CN117109444A - 一种激光位移传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光位移传感器及其控制方法，激光位移传感器包括照明模块、感光成像模块和控制处理模块；照明模块的激光出射组件用于出射激光探测光束；光斑整形组件和光栅结构依次位于激光探测光束的光轴上，光斑整形组件用于调整激光探测光束的光斑形状，驱动器件与光栅结构连接，用于驱动所述光栅结构沿光栅狭缝的排列方向震动；感光成像模块用于采集被测物体的感光图像；控制处理模块基于感光图像的中心，确定被测物体的位移。本申请通过驱动器件驱动光栅结构振动，抑制激光散斑效应，从而实现散斑颗粒的平滑，提高了激光位移传感器的测量精度，具有结构紧凑，便于集成与批量生产的优势。

Description

一种激光位移传感器及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及高精度检测技术领域，尤其涉及一种激光位移传感器及其控制方法。

背景技术

目前，激光位移传感器普遍应用三角反射法的原理，即激光二极管发出的激光束照射到被测物体表面，反射回来的光线通过一组透镜，投射到感光元件矩阵上。根据被测物体表面距离激光光源的不同，在感光元件矩阵上的成像位置也会有差异，通过计算感光元件矩阵上感光图像的中心，即可确认被测物体的表面位移。

本技术的位移测量值与感光图像的中心成对应关系，因此测量精度极大地受感光图像质量的影响。但因为激光为相干光源，故不可避免地带来激光散斑效应，即相干光照射被测物体时，不同的面元对入射相干光的反射或散射会引起不同的光程差，反射或散射的光波动在空间相遇时会发生干涉现象，会在被测物体表面形成随机、不规则的光强分布的斑点。激光散斑效应会造成感光图像的变形，影响感光图像的中心的计算，进而影响激光位移传感器的测量精度。

发明内容

本发明提供了一种激光位移传感器及其控制方法，具有结构紧凑，便于集成与批量生产的优势，同时可以抑制激光散斑效应，大幅提高激光位移传感器的测量精度。

第一方面，本申请提供了一种激光位移传感器，包括照明模块、感光成像模块和控制处理模块；

所述照明模块包括激光出射组件、光斑整形组件和光路调制组件；所述激光出射组件用于出射激光探测光束；所述光斑整形组件和所述光路调制组件依次位于所述激光探测光束的光轴上；所述光斑整形组件用于调整所述激光探测光束的光斑形状，使其至少在第一方向上具备预设尺寸；

所述光路调制组件包括光栅结构和驱动器件，所述光栅结构包括多条光栅狭缝，多条所述光栅狭缝沿所述第一方向排列；所述驱动器件分别与所述光栅结构和所述控制处理模块连接，用于根据所述控制处理模块的控制信号驱动所述光栅结构沿所述第一方向往复移动；所述光栅结构用于调制所述激光探测光束形成沿所述第一方向排列的激光探测光斑；

所述感光成像模块位于被测物体反射的所述激光探测光束的传播路径上，用于接收所述激光探测光斑并根据所述激光探测光斑得到所述被测物体的感光图像；

所述控制处理模块与所述感光成像模块连接；所述控制处理模块用于根据所述感光图像确定所述激光探测光束的光斑中心，并根据所述激光探测光束的光斑中心确定所述被测物体的位移。

