專利名稱：激光三角測(cè)距傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，具體是一種激光三角測(cè)距傳感器
背景技術(shù)：
基于激光三角測(cè)距原理的位移傳感器，具有非接觸、高精度、大量程、高可靠、對(duì)被 測(cè)目標(biāo)沒(méi)有苛刻要求等卓越特性。在傳統(tǒng)的激光三角測(cè)距方法中，激光光斑在光敏器件上 成像的位置與物體的位移成非線性關(guān)系。特別是在測(cè)量范圍較大的情況下，非線性尤為嚴(yán) 重。在以往的設(shè)計(jì)中，采用的非線性修正方法有一下幾種查表法，將激光光斑在光敏器 件上的成像位置與物體位移的關(guān)系預(yù)先標(biāo)定，按照一定間隔，做成一張數(shù)據(jù)表，在測(cè)量過(guò)程 中，在得到激光光斑在光敏器件的位置后，只需要根據(jù)這張表，在相應(yīng)位置找到對(duì)應(yīng)的物體 位移的區(qū)間，根據(jù)特定的公式求得物體位移；公式法，通過(guò)原理推導(dǎo)，得到物體位移與激光 光斑在光敏器件的成像位置的函數(shù)關(guān)系，在測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算得出物體位移； 電路補(bǔ)償法，利用電路的結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)行硬件計(jì)算，得到模擬的物體位移信號(hào)。這些方法各有優(yōu)劣，雖然能糾正非線性，但是修正的程度是十分有限的。這是因?yàn)?傳統(tǒng)的激光三角位移傳感器的光學(xué)系統(tǒng)是采用恒聚焦形式，激光光斑從不同物面位置反射 進(jìn)入聚焦鏡組。由于透鏡成像法則，距離透鏡較近的點(diǎn)放大倍率較大，而距離透鏡較遠(yuǎn)的點(diǎn) 放大倍率較小，即像在光敏器件上移動(dòng)相同距離，對(duì)應(yīng)被測(cè)目標(biāo)在近端移動(dòng)距離很小，而在 遠(yuǎn)端移動(dòng)距離很大。因此形成測(cè)量的非線性。因此，上述的傳統(tǒng)激光三角測(cè)距方法的非線 性修正方法測(cè)得的位移結(jié)果仍然存在殘留的非線性，即分辨力在量程范圍內(nèi)依然存在不均 勻性問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中涉及對(duì)于激光三角位移傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn) 行過(guò)許多的研究和改進(jìn)包括中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN1332358的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)一種 激光三角法測(cè)頭。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 一定程度上降低了側(cè)頭的成本，同時(shí)還能給出被測(cè)點(diǎn)的表面法線方向；中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào) CN2653435的中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)公開(kāi)一種折疊式激光三角法測(cè)量裝置。該裝置通過(guò)發(fā) 射折疊光路的方法大大減小了儀器尺寸，同時(shí)可以在有限的體積下，獲得更高的位置分辨 率；中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00810070652. 7的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)一種離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型激光 三角位移傳感器。該裝置通過(guò)改進(jìn)的光學(xué)結(jié)構(gòu)將被測(cè)物體的光斑成像成一個(gè)圓環(huán)，抵消物 面傾斜帶來(lái)的誤差，提高檢測(cè)精度，同時(shí)可以檢測(cè)傾斜、階躍等傳統(tǒng)方法難于檢測(cè)的曲面。 但是上述技術(shù)均涉及分辨率不均勻且無(wú)法糾正的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種激光三角測(cè)距傳感器，在接收鏡 組部分加入了非軸對(duì)稱鏡片，從原理上修正激光三角測(cè)距傳感器的非線性，從而解決了分 辨力不均勻的問(wèn)題。