CN205505978U - 一种基于激光自混合干涉的小型光学测头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光自混合干涉的小型光学测头，包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、驱动电路和信号处理电路，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)由准直透镜、激光器和光电三极管构成，所述激光器通过所述驱动电路驱动产生激光束，所述准直透镜将激光束汇聚于被测物体，被测物体反射回的激光束在激光器内发生自混合干涉形成自混合干涉信号，所述光电三极管将自混合干涉信号转换为电流信号后传送至信号处理电路。本实用新型光学测头采用激光自混合干涉测量技术检测被测物体到激光器出射端面的绝对距离，进而得到探测点在测量机坐标系中的坐标值，具有分辨率高、结构简单紧凑、可用于厘米级的狭小空间、抗电磁干扰等优点。

Description

一种基于激光自混合干涉的小型光学测头

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体的说，是涉及一种基于激光自混合干涉的小型光学测头。

背景技术

我国中长期科学与技术发展规划将“基础件和通用部件设计制造”、“数字化和智能化设计制造”列为优先主题，将“先进制造技术”、“激光技术”列为前沿技术，“十二五”规划也提出“发展先进装备制造业”，“促进制造业变大变强”，坐标测量机作为先进制造的守护神，必然要在其中发挥无可替代的重要作用。

测头是坐标测量机中拾取信号的传感器件，直接影响测量机的精度、功能和测量效率。测量机中传统的接触测头种类齐全、应用广泛，但是其体积较大，测量效率较低，还与被测表面接触，有摩擦、磨损和弹性变形。相比之下，光学测头与被测物体没有机械接触，可以测量柔软和易变形的物体，可以进行快速扫描测量，光斑能够控制到很小，可以照射到传统机械测头无法伸入探测的狭窄部位。因此，光学测头的研制成为了近年来坐标测量机发展中一个极为重要的方向。

目前国内应用在坐标测量机上的光学测头主要包括激光三角法测头、激光离焦测头和视像测头这几类，且均需要从德国蔡司、英国雷尼绍、日本基恩士、美国普赛等公司进口，国内仍然没有成熟的光学测头产品。激光三角法测头利用被测物体表面的散射光在CCD或PSD上的成像位置进行被测表面位置的探测，由于外部成像镜以及光电探测器的存在而使测头体积较大，不适于测量小型零件，同时其测量角度受到散射光方向的限制，不适于测量不规则表面，当零件表面粗糙度很小的时候，散射光相比于镜面反射光会很微弱，测量信号会淹没在噪声之中，故该测头也不适于测量光滑表面。激光离焦测头通过两个光电二极管的差分信号判断被测表面与聚光物镜焦平面的偏离，这种测头测量分辨力很高，可达到亚微米级别，但需要聚光镜和分光棱镜等光学附件，体积较大，且其动态响应能力差，难以用于曲面的快速测量，且在快速测量时量程很小，仅有几十微米。视像测头通过一定方式的照明，将物体的几何轮廓变为光学轮廓，再使用数字图像处理方法实现测量，该测头可以获取整个视野内的测量信息，但影响因素较多，在获取物体深度信息时需要图像的离焦信息，即以镜头移动获取到图像的清晰度为评判标准，通过光栅尺读出被测表面变化的距离，测量效率受到很大的影响。比如，测量汽车发动机中一个90mm的轴孔内径，商业成品的光学测头均无法达到这个尺寸要求。因此，探索一种适用于工业测量和制造领域的全新小型光学测头势在必行。

激光自混合干涉技术是近年来新兴的一种精密光学非接触测量技术，具有精度高、抗电磁干扰、对测量表面要求低、不依赖于激光器类型等优点，且其测量系统仅有一个干涉通道、易准直、结构简单紧凑。当前，激光自混合干涉技术已经在位移、距离、速度等传统几何量测量领域有所应用，此外，在工业探伤、三维形貌测量、血液流速测量、耳蜗薄膜振动测量、人体胸膜振动测量等新兴领域中的应用也日渐增多。激光自混合理论模型和测量技术经过多年发展，目前已经实现了纳米级的位移测量精度和十微米级的距离测量精度。迄今为止，尚未见到将该技术用于坐标测量机光学测头的相关报道。

