CN103542813A - 一种基于边界微分和环境光自校准的激光测径仪 - Google Patents

Abstract

一种基于边界微分和环境光自校准的激光测径仪，是一种利用边界微分算法来解决边界信号的采集，采用环境光自校准算法来解决椭圆高斯光束的像散与表面衍射问题，采用限光孔来约束扫描转镜的抖动误差的激光扫描测径仪。本发明在一般光学实验室条件下就能搭建，能够实现高精度测径测厚，具有自校准、系统成本低，测量精度高等特点。

Description

一种基于边界微分和环境光自校准的激光测径仪

技术领域

本发明涉及一种测量固件直径或厚度的仪器，特别是一种用于高精度测量固件直径的仪器，属于光学技术领域。

背景技术

随着机械、电子产业的迅速发展，对工件参数的精度要求也越来越高，传统物理方法最大的缺陷在于必须接触工件才能测得工件的尺寸。激光扫描测径仪是一种基于光学技术、现代激光、计算机、精密机械等多学科技术于一体的检测系统，它是用可见激光作为光源，把被测对象的几何尺寸经过扫描光学系统和光电变换系统转变成电信号，再由计算机进行实时数据处理，给出测量结果。可以方便实现在线检测工件的尺寸，具有高速度、高精度、非接触测量等特点，目前已被广泛应用于生产领域。一般的激光扫描测径仪可以精确到0.01mm。但是对于一些精密仪器，尤其是一些光学器件、医用仪器、军工设备，其精度要求往往在微米数量级以内。要把精确度再提升一个数量级，靠普通激光扫描难以实现，传统激光扫描测径精度提不上去的原因主要有三个：

(1)扫描光束是像散椭圆高斯光束，因此进行光电转换的时候势必会带入非准直误差，边界检测误差会放大。

(2)步进电机存在抖动现象，导致扫描转镜局部转速非匀速，影响光电检测的时间。

(3)半导体激光器波长一般在500--700nm，扫描光斑半径较大，分辨率较低，待测工件表面较易出现衍射现象。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用边界微分算法来解决边界信号的采集，采用环境光自校准算法来解决椭圆高斯光束的像散与表面衍射问题，采用限光孔来约束扫描转镜的抖动误差。本发明利用普通光学透镜就能实现高精度测径，具有自校准、系统成本低，测量精度高等特点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

本发明包括激光器、反射镜、扫描转镜、准直透镜、限光孔、光学透镜、校准工件和光电检测部件。

所述的激光器是一种电激励式的半导体激光器，供电电压为3-5V直流电，输出功率为3-5mW，发散角小于2mrad，激光器的出射激光平行于水平面向左。

所述的反射镜为光学反射镜，其表面涂有全反射膜，共有两个，其中一个与入射激光的夹角为60°，另一个垂直水平线，置于第一个反射镜的右侧。

所述的扫描转镜是一种机械特性和光学特性较好的八面镀全反射膜的铍合金转镜，其各面的分度误差以及各面对转轴的倾斜公差在2″以内，各面对中心轴的偏离为0.003mm，平面度在λ/10以下。其中心转轴点在准直透镜的焦点上。

所述的准直透镜是一种fθ透镜，即满足像高等于焦距与发散角的乘积，其垂直放置于扫描转镜的右侧，两者重心之间的距离为准直透镜的焦距。

所述的限光孔是一种光传播通道，可以把扫描光通量控制在特定的范围内，其最大高度略小于准直透镜的高度，最小高度大于待测工件的直径或厚度。

所述的光学透镜是一种光学特性较好的正透镜，其光轴与准直透镜的光轴在同一直线上。

所述的校准的工件是一直径或厚度已知的标准工件。

所述的光电检测部件是一种由光电二极管的组成的边界信号检测电路以及数据采集处理系统，光电二极管接收端在光学透镜的光轴上，两者之间的距离为焦距。

本发明中通过激光扫描测量工件厚度或直径，这是成熟技术。本发明的发明点在于提供一种利用边界微分算法和工件的扫描光自校准来消除光的像散、边界的衍射问题以及用限光孔来约束扫描转镜的抖动误差。

与现有技术相比，本发明的优点：

(1)采用边界微分算法，对信号的处理更为科学，采集的信号更灵敏、有效；测量结果比普通激光扫描测径更为准确剔除了扫描转镜局部转速非匀速问题，把抖动误差稳定在一个更小的范围内；

(2)采用工件的扫描光自适应算法，剔除了由于光的边界衍射以及光束像散问题；

(3)利用共轭的限光孔有效的约束了扫描转镜的抖动误差，大大降低了工件测量误差的标准差；

(4)设备对光学器件要求不高，成本不高，一般实验室条件下就能搭建；

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的边界采集信号和扫描光自校准原理图。

图3为本发明边界微分信号检测电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于在线测量工件的直径或厚度的激光扫描测径包括激光器1、反射镜2、扫描转镜3、准直透镜4、限光孔5、校准工件6、待测工件7、光学透镜8、光电检测部件9、数据处理单元10。图中实线为具体光路、点划线为主光轴、虚线为对齐线，箭头为流程。

