CN115876096A - 一种基于线激光的高精度位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线激光的高精度位移传感器，机壳内安装有控制板，控制板上设置沙姆镜头，沙姆镜头连接转接口，在机壳的上方设置有上盖，上盖的底部固定连接有线激光器，线激光器射出的线激光通过机壳丝杠的透光窗片射在物体表面，物体表面的线激光通过机壳上的滤波窗片进入到沙姆镜头中，最终成像在设置在控制板上的CMOS模块上，CMOS模块一侧连接有散热块，控制板控制连接线激光器、CMOS模块和接口。本发明使用的大光通量沙姆镜头配合高帧率芯片使得相机速度全幅模式下扫描频率由传统700HZ提高到6KHz，ROI模式下扫描频率由传统10KHZ提高到30KHz且物面与镜头光轴夹角角度工作范围广，可以满足在不更换镜头仅更换转接口的条件下适用于不同的沙姆角工作场合。

Description

一种基于线激光的高精度位移传感器

技术领域

本发明涉及线性尺寸的计量技术领域，特别涉及一种基于线激光的高精度位移传感器。

背景技术

线激光位移传感器在高端装备制造过程中起到了高精度非接触式检测的作用，用来测量高度和位移等线性尺寸。为提高测量精度线激光位移传感器使用的镜头满足沙姆定律可以增大景深，对垂直目标全视野清晰成像。

目前市场上的线激光位移传感器可以做到高分辨率、小型化，满足常规的使用要求。但随着半导体技术的发展，图像传感器帧频越来越高，线激光位移传感器测量速度越来越高，高速帧频对线激光强度和成像镜头光通量提出更高要求。

为此，本申请设计了一种基于线激光的高精度位移传感器，具有高精度高速度性能。

发明内容

本发明为了弥补现有技术中的不足，提供了一种基于线激光的高精度位移传感器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于线激光的高精度位移传感器，机壳内安装有控制板，控制板上设置有大光通量的沙姆镜头，沙姆镜头连接设计有夹角的转接口，在机壳的上方设置有上盖，上盖的底部固定连接有线激光器，线激光器射出的线激光通过机壳丝杠的透光窗片射在物体表面，物体表面的线激光通过机壳上的滤波窗片进入到沙姆镜头中，最终成像在设置在控制板上的CMOS模块上，CMOS模块一侧连接有散热块，控制板控制连接线激光器、CMOS模块和接口。

进一步地，为了更好的实现本发明，沙姆镜头由四片透镜或五片透镜组成，四片透镜包括第一片透镜、第二片透镜、第三片透镜和第四片透镜，在第二片透镜和第三片透镜之间设置有光阑；五片透镜组成时，在第四片透镜后方增加一个第五片透镜。

进一步地，为了更好的实现本发明，沙姆镜头与测量物体表面形成沙姆角α，沙姆角α为36°，线激光器的FOV尺寸为： L4=38mm，L5=32mm，L7=32.3mm。

进一步地，为了更好的实现本发明，第一片透镜入光面的曲率半径为21.65±0.05mm，出光面的曲率半径为-183.28±0.05mm；所述第二片透镜入光面的曲率半径为7.86±0.05mm，胶合面曲率半径为-411.20±0.05mm，出光面的曲率半径为14.43±0.05mm；所述第三片透镜入光面的曲率半径为-4.51±0.05mm，胶合面曲率半径为-37.65±0.05mm，出光面的曲率半径为-9.69±0.05mm；所述第四片透镜入光面的曲率半径为42.33±0.05mm，出光面的曲率半径为-42.33±0.05mm。

进一步地，为了更好的实现本发明，第一片透镜的中心厚度为4.2±0.05mm；所述第二片透镜的中心厚度为5.96±0.05mm；所述第三片透镜的中心厚度为7.58±0.05mm；所述第四片透镜的中心厚度为2.72±0.05；第一片透镜9101和第二片透镜的空气间隔在光轴上的距离为8.16±0.05mm；第二片透镜和第三片透镜的空气间隔在光轴上的距离为8.68±0.05mm；第二片透镜和第三片透镜之间设计有光阑，孔径为3.6mm，距离第二片透镜距离为5.242mm，第三片透镜和第四片透镜的空气间隔在光轴上的距离为0.1±0.05mm。

