一種基于邊界微分和環(huán)境光自校準(zhǔn)的激光測徑儀的制作方法
【專利摘要】一種基于邊界微分和環(huán)境光自校準(zhǔn)的激光測徑儀，是一種利用邊界微分算法來解決邊界信號(hào)的采集，采用環(huán)境光自校準(zhǔn)算法來解決橢圓高斯光束的像散與表面衍射問題，采用限光孔來約束掃描轉(zhuǎn)鏡的抖動(dòng)誤差的激光掃描測徑儀。本發(fā)明在一般光學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件下就能搭建，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測徑測厚，具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)成本低，測量精度高等特點(diǎn)。
【專利說明】一種基于邊界微分和環(huán)境光自校準(zhǔn)的激光測徑儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量固件直徑或厚度的儀器，特別是一種用于高精度測量固件直徑的儀器，屬于光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)械、電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對工件參數(shù)的精度要求也越來越高，傳統(tǒng)物理方法最大的缺陷在于必須接觸工件才能測得工件的尺寸。激光掃描測徑儀是一種基于光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代激光、計(jì)算機(jī)、精密機(jī)械等多學(xué)科技術(shù)于一體的檢測系統(tǒng)，它是用可見激光作為光源，把被測對象的幾何尺寸經(jīng)過掃描光學(xué)系統(tǒng)和光電變換系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，給出測量結(jié)果。可以方便實(shí)現(xiàn)在線檢測工件的尺寸，具有高速度、高精度、非接觸測量等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。一般的激光掃描測徑儀可以精確到
0.0lmm0但是對于一些精密儀器，尤其是一些光學(xué)器件、醫(yī)用儀器、軍工設(shè)備，其精度要求往往在微米數(shù)量級(jí)以內(nèi)。要把精確度再提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，靠普通激光掃描難以實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)激光掃描測徑精度提不上去的原因主要有三個(gè):
[0003](I)掃描光束是像散橢圓高斯光束，因此進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的時(shí)候勢必會(huì)帶入非準(zhǔn)直誤差，邊界檢測誤差會(huì)放大。
[0004](2)步進(jìn)電機(jī)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致掃描轉(zhuǎn)鏡局部轉(zhuǎn)速非勻速，影響光電檢測的時(shí)間。
[0005](3)半導(dǎo)體激光器波長一般在500-700nm，掃描光斑半徑較大，分辨率較低，待測工件表面較易出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用邊界微分算法來解決邊界信號(hào)的采集，采用環(huán)境光自校準(zhǔn)算法來解決橢圓高斯光束的像散與表面衍射問題，采用限光孔來約束掃描轉(zhuǎn)鏡的抖動(dòng)誤差。本發(fā)明利用普通光學(xué)透鏡就能實(shí)現(xiàn)高精度測徑，具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)成本低，測量精度高等特點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0008]本發(fā)明包括激光器、反射鏡、掃描轉(zhuǎn)鏡、準(zhǔn)直透鏡、限光孔、光學(xué)透鏡、校準(zhǔn)工件和光電檢測部件。
[0009]所述的激光器是一種電激勵(lì)式的半導(dǎo)體激光器，供電電壓為3-5V直流電,輸出功率為3-5mW，發(fā)散角小于2mrad，激光器的出射激光平行于水平面向左。
[0010]所述的反射鏡為光學(xué)反射鏡，其表面涂有全反射膜，共有兩個(gè)，其中一個(gè)與入射激光的夾角為60°，另一個(gè)垂直水平線，置于第一個(gè)反射鏡的右側(cè)。
[0011]所述的掃描轉(zhuǎn)鏡是一種機(jī)械特性和光學(xué)特性較好的八面鍍?nèi)瓷淠さ拟敽辖疝D(zhuǎn)鏡，其各面的分度誤差以及各面對轉(zhuǎn)軸的傾斜公差在2"以內(nèi)，各面對中心軸的偏離為
0.003mm，平面度在λ/10以下。其中心轉(zhuǎn)軸點(diǎn)在準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上。[0012]所述的準(zhǔn)直透鏡是一種f Θ透鏡，即滿足像高等于焦距與發(fā)散角的乘積，其垂直放置于掃描轉(zhuǎn)鏡的右側(cè)，兩者重心之間的距離為準(zhǔn)直透鏡的焦距。
[0013]所述的限光孔是一種光傳播通道，可以把掃描光通量控制在特定的范圍內(nèi)，其最大高度略小于準(zhǔn)直透鏡的高度，最小高度大于待測工件的直徑或厚度。
[0014]所述的光學(xué)透鏡是一種光學(xué)特性較好的正透鏡，其光軸與準(zhǔn)直透鏡的光軸在同一直線上。
[0015]所述的校準(zhǔn)的工件是一直徑或厚度已知的標(biāo)準(zhǔn)工件。
[0016]所述的光電檢測部件是一種由光電二極管的組成的邊界信號(hào)檢測電路以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，光電二極管接收端在光學(xué)透鏡的光軸上，兩者之間的距離為焦距。
