离轴旋转对称型激光三角位移传感器.pdf

离轴旋转对称型激光三角位移传感器，涉及一种以采用光学方法为特征的计量设备。提供一种可显著降低传感器成本，能够测量包括倾斜和阶跃表面等自由曲面物体的离轴旋转对称型激光三角位移传感器。设有二维图像传感器、成像镜头、反射镜、半导体激光器、离轴旋转对称的角锥棱镜和环形入射光瞳。角锥棱镜设于激光输出轴上，激光束经角锥棱镜旋转对称轴；反射镜设在激光器的激光光束和离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴交点处，反射激光束与角锥棱镜的旋转对称轴重合；角锥棱镜设在反射镜下方；环形入射光瞳设在角锥棱镜下方，环形入射光瞳与角锥棱镜的旋转对称轴重合，成像镜头设在反射镜上方，二维图像传感器设在成像镜头上方。

权利要求书
1.  离轴旋转对称型激光三角位移传感器，其特征在于设有二维图像传感器、成像镜头、反射镜、半导体激光器、离轴旋转对称的角锥棱镜和环形入射光瞳；
半导体激光器水平安装，离轴旋转对称的角锥棱镜设于半导体激光器的激光输出轴上，半导体激光器发出的激光束经过离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴；反射镜设在半导体激光器的激光光束和离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴的交点处，反射镜的反射激光束与离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴重合；离轴旋转对称的角锥棱镜设在反射镜下方；环形入射光瞳设在离轴旋转对称的角锥棱镜下方，环形入射光瞳与离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴重合，成像镜头设在反射镜上方，二维图像传感器设在成像镜头上方。

2.  如权利要求1所述的离轴旋转对称型激光三角位移传感器，其特征在于离轴旋转对称的角锥棱镜包含4个光学表面，其中2个为锥形反射面，1个为平面，1个为锥形透射面，2个锥形反射面的锥角设计使得测量光线在两个锥形反射面上发生全反射。

