CN109870816A - 一种激光位移传感器的光学系统及其位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光位移传感器的光学系统及其位移测量方法。该装置包括沿光路方向顺次共光轴设置的光阑、第二三棱镜、第一三棱镜、第二平凸柱面镜、第一平凸柱面镜、第一凸透镜、滤波片，以及第二凸透镜。方法为：准直激光器发出的光依次通过光阑、第二三棱镜、第一三棱镜、第二平凸柱面镜、第一平凸柱面镜、第一凸透镜、滤波片照射至物体；物体反射的光依次透过滤波片、凸透镜、第一平凸柱面镜、第二平凸柱面镜、第一三棱镜后，被镀在第一三棱镜的膜层所反射，从第一三棱镜中射出，然后透过第二凸透镜被光电探测器接收，计算得到物体实际的位移距离以及方向。本发明能够测量物体在平面上的移动距离以及具体方向，并能满足不同的测量要求。

Description

一种激光位移传感器的光学系统及其位移测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是一种激光位移传感器的光学系统及其位移测量方法。

背景技术

目前测量小位移的非接触式光学传感器一般分为两类，一类为采用激光扫描式测位移，另一种是采用激光加光学组件来测量位移。

中国专利CN 106871800A公开了一种光电测径系统，该光电测径仪系统包括底板、反射镜、六面扫描转镜、准直透镜、激光发射器、待测物、聚光镜、光电接收器。该系统需要通过旋转电机带动六面扫描转镜，通过激光扫描的方式来获得光信号，进而得出结果，但是该系统依赖于旋转电机的稳定性，并且需要占用的空间大。

中国专利CN 109141254A中公开了一种集成衍射光栅式高稳定性激光位移传感器，该传感器本体内含有激光二极管的准直模块、衍射光栅、光阑、滤光片、成像透镜和CMOS线性图像传感器。该系统使用的衍射光栅需要特制才能达到将光斑分束成不同的衍射光斑的目的，并通过测量不同的衍射光斑来测量位移，因此生产成本升高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、成本低的激光位移传感器的光学系统及其位移测量方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种激光位移传感器的光学系统，包括沿光路方向顺次共光轴设置的光阑、第二三棱镜、第一三棱镜、第二平凸柱面镜、第一平凸柱面镜、第一凸透镜、滤波片，以及第二凸透镜；所述第一三棱镜和第二三棱镜拼接为一个正方体透镜，第二凸透镜设置在第一三棱镜和第二三棱镜中心垂直于光轴方向；

准直激光器发出的激光依次通过光阑、第二三棱镜、第一三棱镜、第二平凸柱面镜、第一平凸柱面镜、第一凸透镜、滤波片照射至物体；物体反射的光沿光路原路返回，并依次透过滤波片、凸透镜、第一平凸柱面镜、第二平凸柱面镜、第一三棱镜后，被镀在第一三棱镜与第二三棱镜拼接面的膜层反射，从第一三棱镜中射出后透过第二凸透镜被光电探测器接收。

进一步地，所述滤波片用于滤除干扰电磁波。

进一步地，所述第一平凸柱面镜和第二平凸柱面镜相互正交，即两个柱面镜的曲面部分相对且正交。

进一步地，所述第一三棱镜与第二三棱镜的拼接面镀有一层单向透过膜，使得准直激光器发出的光能够透过，从而照射在物体上，并能使物体反射回来的光发生折射，从而被光电探测器所接收。

进一步地，所述第二平凸柱面镜与第一三棱镜胶合，当第一三棱镜与第二三棱镜机械位置固定时，第二平凸柱面镜的位置也相应固定。

一种激光位移传感器的光学系统的位移测量方法，包括以下步骤：

步骤1、打开准直激光器电源，连接光电探测器后，准直激光器发出的激光依次通过光阑、第二三棱镜、第一三棱镜、第二平凸柱面镜、第一平凸柱面镜、第一凸透镜、滤波片照射至待测物体；

步骤2、待测物体反射光通过滤波片过滤后，依次经过第一凸透镜、第一平凸柱面镜、第二平凸柱面镜、第一三棱镜，被镀在第一三棱镜的膜层反射，反射光被第二凸透镜汇聚，最后被光电探测器接收；

