激光形貌检测器制造技术

公开了一种激光形貌检测器，主要用于检测物体的形貌，特别是在有强烈的环境光干扰的条件下使用。所述激光形貌检测器包括激光器，成像镜头，光斑探测器，摆动回转轴，摆动驱动器，摆角检测器，必要的光投射反光镜，以及信号处理器。采用激光束扫描被测物体，获得其形貌上点的位置信息，提高了抗环境光干扰性能、降低激光功率。由于处理信息简化为对点位置的判断，可以简化信息处理程序，实时性强、可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
激光形貌检测器
本专利技术涉及一种物体形貌检测设备，尤其涉及用激光束进行物体形貌检测的设备。技术背景目前，常常采用通过棱镜把激光束扩散成一个薄的激光面，再投射到被检测物体上去，使被检测物体表面形成一条亮线的方法检测物体的形貌，根据三角测量原理得到被检测物体表面形貌。这样的物体形貌检测装备的缺点是，抗环境光干扰能力差，为了在有强烈的光干扰，如直射的阳光、焊接电孤光照射，就必须有很高的激光功率要求，才能获得足够高的信噪比，而且图像处理复杂，实时性差、可靠性低。另一方面，目前也常根据三角测量原理，用激光束检测物体上某一点的位置。而通过对多点的位置检测，也可以实现对物体形貌的检测。采用激光束进行探测的优点是激光能量集中，对激光功率要求小，抗干扰能力就强。此外，由于每次处理信息把前述方法中的图形分析简化为对点的位置的判断，可以大大简化信息处理程序，实时性强、可靠性高。本专利技术公开了一种采用激光束检测物体形貌的解决方案。
技术实现思路
本专利技术提供一种激光形貌检测器，解决方案是：利用激光束检测物体形貌，所构建成的形貌检测器的特点是，包括一个发射细激光束的激光器、一个成像镜头、一个光斑探测器、一个摆动回转轴、一个摆动驱动器、一个摆角检测器、一个信号处理器。激光器发射细激光束，其内部，简单地可以是一个半导体激光管，也可以进一步包括聚焦元件等提高光束准直性能的光学部件，还可以包括光强驱动控制线路等。光斑探测器可以是能够根据光电原理将光斑位置检测出来的任何器件，例如，可以是CCD感光器件、CMOS感光器件、PSD等多种器件。特别地，光斑探测器可以是线阵CCD感光器件、线阵CMOS感光器件，是仅具有单排、或仅少量几排光敏感单元的线阵型元件，可以更大程度地降低信息处理的开销。目前，如果光斑探测器采用面阵型元件，也可获得器件型号丰富可选的利益，而且即使是采用这样面阵型元件，信息处理的开销也会比处理一幅带有面激光形成的条纹的画面要简单许多，信息处理速度更快，解决工程问题的应用范围也更广。激光束所在直线与成像镜头的主光轴共面，并且在光斑探测器中，在与该平面的交线上，至少排列着一排感光单元。为了后续描述方便，称该面为光学平面。将激光束投射到被检测物体上，假设激光束向下照射，当激光束在不同高度上遇到被检测物体时，形成一个漫反射的光斑，称其为物光斑。物光斑漫反射的光线，有一部分经过成像镜头，聚焦在光斑探测器上成像而形成一个光斑，称其为像光斑，是对应于物体上的物光斑的像。由光斑探测器产生对应于像光斑位置信息的光电信号；通过对光敏感的光斑探测器得到像的位置，这一信息进一步通过信号处理器，与激光器投射方向、成像镜头主光轴方向、光斑探测器位置等信息结合，就可以解算出被检测物体上所照亮的物光斑位置的高度信息了，因此构成了一个位置检测系统。激光器，或激光器与准直光学部件，构成光发射系统；成像镜头与光斑探测器构成光接收系统。进一步，把这两个系统形成的整体，亦即上述位置检测系统，绕着一个固定的轴线摆动，就可以使激光束扫描被侧物体，使物光斑布满被测物体与光学平面的交线，从而实现轮廓检测。摆动驱动器驱动所述位置检测系统进行整体摆动，摆角检测器检测摆动的转角；摆动驱动器与摆角检测器可以分别设置在该整体两端，或者都设置在该整体的同一端，视应用环境需要而定。