可选的，所述光斑整形组件包括照明透镜和柱面镜；

所述照明透镜和所述柱面镜依次位于所述激光探测光束的传播路径上。

可选的，所述光栅结构的规格为长条形；

沿所述第一方向，所述光栅结构的尺寸大于所述激光探测光束的光斑尺寸。

可选的，所述驱动器件包括微机电系统或者机械马达。

可选的，所述感光成像模块包括成像透镜和感光元件；所述成像透镜和所述感光元件依次位于被测物体反射的所述激光探测光束的传播路径上；

所述成像透镜用于接收所述激光探测光斑并投射所述激光探测光斑至所述感光元件上；

所述感光元件用于接收所述激光探测光斑，并根据所述激光探测光斑得到所述被测物体表面的感光图像。

可选的，所述感光元件的感光面在所述第一方向上的尺寸大于所述光栅结构在所述第一方向上的尺寸。

可选的，所述被测物体的表面、所述成像透镜和所述感光元件的感光面交于同一条直线。

可选的，所述控制处理模块包括驱动电路和信息处理器；

所述驱动电路与所述驱动器件通信连接，用于向所述驱动器件输出控制信号以控制所述驱动器件驱动所述光栅结构沿所述第一方向往复移动；

所述信息处理器与所述感光元件通信连接，用于根据所述感光元件的感光图像确定多个所述激光探测光斑的光斑中心并根据所述光斑中心确定待测物体的位移。

第二方面，本申请实施例还提供了一种激光位移传感器的控制方法，用于控制第一方面提供的激光位移传感器，所述控制方法包括：

控制所述驱动器件带动光栅结构在所述第一方向往复移动，以使得所述激光探测光束经所述光栅结构透射后形成多组不同的激光探测光斑；

获取携带被测物体探测信息的所述激光探测光斑在所述感光元件的感光图像；

根据所述感光图像确定所述激光探测光斑的光斑中心；

根据所述光斑中心确定待测物体的位移。

可选的，根据所述感光图像确定所述激光探测光斑的光斑中心，包括：

在单帧曝光时间内，根据所述感光图像确定所述激光探测光斑的光斑中心；

或者，在预设探测时间内，根据多个单帧曝光时间获取的多个所述感光图像，确定多个感光图像的光斑中心均值；

根据所述光斑中心均值确定所述激光探测光斑的光斑中心。

综上，本申请提供的激光位移传感器，通过在激光出射组件出光路径上设置光斑整形组件和光栅结构，再通过驱动器件驱动光栅结构沿着光栅狭缝排列方向往复移动，在感光成像模块的曝光时间内，不同时刻透过光栅结构的光斑散斑特性不同且随机，从而减小反射或者散射光线的干涉作用，可以起到抑制激光散斑效应的作用，从而可以实现散斑颗粒的平滑，提高激光位移传感器的测量精度，并且本发明实施例提供的激光位移传感器具有结构紧凑，便于集成与批量生产的优势。

附图说明

图1是本申请提供的一种激光位移传感器的结构示意图；

图2是本申请提供的一种光栅结构的结构示意图；

图3是本申请提供的光线透过光栅结构的示意图；

图4是本申请提供的一种照明模块的结构示意图；

图5是本申请提供的一种激光位移传感器的应用示意图；

图6是本申请提供的另一种激光位移传感器的应用示意图；

图7是本申请提供的一种激光位移传感器的控制方法的示意图。

其中，附图说明为：

1、照明模块；11、激光出射组件；12、光斑整形组件；131、光栅结构；132、驱动器件；121照明透镜；122、柱面镜；

2、感光成像模块；21、成像透镜；22、感光元件；

3、控制处理模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明鉴于现有技术中所存在的上述问题中的一个或多个而提出的一种激光位移传感器。图1是本申请提供的一种激光位移传感器的结构示意图；图2是本申请提供的一种光栅结构的结构示意图；图3是本申请提供的光线透过光栅结构的示意图。结合图1-图3所示，本申请实施例提供的激光位移传感器包括照明模块1、感光成像模块2和控制处理模块3；照明模块1包括激光出射组件11、光斑整形组件12和光路调制组件13，激光出射组件11用于出射激光探测光束S；光斑整形组件12和光路调制组件13依次位于激光探测光束S的光轴上；光斑整形组件12用于调整激光探测光束S的光斑形状，使其至少在第一方向(如图1和图2中Y方向所示)上具备预设尺寸；光路调制组件13包括光栅结构131和驱动器件132，光栅结构131包括多条光栅狭缝130，多条光栅狭缝130沿第一方向(如图1和图2中Y方向所示)排列；驱动器件132分别与光栅结构131和控制处理模块3连接，用于根据控制处理模块3的控制信号驱动光栅结构131沿第一方向往复移动；光栅结构131用于调制激光探测光束形S成沿第一方向排列的激光探测光斑S’(如图3所示)；感光成像模块2位于被测物体M反射的激光探测光束S的传播路径上，用于接收激光探测光斑S’并根据激光探测光斑S’得到被测物体M的感光图像；控制处理模块3与感光成像模块2连接，控制处理模块3基于感光图像的光斑中心确定被测物体M的位移。

