本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，并且特別地，涉及一種激光位移傳感器。

背景技術(shù)：

光學(xué)傳感器是依據(jù)光學(xué)原理進行測量的儀器，這類傳感器有許多優(yōu)點，例如，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸和非破壞性測量、測量幾乎不受干擾、能夠?qū)崿F(xiàn)高速傳輸以及可遙測、遙控、可實時處理等優(yōu)點。

光學(xué)傳感器包括很多類型，其中，以激光三角法為基本原理的激光位移傳感器是一種利用激光為光源、將CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體)或者CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)傳感器作為接收器的精密測量儀器。這種傳感器能夠在非接觸的情況下精確測量被測物體的位置、位移等變化，并且能夠被應(yīng)用于檢測物體的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。

在以激光三角法為基本原理的激光位移傳感器中，相對于成像物鏡，物面和像面都成傾斜狀態(tài)，即物面與像面都與成像物鏡光軸成一定的夾角。在傳統(tǒng)激光位移傳感器中，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計都兼顧成像物鏡子午方向(T方向)和弧矢方向(S方向)兩個方向的成像質(zhì)量。由于需要兼顧兩個方向的成像質(zhì)量，所以這種需求的存在會增加激光位移傳感器的成像物鏡設(shè)計難度，提高制造和維護成本。

不僅如此，隨著激光位移傳感器的使用，很可能會因為振動、機械變形等原因，使得激光器發(fā)出的光斑無法準(zhǔn)確投射到傳感器上，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比降低，影響測量的準(zhǔn)確性，甚至可能出現(xiàn)完全無法進行測量的問題。

公開號為CN105138193A的中國發(fā)明專利申請公開一種用于光學(xué)觸摸屏的攝像模組及其鏡頭，具體而言，該專利申請采用拉高成像物鏡T方向的MTF值、壓低S方向的調(diào)質(zhì)傳遞函數(shù)(MTF)值，來提高光學(xué)觸摸屏裝置的靈敏性能。因此，該專利對于如何提高光學(xué)觸摸屏的靈敏性能，提出了解決方案。但是，激光位移傳感器不同于光學(xué)觸摸屏，隨著激光位移傳感器的使用，很可能會因為振動、機械變形等原因，使得激光器發(fā)出的光斑無法正確投向傳感器，進而導(dǎo)致無法進行準(zhǔn)確檢測、甚至完全無法進行測量的問題。而對于激光位移傳感器所面臨的設(shè)計難度高、易受振動和機械變形影響的問題，上述專利無能為力。

針對上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對相關(guān)技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種激光位移傳感器，能夠在不影響測量精度的情況下，降低成像物鏡的設(shè)計難度，同時讓測量系統(tǒng)能夠更有效地應(yīng)對振動、機械變形等不良影響。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種激光位移傳感器。

根據(jù)本發(fā)明的激光位移傳感器包括激光器、成像物鏡以及感光元件，激光器用于射出激光束，由成像物鏡接收并出射的光入射到感光元件。其中，在對成像物鏡和感光元件進行調(diào)制傳遞函數(shù)MTF解析時，解析結(jié)果滿足以下條件：

在感光元件的多個感光單元的主要排列方向為弧矢方向的情況下，MTFS＞MTFT；

在感光元件的多個感光單元的主要排列方向為子午方向的情況下，MTFT＞MTFS；

其中，MTFS為弧矢方向上的MTF值，MTFT為子午方向上的MTF值。

進一步地，在進行解析時，空間頻率為62.5lp/mm，如果多個感光單元的主要排列方向為弧矢方向，則MTFS＞MTFT×10；如果多個感光單元的主要排列方向為子午方向，則MTFT＞MTFS×10。

可選地，空間頻率為62.5lp/mm，如果多個感光單元的主要排列方向為弧矢方向，則MTFS≥0.5，MTFT＜0.05；如果多個感光單元的主要排列方向為子午方向，則MTFT≥0.5，MTFS＜0.05。

此外，在感光元件的多個感光單元的主要排列方向為子弧矢向的情況下，成像物鏡本身的MTFS＞MTFT、或者在感光元件的多個感光單元的主要排列方向為子午方向的情況下，成像物鏡本身的MTFT＞MTFS，使得解析結(jié)果滿足條件；和/或在成像物鏡前和/或在成像物鏡后加入能夠引入像散的光學(xué)元器件，并且配合微調(diào)所述成像物鏡與所述感光元件之間的相對距離使得解析結(jié)果滿足條件。

