CN107883895B - 多光源激光检测传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光源激光检测传感器，包括：光源、成像透镜、图像传感器、激光功率控制器和检测信息处理器，所述的光源由至少二个激光发射装置构成，各激光发射装置均与激光功率控制器相连接，各激光发射装置发射的光面投射于待测物体表面形成线状光纹；各激光发射装置发射的面状激光位于同一平面内，且各激光发射装置的发射角度相交。该多光源激光检测传感器能有效降低被测表面的相对面的反光干扰及检测盲区、从而提高检测精度。

Description

多光源激光检测传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及多光源激光检测传感器及其检测方法。

背景技术

近年来激光技术迅猛发展，由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好以及能量密度高等特点，因而激光技术广泛应用于工业生产、通讯、信息处理等领域，尤其在焊接、切割、测量等工业生产中应用更为广泛。

在测量物体距离、检测物体形貌的非接触测量过程中通常采用激光检测传感器进行测量，目前常见的激光检测传感器在非接触测量时，尤其是针对凹凸形貌的待测物体表面进行非接触测量时容易受待测物体表面及待测物体表面的相对面的反光干扰影响，从而导致激光检测传感器的检测精度降低或导致检测结果失效。此外，当需要检测凹凸形貌的物体的凹面形貌、尤其是凹度较大的凹面形貌时，极易出现待测物体表面被遮挡现象，存在检测盲区。

发明内容

本发明所需解决的技术问题是：提供一种能有效降低待测物体表面的相对面的反光干扰及检测盲区的多光源激光检测传感器，以及多光源激光检测传感器的检测方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的多光源激光检测传感器，包括：光源、成像透镜、图像传感器，光源发出的光投射于待测物体表面，经待测物体表面向外反射形成漫反射光，成像透镜和图像传感器间隔设置于漫反射光的传播路径上，漫反射光经成像透镜投射于图像传感器上；还包括激光功率控制器和检测信息处理器，检测信息处理器与图像传感器相连接，检测信息处理器能接收从图像传感器输出的信号并进行处理；所述的光源由至少二个激光发射装置构成，各激光发射装置均与激光功率控制器相连接，激光功率控制器控制各激光发射装置的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度，光源发出的光面投射于待测物体表面形成线状光纹，各激光发射装置发射的面状激光位于同一平面内，且各激光发射装置的发射角度相交。

进一步地，前述的多光源激光检测传感器，其中，所述的光源由2～4个激光发射装置构成。

进一步地，前述的多光源激光检测传感器，其中，在位于待测物体表面与成像透镜之间的漫反射光束传播路径上还设置有窄带滤光片。

进一步地，前述的多光源激光检测传感器，其中，所述的激光发射装置包括：半导体激光器，在激光束的光束传播路径上依次间隔设置有第一正透镜、第二正透镜、负透镜和能使点状光斑扩散成线状光斑的扩散元件，激光束经第一正透镜、第二正透镜、负透镜后在负透镜后方形成点状光斑，而后通过扩散元件扩散后在待测物体表面形成线状光斑；所述的第一正透镜为新月形透镜，新月形透镜的凹面朝向激光器方向，新月形透镜的凸面朝向激光束传播方向，且新月形透镜的凸面曲率半径小于新月形透镜的凹面曲率半径。