特别地，设计上可使摆动轴线位于所述光学平面内，这样可以获得信号处理器的解算模型简单、原理误差小的利益。为了后续描述方便，定义摆动回转轴的轴线为Y坐标轴，其方向由发射激光一侧指向接收漫反射激光一侧。信号处理器接收前述光电信号、摆角检测器监测到的对应的转角信号，并将这两种信号与激光器投射方向、成像镜头主光轴方向、光斑探测器位置、各相关器件之间的角度关系等信息结合，解算出被检测物体受照射点的位置信息。通过测得一系列点的位置，实现对物体形貌的检测。该方案的优点是，可以直接利用现成的激光位置检测器构建所需的形貌检测器。由于激光束所在直线与成像镜头主光轴必须呈一个角度，而且激光器与光斑探测器之间必须隔开一段距离，才能利用三角测量原理，加之摆动驱动器、摆角检测器均占有一定的体积，该形貌检测器整体结构，在回转轴方向上的尺寸势必会较长，不便于应用。在垂直于转轴方向的尺寸，也会限制其使用条件。为了减小尺寸，从而减小应用空间约束的影响，本专利技术给出了多种解决方案，以便该形貌检测器能更好地得到应用。在安装调试方面，光斑探测器的安装位置、方向，要使所有检测范围内的物光斑所对应的像光斑均聚焦在光斑探测器中的感光单元上。这只需要将离成像镜头最远的点、最近的点均得以聚焦成像即可，因为由该激光形貌检测器的原理决定，所有物光斑在镜头的视野中均落在同一条直线上，对应的像光斑也必然落在一条直线上。在以上技术基础上的演化十分丰富，为了便于理解，后续说明采用了副标题，以权利要求项目号为线索提示主要
技术实现思路
，但是副标题下的内容不限于提示内容、也不限于所提及的权利要求项目号，必要时请参考其他部分进行全面分析理解。(对应权利要求2：引入传动机构)首先，可以通过引入传动机构，将摆动驱动器回转轴，和/或摆角检测器回转轴，弯折，以便将摆动驱动器，和/或摆角检测器，转移到其他位置上去，从而减短摆动回转轴方向的总长度。那么就可以通过下述措施之一布置摆动驱动器与摆角检测器：措施1：摆动驱动器与摆动轴同轴固联，摆角检测器通过消间隙的传动机构偏置地安装在摆动轴的侧面；措施2：摆角检测器与摆动轴同轴固联，摆动驱动器通过传动机构偏置地安装在摆动轴的侧面；措施3：摆动驱动器与摆角检测器同轴固联成为整体，然后通过消间隙的传动机构将该整体偏置地安装在摆动轴的侧面。所述传动机构最可能采用的是回转轴与反光镜回转轴平行的齿轮机构，这可以将摆动驱动器，和/或摆角检测器，折叠成与反光镜回转轴并联的形式。当然根据具体结构条件限制，也可以采用伞形齿轮等结构而把驱动、转角检测部分进行弯折处理。(对应权利要求3：采用扇形电机)一般情况下，所述摆动驱动器可以是一个盘式电机。而本专利技术所述形貌检测器是一个回转轴偏离几何中心较远的结构，如果需要做得小巧，具有整个圆形的盘式电机会是较大的障碍，为了减小垂直于摆动转轴方向的尺寸，本专利技术提供一种采用扇形电机的解决方案。摆动驱动器采用扇形的摆动电机，例如它可以是一个定子为永久磁铁的摆动电机，其工作部分的磁场方向平行于摆动轴的方向，其转子是一个扇形的螺线管，螺线管的轴线平行于摆动轴。(对应权利要求4、5、6：采用扇形转角检测器)与上述处理电机的情况类似，所述摆角检测器也可以采用一个扇形的转角检测器。这里摆角检测器是一个近似扇形的转角检测元件，而不是完整圆形或近似完整圆形的光栅或磁栅等转角检测元件。以光栅型转角检测元件为例，一般将光栅制成整个圆环形，而在这里仅采用其一部分，用其一个扇形的部分，这样就可以减小设备的整体尺寸。摆角检测器如果采用磁栅、旋转式滑动电位器等器件也类似，仅取其包含适当圆心角的扇形部分，而不是圆形整体。进一步，如果所述摆动驱动器是一个扇形的电机，所述摆角检测器也是一个扇形的转角检测器，易于与扇形电机结合，将能更好地减小整体尺寸、保证驱动力矩、保证检测精度要求。甚至可以将上述二者结合到无法拆开使用的程度，将整体尺寸，特别是轴向尺寸，减小到极致本文档来自技高网...

