CN110836642A - 一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器及其测量方法，采用复色点光源为入射光线，实现了用像面能量最高点的位置来表征被测物体高度信息的方法，由于采用复色点光源代替现有技术中的激光点光源，因此彩色三角位移传感器可以具有更高的分辨率，同时利用圆孔对被测物体表面非聚焦波长的反射光线进行过滤，使得仅仅聚焦在被测物体表面上的特定波长的反射光线可以传输到线型探测器，从而使得彩色三角位移传感器具有更高的信噪比，因此本实施例所提供的彩色三角位移传感器及其测量方法，有效的提高了信噪比，可获取到更为准确的物体表面高度信息。

Description

一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及高精度测量技术领域，尤其涉及的是一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器及其测量方法。

背景技术

随着工业技术发展，技术人员对测量精度的要求也越来越高，激光三角位移法作为一种高精度的无损检测方式，已广泛应用于物体的厚度、形状等物理量的测量。

激光三角位移法实现了线阵或面阵感光元件上信号波峰的位置和被测物体表面的高度信息直接对应，通过提取线阵或面阵感光元件上采集到的信号波峰位置来表征出被测物体的高度信息，但对于被测物体表面形状较为复杂的区域，激光三角位移传感器接收到的信号往往会出现波峰位置偏移或者出现多个波峰的问题，从而导致被测物体表面高度信息不准确。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明提供了一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器及其测量方法，克服了现有技术中的激光三角位移传感器测量表面形状较复杂区域的物体表面高度时准确度低的缺陷。

第一方面，本实施例公开了一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器，其中，包括：复色点光源、第一色散透镜组、第二色散透镜组，滤光器、聚焦透镜组、线阵探测器和处理器；

所述复色点光源，用于发出复色光；

所述第一色散透镜组，用于对所述复色光进行轴向色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体表面上；

所述第二色散透镜组，用于接收所述被测物体表面反射的反射光束，并将所述反射光束投射到滤光器；

所述滤光器，位于所述第二色散透镜组的焦平面上，用于接收所述第二色散透镜组透射的反射光束，并过滤出特定波长范围的反射光束；其中，特定波长范围为聚焦在所述被测物体表面上光线的波长范围；

聚焦透镜组，用于接收所述滤光器过滤出的反射光束，并将所述反射光束聚焦到线阵探测器上；

所述线阵探测器，用于接收反射光束，获取所述反射光束像点的位置信息，并将获取的所述位置信息传输至处理器；

所述处理器，用于根据所述位置信息得到被测物体表面的高度信息。

可选的，所述复色点光源包括：白光LED和用于对所述白光LED发出的白光进行整形的整形镜片组。

可选的，所述第一色散透镜组和第二色散透镜组结构对称。

可选的，所述第一色散透镜组或第二色散透镜组包括至少一个球面透镜。

可选的，所述滤光器为圆孔，所述圆孔设置在所述第二色散透镜组的焦平面上，用于滤除被测物体表面反射出的非聚焦波长的光线。

可选的，所述线阵探测器为线阵CCD或CMOS。

第二方面，一种彩色三角位移传感器的测量方法，其中，包括：

利用第一色散透镜组对复色光进行色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体表面上；

利用线阵探测器获取所述被测物体表面反射的反射光束像点的位置信息，并将所述位置信息发送至处理器；

所述处理器根据所述位置信息得到被测物体的高度信息。

可选的，所述对复色光进行色散的步骤之前，包括：

利用白光LED发出白光，并将所述白光入射到整形镜片组，通过所述整形镜片组对所述白光进行整形后发出。

可选的，所述利用线阵探测器获取所述被测物体表面反射的反射光束像点的位置信息的步骤之前，还包括：

利用第二色散透镜组接收被测物体表面上反射的反射光束，并将所述反射光束出射到滤光器上，利用所述滤光器对所述反射光束进行过滤，过滤出特定波长范围的反射光束；

将过滤后的所述反射光束聚焦到线阵探测器上；

可选的，所述滤光器为圆孔，并且所述圆孔设置在所述第二色散透镜组的焦平面上。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