实用新型内容

本实用新型专利为了解决坐标测量机中接触式测头测量效率较低，而现有光学测头结构复杂、体积庞大，难以适用于狭小空间测量的问题，提出了一种基于激光自混合干涉的小型光学测头。该光学测头采用激光自混合干涉测量技术检测被测物体到激光器出射端面的绝对距离，进而得到探测点在测量机坐标系中的坐标值，具有分辨率高、结构简单紧凑、可用于厘米级的狭小空间、抗电磁干扰等优点。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于激光自混合干涉的小型光学测头，包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、驱动电路和信号处理电路，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)由准直透镜、激光器和光电三极管构成，所述激光器通过所述驱动电路驱动产生激光束，所述准直透镜将激光束汇聚于被测物体，被测物体反射回的激光束在激光器内发生自混合干涉形成自混合干涉信号，所述光电三极管将自混合干涉信号转换为电流信号后传送至信号处理电路。

所述驱动电路包括数字信号处理器、数模转换器、电压基准芯片、加法电路和电流泵，所述数字信号处理器存储有重构的锯齿波电流数据，数字信号处理器的输出端与所述数模转换器的输入端相连，数模转换器和电压基准芯片的输出端与加法电路的输入端相连，加法电路的输出端与电流泵的输入端相连，电流泵与所述激光器相连。

所述电流泵上设置有限流保护电路。

所述信号处理电路由依次相连的电流电压转换电路、放大电路、低通滤波电路和模数转换器构成。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

1、本实用新型基于激光自混合干涉的光学测头避免了接触式测头测量效率较低、难以应用于狭小空间的问题，具有分辨率高、结构简单紧凑、可用于厘米级的狭小空间、抗电磁干扰等优点。

2、本实用新型所采用的的激光自混合干涉测量仅有一个干涉通道，易准直、结构简单紧凑，可使光学测头的尺寸进一步减小。

3、测头采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为光源，其前端带有准直透镜，且该垂直腔面发射激光器内部封装有供光电检测用的光电三极管，进一步减小了测头体积。

4、本实用新型最终利用全相位时移相位差法校正激光自混合干涉信号的频率，该方法可在不增加系统复杂度的前提下，提高自混合干涉信号频率求解精度，无需同步采样，抑制频谱泄露能力强、算法简单。

5、通过预先测量激光器波长(频率)与注入电流的关系然后重新生成注入电流，可以使得激光频率线性变化，自混合信号拍频维持稳定。电流重构方法可以有效地降低激光自混合距离测量中的非线性误差，改善距离测量分辨率。

附图说明

图1是本实用新型专利的结构原理图。

图2是本实用新型专利的驱动电路原理图。

图3是本实用新型专利的信号处理电路原理图。

图4是本实用新型专利的全相位时移相位差校正原理框图。

图5是本实用新型专利的注入电流重构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述：

为描述简便，下文中垂直腔面发射激光器均由VCSEL代替。

如图1所示为本实用新型专利的结构原理图，该小型光学测头主要是由VCSEL1，驱动电路3和信号处理电路2组成，被测零件4用于标识被测反射体，并不属于测头的组成部分。其中VCSEL1是由准直透镜10，激光器11和光电三极管12组成，准直透镜10用于将激光束汇聚于被测物体上，激光器11产生激光束，自混合干涉也发生于激光器11之中，光电三极管12将激光功率波动转换为电流信号。VCSEL内部封装了准直透镜10和光电三极管12，进一步减小了测头的体积。工作中仅将VCSEL伸入测量空间内，从图1中标出的尺寸可见该测头结构小巧，可用于狭小空间内的测量。

通过本实用新型测头进行距离检测的原理如下：

采用波长计测量得到VCSEL1注入电流与激射波长(频率)之间的关系，使激光频率线性变化，反求出对应电流值从而得到重构的注入电流；驱动电路3采用重构锯齿波电流驱动VCSEL1内的激光器11，激光器11射出的激光通过准直透镜10聚焦到被测物体表面上产生反射或散射，部分携带距离信息的外部光反馈回激光器11的腔内同腔内光发生自混合干涉，引起激光腔出射光功率变化；光电三极管12探测到自混合干涉信号并将其转换为电信号，该电信号经过信号处理电路2的处理，然后采用全相位时移动相位差法提取自混合干涉信号的频率，进而得到高精度的距离测量数据。

图2表示本实用新型驱动电路原理图。该部分电路主要是由数字信号处理器30，数模转换器31，电压基准芯片32，加法电路33，电流泵34和限流保护电路35组成。数字信号处理器30中存储了重构的锯齿波电流数据，通过数模转换器31生成重构的锯齿波电压信号，电压基准芯片32提供稳定直流电压，加法电路33将基准电压和重构的锯齿波电压信号相加，通过电流泵34后为VCSEL1提供偏置于一定电流值之上的电流调制，限流保护电路35保护VCSEL1的工作电流低于最大允许电流值。

图3表示本实用新型信号处理电路原理图。该部分电路主要是由电流电压转换电路20，放大电路21，低通滤波电路22和模数转换器23组成。电流电压转换电路20将光电三极管12得到的电流信号转换为电压信号，放大电路21实施对电压信号的放大，低通滤波电路22对放大后的电压信号滤除高频噪声，同时起到数据采集前抗混叠滤波的作用，模数转换器23将滤波后的自混合信号采集到数字信号处理器30中进行后续分析计算。

图4表示本实用新型的全相位时移相位差校正原理框图。这部分算法在数字信号处理器30中实现。首先取出一个电流调制周期内的自混合信号，去除电流的幅值调制影响，选取适当的N值使得一个调制周期内自混合信号点数为3N-1；然后将这部分数据分为前后两个2N-1点的数据段，分别用全相位FFT求取中间点的相位值，k^*表示频谱峰值所在的位置；接着用图4所示的频偏校正公式得到频偏量Δk，最后用频率估计公式得到精确的自混合信号频率值，F_s表示采样频率，所得频率值与待测距离具有正比关系。

图5表示本实用新型的注入电流重构原理框图。首先通过波长计或光谱仪测量VCSEL波长与注入电流之间的关系，注入电流在VCSEL允许电流范围内均匀取值；然后通过光频率与波长的关系可以计算得到光频率与注入电流的关系，使用数据拟合方法可以得到光频率与注入电流所满足的方程式；接着根据选定的锯齿波电流峰峰值和偏置电流值确定VCSEL工作中注入电流的范围及对应的光频率范围，在光频率范围内线性等间隔取值，代入光频与电流方程式，反求出重构之后的电流波形数据；最后将电流波形数据存入数字信号处理器30中以供生成重构电流。

Claims (5)

1.一种基于激光自混合干涉的小型光学测头，其特征在于，包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、驱动电路和信号处理电路，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)由准直透镜、激光器和光电三极管构成，所述激光器通过所述驱动电路驱动产生激光束，所述准直透镜将激光束汇聚于被测物体，被测物体反射回的激光束在激光器内发生自混合干涉形成自混合干涉信号，所述光电三极管将自混合干涉信号转换为电流信号后传送至信号处理电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光自混合干涉的小型光学测头，其特征在于，所述驱动电路包括数字信号处理器、数模转换器、电压基准芯片、加法电路和电流泵，所述数字信号处理器存储有重构的锯齿波电流数据，数字信号处理器的输出端与所述数模转换器的输入端相连，数模转换器和电压基准芯片的输出端与加法电路的输入端相连，加法电路的输出端与电流泵的输入端相连，电流泵与所述激光器相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光自混合干涉的小型光学测头，其特征在于，所述电流泵上设置有限流保护电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光自混合干涉的小型光学测头，其特征在于，所述信号处理电路由依次相连的电流电压转换电路、放大电路、低通滤波电路和模数转换器构成。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光自混合干涉的小型光学测头，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)的直径为6mm，长为8mm。