激光掃描式外徑檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光掃描式外徑檢測裝置，包括光點平行恒速掃描器、聚光透鏡和光電探測器，該光點平行恒速掃描器射出平行的激光光點對被測物進(jìn)行均速掃描，該聚光透鏡把掃描的激光光束會聚到該光電探測器。該光點平行恒速掃描器包括至少一路單片的柱面透鏡，該柱面透鏡具有相對的第一表面和第二表面，該第一表面為曲面，該第二表面為平面，其中該第一表面的曲率被設(shè)計成使該柱面透鏡的成像高和反射光與透鏡光軸的夾角之間具有線性關(guān)系。
【專利說明】激光掃描式外徑檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電檢測技術(shù)，更具體地說，涉及一種激光掃描式外徑檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光電檢測技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的非接觸測量技術(shù)，它建立在光、機(jī)、電一體化技術(shù)基礎(chǔ)上，所涉及的基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)內(nèi)容十分廣泛，是計量檢測技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，并在測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如在生產(chǎn)中對各種線材、管材、棒材甚至各種零件、元器件的外形尺寸進(jìn)行非接觸在線測量和控制。
[0003]目前常見的激光檢測裝置，其光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡通常采用普通透鏡或線性透鏡(F( Θ )復(fù)合透鏡)。
[0004]普通透鏡的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1A和圖1B所示，其中圖1A為正視圖、圖1B為側(cè)視圖。普通透鏡10結(jié)構(gòu)較簡單，它的像高H和反射光與透鏡光軸的夾角Θ之間的關(guān)系為:
[0005]H=f*tan Θ，
[0006]其中f為透鏡焦距。也就是說，H和Θ不成線性關(guān)系，而且反射光的掃描線速度越偏離透鏡光軸其誤差越大。 [0007]F( Θ )復(fù)合透鏡的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，圖2為側(cè)視圖。F( Θ )復(fù)合透鏡20的像高H和反射光與透鏡光軸的夾角Θ之間的關(guān)系為:
[0008]H=f* Θ，
[0009]也就是說，H和Θ成線性關(guān)系。因而F(0)復(fù)合透鏡可解決掃描線速度存在的誤差。但由于F(0)復(fù)合透鏡是多片復(fù)合組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造大尺寸透鏡的造價較高。
[0010]目前，在玻璃管拉制等行業(yè)所生產(chǎn)的激光檢測裝置，其每種型號能夠測量的范圍非常有限。例如采用外徑為30mm鏡頭的激光掃描式外徑檢測裝置，其測量范圍約lmm-20mm ;用外徑為60mm鏡頭的檢測裝置，其測量范圍約lmm-50mm。如果測量的產(chǎn)品外徑超過鏡頭的有效尺寸，那么就需改用更大尺寸的光學(xué)鏡頭或者采用多光路法的多個小鏡頭組合來測量。在這種情況下使用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高的F(0)復(fù)合透鏡是難以承受的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種激光掃描式外徑檢測裝置，它包含一個單片的柱面透鏡，該柱面透鏡仍具有F( Θ )復(fù)合透鏡的特性。