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括激光器、發(fā)射鏡組、接收鏡組、光 敏器件和信號(hào)處理裝置，其中激光器、發(fā)射鏡組以及被測(cè)目標(biāo)以直線排列設(shè)置于發(fā)射端， 接收鏡組和光敏器件設(shè)置于反射端，接收鏡組和光敏器件位于激光器和發(fā)射鏡組的同側(cè)并 與激光器和發(fā)射鏡組處于同一個(gè)平面之內(nèi)，信號(hào)處理裝置與光敏器件相連接以接收電信號(hào)。所述的接收鏡組包括濾光片、非軸對(duì)稱透鏡、聚焦透鏡和軸對(duì)稱透鏡，其中濾 光片、非軸對(duì)稱透鏡、聚焦透鏡和軸對(duì)稱透鏡依次設(shè)置于光敏器件前。所述的濾光片為帶通濾光片，作用是降低環(huán)境光對(duì)光敏元件信號(hào)的影響，在激光 與環(huán)境光對(duì)比度較高的情況下，可以省略，其帶通頻率一般由激光的頻率決定。所述的非軸對(duì)稱透鏡為各種非軸對(duì)稱透鏡，如多邊形折光棱鏡，鏡片數(shù)量為一片 或者若干片。作用是對(duì)不同的位置的光斑產(chǎn)生不同的光程差，進(jìn)而產(chǎn)生距離透鏡的軸向距 離更為接近的虛像，使得各個(gè)位置對(duì)應(yīng)的放大倍率大大接近，達(dá)到調(diào)整分辨率不均勻的目 的，該部件是本發(fā)明核心器件。所述的聚焦透鏡包括一片或若干片軸對(duì)稱鏡和非軸對(duì)稱透鏡，其中軸對(duì)稱鏡為球 面鏡或非球面鏡；非軸對(duì)稱透鏡可以是但不限于柱面鏡。加入非軸對(duì)稱透鏡的目的是為了 修正前面非軸對(duì)稱透鏡加入帶來(lái)的成像質(zhì)量下降的問(wèn)題以獲得更好的成像質(zhì)量。經(jīng)過(guò)調(diào)整 的虛像經(jīng)過(guò)本組透鏡可以較好質(zhì)量地成像到光敏器件上。所述的光敏器件為單線形式或多線形式的電荷耦合器件或位置敏感傳感器。單線 形式數(shù)據(jù)量較小，但抗干擾能力較??；多線的方式由于信息量更加豐富全面，擁有較強(qiáng)的抗 干擾能力，測(cè)量結(jié)果精度也更高。所述的信號(hào)處理裝置包括信號(hào)調(diào)理單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、處理器，其中信 號(hào)調(diào)理單元與光敏器件相連接以接收電信號(hào)，其輸出端與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元以輸出光敏器 件輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，處理器對(duì)上述信號(hào)處理得到被測(cè)物體表面位移。本發(fā)明通過(guò)以下方式進(jìn)行測(cè)量首先來(lái)自被測(cè)目標(biāo)表面的激光光斑信號(hào)首先通過(guò) 濾光片，濾除其它頻譜的雜光，至保留較窄頻譜的單色光。接著，該單色光信號(hào)通過(guò)非軸對(duì) 稱透鏡，其非線性得到糾正，并形成虛像。該虛像通過(guò)聚焦透鏡和軸對(duì)稱透鏡后成像在光敏 器件上，光敏器件輸出相應(yīng)的電信號(hào)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是第一，在傳統(tǒng)激光三角位移傳感器光學(xué)系 統(tǒng)中加入非線性光學(xué)元件折光棱鏡，從根本上改善了測(cè)量系統(tǒng)的非線性，同時(shí)增強(qiáng)了光斑 成像的縱向聚焦，提高了定位精度；第二，在原有聚焦鏡組后面增加柱面棱鏡，有效改善光 斑成像質(zhì)量，提高光斑成像信號(hào)強(qiáng)度，提高信噪比。第三，采用多線式光敏器件，利用光敏器 件在不同線上位置信號(hào)的差異，通過(guò)信息融合，不僅可以削弱光敏器件本身制造不均勻?qū)?致的定位誤差，也會(huì)減小光斑成像位置變動(dòng)時(shí)存在的橫向位移和波動(dòng)，從而大大提高測(cè)量 精度。


圖1為本發(fā)明的激光三角測(cè)距傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的棱鏡基本形式示意圖。圖3為本發(fā)明的激光三角測(cè)距傳感器被測(cè)物體位移與成像位置對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖。