进一步地，前述的多光源激光检测传感器，其中，所述的第二正透镜为双凸透镜，所述的负透镜为凸凹透镜，凸凹透镜的凸面朝向激光器方向，凸凹透镜的凹面朝向激光束传播方向。

进一步地，前述的多光源激光检测传感器，其中，双凸透镜上朝向激光束传播方向的凸面曲率半径小于双凸透镜上朝向半导体激光器方向的凸面曲率半径。

进一步地，前述的多光源激光检测传感器，其中，凸凹透镜的凸面曲率半径大于凸凹透镜的凹面曲率半径。

进一步地，前述的多光源激光检测传感器，其中，凸凹透镜中凸面的曲率中心到半导体激光器的距离小于凸凹透镜中凹面的曲率中心到半导体激光器的距离。

上述的多光源激光检测传感器的检测方法包括以下步骤：

（1）工作初期判断待测物体表面的反射性能：使任一激光发射装置点亮，若图像传感器中有激光照射面的反射影像及其相对面的反射影像，则说明待测物体表面的反射性强；若图像传感器中显示的激光照射面的反射影像及其相对面的反射影像暗淡弥散或不存在，则说明待测物体表面的反射性弱；使各个激光发射装置轮流点亮，重复上述过程，提高判断的正确性；

（2）工作初期判断待测物体表面的吸光性能：使任一激光发射装置点亮，若图像传感器中激光照射面的反射影像暗，则说明待测物体表面的吸光率高，反之则说明待测物体表面的吸光率低；使各个激光发射装置轮流点亮，重复上述过程，提高判断的正确性；

（3）工作初期调整光强及形貌检测：根据步骤（1）、（2）的检测结果，调整光强，使光纹成像清晰而无过度曝光；对于反射性强的待测物体表面，启用激光发射装置轮流点亮模式来检测待测物体表面形貌；对于吸光性强的待测物体表面，启用激光发射装置同时点亮模式来检测待测物体表面形貌；

（4）形貌检测过程中调整光强：正常检测过程中，判断剔除了二次反射段的光纹平均亮度，设置初始调整阈值，超出阈值若干次，则进行调整；若待测物体表面的反射性强，通过激光功率控制器降低激光发射功率，但是每次降低的幅度要小于使平均亮度达到最佳值的状态；若待测物体表面的反射性弱且吸光率高，通过激光功率控制器提高激光发射功率，但是每次提高的幅度要小于使平均亮度达到最佳值的状态；

（5）光强调整阈值逐步优化：正常检测过程中，每次调整光强后，在计算待测物体表面形貌特征的过程中，对光强的合理程度进行评分，剔除低频出现的调整规律，优化调整阈值、调整幅度，用于后续检测过程。

本发明的有益效果是：多光源激光检测传感器在测量过程中能有效降低待测物体表面及其相对面带来的反光干扰影响，大大提高了多光源激光检测传感器的检测精度，检测结果的可靠性和准确性高；此外该多光源激光检测传感器基本不存在检测盲区，适用性非常好。

附图说明

图1是本发明所述的多光源激光检测传感器的结构示意图。

图2是图1中各光源与待测物体表面间的工作状态结构示意图。

图3是图像传感器中显示的影像示意图。

图4是采用本申请所述的多光源激光检测传感器检测凹面形貌较深的物体的示意图。

图5是激光发射装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。

本发明是基于三角测量原理，通过采用至少二个光源照射来针对凹凸形貌的物体表面进行非接触测量，从而得到物体表面的形貌的。如图1和图2所示，本实施例所述的多光源激光检测传感器，包括：光源、成像透镜2、图像传感器3，图光源发出的光投射于待测物体表面、经待测物体表面向外反射形成漫反射光，成像透镜2和图像传感器3间隔设置于漫反射光的传播路径上，漫反射光经成像透镜2投射于图像传感器3上。所述的多光源激光检测传感器还包括激光功率控制器和检测信息处理器，检测信息处理器与图像传感器3相连接，检测信息处理器能接收从图像传感器3输出的信号并进行处理。所述的光源由至少二个激光发射装置构成，各激光发射装置均与激光功率控制器相连接，，激光功率控制器控制各激光发射装置的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度，光源发出的光面投射于待测物体表面形成线状光纹；各激光发射装置发射的面状激光位于同一平面内，且各激光发射装置的发射角度相交。在位于待测物体表面与成像透镜2之间的漫反射光束传播路径上还设置有窄带滤光片4，窄带滤光片4的设置能提高图像传感器3得到的光纹影像的清晰度，进一步提高多光源激光传感器的检测精度。