此外，根據(jù)本發(fā)明的激光位移傳感器可以進一步包括：

反光元件，反光元件設(shè)置在成像物鏡的出射光路上，成像物鏡的出射光經(jīng)反光元件反射后，入射到感光元件。

此外，根據(jù)本發(fā)明的激光位移傳感器可以進一步包括：

帶通濾光片，設(shè)置于成像物鏡的入射光路上。

此外，根據(jù)本發(fā)明的激光位移傳感器可以進一步包括：

聚焦透鏡，設(shè)置于激光器的出射光路上。

可選地，上述感光元件為線陣感光元件，線陣感光元件的多個感光單元沿直線排列，該直線的延伸方向為多個感光單元的主要排列方向。上述也可以是感光元件為面陣感光元件，面陣感光元件包括以矩形排列的多個感光單元，面陣感光元件的長邊延伸方向為多個感光單元的主要排列方向。

此外，上述成像物鏡可以為單一鏡片，且成像物鏡的物側(cè)面和像側(cè)面皆為非球面；或者，成像物鏡為多個透鏡組成的透鏡組。

本發(fā)明通能夠?qū)崿F(xiàn)以下有益效果：

(1)本發(fā)明提出的激光位移傳感器的成像物鏡和感光元件的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)解析結(jié)果滿足MTFS＞MTFT或MTFT＞MTFS，能夠利用像散，讓呈現(xiàn)在感光元件上的光斑在水平方向(即，弧矢方向，S方向)變窄，而在豎直方向(即，子午方向，T方向)變長(或者讓光斑在水平方向(即，弧矢方向，S方向)變寬，而在豎直方向(即，子午方向，T方向)變窄)，有助于更加容易地確定光斑在水平方向上的中心位置，從而提高測量的準(zhǔn)確度；由于激光位移傳感器中感光元件的多個感光單元的陣列排布形狀為矩形或線形，將矩形長邊或直線的延伸方向上的MTF降低，也不會影響測量精度；不僅如此，由于在MTF值被拉高的方向上光斑變窄，而在MTF值被降低的方向上光斑變寬，所以光斑與像元之間的接觸面積增大，使得光斑更加容易地被感光元件所接收，能夠更好地應(yīng)對使用中因為振動或機械變形等隨帶來的不良影響；此外，由于本發(fā)明提出的激光位移傳感器所采用的成像物鏡無需兼顧水平方向和豎直方向的MTF值，所以能夠降低物鏡的設(shè)計難度，節(jié)省制造和維護成本；

(2)通過將空間頻率為62.5lp/mm時的MTF解析結(jié)果保持在MTFS＞MTFT×10或MTFT＞MTFS×10，尤其是讓解析結(jié)果滿足：MTFS≥0.5且MTFT＜0.05、或者MTFT≥0.5且MTFS＜0.05，能夠讓光斑在感光元件的感光單元的主要排列方向上的延伸更加明顯，進一步降低成像物鏡的設(shè)計難度、以及制造和維護成本；

(3)對于弧矢方向和子午方向MTF值差距不大的成像物鏡，通過在成像物鏡前和/或在成像物鏡后加入能夠引入像散的光學(xué)元器件(如平板玻璃等)，配合微調(diào)成像物鏡與所述感光元件之間的相對距離來使得成像物鏡和感光元件所組成整體的MTF值滿足上述要求，能夠很容易地讓光斑被拉長，更加容易被感光元件所接收；

(4)通過將反光元件設(shè)置在成像物鏡與感光元件之間，能夠減小激光位移傳感器的設(shè)備體積，便于激光位移傳感器的使用和安裝；

(5)通過采用線陣感光元件，能夠降低激光位移傳感器的成本；另外，由于線陣感光元件的多個感光單元沿著直線排列，所以在該直線的延伸方向上的MTF值拉高而將與該直線垂直方向上的MTF值降低，并不會影響測量精度，還能夠讓光斑更加容易地被線陣感光元件所接收；

(6)通過采用帶通濾光片，能夠濾除或降低雜散光，避免激光位移傳感器收到干擾，保證測量的準(zhǔn)確度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的激光位移傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的激光位移傳感器中成像系統(tǒng)的MTF值曲線圖；

圖3a至圖3c是根據(jù)本發(fā)明實施例的激光位移傳感器在不同量程位置處測量被測物體時所呈現(xiàn)的光斑形狀。

具體實施方式

此說明性實施方式的描述應(yīng)與相應(yīng)的附圖相結(jié)合，附圖應(yīng)作為完整的說明書的一部分。在附圖中，實施例的形狀或是厚度可擴大，并以簡化或是方便標(biāo)示。再者，附圖中各結(jié)構(gòu)的部分將以分別描述進行說明，值得注意的是，圖中未示出或未通過文字進行說明的元件，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員所知的形式。

