CN105547154B - 一种无透镜宽束平行光发射接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无透镜宽束平行光发射接收系统，包括点光源、柱型棱镜、发射用平面镜、发射抛物凹面镜、接收抛物凹面镜、接收用平面镜、滤光片以及CCD阵列检测器，点光源发射的光通过柱型棱镜转换为扇形光带，扇形光带通过发射用平面镜反射至发射抛物凹面镜表面，再由发射抛物凹面镜出射平行光带至待测样品表面，待测样品未遮挡的平行光带入射至接收抛物凹面镜表面，再由接收抛物凹面镜出射扇形光带至接收用平面镜，接收用平面镜将扇形光带出射至用于检测因待测样品遮挡平行光带产生暗角角度大小的CCD阵列检测器上。本发明的有益效果是：因该设计无透镜，质量小，所以提高了检测过程中的转动或摆动速率，不会因透镜质量过大而影响测量结果准确性。

Description

一种无透镜宽束平行光发射接收系统

技术领域

本发明涉及电子信息测量技术领域，尤其是涉及一种无透镜宽束平行光发射接收系统。

背景技术

轧钢是在旋转的轧辊间改变钢锭、钢坯形状的压力加工过程。通过轧钢处理可以使轧件获得所需的形状。为了检测轧钢过程中轧件是否达到目标尺寸，所以需要对轧件进行测量。传统的测量方法是利用透镜进行光测。但是由于待测样品尺寸越大，所需的测量系统尺寸便随之增大，这样透镜的质量就会随之增加。由于光测过程中或需要透镜进行转动或是摆动，所以其质量过大会导致惯性的增大，最终影响转动或摆动速率，使得测量结果不准确。

由此可见，如何研究出一种无透镜宽束平行光发射接收系统，具有质量小的优势，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种质量较小的无透镜宽束平行光发射接收系统。

本发明一种无透镜宽束平行光发射接收系统，包括光发射系统和光接收系统，所述光发射系统包括点光源、位于所述点光源右斜下方的柱型棱镜、位于所述柱型棱镜右下方的发射用平面镜和位于所述发射用平面镜左斜下方的发射抛物凹面镜，所述光接收系统包括与所述发射抛物凹面镜在水平方向对称设置的接收抛物凹面镜、位于所述接收抛物凹面镜左斜上方的接收用平面镜和位于所述接收用平面镜左斜上方的用于接收像面的CCD阵列检测器；

所述点光源发射的球面光通过所述柱型棱镜转换为扇形光带，所述扇形光带通过所述发射用平面镜反射至所述发射抛物凹面镜表面，再由所述发射抛物凹面镜出射平行光带至待测样品表面，所述待测样品未遮挡的所述平行光带入射至所述接收抛物凹面镜表面，再由所述接收抛物凹面镜出射所述扇形光带至所述接收用平面镜，所述接收用平面镜将所述扇形光带出射至所述CCD阵列检测器上。

进一步地，所述点光源为通过半球面LED发光管发射的单色点光源。

进一步地，所述接收用平面镜和所述CCD阵列检测器之间设有单色滤光片。

进一步地，所述单色滤光片位于所述接收用平面镜出射光的聚焦点上。

进一步地，位于所述发射抛物凹面镜和所述待测样品之间的光路上以及位于所述待测样品和所述接收抛物凹面镜之间的光路上均设置有玻窗。

进一步地，所述CCD阵列检测器的位置可调节。

本发明一种无透镜宽束平行光发射接收系统，与现有技术相比具有以下优点：

第一，该无透镜宽束平行光发射接收系统中不存在透镜，且整体质量很小，提高了在线快速检测过程中的转动或摆动速率，因此不存在因所述透镜质量过大而影响测量结果的可靠性弊端；该设计中点光源发射的光经所述柱型棱镜和所述发射抛物凹面镜形成光通量很强的平行光束，从而提高了检测信噪比；由于该设计使得测量所述待测样品的光束为所述平行光带即为单一远心光束，这样免除了光线接收系统依靠相应软件拼接处理的繁琐，并且由于该设计不存在色差、球差、畸变等像差，所以提高了测量结果的精确度；此外，该设计采用的是宽的所述平行光带测量所述待测样品的尺寸，即光束尺寸不受限制，这使得所述待测样品的尺寸范围大幅拓宽，进而提高了该无透镜平行光测量系统的普适性。

