CN108680116A - 激光传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光传感器，包括：激光发射器、成像透镜、图像传感器、反光镜和驱动电机，反光镜固定设置于驱动电机的电机轴上，且驱动电机能驱动反光镜相对电机轴轴心线摆动；激光发射器发出的激光束经反光镜反射于待测物体表面形成点状光斑，然后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接收路径上，且成像透镜和图像传感器均位于激光传感器前进方向的左侧或右侧，漫反射光经成像透镜后投射于图像传感器上。该激光传感器的抗环境干扰能力强，检测可靠、准确，且在测量前进方向上的长度短。

Description

激光传感器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光传感器。

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，因而激光三角测量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，通常采用激光传感器进行测量，目前常用的激光传感器采用能投射出一个扇形光面的激光发射器在物体形貌上形成一道光斑，然后再采用图像传感器采集、分析该光斑。该类激光传感器在测量过程中，尤其是针对测量表面反光性强的待测物体，极易产生干扰现象，因而该类激光传感器应用受限。

激光传感器通常与执行系统配合使用，该类激光传感器在测量一个区域时，执行系统带动激光传感器前进，激光传感器前进方向垂直于、或大致垂直于激光面，而一般的激光传感器是将成像透镜、图像传感器布置在激光传感器前进的方向上，那么激光传感器前进方向上的长度就较长。如果在待测物体前进方向的尽头存在障碍物，就很难完成前进方向上对待测物体的所有形貌的测量，可达性非常差。

发明内容

本发明所需解决的技术问题是：提供一种抗环境光干扰能力强的激光传感器，该激光传感器在测量前进方向上的长度相比传统的激光传感器在测量前进方向上的长度要短。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的激光传感器，包括：激光发射器、成像透镜、图像传感器、反光镜和驱动电机，反光镜固定设置于驱动电机的电机轴上，且驱动电机能驱动反光镜相对电机轴轴心线摆动；激光发射器发出的激光束经反光镜反射于待测物体表面形成点状光斑，然后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接收路径上，且成像透镜和图像传感器均位于激光传感器前进方向的左侧或右侧，漫反射光经成像透镜后投射于图像传感器上。上述结构的激光传感器就可以检测到包含深度方向信息与左右方向信息的待测物体轮廓。这时需要采用复杂的面阵图像传感器。

进一步地，前述的激光传感器，其中，驱动电机驱动反光镜相对电机轴轴心线摆动时，激光束所在直线扫过一个扫描平面，使成像透镜的主光轴与激光束扫过的扫描平面共面，图像传感器就可以采用一个简单的线阵感光元件，这时还需使图像传感器的感光线与扫描平面共面。

进一步地，前述的激光传感器，其中，使进入反光镜的激光束垂直于电机摆动轴线，反光镜的摆动轴线垂直于激光束所在直线扫过的扫描平面，成像透镜的主光轴与扫描平面共面，则图像传感器检测到的成像点的位置与待测物体表面点状光斑的对应关系将得到简化，便于信息处理。

进一步地，前述的激光传感器，其中，还包括折光元件，漫反射光经成像透镜后投射于折光元件上，然后经折光元件反射于图像传感器上；或者漫反射光投射于折光元件上，然后经折光元件后经成像透镜后投射于图像传感器上。

进一步地，前述的激光传感器，其中，所述的成像透镜由第一成像透镜和第二成像透镜组成，图像传感器由第一图像传感器和第二图像传感器组成，第一成像透镜和第一图像传感器位于激光传感器前进方向的左侧，第二成像透镜和第二图像传感器位于激光传感器前进方向的右侧。本发明采用增加一组成像透镜、图像传感器的方法达到平衡检测左右侧信息的敏感程度目的，对提高检测精度有益。

进一步地，前述的激光传感器，其中，反光镜设置于驱动电机的电机轴心线处，且驱动电机驱动反光镜相对电机轴轴心线摆动时，反光镜反射面上的水平中心线与电机轴轴心线重合；激光发射器发出的光束投射于反光镜反射面上的水平中心线上。

