CN100442010C - 单光电探测器共焦激光三角测量装置 - Google Patents

Abstract

单光电探测器共焦激光三角测量装置，涉及一种测量装置，尤其是涉及一种单面阵光电探测器共焦激光三角测量装置。提供一种可获得真实的三维形貌信息，解决被测物面倾斜给测量带来问题的单面阵光电探测器共焦激光三角测量装置。设有激光器、准直透镜、半反半透平面镜、非球面透镜、环状内反射镜、被测物面、成像透镜和面阵光电探测器，准直透镜设于激光器光束正前方，半反半透平面镜光轴与准直透镜光轴呈顺时针45°夹角。非球面透镜光轴与准直透镜的光轴同轴。环状内反射镜球心和对称轴与激光器发出的单光束、准直透镜光轴、非球面透镜光轴同轴。成像透镜光轴与激光器发出的光束方向垂直。面阵光电探测器设于成像透镜的焦点位置。

Description

单光电探测器共焦激光三角测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其是涉及一种单面阵光电探测器共焦激光三角测量装置。

背景技术

由于激光三角法具有非接触、不易损伤表面、材料适应性广、结构简单、抗干扰能力强、测量点小、测量准确度高和可用于实时在线快速测量等特点，在几何量测量领域中得到广泛的应用，人们一直在探索用最现代的科学技术丰富和完善它，力求进一步简化结构，提高准确度，拓宽应用范围，满足工业生产的需要。

激光三角法按检测方式分为反射型与透射型(刘明，曾理江.透射型激光三角法测量蜻蜒翅膀形状[J].仪器仪表学报，2003，24(S4)：95-97)，按入射光线与被测物面法线的关系分为直射式和斜射式。传统的直射式激光三角法的光电探测器平面与激光器的出射光束平行(金国藩，李景镇.激光测量学[M].北京：科学出版社，1998)，被测点的位移与光电探测器上光斑的位移为线性关系，这种方式的测量精确度不高，且可测量的位移范围受到限制。改进后的直射式激光三角法的光电探测器平面与成像透镜光轴垂直，但可测量的位移范围同样受到限制，否则在光电探测器上无法清晰成像。经过进一步改进，直射式激光三角法的光电探测器平面与成像透镜光轴的夹角和激光束与成像透镜光轴的夹角满足斯凯普夫拉格条件(成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线)时，就可以达到完美聚焦(洪昕，吴秀红，蒋诚志等.倾斜CCD光敏面以减小扩展像斑的分析[J].误差分析，1997，17(5)：11-16)。直射式激光三角法由于其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面，否则可能由于光线大多被反射而存在测量盲区。斜射式激光三角法中入射激光束与被测物面法线成一定角度，可接收来自被测物体的正反射光，比较适合测量表面接近镜面的物体，且信噪比和灵敏度都比较高，但也存在以下问题(冯俊艳，冯其波，匡萃方.高精度激光三角位移传感器的技术现状[J].应用光学，2004，25(3)：33-36)：斜射式入射光光点是照射在物体的不同点上，无法直接得到被测物体某点的位移情况，而直射式可以；斜射式分辨率高于直射式，但测量范围较小，体积较大，光斑较大，且对安装的精度要求很高，而直射式光斑小，光强集中，体积小，对于安装的精度要求较低。