根据本发明实施方式提供的方法，采用复色点光源为入射光源，实现了用像面能量最高点的位置来表征被测物体高度信息的方法，由于采用复色点光源代替现有技术中的激光点光源，因此彩色三角位移传感器可以具有更高的分辨率，同时利用圆孔对被测物体表面反射的非聚焦波长光线进行过滤，使得仅聚焦在被测物体表面上的特定波长的反射光线可以传输到线型探测器内，从而使得彩色三角位移传感器具有更高的信噪比，因此本实施例所提供的彩色三角位移传感器及其测量方法，具有更高的信噪比，可以更准确的获取物体表面的高度信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例中点光源的整形示意图；

图3是本发明实施例中第一色散透镜组中光线的色散示意图；

图4是本发明实施例中第二色散透镜组中光线的示意图；

图5是本发明实施例中基于三角测量法的彩色三角位移传感器的测量方法步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

发明人发现现有技术中的激光三角位移传感器在测量形状复杂表面时，易出现采集到的信号出现波形变形或者多个波峰问题，无法获取到较为准确的测量结果，为了克服现有技术中激光三角位移传感器测量数据准确度低的缺陷，本发明提供了一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器及其测量方法。

本实施例所提供彩色三角位移传感器工作原理为：使用点光源发出复色光，由点光源发出的复色光经过第一色散透镜组会发生色散，色散使复色光中不同波长的光线具有不同高度的焦点，不同波长的光线聚焦到被测物体表面的不同高度处；被测物体表面对接收到的入射光线进行反射，形成反射光线，所述反射光线依次经过第二色散透镜组，滤光器和聚焦透镜组，最后聚焦到线阵探测器上，所述线阵探测器获取所述反射光线像点的位置信息，并将所述位置信息传输至处理器，所述处理器根据接收到的位置信息得到所述被测物体表面上的高度信息。

下面结合具体实施例，对本实施例所公开的传感器及其测量方法做进一步的说明。

实施例1

本实施例公开了一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器，如图1所示，包括：复色点光源10、第一色散透镜组20、第二色散透镜组40，滤光器50、聚焦透镜组60、线阵探测器70和处理器；

所述复色点光源10，用于发出复色光。

所述第一色散透镜组20，用于接收所述复色光，对所述复色光进行轴向色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体30表面上。

第一色散透镜组20由1个或者1个以上的镜片组成，通过优化各镜片的光焦度和它们的空气间隔等参数，使第一色散透镜组有很小的球差，较大的轴上色差。复色光经过第一色散透镜组20后，不同波长的光在光轴上有不同的焦点，由于存在较大的轴上色差，所以复色光会在轴上有较大的色散范围。在实际测量中，第一色散透镜组20以一定的角度照射到被测物体30上，随着第一色散透镜组20和被测物体30相对位置改变，会有不同波长的光聚焦到被测物体30表面上，而其他波长的光线在被测物体表面上则是散焦状态。

所述被测物体30表面在接收到入射光之后，对所述入射光进行反射，形成反射光束。

所述第二色散透镜组40，用于接收所述被测物体表面反射的反射光束，并将所述反射光束投射到滤光器40。

所述第二色散透镜40与第一色散透镜20组结构类似，也是由1个或者1个以上镜片组成。被测物体30表面不同波长反射的光线传播到第二色散透镜组40后，会有不同位置的成像点。

所述滤光器50，位于所述第二色散透镜组40的焦平面上，用于接收所述第二色散透镜组40透射的反射光束，并过滤出特定波长范围的反射光束；其中，特定波长范围为聚焦在所述被测物体表面上光线的波长范围。

通过一个滤光器50对第二色散透镜组40中发出的光线进行筛选过滤，使聚焦在被测物体表面波长的反射光线可以经过滤光器50，而在被测物体30表面散焦波长的反射光线则会被滤光器50过滤掉。

当被测物体高度改变时，聚焦在被测物体表面光线的波长也会发生变化，聚焦的波长反射的光线仍然可以通过滤光器50，但是进入滤光器50的角度会改变。第二色散透镜组40和滤光器50使得只有聚焦在被测物体30表面的波长的光线可以通过滤光器50，散焦的光线的反射光线则会被滤光器50阻拦，无法进入后面的聚焦透镜组60。