进一步地，前述的激光传感器，其中，反光镜的质心与电机轴轴心线重合。

进一步地，前述的激光传感器，其中，所述的驱动电机为摆动电机，在摆动电机的电机轴上设置有用于测量反光镜摆动角度的角度检测器。

进一步地，前述的激光传感器，其中，所述的摆动电机为扇形电机，角度检测器为扇形编码器。

进一步地，前述的激光传感器，其中，激光发射器与激光功率控制器相连接，激光功率控制器控制激光发射器的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度；图像传感器与检测信息处理器相连接。

本发明的有益效果是：该激光传感器抗环境干扰能力强，有效提高激光传感器的检测可靠性及准确性；此外，该激光传感器在测量前进方向上的长度相比传统的激光传感器在测量前进方向上的长度要短。

附图说明

图1是本发明所述的激光传感器的第一种实施例的结构示意图。

图2图1中右视方向去除激光发射器、成像透镜、图像传感器后的激光传感器与焊枪、工件配合使用的使用状态图。

图3是本发明所述的激光传感器的第二种实施例的结构示意图。

图4是本发明所述的激光传感器的第三种实施例的结构示意图。

图5是本发明所述的激光传感器的第四种实施例的结构示意图。

图6是图5中右视方向去除激光发射器、成像透镜、图像传感器后的激光传感器与焊枪、工件配合使用的使用状态图。

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。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例所述的激光传感器，包括：激光发射器1、成像透镜2、图像传感器3、反光镜6和驱动电机4，反光镜6固定设置于驱动电机4的电机轴上，且驱动电机4能驱动反光镜6相对电机轴轴心线10摆动。

为方便描述，将激光传感器前进方向，即图2中Y轴的正方向，定义为“前”。激光发射器1发出的激光束投射于反光镜6的反射面上，经反光镜6的反射面反射于待测物体9表面形成点状光斑，然后经待测物体9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接收路径上，且成像透镜2和图像传感器3均位于激光传感器1前进方向的左侧或右侧，漫反射光经成像透镜2后投射于图像传感器3上。

激光发射器1发出的激光束经反光镜6反射于待测物体9表面形成点状光斑，我们将这种激光发射器1称之为点激光，采用点激光扫描照射待测物体9表面，由于点状光斑的照射亮度远比线状光斑的照射亮度强，可以提高激光传感器的抗环境光干扰能力。

激光发射器1发出的激光束经反光镜6反射于待测物体9表面形成点状光斑，然后经待测物体9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接收路径上。当驱动电机4驱动反光镜6相对电机轴轴心线10摆动时，激光束就会形成一个扫描平面，在待测物体9的表面形成一系列点状光斑，各个光斑则通过成像透镜2在图像传感器3的表面成像。在这种扫描平面与扫描轴线、成像透镜主光轴之间无特殊关系的情况下，图像传感器3须采用复杂的面阵感光元件。

如果使成像透镜2的主光轴与激光束扫过的扫描平面共面，那么光斑的像也将全部分布在扫描平面内，那么只需将图像传感器的感光线与扫描平面共面，就可以采用一个简单的线阵感光元件。

如果使入射到反光镜6的激光束垂直于电机的摆动轴轴心线10，激光束所在直线扫过的平面将垂直于反光镜6的摆动轴线，那么图像传感器检测到的成像点的位置与待测物体9表面点状光斑的对应关系将得到简化，便于信息处理。

根据三角测量原理，图1中所示观察角β越接近90°越有利于提高Z轴方向上深度信息的检测灵敏度。本实施例中，将成像透镜2和图像传感器3设置于激光传感器1前进方向的侧面，即在图像传感器3的X轴方向上，则投射于待测物体9表面的激光束所在直线与漫反射光所在直线的夹角β可以较大，而夹角不受激光传感器在前进方向上长度要求的限制，即在图2中Y坐标正方向上激光传感器长度的限制对夹角β的大小没有约束作用。上述结构的设置，在保证检测精度的基础上，大大缩短了激光传感器在测量前进方向上的长度，有效提高激光传感器的可达性。

本实施例中所述的驱动电机4可以采用伺服电机，通过控制伺服电机中的电流方向实现电机轴的摆动，当然也可直接采用摆动电机。在摆动电机的电机轴上设置有用于测量反光镜6摆动角度的角度检测器5，设置角度检测器5可以更好地了解、控制反光镜6的摆动角度。

