CN103900483A

CN103900483A - 激光扫描式外径检测装置

Info

Publication number: CN103900483A
Application number: CN201210586066.4A
Authority: CN
Inventors: 张春晖; 陈卫民
Original assignee: LIRI PHOTOELECTRIC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI; Shanghai Light Industry Research Institute Co Ltd
Current assignee: LIRI PHOTOELECTRIC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd SHANGHAI; Shanghai Light Industry Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明涉及一种激光扫描式外径检测装置，包括光点平行恒速扫描器、聚光透镜和光电探测器，该光点平行恒速扫描器射出平行的激光光点对被测物进行均速扫描，该聚光透镜把扫描的激光光束会聚到该光电探测器。该光点平行恒速扫描器包括至少一路单片的柱面透镜，该柱面透镜具有相对的第一表面和第二表面，该第一表面为曲面，该第二表面为平面，其中该第一表面的曲率被设计成使该柱面透镜的成像高和反射光与透镜光轴的夹角之间具有线性关系。

Description

激光扫描式外径检测装置

技术领域

本发明涉及光电检测技术，更具体地说，涉及一种激光扫描式外径检测装置。

背景技术

光电检测技术是应用最为广泛的非接触测量技术，它建立在光、机、电一体化技术基础上，所涉及的基础理论和工程技术内容十分广泛，是计量检测技术的一个重要发展方向，并在测量领域得到了广泛的应用。例如在生产中对各种线材、管材、棒材甚至各种零件、元器件的外形尺寸进行非接触在线测量和控制。

目前常见的激光检测装置，其光学系统中的透镜通常采用普通透镜或线性透镜（F(θ)复合透镜）。

普通透镜的基本结构示意图如图1A和图1B所示，其中图1A为正视图、图1B为侧视图。普通透镜10结构较简单，它的像高H和反射光与透镜光轴的夹角θ之间的关系为：

H=f*tanθ，

其中f为透镜焦距。也就是说，H和θ不成线性关系，而且反射光的扫描线速度越偏离透镜光轴其误差越大。

F(θ)复合透镜的基本结构示意图如图2所示，图2为侧视图。F(θ)复合透镜20的像高H和反射光与透镜光轴的夹角θ之间的关系为：

H=f*θ，

也就是说，H和θ成线性关系。因而F(θ)复合透镜可解决扫描线速度存在的误差。但由于F(θ)复合透镜是多片复合组成，结构复杂，制造大尺寸透镜的造价较高。

目前，在玻璃管拉制等行业所生产的激光检测装置，其每种型号能够测量的范围非常有限。例如采用外径为30mm镜头的激光扫描式外径检测装置，其测量范围约1mm-20mm；用外径为60mm镜头的检测装置，其测量范围约1mm-50mm。如果测量的产品外径超过镜头的有效尺寸，那么就需改用更大尺寸的光学镜头或者采用多光路法的多个小镜头组合来测量。在这种情况下使用结构复杂、造价高的F(θ)复合透镜是难以承受的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光扫描式外径检测装置，它包含一个单片的柱面透镜，该柱面透镜仍具有F(θ)复合透镜的特性。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种激光扫描式外径检测装置，包括光点平行恒速扫描器、聚光透镜和光电探测器，该光点平行恒速扫描器射出平行的激光光点对被测物进行均速扫描，该聚光透镜把扫描的激光光束会聚到该光电探测器。该光点平行恒速扫描器包括至少一路单片的柱面透镜、棱镜和激光器。每一路该柱面透镜具有相对的第一表面和第二表面，该第一表面为曲面，该第二表面为平面，其中该第一表面的曲率被设计成使该柱面透镜的成像高和反射光与透镜光轴的夹角之间具有线性关系。该棱镜被一电机恒速驱动而转动。该激光器发出的激光束入射到该棱镜，且经该棱镜反射到该柱面透镜，其中该激光束在该棱镜的入射点位于该柱面透镜的焦点，从而使得射出该柱面透镜的光束为与时间成线性关系并且平行于该柱面棱镜的光轴的平行光束。

在本发明的一实施例中，该柱面透镜的正投影为矩形。

在本发明的一实施例中，激光扫描式外径检测装置包括一路该柱面透镜，该柱面透镜对准该棱镜。

在本发明的一实施例中，激光扫描式外径检测装置包括两路该柱面透镜，对称分布于该棱镜的前方两侧，每路该柱面透镜经一反射镜接收来自该棱镜的反射光。

在本发明的一实施例中，一路该柱面透镜的扫描范围是0～100mm。

在本发明的一实施例中，两路该柱面透镜的扫描范围上限达到500mm。

在本发明的一实施例中，激光扫描式外径检测装置还包括一聚光缩束透镜，设于该激光器与该棱镜之间。

本发明的还提出一种柱面透镜，为单片透镜，该柱面透镜具有相对的第一表面和第二表面，该第一表面为曲面，该第二表面为平面，其中该第一表面的曲率被设计成使该柱面透镜的成像高和反射光与透镜光轴的夹角之间具有线性关系。

