CN106895796A - 一种精密轮廓扫描测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密轮廓扫描测量装置，该装置包括：激光发射单元，用于产生激光束；扫描单元：激光束照射到MEMS振镜上，振镜将激光束反射，同时做扫描动作，使发射激光束的路径呈一定张角的扇形区域；光学单元：用于聚焦激被被测物漫反射回来的激光，同时滤除环境中存在的光噪声；接收单元：获取光斑位置，并输出用于计算距离。伺服单元：带动测距功能部分，完成空间扫描功能。中央处理单元，用于协调其余各单元的工作，实时计算被测物距离。本发明采用可控MEMS振镜作为扫描单元的扫描结构，振镜的高频率、小体积的特点可实现整个测距装置的小型化设计要求，且成本低廉，易于推广。

Description

一种精密轮廓扫描测量系统

技术领域

本发明涉及激光应用及精密测量技术领域，尤其涉及一种基于激光的MEMS扫描振镜和位置检测器的轮廓扫描测量系统，可以实现精密轮廓扫描测量的功能。

背景技术

激光由于具有单色性好、方向性强、亮度高等特点已广泛应用于社会生活的各个方面，而轮廓扫描测量技术更是激光应用技术领域的一个重要方面。

位置检测器是一种光能/位置转换器，将位置信息转换成电学量输出，具备精度高，响应速度快，分辨率高和价格低的特点。

MEMS振镜是一种基于MEMS技术制作而成的微小可驱动反射镜。与传统的光学扫描镜相比，具有重量轻、体积小、易于大批量生产，生产成本低的优点。在光学、机械性能和功耗方面表现突出，因此MEMS振镜在扫描显影领域得到应用。

传统的轮廓大都采用触针式轮廓测量仪完成，其工作原理要求触针必须与被测对象发生接触，因此会划伤被测对象表面，而且无法完成对柔性对象的测量。同时，其还存在维护费用高，校准困难等缺点。

近年来，随着科技的进步，激光测距技术也逐渐成熟，并且也逐渐应用到轮廓的测量中。目前，已知的轮廓扫描测量系统由激光器、光学系统、光电元件、计算电路及旋转机构组成。激光器发射结构光照射到被测物体上，在被测物体表面形成线性结构光。反射光经光学系统处理后在光电元件上形成反应被测对象轮廓的信息。同时伺服机构带动上述各部分运动，便可实现轮廓测量的功能。一般上述实现轮廓测量功能的系统中的旋转机构为电机，这就导致无法进一步小型化。同时，由于电机控制本身存在的高速转动工作条件下转速的控制问题无法实现高速测距；再则，实现基本功能需要系统提供结构光，并使反射光被光电元件接收到，功耗大不利于便携。

发明内容

为了克服现有轮廓测量系统不能小型化，精度较差、无法高速测量扫描测量的不足，本发明设计了一种轮廓扫描测量系统，该系统基于MEMS扫描振镜和位置检测系统，不仅能够实现扫描测量，同时还可以实时计算距离并输出的功能，而且有利于实现测距系统的小型化。该装置包括：

中央处理单元，用于协调各单元工作；

激光发射单元，用于发射激光光束，并照射到MEMS扫描振镜上；

扫描单元，用于将激光发射单元发射的激光束反射出去形成扇形扫描面；

光学单元，用于将从障碍物反射回来的光进行整形汇聚，并滤除环境光等光噪声；

接收单元，用于接收被测物反射回来的激光，并将光斑的位置信息输出。

伺服单元，用于移动以上各单元，使完成轮廓扫描测量目的。

所述的中央处理单元包括：中央处理器及周边电路，负责实时控制激光发射单元、扫描单元及接收单元的工作，并实时计算测量数据、输出距离信息。

所述的激光发射单元包括：激光管和准直部件，激光管发射的激光经准直部件后形成准直性较好的激光光束，照射到MEMS扫描振镜上。

所述的扫描单元包括：MEMS扫描振镜及驱动电路，MEMS扫描振镜在驱动电路的作用下绕旋转轴做往复运动，将照射到其上的激光光束反射出去形成扇形区域，同时将转动的角度信息输出给中央处理单元。

所述的光学单元包括：透镜和滤光片，被测物对照射到其上的激光光束做漫反射，透镜负责收集漫反射光线，并在接收单元表面聚焦成光斑。滤光片负责滤除除照射激光以外的环境光噪声。