以上方法都存在一些问题，例如由于安装的角度问题，光电探测器的信号受被测物表面形态影响较大(1.Kuang-Chao Fan，Kuang-Pu Wen.Non-contact automatic measurement offree-form surface profiles on CNC machines[J].SPIE，Vol.2101，Measurement Technology andIntelligent Instruments 1993：949-958；2.王少清，庄葆华.物面倾斜对激光三角位移测量精度影响的研究[J].山东建材学院学报，1996，10(1)：63-71)。在理论上要求必须保证激光束始终和被测量物体表面垂直，但在实际应用中是不可能达到的，特别是在测量物体表面形貌的应用中。双三角法(1.唐朝伟，梁锡昌，邹昌平.三维曲面激光双三角测量法[J].重庆大学学报，1993，16(1)：107-111；2.杨春平，吴健，洪亮，等.双CCD系统在三维面形测量中的应用[J].半导体光电，2004，25(3)：219-223)在一定程度上解决了这一问题，由于在激光束的两侧对称地安装了光电探测器，在入射光轴与两光电探测器法线组成的主平面内，可以消除由于被测量物体的表面在测量系统平面内的倾斜所带来的无法测量或较大误差的现象，但物面形貌所产生的散射光若不在此主平面内，光电探测器仍无法探测到信号。还有一些工业测量中采用了多激光束和多光电检测器结合的方法(1.刘江，姜丽华，王长松.直线型激光板形检测系统[J].钢铁研究学报，2003，15(5)：60-63；2.吴科如，严安，张东，等.混凝土断裂面的实验研究[J].混凝土与水泥制品，2002，(6)：3-10)，虽然直观、方便、快捷，但明显地增加了成本的投入。

上述目前的激光三角法都仍然要求激光束、被测点和光电探测器必须在同一个平面内，当被测量物面与测量系统平面成一定空间立体角度倾斜或任意表面形貌时，往往会使光电探测器接收到的光强信号产生误导信息，甚至无法接收到散射光的信号。若要接受到信号，必须采用多个光电探测器360°阵列，显然这个结构是不实用的。因此，现有的激光三角法无法实现对自由曲面和任意表面形貌提取真实相关信息，只能用于较有规则物体表面形状与较平坦表面形貌的测量。解决这些问题对激光三角法在几何测量等方面上的应用有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对激光三角法现有技术的不足，提供一种可获得真实的三维形貌信息，解决被测物面倾斜给测量带来问题的单面阵光电探测器共焦激光三角测量装置。

本发明的技术方案是采用单光束和单个面阵光电探测器实现自由曲面或任意物体表面形貌测量。

本发明设有激光器、准直透镜、半反半透平面镜、非球面透镜、环状内反射镜、被测物面、成像透镜和一个面阵光电探测器。激光器用于发出单光束。准直透镜用于对激光器发出的单光束准直，准直透镜设于激光器发出的单光束正前方，准直透镜的光轴与激光器发射的光束同轴。半反半透平面镜用于将经准直透镜准直的单光束耦合进入非球面透镜，并将从被测物面反射回的光束再次反射以通过成像透镜在面阵光电探测器上成像，半反半透平面镜的光轴与准直透镜的光轴呈顺时针45°夹角。非球面透镜用于将透射过半反半透平面镜的光束会聚入射至被测物面，非球面透镜的光轴与准直透镜的光轴同轴。环状内反射镜用于将被测物面产生的漫反射光反射并经半反半透平面镜反射后由成像透镜成像到面阵光电探测器上，该环状内反射镜的球心和对称轴与激光器发出的单光束、准直透镜光轴、非球面透镜光轴同轴。成像透镜用于将经半反半透平面镜反射后的光束成像到面阵光电探测器上，成像透镜光轴与激光器发出的光束方向垂直(顺时针90°方向)。面阵光电探测器用于接收成像信息，面阵光电探测器设于成像透镜的焦点位置，也是该光学系统的成像基准点。

环状内反射镜的内侧为球面或抛物面反射镜。

本发明采用共焦技术，物方入射光路与出射光路共用一个非球面透镜，物方光学系统的测量基准点与光电检测器件上的成像基准点共焦，这样，物方(入射光)光学系统的测量基准点即为非球面透镜的焦点位置，可以实现测量基准点的精确定位和清晰成像。准直透镜与成像透镜设计为相同焦距的透镜，同样也便于装调。

本发明具有以下突出的优点：

①采用一个特殊的环状内反射镜(如球面镜、抛物面镜等)与非球面透镜、半反半透平面镜、成像透镜构成成像光学系统，把来自被测物面的散射(或反射)光束会聚投射在光电检测器上，提取测量信息，该测量系统容易实现入射光学系统与成像光学系统焦点重合，降低系统装调要求。