与现有技术相比，本发明采用柱面透镜的激光扫描测径装置减少了透镜的使用片数，能够非常明显地简化镜头的光学设计以及机械结构设计，减小了它的体积和重量。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1A示出一种普通透镜的正视图。

图1B示出一种普通透镜的侧视图。

图2示出一种F(θ)复合透镜的侧视图。

图3A示出本发明一实施例的柱面透镜的正视图。

图3B示出本发明一实施例的柱面透镜的侧视图。

图4示出本发明实施例的激光扫描式外径检测装置的原理示意图。

图5A示出本发明实施例的激光扫描式外径检测装置的旋转扫描原理示意图。

图5B示出图5A中，光点在棱镜上移动引起光点前后变化的规律。

图6A示出本发明实施例的激光扫描式外径检测装置的单光路扫描检测示意图。

图6B示出本发明实施例的激光扫描式外径检测装置的双光路扫描检测示意图。

图6C示出聚焦在光电器件上的光强i随扫描时间t的变化曲线。

图7示出本发明第一实施例的激光扫描式外径检测装置示意图。

图8示出本发明第二实施例的激光扫描式外径检测装置示意图。

具体实施方式

本发明的实施例提出一种激光扫描式外径检测装置，它使用一种新颖的单片柱面透镜来作为透镜。这种单片的柱面透镜整体呈柱面，而透镜表面被设计成满足成像高和反射光与透镜光轴的夹角的线性关系。

图3A、3B示出本发明一实施例的柱面透镜的基本结构，其中图3A示出柱面透镜的主视图，图3B柱面透镜的侧视图。参照图3A，该柱面透镜30整体呈柱状而非传统的圆状，从正面看柱面透镜30为矩形，即柱面透镜30的正投影为矩形。参照图3B所示，从柱面透镜30的侧视图可以看出，柱面透镜30的第一表面31为曲面，与之相对的第二表面32为平面。因而，柱面透镜30像是从一个柱体上纵向切下的一部分，而其第一表面31为柱体的外表面的一部分。

在本实施例中，第一表面31的曲率被经过特别设计以满足所需的光学特性。图3B进一步示出柱面透镜30的光学特性，即像高H与反射光与透镜光轴X的夹角θ之间满足H=f*θ的线性关系。在此，f为柱面透镜30的焦距。

采用这种柱面透镜30的优势是显而易见的。得益于使用单片透镜，透镜的结构简单，造价可以显著降低。由于透镜结构简单，像差也会较小，在整个激光扫描式检测装置的有效扫描范围内分辨率一致。另外，透镜的尺寸明显扩大，可以满足常规管件外径的测量。如果组合多个透镜光路可满足更大外径的检测，而不会明显增加复杂度和成本。

下面说明上述实施例的柱面透镜30在激光扫描式外径检测装置中的应用。

图4示出本发明实施例的激光扫描式外径检测装置的原理示意图。参照图4所示，激光扫描式外径检测装置40可包括光点平行恒速扫描器41、聚光透镜42和光电探测器44。光点平行恒速扫描器41发射平行的激光光点对被测物44进行均速扫描，把被测物44挡光的光强连续变化值（时间信息）从光电探测器44上取出，以计取遮光时间获得被测物的轮廓尺寸。

图5A示出本发明实施例的激光扫描式外径检测装置的旋转扫描原理示意图。光点平行恒速扫描器41的实现原理进一步如图5A所示。光点平行恒速扫描器41进一步包括激光器51、棱镜52和柱面透镜53。激光器51发出的激光束入射到棱镜52上产生扫描光束。棱镜52可用恒速微型同步电机驱动而恒速转动。棱镜52表面上的光点位于柱面透镜53的焦点。反射光经过柱面透镜53后得到与时间成线性关系并且平行于柱面棱镜53的光轴的平行光束，并以每秒数百米线速度移动。

在此实施例中，激光器51例如可以是HeNe气体激光器。HeNe气体激光器的输出功率能稳定控制，使用寿命长，价格低。HeNe气体激光器产生的光束，能量集中（毫瓦级），发散角小（毫弧度级），扫描目标时信噪比大，分辨率好。总体而言，HeNe气体激光器的特性优于其他光敏器件。

