CN105180828A - 一种多光束激光共交扫描轮廓仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束激光共交扫描轮廓仪，旨在解决传统激光共焦扫描轮廓仪结构中工作距离和分辨率不能兼顾的问题。本发明采用多束独立激光共交于一点定位的原理，通过探测器捕捉交点位置实现被测对象逐点扫描。多光束布置结构可以有效地减少扫描盲区。本发明涉及的激光共交扫描轮廓仪包括多套独立光路结构，每套光路结构分别由光源以及光源孔径组成；光路结构对称布置；激光器发出的光源分别通过各自的光源孔径形成点光源，确保每个点共交于一点实现被测物体的逐点扫描；反射光通过探测孔径到达探测器，通过光信号强弱变化规律确定共交点实现轮廓测量。

Description

一种多光束激光共交扫描轮廓仪

【技术领域】

本发明属于轮廓检测设备，涉及一种多光束激光共交扫描轮廓仪，采用独立激光共交定位原理，通过探测器捕捉相交点的位置实现被测对象的轮廓测量。

【背景技术】

传统的激光扫描共聚焦轮廓仪的工作原理如图1所示。将激光光源1、被照物点7以及探测器5放置在彼此的共轭位置，点光源由光源针孔2来保证；光源通过物镜6在物体表面聚焦成衍射极限的光点，由其反射光沿原路返回，焦点以外的光被探测针孔3屏蔽，来自物镜焦点处的光信号通过分光镜4被探测器5捕捉，通过探测光强信号的强弱变化获得物体表面的轮廓信息。

上述所述的共焦轮廓仪的分辨率较普通光学轮廓仪要好,但它仍具有一些局限，在波长λ一定的情况下，分辨率η受物镜的数值孔径NA的限制，η～λ/NA,而NA＝n·sin(θ/2)，其中n表示样本与物镜间介质折射率，θ为物镜镜口角，H为工作距离。NA越大，分辨率越高，但意味着θ变大，H变小。因此，若想获得较大的工作距离，就要以牺牲分辨率为代价。

基于此，本发明提出了一种多光束激光共交扫描轮廓仪来解决该问题。

【发明内容】

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种多光束激光共交扫描轮廓仪。该结构采用多束激光共交取代单光束共轭共焦，通过探测多束激光的重合交点实现轮廓测量。由于探测对象是多束激光之间的重合交点，因此扫描精度仅仅取决于多个光束之间的夹角，在原理上摆脱了物镜数值孔径NA的限制，因此工作距离相比传统激光共焦扫描轮廓仪可以无限倍增加。

本发明通过以下技术方案实现：

一种多光束激光共交扫描轮廓仪，包括多组光源及一个探测器；所述探测器放置在被测物体的上方，所述多组光源以探测器的轴心对称设置，多组光源共交在被测物体上后，通过反射被探测器捕捉。

多组光源分别由多组激光器发出而形成。

多组光源由一个激光器发出后经分光镜而分为多组光源，然后通过反射镜到达被测物体。

在每组光源的光路上于光源与被测物体之间设置有光源孔径，光源通过光源孔径形成点光源，确保两点共交于一点实现被测物体的逐点扫描。

所述探测器的入口设置有探测孔径，反射光经探测孔径后到达探测器，所述探测孔径为点光源衍射的中心亮斑的直径。

相邻光源的夹角为：0°＜α＜180°。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：由于本发明采用多束激光共交于一点的方法实现轮廓测量，原理上摆脱了物镜聚焦对工作距离H的限制，因此工作距离可以无限地增加。扫描分辨率由激光束细化程度和光束之间的夹角α决定。

【附图说明】

图1为传统的激光共聚焦扫描轮廓仪光路原理图；

图2为本发明的多光束激光共交扫描轮廓仪实施例1的结构示意图；

图3为本发明的多光束激光共交扫描轮廓仪实施例2的结构示意图；

图4为本发明中各光束夹角对光强分布的影响规律示意图。

其中，1为激光光源；2为光源针孔；3为探测针孔；4为分光镜；5为探测器；6为物镜；7为被照物体；8为反射镜。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