[0012]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提出一種激光掃描式外徑檢測裝置，包括光點平行恒速掃描器、聚光透鏡和光電探測器，該光點平行恒速掃描器射出平行的激光光點對被測物進(jìn)行均速掃描，該聚光透鏡把掃描的激光光束會聚到該光電探測器。該光點平行恒速掃描器包括至少一路單片的柱面透鏡、棱鏡和激光器。每一路該柱面透鏡具有相對的第一表面和第二表面，該第一表面為曲面，該第二表面為平面，其中該第一表面的曲率被設(shè)計成使該柱面透鏡的成像高和反射光與透鏡光軸的夾角之間具有線性關(guān)系。該棱鏡被一電機(jī)恒速驅(qū)動而轉(zhuǎn)動。該激光器發(fā)出的激光束入射到該棱鏡，且經(jīng)該棱鏡反射到該柱面透鏡，其中該激光束在該棱鏡的入射點位于該柱面透鏡的焦點，從而使得射出該柱面透鏡的光束為與時間成線性關(guān)系并且平行于該柱面棱鏡的光軸的平行光束。
[0013]在本發(fā)明的一實施例中，該柱面透鏡的正投影為矩形。
[0014]在本發(fā)明的一實施例中，激光掃描式外徑檢測裝置包括一路該柱面透鏡，該柱面透鏡對準(zhǔn)該棱鏡。
[0015]在本發(fā)明的一實施例中，激光掃描式外徑檢測裝置包括兩路該柱面透鏡，對稱分布于該棱鏡的前方兩側(cè)，每路該柱面透鏡經(jīng)一反射鏡接收來自該棱鏡的反射光。
[0016]在本發(fā)明的一實施例中，一路該柱面透鏡的掃描范圍是O~100mm。
[0017]在本發(fā)明的一實施例中，兩路該柱面透鏡的掃描范圍上限達(dá)到500mm。
[0018]在本發(fā)明的一實施例中，激光掃描式外徑檢測裝置還包括一聚光縮束透鏡，設(shè)于該激光器與該棱鏡之間。
[0019]本發(fā)明的還提出一種柱面透鏡，為單片透鏡，該柱面透鏡具有相對的第一表面和第二表面，該第一表面為曲面，該第二表面為平面，其中該第一表面的曲率被設(shè)計成使該柱面透鏡的成像高和反射光與透鏡光軸的夾角之間具有線性關(guān)系。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用柱面透鏡的激光掃描測徑裝置減少了透鏡的使用片數(shù)，能夠非常明顯地簡化鏡頭的光學(xué)設(shè)計以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，減小了它的體積和重量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作詳細(xì)說明，其中:
[0022]圖1A示出一種普通透鏡的正視圖。
[0023]圖1B示出一種普通透鏡的側(cè)視圖。
[0024]圖2示出一種F ( Θ )復(fù)合透鏡的側(cè)視圖。
[0025]圖3A示出本發(fā)明一實施例的柱面透鏡的正視圖。
[0026]圖3B示出本發(fā)明一實施例的柱面透鏡的側(cè)視圖。
[0027]圖4示出本發(fā)明實施例的激光掃描式外徑檢測裝置的原理示意圖。
[0028]圖5A示出本發(fā)明實施例的激光掃描式外徑檢測裝置的旋轉(zhuǎn)掃描原理示意圖。
[0029]圖5B示出圖5A中，光點在棱鏡上移動引起光點前后變化的規(guī)律。
[0030]圖6A示出本發(fā)明實施例的激光掃描式外徑檢測裝置的單光路掃描檢測示意圖。
[0031]圖6B示出本發(fā)明實施例的激光掃描式外徑檢測裝置的雙光路掃描檢測示意圖。
[0032]圖6C示出聚焦在光電器件上的光強(qiáng)i隨掃描時間t的變化曲線。
[0033]圖7示出本發(fā)明第一實施例的激光掃描式外徑檢測裝置示意圖。 [0034]圖8示出 本發(fā)明第二實施例的激光掃描式外徑檢測裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0035]本發(fā)明的實施例提出一種激光掃描式外徑檢測裝置，它使用一種新穎的單片柱面透鏡來作為透鏡。這種單片的柱面透鏡整體呈柱面，而透鏡表面被設(shè)計成滿足成像高和反射光與透鏡光軸的夾角的線性關(guān)系。