【技术保护点】
激光形貌检测器，其特点是，包括：一个激光器；一个成像镜头；一个光斑探测器；一个摆动回转轴，定义该摆动回转轴的轴线为Y坐标轴；一个摆动驱动器；一个摆角检测器；一个信号处理器；激光器发射细激光束，其内部可以进一步包括聚焦元件等提高光束准直性能的光学部件，所发出的激光束所在直线，与成像镜头的主光轴共面，称为光学平面；在光斑探测器中，在光学平面内，至少排列着一排光敏感单元；摆动回转轴的轴线位于所述光学平面内；激光束投射到被检测物体上，形成漫反射的物光斑，物光斑漫反射的光线被成像镜头聚焦，在光斑探测器中的光敏感单元上形成像光斑，光斑探测器产生对应位置的光电信号；激光器，或激光器与准直光学部件，构成光发射系统；成像镜头与光斑探测器构成光接收系统；这两个系统形成的整体绕着摆动回转轴摆动；摆动驱动器驱动该整体摆动，摆角检测器检测摆动的转角；摆动驱动器与摆角检测器分别设置在该整体两端，或都设置在该整体的同一端；信号处理器接收光电信号和转角检测器监测到的摆动转角信号，解算出一系列被检测物体上的物光斑的位置。

【技术特征摘要】
1.激光形貌检测器，其特点是，包括：一个激光器；一个成像镜头；一个光斑探测器；一个摆动回转轴，定义该摆动回转轴的轴线为Y坐标轴；一个摆动驱动器；一个摆角检测器；一个信号处理器；激光器发射细激光束，其内部可以进一步包括聚焦元件等提高光束准直性能的光学部件，所发出的激光束所在直线，与成像镜头的主光轴共面，称为光学平面；在光斑探测器中，在光学平面内，至少排列着一排光敏感单元；摆动回转轴的轴线位于所述光学平面内；激光束投射到被检测物体上，形成漫反射的物光斑，物光斑漫反射的光线被成像镜头聚焦，在光斑探测器中的光敏感单元上形成像光斑，光斑探测器产生对应位置的光电信号；激光器，或激光器与准直光学部件，构成光发射系统；成像镜头与光斑探测器构成光接收系统；这两个系统形成的整体绕着摆动回转轴摆动；摆动驱动器驱动该整体摆动，摆角检测器检测摆动的转角；摆动驱动器与摆角检测器分别设置在该整体两端，或都设置在该整体的同一端；信号处理器接收光电信号和转角检测器监测到的摆动转角信号，解算出一系列被检测物体上的物光斑的位置。2.根据权利要求1所述的激光形貌检测器，其特点是，还包括传动机构，并通过下述措施之一布置摆动驱动器与摆角检测器：措施1：摆动驱动器与摆动轴同轴固联，摆角检测器通过消间隙的传动机构偏置地安装在摆动轴的侧面；措施2：摆角检测器与摆动轴同轴固联，摆动驱动器通过传动机构偏置地安装在摆动轴的侧面；措施3：摆动驱动器与摆角检测器同轴固联成为整体，然后通过消间隙的传动机构将该整体偏置地安装在摆动轴的侧面。3.根据权利要求1所述的激光形貌检测器，其特点是，所述摆动驱动器是一个扇形的电机。4.根据权利要求1所述的激光形貌检测器，其特点是，所述摆角检测器是一个扇形的角度检测器。5.根据权利要求1所述的激光形貌检测器，其特点是，所述摆动驱动器是一个扇形的电机，所述摆角检测器是一个扇形的转角检测器，而且所述摆动驱动器与所述摆角检测器结合为一体，无法拆分使用。6.根据权利要求4或5所述的激光形貌检测器，其特点是，摆角检测器为扇形结构的光栅型转角检测器。7.根据权利要求1所述的激光形貌检测器，其特点是，包括一个扫描反光镜；摆动驱动器仅带着所述扫描反光镜绕着摆动回转轴摆动，光发射系统与光接收系统固定不动；扫描反光镜的反光表面通过摆动回转轴的轴线；激光器发出的激光束，先经反光镜反射，然后投射到被检测物体上，形成物光斑；物光斑漫反射的光线返回到反光镜，再次反射，然后经过成像镜头在光斑探测器上聚焦形成像光斑。8.根据权利要求7所述的激光形貌检测器，其特点是，扫描反光镜被分割成两段共面的反光镜，其中第一振镜用于把激光器发射出的光束投射到被检测物体上，第二振镜用于把来自被检测物体上漫反射的光投射到成像镜头上；定义所述Y坐标轴的正方向由第一振镜指向第二振镜，Y轴的原点为激光束所在直线与第一振镜相交之处；所述摆动驱动器与所述摆角检测器采取以下方式之一设置：方式1、摆动驱动器设置在这两段反光镜之间靠近第一振镜的位置；摆角检测器设置在两段反光镜之外；方式2、摆角检测器设置在这两段反光镜之间靠近第一振镜的位置；摆动驱动器设置在两段反光镜之外；方式3、摆动驱动器与摆角检测器均设置在这两段反光镜之间靠近第一振镜的位置；方式4、摆动驱动器与摆角检测器均设置在这两段反光镜之间靠近第一振镜的位置；并且采用了传动机构，将摆动驱动器或/和摆角检测器偏置地安装在摆动轴的侧面。9.根据权利要求8所述的激光形貌检测器，其特点是，摆角检测器中还包括一个测角用激光束，一个测角用反光镜，和一个测角用光斑探测器；该测角用反光镜固联于摆动回转轴，所述测角用激光束被该测角用反光镜反射后，投射到所述测角用光斑探测器上，用所述测角用光斑探测器检测所述测角用激光束被偏转的程度，从而判断摆动回转轴的角度。10.根据权利要求7所述的激光形貌检测器，其特点是，采用了折叠光路系统，所述折叠光路系统包括接收光路反光元件，和/或发射光路反光元件；通过所述折叠光路系统，将成像镜头，和/或光斑探测器，和/或所述激光器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕方达，
申请(专利权)人：吕方达，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23