圖4為光敏器件接收信號(hào)及其合成示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1-圖2所示，本實(shí)施例包括殼體1、激光器2、發(fā)射鏡組3、接收鏡組4、光敏 器件5和信號(hào)處理裝置6，其中激光器2、發(fā)射鏡組3以及被測(cè)目標(biāo)7以直線排列設(shè)置于發(fā) 射端，接收鏡組4和光敏器件5設(shè)置于反射端，接收鏡組4和光敏器件5位于激光器2和發(fā) 射鏡組3的同側(cè)并與激光器2和發(fā)射鏡組3處于同一個(gè)平面之內(nèi)，信號(hào)處理裝置6與光敏 器件5相連接以接收電信號(hào)。所述的殼體1采用鋁合金材料制成。

所述的激光器2為輸出功率在5mw以上波長(zhǎng)650nm的半導(dǎo)體激光器2。所述的接收鏡組4包括濾光片8、非軸對(duì)稱透鏡9、聚焦透鏡10和軸對(duì)稱透鏡11， 其中濾光片8、非軸對(duì)稱透鏡9、聚焦透鏡10和軸對(duì)稱透鏡11依次設(shè)置于光敏器件5前。所述的光敏器件5為電荷耦合器件，采用Toshiba公司的5000像元器件TCD1502。 該器件可以將各個(gè)像元上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列模擬信號(hào)。該器件可以由一個(gè)或者多個(gè)， 單線或者多線電荷耦合器件組成。在多線同時(shí)檢測(cè)時(shí)，可以獲得光斑不同位置的像，檢測(cè)結(jié) 果的精度和穩(wěn)定性大大提高。如圖4所示。所述的信號(hào)處理裝置6包括信號(hào)調(diào)理單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、數(shù)字信號(hào)處理 器，其中信號(hào)調(diào)理單元與光敏器件5相連接以接收電信號(hào)，放大單元的輸出端與模擬數(shù)字 轉(zhuǎn)換單元以輸出數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器處理，可以得到被測(cè)物體表面位 移。所述的濾光片8為帶通濾光片，與激光頻率相對(duì)應(yīng)，其帶通頻率為650 士 5nm，可以 只允許激光波長(zhǎng)的光通過(guò)，大大降低了環(huán)境光對(duì)測(cè)量的干擾。所述的非軸對(duì)稱透鏡9為多邊形折光棱鏡9，由性能良好的透光材料制成，例如石 英、樹(shù)脂或者塑料等。折光棱鏡9的形狀可以采用直角形、三角形、梯形或者其他形式。折 光棱鏡9的頂角大小取決于激光三角測(cè)距傳感器的光軸夾角α。所述的聚焦透鏡10為若干片軸對(duì)稱鏡，該軸對(duì)稱鏡為球面鏡或非球面鏡。該組透 鏡的作用是將非軸對(duì)稱透鏡9產(chǎn)生的光斑虛像成像在光敏器件5上。所述的聚焦透鏡11由石英、樹(shù)脂或者塑料制成。作用是糾正由于非軸對(duì)稱透鏡9 的加入帶來(lái)的成像質(zhì)量降低的問(wèn)題。本例中采用了柱面鏡的形式。如圖3和圖4所示，本實(shí)施例通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量第一步、激光器2通過(guò)發(fā)射鏡組3，在測(cè)量范圍內(nèi)形成點(diǎn)光束。光束照射在被測(cè)物 體上形成光斑。第二步、光斑區(qū)域的漫反射光通過(guò)接收鏡組4在光敏器件5上形成光斑的像。接 收鏡組4是本發(fā)明的關(guān)鍵部分。接收鏡組4各個(gè)部分作用如下首先，光線經(jīng)過(guò)濾光片8，只 有與激光波長(zhǎng)接近的光允許通過(guò)，其余光被濾除；接著，經(jīng)過(guò)非軸對(duì)稱透鏡9，對(duì)不同位置 的激光信號(hào)發(fā)生不同程度的折射，進(jìn)而形成不同程度偏離原位置的虛像，這些虛像距離聚焦透鏡10的軸向距離、放大倍率接近。聚焦透鏡10、11將這些虛像成像到光敏器件5的感 光部位。需要指出，非軸對(duì)稱透鏡9對(duì)成像質(zhì)量帶來(lái)一定的影響，需要加入聚焦透鏡11來(lái) 降低這方面的影響。具體到本例，保證光敏器件5信號(hào)光斑像盡量窄，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)垂直于線 的方向像的寬度較大，光能量分布過(guò)于分散。在本例中加入了柱面鏡保證光敏器件5信號(hào) 光斑像盡量窄的同時(shí)降低垂直方向?qū)挾取?第三步、 光敏器件5將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。光敏器件5可以是單線或者多 線器件。特別當(dāng)光敏器件5為多個(gè)單線器件、一個(gè)或者多個(gè)多線器件組成時(shí)，如圖4所示， 可以獲得多組信號(hào)，反映了光斑不同位置的特征。通過(guò)對(duì)多組信號(hào)的分析、整理，可以獲得 更加穩(wěn)定、精度更高的信號(hào)。由于在第二步中提到的接收鏡組4在垂直方向成像寬度較寬， 為多線器件提供了更大的實(shí)現(xiàn)空間。光敏器件5的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單 元，進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器。數(shù)字信號(hào)處理器處理獲得的光敏器件5的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而可以得 到被測(cè)物體表面位移。