[0036]圖3A、3B示出本發(fā)明一實施例的柱面透鏡的基本結(jié)構(gòu)，其中圖3A示出柱面透鏡的主視圖，圖3B柱面透鏡的側(cè)視圖。參照圖3A，該柱面透鏡30整體呈柱狀而非傳統(tǒng)的圓狀，從正面看柱面透鏡30為矩形，即柱面透鏡30的正投影為矩形。參照圖3B所示，從柱面透鏡30的側(cè)視圖可以看出，柱面透鏡30的第一表面31為曲面，與之相對的第二表面32為平面。因而，柱面透鏡30像是從一個柱體上縱向切下的一部分，而其第一表面31為柱體的外表面的一部分。
[0037]在本實施例中，第一表面31的曲率被經(jīng)過特別設(shè)計以滿足所需的光學(xué)特性。圖3B進(jìn)一步示出柱面透鏡30的光學(xué)特性，即像高H與反射光與透鏡光軸X的夾角Θ之間滿足H=f* Θ的線性關(guān)系。在此，f為柱面透鏡30的焦距。
[0038]采用這種柱面透鏡30的優(yōu)勢是顯而易見的。得益于使用單片透鏡，透鏡的結(jié)構(gòu)簡單，造價可以顯著降低。由于透鏡結(jié)構(gòu)簡單，像差也會較小，在整個激光掃描式檢測裝置的有效掃描范圍內(nèi)分辨率一致。另外，透鏡的尺寸明顯擴(kuò)大，可以滿足常規(guī)管件外徑的測量。如果組合多個透鏡光路可滿足更大外徑的檢測，而不會明顯增加復(fù)雜度和成本。
[0039]下面說明上述實施例的柱面透鏡30在激光掃描式外徑檢測裝置中的應(yīng)用。
[0040]圖4示出本發(fā)明實施例的激光掃描式外徑檢測裝置的原理示意圖。參照圖4所示，激光掃描式外徑檢測裝置40可包括光點平行恒速掃描器41、聚光透鏡42和光電探測器44。光點平行恒速掃描器41發(fā)射平行的激光光點對被測物44進(jìn)行均速掃描，把被測物44擋光的光強(qiáng)連續(xù)變化值(時間信息)從光電探測器44上取出，以計取遮光時間獲得被測物的輪廓尺寸。
[0041]圖5A示出本發(fā)明實施例的激光掃描式外徑檢測裝置的旋轉(zhuǎn)掃描原理示意圖。光點平行恒速掃描器41的實現(xiàn)原理進(jìn)一步如圖5A所示。光點平行恒速掃描器41進(jìn)一步包括激光器51、棱鏡52和柱面透鏡53。激光器51發(fā)出的激光束入射到棱鏡52上產(chǎn)生掃描光束。棱鏡52可用恒速微型同步電機(jī)驅(qū)動而恒速轉(zhuǎn)動。棱鏡52表面上的光點位于柱面透鏡53的焦點。反射光經(jīng)過柱面透鏡53后得到與時間成線性關(guān)系并且平行于柱面棱鏡53的光軸的平行光束，并以每秒數(shù)百米線速度移動。
[0042]在此實施例中，激光器51例如可以是HeNe氣體激光器。HeNe氣體激光器的輸出功率能穩(wěn)定控制，使用壽命長，價格低。HeNe氣體激光器產(chǎn)生的光束，能量集中(毫瓦級)，發(fā)散角小(毫弧度級)，掃描目標(biāo)時信噪比大，分辨率好?？傮w而言，HeNe氣體激光器的特性優(yōu)于其他光敏器件。
[0043]不同功率的HeNe氣體激光器的光斑直徑和發(fā)射角都不同，因此需要根據(jù)實際測量工況選擇合適的激光器。例如被測管件檢測距離較遠(yuǎn)的測量，需要選用較大功率的激光器，如果激光器發(fā)出的光束直徑過大，還必須增加聚光縮束透鏡以縮小光斑直徑。
[0044]由于柱面透鏡53的焦距是定值，設(shè)計時照射在棱鏡52表面上的光點是位于透鏡53的焦點。實際上當(dāng)棱鏡52轉(zhuǎn)動時，光點在棱鏡52上移動，引起光點前后變化，變化的規(guī)律就是如圖5B的C值的變化規(guī)律。所以棱鏡52設(shè)計應(yīng)盡量使C值的變動范圍較小，同時在設(shè)計透鏡53時也應(yīng)考慮棱鏡由于C值的變化而產(chǎn)生的反射角和反射點的變化所引起的光學(xué)系統(tǒng)誤差。
[0045]分析如下:假設(shè)光源正對棱鏡的轉(zhuǎn)軸中心，從圖5B可知:
[0046]B = A/Cos α(1）[0047]C = B-A =-A = A*(^........................-1) (2)
COS?vCos a /