如图5所示，本实施例中所述的激光发射装置包括：半导体激光器7，在激光束的光束传播路径上依次间隔设置有第一正透镜81、第二正透镜82、负透镜9和能使点状光斑扩散成线状光斑的扩散元件10，激光束经第一正透镜81、第二正透镜82、负透镜9后在负透镜9的后方形成点状光斑，而后通过扩散元件10扩散后在待测物体表面形成线状光斑。所述的第一正透镜81为新月形透镜，新月形透镜的凹面朝向激光器方向，新月形透镜的凸面朝向激光束传播方向，且新月形透镜的凸面曲率半径小于新月形透镜的凹面曲率半径。所述的第二正透镜82为双凸透镜，所述的负透镜9为凸凹透镜，凸凹透镜的凸面朝向激光器方向，凸凹透镜的凹面朝向激光束传播方向。双凸透镜上朝向激光束传播方向的凸面曲率半径小于双凸透镜上朝向半导体激光器方向的凸面曲率半径。凸凹透镜的凸面曲率半径大于凸凹透镜的凹面曲率半径。凸凹透镜中凸面的曲率中心到半导体激光器的距离小于凸凹透镜中凹面的曲率中心到半导体激光器的距离。其中将点状光斑扩散成线状光斑的扩散元件9为本领域技术人员所公知的，如柱面镜等扩散元件都可以将点状光斑扩散成线状光斑，因此，这里对扩散元件9的结构不做具体限定，只要扩散元件9具有将点状光斑扩散成线状光斑的功能即可。

上述的多光源激光检测传感器的检测方法包括以下步骤：

（1）工作初期判断待测物体表面的反射性能：使任一激光发射装置点亮，若图像传感器中有激光照射面的反射影像及其相对面的反射影像，则说明待测物体表面的反射性强；若图像传感器中显示的激光照射面的反射影像及其相对面的反射影像暗淡弥散或不存在，则说明待测物体表面的反射性弱；使各个激光发射装置轮流点亮，重复上述过程，提高判断的正确性；

（2）工作初期判断待测物体表面的吸光性能：使任一激光发射装置点亮，若图像传感器中激光照射面的反射影像暗，则说明待测物体表面的吸光率高，反之则说明待测物体表面的吸光率低；使各个激光发射装置轮流点亮，重复上述过程，提高判断的正确性；

（3）工作初期调整光强及形貌检测：根据步骤（1）、（2）的检测结果，调整光强，使光纹成像清晰而无过度曝光；对于反射性强的待测物体表面，启用激光发射装置轮流点亮模式来检测待测物体表面形貌；对于吸光性强的待测物体表面，启用激光发射装置同时点亮模式来检测待测物体表面形貌；

（4）形貌检测过程中调整光强：正常检测过程中，判断剔除了二次反射段的光纹平均亮度，设置初始调整阈值，超出阈值若干次，则进行调整；若待测物体表面的反射性强，通过激光功率控制器降低激光发射功率，但是每次降低的幅度要小于使平均亮度达到最佳值的状态；若待测物体表面的反射性弱且吸光率高，通过激光功率控制器提高激光发射功率，但是每次提高的幅度要小于使平均亮度达到最佳值的状态；

（5）光强调整阈值逐步优化：正常检测过程中，每次调整光强后，在计算待测物体表面形貌特征的过程中，对光强的合理程度进行评分，剔除低频出现的调整规律，优化调整阈值、调整幅度，用于后续检测过程。

关于步骤（3）中具体检测待测物体表面形貌的过程如下所示，本实施例以测量待测物体凹面形貌——焊缝11为例进行说明，为方便论述，这里将焊缝11一侧面定义为BC段，将BC段的相对面定义为DC段，BC段和DC段构成一个完整的焊缝11。对于常见的焊缝，一般采用2～4个激光发射装置即可满足测量精度需求，本实施例中以设置二个激光发射装置：第一激光发射装置61、第二激光发射装置62为例进行说明。