步骤3、打开电脑上的光电探测器测量软件，接收到一个光斑图像，当待测物体处于无位移情况时，光斑为圆形；当待测物体发生位移时，光斑发生变形，即光斑在子午或者弧矢至少一个方向上发生拉伸，光斑发生拉伸后，在光电探测器的四个象限内接收到的电压发生变化，电压差之比与位移成正比，从而得到与电信号一一对应的距离。

进一步地，步骤1所述准直激光器发出的激光中心波长为650nm。

进一步地，步骤3所述光斑发生拉伸后，在光电探测器的四个象限内接收到的电压发生变化，电压差之比与位移成正比，从而得到与电信号一一对应的距离，具体如下：

把探测器的四个象限分为A、B、C、D，根据A、B、C、D四个象限内能量的比值k得到唯一对应的距离，k的取值公式如下：

其中，V_A、V_B、V_C、V_D分别是A、B、C、D四个象限通过光电效应产生的电压值。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过在平凸柱面镜组前加入单个或一组透镜，调整光斑大小，能够满足不同测量要求；(2)根据待测物体的体积大小更换凸透镜以便测量位移，并可测量物体在平面上的移动距离以及具体方向；(3)对光电探测器的要求低，可采用小靶面的探测器，体积小、结构紧凑、生产成本低。

附图说明

图1为本发明激光位移传感器的光学系统的结构示意图。

图2为本发明中透镜组的结构示意图。

图3为本发明中入射光的光路示意图。

图4为本发明中物体反射光的光路示意图。

图5为本发明中光电探测器的机械结构图。

具体实施方式

本发明激光位移传感器的光学系统，包括沿光路方向顺次共光轴设置的光阑S2、第二三棱镜L6、第一三棱镜L5、第二平凸柱面镜L4、第一平凸柱面镜L3、第一凸透镜L2、滤波片L1，以及第二凸透镜L7；所述第一三棱镜L5和第二三棱镜L6拼接为一个正方体透镜，第二凸透镜L7设置在第一三棱镜L5和第二三棱镜L6中心垂直于光轴方向；

准直激光器发出的激光依次通过光阑S2、第二三棱镜L6、第一三棱镜L5、第二平凸柱面镜L4、第一平凸柱面镜L3、第一凸透镜L2、滤波片L1照射至物体；物体反射的光沿光路原路返回，并依次透过滤波片L1、凸透镜L2、第一平凸柱面镜L3、第二平凸柱面镜L4、第一三棱镜L5后，被镀在第一三棱镜L5与第二三棱镜L6拼接面的膜层反射，从第一三棱镜L5中射出后透过第二凸透镜L7被光电探测器接收。

作为一种具体示例，所述滤波片L1用于滤除干扰电磁波，降低实验噪声。

作为一种具体示例，所述第一平凸柱面镜L3和第二平凸柱面镜L4相互正交，即两个柱面镜的曲面部分相对且正交。

作为一种具体示例，所述第一三棱镜L5与第二三棱镜L6的拼接面镀有一层单向透过膜，使得准直激光器发出的光能够透过，从而照射在物体上，并能使物体反射回来的光发生折射，从而被光电探测器所接收。

作为一种具体示例，所述第二平凸柱面镜L4与第一三棱镜L5胶合，当第一三棱镜L5与第二三棱镜L6机械位置固定时，第二平凸柱面镜L4的位置也相应固定。

一种激光位移传感器的光学系统的位移测量方法，包括以下步骤：

步骤1、打开准直激光器电源，连接光电探测器后，准直激光器发出的激光依次通过光阑S2、第二三棱镜L6、第一三棱镜L5、第二平凸柱面镜L4、第一平凸柱面镜L3、第一凸透镜L2、滤波片L1照射至待测物体；

步骤2、待测物体反射光通过滤波片L1过滤后，依次经过第一凸透镜L2、第一平凸柱面镜L3、第二平凸柱面镜L4、第一三棱镜L5，被镀在第一三棱镜L5的膜层反射，反射光被第二凸透镜L7汇聚，最后被光电探测器接收；

步骤3、打开电脑上的光电探测器测量软件，接收到一个光斑图像，当待测物体处于无位移情况时，光斑为圆形；当待测物体发生位移时，光斑发生变形，即光斑在子午或者弧矢至少一个方向上发生拉伸，光斑发生拉伸后，在光电探测器7的四个象限内接收到的电压发生变化，电压差之比与位移成正比，从而得到与电信号一一对应的距离。