不同功率的HeNe气体激光器的光斑直径和发射角都不同，因此需要根据实际测量工况选择合适的激光器。例如被测管件检测距离较远的测量，需要选用较大功率的激光器，如果激光器发出的光束直径过大，还必须增加聚光缩束透镜以缩小光斑直径。

由于柱面透镜53的焦距是定值，设计时照射在棱镜52表面上的光点是位于透镜53的焦点。实际上当棱镜52转动时，光点在棱镜52上移动，引起光点前后变化，变化的规律就是如图5B的C值的变化规律。所以棱镜52设计应尽量使C值的变动范围较小，同时在设计透镜53时也应考虑棱镜由于C值的变化而产生的反射角和反射点的变化所引起的光学系统误差。

分析如下：假设光源正对棱镜的转轴中心，从图5B可知：

B = \frac{A}{Cosα} - - - (1)

C = B - A = \frac{A}{Cosα} - A = A * (\frac{1}{Cosα} - 1) - - - (2)

其中，A为棱镜反射面到转轴中心距离；B为反射点到转轴中心距离；C为图5B中反射点左右变动范围；α为棱镜的转动角度。

根据图示所得公式得知反射点左右变动范围误差为：

同一棱镜，当0<α<90°转动时，α越大，则C值越大。

不同棱镜：A值越大，则C值越大。

例如：用转动中心到反射面距离为10mm的八面棱镜和用转动中心到反射面的距离为1mm两面镜相比，根据公式（2），八面镜的C值变动误差是两面镜的10倍。

目前，随着被测管件直径范围的扩大，设计工作面积大、焦距值较小的、视场角大的大尺寸透镜就显得十分必要。本实施例使用单片的柱面透镜53来代替目前常用的F(θ)复合透镜作为扫描发射透镜。这一柱面透镜具有以下优点：扫描运动被以时间为顺序的电信号控制，镜头像面上的光点像与时间是成线性关系的，满足像高H=f*θ，功能等同于F(θ)复合透镜；采用单片透镜，结构简单且像差较小，在整个有效扫描范围内分辨率一致。在整个有效扫描范围内输出的光线始终垂直像平面；降低了扫描光线和透镜中心面重合度的安装要求。

在本发明的实施例中，柱面透镜53可采用高折射率，高均匀度的光学玻璃为原料，减少透镜的厚度。

在本发明的实施例中，单个柱面透镜53的尺寸通常满足常规管件外径的测量（扫描范围0～100mm），而组合镜头光路（双镜头扫描范围上限是500mm）可满足更大管件外径的检测。

图6A示出本发明实施例的激光扫描式外径检测装置的单光路扫描检测示意图。图6B示出本发明实施例的激光扫描式外径检测装置的双光路扫描检测示意图。图中t_w，t_w1，t_w2是扫描测量窗口光栏的时间，t_d，t_d1，t_d2是被测工件d遮光时间。图6C示出聚焦在光电器件上的光强i随扫描时间t的变化曲线。图中显示聚焦在光电器件上的光强i随扫描时间t的变化曲线。t_d（t_d1,t_d2）可以反映被测物60的外径变化，经光电信号转换送后续电路处理得到测量结果。

本发明的一实施例可采用相对测量法对工件进行测量。这种测量方法的最大优点就是扫描速度与驱动棱镜52的电机转速无关。由于光栏宽度W是固定长度值，用激光光束扫描光栏，光电探测器53（如图5A）输出一个t_w定时信号。当有被测物60存在时，激光光束扫描到被测物时光束被遮挡，遮挡的时间t_d也由光电探测器输出。因为td与被测物尺寸d成正比，所以根据公式W/t_w=d/t_d，可求得被测物尺寸d=W*t_d/t_w。t_w和t_d可用脉冲计数器求得。

本发明的另一实施例可以采用绝对测量法。这样，扫描速度v是驱动棱镜52的电机转速的2倍，被测物的尺寸等于=v*t。不过，由于电压高低的波动变化、电机长时间运转的磨损等会产生电机转速不稳，对被测物工件的扫描时间就有变化，从而影响测量精度。

图7示出本发明第一实施例的激光扫描式外径检测装置示意图。这一激光扫描式外径检测装置70是根据单光路激光扫描测径技术制成。参照图7所示，激光扫描式外径检测装置70结构采用分体式，分体距离可达3m。发射组件（右图）和接收组件（左图）分别安装在可自由进行三维调节的支撑架上。激光扫描式外径检测装置70包括激光器71、反光镜72、棱镜73、柱面透镜74、散热套75、聚焦透镜76、支撑架77和光电探测器77。

