專利名稱:單光電探測器共焦激光三角測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量裝置，尤其是涉及一種單面陣光電探測器共焦激光三角測量裝置。
背景技術：
由于激光三角法具有非接觸、不易損傷表面、材料適應性廣、結構簡單、抗干擾能力強、測量點小、測量準確度高和可用于實時在線快速測量等特點，在幾何量測量領域中得到廣泛的應用，人們一直在探索用最現(xiàn)代的科學技術豐富和完善它，力求進一步簡化結構，提高準確度，拓寬應用范圍，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。
激光三角法按檢測方式分為反射型與透射型(劉明，曾理江.透射型激光三角法測量蜻蜒翅膀形狀[J].儀器儀表學報，2003，24(S4)95-97)，按入射光線與被測物面法線的關系分為直射式和斜射式。傳統(tǒng)的直射式激光三角法的光電探測器平面與激光器的出射光束平行(金國藩，李景鎮(zhèn).激光測量學[M].北京科學出版社，1998)，被測點的位移與光電探測器上光斑的位移為線性關系，這種方式的測量精確度不高，且可測量的位移范圍受到限制。改進后的直射式激光三角法的光電探測器平面與成像透鏡光軸垂直，但可測量的位移范圍同樣受到限制，否則在光電探測器上無法清晰成像。經(jīng)過進一步改進，直射式激光三角法的光電探測器平面與成像透鏡光軸的夾角和激光束與成像透鏡光軸的夾角滿足斯凱普夫拉格條件(成像面、物面和透鏡主面必須相交于同一直線)時，就可以達到完美聚焦(洪昕，吳秀紅，蔣誠志等.傾斜CCD光敏面以減小擴展像斑的分析[J].誤差分析，1997，17(5)11-16)。直射式激光三角法由于其接收散射光的特點，適合于測量散射性能好的表面，否則可能由于光線大多被反射而存在測量盲區(qū)。斜射式激光三角法中入射激光束與被測物面法線成一定角度，可接收來自被測物體的正反射光，比較適合測量表面接近鏡面的物體，且信噪比和靈敏度都比較高，但也存在以下問題(馮俊艷，馮其波，匡萃方.高精度激光三角位移傳感器的技術現(xiàn)狀[J].應用光學，2004，25(3)33-36)斜射式入射光光點是照射在物體的不同點上，無法直接得到被測物體某點的位移情況，而直射式可以；斜射式分辨率高于直射式，但測量范圍較小，體積較大，光斑較大，且對安裝的精度要求很高，而直射式光斑小，光強集中，體積小，對于安裝的精度要求較低。
以上方法都存在一些問題，例如由于安裝的角度問題，光電探測器的信號受被測物表面形態(tài)影響較大(1.Kuang-Chao Fan，Kuang-Pu Wen.Non-contact automatic measurement offree-form surface profiles on CNC machines[J].SPIE，Vol.2101，Measurement Technology andIntelligent Instruments 1993949-958；2.王少清，莊葆華.物面傾斜對激光三角位移測量精度影響的研究[J].山東建材學院學報，1996，10(1)63-71)。在理論上要求必須保證激光束始終和被測量物體表面垂直，但在實際應用中是不可能達到的，特別是在測量物體表面形貌的應用中。雙三角法(1.唐朝偉，梁錫昌，鄒昌平.三維曲面激光雙三角測量法[J].重慶大學學報，1993，16(1)107-111；2.楊春平，吳健，洪亮，等.雙CCD系統(tǒng)在三維面形測量中的應用[J].半導體光電，2004，25(3)219-223)在一定程度上解決了這一問題，由于在激光束的兩側(cè)對稱地安裝了光電探測器，在入射光軸與兩光電探測器法線組成的主平面內(nèi)，可以消除由于被測量物體的表面在測量系統(tǒng)平面內(nèi)的傾斜所帶來的無法測量或較大誤差的現(xiàn)象，但物面形貌所產(chǎn)生的散射光若不在此主平面內(nèi)，光電探測器仍無法探測到信號。還有一些工業(yè)測量中采用了多激光束和多光電檢測器結合的方法(1.劉江，姜麗華，王長松.直線型激光板形檢測系統(tǒng)[J].鋼鐵研究學報，2003，15(5)60-63；2.吳科如，嚴安，張東，等.混凝土斷裂面的實驗研究[J].混凝土與水泥制品，2002，(6)3-10)，雖然直觀、方便、快捷，但明顯地增加了成本的投入。
