CN102147234A - 激光三角测距传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光学测量技术领域的激光三角测距传感器，包括：激光器、发射镜组、接收镜组、光敏器件和信号处理装置，激光器、发射镜组以及被测目标以直线排列设置于发射端，接收镜组和光敏器件设置于反射端，接收镜组和光敏器件位于激光器和发射镜组的同侧并与激光器和发射镜组处于同一个平面之内，信号处理装置与光敏器件相连接以接收电信号。本发明在接收镜组部分加入了非轴对称镜片，从原理上修正激光三角测距传感器的非线性，从而解决了分辨力不均匀的问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光学测量技术领域的传感器，具体是一种激光三角测距传感器。
背景技术
基于激光三角测距原理的位移传感器，具有非接触、高精度、大量程、高可靠、对被测目标没有苛刻要求等卓越特性。在传统的激光三角测距方法中，激光光斑在光敏器件上成像的位置与物体的位移成非线性关系。特别是在测量范围较大的情况下，非线性尤为严重。在以往的设计中，采用的非线性修正方法有一下几种：查表法，将激光光斑在光敏器件上的成像位置与物体位移的关系预先标定，按照一定间隔，做成一张数据表，在测量过程中，在得到激光光斑在光敏器件的位置后，只需要根据这张表，在相应位置找到对应的物体位移的区间，根据特定的公式求得物体位移；公式法，通过原理推导，得到物体位移与激光光斑在光敏器件的成像位置的函数关系，在测量过程中，根据公式进行计算得出物体位移；电路补偿法，利用电路的结构，直接进行硬件计算，得到模拟的物体位移信号。
这些方法各有优劣，虽然能纠正非线性，但是修正的程度是十分有限的。这是因为传统的激光三角位移传感器的光学系统是采用恒聚焦形式，激光光斑从不同物面位置反射进入聚焦镜组。由于透镜成像法则，距离透镜较近的点放大倍率较大，而距离透镜较远的点放大倍率较小，即像在光敏器件上移动相同距离，对应被测目标在近端移动距离很小，而在远端移动距离很大。因此形成测量的非线性。因此，上述的传统激光三角测距方法的非线性修正方法测得的位移结果仍然存在残留的非线性，即分辨力在量程范围内依然存在不均匀性问题。
经过对现有技术的检索发现，现有技术中涉及对于激光三角位移传感器结构进行过许多的研究和改进包括：中国专利文献号CN1332358的中国发明专利申请公开一种激光三角法测头。该测头能够测量强反射自由曲面物体形状及大倾斜角的表面，并且从一定程度上降低了侧头的成本，同时还能给出被测点的表面法线方向；中国专利文献号CN2653435的中国实用新型专利申请公开一种折叠式激光三角法测量装置。该装置通过发射折叠光路的方法大大减小了仪器尺寸，同时可以在有限的体积下，获得更高的位置分辨率；中国专利申请号200810070652.7的中国发明专利申请公开一种离轴旋转对称型激光三角位移传感器。该装置通过改进的光学结构将被测物体的光斑成像成一个圆环，抵消物面倾斜带来的误差，提高检测精度，同时可以检测倾斜、阶跃等传统方法难于检测的曲面。但是上述技术均涉及分辨率不均匀且无法纠正的缺陷。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种激光三角测距传感器，在接收镜组部分加入了非轴对称镜片，从原理上修正激光三角测距传感器的非线性，从而解决了分辨力不均匀的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：激光器、发射镜组、接收镜组、光敏器件和信号处理装置，其中：激光器、发射镜组以及被测目标以直线排列设置于发射端，接收镜组和光敏器件设置于反射端，接收镜组和光敏器件位于激光器和发射镜组的同侧并与激光器和发射镜组处于同一个平面之内，信号处理装置与光敏器件相连接以接收电信号。
所述的接收镜组包括：滤光片、非轴对称透镜、聚焦透镜和轴对称透镜，其中：滤光片、非轴对称透镜、聚焦透镜和轴对称透镜依次设置于光敏器件前。
