CN1332358A

CN1332358A - 激光三角法测头

Info

Publication number: CN1332358A
Application number: CN 01119853
Authority: CN
Inventors: 张国雄; 杜颖; 李�真; 郭敬滨; 徐玉春
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2002-01-23
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: CN1128341C

Abstract

本发明公开了一种激光三角法测头,它是由三个或四个半导体激光器、透镜、CCD接收器、平面反射镜构成,透镜与被测物体之间设置有偏振片。本发明的激光三角法测头,能够测量强反射自由曲面物体形状及大倾斜角的表面,并且降低了测头的成本,同时还能给出被测点处的表面法线方向。

Description

激光三角法测头

本发明是关于光学仪器的，更具体地说，是关于用光学方法测量物体轮廓的。

激光三角法测头广泛应用于测量领域，如汽车、模具、国防、航空航天、家用电器等，特别是在自由曲面的测量和逆向工程的应用中。由于工业生产中的许多产品都为反射率很高的金属件，若采用普通的光学三角法测头难以对其直接进行测量，往往需要对表面进行预处理，如表面涂层等。上述方法一是过于繁琐，另外也容易破坏零件原有的表面形貌，而且影响测量精度、增加测量成本。普通的三角法测头是一维传感器，它是靠被测表面的漫反射光进行测量。而对强反射表面来说，由于存在较强的镜面反射光，因此普通的三角法测头无法进行测量。另外，随着入射光束与表面法线夹角的增大，测头的倾斜误差增大，因此普通的测头也不能测量倾斜较大的表面。

近年来出现过单发射多接收的测头，它能测量倾斜较大的表面，但采用多个接收器使测头的体积庞大，成本提高。市场上也有采用光调制原理的测头，该测头能测量强反射表面，但不能测量倾斜大的表面。

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种能够测量强反射自由曲面物体形状及大倾斜角的表面的多发射单接收激光三角法测头，并且降低了测头的成本，同时还能给出被测点处的表面法线方向。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

本发明的多发射单接收激光三角法测头，由半导体激光器、透镜、CCD接收器构成，所述半导体激光器为3-10个，所述透镜与被测物体之间设置有偏振片。

所述半导体激光器与透镜之间，或者透镜与偏振片之间，或者偏振片的下方最好设置有平面反射镜。所述半导体激光器最好为3个或4个。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明的俯视图：

图2是图1的A-A剖视图：

图3是本发明的工作原理图：

图4是被测物体强反射表面的实物图：

图5是图4的测试结果的示意图：

在图1和图2中，三个激光器1、8和9在圆周方向均布，CCD接收器5位于所述三个激光器1、8和9的正中位置。半导体激光器1的下面设置有透镜2，在激光器8和9的下面同样也是设置有透镜，在图中未示出。透镜2为焦距f＝75mm的双胶合透镜。所述三个透镜与被测物体之间设置有偏振片，在图中可以见到的是透镜2与被测物体之间的偏振片3，平面反射镜4设置在半导体激光器与透镜之间，也可以设置在透镜与偏振片之间，当然也可以设置在偏振片的下方。CCD接收器5的芯片规格可采用1/3″，即4.8×3.6(水平×垂直，单位：mm)，像素数为537(水平)×597(垂直)，芯片的分辨力为9μm×7μm。CCD接收器5的下面设置有透镜6，透镜6为长焦的成像透镜，其焦距f＝3.6mm，相对数值孔径

\frac{D}{f^{'}} = 1 : 2.0

透镜6与被测物体之间设置有偏振片7。

图3是本发明的光路原理图，半导体激光器1发出的光经透镜2聚焦，再经平面反射镜4改变发射光束的方向，使测头与接收光轴成12.5°后，经偏振片3成为线偏振光照射到被测物体表面上，被被测物体表面反射后的光，经过一个检偏方向与入射光路中偏振片3的检偏方向互相垂直的偏振片7，再经过透镜6后，被CCD接收器5接收。其中被测点位移的变化Δz可以由CCD接收器像面上光斑的偏移量6来计算。计算公式如下：

Δz = \frac{δ d_{2}}{d_{1} \tan θ - δ}

式中θ为入射光束与接收光束的夹角，d₁为接收透镜的物距，d₂为接收透镜的像距。

图4、图5是本发明的实施例，其中图4是一个强反射表面的实施例，图5是利用本发明的三发射单接收激光三角法测头进行测量的测量结果。

本发明的多发射单接收激光三角法测头与现有技术相比有如下优点：

1.在发射光路与接收光路中设置偏振方向互相垂直的偏振片，可以滤掉镜面反射光，因此能够测量强反射表面；

2.采用了多发射单接收的方案，这样在表面倾斜很大时，只要有一路光与表面法线的夹角较小，测头就能正常工作，而且与单发射多接收的方案相比该测头的成本低；

3.由于采用多路光入射，多个光点会聚成一点时可以确定到被测点的距离，而在光点重合以前可以确定一个微平面，并求出该平面的法矢量，该方向矢量可以近似地看作被测点处的法线方向；

4.由于采用多路光入射，使被测面倾斜带来的误差在很大程度上互相抵消，提高了测量精度。

Claims

1.一种激光三角法测头，包括半导体激光器、透镜、CCD接收器，其特征是，所述半导体激光器为3-10个，所述透镜与被测物体之间设置有偏振片。

2.根据权利要求1所述的激光三角法测头，其特征是，所述半导体激光器与透镜之间设置有平面反射镜。

3.根据权利要求1所述的激光三角法测头，其特征是，所述透镜与偏振片之间设置有平面反射镜。

4.根据权利要求1所述的激光三角法测头，其特征是，所述偏振片的下方设置有平面反射镜。

5.根据权利要求1所述的激光三角法测头，其特征是，所述半导体激光器为3个或4个。