具体的，结合图1所示，照明模块1的激光出射组件11可以采用半导体激光器，发射激光探测光束S。示例性的，采用可见光波段的半导体激光器，例如760nm红色半导体激光器。在激光探测光束S的传播路径上依次设置光斑整形组件12、光栅结构131，光斑整形组件12可以是多个光学透镜的组合，用于调整照射在光栅结构131表面的激光探测光束S的光斑形状，示例性的，激光探测光束S的光斑形状可以为条状、圆形、方形等对称结构。其中，激光探测光束S经过光斑整形组件12，至少在第一方向上具备预设尺寸，该预设尺寸至少覆盖光栅结构131的尺寸。结合图2所示，光栅结构131可以为透射式光栅，其表面设置有多条沿着图中Y方向依次排列的光栅狭缝130，其中，本申请实施例对光栅结构131的光栅参数不做具体限制，光栅参数包括光栅周期等。结合图2和图3所示，由于光栅结构131的遮挡，激光探测光束S透过光栅结构131的光栅狭缝130后被调制成沿图中Y方向多段依次排列的激光探测光斑S’。检测开始后，控制处理模块3输出控制信号，以控制驱动器件132驱动光栅结构13机械震动，震动方向与光栅狭缝130的排列方向相同，参考图1和图2所示，驱动器件132带动光栅结构131沿图中Y方向往复移动，形成震动光栅。测量时，由于光栅结构131震动，改变了激光探测光束S’照射在被测物体M表面的光斑中心位置，使得不同时刻透过光栅结构131的光斑散斑特性均不相同。其中，驱动器件132驱动光栅结构131的震动位移较小，示例性的，如震动位移在1um量级或10um量级，即驱动器件132驱动光栅结构131在极小的移动范围震动。

在位移测量时，本申请采用三角反射法的原理，激光出射组件11发射激光探测光束S；光斑整形组件12调整激光探测光束S的光斑形状使其照射在光栅结构131上，控制处理模块3控制驱动器件132驱动光栅结构131机械震动，激光探测光束S透过光栅结构131后形成激光探测光斑S’，由于光栅结构131微量震动改变了激光探测光斑S’照射在被测物体M表面的光斑中心位置；感光成像模块2接收被测物体M反射的激光探测光斑S’，在曝光时间内，不同时刻透过光栅结构131的激光探测光斑S’的光斑散斑特性不同且随机，可以减少被测物体M表面反射或者散射光线的干涉作用，起到激光散斑抑制的作用；在感光成像模块2的曝光时间内，每个像素的灰度值为不同时刻被测物体M表面散斑特性的积分，因此实际采集到的感光图像为散斑抑制后形成的图像，控制处理模块3提取与计算感光图像的中心，根据感光图像的中心确认被测物体M的位移。其中，感光图像指的是被测物体M的表面在感光成像模块2中所成的图像。

综上，本申请提供的激光位移传感器，通过在激光出射组件出光路径上设置、光斑整形组件和光栅结构，再通过驱动器件驱动光栅结构振动，在感光成像模块的曝光时间内，不同时刻透过光栅结构的光斑散斑特性不同且随机，从而减小反射或者散射光线的干涉作用，起到抑制激光散斑效应的作用，实现散斑颗粒的平滑，提高激光位移传感器的测量精度。