具体实施例中，所述滤光器40为预设尺寸的圆孔。

聚焦透镜组60，用于接收所述滤光器50过滤出的反射光束，并将所述反射光束聚焦到线阵探测器70上；所述聚焦透镜组60将滤光器50过滤后的光束聚焦到所述线阵探测器70上，所述线阵探测器70接收反射光束，并获取所述反射光束的像在线阵探测器70上能量最高点的位置信息，并将获取的所述线阵探测器70上能量最高点的位置信息传输至处理器；所述处理器，用于根据所述位置信息得到被测物体30的高度信息。

利用聚焦透镜组60接收经过滤光器50的光线，并将不同方向的入射光线成像到线阵探测器70不同位置上。不同波长的光线经过第一色散透镜组20后会聚焦到被测物体表面不同高度处；第二色散透镜组40和滤光器50会使被测物体表面上非聚焦波长的反射光线被过滤，仅仅使得聚焦波长的光线进入到聚焦透镜组60；当被测物体表面高度改变时，聚焦在被测物体表面的光线波长也会发生变化，经过第二色散透镜组40后，会以不同的角度通过圆孔，聚焦透镜组将通过圆孔的不同角度的反射光线聚焦到线阵探测器70上的不同位置处，线阵探测器70上能量最高点的位置信息也就和被测物体表面的高度信息相对应，实现了被测物体表面高度信息的获取。

本发明所公开的物体表面高度的测量系统，避免了测量装置与被测物体直接接触，实现了无损检测，基于三角测量法实现一次非接触测量，获取被测物体表面的高度信息，为一种高精度、高灵敏度的无损检测方法。

下面结合图1至图4，对本发明所提供的系统做进一步更为详细的说明。

结合图2所示，所述复色点光源包括：白色LED灯组220和整形镜片组210。由于LED灯发出的白光发散角较大，能量分散，若直接使用，则可能会导致线阵探测器接收到的光信号弱，因此为了使LED灯发出的光发散角小且能量集中，本实施例中，利用整形镜片组210对其进行聚焦和整形，使得整形后的白光可以具有较小的发散角和较高的能量集中度。

具体的，所述整形镜片组210放置在所述白色LED灯组220发出的白光光路内，其可以由1个或多个镜片组成，并且将所述整形镜片组210放置在LED灯组220的一端，利用所述整形镜片组210对LED灯组220发出的白光进行整形，以使得从整形镜片组210中出射的白光较为集中，能量集中度高。

第一色散透镜组20，使用不同材料的1片或1片以上的光学透镜组合，对入射光线(入射光线为点光源发出的复色光，若光源为白色LED灯组，则入射光线为白光)进行色散，其可以用球面镜片也可以用非球面镜片。第一色散透镜组将不同波长的光聚焦在被测物体30的不同高度处。结合图3，考虑到第一色散透镜组20会在不同环境下使用，因此本发明的第一色散透镜组20中设置有保护玻璃80，用于保护第一色散透镜组20中其它透镜。

复色光在经过第一色散透镜组20后，不同波长的光会聚焦到不同高度上，实现了波长和被测物体表面高度的对应。在一种实施方式中，采用的第一色散透镜组由6枚球面玻璃镜片组成，其中一枚是保护玻璃80，工作波长范围为420nm-720nm，色散范围4mm，即可测量的高度量程为4mm。第一色散透镜组工作原理如图3所示，由于色散出的不同波长的光具有不同的焦点，因此仅有单个波长的光聚焦到被测物体表面上，而其它波长的光则在被测物体表面呈散焦状态，比如：在第一色散透镜组的作用下，波长420nm的光聚焦在了被测物体表面上，则波长550nm和720nm的光线在被测物体表面则是散焦状态。

具体的，结合图1和图3所示，由于第一色散透镜组20的光学特性依赖于波长，因此在光轴上形成了一系列连续分布的不同波长的聚焦光斑，不同波长对应不同的聚焦深度，也就是所谓的彩色编码。本发明的第一色散透镜组20的光学透镜既可用球面镜片也可用非球面镜片。设计完成的第一色散透镜组30可满足全视场范围内的性能均在在衍射极限以内，从而保证测量系统的分辨率满足要求。