上述目前的激光三角法都仍然要求激光束、被測點和光電探測器必須在同一個平面內(nèi)，當被測量物面與測量系統(tǒng)平面成一定空間立體角度傾斜或任意表面形貌時，往往會使光電探測器接收到的光強信號產(chǎn)生誤導信息，甚至無法接收到散射光的信號。若要接受到信號，必須采用多個光電探測器360°陣列，顯然這個結構是不實用的。因此，現(xiàn)有的激光三角法無法實現(xiàn)對自由曲面和任意表面形貌提取真實相關信息，只能用于較有規(guī)則物體表面形狀與較平坦表面形貌的測量。解決這些問題對激光三角法在幾何測量等方面上的應用有很重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對激光三角法現(xiàn)有技術的不足，提供一種可獲得真實的三維形貌信息，解決被測物面傾斜給測量帶來問題的單面陣光電探測器共焦激光三角測量裝置。
本發(fā)明的技術方案是采用單光束和單個面陣光電探測器實現(xiàn)自由曲面或任意物體表面形貌測量。
本發(fā)明設有激光器、準直透鏡、半反半透平面鏡、非球面透鏡、環(huán)狀內(nèi)反射鏡、被測物面、成像透鏡和一個面陣光電探測器。激光器用于發(fā)出單光束。準直透鏡用于對激光器發(fā)出的單光束準直，準直透鏡設于激光器發(fā)出的單光束正前方，準直透鏡的光軸與激光器發(fā)射的光束同軸。半反半透平面鏡用于將經(jīng)準直透鏡準直的單光束耦合進入非球面透鏡，并將從被測物面反射回的光束再次反射以通過成像透鏡在面陣光電探測器上成像，半反半透平面鏡的光軸與準直透鏡的光軸呈順時針45°夾角。非球面透鏡用于將透射過半反半透平面鏡的光束會聚入射至被測物面，非球面透鏡的光軸與準直透鏡的光軸同軸。環(huán)狀內(nèi)反射鏡用于將被測物面產(chǎn)生的漫反射光反射并經(jīng)半反半透平面鏡反射后由成像透鏡成像到面陣光電探測器上，該環(huán)狀內(nèi)反射鏡的球心和對稱軸與激光器發(fā)出的單光束、準直透鏡光軸、非球面透鏡光軸同軸。成像透鏡用于將經(jīng)半反半透平面鏡反射后的光束成像到面陣光電探測器上，成像透鏡光軸與激光器發(fā)出的光束方向垂直(順時針90°方向)。面陣光電探測器用于接收成像信息，面陣光電探測器設于成像透鏡的焦點位置，也是該光學系統(tǒng)的成像基準點。
環(huán)狀內(nèi)反射鏡的內(nèi)側(cè)為球面或拋物面反射鏡。
本發(fā)明采用共焦技術，物方入射光路與出射光路共用一個非球面透鏡，物方光學系統(tǒng)的測量基準點與光電檢測器件上的成像基準點共焦，這樣，物方(入射光)光學系統(tǒng)的測量基準點即為非球面透鏡的焦點位置，可以實現(xiàn)測量基準點的精確定位和清晰成像。準直透鏡與成像透鏡設計為相同焦距的透鏡，同樣也便于裝調(diào)。
本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點①采用一個特殊的環(huán)狀內(nèi)反射鏡(如球面鏡、拋物面鏡等)與非球面透鏡、半反半透平面鏡、成像透鏡構成成像光學系統(tǒng)，把來自被測物面的散射(或反射)光束會聚投射在光電檢測器上，提取測量信息，該測量系統(tǒng)容易實現(xiàn)入射光學系統(tǒng)與成像光學系統(tǒng)焦點重合，降低系統(tǒng)裝調(diào)要求。
②僅用單個面陣光電探測器就可接收帶有被測物面信息的光信號。采用了環(huán)狀反射鏡，消除了被測物面傾斜帶來的誤差，使來自被測物面任意方向的成像光束的光斑均可落在一個面陣光電探測器感光面，被光電探測器所接收，可以反映真實的三維形貌，而無需采用兩個面陣光電檢測器件或多個面陣光電檢測器件作為信號接收器來獲取被測任意自由曲面形貌信息。
③由于采用上述兩項新技術，因此在簡化光學系統(tǒng)的同時，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
④本發(fā)明光學系統(tǒng)物方入射光路與出射光路共焦，使測量基準點的成像清晰，定位精確，誤差更小。
⑤準直透鏡與成像透鏡為相同焦距的透鏡，減少了使用時的調(diào)整定位工作。
