CN220288532U - 一种滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器。该传感器由激光器、聚焦镜、窗口片、滤光片、成像镜、反射镜、光电器件、处理电路、外壳组成；外壳安装滤光片的表面与底部形成一定夹角，保证该安装表面的法线方向与测头内部成像镜的光轴方向一致；滤光片的安装表面宽度小于传感器测头的厚度，形成局部倾斜嵌入的型式，滤光片上下两侧的外壳部分自然形成了遮光罩的作用，从而有效抑制了侧向环境光的入射。这种滤光片的安装方式，不仅保证了滤光片与成像镜的方向一致、抵抗侧向环境光的效果出色，而且加工制作方便，不挤占测头内部其他元器件的安装空间，保持测头形状与尺寸不发生明显变化，实现成本低，具有广泛的实用性和通用性。

Description

一种滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器

技术领域

本实用新型涉及一种激光位移传感器。具体地，是一种滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器。

背景技术

激光位移传感器，是基于激光三角测距原理实现目标距离测量的一种传感器，它具有非接触、高精度、高速度、适用广的显著优势，其应用越来越广泛。

但是，现有的激光位移传感器对于环境光的入射都是比较敏感的，每个激光位移传感器也都会标出可以耐受的环境光的最大照度值。因此，如何进一步提高激光位移传感器对环境光的抵抗能力，是进一步提高传感器测量精度和工作稳定性的重要措施之一。

目前绝大多数的高精度激光位移传感器都会直接在测头外壳上安装滤光片，对进入测头内部的光线进行窄带滤光处理，以保证来自被测表面的激光光斑的反射光线可以进入测头，同时大幅度抑制其他的环境光进入测头内部，滤光片的安装位置与大小和方位主要取决于所处位置的外壳形状与大小。这种安装方式存在以下几个问题：

其一，由于激光位移传感器的测头外壳同时起到传感器安装与定位作用，因此外壳通常为比较规则的矩形（可以带有一些倒角或圆角）。因此，安装滤光片的位置基本上是外壳的底端，面向被测目标，且与被测目标表面平行、与激光束方向垂直。但是，传感器内部的成像镜的光轴必定与激光束方向呈一定夹角，这是激光三角测距原理决定的，该角度可以称之为工作角。这种安装方式导致滤光片的法线方向与成像镜光轴方向不一致，而且存在较大的夹角。这样，由于入射光线不可避免地产生二次折射，由此并导致到达光电元件表面的像点位置产生偏移，进而产生位移测量误差。而且，在北侧目标处在量程的不同位置时，产生的想点位置偏移是不一致的，也不是以光电器件的中心为对称。

其二，所有的滤光片都具有一定的波长带宽，该带宽远大于激光波长所在的区域，不可能滤除所有的激光波长以外的环境光。当滤光片安装在传感器测头外壳表面位置时，环境光（特别是理工科宽度方向的侧向环境光）非常容易进入传感器测头内部，进入对测量结果产生影响，降低传感器的适应性和抗干扰能力。

为了解决滤光片法线方向与成像镜光轴方向不一致的问题，部分厂商采用异形外壳形状和结构型式。即：在传感器测头外壳为不规则的异形，滤光片的安装表面不再与被测目标表面平行，而是旋转一定角度成倾斜状态，而且该安装表面的法线方向与成像镜光轴方向一致。在此安装表面安装滤光片，则可以有效解决滤光片与成像镜的方向不一致的问题、提高测量精度。但是，此时的滤光片安装位置仍然处于外壳表面，仍然不能对侧向的环境光进行有效的抑制作用。

为了有效抑制侧向环境光的进入，部分厂商将外壳底部加厚，将滤光片深嵌外壳之中；或者，直接将滤光片安置于测头内部，安装在成像镜前端，形成一体式成像镜组。前者将显著增大外壳的厚度，增大外壳材料用量和成本；后者将是的成像镜组总体长度增加，挤占测头内部工作空间，甚至可能增大测头尺寸。因此，这两种方式都是得不偿失，失去了实用价值。

发明内容

本实用新型针对现有激光位移传感器普遍存在的滤光片安装带来的问题，提出一种滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器。该传感器由激光器、聚焦镜、窗口片、滤光片、成像镜、反射镜、光电器件、处理电路、外壳组成；其中，外壳整体仍然保持常规的矩形型式，便于传感器的安装与定位；但是外壳安装滤光片的表面并非与测头底部齐平，而是与底部形成一定夹角，保证该安装表面的法线方向与测头内部成像镜的光轴方向一致；滤光片安装表面的宽度小于传感器测头外壳的厚度，进而形成局部的倾斜嵌入的型式，滤光片上下两侧的外壳部分自然形成了遮光罩的作用，从而有效抑制了侧向环境光的入射，很好地起到防护环境光干扰的作用。这种滤光片的安装方式，在传感器外壳仍然保持规则形状的同时，保证了滤光片与成像镜的方向一致，同时可以抵抗侧向环境光的影响，而且加工制作方便，不挤占测头内部其他元器件的安装空间，保持测头形状与尺寸不发生明显变化，实现成本低，具有广泛的实用性和通用性。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提出的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的特殊之处在于，所述的传感器包括激光器、聚焦镜、窗口片、滤光片、成像镜、反射镜、光电器件、控制电路、外壳几个部分，其中：

所述的激光器位于传感器的内部一侧；激光器采用激光二极管等小型激光器，优先选用半导体激光二极管，要求输出光强稳定，输出光束截面形状为单峰且持续稳定；同时，为了满足测控要求，所述的激光器不仅是可以持续发光的，而且是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的；

所述的聚焦镜位于传感器的内部一侧，布置于激光器的前端；所述的聚焦镜是同时具有聚焦与准直功能的光学镜组，保证激光束在被测目标表面形成的测量光斑在整个测量量程范围内保持最小，而且基本不变；

所述的窗口片为高透光镜片，安装于传感器的外壳中，位于聚焦镜的前端，保证经过聚焦镜发出的激光束能够投射到被测目标的表面，同时起到密封保护作用；

所述的滤光片安装于传感器的外壳中，位于成像镜的前端，并与成像镜平行布置，可以有效避免被测目标移动时产生的成像偏差；所述的滤光片采用与激光器的波长吻合的窄带滤光片，可以减少环境光的干扰和影响，保持传感器工作的稳定性和可靠性；

所述的成像镜位于传感器的内部另一侧，位于滤光片的后端，可以减少环境光的干扰和影响，保持传感器工作的稳定性和可靠性；所述的成像镜为单片非球面镜，具有很小的像差，保证测量精度；

所述的反射镜为平面反射镜，安装于测头外壳内部、成像镜的后端，可将透过成像镜的光束方向进行折返，改变光路原有方向，投向光电器件的表面，以减小传感器的体积；

所述的光电器件为位置敏感器件，安装于测头内部、反射镜的内侧，可以接受来自反射镜的反射光束，并输出与光束照射位置相关的电信号、送入控制电路进行处理；

所述的控制电路为以微处理器为核心的测控电路，安装于测头内部，一方面可以控制激光器，根据需要发射激光或者关闭激光；另一方面接收来自光电器件的电信号，计算得出位移值；

所述的外壳为高稳定整体式结构件，整体为矩形型式，既可以对内部的所有元器件进行准确定位与可靠固定，还可以实现整个传感器的定位与固定；外壳用于安装滤光片的表面并非与底部齐平，而是成一定夹角，以保证该安装表面的法线方向与传感器内部成像镜的光轴方向一致；外壳用于安装滤光片的表面宽度小于测头外壳的厚度，形成局部倾斜嵌入的型式，滤光片上下两侧的外壳剩余部分自然形成了遮光罩的作用，从而有效抑制了侧向环境光的入射，很好地起到防护环境光干扰的作用；所述的外壳为金属材料制成，可以起到电磁屏蔽的作用，保证传感器具有更高的稳定性、可靠性和防护等级。

整个传感器的工作流程是：由激光器发射的激光束通过聚焦镜准直和聚焦之后，透过窗口片照射到被测目标的表面并形成一个测量光斑，该测量光斑分别通过成像镜和反射镜后成像在光电器件敏感面上，并形成测量成像波形。这个成像波形的数据将被传送到处理电路，处理电路通过一定的算法得到被测物体的位移测量结果。

本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的窗口片形状圆形，尺寸等于或者略大于激光束的出瞳直径，从而起到出射光阑的作用。

本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的滤光片形状为长方形，宽度略大于成像镜直径、保证尽可能接收更多的入射光线，长度需要满足被测目标前后移动时入射光线的角度变化需求。

附图说明

图1是本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的组成示意图；

图2是本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器外壳三维示意图；

图3是本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器窗口片与滤光片示意图；

图中，1-激光器，2-聚焦镜，3-窗口片，４-滤光片，5-成像镜，6-反射镜，7-光电器件，8-控制电路，9-外壳，10-被测目标。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

本实用新型提出的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的特殊之处在于，所述的传感器包括激光器、聚焦镜、窗口片、滤光片、成像镜、反射镜、光电器件、控制电路、外壳几个部分，如图1所示，其中：

所述的激光器1位于传感器的内部一侧；激光器1采用激光二极管等小型激光器，优先选用半导体激光二极管，例如红光激光二极管，波长650nm；要求激光器1输出光强稳定，输出光束截面形状为单峰且持续稳定，一般不超过5%；同时，为了满足测控要求，所述的激光器1不仅是可以持续发光的，而且是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的，例如5kHz；

所述的聚焦镜2位于传感器的内部一侧，布置于激光器1的前端；所述的聚焦镜2是同时具有聚焦与准直功能的光学镜组，保证激光束在被测目标10的表面形成的测量光斑在整个测量量程范围内保持最小，而且基本不变；例如，测量光斑直径保持在0.1mm~0.2mm之间；

所述的窗口片3为高透光镜片，例如亚克力、光学玻璃等；窗口片3安装于传感器外壳9中，位于聚焦镜2的前端，保证经过聚焦镜2发出的激光束能够投射到被测目标10的表面，同时起到密封保护作用；

所述的滤光片4安装于传感器的外壳9中，位于成像镜5的前端，并与成像镜5平行布置，可以有效避免被测目标10移动时产生的成像偏差；所述的滤光片4采用与激光器1的波长吻合的窄带滤光片，可以减少环境光的干扰和影响，保持传感器工作的稳定性和可靠性；例如，如果激光器1为红光激光二极管，波长650nm，则滤光片4的中心波长也取为650nm，带宽可以取为50nm或者更小；

所述的成像镜5位于传感器的内部另一侧，位于滤光片4的后端，可以减少环境光的干扰和影响，保持传感器工作的稳定性和可靠性；所述的成像镜5为单片非球面镜，具有很小的像差，保证测量精度；

所述的反射镜6为平面反射镜，例如镀铝反射镜，安装于测头外壳9内部、成像镜5的后端，可将透过成像镜5的光束方向进行折返，改变光路原有方向，投向光电器件7的表面，以减小传感器的体积；

所述的光电器件7为位置敏感器件，例如线阵CCD、线阵CMOS、一维PSD等，安装于测头内部、反射镜6的内侧，可以接受来自反射镜6的反射光束，并输出与光束照射位置相关的电信号、送入控制电路8进行处理；

所述的控制电路8为以微处理器为核心的测控电路，例如是基于ARM的电路系统；控制电路8安装于测头内部，一方面可以控制激光器1，根据需要发射激光或者关闭激光；另一方面接收来自光电器件7的电信号，通过计算处理得出位移值；

所述的外壳9为高稳定整体式结构件，如图2所示，整体为矩形型式，既可以对内部的所有元器件进行准确定位与可靠固定，还可以实现整个传感器的定位与固定；外壳9用于安装滤光片4的表面并非与底部齐平，而是成一定夹角，以保证该安装表面的法线方向与传感器内部成像镜的光轴方向一致，例如，假设传感器的工作角为20度，则外壳9的滤光片4的安装面与底部表面的家教为20度；外壳9用于安装滤光片4的表面宽度小于测头外壳的厚度，形成局部倾斜嵌入的型式，滤光片4上下两侧的外壳剩余部分自然形成了遮光罩的作用，从而有效抑制了侧向环境光的入射，很好地起到防护环境光干扰的作用；例如，传感器外壳9的厚度为24mm，滤光片4的安装表面宽度可为16mm，长度可取为20mm；所述的外壳9为金属材料制成，可以起到电磁屏蔽的作用，保证传感器具有更高的稳定性、可靠性和防护等级。

整个传感器的工作流程是：由激光器1发射的激光束通过聚焦镜2准直和聚焦之后，透过窗口片3后照射到被测目标10的表面并形成一个测量光斑，该测量光斑分别通过滤光片4、成像镜5和反射镜6后成像在光电器件7的敏感面上，并形成测量成像波形。这个成像波形的数据将被传送到处理电路8，处理电路8通过一定的算法得到被测物体的位移测量结果。