第二，该无透镜宽束平行光发射接收系统中所述点光源为通过半球面LED发光管发射的单色点光源。之所以采用LED发光管发射单色点光源是为了获得单色的所述平行光带的单一远心光束，这种光束利于滤除杂光和测量过程中光线信号的传输与接收，有助于对所述待测样品进行精确的尺寸测量；此外，由于所述半球面LED发光管在低功耗下使用，所以即使在高温环境下工作亦可极大延长其使用寿命，从而降低了轧钢生产线的检修率。

第三，该无透镜宽束平行光发射接收系统中所述接收用平面镜和所述CCD阵列检测器之间设有单色滤光片。之所以设置所述单色滤光片是为了滤去待测样品即轧件的红光或其他杂光，进而提高测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：

1、点光源 2、柱型棱镜 3、发射用平面镜

4、发射抛物凹面镜 5、待测样品 6、接收抛物凹面镜

7、接收用平面镜 8、单色滤光片 9、CCD阵列检测器

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

如图1所示，一种无透镜宽束平行光发射接收系统，包括光发射系统和光接收系统，所述光发射系统包括点光源1、位于所述点光源1右斜下方的柱型棱镜2、位于所述柱型棱镜2右下方的发射用平面镜3和位于所述发射用平面镜3左斜下方的发射抛物凹面镜4，所述光接收系统包括与所述发射抛物凹面镜4在水平方向对称设置的接收抛物凹面镜6、位于所述接收抛物凹面镜6左斜上方的接收用平面镜7和位于所述接收用平面镜7左斜上方的用于接收像面的CCD(ChargeCoupled Device)阵列检测器9。

所述点光源1发射的球面光通过所述柱型棱镜2转换为扇形光带。所述扇形光带通过所述发射用平面镜3反射至所述发射抛物凹面镜4表面，再由所述发射抛物凹面镜4出射平行光带至待测样品5表面。至此为该无透镜宽束平行光发射接收系统的光发射系统的光路。

所述待测样品5未遮挡的所述平行光带入射至所述接收抛物凹面镜6表面，再由所述接收抛物凹面镜6出射所述扇形光带至所述接收用平面镜7。所述接收用平面镜7将所述扇形光带出射至用于检测因所述待测样品5遮挡所述平行光带而产生暗角角度大小的所述CCD阵列检测器9上。至此为该无透镜宽束平行光发射接收系统的光接收系统的光路。

其中，点F和点F’分别为所述发射抛物凹面镜4和接收抛物凹面镜6的焦点；点B为所述柱型棱镜2出射的所述扇形光带的聚焦点；点B’为所述接收用平面镜7出射光的聚焦点。

本发明的所述平行光带可做成宽度不小于300mm的平行光束；该平行光带的光通量可达1mW/cm²以上。

由于测量系统处于高温环境，所述点光源1必须尽可能减小功耗以避免自身发热；为提高测量信噪比，所述平行光束又要求有较高光通量。为此将额定功率1W的所述半球面LED发光管降耗至100～150mW状态下使用，再经特制柱型棱镜压缩为宽度小于40mm，长度约300mm的扇形光带，经所述发射抛物凹面镜4整形后形成约100cm²的平行光束带，则光通量不低于1mW/cm²，已有足够的信噪比。若所述平行光束不需300mm宽，则更易解决。至于理想的发射抛物凹面镜4和接收抛物凹面镜6，可由精密加工中心精铣而得。

