[發明專利]離軸旋轉對稱型激光三角位移傳感器

有效

• 申請號: 200810070652.7
• 申請日: 2008-02-20
• 公開（公告）號: CN101231181A
• 公開（公告）日: 2008-07-30
• 發明（設計）人: 王磊;黃元慶;高雋;葉瑞芳;賀珊
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01D5/30
• 分類號: G01D5/30
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種以采用光學方法為特征的計量設備，尤其是涉及一種具有離軸旋轉對稱特性的激光三角位移傳感器。

背景技術

由于激光三角位移傳感器具有結構簡單、非接觸、精度較高、測量速度快、可實時處理等優點，因此被廣泛應用于各種幾何參數檢測、表面形貌測量、三維建模和逆向工程等方面。傳統的激光三角傳感器在實際應用中由于被測工件表面的傾斜，或是階躍邊緣如孔、臺階等在測量時會造成的光路遮擋，從而引起傳感器失效，嚴重影響測量效果。

近年來也出現了具有旋轉對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計加工的二維環形PSD傳感器，或是高次非球面的環形反射與折射表面，加工困難，造成產品價格非常昂貴。

公開號為CN1332358的中國發明專利申請公開一種激光三角法測頭，它是由三個或四個半導體激光器、透鏡、CCD接收器、平面反射鏡構成，透鏡與被測物體之間設置有偏振片。該測頭能夠測量強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頭的成本，同時還能給出被測點處的表面法線方向。

公開號為CN2653435的中國實用新型專利申請公開一種折疊式激光三角法測量裝置，該裝置包括至少一個平面反射鏡，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。該實用新型根據在高光學放大率的情況時，像距很長的問題，用一個或若干個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，同時又可以增大光學放大率，獲得高的位置分辨率。

公開號為CN1357748的中國發明專利申請公開一種角位移傳感器光電檢測裝置，采用光學多面體作為角度基準，激光瞄準位置探測，高速度光電轉換器件作為接收器，計算機采集數據進行處理并實施顯示。由待測角位移傳感器、光學多面體、激光光源、光電接收器、計算機處理及顯示系統組成的。

發明內容

本發明的目的是提供一種可顯著降低傳感器成本，能夠測量包括傾斜和階躍表面等自由曲面物體的離軸旋轉對稱型激光三角位移傳感器。

本發明設有二維圖像傳感器、成像鏡頭、反射鏡、半導體激光器、離軸旋轉對稱的角錐棱鏡和環形入射光瞳。

半導體激光器水平安裝，離軸旋轉對稱的角錐棱鏡設于半導體激光器的激光輸出軸上，半導體激光器發出的激光束經過離軸旋轉對稱的角錐棱鏡的旋轉對稱軸；反射鏡設在半導體激光器的激光光束和離軸旋轉對稱的角錐棱鏡的旋轉對稱軸的交點處，反射鏡的反射激光束與離軸旋轉對稱的角錐棱鏡的旋轉對稱軸重合；離軸旋轉對稱的角錐棱鏡設在反射鏡下方；環形入射光瞳設在離軸旋轉對稱的角錐棱鏡下方，環形入射光瞳與離軸旋轉對稱的角錐棱鏡的旋轉對稱軸重合，成像鏡頭設在反射鏡上方，二維圖像傳感器設在成像鏡頭上方。

離軸旋轉對稱的角錐棱鏡包含4個光學表面，其中2個為錐形反射面，1個為平面，1個為錐形透射面。2個錐形反射面的錐角設計使得測量光線在兩個錐形反射面上發生全反射。

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。

與現有技術相比，本發明具有以下突出優點：

1)由于引入了環形入射光瞳和離軸旋轉對稱的角錐棱鏡，因此入射激光束在被測物體上的散射光通過環形入射光瞳和離軸旋轉對稱的角錐棱鏡內部反射后，由成像鏡頭在二維圖像傳感器上成像為一個圓環，被測物體的位移表現為圓環半徑的變化。

2)由于引入了環形入射光瞳和離軸旋轉對稱的角錐棱鏡，使得它等效于圍繞共同的入射激光光軸對稱分布的一系列傳統激光三角位移傳感器，因此當被測物體表面有不同的傾斜方向時，都可以獲得被測信號。

3)離軸旋轉對稱的角錐棱鏡包含兩個錐形反射面，由于兩個錐形反射面的錐角設計使得測量光線在兩個錐形反射面上發生全反射，因此無需對所述角錐棱鏡鍍膜。

4)由于入射光瞳為離軸圓環，入射光點在圖像傳感器上成像為一個圓環，因此當被測物體表面的臺階、溝槽或孔的邊緣引起部分光路被遮擋時，成像圓環會部分缺失，但不會導致測量失敗。

5)由于整個光路為離軸旋轉對稱的，被測表面傾斜帶來的誤差在很大程度上相互抵消，因此可以提高測量精度。

6)由于使用環形入射光瞳、離軸旋轉對稱的角錐棱鏡和普通成像鏡頭取代現有的環形透鏡、環形反射鏡或環形PSD傳感器，因此顯著降低了傳感器的成本。

附圖說明

圖1是本發明實施例的結構組成示意圖(側視)。

圖2是本發明實施例的離軸旋轉對稱的角錐棱鏡結構示意圖。