如图2所示，本发明涉及的一种新型的多光束激光共交激光扫描轮廓仪，包括两套独立光路结构，每套光路结构分别主要由激光光源1和光源孔径2组成；两套光路结构对称布置；激光光源1发出的光分别通过各自的光源孔径2形成点光源，确保两点共交于一点实现被测物体7的逐点扫描；反射光通过探测孔径3到达探测器5。

在上述结构中，探测器5位于被测物体的上方，最好位于正上方，这样，探测器的轴线与被测物体的中心线重合，两束光源的光路以探测器的轴线对称设置，如果光源不为两束而为若干束光源，则该若干束光源均匀分布在以探测器的轴线为中心的位置上。

实施例2

请参阅图3所示，为本发明实施例2的结构示意图，与实施例1的区别在于：光源的来源。在实施例1中，共有两束光，该两束光分别来自于两个激光器，而在实施例2中，光源也是两束，但是该两束光来自于一个激光器，也就是说，在实施例2中的激光器的光路上设置一个分光器，以探测器的轴心为对称轴，与激光器对称的位置设置一个反光镜，这样，激光器发出的光，经分光镜分为两束，一束经过物镜后直接到达被测物体，另外一束到达反射镜，经过反射镜反射后到达被测物体，但是，与实施例1相同，被分光后的两束光仍然保证共交于一点实现被测物体7的逐点扫描，最后经过反射被探测器捕捉。

在本发明中，探测器的探测精度取决于相邻光源之间的夹角α，如图2和图3所示，α越大，在结构空间允许的情况下，两套光路结构之间的夹角越大，探测精度越高。

与现有激光共焦轮廓仪相比，本发明具有以下明显优势：

1、本发明采用了一种新型的激光共交扫描结构，即采用多束激光共交取代共轭共焦；该结构在原理上不需限制探测针孔、光源针孔关于物镜焦平面共轭，只需多束激光束可以相交于一点即可。而传统的轮廓仪采用一束激光，如果不共轭共焦，目标点是离焦的，探测器就无法探测到目标点。因此本发明在布置上更加灵活，在结构上更加简单、紧凑。

2、本发明涉及的激光轮廓仪，分辨率由激光束细化程度和各光束之间的夹角决定，激光束之间的夹角越大，光强分布相对交点位置的变化越明显，系统分辨率越高。如图4所示，夹角越大，光强随着位置变化越尖锐，这种情况下偏离交点位置很小的量，探测到的光强都会有较大的变化，因此分辨率高(也即灵敏度高)；而夹角越小，光强随着位置变化平缓，位置变化量较大时，才会检测到光强的变化，因此分辨率低。

3、传统激光共焦轮廓仪中探测孔径不能过大，否则会失去共焦探测作用或引入杂光，降低系统分辨率；又不能过小，会降低探测效率，而本发明涉及的新型激光共交扫描轮廓仪，光信号强度在光路行程中没有过多的损失，可保持较高的强度，在这种情况下可以通过调小探测孔径提高系统分辨率(该孔径的理想值一般为点光源衍射的中心亮斑的直径)。

4、本发明涉及的激光共焦扫描轮廓仪，可通过布置多套独立激光的结构有效减少扫描盲区，提高扫描轮廓的完整度和点云质量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多光束激光共交扫描轮廓仪，其特征在于，包括多组光源及一个探测器(5)；所述探测器(5)放置在被测物体(7)的上方，所述多组光源以探测器(5)的轴心对称设置，多组光源共交在被测物体上后，通过反射被探测器(5)捕捉。

2.根据权利要求1所述的一种多光束激光共交扫描轮廓仪，其特征在于，多组光源分别由多组激光器发出而形成。

3.根据权利要求1所述的一种多光束激光共交扫描轮廓仪，其特征在于，多组光源由一个激光器发出后经分光镜而分为多组光源，然后通过反射镜到达被测物体。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种多光束激光共交扫描轮廓仪，其特征在于，在每组光源的光路上于光源与被测物体之间设置有光源孔径(2)，光源通过光源孔径形成点光源，确保两点共交于一点实现被测物体(7)的逐点扫描。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种多光束激光共交扫描轮廓仪，其特征在于，所述探测器的入口设置有探测孔径，反射光经探测孔径后到达探测器，所述探测孔径为点光源衍射的中心亮斑的直径。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种多光束激光共交扫描轮廓仪，其特征在于，相邻光源的夹角为：0°＜α＜180°。