權(quán)利要求
1.一種激光三角測(cè)距傳感器，包括激光器、發(fā)射鏡組、接收鏡組、光敏器件和信號(hào)處 理裝置，其特征在于激光器、發(fā)射鏡組以及被測(cè)目標(biāo)以直線排列設(shè)置于發(fā)射端，接收鏡組 和光敏器件設(shè)置于反射端，接收鏡組和光敏器件位于激光器和發(fā)射鏡組的同側(cè)并與激光器 和發(fā)射鏡組處于同一個(gè)平面之內(nèi)，信號(hào)處理裝置與光敏器件相連接以接收電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三角測(cè)距傳感器，其特征是，所述的接收鏡組包括濾光 片、非軸對(duì)稱透鏡、聚焦透鏡和軸對(duì)稱透鏡，其中濾光片、非軸對(duì)稱透鏡、聚焦透鏡和軸對(duì) 稱透鏡依次設(shè)置于光敏器件前。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三角測(cè)距傳感器，其特征是，所述的濾光片為帶通濾光片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三角測(cè)距傳感器，其特征是，所述的非軸對(duì)稱透鏡為各 種非軸對(duì)稱透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的激光三角測(cè)距傳感器，其特征是，所述的非軸對(duì)稱透鏡為 多邊形折光棱鏡，鏡片數(shù)量為一片或者若干片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三角測(cè)距傳感器，其特征是，所述的聚焦透鏡包括一片 或若干片軸對(duì)稱鏡和非軸對(duì)稱透鏡，其中軸對(duì)稱鏡為球面鏡或非球面鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光三角測(cè)距傳感器，其特征是，所述的非軸對(duì)稱透鏡為柱 面鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三角測(cè)距傳感器，其特征是，所述的光敏器件為單線形 式或多線形式的電荷耦合器件或位置敏感傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光三角測(cè)距傳感器，其特征是，所述的信號(hào)處理裝置包括 信號(hào)調(diào)理單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元和處理器，其中信號(hào)調(diào)理單元與光敏器件相連接以接收 電信號(hào)，其輸出端與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元以輸出光敏器件輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，處理器對(duì)上 述信號(hào)處理得到被測(cè)物體表面位移。
全文摘要
一種光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的激光三角測(cè)距傳感器，包括激光器、發(fā)射鏡組、接收鏡組、光敏器件和信號(hào)處理裝置，激光器、發(fā)射鏡組以及被測(cè)目標(biāo)以直線排列設(shè)置于發(fā)射端，接收鏡組和光敏器件設(shè)置于反射端，接收鏡組和光敏器件位于激光器和發(fā)射鏡組的同側(cè)并與激光器和發(fā)射鏡組處于同一個(gè)平面之內(nèi)，信號(hào)處理裝置與光敏器件相連接以接收電信號(hào)。本發(fā)明在接收鏡組部分加入了非軸對(duì)稱鏡片，從原理上修正激光三角測(cè)距傳感器的非線性，從而解決了分辨力不均勻的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102147234SQ20111000406
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者劉偉文, 周盈, 張海波, 聶晨晨, 趙輝, 陶衛(wèi) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)