在实际测量过程中，不同待测物体9表面的反光度、凹凸程度等各不相同，因而针对不同待测物体9进行检测时，通常需要根据实际待测物体9表面形貌调整激光发射器1发出的激光束的亮度。本实施例中在激光传感器中还设置有激光功率控制器，激光发射器1与激光功率控制器相连接，激光功率控制器控制激光发射器1的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度。通过激光功率控制器控制激光发射器1在检测单元曝光的时间段内才点亮。

激光传感器通常需要与执行系统配合使用，这里以将该激光传感器设置于焊枪8上，通过该激光传感器跟踪焊缝信息为例进行说明，当然激光传感器的使用并不局限与焊缝跟踪。如图2所示，通常设置一个支架或壳体，将激光发射器1、成像透镜2、图像传感器3、驱动电机4固定设置在该支架上或设置于壳体内，激光传感器通过该支架或壳体固定设置于焊枪8上，为减小驱动电机4的电机轴承受的扭矩，可将反光镜6的位置调整至反光镜6的重心与电机轴轴心线10重合。

为方便后续检测信息处理器的计算，可将反光镜6设置于驱动电机4的电机轴心线10处，驱动电机4驱动反光镜6相对电机轴轴心线10摆动时，反光镜6反射面上的水平中心线与电机轴轴心线10重合，并且激光发射器1发出的光束投射于反光镜6反射面上的水平中心线上。上述结构的设置能简化检测信息处理器的计算。

为方便后续检测信息处理器的计算，以及为图像传感器3采用线阵感光元件创造条件，可做如下设置：图像传感器3的感光线与扫描平面共面，并使漫反射光经成像透镜2投射于图像传感器3的感光线上。

图像传感器3可以是CCD器件，也可以是CMOS或其他种类的器件。特别地，该图像传感器3可以是线阵感光元件，因为沿着激光束形成的工件上的光斑必然呈一条直线，其像也必然在一条直线上，只需将线阵感光元件所在直线与激光束扫过的平面共面即可。图像传感器采用线阵感光元件，可以比采用面阵感光元件大大提高处理速度。

为将激光传感器检测到的图像信号转换为位置姿态信息，或者转换为位置姿态信息后再转换为直接引导与之配合的执行系统的通用信息，通常还可以在激光传感器上设置检测信息处理器，图像传感器与检测信息处理器相连接，所述的检测信息处理器可以选用能将图像信号转换为位置姿态信息的处理器，也可以选用能将图像信号转换为位置姿态信息后、再转换为直接引导与之配合的执行系统的通用信息。当然在处理过程中检测信息处理器有可能需要执行系统提供的一些对接信息，如执行系统的位置偏差、姿态角偏差等。

实施例二

图3给出另一种实施例的结构示意图，如图3所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：在激光传感器中还设置有折光元件7，折光元件7的位置设置有两种方式：

第一种方式：漫反射光经成像透镜2后投射于折光元件7上，然后经折光元件7反射于图像传感器3上。

第二种方式：漫反射光投射于折光元件7上，然后经折光元件7后经成像透镜2后投射于图像传感器3上。

折光元件7可以采用反光镜、棱镜等弯折漫反射光，从而使激光传感器整体更加紧凑，进一步缩小激光传感器的整体体积。

实施例三

图4给出另一种实施例的结构示意图，如图4所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：本实施例中采用两个成像透镜：第一成像透镜2-1和第二成像透镜2-2，以及采用两个图像传感器：第一图像传感器3-1和第二图像传感器3-2。其中第一成像透镜2-1和第一图像传感器3-1位于激光传感器前进方向的一侧面的漫反射光的接收路径上，第二成像透镜2-2和第二图像传感器3-2位于激光传感器前进方向的另一侧面的漫反射光的接收路径上。第一图像传感器3-1和第二图像传感器3-2可以对称或近似对称地设置于Y轴两侧，第一成像透镜2-1和第二成像透镜2-2可以对称或近似对称地设置于Y轴两侧。