可选的，继续结合图1所示，驱动器件132包括微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)或者机械马达，或者其他的可行的驱动器，用于驱动光栅结构131沿确定方向机械震动。

图4是本申请提供的一种照明模块的结构示意图。一种可行的实施方式，参考图4所示，光斑整形组件12包括照明透镜121和柱面镜122，照明透镜121和柱面镜122依次位于激光探测光束S的传播路径上。

具体的，参考图4所示，激光出射组件11、照明透镜121、柱面镜122、光栅131构成了长条光斑照明光路，照明透镜121和柱面镜122组合将激光探测光束S整形为长条光斑，长条光斑对于实际表面粗糙的物体，可以起到良好的平滑作用。

可选的，结合图1和图2所示，光栅结构131的规格为长条形，沿第一方向，光栅结构131的尺寸大于激光探测光束S的光斑尺寸。

具体的，长条形的光栅结构131与长条光斑相匹配，由于长条形的光栅结构131依然保持了左右对成性，同时，合理控制感光成像模块2的感光面像素大小(Pixel Size)，示例性的，Pixel Size为12um*500um，以使Pixel Size与长条光斑相匹配，在感光成像模块2成像时，通过此设置，依然可以形成近似于高斯分布的灰度值分布，从而不影响实际光斑中心计算以及之后的距离转化。

图5是本申请提供的一种激光位移传感器的应用示意图；图6是本申请提供的另一种激光位移传感器的应用示意图。其中，图5和图6中的驱动器件未示出。可选的，结合图5和图6所示，感光成像模块2包括成像透镜21和感光元件22；成像透镜21和感光元件22依次位于被测物体反射的激光探测光斑S’的传播路径上；成像透镜21用于接收激光探测光斑S’并投射激光探测光斑S’至感光元件22上；感光元件21用于接收激光探测光斑S’，并根据激光探测光斑S’得到被测物体M表面的感光图像。

具体的，结合图5和图6所示，成像透镜21和感光元件22形成了成像系统，成像透镜121用于汇聚被测物体M反射的激光探测光斑S’，感光元件21可以采用与长条光斑匹配的高宽度感光矩阵。示例性的，如采用CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)图像传感器或者CCD(charge coupled device，CCD)图像传感器。

可选的，结合图5和图6所示，感光元件122的感光面的在第一方向(图中Y方向)上的尺寸大于光栅结构131在第一方向(图中Y方向)上的尺寸。

具体的，在实际应用中，看上去平整的被测物体M的表面在放大后就会发现有一些细微的凹凸不平，在使用常规聚焦光点型传感器时，这些细微的表面不平时常会造成测量错误。本申请采用较大尺寸的感光元件21与光栅结构131相匹配，可以均化被测物体M表面不平整的影响，使长条光斑尽可能多的在感光矩阵上成像，从而可以减少被测物体M均化表面不平整的影响，即使在粗糙物体上也能实现稳定的测量，从而提高测量的准确性。

可选的，结合图5和图6所示，设置被测物体M的表面、成像透镜21和感光元件22的感光面交于同一条直线，构成沙姆光学系统，可以提高被测物体M反射的激光探测光斑S’照射在感光元件21的感光量，减少被测物体均化表面不平整的影响，实现稳定的测量，提高测量准确性。

可选的，继续参考图1所示，控制处理模块3包括驱动电路和信息处理器(图中未示出)；驱动电路与驱动器件132通信连接，用于向驱动器件132输出控制信号以控制驱动器件132驱动光栅结构131沿第一方向(图中Y方向所示)往复移动；信息处理器与感光元件22通信连接，用于根据感光图像的中心，确定待测物体的位移。其中，信息处理器可以分析处理感光图像，提取和计算感光图像的中心，具有抑制激光散斑、距离结果映射与输出等功能。