进一步地，为了更好的实现本发明，第一片透镜的折射率和阿贝数为1.6505±0.001，22.527±0.5%；所述第二片透镜的折射率和阿贝数为前透镜1.4705±0.001，66.899±0.5%，后透镜1.9007±0.001,37.054±0.5%；所述第三片透镜的折射率和阿贝数为前透镜1.5407±0.001,47.23±0.5%，后透镜1.5639±0.001，60.791±0.5%；所述第四片透镜的折射率和阿贝数为1.8348±0.001，42.727±0.5%。

本发明的有益效果是：

本发明设计了完全满足性能的高速线激光位移传感器，其使用的大光通量沙姆镜头配合高帧率芯片使得相机速度全幅模式下扫描频率由传统700HZ提高到6KHz，ROI模式下扫描频率由传统10KHZ提高到30KHz且物面与镜头光轴夹角角度工作范围广，可以满足在不更换镜头仅更换转接口的条件下适用于不同的沙姆角工作场合。

附图说明

图1为本发明的3D测量激光传感器内部结构俯视图；

图2为本发明的3D测量激光传感器内部结构侧视图；

图3为本发明的3D测量激光传感器内部结构立体图；

图4为本发明的实施例1的透镜组及光路图；

图5为沙姆定律示意图；

图6为本发明的实施例1的光学弥散斑图；

图7为本发明的实施例1的光学调制函数MTF图；

图8为本发明的实施例1的场曲和畸变图；

图9为本发明的实施例2的透镜组及光路图；

图10为本发明的实施例2的光学弥散斑图；

图11为本发明的实施例2的光学调制函数MTF图；

图12为本发明的实施例2的场曲和畸变图；

图13为本发明的实施例3的透镜组及光路图；

图14为本发明的实施例3的光学弥散斑图；

图15为本发明的实施例3的光学调制函数MTF图；

图16为本发明的实施例3的场曲和畸变图；

图17为本发明的实施例1的镜片参数表；

图18为本发明的实施例2的镜片参数表；

图19为本发明的实施例3的镜片参数表；

图中，

1、沙姆镜头，2、转接口，3、线激光器，4、透光窗片，5、CMOS模块，6、滤波窗片，7、机壳，8、控制板，9、接口，10、散热块，11、上盖，101、第一片透镜，102、第二片透镜，103、第三片透镜，104、第四片透镜，105、光阑，201、实施例二第一片透镜，202、实施例二第二片透镜、203、实施例二第三片透镜，204、实施例二第四片透镜，205、实施例二第五片透镜，206、实施例二光阑，301、实施例三第一片透镜，302、实施例三第二片透镜、303、实施例三第三片透镜，304、实施例三第四片透镜，305、实施例三第五片透镜，306、实施例三光阑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1-图19为本发明的三种实施例。

实施例1：

如图1、图2、图3所示，一种基于线激光的高精度位移传感器包括9个模块部分，机壳7内部有大光通量沙姆镜头1，通过连接设计有一定夹角的转接口2实现与测量物面的一定夹角α。线激光器3由固定块固定在上盖11上，出射测量用线激光，通过透光片4射在物体表面。物体表面的线激光通过透光片6进入到沙姆镜头1中，最终成像在CMOS模块5上，CMOS模块5通过散热块10散热。控制板8将激光器3，CMOS5以及接口9连接在一起实现控制功能。沙姆角α为36°，L1=160mm，L2=123mm厚度为79mm。 FOV尺寸为：L4=38mm，L5=32mm， L7=32.3mm。所有部分均固定于底板之上，相互之间留有一定的调节余量。以下以发明以适配高帧率芯片的沙姆镜头为主进行详细说明：

如图4所示，镜头共有四片透镜组成，其参数见图17：

镜头第一片透镜101入光面的曲率半径为21.65±0.05mm，出光面的曲率半径为-183.28±0.05mm；所述第二片透镜102入光面的曲率半径为7.86±0.05mm，胶合面曲率半径为-411.20±0.05mm，出光面的曲率半径为14.43±0.05mm；所述第三片透镜103入光面的曲率半径为-4.51±0.05mm，胶合面曲率半径为-37.65±0.05mm，出光面的曲率半径为-9.69±0.05mm；所述第四片透镜104入光面的曲率半径为42.33±0.05mm，出光面的曲率半径为-42.33±0.05mm。