②仅用单个面阵光电探测器就可接收带有被测物面信息的光信号。采用了环状反射镜，消除了被测物面倾斜带来的误差，使来自被测物面任意方向的成像光束的光斑均可落在一个面阵光电探测器感光面，被光电探测器所接收，可以反映真实的三维形貌，而无需采用两个面阵光电检测器件或多个面阵光电检测器件作为信号接收器来获取被测任意自由曲面形貌信息。

③由于采用上述两项新技术，因此在简化光学系统的同时，也提高了系统的稳定性。

④本发明光学系统物方入射光路与出射光路共焦，使测量基准点的成像清晰，定位精确，误差更小。

⑤准直透镜与成像透镜为相同焦距的透镜，减少了使用时的调整定位工作。

⑥本发明首次提出由内反射镜、多个透镜、与入射光轴平行放置的光电探测器组成独特的激光三角测量光学系统，内采用共焦技术，能实现对任意曲面、任意表面形貌的三维测量，并给出相应的精确的测量公式，拓宽激光测量技术的应用领域和极大提高了激光三角测量法的可靠性、适应性和精确度；且结构紧凑、灵巧。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，激光器1发出的光束经准直透镜2准直后，经半反半透平面镜3将光束耦合进入非球面透镜4，聚焦后入射到被测物面6上的焦点位置，产生的漫反射光经环状反射镜5反射或直接进入非球面透镜4会聚后，经半反半透平面镜3反射，由成像透镜7成像到面阵光电探测器8上。环状反射镜5是一个空心反射镜(内侧为球面反射镜或非球面反射镜)，环状反射镜5为一个倒装的球台，球台的上底面为过直径的平面，下底面为与其平等的台面，并使球反射镜焦点处于球台之外。准直透镜2与成像透镜7为相同焦距的透镜。

测量时，先定基准点A(即非球面透镜4的焦点位置)，使基准点A清晰成像在面阵光电探测器8的中心点O。当被测物面6位移或整个光学系统平移时，被测物面6的成像位置发生改变，偏离光电探测器阵列中心点O。当A点所在平面纵向平移至A′点时，若平面法线与光轴呈如图顺时针方向角度，成像在O″处，若平面法线与光轴呈如图逆时针方向角度，成像将在O′处，即随着被测物体的移动，或激光测量头的扫描，虽然被测物面发生倾斜面方向的改变，都可以在光电探测器上获得与被测物体表面一一对应的成像信息，并可通过计算机重构出被测物的三维形貌。

Claims (2)

1.单光电探测器共焦激光三角测量装置，其特征在于设有激光器、准直透镜、半反半透平面镜、非球面透镜、环状内反射镜、被测物面、成像透镜和一个面阵光电探测器，激光器用于发出单光束；准直透镜用于对激光器发出的单光束准直，准直透镜设于激光器发出的单光束正前方，准直透镜的光轴与激光器发射的光束同轴；半反半透平面镜用于将经准直透镜准直的单光束耦合进入非球面透镜，并将从被测物面反射回的光束再次反射以通过成像透镜在面阵光电探测器上成像，半反半透平面镜的光轴与准直透镜的光轴呈顺时针45°夹角；非球面透镜用于将透射过半反半透平面镜的光束会聚入射至被测物面，非球面透镜的光轴与准直透镜的光轴同轴；环状内反射镜用于将被测物面产生的漫反射光反射并经半反半透平面镜反射后由成像透镜成像到面阵光电探测器上，该环状内反射镜的对称中心和对称轴与激光器发出的单光束、准直透镜光轴、非球面透镜光轴同轴；成像透镜用于将经半反半透平面镜反射后的光束成像到面阵光电探测器上，成像透镜光轴与激光器发出的光束方向垂直；面阵光电探测器用于接收成像信息，面阵光电探测器设于成像透镜的焦点位置。

2.如权利要求1所述的单光电探测器共焦激光三角测量装置，其特征在于所述的环状内反射镜的内侧为球面或抛物面反射镜。