[發(fā)明專利]一種基于PSD的輪廓掃描測(cè)量裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710358647.5
• 申請(qǐng)日: 2017-05-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107121091A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫明;趙善文;彭程;張耀亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安五湖智聯(lián)半導(dǎo)體有限公司
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24
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• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光應(yīng)用及三維輪廓測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用MEMS振鏡控制點(diǎn)激光對(duì)物體進(jìn)行掃描，同時(shí)配合裝置與被測(cè)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)物體三維輪廓測(cè)量的功能。

背景技術(shù)

激光由于具有單色性好、方向性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于非接觸式測(cè)量系統(tǒng)。

PSD(位置敏感探測(cè)器) 是一種基于非均勻半導(dǎo)體橫向光電效應(yīng)的、對(duì)入射光或者粒子位置敏感的光電器件。PSD具有分辨率高、響應(yīng)速度快、信號(hào)處理相對(duì)簡(jiǎn)單；對(duì)光源、光學(xué)系統(tǒng)要求比較低、光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于位置、距離以及可以間接轉(zhuǎn)化為光斑位置或者位移的其他物理量的非接觸高精度快速測(cè)量。

MEMS振鏡是一種基于MEMS技術(shù)制作而成的微小可驅(qū)動(dòng)反射鏡。與傳統(tǒng)的光學(xué)掃描鏡相比，具有重量輕、體積小、易于大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。在光學(xué)、機(jī)械性能和功耗方面表現(xiàn)突出，因此MEMS振鏡在掃描顯影領(lǐng)域得到應(yīng)用。

傳統(tǒng)的輪廓采用接觸式探針輪廓測(cè)量?jī)x完成，其工作原理要求探針必須與被測(cè)對(duì)象發(fā)生接觸，因此會(huì)劃傷被測(cè)對(duì)象表面，而且無(wú)法完成對(duì)柔性對(duì)象的測(cè)量。同時(shí)，其還存在維護(hù)費(fèi)用高，校準(zhǔn)困難等缺點(diǎn)。

近年來(lái)，激光測(cè)量技術(shù)逐漸成熟，使非接觸輪廓測(cè)量成為可能。目前，已知一般的非接觸式輪廓測(cè)量裝置中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為電機(jī)，這就導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)一步小型化。同時(shí)，由于電機(jī)控制本身存在的高速轉(zhuǎn)動(dòng)工作條件下轉(zhuǎn)速的控制問(wèn)題無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速測(cè)距；再則，實(shí)現(xiàn)基本功能需要系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)光，并使反射光被光電元件接收到，功耗大不利于便攜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于PSD的輪廓掃描測(cè)量裝置，該裝置基于MEMS振鏡和PSD器件，該裝置具有體積小、成本低、速度快及測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明包括以下幾部分：

控制單元，用于協(xié)調(diào)各單元工作；

激光發(fā)射單元，用于發(fā)射激光光束；

掃描單元，用于反射激光束，使激光束路徑形成掃描面；

接收單元，用于接收被測(cè)物反射回來(lái)的激光，并輸出光斑的位置信息。

所述的控制單元包括：中央處理器及周邊電路，主要實(shí)現(xiàn)控制激光發(fā)射單元、掃描單元及接收單元的工作，并實(shí)時(shí)計(jì)算、輸出測(cè)量數(shù)據(jù)。

所述的激光發(fā)射單元包括：激光管和準(zhǔn)直構(gòu)件，激光管發(fā)射的激光經(jīng)準(zhǔn)直構(gòu)件準(zhǔn)直后形成準(zhǔn)直性較好的激光光束。

所述的掃描單元包括：MEMS振鏡及驅(qū)動(dòng)電路，MEMS掃描振鏡在驅(qū)動(dòng)電路的作用下繞旋轉(zhuǎn)軸做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將照射到其上的激光光束反射出去形成掃描面，同時(shí)將轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息輸出給控制單元。

所述的接收單元包括：透鏡、濾光片、PSD及周邊電路，透鏡對(duì)激光光束照射到被測(cè)物體表面的光斑成像。濾光片負(fù)責(zé)濾除激光以外的環(huán)境光噪聲。PSD在周邊電路的作用下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并輸出被測(cè)物體表面輪廓信息給控制單元。

所述的激光發(fā)射單元發(fā)射的光束的光軸與MEMS振鏡的中心重合。

所述的由MEMS振鏡反射光束形成的掃描面與接收單元的透鏡、濾光片及PSD在同一光學(xué)平面中。

所述的控制單元、激光發(fā)射單元、掃描單元、接收單元封裝在固定結(jié)構(gòu)體內(nèi)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：控制單元控制激光器發(fā)射激光光束，光束照射到MEMS振鏡上，MEMS振鏡在控制單元的控制下做掃描動(dòng)作，被MEMS掃描振鏡反射的激光光束路徑形成扇形區(qū)域，扇形區(qū)域與被測(cè)物體相交得到相交線，照射到相交線的光束被反射形成反射光束，反射光束被接收單元接收，在PSD上顯示被測(cè)物體輪廓信息，接收單元將相關(guān)信息傳遞給控制單元，同時(shí)可自由設(shè)定裝置與被測(cè)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成物體輪廓的掃描測(cè)量。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，可以實(shí)現(xiàn)非接觸、高速，低功耗的在線精密輪廓掃描測(cè)量功能。適用于對(duì)安裝尺寸及高速輪廓測(cè)量或?qū)崟r(shí)性有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明的裝置系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖2是本發(fā)明的實(shí)體構(gòu)造圖。

圖3是本發(fā)明的輪廓掃描測(cè)量原理圖。

圖中，1.激光器，2.激光準(zhǔn)直構(gòu)件，3.MEMS振鏡，4.透鏡，5.濾光片，6.PSD，7.被測(cè)物體。

具體實(shí)施方式

在圖1中，輪廓掃描測(cè)量裝置由控制單元、激光發(fā)射單元、掃描單元、接收單元構(gòu)成。控制單元控制激光發(fā)射單元的激光光束發(fā)射、掃描單元的掃描頻率及幅值，接收單元接收被測(cè)物體輪廓信息，并輸出到控制單元。