综上，本申请提供的激光位移传感器，由激光器+柱面镜+震动光栅+高宽度感光系统的光学结构，具有结构紧凑，便于集成与批量生产的优势，可以抑制激光散斑效应，大幅提高激光位移传感器的测量精度。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种激光位移传感器的控制方法，用于控制上述实施例提供的激光位移传感器。图7是本发明实施例提供的一种激光位移传感器的控制方法的示意图。结合图1-图7所示，本发明实施例提供的激光位移传感器的控制方法包括：

S101、控制驱动器件带动光栅结构在第一方向往复移动，以使得激光探测光束经光栅结构透射后形成多组不同的激光探测光斑。

S102、获取携带被测物体探测信息的激光探测光斑在感光元件的感光图像。

S103、确定感光图像的中心。

S104、根据感光图像的中心，确定待测物体的位移。

具体的，结合图1所示，测量启动后，激光出射组件11发射激光探测光束S，结合图5和图6所示，激光探测光斑S’照射在被测物体M的第一位置①时，激光探测光束S经照明透镜121和柱面镜122整形为长条光斑；长条光斑透过光栅结构131后，由于光栅的遮挡，光斑会被截成多段，形成激光探测光斑S’，激光探测光斑S’照射在被测物体M的表面；驱动器件132驱动光栅结构131机械震动，微量改变了激光探测光束S照射在被测物体M表面的光斑中心位置；在图像采集的曝光时间内，感光元件21采集被测物体M表面反射的激光探测光斑S’，不同时刻透过光栅结构131的激光探测光斑S’的光斑散斑特性不同且随机，可以生成被测物体M在第一位置①处的感光图像，感光图像中的每个像素的灰度值为不同时刻被测物体M表面散斑特性的积分，增大了感光图像的数据统计的随机性；信息处理器提取和计算感光图像的像素灰度值，在感光元件21上，通过像素灰度值大小确定被测物体M的感光图像的中心为第一位置①。

当被测物体M移动至第二位置②时，激光探测光斑S’照射在被测物体M的表面，在图像采集的曝光时间内，感光元件21采集被测物体M表面反射的激光探测光斑S’，不同时刻透过光栅结构131激光探测光斑S’的光斑散斑特性不同且随机，可以生成被测物体M在第二位置②处的感光图像，增大了感光图像的数据统计的随机性；信息处理器提取和计算感光图像的像素灰度值，在感光元件21上，通过像素灰度值大小确定被测物体M的感光图像的中心为第二位置②。

信息处理器分析处理第一位置①和第二位置②的中心偏移量，如计算感光元件21的第一位置①和第二位置②的坐标差值，记为感光图像的中心偏移量，感光元件21为高宽度感光矩阵，感光图像的中心偏移量与被测物体M的移动距离存在预设的映射关系，信息处理器根据感光图像的中心偏移量，映射输出被测物体M的位移。

在上述实施例的基础上，本申请还可以采用一帧或者多帧感光图像合成的方式，计算感光图像的中心，具体的，在步骤103的控制方法包括：

步骤1、在单帧曝光时间内，确定单帧感光图像的中心。

具体的，继续结合图5和图6所示，在感光元件22的单帧曝光时间内，获取到一帧感光图像，信息处理器分别提取和计算感光图像的像素灰度值，在感光元件21上，通过像素灰度值大小计算被测物体M的一帧感光图像的中心位置。其中，可以通过延长单帧曝光时间以增大数据统计量，提高测量精度。

步骤2、预设时间内，计算多帧感光图像的中心均值；以所述中心均值为感光图像的中心。

具体的，继续结合图5和图6所示，设置预设时间，感光元件22获取多帧被测物体M表面形貌的多个感光图像。信息处理器分别提取和计算每帧感光图像的像素灰度值，信息处理器分别通过像素灰度值大小计算被测物体M的每一帧感光图像的中心位置，提高数据统计量，再对多个感光图像的中心取平均值，得到多个感光图像的中心均值，在感光元件21上，确定感光图像的中心位置。

综上，本申请通过驱动器件驱动光栅结构机械震动，使不同时刻激光探测光束透过光栅结构的光斑散斑特性不同且随机，增大感光图像的数据统计的随机性，减小反射或散射光线的干涉作用，通过提取和计算被测物体的感光图像的中心，确定的被测物体的位移，同时可以使用较长时间的曝光时间和/或感光图像多帧合成的手段，在统计上实现散斑颗粒的平滑，进而起到抑制激光散斑的作用，从而提高被测物体的位移检测精度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种激光位移传感器，其特征在于，包括照明模块、感光成像模块和控制处理模块；

所述照明模块包括激光出射组件、光斑整形组件和光路调制组件；所述激光出射组件用于出射激光探测光束；所述光斑整形组件和所述光路调制组件依次位于所述激光探测光束的光轴上；所述光斑整形组件用于调整所述激光探测光束的光斑形状，使其至少在第一方向上具备预设尺寸；

所述光路调制组件包括光栅结构和驱动器件，所述光栅结构包括多条光栅狭缝，多条所述光栅狭缝沿所述第一方向排列；所述驱动器件分别与所述光栅结构和所述控制处理模块连接，用于根据所述控制处理模块的控制信号驱动所述光栅结构沿所述第一方向往复移动；所述光栅结构用于调制所述激光探测光束形成沿所述第一方向排列的激光探测光斑；

所述感光成像模块位于被测物体反射的所述激光探测光束的传播路径上，用于接收所述激光探测光斑并根据所述激光探测光斑得到所述被测物体的感光图像；

所述控制处理模块与所述感光成像模块连接；所述控制处理模块基于所述感光图像的中心，获取所述被测物体的位移量。

2.根据权利要求1所述的激光位移传感器，其特征在于，所述光斑整形组件包括照明透镜和柱面镜；

所述照明透镜和所述柱面镜依次位于所述激光探测光束的传播路径上。

3.根据权利要求1所述的激光位移传感器，其特征在于，所述光栅结构的规格为长条形；

沿所述第一方向，所述光栅结构的尺寸大于所述激光探测光束的光斑尺寸。

4.根据权利要求1所述的激光位移传感器，其特征在于，所述驱动器件包括微机电系统或者机械马达。

5.根据权利要求1所述的激光位移传感器，其特征在于，所述感光成像模块包括成像透镜和感光元件；所述成像透镜和所述感光元件依次位于被测物体反射的所述激光探测光斑的传播路径上；

所述成像透镜用于接收所述激光探测光斑并投射所述激光探测光斑至所述感光元件上；

所述感光元件用于接收所述激光探测光斑，并根据所述激光探测光斑得到所述被测物体表面的感光图像。

6.根据权利要求5所述的激光位移传感器，其特征在于，所述感光元件的感光面在所述第一方向上的尺寸大于所述光栅结构在所述第一方向上的尺寸。

7.根据权利要求6所述的激光位移传感器，其特征在于，所述被测物体的表面、所述成像透镜和所述感光元件的感光面交于同一条直线。

8.根据权利要求5所述的激光位移传感器，其特征在于，所述控制处理模块包括驱动电路和信息处理器；

所述驱动电路与所述驱动器件通信连接，用于向所述驱动器件输出控制信号以控制所述驱动器件驱动所述光栅结构沿所述第一方向往复移动；

所述信息处理器与所述感光元件通信连接，用于根据所述感光图像的中心，确定待测物体的位移。

9.一种激光位移传感器的控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-8任一项所述的激光位移传感器，所述控制方法包括：

控制所述驱动器件带动光栅结构在所述第一方向往复移动，以使得所述激光探测光束经所述光栅结构透射后形成多组不同的激光探测光斑；

获取携带被测物体探测信息的所述激光探测光斑在所述感光元件的感光图像；

确定所述感光图像的中心；

根据所述感光图像的中心，确定待测物体的位移。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，确定所述感光图像的中心，包括：

在单帧曝光时间内，确定单帧所述感光图像的中心；

或者，在预设时间内，计算多帧所述感光图像的中心均值；

以所述中心均值为所述感光图像的中心。