所述的滤光片为带通滤光片，作用是降低环境光对光敏元件信号的影响，在激光与环境光对比度较高的情况下，可以省略，其带通频率一般由激光的频率决定。
所述的非轴对称透镜为各种非轴对称透镜，如多边形折光棱镜，镜片数量为一片或者若干片。作用是对不同的位置的光斑产生不同的光程差，进而产生距离透镜的轴向距离更为接近的虚像，使得各个位置对应的放大倍率大大接近，达到调整分辨率不均匀的目的，该部件是本发明核心器件。
所述的聚焦透镜包括一片或若干片轴对称镜和非轴对称透镜，其中轴对称镜为球面镜或非球面镜；非轴对称透镜可以是但不限于柱面镜。加入非轴对称透镜的目的是为了修正前面非轴对称透镜加入带来的成像质量下降的问题以获得更好的成像质量。经过调整的虚像经过本组透镜可以较好质量地成像到光敏器件上。
所述的光敏器件为单线形式或多线形式的电荷耦合器件或位置敏感传感器。单线形式数据量较小，但抗干扰能力较小；多线的方式由于信息量更加丰富全面，拥有较强的抗干扰能力，测量结果精度也更高。
所述的信号处理装置包括：信号调理单元、模拟数字转换单元、处理器，其中：信号调理单元与光敏器件相连接以接收电信号，其输出端与模拟数字转换单元以输出光敏器件输出对应的数字信号，处理器对上述信号处理得到被测物体表面位移。
本发明通过以下方式进行测量：首先来自被测目标表面的激光光斑信号首先通过滤光片，滤除其它频谱的杂光，至保留较窄频谱的单色光。接着，该单色光信号通过非轴对称透镜，其非线性得到纠正，并形成虚像。该虚像通过聚焦透镜和轴对称透镜后成像在光敏器件上，光敏器件输出相应的电信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：第一，在传统激光三角位移传感器光学系统中加入非线性光学元件折光棱镜，从根本上改善了测量系统的非线性，同时增强了光斑成像的纵向聚焦，提高了定位精度；第二，在原有聚焦镜组后面增加柱面棱镜，有效改善光斑成像质量，提高光斑成像信号强度，提高信噪比。第三，采用多线式光敏器件，利用光敏器件在不同线上位置信号的差异，通过信息融合，不仅可以削弱光敏器件本身制造不均匀导致的定位误差，也会减小光斑成像位置变动时存在的横向位移和波动，从而大大提高测量精度。
附图说明
图1为本发明的激光三角测距传感器结构示意图。
图2为本发明的棱镜基本形式示意图。
图3为本发明的激光三角测距传感器被测物体位移与成像位置对应关系示意图。
图4为光敏器件接收信号及其合成示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-图2所示，本实施例包括：壳体1、激光器2、发射镜组3、接收镜组4、光敏器件5和信号处理装置6，其中：激光器2、发射镜组3以及被测目标7以直线排列设置于发射端，接收镜组4和光敏器件5设置于反射端，接收镜组4和光敏器件5位于激光器2和发射镜组3的同侧并与激光器2和发射镜组3处于同一个平面之内，信号处理装置6与光敏器件5相连接以接收电信号。
所述的壳体1采用铝合金材料制成。
所述的激光器2为输出功率在5mw以上波长650nm的半导体激光器2。
所述的接收镜组4包括：滤光片8、非轴对称透镜9、聚焦透镜10和轴对称透镜11，其中：滤光片8、非轴对称透镜9、聚焦透镜10和轴对称透镜11依次设置于光敏器件5前。
所述的光敏器件5为电荷耦合器件，采用Toshiba公司的5000像元器件TCD1502。该器件可以将各个像元上的光信号转换成一系列模拟信号。该器件可以由一个或者多个，单线或者多线电荷耦合器件组成。在多线同时检测时，可以获得光斑不同位置的像，检测结果的精度和稳定性大大提高。如图4所示。
所述的信号处理装置6包括：信号调理单元、模拟数字转换单元、数字信号处理器，其中：信号调理单元与光敏器件5相连接以接收电信号，放大单元的输出端与模拟数字转换单元以输出数字信号，数字信号经过数字信号处理器处理，可以得到被测物体表面位移。