[0048]其中，A為棱鏡反射面到轉(zhuǎn)軸中心距離；B為反射點到轉(zhuǎn)軸中心距離；C為圖5B中反射點左右變動范圍；α為棱鏡的轉(zhuǎn)動角度。
[0049]根據(jù)圖示所得公式得知反射點左右變動范圍誤差為:
[0050]同一棱鏡，當(dāng)0〈α〈90°轉(zhuǎn)動時，α越大，則C值越大。
[0051]不同棱鏡:A值越大，則C值越大。
[0052]例如:用轉(zhuǎn)動中心到反射面距離為IOmm的八面棱鏡和用轉(zhuǎn)動中心到反射面的距離為1mm兩面鏡相比，根據(jù)公式(2)，八面鏡的C值變動誤差是兩面鏡的10倍。
[0053]目前，隨著被測管件直徑范圍的擴(kuò)大，設(shè)計工作面積大、焦距值較小的、視場角大的大尺寸透鏡就顯得十分必要。本實施例使用單片的柱面透鏡53來代替目前常用的F(9)復(fù)合透鏡作為掃描發(fā)射透鏡。這一柱面透鏡具有以下優(yōu)點:掃描運(yùn)動被以時間為順序的電信號控制，鏡頭像面上的光點像與時間是成線性關(guān)系的，滿足像高H=f* Θ，功能等同于F( Θ )復(fù)合透鏡；采用單片透鏡，結(jié)構(gòu)簡單且像差較小，在整個有效掃描范圍內(nèi)分辨率一致。在整個有效掃描范圍內(nèi)輸出的光線始終垂直像平面；降低了掃描光線和透鏡中心面重合度的安裝要求。
[0054]在本發(fā)明的實施例中，柱面透鏡53可采用高折射率，高均勻度的光學(xué)玻璃為原料，減少透鏡的厚度。
[0055]在本發(fā)明的實施例中，單個柱面透鏡53的尺寸通常滿足常規(guī)管件外徑的測量(掃描范圍O~100mm)，而組合鏡頭光路(雙鏡頭掃描范圍上限是500mm)可滿足更大管件外徑的檢測。
[0056]圖6A示出本發(fā)明實施例的激光掃描式外徑檢測裝置的單光路掃描檢測示意圖。圖6B示出本發(fā)明實施例的激光掃描式外徑檢測裝置的雙光路掃描檢測示意圖。圖中tw，twl，tw2是掃描測量窗口光欄的時間，td，tdl，td2是被測工件d遮光時間。圖6C示出聚焦在光電器件上的光強(qiáng)i隨掃描時間t的變化曲線。圖中顯示聚焦在光電器件上的光強(qiáng)i隨掃描時間t的變化曲線。td (tdl, td2)可以反映被測物60的外徑變化，經(jīng)光電信號轉(zhuǎn)換送后續(xù)電路處理得到測量結(jié)果。
[0057]本發(fā)明的一實施例可采用相對測量法對工件進(jìn)行測量。這種測量方法的最大優(yōu)點就是掃描速度與驅(qū)動棱鏡52的電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)。由于光欄寬度W是固定長度值,用激光光束掃描光欄，光電探測器53 (如圖5A)輸出一個^定時信號。當(dāng)有被測物60存在時，激光光束掃描到被測物時光束被遮擋，遮擋的時間、也由光電探測器輸出。因為td與被測物尺寸d成正比,所以根據(jù)公式W/tw=d/td,可求得被測物尺寸d=W*td/tw。1:￥和td可用脈沖計數(shù)器求得。
[0058]本發(fā)明的另一實施例可以采用絕對測量法。這樣，掃描速度V是驅(qū)動棱鏡52的電機(jī)轉(zhuǎn)速的2倍，被測物的尺寸等于=v*t。不過，由于電壓高低的波動變化、電機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)的磨損等會產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，對被測物工件的掃描時間就有變化，從而影響測量精度。
[0059]圖7示出本發(fā)明第一實施例的激光掃描式外徑檢測裝置示意圖。這一激光掃描式外徑檢測裝置70是根據(jù)單光路激光掃描測徑技術(shù)制成。參照圖7所示，激光掃描式外徑檢測裝置70結(jié)構(gòu)采用分體式，分體距離可達(dá)3m。發(fā)射組件(右圖)和接收組件(左圖)分別安裝在可自由進(jìn)行三維調(diào)節(jié)的支撐架上。激光掃描式外徑檢測裝置70包括激光器71、反光鏡72、棱鏡73、柱面透鏡74、散熱套75、聚焦透鏡76、支撐架77和光電探測器77。