当被测物体放置于彩色编码段内时，被测物体表面包含全部的光谱信息，由于被测物体的表面会产生反射光束，因此反射光束会通过第二色散透镜组40，经滤光器50和聚焦透镜组60到达线阵探测器70上。

进一步的，滤光器50在该结构中起到了至关重要的作用，滤光器50可以滤除杂散光，只有聚焦层面的光可以通过滤光器50到达聚焦透镜组，成像到线阵探测器70。

具体的，结合图4所示，照射到被测物体表面上的光束，反射出的光经过第二色散透镜组40后，入射到滤光器50，具体的，在一种实施方式中，所述滤光器50采用圆孔，圆孔可以滤除杂散光，只有聚焦层面的光可以通过圆孔到达聚焦透镜组，成像到线型探测器70。例如：波长420nm的光线聚焦在被测物体表面上(即聚焦层面上的光的波长为420nm)，在经过第二色散透镜组后，可以通过圆孔，波长550nm和720nm的光线在被测物体表面是散焦情况，其反射光线在经过第二色散透镜组后，无法通过圆孔。通过圆孔的光在经过聚焦透镜组后，聚焦到线阵探测器上。

具体实施时将圆孔放到第二色散透镜组焦平面前接收光线也可以实现对非聚焦波长反射的光线过滤，但由于圆孔和线阵探测器之间具有一定的距离，圆孔要达到一定的尺寸才能使得聚焦点的光线完全通过，而圆孔尺寸变大会导致更多被测物体表面上非聚焦点反射的光线进入线阵探测器，导致线阵探测器接收到更多的噪声信号。若将圆孔置于第二色散透镜组的焦平面处可以使圆孔尺寸更小，可以滤除掉更多的非聚焦波长反射的光线，再经过一个聚焦透镜组，二次成像到像面上，可以使接收到的非聚焦波长反射的光线相对更少。因此本实施例中将圆孔放置在第二色散透镜组的焦平面上，可以使圆孔的尺寸更小，滤除更多非聚焦波长的反射光线，使系统具有更高的信噪比。本发明所使用的传感器在线阵探测器上接收到的是仅含有能表征被测物高度信息的波长的信号，具有高分辨率、高信噪比的特点。

结合图4所示，从滤光器50中输出的反射光束入射到聚焦透镜组，所述聚焦透镜组是为了将通过圆孔的光线聚焦到线型探测器上。所述聚焦透镜组由1个或1个以上的镜片组成，用于对被测物体表面聚焦波长反射的光线进行二次成像，将从圆孔中出射的反射光线聚焦成像到线阵探测器上。

当被测物体高度发生变化时，由点光源发出的光线经过第一色散透镜组后会使其它波长的光线聚焦到被测物体表面，该波长光线在经过第二色散透镜组后，会以不同的入射角通过圆孔进入到聚焦透镜组，聚焦透镜组会将该波长的光线聚焦到线阵探测器不同位置处。

处理器从线阵探测器上能量最高点的位置信息，得到被测物体相应的高度信息；其中，线阵探测器可以为线阵CCD或者COMS探测器。

本发明提供的彩色三角位移传感器可以实现高精度，高信噪比的测量物体表面高度，可应用于无损测量、精密测量等领域。

实施例2

本实施例在公开上述系统的基础上，还公开了一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器的测量方法，如图5所示，所述测量方法包括：

步骤S1、利用第一色散透镜组对复色光进行色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体表面上；

步骤S2、利用线阵探测器获取所述被测物体表面反射的反射光束像点的位置信息，并将所述位置信息传输至处理器；

步骤S3、所述处理器根据所述位置信息得到被测物体的高度信息。

进一步的，本实施例中所使用的光源为复色点光源，若要实现对所述复色点光源发出的光线进行整形，则所述对复色光进行色散的步骤之前，包括：

利用白光LED发出白光，并将所述白光入射到整形镜片组，所述整形镜片组将所述白光整形为点光源后发出。

进一步的，所述利用线阵探测器获取所述被测物体表面反射的反射光束像点的位置信息的步骤之前，还包括：

利用第二色散透镜组接收被测物体表面上反射的反射光束，并将所述反射光束出射到滤光器上，利用所述滤光器对所述反射光束进行过滤，过滤出特定波长范围的反射光束；

将过滤后的所述反射光束聚焦到线阵探测器上；

在一种实施方式中，所述滤光器为圆孔，并且所述圆孔设置在所述第二色散透镜组的焦平面上。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