激光器水平向左出射入射可见激光，经过反射镜将激光反射至扫描转镜镜面上，扫描转镜通过步进电机匀速转动，由于扫描转镜的转轴在准直透镜焦点上，因此通过准直透镜的光速为平行光，这里通过限光孔可以控制激光的光通量。通过的激光如果没有照到工件可以被光学透镜出射至焦点处，进而被光电二极管采集出信号，而照到工件的激光束由于被工件反射或吸收，光电二极管无法采集出光信号，数据处理单元对光电二极管返回的信号输出矩形波信号，根据矩形波信号的高低电平情况可以计算出工件的直径或厚度。扫描速度v具体计算公式为：

其中ω为扫描转镜的转速，f为准直透镜的焦距，θ为扫描转镜上激光束的入射角，

扫描转镜的角位移，

工件直径D和工件扫描周期T计算公式为：

D＝vt…………(2)

$T=\frac{H}{v}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

其中v为扫描速度，t为数据处理单元低电平持续时间，H为两限光孔距离。由于步进电机会随机出现抖动，因此T越小越好，即H越小越好，但H不能够小于2D。

如图3所示，光电二极管对于光照的变化曲线不是一个严格的矩形脉冲，因此在计算低电平时间时无法科学的衡量。因为扫描光束强度在空间呈高斯型分布，如图建立空间坐标系则空间光强分布解析式为：

$E(x,y,z)=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}{a}_0\exp \{-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}-\frac{\mathrm{ik}}{2R\left(z\right)}(x^2+y^2)-i[\mathrm{kz}-\arctan (z/f)\left]\right\}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

式中a₀为高斯光束束腰振幅；ω₀为高斯光束束腰半径；f＝πω₀ ²/λ；k＝2π/λ；R(z)＝z+f²/z；

研究z-y平面，为了求出光强变化率最大的点，对(4)式微分可得交点位置方程为：

${\∫}_{\∞}^y\exp (-\frac{1}{2}{y}^2/\mathrm{\ω}{\left(z\right)}^2)\mathrm{dy}=\mathrm{\ω}\left(z\right)\sqrt{2\mathrm{\π}}/2\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

扫描激光光斑大小为：

d＝1.22λ/NA…………(6)

为了消除边界衍射误差，采用环境光自校准的原理，即两次边界扫描的衍射效应完全一样，因此对于待测工件直径D₁，有效电平时间为T₁，校准工件直径为D₂，有效电平时间为T₂则：

D₁＝D₂+(t₁-t₂)v＝D₂+(T₁-T₂)v…………(7)

如图2所示，为了能有效采集边界导数最大的点，构造一与原信号相反的信号，由于高斯光束的空间分布具有对称性，因此两个信号的交点处即为信号变化率最快的地方。具体设计的电路如下：

PIN为信号的输入端，U1A运放构成一个电信号的放大电路，可以根据采集到的电信号强弱来设置放大倍数，提高信号的质量。由U1B运放构成一个峰值跟随电路，电源通过R3、D1对电容C1充电，R2为电容C1的放电电阻，通过此电路使得U1B的输出信号始终跟随信号的峰值变化；U2A运放构成电压跟随电路来实现信号的隔离；U2B构成电压比较电路来实现边界信号的精确切割。由于实际测量过程中半导体激光器的光强会有变化，扫描光斑的大小会发生变化，同时扫描转镜的转速也会有变化，这就造成边界信号的周期和值都在变化，本电路根据高斯分布的特点，利用了信号导数最大处反应最为灵敏，因此能够精确的采集边界信号。

Claims (3)

1.一种基于边界微分和扫描光自校准的激光测径仪的设计包括激光器、反射镜、扫描转镜、准直透镜、限光孔、光学透镜、校准工件和光电检测部件，其特征在于：激光器是一种电激励式的半导体激光器，供电电压为3-5V直流电，输出功率为3-5mW，发散角小于2mrad，激光器的出射激光平行于水平面向左，反射镜为光学反射镜，表面涂有全反射膜，共有两个，其中一个与入射激光的夹角为60°，另一个垂直水平线，置于第一个反射镜的右侧；扫描转镜是一种机械特性和光学特性较好的八面镀全反射膜的铍合金转镜，其各面的分度误差以及各面对转轴的倾斜公差在2″以内，各面对中心轴的偏离为0.003mm，平面度在λ/10以下，其中心转轴点在准直透镜的焦点上；准直透镜是一种fθ透镜，即满足像高等于焦距与发散角的乘积，其垂直放置于扫描转镜的右侧，两者重心之间的距离为准直透镜的焦距；限光孔是一种光传播通道，其最大高度略小于准直透镜的高度，最小高度大于待测工件的直径或厚度；光学透镜是一种光学特性较好的正透镜，其光轴与准直透镜的光轴在同一直线上；校准的工件是一直径或厚度已知的标准工件；光电检测部件是一种由光电二极管的组成的边界信号检测电路以及数据采集处理系统，光电二极管接收端在光学透镜的光轴上，两者之间的距离为焦距。

2.如权利要求1所述的一种基于边界微分和扫描光自校准的激光测径仪，其特征在于：所述的校准的工件是一种利用边界衍射效应等效来进行环境光自校准的工件。

3.如权利要求1所述的一种基于边界微分和扫描光自校准的激光测径仪，其特征在于：所述的光电检测部件是一种利用边界微分检测的信号采集系统。

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