所述的接收单元包括：位置检测器及周边电路，位置检测器在周边电路的作用下将光信号转换成电信号，并输出被测对象表面轮廓信息给中央处理单元。

所述的激光发射单元发射的光束光轴与MEMS扫描振镜的中心重合。

所述的光学单元与接收单元的光轴重合。

所述的光束、光学单元与接收单元在同一光学平面内。

所述的中央处理单元、激光发射单元、扫描单元、光学单元、接收单元封装在固定结构体内。

所述的伺服单元拖动各单元组成的结构体。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：中央处理单元控制激光器发射激光光束，光束照射到MEMS扫描振镜上，MEMS扫描振镜在中央处理单元的控制下做扫描动作，被MEMS扫描振镜反射的激光光束路径形成张角与MEMS振镜机械角相关的扇形区域，某一时刻，激光束照射到被测物体上，反射光束经光学系统聚焦后在位置检测器表面形成光斑，中央处理单元根据光斑在的位置便可实时计算当前被测物体的距离，MEMS扫描振镜的扫描动作可以保证实现扇形区域内的光束平片与被测对象平面相交线的轮廓信息，而伺服单元拖动前述的结构体运动可实现精密轮廓扫描测量的功能。

本发明的优点是，可以实现小型化，高速，低功耗的在线精密轮廓扫描测量功能。适用于对安装尺寸及高速轮廓测量或实时性有较高要求的应用场景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的装置系统构成图。

图2是本发明的距离计算原理图。

图3是本发明的实体构造图。

图中，1.激光器，2.MEMS振镜，3.位置检测器，4.透镜，5.被测对象，6.滤光片，7.激光准直、调整部件。

具体实施方式

在图1中，轮廓装置由中央处理单元、激光发射单元、扫描单元、接收单元、光学单元和伺服单元构成，中央单元控制激光发射单元的激光光束发射、扫描单元的扫描频率及幅值，同时，扫描单元将MEMS扫描振镜的实时角度反馈给中央处理单元，接收单元接收经光学单元整形后的激光光束，并将光斑位置输出，MEMS振镜动作获取扫描路径内的各点距离信息，伺服单元拖动以上各单元获取被测对象轮廓信息。

在图2中，振镜（2）中心与透镜（4）中心之间的距离为h，基准（振镜中心与透镜中心的连线）与参考（由装置结构尺寸确定）间的距离为L，透镜（4）与位置检测器(3)之间的距离为l´。某一时刻，激光器（1）发出的光束照射到MEMS振镜（2）上，MEMS振镜（2）反射的激光光束与基准（振镜中心与透镜中心的连线）间的夹角为α，激光束照射到被测物后发射的光经透镜（4）和滤光片（6）作用后，在位置检测器(3)上形成的光斑距离原点的距离为d，则根据三角形原理及正弦定理可以计算被测物体距基准的距离为：

在图3中，装置机构图，激光器（1）放射激光经准直部件（7）准直形成光束，照射在MEMS扫描振镜（2）上，准直部件（7）安放在激光器（1）与MEMS扫描振镜（2）中间，激光光束光轴与MEMS扫描振镜（2）中心共线。光束被MEMS扫描振镜（2）反射照射到被测物上，漫反射光依次经过透镜（4）、滤光片（6）在位置检测器形成光斑，根据此光斑的位置计算被测物（5）的距离，滤光片（6）安放在透镜（4）与滤光片（6）中间。其中，MEMS扫描振镜（2）中心、透镜（4）光轴、滤光片（6）光轴、位置检测器工作区域四者在同一光学平面内。

Claims (7)

1.一种精密轮廓扫描测量装置，由激光器、MEMS扫描振镜、位置检测系统、透镜、滤光片按照一定角度及距离安装，其特征是：激光发射光束，其光束运动路径形成扇形区域，照射扇形区域内的被测物体，被测物体反射光束作用在位置检测系统上形成光斑，再根据光斑的位置计算被测物体的距离，之后跟据各点的距离数据计算被测对象单线上的距离由伺服单元使得被测物体和所述装置发生相对位置运动从而重构出被测物体的轮廓。

2.根据权利要求1所述的精密轮廓扫描测量装置，其特点在于：激光光束运动路径形成扇形区域的步骤为：激光光束照射的MEMS扫描振镜中心，由MEMS扫描振镜的扫描动作使反射光束路径形成扇形区域。

3.根据权利要求1所述的精密轮廓扫描测量装置，其特点在于：被测物体反射光束作用在位置检测器上形成光斑的步骤包括：反射经透镜汇聚作用及滤光片的去噪后在位置检测器表面形成光斑。

4.根据权利要求1所述的精密轮廓扫描测量装置，其特点在于：获得各点的距离信息后，采取点云的拼接算法，计算被测对象的轮廓。

5.根据权利要求2所述的精密轮廓扫描测量装置，其特征在于：激光器发射光束、准直部件与光轴与振镜的中心同轴安装。

6.根据权利要求3所述的精密轮廓扫描测量装置，其特征在于：透镜、滤光片与位置检测系统同轴且平行安装。

7.根据权利要求1所述的精密轮廓扫描测量装置，其特征在于：扫描装置和伺服单元发生相对运动。