1、本实施例中以复色点光源发出的复色光替代传统激光三角位移法中使用的激光为入射光线，以像面中能量最高点位置信息表征被测物体高度信息，使得本实施例所公开的传感器具有更高的分辨率。

2.利用对称结构的第一色散透镜组和第二色散透镜组来实现复色光的色散以及被测物体表面反射的光的接收，无需棱镜等分光原件，可以减少光线能量在系统中的损失。

3、利用圆孔对接收到的反射光线进行过滤，滤除被测物体表面非聚焦波长反射回的光线，避免了非聚焦波长反射回的光线对测量系统的干扰，因此可以使传感器具有更高信噪比。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三角测量法的彩色三角位移传感器，其特征在于，包括：复色点光源、第一色散透镜组、第二色散透镜组，滤光器、聚焦透镜组、线阵探测器和处理器；

所述复色点光源，用于发出复色光；

所述第一色散透镜组，用于对所述复色光进行轴向色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体表面上；

所述第二色散透镜组，用于接收所述被测物体表面反射的反射光束，并将所述反射光束投射到滤光器；

所述滤光器，位于所述第二色散透镜组的焦平面上，用于接收所述第二色散透镜组透射的反射光束，并过滤出特定波长范围的反射光束；其中，特定波长范围为聚焦在所述被测物体表面上光线的波长范围；

聚焦透镜组，用于接收所述滤光器过滤出的反射光束，并将所述反射光束聚焦到线阵探测器上；

所述线阵探测器，用于接收反射光束，获取所述反射光束像点的位置信息，并将获取的所述位置信息传输至处理器；

所述处理器，用于根据所述位置信息得到被测物体表面的高度信息。

2.根据权利要求1所述的基于三角测量法的彩色三角位移传感器，其特征在于，所述复色点光源包括：白光LED和用于对所述白光LED发出的白光进行整形的整形镜片组。

3.根据权利要求1所述的基于三角测量法的彩色三角位移传感器，其特征在于，所述第一色散透镜组和第二色散透镜组结构对称。

4.根据权利要求3所述的基于三角测量法的彩色三角位移传感器，其特征在于，所述第一色散透镜组或第二色散透镜组包括至少一个球面透镜。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于三角测量法的彩色三角位移传感器，其特征在于，所述滤光器为圆孔，所述圆孔设置在所述第二色散透镜组的焦平面上，用于滤除被测物体表面反射出的非聚焦波长的光线。

6.根据权利要求1-4任一项所述基于三角测量法的彩色三角位移传感器，其特征在于，所述线阵探测器为线阵CCD或CMOS。

7.一种如权利要求1所述的彩色三角位移传感器的测量方法，其特征在于，包括：

利用第一色散透镜组对复色光进行色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体表面上；

利用线阵探测器获取所述被测物体表面反射的反射光束像点的位置信息，并将所述位置信息发送至处理器；

所述处理器根据所述位置信息得到被测物体的高度信息。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述对复色光进行色散的步骤之前，包括：

利用白光LED发出白光，并将所述白光入射到整形镜片组，通过所述整形镜片组对所述白光进行整形后发出。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述利用线阵探测器获取所述被测物体表面反射的反射光束像点的位置信息的步骤之前，还包括：

利用第二色散透镜组接收被测物体表面上反射的反射光束，并将所述反射光束出射到滤光器上，利用所述滤光器对所述反射光束进行过滤，过滤出特定波长范围的反射光束；

将过滤后的所述反射光束聚焦到线阵探测器上。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述滤光器为圆孔，并且所述圆孔设置在所述第二色散透镜组的焦平面上。

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