CN109405749A - 一种激光成像测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光成像测距方法和系统，包括用于出射激光的激光器、第一透镜、第一成像镜头组、第二成像镜头组和探测器，所述激光经过所述第一透镜并在待测物的表面形成光斑，所述第一成像镜头组和第二成像镜头组用于将所述光斑形成的散射光转化为互相垂直的偏振光，所述探测器将所述偏振光转化的光电信号反馈至所述激光器。本发明通过对互相垂直的两个方向的偏振激光进行成像、转化和收集分析，提高图象的对比度，消除待测物表面不规则造成的镜面反射对测量过程的影响，根据光斑的中心检测图案，计算成像光点的移动距离，提高测量的精度和稳定性。

Description

一种激光成像测距方法及系统

技术领域

本发明涉及激光位移及距离测量技术领域，尤其涉及一种激光成像测距方法及系统。

背景技术

随着制造行业的不断发展，对在线检测的要求也日益提高，以期通过在稳定性、通用性及互换性等方面进行改进，降低成本，激光位移和距离测量具有高精度、高速度、小型化和动态测量的特点，广泛应用于工业检测的各领域中。

但在传统的激光测量中，由于实际检测时待测物的台阶面和镜面反射对待测点所形成的光斑图象造成影响，干扰激光光斑的成像，容易导致测量失效，影响测量效率及测量精度。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种激光成像测距方法及系统，提高测量的精确性及一致性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种激光成像测距方法，包括如下步骤，

S1，出射激光并在待测物表面形成光斑；

S2，将待测物上产生的散射光转化为两个方向且相互垂直的偏振光；

S3，对所述偏振光进行成像处理，使其形成的两个图象的方向垂直；

S4，将所述图象转化为光电信号；

S5，基于所述光电信号获得待测物的测量距离并调节所述激光的参数。

在一种优选的实施方式中，对所述S1步骤中的激光进行准直，以调节所述激光的发散角。

在一种优选的实施方式中，对所述S1步骤中的激光进行汇聚，使其在待测物的表面形成光斑。

在一种优选的实施方式中，对所述步骤S1中的激光进行调节，以形成偏振态激光，所述偏振态激光方向与所述偏振光的振动方向呈45度夹角。

在一种优选的实施方式中，对所述步骤S3中的光电信号进行收集和分析并获取所述光斑中心的偏移量。

本发明还提供了一种激光成像测距系统，包括用于出射激光的激光器、第一透镜、第一成像镜头组、第二成像镜头组和探测器，所述激光经过所述第一透镜并在待测物的表面形成光斑，所述第一成像镜头组和第二成像镜头组用于将所述光斑形成的散射光转化为互相垂直的偏振光，所述探测器将所述偏振光转化的光电信号反馈至所述激光器。

在一种优选的实施方式中，还包括第二透镜，所述第二透镜设置于所述激光器和第一透镜之间，并用于对所述激光进行准直，所述第二透镜设有弧形侧面，所述弧形侧面靠近所述激光器。

在一种优选的实施方式中，所述第一透镜和第二透镜之间还设有半波片，经过所述半波片的所述激光产生形成偏振态激光。

在一种优选的实施方式中，所述激光器、第一透镜、第二透镜和半波片同轴心。

在一种优选的实施方式中，所述第一成像镜头组包括第一成像透镜，所述第二成像镜头组包括第二成像透镜，所述激光的出射方向与第一成像透镜之间的夹角以及所述激光的出射方向与第二成像透镜的之间夹角均为45度。

在一种优选的实施方式中，所述第一成像透镜和第二成像透镜均为库克三片式物镜。

在一种优选的实施方式中，所述第一成像镜头组还包括第一检偏器，所述第二成像镜头组还包括第二检偏器，所述第一检偏器为0度的偏振片，所述第二检偏器为90度的偏振片。

在一种优选的实施方式中，还包括接收模块，所述接收模块用于接收所述探测器发出的光电信号并输送至所述激光器。

在一种优选的实施方式中，所述探测器为线阵CCD或者线阵CMOS感光元件。

本发明的有益效果是：本发明通过对互相垂直的两个方向的偏振激光进行成像、转化和收集分析，提高图象的对比度，消除待测物表面不规则造成的镜面反射对测量过程的影响，根据光斑的中心检测图案，计算成像光点的移动距离，提高测量的精度和稳定性。

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是本发明激光成像测距方法一个实施例的步骤示意图；

图2是本发明激光成像测距系统一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1，本发明公开了一种激光成像测距方法，包括如下步骤，

S1，出射激光；

S2，将该激光准直为平行光束；

S3，将该平行光束转变为偏振态激光；

S4，偏振态激光在被测物表面形成光斑；

S5，被测物表面所产生的散射光形成相互垂直的两个方向的偏振光；

S6，将偏振光形成两个方向上的图象；

S7，将该图象转化为光电信号；

S8，收集并分析该光电信号，得出该光斑中心的偏移量，同时调节出射激光的参数。

出射激光中发散角较大的高斯能量光束准直为平行光束后，一方面增加激光的出射能量，另一方面便于后续激光的其他操作，本实施例中的偏振态激光为45度偏振态激光，该偏振态激光汇聚后将在待测物的表面产生光斑亮点，该光斑在待测物的表面产生散射光，该散射光进一步转化为两个方向的偏振光，两个方向的偏振光相互垂直，本实施例中的偏振光分别为0度和90度的偏振光经过成像处理形成方向垂直的两个图象，该图象被转化为光电信号并被收集和分析，通过两路信号的对比，去除待测物表面反射的成像阴影，获得光斑中心的目标检测图案，从而得出光斑中心在待测物表面的偏移量，通过采集的相互垂直的成像点，可消除待测物表面凹凸不平所形成的镜面反射对测量带来的影响，提高图象的对比度，进而提高测量精度。

经过收集和处理的光电信号反馈至出射激光步骤，对出射激光的功率等参数进行调节，增加所收集图象的对比度，优化测量精度。

参照图2，本实施例中的激光成像测距系统包括基座100，基座100的底板110上可放置用于检测的待测物101，激光器210用于发射激光，优选的，该激光器210为二类红光激光器210，激光器210所发出的激光的输出功率在1-10mw之间，波长为650nm，并且该波长可进行调控，由激光器210所射出的激光穿过非球面透镜220，非球面透镜220将发散角较大的激光光束准直为平行光束，便于后续光束的调整，该平行光束向下穿过半波片230，并在半波片230的作用下产生45度偏振态激光，该偏振态激光经过汇聚透镜240后在待测物101表面形成光斑亮点。

优选的，非球面透镜220的数值孔径大于激光器210的数值孔径，该非球面透镜220的两侧分别为球形面或非球面，该非球面的一侧背向激光光束设置，以实现非球面透镜220对激光的准直，从该非球面透镜220出射的平行光束的直径取决与非球面透镜220的焦距，可根据实际情况进行合理选择。该非球面透镜220采用镀有600-1050nm增透膜的模压非球面透镜220，增强出射激光的透过率。半波片230的材料可选择双折射石英片、双折射氟化镁或紫外蓝宝石片。

还包括第一成像镜头组300和第二成像镜头组400，该光斑在待测物101的表面形成散射光并分别进入第一成像镜头组300与第二成像镜头组400内，在第一成像镜头组300与第二成像镜头组400的作用下，散射光形成相互垂直的偏振光，探测器500接收该偏振光形成的光电信号，并将该信号反馈至激光器210，激光器210可根据所反馈的信号对出射激光的功率进行调节。

第一成像镜头组300包括第一检偏器320和第一成像透镜310，第二成像镜头组400包括第二检偏器420和第二成像透镜410，该第一检偏器320和第一成像透镜310、第二检偏器420和第二成像透镜410均同轴放置，第一检偏器320位于第一成像透镜310的前方，第二检偏器420位于第二成像透镜410的前方，第一检偏器320与第二检偏器420先接受从待测物101所反馈的光线，将分别进入第一检偏器320和第二检偏器420的散射光形成相互垂直的偏振光，优选的，第一检偏器320和第二检偏器420分别为0度和90度的偏振片，偏振光分别进入第一成像透镜310和第二成像透镜410内，并在第一成像透镜310和第二成像透镜410的作用下形成图象，第一成像镜头组300和第二成像镜头组400分别对应一探测器500，该探测器500接收第一成像透镜310和第二成像透镜410所生成的图象并将其转化为光电信号，进而进行分析处理，将信息传递至激光器210。

通过在相互垂直的两个方向上设置第一成像镜头组300、第二成像镜头组400及探测器500，提高背景与目标物的偏振对比度，避免了因待测物101存在倾斜面、台阶面而造成测量失效的情况，拓宽了传统激光三角法的使用范围，提高了测量精度。

本实施例中的基座100还包括两个相互垂直连接的侧板120，该侧板120均与底板110垂直连接，探测器500分别安装于不同的侧板120上，进而对不同角度的图象信号进行收集。另外，激光器210的出射激光在半波片230的作用下形成45度偏振光，探测器500分别收集由第一成像透镜310和第二成像透镜410所形成的0度和90度成像点，有效消除了因待测物101表面凹凸不平形成的镜面反射对光斑成像质量造成的影响，提高了图象的对比度及测量精度和测量稳定性。

优选的，经过半波片230所形成的偏振态激光的偏振方向与第一成像镜头组300和第二成像镜头组400的光轴方向均呈45度夹角，该偏振态激光向着半波片230的快轴所转动的角度为半波片230的快轴方向与出射激光偏振方向夹角的2倍。

优选的，第一成像透镜310和第二成像透镜410均为库克三片式摄影物镜或者为其演变形式，因其具有大孔径、大视场的特点，能够形成良好的光学成像质量，并且可根据实际使用校正像差，利于检测精度的优化。

优选的，探测器500采用线阵CCD或者线阵CMOS感光元件组成，使得探测器500具有高灵敏度、低噪声及采集信号频率快的特点，从而提高测量效率。

优选的，本实施例中还设有接收模块(未示出)，该接收模块用于接收探测器500所输出的电信号并将该信号反馈至激光器210，根据不同的被测表面，调节激光器210所发射的激光的功率，从而形成闭环的反馈调控，通过去除待测物101表面镜面反射的成像阴影，获得光斑中心的目标检测图案，从而计算成像光点的移动距离，实现高精度的测量。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (14)

1.一种激光成像测距方法，其特征在于，包括如下步骤，

S1，出射激光并在待测物表面形成光斑；

S2，将待测物上产生的散射光转化为两个方向且相互垂直的偏振光；

S3，对所述偏振光进行成像处理，使其形成的两个图象的方向垂直；

S4，将所述图象转化为光电信号；

S5，基于所述光电信号获得待测物的测量距离并调节所述激光的参数。

2.根据权利要求1所述的激光成像测距方法，其特征在于，对所述S1步骤中的激光进行准直，以调节所述激光的发散角。

3.根据权利要求1所述的激光成像测距方法，其特征在于，对所述S1步骤中的激光进行汇聚，使其在待测物的表面形成光斑。

4.根据权利要求1所述的激光成像测距方法，其特征在于，对所述步骤S1中的激光进行调节，以形成偏振态激光，所述偏振态激光方向与所述偏振光的振动方向呈45度夹角。

5.根据权利要求1所述的激光成像测距方法，其特征在于，对所述步骤S3中的光电信号进行收集和分析并获取所述光斑中心的偏移量。

6.一种激光成像测距系统，其特征在于，包括用于出射激光的激光器、第一透镜、第一成像镜头组、第二成像镜头组和探测器，所述激光经过所述第一透镜并在待测物的表面形成光斑，所述第一成像镜头组和第二成像镜头组用于将所述光斑形成的散射光转化为互相垂直的偏振光，所述探测器将所述偏振光转化的光电信号反馈至所述激光器。

7.根据权利要求6所述的激光成像测距系统，其特征在于，还包括第二透镜，所述第二透镜设置于所述激光器和第一透镜之间，并用于对所述激光进行准直，所述第二透镜设有弧形侧面，所述弧形侧面靠近所述激光器。

8.根据权利要求7所述的激光成像测距系统，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜之间还设有半波片，经过所述半波片的所述激光产生形成偏振态激光。

9.根据权利要求8所述的激光成像测距系统，其特征在于，所述激光器、第一透镜、第二透镜和半波片同轴心。

10.根据权利要求6所述的激光成像测距系统，其特征在于，所述第一成像镜头组包括第一成像透镜，所述第二成像镜头组包括第二成像透镜，所述激光的出射方向与第一成像透镜之间的夹角以及所述激光的出射方向与第二成像透镜的之间夹角均为45度。

11.根据权利要求10所述的激光成像测距系统，其特征在于，所述第一成像透镜和第二成像透镜均为库克三片式物镜。

12.根据权利要求6所述的激光成像测距系统，其特征在于，所述第一成像镜头组还包括第一检偏器，所述第二成像镜头组还包括第二检偏器，所述第一检偏器为0度的偏振片，所述第二检偏器为90度的偏振片。

13.根据权利要求6所述的激光成像测距系统，其特征在于，还包括接收模块，所述接收模块用于接收所述探测器发出的光电信号并输送至所述激光器。

14.根据权利要求6所述的激光成像测距系统，其特征在于，所述探测器为线阵CCD或者线阵CMOS感光元件。