量包括傾斜和階躍表面等自由曲面物體的離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型激光三角位移傳感器。本發(fā)明設(shè)有二維圖像傳感器、成像鏡頭、反射鏡、半導(dǎo)體激光器、離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐 棱鏡和環(huán)形入射光瞳。半導(dǎo)體激光器水平安裝，離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡設(shè)于半導(dǎo)體激光器的激光輸出軸上， 半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸；反射鏡設(shè)在半導(dǎo)體 激光器的激光光束和離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的交點(diǎn)處，反射鏡的反射激光束 與離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸重合；離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡設(shè)在反射鏡下方； 環(huán)形入射光瞳設(shè)在離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡下方，環(huán)形入射光瞳與離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡 的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸重合，成像鏡頭設(shè)在反射鏡上方，二維圖像傳感器設(shè)在成像鏡頭上方。離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡包含4個(gè)光學(xué)表面，其中2個(gè)為錐形反射面，l個(gè)為平面，l個(gè) 為錐形透射面。2個(gè)錐形反射面的錐角設(shè)計(jì)使得測(cè)量光線在兩個(gè)錐形反射面上發(fā)生全反射。二維圖像傳感器可選用CCD 二維圖像傳感器或CMOS 二維圖像傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)1) 由于引入了環(huán)形入射光瞳和離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡，因此入射激光束在被測(cè)物體上 的散射光通過環(huán)形入射光瞳和離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡內(nèi)部反射后，由成像鏡頭在二維圖像 傳感器上成像為一個(gè)圓環(huán)，被測(cè)物體的位移表現(xiàn)為圓環(huán)半徑的變化。2) 由于引入了環(huán)形入射光瞳和離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡，使得它等效于圍繞共同的入射 激光光軸對(duì)稱分布的一系列傳統(tǒng)激光三角位移傳感器，因此當(dāng)被測(cè)物體表面有不同的傾斜方 向時(shí)，都可以獲得被測(cè)信號(hào)。3) 離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡包含兩個(gè)錐形反射面，由于兩個(gè)錐形反射面的錐角設(shè)計(jì)使得 測(cè)量光線在兩個(gè)錐形反射面上發(fā)生全反射，因此無需對(duì)所述角錐棱鏡鍍膜。4) 由于入射光瞳為離軸圓環(huán)，入射光點(diǎn)在圖像傳感器上成像為一個(gè)圓環(huán)，因此當(dāng)被測(cè)物 體表面的臺(tái)階、溝槽或孔的邊緣引起部分光路被遮擋時(shí)，成像圓環(huán)會(huì)部分缺失，但不會(huì)導(dǎo)致 測(cè)量失敗。5) 由于整個(gè)光路為離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，被測(cè)表面傾斜帶來的誤差在很大程度上相互抵消， 因此可以提高測(cè)量精度。6) 由于使用環(huán)形入射光瞳、離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡和普通成像鏡頭取代現(xiàn)有的環(huán)形透 鏡、環(huán)形反射鏡或環(huán)形PSD傳感器，因此顯著降低了傳感器的成本。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖(側(cè)視)。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的內(nèi)部反射及其等效光路。圖4是使用光線追跡軟件對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行仿真的側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
參見圖l，本發(fā)明設(shè)有二維圖像傳感器(CCD或CMOS) 1、成像鏡頭2、反射鏡3、半 導(dǎo)體激光器4、離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡5和環(huán)形入射光瞳6。半導(dǎo)體激光器4水平安裝，半 導(dǎo)體激光器4發(fā)出的激光束經(jīng)過離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡5的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，反射鏡3設(shè)于激 光光束和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的交點(diǎn)處，反射鏡的反射激光束與離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡5的旋轉(zhuǎn)對(duì) 稱軸重合，離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡5設(shè)于反射鏡3下方；環(huán)形入射光瞳6設(shè)在離軸旋轉(zhuǎn)對(duì) 稱的角錐棱鏡5下方，環(huán)形入射光瞳6與離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡5的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸重合，成 像鏡頭2設(shè)于反射鏡3上方，二維圖像傳感器1設(shè)于成像鏡頭2上方。上述的結(jié)構(gòu)組成須保 證成像鏡頭2的光軸、離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡5的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸、環(huán)形入射光瞳6的旋轉(zhuǎn)對(duì) 稱軸都要與反射鏡3反射的激光束重合。