3.  如权利要求1所述的离轴旋转对称型激光三角位移传感器，其特征在于二维图像传感器为CCD二维图像传感器或CMOS二维图像传感器。

说明书离轴旋转对称型激光三角位移传感器
技术领域
本发明涉及一种以采用光学方法为特征的计量设备，尤其是涉及一种具有离轴旋转对称特性的激光三角位移传感器。
背景技术
由于激光三角位移传感器具有结构简单、非接触、精度较高、测量速度快、可实时处理等优点，因此被广泛应用于各种几何参数检测、表面形貌测量、三维建模和逆向工程等方面。传统的激光三角传感器在实际应用中由于被测工件表面的倾斜，或是阶跃边缘如孔、台阶等在测量时会造成的光路遮挡，从而引起传感器失效，严重影响测量效果。
近年来也出现了具有旋转对称性的激光三角位移传感器，用以解决上述问题，但是这些方法使用了专门设计加工的二维环形PSD传感器，或是高次非球面的环形反射与折射表面，加工困难，造成产品价格非常昂贵。
公开号为CN1332358的中国发明专利申请公开一种激光三角法测头，它是由三个或四个半导体激光器、透镜、CCD接收器、平面反射镜构成，透镜与被测物体之间设置有偏振片。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测头的成本，同时还能给出被测点处的表面法线方向。
公开号为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，该装置包括至少一个平面反射镜，这些反射镜都位于成像透镜的像方光路中，且其镜面的法线平行于激光器出射光束与成像透镜中心所确定的平面。该实用新型根据在高光学放大率的情况时，像距很长的问题，用一个或若干个平面反射镜折叠成像透镜的像方光路，从而大大减少了仪器尺寸，同时又可以增大光学放大率，获得高的位置分辨率。
公开号为CN1357748的中国发明专利申请公开一种角位移传感器光电检测装置，采用光学多面体作为角度基准，激光瞄准位置探测，高速度光电转换器件作为接收器，计算机采集数据进行处理并实施显示。由待测角位移传感器、光学多面体、激光光源、光电接收器、计算机处理及显示系统组成的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可显著降低传感器成本，能够测量包括倾斜和阶跃表面等自由曲面物体的离轴旋转对称型激光三角位移传感器。
本发明设有二维图像传感器、成像镜头、反射镜、半导体激光器、离轴旋转对称的角锥棱镜和环形入射光瞳。
半导体激光器水平安装，离轴旋转对称的角锥棱镜设于半导体激光器的激光输出轴上，半导体激光器发出的激光束经过离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴；反射镜设在半导体激光器的激光光束和离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴的交点处，反射镜的反射激光束与离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴重合；离轴旋转对称的角锥棱镜设在反射镜下方；环形入射光瞳设在离轴旋转对称的角锥棱镜下方，环形入射光瞳与离轴旋转对称的角锥棱镜的旋转对称轴重合，成像镜头设在反射镜上方，二维图像传感器设在成像镜头上方。
离轴旋转对称的角锥棱镜包含4个光学表面，其中2个为锥形反射面，1个为平面，1个为锥形透射面。2个锥形反射面的锥角设计使得测量光线在两个锥形反射面上发生全反射。
二维图像传感器可选用CCD二维图像传感器或CMOS二维图像传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：
1)由于引入了环形入射光瞳和离轴旋转对称的角锥棱镜，因此入射激光束在被测物体上的散射光通过环形入射光瞳和离轴旋转对称的角锥棱镜内部反射后，由成像镜头在二维图像传感器上成像为一个圆环，被测物体的位移表现为圆环半径的变化。
2)由于引入了环形入射光瞳和离轴旋转对称的角锥棱镜，使得它等效于围绕共同的入射激光光轴对称分布的一系列传统激光三角位移传感器，因此当被测物体表面有不同的倾斜方向时，都可以获得被测信号。
3)离轴旋转对称的角锥棱镜包含两个锥形反射面，由于两个锥形反射面的锥角设计使得测量光线在两个锥形反射面上发生全反射，因此无需对所述角锥棱镜镀膜。
4)由于入射光瞳为离轴圆环，入射光点在图像传感器上成像为一个圆环，因此当被测物体表面的台阶、沟槽或孔的边缘引起部分光路被遮挡时，成像圆环会部分缺失，但不会导致测量失败。
5)由于整个光路为离轴旋转对称的，被测表面倾斜带来的误差在很大程度上相互抵消，因此可以提高测量精度。
6)由于使用环形入射光瞳、离轴旋转对称的角锥棱镜和普通成像镜头取代现有的环形透镜、环形反射镜或环形PSD传感器，因此显著降低了传感器的成本。
附图说明
图1是本发明实施例的结构组成示意图(侧视)。
图2是本发明实施例的离轴旋转对称的角锥棱镜结构示意图。
图3是本发明实施例的离轴旋转对称的角锥棱镜的内部反射及其等效光路。
图4是使用光线追迹软件对本发明实施例进行仿真的侧视图。
具体实施方式
参见图1，本发明设有二维图像传感器(CCD或CMOS)1、成像镜头2、反射镜3、半导体激光器4、离轴旋转对称的角锥棱镜5和环形入射光瞳6。半导体激光器4水平安装，半导体激光器4发出的激光束经过离轴旋转对称的角锥棱镜5的旋转对称轴，反射镜3设于激光光束和旋转对称轴的交点处，反射镜的反射激光束与离轴旋转对称的角锥棱镜5的旋转对称轴重合，离轴旋转对称的角锥棱镜5设于反射镜3下方；环形入射光瞳6设在离轴旋转对称的角锥棱镜5下方，环形入射光瞳6与离轴旋转对称的角锥棱镜5的旋转对称轴重合，成像镜头2设于反射镜3上方，二维图像传感器1设于成像镜头2上方。上述的结构组成须保证成像镜头2的光轴、离轴旋转对称的角锥棱镜5的旋转对称轴、环形入射光瞳6的旋转对称轴都要与反射镜3反射的激光束重合。半导体激光器4可以调节角度和位置，其安装精度由机械系统保证。所有部分之间的联系及它们的位置关系都由激光束的传播路径决定。
在图1中，半导体激光器4发出的激光束经准直聚焦后，经由小反射镜3投射到被测物体7上，散射光通过环形入射光瞳6进入离轴旋转对称的角锥棱镜5，这部分光即为测量光，测量光经所述角锥棱镜内部的两次反射后，由成像镜头2在二维图像传感器1上成像，由于整个光路的离轴旋转对称性，该像为一个圆环。θ与角为入射主光线在离轴旋转对称的角锥棱镜5内部两个反射面上的入射角，这两个角度应大于全反射临界角。
图2是所述离轴旋转对称的角锥棱镜，其各个锥角如γ、η和λ的选择应使得入射测量光线的入射角大于全反射临界角，从而保证入射光线在两个锥面上发生全反射，不需对角锥棱镜镀反射膜。
图3是所述离轴旋转对称的角锥棱镜的内部反射及其等效光路。由于角锥棱镜的两次反射，被测物体上的激光光斑X0将被成像于X0”处，物体位移引起的的光斑移动X1-X0-X2将表现为X1″-X0″-X2″，从而在二维图像传感器上得到圆环半径的变化。图3中的α即为传统激光三角法中的测角。图中O为成像镜头2的光心，θ与角参见图1，X1′-X0′-X2′为光斑实际移动经角锥棱镜5的第一个反射面成像所得到的像移动。
图4使用光线追迹软件工具对本发明进行了仿真，当被测物发生位移时，通过光线追迹，可以在二维图像传感器上得到不同半径的圆环。