镜头第一片透镜101的中心厚度为4.2±0.05mm；所述第二片透镜102的中心厚度为5.96±0.05mm；所述第三片透镜103的中心厚度为7.58±0.05mm；所述第四片透镜104的中心厚度为2.72±0.05mm。镜头第一片透镜101和第二片透镜102的空气间隔在光轴上的距离为8.16±0.05mm；第二片透镜102和第三片透镜103的空气间隔在光轴上的距离为8.68±0.05mm；第二片透镜102和第三片透镜103之间设计有光阑105，孔径为3.6mm，距离第二片透镜102距离为5.242mm，第三片透镜103和第四片透镜104的空气间隔在光轴上的距离为0.1±0.05mm。

镜头第一片透镜101的折射率和阿贝数为1.6505±0.001，22.527±0.5%；所述第二片透镜102的折射率和阿贝数为前透镜1.4705±0.001，66.899±0.5%，后透镜1.9007±0.001,37.054±±0.5%；所述第三片透镜103的折射率和阿贝数为前透镜1.5407±0.001,47.23±±0.5%，后透镜1.5639±0.001，60.791±0.5%；所述第四片透镜104的折射率和阿贝数为1.8348±0.001，42.727±0.5%。

镜头机械结构镜筒与光学透镜组配套，与透镜组一一对应，镜筒内部安装透镜组、隔圈以及压圈等部件，接口类型可按要求设计，机械件之间采用细牙螺纹连接。

TTL=51.04mm，IH=7.89mm，TTL/IH＝6.5，其中TTL为第一片透镜101的前表面到像面的距离，IH为矩形探测器对角线半像高，可制备小型化的沙姆镜头。在满足高分辨率设计的同时，也保证了镜头结构的简洁性，并且可使得待测倾斜物体表面相对镜头光轴夹角最小可达5°。可实现镜头工作波长395nm-415nm，焦距42.16mm，工作距离为100mm。F数5.4，为镜头焦距f和通光孔径D之比。光通量与F数的平方成反比关系，F数越小，光通量越大。光学设计结果中，镜头的光学特性均满足使用要求。其中弥散斑尺寸（图6）都在理想范围内，轴上和轴外点能量集中度和象差矫正很高，达到了理想分辨率。调制传递函数MTF中各视场MTF值在81线对/毫米处对比度在0.4-0.6左右（图7），可以看出镜头在全视场范围内有较高和一致的对比度和分辨率。镜头在全视场内有透视畸变（图8），后期软件矫正即可。

实施例2：

在本实施例中，沙姆角α为32.6°， L1=160mm，L2=123mm厚度为79mm。 FOV尺寸为：L4=24mm，L5=21mm， L7=6.6mm。所有部分均固定于底板之上，相互之间留有一定的调节余量。

如图9所示，镜头共有五片透镜组成，其参数见图18所示：

实施例二第一片透镜201入光面的曲率半径为18.987±0.05mm，出光面的曲率半径为-309.18±0.05mm；实施例二第二片透镜202入光面的曲率半径为16.652±0.05mm，胶合面曲率半径为-68.536±0.05mm，出光面的曲率半径为42.48±0.05mm；实施例二第三片透镜203入光面的曲率半径为-8.243±0.05mm，出光面的曲率半径为25.385±0.05mm；实施例二第四片透镜204入光面的曲率半径为40.763±0.05mm，出光面的曲率半径为-40.763±0.05mm；实施例二第五片透镜205入光面的曲率半径为-752.44±0.05mm，出光面的曲率半径为-26.48±0.05mm。

实施例二第一片透镜201的中心厚度为5.2±0.05mm；实施例二第二片透镜202的中心厚度为5.4±0.05mm；实施例二第三片透镜203的中心厚度为3±0.05mm；实施例二第四片透镜204的中心厚度为3±0.05mm；实施例二第五片透镜205的中心厚度为3±0.05mm。实施例二第一片透镜201和实施例二第二片透镜202的空气间隔在光轴上的距离为0.428±0.05mm；实施例二第二片透镜202和实施例二第三片透镜203的空气间隔在光轴上的距离为3.45±0.05mm；实施例二第二片透镜和实施例二第三片透镜之间设计有实施例二光阑206，孔径为8.5mm，距离实施例二第二片透镜202距离为3.45mm，实施例二第三片透镜203和实施例二第四片透镜204的空气间隔在光轴上的距离为1.84±0.05mm，实施例二第四片透镜204和实施例二第五片透镜205的空气间隔在光轴上的距离为0.9±0.05mm。