半導(dǎo)體激光器4可以調(diào)節(jié)角度和位置，其安裝精度 由機(jī)械系統(tǒng)保證。所有部分之間的聯(lián)系及它們的位置關(guān)系都由激光束的傳播路徑?jīng)Q定。在圖1中，半導(dǎo)體激光器4發(fā)出的激光束經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后，經(jīng)由小反射鏡3投射到被測(cè)物 體7上，散射光通過環(huán)形入射光瞳6進(jìn)入離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡5，這部分光即為測(cè)量光， 測(cè)量光經(jīng)所述角錐棱鏡內(nèi)部的兩次反射后，由成像鏡頭2在二維圖像傳感器1上成像，由于 整個(gè)光路的離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，該像為一個(gè)圓環(huán)。0與p角為入射主光線在離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角 錐棱鏡5內(nèi)部?jī)蓚€(gè)反射面上的入射角，這兩個(gè)角度應(yīng)大于全反射臨界角。圖2是所述離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡，其各個(gè)錐角如y、 /7和;i的選擇應(yīng)使得入射測(cè)量光線的入射角大于全反射臨界角，從而保證入射光線在兩個(gè)錐面上發(fā)生全反射，不需對(duì)角錐棱 鏡鍍反射膜。圖3是所述離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的內(nèi)部反射及其等效光路。由于角錐棱鏡的兩次反 射，被測(cè)物體上的激光光斑J^將被成像于Xc"處，物體位移引起的的光斑移動(dòng)A -<formula>formula see original document page 5</formula>表現(xiàn)為義,-X。"-JiV'，從而在二維圖像傳感器上得到圓環(huán)半徑的變化。圖3中的"即為傳統(tǒng)激光三角法中的測(cè)角。圖中0為成像鏡頭2的光心，e與伊角參見圖l<formula>formula see original document page 5</formula>光斑實(shí)際移動(dòng)經(jīng)角錐棱鏡5的第一個(gè)反射面成像所得到的像移動(dòng)。圖4使用光線追跡軟件工具對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了仿真，當(dāng)被測(cè)物發(fā)生位移時(shí)，通過光線追跡， 可以在二維圖像傳感器上得到不同半徑的圓環(huán)。
權(quán)利要求
1.離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型激光三角位移傳感器，其特征在于設(shè)有二維圖像傳感器、成像鏡頭、反射鏡、半導(dǎo)體激光器、離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡和環(huán)形入射光瞳；半導(dǎo)體激光器水平安裝，離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡設(shè)于半導(dǎo)體激光器的激光輸出軸上，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸；反射鏡設(shè)在半導(dǎo)體激光器的激光光束和離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的交點(diǎn)處，反射鏡的反射激光束與離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸重合；離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡設(shè)在反射鏡下方；環(huán)形入射光瞳設(shè)在離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡下方，環(huán)形入射光瞳與離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸重合，成像鏡頭設(shè)在反射鏡上方，二維圖像傳感器設(shè)在成像鏡頭上方。
2. 如權(quán)利要求1所述的離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型激光三角位移傳感器，其特征在于離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 的角錐棱鏡包含4個(gè)光學(xué)表面，其中2個(gè)為錐形反射面，l個(gè)為平面，l個(gè)為錐形透射面，2 個(gè)錐形反射面的錐角設(shè)計(jì)使得測(cè)量光線在兩個(gè)錐形反射面上發(fā)生全反射。
3. 如權(quán)利要求1所述的離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型激光三角位移傳感器，其特征在于二維圖像傳感 器為CCD 二維圖像傳感器或CMOS 二維圖像傳感器。
全文摘要
離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型激光三角位移傳感器，涉及一種以采用光學(xué)方法為特征的計(jì)量設(shè)備。提供一種可顯著降低傳感器成本，能夠測(cè)量包括傾斜和階躍表面等自由曲面物體的離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型激光三角位移傳感器。設(shè)有二維圖像傳感器、成像鏡頭、反射鏡、半導(dǎo)體激光器、離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡和環(huán)形入射光瞳。角錐棱鏡設(shè)于激光輸出軸上，激光束經(jīng)角錐棱鏡旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸；反射鏡設(shè)在激光器的激光光束和離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸交點(diǎn)處，反射激光束與角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸重合；角錐棱鏡設(shè)在反射鏡下方；環(huán)形入射光瞳設(shè)在角錐棱鏡下方，環(huán)形入射光瞳與角錐棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸重合，成像鏡頭設(shè)在反射鏡上方，二維圖像傳感器設(shè)在成像鏡頭上方。
文檔編號(hào)G01D5/30GK101231181SQ20081007065
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月20日
發(fā)明者葉瑞芳, 磊 王, 珊 賀, 雋 高, 黃元慶 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)