⑥本發(fā)明首次提出由內(nèi)反射鏡、多個透鏡、與入射光軸平行放置的光電探測器組成獨特的激光三角測量光學系統(tǒng)，內(nèi)采用共焦技術，能實現(xiàn)對任意曲面、任意表面形貌的三維測量，并給出相應的精確的測量公式，拓寬激光測量技術的應用領域和極大提高了激光三角測量法的可靠性、適應性和精確度；且結構緊湊、靈巧。
圖1為本發(fā)明實施例的結構示意圖。
具體實施方式如圖1所示，激光器1發(fā)出的光束經(jīng)準直透鏡2準直后，經(jīng)半反半透平面鏡3將光束耦合進入非球面透鏡4，聚焦后入射到被測物面6上的焦點位置，產(chǎn)生的漫反射光經(jīng)環(huán)狀反射鏡5反射或直接進入非球面透鏡4會聚后，經(jīng)半反半透平面鏡3反射，由成像透鏡7成像到面陣光電探測器8上。環(huán)狀反射鏡5是一個空心反射鏡(內(nèi)側(cè)為球面反射鏡或非球面反射鏡)，環(huán)狀反射鏡5為一個倒裝的球臺，球臺的上底面為過直徑的平面，下底面為與其平等的臺面，并使球反射鏡焦點處于球臺之外。準直透鏡2與成像透鏡7為相同焦距的透鏡。
測量時，先定基準點A(即非球面透鏡4的焦點位置)，使基準點A清晰成像在面陣光電探測器8的中心點O。當被測物面6位移或整個光學系統(tǒng)平移時，被測物面6的成像位置發(fā)生改變，偏離光電探測器陣列中心點O。當A點所在平面縱向平移至A′點時，若平面法線與光軸呈如圖順時針方向角度，成像在O″處，若平面法線與光軸呈如圖逆時針方向角度，成像將在O′處，即隨著被測物體的移動，或激光測量頭的掃描，雖然被測物面發(fā)生傾斜面方向的改變，都可以在光電探測器上獲得與被測物體表面一一對應的成像信息，并可通過計算機重構出被測物的三維形貌。
權利要求
1.單光電探測器共焦激光三角測量裝置，其特征在于設有激光器、準直透鏡、半反半透平面鏡、非球面透鏡、環(huán)狀內(nèi)反射鏡、被測物面、成像透鏡和一個面陣光電探測器，激光器用于發(fā)出單光束；準直透鏡用于對激光器發(fā)出的單光束準直，準直透鏡設于激光器發(fā)出的單光束正前方，準直透鏡的光軸與激光器發(fā)射的光束同軸；半反半透平面鏡用于將經(jīng)準直透鏡準直的單光束耦合進入非球面透鏡，并將從被測物面反射回的光束再次反射以通過成像透鏡在面陣光電探測器上成像，半反半透平面鏡的光軸與準直透鏡的光軸呈順時針45°夾角；非球面透鏡用于將透射過半反半透平面鏡的光束會聚入射至被測物面，非球面透鏡的光軸與準直透鏡的光軸同軸；環(huán)狀內(nèi)反射鏡用于將被測物面產(chǎn)生的漫反射光反射并經(jīng)半反半透平面鏡反射后由成像透鏡成像到面陣光電探測器上，該環(huán)狀內(nèi)反射鏡的球心和對稱軸與激光器發(fā)出的單光束、準直透鏡光軸、非球面透鏡光軸同軸；成像透鏡用于將經(jīng)半反半透平面鏡反射后的光束成像到面陣光電探測器上，成像透鏡光軸與激光器發(fā)出的光束方向垂直；面陣光電探測器用于接收成像信息，面陣光電探測器設于成像透鏡的焦點位置。
2.如權利要求
1所述的單光電探測器共焦激光三角測量裝置，其特征在于所述的環(huán)狀內(nèi)反射鏡的內(nèi)側(cè)為球面或拋物面反射鏡。
專利摘要
單光電探測器共焦激光三角測量裝置，涉及一種測量裝置，尤其是涉及一種單面陣光電探測器共焦激光三角測量裝置。提供一種可獲得真實的三維形貌信息，解決被測物面傾斜給測量帶來問題的單面陣光電探測器共焦激光三角測量裝置。設有激光器、準直透鏡、半反半透平面鏡、非球面透鏡、環(huán)狀內(nèi)反射鏡、被測物面、成像透鏡和面陣光電探測器，準直透鏡設于激光器光束正前方，半反半透平面鏡光軸與準直透鏡光軸呈順時針45°夾角。非球面透鏡光軸與準直透鏡的光軸同軸。環(huán)狀內(nèi)反射鏡球心和對稱軸與激光器發(fā)出的單光束、準直透鏡光軸、非球面透鏡光軸同軸。成像透鏡光軸與激光器發(fā)出的光束方向垂直。面陣光電探測器設于成像透鏡的焦點位置。
文檔編號G01B11/00GK1995908SQ200610135405
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月28日
發(fā)明者黃元慶, 萬瑾, 顏黃蘋, 吳兆喜, 胡天林 申請人:廈門大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan