一种基于激光自混合干涉的小型光学测头制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A small optical probe based on laser self mixing interference

The invention discloses a self mixing interference small optical sensor based on laser, including vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), the drive circuit and signal processing circuit, the vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is composed of a collimating lens, laser and photoelectric triode, the laser drive circuit generates a laser beam through the, the collimating lens laser beam converged on the object to be measured, the measured laser beam is reflected back to the object the occurrence of self mixing interference form self mixing interference signal in the laser, the photoelectric triode the self mixing interference signal is converted to current signal transmitted to the signal processing circuit. The invention of optical probe using laser self mixing interferometry object to laser absolute distance ends, and then get the coordinate measuring machine in detecting point coordinates, it has the advantages of high resolution, simple and compact structure, can be used in a small space, centimeter level anti electromagnetic interference.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器
，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。
技术介绍
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r>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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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是本专利技术专利的结构原理图。图2是本专利技术专利的驱动电路原理图。图3是本专利技术专利的信号处理电路原理图。图4是本专利技术专利的全相位时移相位差校正原理框图。图5是本专利技术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专利技术作进一步的描述：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所示为本专利技术专利的结构原理图，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内部封装了准直透本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴腾飞，李醒飞，寇科，王错，李立，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12