本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的窗口片3的形状为圆形，如图3所示，尺寸等于或者略大于激光束的出瞳直径，从而起到出射光阑的作用；例如，聚焦镜2的出瞳光阑为5mm，窗口片的直径可取为5mm或者6mm。

本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的滤光片4形状为长方形；滤光片4的宽度略大于成像镜5的直径、保证尽可能接收更多的入射光线；滤光片4的长度需要满足被测目标10前后移动时入射光线的角度变化需求；例如，对于滤光片5的直径12mm，滤光片的宽度可取为14mm；对于位移测量范围40mm~90mm，滤光片的长度可取为18mm。

与现有技术相比，本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的有益效果是：

本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的滤光片安装表面并非与测头外壳底部齐平，并且与底部形成一定夹角，保证该安装表面的法线方向与测头内部成像镜的光轴方向一致，从而最大限度地保证了测量精度。

本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器的滤光片安装表面的宽度小于传感器测头外壳的厚度，形成局部倾斜嵌入的型式，滤光片上下两侧的外壳部分自然形成了遮光罩的作用，从而有效抑制了侧向环境光的入射，很好地起到防护环境光干扰的作用。

本实用新型的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器外壳整体保持常规的矩形型式，尺寸基本保持不变，也不挤占测头内部其他元器件的安装空间，真正实现了成本低、高性价比，具有广泛的实用性和通用性，因此性能突出、性价比极具优势。

由此可见，本实用新型的技术方案相比于传统的激光位移传感器而言具有非常突出的技术优势与进步。

Claims (3)

1.一种滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器，其特征在于：所述的传感器包括激光器、聚焦镜、窗口片、滤光片、成像镜、反射镜、光电器件、控制电路、外壳几个部分，其中：

所述的激光器位于传感器的内部一侧；激光器采用激光二极管，输出光束截面形状为单峰且持续稳定；所述的激光器是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的；

所述的聚焦镜位于传感器的内部一侧，布置于激光器的前端；所述的聚焦镜是同时具有聚焦与准直功能的光学镜组，保证激光束在被测目标表面形成的测量光斑在整个测量量程范围内保持最小，而且基本不变；

所述的窗口片为高透光镜片，安装于传感器的外壳中，位于聚焦镜的前端；

所述的滤光片安装于传感器的外壳中，位于成像镜的前端，并与成像镜平行布置；所述的滤光片采用与激光器的波长吻合的窄带滤光片；

所述的成像镜位于传感器的内部另一侧，位于滤光片的后端；所述的成像镜为单片非球面镜；

所述的反射镜为平面反射镜，安装于测头外壳内部、成像镜的后端，可将透过成像镜的光束方向进行折返，改变光路原有方向，投向光电器件的表面；

所述的光电器件为位置敏感器件，安装于测头内部、反射镜的内侧，可以接受来自反射镜的反射光束，并输出与光束照射位置相关的电信号、送入控制电路进行处理；

所述的控制电路为以微处理器为核心的测控电路，安装于测头内部，一方面可以控制激光器，根据需要发射激光或者关闭激光；另一方面接收来自光电器件的电信号，计算得出位移值；

所述的外壳为高稳定整体式结构件，整体为矩形型式，既可以对内部的所有元器件进行准确定位与可靠固定，还可以实现整个传感器的定位与固定；外壳用于安装滤光片的表面与底部成一定夹角，以保证该安装表面的法线方向与传感器内部成像镜的光轴方向一致；滤光片的宽度小于测头外壳的厚度，形成局部倾斜嵌入的型式，滤光片上下两侧的外壳剩余部分自然形成了遮光罩的作用；所述的外壳为金属材料制成，可以起到电磁屏蔽的作用。

2.根据权利要求1所述的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器，其特征还在于：所述的窗口片形状圆形，尺寸等于或者略大于激光束的出瞳直径，从而起到出射光阑的作用。

3.根据权利要求1所述的滤光片倾斜内嵌式激光位移传感器，其特征还在于：所述的滤光片形状为长方形，宽度略大于成像镜直径，长度需要满足被测目标前后移动时入射光线的角度变化需求。