此處實施例的描述，有關(guān)方向和方位的任何參考，均僅是為了便于描述，而不能理解為對本發(fā)明保護范圍的任何限制。以下對于優(yōu)選實施方式的說明會涉及到特征的組合，這些特征可能獨立存在或者組合存在，本發(fā)明并不特別地限定于優(yōu)選的實施方式。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書所界定。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種激光位移傳感器。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的激光位移傳感器主要包括激光器(例如，可以是激光二極管)1、聚焦透鏡2、窗口玻璃3、帶通濾光片5、成像物鏡(也可稱為接收物鏡)6、感光元件7以及反光元件8。其中，該激光位移傳感器用于對被測物體4進行測量。

在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，省略了激光位移傳感器的外殼。實際上，上述窗口玻璃3可以設(shè)置在激光位移傳感器的外殼上，供激光器所發(fā)出的光通過。

激光位移傳感器的工作過程如下：由激光二極管1發(fā)射的激光束通過聚焦透鏡2聚焦、窗口玻璃3濾光后，照射在被測物體4的表面形成一個測量光斑，激光束可以垂直入射到被測物體4表面(即垂直入射)，也可與被測物體4表面成一定的角度(即斜入射)。該測量光斑由成像物鏡6成像，并在感光元件7形成測量信號。

成像物鏡6和感光元件7組成的成像系統(tǒng)經(jīng)調(diào)制傳遞函數(shù)進行解析后會得到解析結(jié)果MTFS和MTFT，其中MTFS為弧矢方向上的MTF值，MTFT是子午方向上的MTF值。

在一個實施例中，如果感光元件的多個感光單元為沿著S方向(弧矢方向，可以將弧矢向定義為水平方向)排列，則在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，可以利用成像物鏡6的像散拉高S方向(弧矢方向，可以將弧矢方向定義為水平方向)的MTF值，降低T方向MTF值。通過將成像系統(tǒng)的MTFS和MTFT設(shè)計為滿足MTFS＞MTFT，能夠讓呈現(xiàn)的光斑在子午方向上被拉長，在弧矢方向上被縮短。

在一個實施例中，上述感光元件7可以為線陣CCD感光芯片，或者也可以是線陣CMOS感光芯片。在線陣CCD感光芯片或線陣CMOS感光芯片中，包括線形排列的多個感光單元，通常為直線排列，該直線的延伸方向為感光單元的主要排列方向，這些感光單元沿著水平方向(弧矢方向)排列。由于感光單元為直線狀排列，因此，長條形光斑可增加與像元之間的接觸面積，可降低機械器件形變對所述激光位移傳感器信噪比的影響。

在其他實施例中，上述感光元件7可以是面陣CCD感光芯片或面陣CMOS感光芯片。面陣CCD感光芯片或面陣CMOS感光芯片包括排列為矩形的多個感光單元，矩形的長邊沿著水平方向(弧矢方向)延伸，短邊沿著豎直方向(子午方向)延伸，其長邊的延伸方向即為感光單元的主要排列方向。這樣，長條形光斑同樣更加容易地被面陣CCD感光芯片或CMOS感光芯片接收到。

值得一提的是，針對成像物鏡6和感光元件7所組成的成像系統(tǒng)，拉高S方向的MTF值，降低T方向MTF值的實現(xiàn)方式可以包含以下兩種：(方式1)成像物鏡6自身的S方向MTF值高，而T方向的MTF值低；(方式2)在成像物鏡6的T和S方向的MTF值接近時，在成像物鏡前或后加入能夠引入像散的光學(xué)元器件(例如，可以是平板玻璃等)，配合微調(diào)成像物鏡6與感光元件7之間的相對距離即像距，以達到S方向MTF值高，而T方向的MTF值低的效果。

如圖2所示，在一個實施例中，激光位移傳感器通過調(diào)整成像物鏡6與感光元件7之間的距離，在空間頻率為62.5lp/mm處，MTFS大于10倍的MTFT，其中，MTFS為量程內(nèi)被測點在S方向的MTF值，MTFT為量程內(nèi)被測點在T方向的MTF值，曲線1為物點在子午方向和弧矢方向上都沒有偏離的MTFT值，曲線2為物點在子午方向和弧矢方向上都沒有偏移的MTFS值；曲線3為物點在弧矢方向偏離-2.1mm、在子午方向無偏離的MTFT值；曲線4為物點在弧矢方向偏離-2.1mm、在子午方向無偏離的MTFS值；曲線5為物點在弧矢方向偏離2.1mm、在子午方向無偏離的MTFT值；曲線6為物點在弧矢方向偏離2.1mm、在子午方向無偏離的MTFS值(其中，在弧矢方向內(nèi)，向光軸以里偏離為正，向光軸以外偏離為負)。在一具體實施例中，在空間頻率為62.5lp/mm處，量程內(nèi)被測點的MTFS≥0.5，MTFT＜0.05。類似地，在采用上述方式1的情況下，同樣可以保證成像物鏡的MTFT和MTFS滿足這些條件。

圖3a至圖3c示出了在弧矢(S)方向和(T)方向的MTF值被配置為滿足上述要求的情況下，被感光元件接收到的光斑的形狀。圖3a是被測物體在激光位移傳感器的最小量程處的情況下，感光元件接收到的光斑的形狀，OBJ：-2.1000mm，0.0000mm為物點在子午方向無偏離，在弧矢方向偏離-2.1mm，IMA：1.627，0.000mm為所成的像點在子午方向無偏離，在弧矢方向偏離1.627mm。圖3b是被測物體在激光位移傳感器的中間量程處的情況下，感光元件接收到的光斑的形狀，OBJ：0.0000，0.0000mm為物點在弧矢方向無偏離，在子午方向無偏離，IMA：-0.243，0.000mm為所成的像點在子午方向無偏離，在弧矢方向偏離-0.243mm。圖3c是被測物體在激光位移傳感器的最大量程處的情況下，感光元件接收到的光斑的形狀，OBJ：2.1000，0.0000mm為物點在子午方向無偏離，在弧矢方向偏離2.1mm，IMA：-2.115，0.000mm為所成的像點在子午方向無偏離，在弧矢方向偏離-2.115mm。如圖3a至圖3c所示，在按照上述方式設(shè)計由成像物鏡6與感光元件7所組成的成像系統(tǒng)的MTF值后，不論被測物體在激光位移傳感器量程內(nèi)的什么位置，最終所呈現(xiàn)的光斑均為長條狀，且長條狀的光斑在子午方向(T)上被拉長，而在弧矢(S)方向上被壓縮。這樣，就能夠使得光斑與像元之間的接觸面積增大，使得光斑更加容易地被感光元件所接收，能夠更好地應(yīng)對使用中因為振動或機械變形等隨帶來的不良影響。同時，還能夠降低成像物鏡的設(shè)計難度，降低成本。不僅如此，由于光斑在弧矢方向上被壓縮，所以更加容易確定光斑在弧矢方向上的中心位置，有助于提高測量精度。另外，光斑在子午方向上的拉長，并不會影響測量精度。

在采用方式2的情況下，可以在成像物鏡前或成像物鏡6后加入能夠引入像散的光學(xué)元器件(如平板玻璃)，配合調(diào)整成像物鏡6與感光元件7之間的距離時，可以在微米量級進行調(diào)整。每次調(diào)整后，可以進行MTF解析，在判斷解析結(jié)果滿足上述條件時，停止調(diào)節(jié)。如果調(diào)整后發(fā)現(xiàn)解析結(jié)果不滿足上述條件，則繼續(xù)進行調(diào)整。

此外，在圖1所示的實施例中，反光元件8設(shè)置在接收物鏡6和感光元件7之間，從而可以提高所述激光位移傳感器的內(nèi)部空間利用率，減小其外形尺寸。在所述激光位移傳感器外形尺寸允許的情況下，反光元件8可省略。在測量光斑和成像物鏡6之間的帶通濾光片5被用來濾除或降低雜散光對測量系統(tǒng)的影響。

在圖1所示的實施例中，成像物鏡6包含以下兩種結(jié)構(gòu)形式：(形式一)成像物鏡6為物側(cè)面和像側(cè)面都為非球面的單一非球面鏡片，(形式二)成像物鏡6是由多個鏡片組合而成的透鏡組。

綜上所述，本發(fā)明在激光位移傳感器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，利用增加像散，在感光元件的感光單元沿著S方向排列的情況下，拉高成像物鏡S方向的MTF值同時降低T方向上的MTF值，使得線陣感光元件上的光斑呈現(xiàn)長條狀態(tài)，進而實現(xiàn)以下技術(shù)效果：

1、降低激光位移傳感器中成像物鏡的設(shè)計難度，同時降低了設(shè)備的成本；

2、與傳統(tǒng)激光位移傳感器相比，本發(fā)明所涉及的激光位移傳感器在光學(xué)系統(tǒng)中，S方向的成像質(zhì)量更高，進而從理論上可提高其測量精度；

3、通過增加像散使線陣感光元件上的光斑信號呈現(xiàn)長條狀態(tài)，增大光斑信號與像元之間的接觸面積，進而降低機械件變形對信噪比的影響。

在以上描述的實施例中，感光元件的感光單元沿著水平方向(將弧矢方向定義為水平方向)排列，將成像物鏡6和感光元件7所組成的成像系統(tǒng)在子午方向上的MTF值降低，而將弧矢方向上的MTF值拉高。在其他實施例中，感光元件的感光單元沿著豎直方向(將子午方向定義為豎直方向)排列，此時，可以將成像物鏡6和感光元件7所組成的成像系統(tǒng)在弧矢方向上的MTF值降低，而將子午方向上的MTF值拉高。這樣，同樣能夠達到上述類似的技術(shù)效果。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。