[0017]本發(fā)明中通過激光掃描測量工件厚度或直徑，這是成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于提供一種利用邊界微分算法和工件的掃描光自校準(zhǔn)來消除光的像散、邊界的衍射問題以及用限光孔來約束掃描轉(zhuǎn)鏡的抖動(dòng)誤差。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)采用邊界微分算法，對信號(hào)的處理更為科學(xué)，采集的信號(hào)更靈敏、有效；測量結(jié)果比普通激光掃描測徑更為準(zhǔn)確剔除了掃描轉(zhuǎn)鏡局部轉(zhuǎn)速非勻速問題，把抖動(dòng)誤差穩(wěn)定在一個(gè)更小的范圍內(nèi)；
[0020](2)采用工件的掃描光自適應(yīng)算法，剔除了由于光的邊界衍射以及光束像散問題；
[0021](3)利用共軛的限光孔有效的約束了掃描轉(zhuǎn)鏡的抖動(dòng)誤差，大大降低了工件測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差；
[0022](4)設(shè)備對光學(xué)器件要求不高，成本不高，一般實(shí)驗(yàn)室條件下就能搭建；
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明的邊界采集信號(hào)和掃描光自校準(zhǔn)原理圖。
[0025]圖3為本發(fā)明邊界微分信號(hào)檢測電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0027]如圖1所示，一種用于在線測量工件的直徑或厚度的激光掃描測徑包括激光器1、反射鏡2、掃描轉(zhuǎn)鏡3、準(zhǔn)直透鏡4、限光孔5、校準(zhǔn)工件6、待測工件7、光學(xué)透鏡8、光電檢測部件9、數(shù)據(jù)處理單元10。圖中實(shí)線為具體光路、點(diǎn)劃線為主光軸、虛線為對齊線，箭頭為流程。
[0028]激光器水平向左出射入射可見激光，經(jīng)過反射鏡將激光反射至掃描轉(zhuǎn)鏡鏡面上，掃描轉(zhuǎn)鏡通過步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于掃描轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)軸在準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)上，因此通過準(zhǔn)直透鏡的光速為平行光，這里通過限光孔可以控制激光的光通量。通過的激光如果沒有照到工件可以被光學(xué)透鏡出射至焦點(diǎn)處，進(jìn)而被光電二極管采集出信號(hào)，而照到工件的激光束由于被工件反射或吸收，光電二極管無法采集出光信號(hào)，數(shù)據(jù)處理單元對光電二極管返回的信號(hào)輸出矩形波信號(hào)，根據(jù)矩形波信號(hào)的高低電平情況可以計(jì)算出工件的直徑或厚度。掃描速度V具體計(jì)算公式為:
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種基于邊界微分和掃描光自校準(zhǔn)的激光測徑儀的設(shè)計(jì)包括激光器、反射鏡、掃描轉(zhuǎn)鏡、準(zhǔn)直透鏡、限光孔、光學(xué)透鏡、校準(zhǔn)工件和光電檢測部件，其特征在于:激光器是一種電激勵(lì)式的半導(dǎo)體激光器，供電電壓為3-5V直流電,輸出功率為3-5mW,發(fā)散角小于2mrad,激光器的出射激光平行于水平面向左，反射鏡為光學(xué)反射鏡，表面涂有全反射膜，共有兩個(gè)，其中一個(gè)與入射激光的夾角為60°，另一個(gè)垂直水平線，置于第一個(gè)反射鏡的右側(cè)；掃描轉(zhuǎn)鏡是一種機(jī)械特性和光學(xué)特性較好的八面鍍?nèi)瓷淠さ拟敽辖疝D(zhuǎn)鏡，其各面的分度誤差以及各面對轉(zhuǎn)軸的傾斜公差在2"以內(nèi)，各面對中心軸的偏離為0.003mm，平面度在入/10以下，其中心轉(zhuǎn)軸點(diǎn)在準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)上；準(zhǔn)直透鏡是一種f Θ透鏡，即滿足像高等于焦距與發(fā)散角的乘積，其垂直放置于掃描轉(zhuǎn)鏡的右側(cè)，兩者重心之間的距離為準(zhǔn)直透鏡的焦距；限光孔是一種光傳播通道，其最大高度略小于準(zhǔn)直透鏡的高度，最小高度大于待測工件的直徑或厚度；光學(xué)透鏡是一種光學(xué)特性較好的正透鏡，其光軸與準(zhǔn)直透鏡的光軸在同一直線上；校準(zhǔn)的工件是一直徑或厚度已知的標(biāo)準(zhǔn)工件；光電檢測部件是一種由光電二極管的組成的邊界信號(hào)檢測電路以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，光電二極管接收端在光學(xué)透鏡的光軸上，兩者之間的距離為焦距。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于邊界微分和掃描光自校準(zhǔn)的激光測徑儀，其特征在于:所述的校準(zhǔn)的工件是一種利用邊界衍射效應(yīng)等效來進(jìn)行環(huán)境光自校準(zhǔn)的工件。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于邊界微分和掃描光自校準(zhǔn)的激光測徑儀，其特征在于:所述的光電檢測部件是一種利用邊界微分檢測的信號(hào)采集系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK103542813SQ201310284850
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月5日
【發(fā)明者】陳亮, 吳軍法, 蘇玲愛, 何莎捷, 嚴(yán)敏玲, 劉晨, 徐強(qiáng), 毛世挺, 金尚忠, 張淑琴 申請人:中國計(jì)量學(xué)院