由于该设计中不存在透镜，且整体质量很小，所以不存在因所述透镜质量过大而影响测量系统转摆结果的可靠性弊端。由于该设计使得测量所述待测样品5平行光带为单一远心光束，这样免除了光线接收系统依靠相应软件拼接处理的繁琐，并提高了测量结果的准确度。此外，该设计采用的是较宽的所述平行光带测量所述待测样品5的尺寸，这使得所述待测样品5的尺寸范围大幅拓宽，进而提高了该无透镜平行光测量系统的普适性。

所述点光源1为半球面LED发光二级管具有很大的发射角且发射单色光。该设计采用单独LED发光管发射点光源是为了获得的所述平行光带为单一远心光束。这种光束利于测量过程中光线信号的传输与接收，有助于对所述待测样品5进行精确的尺寸测量。此外，由于所述半球面LED发光管在低功耗下使用，所以即使在高温环境下工作也不会缩短其使用寿命。

所述接收用平面镜7和所述CCD阵列检测器9之间设有单色滤光片8。之所以设置所述单色滤光片8是为了滤去待测样品5即轧件的红光或其他杂光，进而提高测量结果的准确性。

为了能使所述滤光片8滤去测量所不需的杂散光线信号，而使最终投射到所述CCD阵列检测器9上的光线信号是真实待测信号，所以将所述滤光片8置于所述接收用平面镜7出射光的聚焦点B’上。

位于所述发射抛物凹面镜4和所述待测样品5之间的光路上以及位于所述待测样品5和所述接收抛物凹面镜6之间的光路上均设置有玻窗。所述玻窗具有防尘和防潮的功能，以确保所述无透镜宽束平行光发射接收系统每个部件在干燥洁净的环境中工作，避免出现测量误差，为测量结果的准确性提供保障。

所述CCD阵列检测器9的位置可调节。即所述CCD阵列检测器9与所述接收用平面镜7之间的距离可调节。当所述CCD阵列检测器9距离所述接收用平面镜7越远时，所述CCD阵列检测器9得到的检测结果的精确度越高。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种无透镜宽束平行光发射接收系统，包括光发射系统和光接收系统，其特征在于：

所述光发射系统包括点光源(1)、位于所述点光源(1)右斜下方的柱型棱镜(2)、位于所述柱型棱镜(2)右下方的发射用平面镜(3)和位于所述发射用平面镜(3)左斜下方的发射抛物凹面镜(4)，所述光接收系统包括与所述发射抛物凹面镜(4)在水平方向对称设置的接收抛物凹面镜(6)、位于所述接收抛物凹面镜(6)左斜上方的接收用平面镜(7)和位于所述接收用平面镜(7)左斜上方的用于接收像面的CCD阵列检测器(9)；

所述点光源(1)发射的球面光通过所述柱型棱镜(2)转换为扇形光带，所述扇形光带通过所述发射用平面镜(3)反射至所述发射抛物凹面镜(4)表面，再由所述发射抛物凹面镜(4)出射平行光带至待测样品(5)表面，所述待测样品(5)未遮挡的所述平行光带入射至所述接收抛物凹面镜(6)表面，再由所述接收抛物凹面镜(6)出射所述扇形光带至所述接收用平面镜(7)，所述接收用平面镜(7)将所述扇形光带出射至所述CCD阵列检测器(9)上；

所述点光源(1)为通过半球面LED发光管发射的单色点光源。

2.根据权利要求1所述的无透镜宽束平行光发射接收系统，其特征在于：所述接收用平面镜(7)和所述CCD阵列检测器(9)之间设有单色滤光片(8)。

3.根据权利要求2所述的无透镜宽束平行光发射接收系统，其特征在于：所述单色滤光片(8)位于所述接收用平面镜(7)出射光的聚焦点上。

4.根据权利要求1所述的无透镜宽束平行光发射接收系统，其特征在于：位于所述发射抛物凹面镜(4)和所述待测样品(5)之间的光路上以及位于所述待测样品(5)和所述接收抛物凹面镜(6)之间的光路上均设置有玻窗。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的无透镜宽束平行光发射接收系统，其特征在于：所述CCD阵列检测器(9)的位置可调节。