上述结构的设置，即便待测物体9表面反光性非常强、或者存在凹凸遮挡情况、或者图像传感器信号的信噪比较低等至少一种问题，只要有一个图像传感器能够得到良好的图像信息，也能稳定、准确地检测待测物体9形貌。本实施例中利用发自同一点的两条光线计算待测物体9上的光斑位置，第一图像传感器3-1的接收的漫反射光所在直线与第二图像传感器3-2的接收的漫反射光所在直线之间的夹角α比实施例一中的夹角β明显要大得多，通过α的两条夹边定位检测点，要比通过β的两条夹边定位检测点精度高，因而本实施例所述的激光传感器的检测精度也比实施例一的检测精度高。

实施例四

图5和图6给出另一种实施例的结构示意图，本实施例与实施例一的不同之处在于：为了进一步缩小激光传感器的整体体积，摆动电机可以采用扇形电机，角度检测器可以采用扇形编码器，或者采用扇形电机与扇形光电编码器结合为一体的紧凑结构，这样可以在激光传感器体积并不增大的条件下，把扇形光电编码器的刻度圆盘半径做得较大，以便提高测角精度。参见图5和图6所示，扇形电机的转子简化为扇形线圈4-2，扇形电机的定子也可以简化为扇形磁铁4-1，扇形光电编码器的固定部分为光电检测头5-1，光电检测头5-1可以采用反射式光栅信息探测器。扇形光电编码器的转动部分为扇形光栅5-2。

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：该激光传感器抗环境干扰能力强，有效提高激光传感器的检测可靠性及准确性；此外，该激光传感器在测量前进方向上的长度相比传统的激光传感器在测量前进方向上的长度要短。

Claims (11)

1.激光传感器，包括：激光发射器、成像透镜和图像传感器，其特征在于：还包括反光镜和驱动电机，反光镜固定设置于驱动电机的电机轴上，且驱动电机能驱动反光镜相对电机轴轴心线摆动；激光发射器发出的激光束经反光镜反射于待测物体表面形成点状光斑，然后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接收路径上，且成像透镜和图像传感器均位于激光传感器前进方向的左侧或右侧，漫反射光经成像透镜后投射于图像传感器上。

2.按照权利要求1所述的激光传感器，其特征在于：驱动电机驱动反光镜相对电机轴轴心线摆动时，激光束所在直线扫过的扫描平面垂直于反光镜的摆动轴线。

3.按照权利要求1所述的激光传感器，其特征在于：成像透镜的主光轴与扫描平面共面。

4.按照权利要求1或2所述的激光传感器，其特征在于：所述的图像传感器为线阵感光元件，成像透镜的主光轴与扫描平面共面，线阵感光元件的感光线与扫描平面共面。

5.按照权利要求1所述的激光传感器，其特征在于：所述的成像透镜由第一成像透镜和第二成像透镜组成，图像传感器由第一图像传感器和第二图像传感器组成，第一成像透镜和第一图像传感器位于激光传感器前进方向的左侧，第二成像透镜和第二图像传感器位于激光传感器前进方向的右侧。

6.按照权利要求1所述的激光传感器，其特征在于：还包括折光元件，漫反射光经成像透镜后投射于折光元件上，然后经折光元件反射于图像传感器上；或者漫反射光投射于折光元件上，然后经折光元件后经成像透镜后投射于图像传感器上。

7.按照权利要求1、2、3、5或6所述的激光传感器，其特征在于：反光镜设置于驱动电机的电机轴心线处，且驱动电机驱动反光镜相对电机轴轴心线摆动时，反光镜反射面上的水平中心线与电机轴轴心线重合；激光发射器发出的光束投射于反光镜反射面上的水平中心线上。

8.按照权利要求1、2、3、5或6所述的激光传感器，其特征在于：反光镜的质心与电机轴轴心线重合。

9.按照权利要求1、2、3、5或6所述的激光传感器，其特征在于：所述的驱动电机为摆动电机，在摆动电机的电机轴上设置有用于测量反光镜摆动角度的角度检测器。

10.按照权利要求9所述的激光传感器，其特征在于：所述的摆动电机为扇形电机，角度检测器为扇形编码器。

11.按照权利要求1所述的激光传感器，其特征在于：激光发射器与激光功率控制器相连接，激光功率控制器控制激光发射器的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度；图像传感器与检测信息处理器相连接。