如图2和图3所示，对于由不锈钢、铝合金等反光性强的材质制成的待测物体，该类待测物体表面的反射率高，图像传感器3接收的影像存在待测物体表面的反射影像及其相对面的反射影像，反光干扰大会干扰检测效果，此时可通过激光功率控制器控制第一激光发射装置61、第二激光发射装置62，使第一激光发射装置61和第二激光发射装置62在图像传感器3的曝光时间内轮流点亮来检测焊缝11的形貌，即确定C点位置。

当第一激光发射装置61在图像传感器3的曝光时间内点亮时，图像传感器3接收的影像显示BC段的光纹bc、BC段的反射光纹cb’、DC段的光纹dc和DC段的反射光纹cd’，其中BC段的光纹bc的亮度高于DC段的光纹dc和BC段的反射光纹cb’的亮度， BC段的反射光纹cb’的亮度高于DC段的反射光纹cd’。

当第二激光发射装置62在2D相机曝光时间内点亮时，图像传感器3接收的影像显示BC段的光纹bc、BC段的反射光纹cb’、DC段的光纹dc和DC段的反射光纹cd’，其中， DC段的光纹dc的亮度高于BC段的光纹bc 和DC段的反射光纹cd’的亮度，反射光纹cd’的亮度高于BC段的反射光纹cb’的亮度。

通过对比第一激光发射装置61和第二激光发射装置62在曝光时间内轮流点亮得到的影像，可以判断、剔除cb’、 cd’段，剔除这种二次反射（这两段是光纹的漫反射光，经过工件表面再次反射后进入透镜而成像的，其余线段是光纹仅经过漫反射而成的像）的影响，就可以更准确地求得C点位置。

参见图2和图3所示，对于反射率很低且吸光率又很高的待测物体表面，图像传感器3接收的影像基本不显示待测物体表面的反射影像及其相对面的反射影像，或者图像传感器3接收的影像显示的待测物体表面的反射影像及其相对面的反射影像暗淡弥散，即待测物体表面的反光干扰小，虽然待测物体表面的反光干扰小，但是待测物体表面的吸光率很高，因而图像传感器3接收的待测物体表面的影像会比较暗，因而需要增加待测物体表面的影像的光纹强度，提高图像传感器3接收的图像的信噪比，此时可通过激光功率控制器控制第一激光发射装置61、第二激光发射装置62，使第一激光发射装置61和第二激光发射装置62在2D相机曝光时间内同时点亮来检测焊缝11形貌，即可确定C点的精确位置。

同样，如图5所示，采用本发明所述的多光源激光检测传感器来检测深度较深的焊缝11时，即便焊缝的形貌会导致存在遮挡现象，依然可以通过多个激光发射装置的配合使用检测出重要的特征点C的准确位置，进而得到焊缝11的形貌特征。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明要求保护的范围。

本发明的优点是：多光源激光检测传感器在测量过程中能有效降低待测物体表面及待测物体表面的相对面带来的反光干扰影响，大大提高了多光源激光检测传感器的检测精度，检测结果的可靠性和准确性高；此外该多光源激光检测传感器基本不存在检测盲区，适用性非常好。

Claims (7)

1.多光源激光检测传感器，包括：光源、成像透镜、图像传感器，光源发出的光投射于待测物体表面，经待测物体表面向外反射形成漫反射光，成像透镜和图像传感器间隔设置于漫反射光的传播路径上，漫反射光经成像透镜投射于图像传感器上；其特征在于：还包括激光功率控制器和检测信息处理器，检测信息处理器与图像传感器相连接，检测信息处理器能接收从图像传感器输出的信号并进行处理；所述的光源由至少二个激光发射装置构成，各激光发射装置均与激光功率控制器相连接，激光功率控制器控制各激光发射装置的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度，光源发出的光面投射于待测物体表面形成线状光纹，各激光发射装置发射的面状激光位于同一平面内，且各激光发射装置的发射角度相交；