所述的滤光片8为带通滤光片，与激光频率相对应，其带通频率为650±5nm，可以只允许激光波长的光通过，大大降低了环境光对测量的干扰。
所述的非轴对称透镜9为多边形折光棱镜9，由性能良好的透光材料制成，例如石英、树脂或者塑料等。折光棱镜9的形状可以采用直角形、三角形、梯形或者其他形式。折光棱镜9的顶角大小取决于激光三角测距传感器的光轴夹角α。
所述的聚焦透镜10为若干片轴对称镜，该轴对称镜为球面镜或非球面镜。该组透镜的作用是将非轴对称透镜9产生的光斑虚像成像在光敏器件5上。
所述的聚焦透镜11由石英、树脂或者塑料制成。作用是纠正由于非轴对称透镜9的加入带来的成像质量降低的问题。本例中采用了柱面镜的形式。
如图3和图4所示，本实施例通过以下方式实现测量：
第一步、激光器2通过发射镜组3，在测量范围内形成点光束。光束照射在被测物体上形成光斑。
第二步、光斑区域的漫反射光通过接收镜组4在光敏器件5上形成光斑的像。接收镜组4是本发明的关键部分。接收镜组4各个部分作用如下：首先，光线经过滤光片8，只有与激光波长接近的光允许通过，其余光被滤除；接着，经过非轴对称透镜9，对不同位置的激光信号发生不同程度的折射，进而形成不同程度偏离原位置的虚像，这些虚像距离聚焦透镜10的轴向距离、放大倍率接近。聚焦透镜10、11将这些虚像成像到光敏器件5的感光部位。需要指出，非轴对称透镜9对成像质量带来一定的影响，需要加入聚焦透镜11来降低这方面的影响。具体到本例，保证光敏器件5信号光斑像尽量窄，同时会出现垂直于线的方向像的宽度较大，光能量分布过于分散。在本例中加入了柱面镜保证光敏器件5信号光斑像尽量窄的同时降低垂直方向宽度。
第三步、光敏器件5将光信号转换为相应的电信号。光敏器件5可以是单线或者多线器件。特别当光敏器件5为多个单线器件、一个或者多个多线器件组成时，如图4所示，可以获得多组信号，反映了光斑不同位置的特征。通过对多组信号的分析、整理，可以获得更加稳定、精度更高的信号。由于在第二步中提到的接收镜组4在垂直方向成像宽度较宽，为多线器件提供了更大的实现空间。光敏器件5的电信号经过信号调理、模拟数字转换单元，进入数字信号处理器。数字信号处理器处理获得的光敏器件5的数字信号，进而可以得到被测物体表面位移。
Claims (9)
1.一种激光三角测距传感器，包括：激光器、发射镜组、接收镜组、光敏器件和信号处理装置，其特征在于：激光器、发射镜组以及被测目标以直线排列设置于发射端，接收镜组和光敏器件设置于反射端，接收镜组和光敏器件位于激光器和发射镜组的同侧并与激光器和发射镜组处于同一个平面之内，信号处理装置与光敏器件相连接以接收电信号。
2.根据权利要求1所述的激光三角测距传感器，其特征是，所述的接收镜组包括：滤光片、非轴对称透镜、聚焦透镜和轴对称透镜，其中：滤光片、非轴对称透镜、聚焦透镜和轴对称透镜依次设置于光敏器件前。
3.根据权利要求1所述的激光三角测距传感器，其特征是，所述的滤光片为带通滤光片。
4.根据权利要求1所述的激光三角测距传感器，其特征是，所述的非轴对称透镜为各种非轴对称透镜。
5.根据权利要求1或4所述的激光三角测距传感器，其特征是，所述的非轴对称透镜为多边形折光棱镜，镜片数量为一片或者若干片。
6.根据权利要求1所述的激光三角测距传感器，其特征是，所述的聚焦透镜包括一片或若干片轴对称镜和非轴对称透镜，其中：轴对称镜为球面镜或非球面镜。
7.根据权利要求6所述的激光三角测距传感器，其特征是，所述的非轴对称透镜为柱面镜。
8.根据权利要求1所述的激光三角测距传感器，其特征是，所述的光敏器件为单线形式或多线形式的电荷耦合器件或位置敏感传感器。
9.根据权利要求1所述的激光三角测距传感器，其特征是，所述的信号处理装置包括：信号调理单元、模拟数字转换单元和处理器，其中：信号调理单元与光敏器件相连接以接收电信号，其输出端与模拟数字转换单元以输出光敏器件输出对应的数字信号，处理器对上述信号处理得到被测物体表面位移。
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