实施例二第一片透镜201的折射率和阿贝数为1.5046±0.001，64.78±±0.5%；实施例二第二片透镜202的折射率和阿贝数为前透镜1.4705±0.001，66.885±±0.5%，后透镜1.9537±0.001,32.318±±0.5%；实施例二第三片透镜203的折射率和阿贝数为1.5407±0.001,47.23±±0.5%；实施例二第四片透镜204的折射率和阿贝数为1.5639±0.001，60.79±±0.5%；实施例二第五片透镜205的折射率和阿贝数为1.8348±0.001，42.727±±0.5%。

镜头机械结构镜筒与光学透镜组配套，与透镜组一一对应，镜筒内部安装透镜组、隔圈以及压圈等部件，接口类型可按要求设计，机械件之间采用细牙螺纹连接。

TTL=66.14mm，IH=8.25mm，TTL/IH＝8，其中TTL为实施例二第一片透镜201的前表面到像面的距离，IH为矩形探测器对角线半像高，可制备小型化的沙姆镜头。在满足高分辨率设计的同时，也保证了镜头结构的简洁性，并且可使得待测倾斜物体表面相对镜头光轴夹角最小可达5°。可实现镜头工作波长400nm-410nm，焦距45.82mm，工作距离为110mm。F数5.4，为镜头焦距f和通光孔径D之比。光通量与F数的平方成反比关系，F数越小，光通量越大。光学设计结果中，镜头的光学特性均满足使用要求。其中弥散斑尺寸都在理想范围内（图10），轴上和轴外点能量集中度和象差矫正很高，达到了理想分辨率。调制传递函数MTF中各视场MTF值在80线对/毫米处对比度在0.3-0.7左右（图11），可以看出镜头在全视场范围内有较高和一致的对比度和分辨率。镜头在全视场内有透视畸变（图12），后期软件矫正即可。

实施例3：

在本实施例中，沙姆角α为19°， L1=160mm，L2=123mm厚度为79mm。 FOV尺寸为：L4=15.3mm，L5=14.6mm， L7=3.1mm。

如图13所示，镜头共有五片透镜组成，其参数见图19：

实施例三第一片透镜301入光面的曲率半径为24.136±0.05mm，出光面的曲率半径为-83.550±0.05mm；实施例三第二片透镜302入光面的曲率半径为21.684±0.05mm，胶合面曲率半径为-49.818±0.05mm，出光面的曲率半径为106.684±0.05mm；实施例三第三片透镜303入光面的曲率半径为-38.507±0.05mm，出光面的曲率半径为13.760±0.05mm；实施例三第四片透镜304入光面的曲率半径为33.840±0.05mm，出光面的曲率半径为-137.442±0.05mm；实施例三第五片透镜305入光面的曲率半径为-14.238±0.05mm，出光面的曲率半径为-16.863±0.05mm。

实施例三第一片透镜301的中心厚度为5.2±0.05mm；实施例三第二片透镜302的中心厚度为5.4±0.05mm；实施例三第三片透镜303的中心厚度为3±0.05mm；实施例三第四片透镜304的中心厚度为3±0.05mm；实施例三第五片透镜305的中心厚度为3±0.05mm。实施例三第一片透镜301和实施例三第二片透镜302的空气间隔在光轴上的距离为0.097±0.05mm；实施例三第二片透镜302和实施例三第三片透镜303的空气间隔在光轴上的距离为8.82±0.05mm；实施例三第二片透镜出光面设计有实施例三光阑306，孔径为16mm；实施例三第三片透镜303和实施例三第四片透镜304的空气间隔在光轴上的距离为5.44±0.05mm，实施例三第四片透镜304和实施例三第五片透镜305的空气间隔在光轴上的距离为3.84±0.05mm。

实施例三第一片透镜301的折射率和阿贝数为1.5607±0.001，58.345±0.5%；实施例三第二片透镜302的折射率和阿贝数为前透镜1.497±0.001，81.595±0.5%，后透镜1.9537±0.001,32.318±0.5%；实施例三第三片透镜303的折射率和阿贝数为1.5111±0.001,60.479±0.5%；实施例三第四片透镜304的折射率和阿贝数为1.804±0.001，46.591±0.5%；实施例三第五片透镜305的折射率和阿贝数为1.834±0.001，37.229±0.5%。