在位于待测物体表面与成像透镜之间的漫反射光束传播路径上还设置有窄带滤光片；

所述的激光发射装置包括：半导体激光器，在激光束的光束传播路径上依次间隔设置有第一正透镜、第二正透镜、负透镜和能使点状光斑扩散成线状光斑的扩散元件，激光束经第一正透镜、第二正透镜、负透镜后在负透镜后方形成点状光斑，而后通过扩散元件扩散后在待测物体表面形成线状光斑；所述的第一正透镜为新月形透镜，新月形透镜的凹面朝向激光器方向，新月形透镜的凸面朝向激光束传播方向，且新月形透镜的凸面曲率半径小于新月形透镜的凹面曲率半径。

2.按照权利要求1所述的多光源激光检测传感器，其特征在于：所述的光源由2～4个激光发射装置构成。

3.按照权利要求1所述的多光源激光检测传感器，其特征在于：所述的第二正透镜为双凸透镜，所述的负透镜为凸凹透镜，凸凹透镜的凸面朝向激光器方向，凸凹透镜的凹面朝向激光束传播方向。

4.按照权利要求3所述的多光源激光检测传感器，其特征在于：双凸透镜上朝向激光束传播方向的凸面曲率半径小于双凸透镜上朝向半导体激光器方向的凸面曲率半径。

5.按照权利要求3所述的多光源激光检测传感器，其特征在于：凸凹透镜的凸面曲率半径大于凸凹透镜的凹面曲率半径。

6.按照权利要求4或5所述的多光源激光检测传感器，其特征在于：凸凹透镜中凸面的曲率中心到半导体激光器的距离小于凸凹透镜中凹面的曲率中心到半导体激光器的距离。

7.按照权利要求1所述的多光源激光检测传感器的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）工作初期判断待测物体表面的反射性能：使任一激光发射装置点亮，若图像传感器中有激光照射面的反射影像及其相对面的反射影像，则说明待测物体表面的反射性强；若图像传感器中显示的激光照射面的反射影像及其相对面的反射影像暗淡弥散或不存在，则说明待测物体表面的反射性弱；使各个激光发射装置轮流点亮，重复上述过程，提高判断的正确性；

（2）工作初期判断待测物体表面的吸光性能：使任一激光发射装置点亮，若图像传感器中激光照射面的反射影像暗，则说明待测物体表面的吸光率高，反之则说明待测物体表面的吸光率低；使各个激光发射装置轮流点亮，重复上述过程，提高判断的正确性；

（3）工作初期调整光强及形貌检测：根据步骤（1）、（2）的检测结果，调整光强，使光纹成像清晰而无过度曝光；对于反射性强的待测物体表面，启用激光发射装置轮流点亮模式来检测待测物体表面形貌；对于吸光性强的待测物体表面，启用激光发射装置同时点亮模式来检测待测物体表面形貌；

（4）形貌检测过程中调整光强：正常检测过程中，判断剔除了二次反射段的光纹平均亮度，设置初始调整阈值，超出阈值若干次，则进行调整；若待测物体表面的反射性强，通过激光功率控制器降低激光发射功率，但是每次降低的幅度要小于使平均亮度达到最佳值的状态；若待测物体表面的反射性弱且吸光率高，通过激光功率控制器提高激光发射功率，但是每次提高的幅度要小于使平均亮度达到最佳值的状态；

（5）光强调整阈值逐步优化：正常检测过程中，每次调整光强后，在计算待测物体表面形貌特征的过程中，对光强的合理程度进行评分，剔除低频出现的调整规律，优化调整阈值、调整幅度，用于后续检测过程。