[0060]在此實施例中，用單個柱面透鏡74作為勻速掃描光學(xué)系統(tǒng)組成IlOmm寬掃描場，能夠以非接觸方式測量0 l-? IOOmm直徑的石英玻璃管。由于石英玻璃管拉制生產(chǎn)的環(huán)境溫度較高，在此控制器上設(shè)計加裝散熱套75，散熱套75內(nèi)部通水降溫以符合現(xiàn)場的工藝條件。
[0061]圖8示出本發(fā)明第二實施例的激光掃描式外徑檢測裝置示意圖。這一激光掃描式外徑檢測裝置80是根據(jù)雙光路激光掃描測徑技術(shù)制成。激光掃描式外徑檢測裝置80結(jié)構(gòu)采用分體式，分體距離大于3m，發(fā)射組件(右圖)和接收組件(左圖)分別安裝在可自由進(jìn)行三維調(diào)節(jié)的支撐架上。激光掃描式外徑檢測裝置80包括激光器81、聚光縮束透鏡82、兩個反光鏡83、棱鏡84、兩個柱面透鏡85、聚焦透鏡86、支撐架87和光電探測器88。
[0062]檢測裝置80的光學(xué)系統(tǒng)采用光路對稱性好、兩鏡頭掃描方向相同的方案。用兩個柱面透鏡85的單光路勻速掃描光學(xué)系統(tǒng)組成420mm寬掃描場，遮光部分為200mm，能夠非接觸方式測量直徑0 220-? 400mm的石英玻璃管。由于石英玻璃大管拉制生產(chǎn)的環(huán)境溫度更高，檢測裝置80離開被測管件更遠(yuǎn)，使用較大功率的激光器81并增加聚光縮束透鏡82以縮小光斑直徑，同時在此檢測裝置80上也可加裝散熱套來降溫(圖8未顯示)以符合現(xiàn)場的工藝條件。
[0063]下表1是用本發(fā)明實施例的柱面透鏡實際測量工件的誤差表:
[0064]表1
[0065]
【權(quán)利要求】
1.一種激光掃描式外徑檢測裝置，包括光點平行恒速掃描器、聚光透鏡和光電探測器，該光點平行恒速掃描器射出平行的激光光束對被測物進(jìn)行均速掃描，該聚光透鏡把掃描的激光光束會聚到該光電探測器，其特征在于，該光點平行恒速掃描器包括: 至少一路單片的柱面透鏡，該柱面透鏡具有相對的第一表面和第二表面，該第一表面為曲面，該第二表面為平面，其中該第一表面的曲率被設(shè)計成使該柱面透鏡的成像高和反射光與透鏡光軸的夾角之間具有線性關(guān)系； 棱鏡，該棱鏡被一電機(jī)恒速驅(qū)動而轉(zhuǎn)動； 激光器，該激光器發(fā)出的激光束入射到該棱鏡，且經(jīng)該棱鏡反射到該柱面透鏡，其中該激光束在該棱鏡的入射點位于該柱面透鏡的焦點，從而使得射出該柱面透鏡的光束為與時間成線性關(guān)系并且平行于該柱面棱鏡的光軸的平行光束。
2.如權(quán)利要求1所述的激光掃描式外徑檢測裝置，其特征在于，該柱面透鏡的正投影為矩形。
3.如權(quán)利要求1所述的激光掃描式外徑檢測裝置，其特征在于，包括一路該柱面透鏡，該柱面透鏡對準(zhǔn)該棱鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的激光掃描式外徑檢測裝置，其特征在于，包括兩路該柱面透鏡，對稱分布于該棱鏡的前方兩側(cè)，每路該柱面透鏡經(jīng)一反射鏡接收來自該棱鏡的反射光。
5.如權(quán)利要求3所述的激光掃描式外徑檢測裝置，其特征在于，一路該柱面透鏡的掃描范圍是O~100mm。
6.如權(quán)利要求4所述的激光掃描式外徑檢測裝置，其特征在于，兩路該柱面透鏡的掃描范圍上限達(dá)到500mm。
7.如權(quán)利要求4所述的激光掃描式外徑檢測裝置，其特征在于，還包括一聚光縮束透鏡，設(shè)于該激光器與該棱鏡之間。
8.一種柱面透鏡，為單 片透鏡，其特征在于，該柱面透鏡具有相對的第一表面和第二表面，該第一表面為曲面，該第二表面為平面，其中該第一表面的曲率被設(shè)計成使該柱面透鏡的成像高和反射光與透鏡光軸的夾角之間具有線性關(guān)系。
【文檔編號】G01B11/08GK103900483SQ201210586066
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】張春暉, 陳衛(wèi)民 申請人:上海輕工業(yè)研究所有限公司, 上海理日光電科技有限公司