作为一种具体示例，步骤1所述准直激光器发出的激光中心波长为650nm。

作为一种具体示例，步骤3所述光斑发生拉伸后，在光电探测器7的四个象限内接收到的电压发生变化，电压差之比与位移成正比，从而得到与电信号一一对应的距离，具体如下：

把探测器的四个象限分为A、B、C、D，根据A、B、C、D四个象限内能量的比值k得到唯一对应的距离，k的取值公式如下：

其中，V_A、V_B、V_C、V_D分别是A、B、C、D四个象限通过光电效应产生的电压值。

实施例

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，一种激光位移传感器的光学系统，其特征在于，包括滤波片L1、第一凸透镜L2、第一平凸柱面镜L3、第二平凸柱面镜L4、第一三棱镜L5、第二三棱镜L6和第二凸透镜L7；其中滤波片L1、第一凸透镜L2、第一平凸柱面镜L3、第二平凸柱面镜L4、第一三棱镜L5和第二三棱镜L6沿光路入射方向共光轴设置，第一三棱镜L5和第二三棱镜L6拼接为一个正方体透镜；第二凸透镜L7设置在第一三棱镜L5和第二三棱镜L6中心垂直于光轴方向；

准直激光器发出的中心波长为650nm的光照射物体后，物体反射的光依次透过滤波片L1、凸透镜L2、第一平凸柱面镜L3、第二平凸柱面镜L4、第一三棱镜L5后，被镀在第一三棱镜L5的膜层所反射，从第一三棱镜L5中射出，然后透过第二凸透镜L7被光电探测器接收。

进一步地，滤波片L1用于过滤干扰电磁波进入，降低检测噪声。

结合图2，第一平凸柱面镜L3和第二平凸柱面镜L4相互正交，即两个柱面镜的曲面部分相对且正交；第一三棱镜L5与第二三棱镜L6拼接为一个正方体透镜，并在拼接面镀有一层单向透过膜，使得准直激光器发出的光能够透过，从而照射在物体上，并能使物体反射回来的光发生折射，从而被光电探测器所接收；第二平凸柱面镜L4与第一三棱镜L5胶合，当第一三棱镜L5与第二三棱镜L6机械位置固定时，第二平凸柱面镜L4的位置也相应固定，减少了人工调节的成本。

本发明激光位移传感器的光学系统的位移测量方法，包括以下步骤：

步骤1、结合图3，打开准直激光器电源，连接光电探测器后，激光器发出的激光通过第二三棱镜L6、第一三棱镜L5、第二平凸柱面镜L4、第一平凸柱面镜L3、第一凸透镜L2和滤波片L1后，照射到待测物体上；

步骤2、结合图4，满足待测要求的物体反射光通过滤波片L1过滤后，经过第一凸透镜L2、第一平凸柱面镜L3、第二平凸柱面镜L4、第一三棱镜L5，被镀在第一三棱镜L5的膜层所反射，从第一三棱镜L5中射出后，被第二凸透镜L7汇聚，最后被探测器接收；

步骤3、结合图5，该光电探测器由四个完全相同的方形硅光电池构成，四个硅光电池分别安放在四个象限内。打开电脑上的光电探测器测量软件，接收到一个光斑图像，当待测物体处于无位移情况时，光斑为圆形；当待测物体发生位移时，光斑发生变形，即光斑在子午或者弧矢至少一个方向上发生拉伸，由圆形变为长椭圆，通过测量长椭圆的长轴值，计算得到物体实际的位移距离以及方向。

本实例中使用了像散元件，在待测物体发生位移后，像散元件将形成的圆形光斑拉伸成椭圆形光斑，椭圆形光斑具有能量不均匀的特点。该光斑被探测器接收到，在四个象限内产生不同的电压。该探测器的四个象限内的电压分别为V_A、V_B、V_C、V_D，k为能量比值，由以下公式可以得出：

不同的k值对应着唯一的位移，因此可以得出位移大小。

该实施例中准直激光器的波长为550nm，光阑尺寸为5mm，胶合棱镜边长为12.7mm，两个柱面镜相同且相互垂直，凸面半径为37.5mm，两者相距11.8mm，凸透镜焦距为15mm，距离棱镜为14.5mm，距离光电探测器为11.7mm，位移传感器的测量范围为40±20mm，精度为0.1μm。本发明对光电探测器的要求低，可采用小靶面的探测器，体积小、结构紧凑、生产成本低。

Claims (8)

1.一种激光位移传感器的光学系统，其特征在于，包括沿光路方向顺次共光轴设置的光阑(S2)、第二三棱镜(L6)、第一三棱镜(L5)、第二平凸柱面镜(L4)、第一平凸柱面镜(L3)、第一凸透镜(L2)、滤波片(L1)，以及第二凸透镜(L7)；所述第一三棱镜(L5)和第二三棱镜(L6)拼接为一个正方体透镜，第二凸透镜(L7)设置在第一三棱镜(L5)和第二三棱镜(L6)中心垂直于光轴方向；

准直激光器发出的激光依次通过光阑(S2)、第二三棱镜(L6)、第一三棱镜(L5)、第二平凸柱面镜(L4)、第一平凸柱面镜(L3)、第一凸透镜(L2)、滤波片(L1)照射至物体；物体反射的光沿光路原路返回，并依次透过滤波片(L1)、凸透镜(L2)、第一平凸柱面镜(L3)、第二平凸柱面镜(L4)、第一三棱镜(L5)后，被镀在第一三棱镜(L5)与第二三棱镜(L6)拼接面的膜层反射，从第一三棱镜(L5)中射出后透过第二凸透镜(L7)被光电探测器接收。

2.根据权利要求1所述的激光位移传感器的光学系统，其特征在于，所述滤波片(L1)用于滤除干扰电磁波。

3.根据权利要求1所述的激光位移传感器的光学系统，其特征在于，所述第一平凸柱面镜(L3)和第二平凸柱面镜(L4)相互正交，即两个柱面镜的曲面部分相对且正交。

4.根据权利要求1所述的激光位移传感器的光学系统，其特征在于，所述第一三棱镜(L5)与第二三棱镜(L6)的拼接面镀有一层单向透过膜，使得准直激光器发出的光能够透过，从而照射在物体上，并能使物体反射回来的光发生折射，从而被光电探测器所接收。

5.根据权利要求1所述的激光位移传感器的光学系统，其特征在于，所述第二平凸柱面镜(L4)与第一三棱镜(L5)胶合，当第一三棱镜(L5)与第二三棱镜(L6)机械位置固定时，第二平凸柱面镜(L4)的位置也相应固定。

6.一种激光位移传感器的光学系统的位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、打开准直激光器电源，连接光电探测器后，准直激光器发出的激光依次通过光阑(S2)、第二三棱镜(L6)、第一三棱镜(L5)、第二平凸柱面镜(L4)、第一平凸柱面镜(L3)、第一凸透镜(L2)、滤波片(L1)照射至待测物体；

步骤2、待测物体反射光通过滤波片(L1)过滤后，依次经过第一凸透镜(L2)、第一平凸柱面镜(L3)、第二平凸柱面镜(L4)、第一三棱镜(L5)，被镀在第一三棱镜(L5)的膜层反射，反射光被第二凸透镜(L7)汇聚，最后被光电探测器接收；

步骤3、打开电脑上的光电探测器测量软件，接收到一个光斑图像，当待测物体处于无位移情况时，光斑为圆形；当待测物体发生位移时，光斑发生变形，即光斑在子午或者弧矢至少一个方向上发生拉伸，光斑发生拉伸后，在光电探测器(7)的四个象限内接收到的电压发生变化，电压差之比与位移成正比，从而得到与电信号一一对应的距离。

7.根据权利要求6所述的激光位移传感器的光学系统的位移测量方法，其特征在于，步骤1所述准直激光器发出的激光中心波长为650nm。

8.根据权利要求6所述的激光位移传感器的光学系统的位移测量方法，其特征在于，步骤3所述光斑发生拉伸后，在光电探测器(7)的四个象限内接收到的电压发生变化，电压差之比与位移成正比，从而得到与电信号一一对应的距离，具体如下：

把探测器的四个象限分为A、B、C、D，根据A、B、C、D四个象限内能量的比值k得到唯一对应的距离，k的取值公式如下：

其中，V_A、V_B、V_C、V_D分别是A、B、C、D四个象限通过光电效应产生的电压值。