镜头机械结构镜筒与光学透镜组配套，与透镜组一一对应，镜筒内部安装透镜组、隔圈以及压圈等部件，接口类型可按要求设计，机械件之间采用细牙螺纹连接。

TTL=80.53mm，IH=6.76mm，TTL/IH＝11.91，其中TTL为实施例三第一片透镜301的前表面到像面的距离，IH为矩形探测器对角线半像高，可制备相对小型化的沙姆镜头。在满足高分辨率设计的同时，也保证了镜头结构的简洁性，并且可使得待测倾斜物体表面相对镜头光轴夹角最小可达5°。可实现镜头工作波长400nm-410nm，焦距40.28mm，工作距离为85mm。F数4.3，为镜头焦距f和通光孔径D之比。光通量与F数的平方成反比关系，F数越小，光通量越大。光学设计结果中，镜头的光学特性均满足使用要求。其中弥散斑尺寸都在理想范围内（图14），轴上和轴外点能量集中度和象差矫正很高，达到了理想分辨率。调制传递函数MTF中各视场MTF值在70线对/毫米处对比度在0.2-0.5左右（图15），可以看出镜头在全视场范围内有较高和一致的对比度和分辨率。镜头在全视场内有透视畸变（图16），后期软件矫正即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于线激光的高精度位移传感器，包括机壳（7），其特征在于：

所述机壳（7）内安装有控制板（8），控制板(8)上设置有大光通量的沙姆镜头（1），沙姆镜头（1）连接设计有夹角的转接口（2），在机壳（7）的上方设置有上盖（11），上盖（11）的底部固定连接有线激光器（3），线激光器（3）射出的线激光通过机壳（7）丝杠的透光窗片（4）射在物体表面，物体表面的线激光通过机壳（7）上的滤波窗片（6）进入到沙姆镜头（1）中，最终成像在设置在控制板（8）上的CMOS模块（5）上，CMOS模块（5）一侧连接有散热块（10），控制板（8）控制连接线激光器（3）、CMOS模块（5）和接口（9）。

2.根据权利要求1所述的基于线激光的高精度位移传感器，其特征在于：

所述沙姆镜头（1）由四片透镜或五片透镜组成，四片透镜包括第一片透镜（101）、第二片透镜（102）、第三片透镜（103）和第四片透镜（104），在第二片透镜（102）和第三片透镜（103）之间设置有光阑（105）；五片透镜组成时，在第四片透镜后方增加一个第五片透镜。

3.根据权利要求1所述的基于线激光的高精度位移传感器，其特征在于：

所述沙姆镜头（1）与测量物体表面形成沙姆角α，沙姆角α为36°，线激光器（3）的FOV尺寸为： L4=38mm，L5=32mm，L7=32.3mm。

4.根据权利要求2所述的基于线激光的高精度位移传感器，其特征在于：

所述第一片透镜（101）入光面的曲率半径为21.65±0.05mm，出光面的曲率半径为-183.28±0.05mm；所述第二片透镜（102）入光面的曲率半径为7.86±0.05mm，胶合面曲率半径为-411.20±0.05mm，出光面的曲率半径为14.43±0.05mm；所述第三片透镜（103）入光面的曲率半径为-4.51±0.05mm，胶合面曲率半径为-37.65±0.05mm，出光面的曲率半径为-9.69±0.05mm；所述第四片透镜（104）入光面的曲率半径为42.33±0.05mm，出光面的曲率半径为-42.33±0.05mm。

5.根据权利要求2所述的基于线激光的高精度位移传感器，其特征在于：

所述第一片透镜（101）的中心厚度为4.2±0.05mm；所述第二片透镜（102）的中心厚度为5.96±0.05mm；所述第三片透镜（103）的中心厚度为7.58±0.05mm；所述第四片透镜（104）的中心厚度为2.72±0.05；第一片透镜9101和第二片透镜（102）的空气间隔在光轴上的距离为8.16±0.05mm；第二片透镜（102）和第三片透镜（103）的空气间隔在光轴上的距离为8.68±0.05mm；第二片透镜（102）和第三片透镜（103）之间设计有光阑（105），孔径为3.6mm，距离第二片透镜（102）距离为5.242mm，第三片透镜（103）和第四片透镜（104）的空气间隔在光轴上的距离为0.1±0.05mm。

6.根据权利要求2所述的基于线激光的高精度位移传感器，其特征在于：

所述第一片透镜（101）的折射率和阿贝数为1.6505±0.001，22.527±0.5%；所述第二片透镜（102）的折射率和阿贝数为前透镜1.4705±0.001，66.899±0.5%，后透镜1.9007±0.001,37.054±0.5%；所述第三片透镜（103）的折射率和阿贝数为前透镜1.5407±0.001,47.23±0.5%，后透镜1.5639±0.001，60.791±0.5%；所述第四片透镜（104）的折射率和阿贝数为1.8348±0.001，42.727±0.5%。

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