在此实施例中，用单个柱面透镜74作为匀速扫描光学系统组成110mm宽扫描场，能够以非接触方式测量￠1-￠100mm直径的石英玻璃管。由于石英玻璃管拉制生产的环境温度较高，在此控制器上设计加装散热套75，散热套75内部通水降温以符合现场的工艺条件。

图8示出本发明第二实施例的激光扫描式外径检测装置示意图。这一激光扫描式外径检测装置80是根据双光路激光扫描测径技术制成。激光扫描式外径检测装置80结构采用分体式，分体距离大于3m，发射组件（右图）和接收组件（左图）分别安装在可自由进行三维调节的支撑架上。激光扫描式外径检测装置80包括激光器81、聚光缩束透镜82、两个反光镜83、棱镜84、两个柱面透镜85、聚焦透镜86、支撑架87和光电探测器88。

检测装置80的光学系统采用光路对称性好、两镜头扫描方向相同的方案。用两个柱面透镜85的单光路匀速扫描光学系统组成420mm宽扫描场，遮光部分为200mm，能够非接触方式测量直径￠220-￠400mm的石英玻璃管。由于石英玻璃大管拉制生产的环境温度更高，检测装置80离开被测管件更远，使用较大功率的激光器81并增加聚光缩束透镜82以缩小光斑直径，同时在此检测装置80上也可加装散热套来降温（图8未显示）以符合现场的工艺条件。

下表1是用本发明实施例的柱面透镜实际测量工件的误差表：

表1

序号	工件外径（mm）	误差(mm)
			1	9.20	0.002
2	18.40	0.008
			3	27.40	0.015
4	36.60	0.018
			5	45.00	0.025

[0066]

6	55.00	0.043
			7	64.20	0.066
8	73.00	0.085
			9	82.20	0.128
10	91.00	0.155
			11	100.20	0.202
12	104.30	0.211

因而，本发明的上述实施例采用柱面透镜设计的激光扫描式外径检测装置减少了透镜的使用片数，能够非常明显地简化镜头的光学设计以及机械结构设计，并降低制作成本。

本发明的实施例是精密测量线、棒、管材类产品外径的专用设备，应用于玻璃管、线缆、橡胶管及铝塑管等行业，并且可以扩展到其他各种测量领域。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims

1.一种激光扫描式外径检测装置，包括光点平行恒速扫描器、聚光透镜和光电探测器，该光点平行恒速扫描器射出平行的激光光束对被测物进行均速扫描，该聚光透镜把扫描的激光光束会聚到该光电探测器，其特征在于，该光点平行恒速扫描器包括：

至少一路单片的柱面透镜，该柱面透镜具有相对的第一表面和第二表面，该第一表面为曲面，该第二表面为平面，其中该第一表面的曲率被设计成使该柱面透镜的成像高和反射光与透镜光轴的夹角之间具有线性关系；

棱镜，该棱镜被一电机恒速驱动而转动；

激光器，该激光器发出的激光束入射到该棱镜，且经该棱镜反射到该柱面透镜，其中该激光束在该棱镜的入射点位于该柱面透镜的焦点，从而使得射出该柱面透镜的光束为与时间成线性关系并且平行于该柱面棱镜的光轴的平行光束。

2.如权利要求1所述的激光扫描式外径检测装置，其特征在于，该柱面透镜的正投影为矩形。

3.如权利要求1所述的激光扫描式外径检测装置，其特征在于，包括一路该柱面透镜，该柱面透镜对准该棱镜。

4.如权利要求1所述的激光扫描式外径检测装置，其特征在于，包括两路该柱面透镜，对称分布于该棱镜的前方两侧，每路该柱面透镜经一反射镜接收来自该棱镜的反射光。

5.如权利要求3所述的激光扫描式外径检测装置，其特征在于，一路该柱面透镜的扫描范围是0～100mm。

6.如权利要求4所述的激光扫描式外径检测装置，其特征在于，两路该柱面透镜的扫描范围上限达到500mm。

7.如权利要求4所述的激光扫描式外径检测装置，其特征在于，还包括一聚光缩束透镜，设于该激光器与该棱镜之间。

8.一种柱面透镜，为单片透镜，其特征在于，该柱面透镜具有相对的第一表面和第二表面，该第一表面为曲面，该第二表面为平面，其中该第一表面的曲率被设计成使该柱面透镜的成像高和反射光与透镜光轴的夹角之间具有线性关系。