一種精密輪廓掃描測量系統的製作方法

2023-10-17 01:27:34 2

本發明涉及雷射應用及精密測量技術領域，尤其涉及一種基於雷射的MEMS掃描振鏡和位置檢測器的輪廓掃描測量系統，可以實現精密輪廓掃描測量的功能。

背景技術：

雷射由於具有單色性好、方向性強、亮度高等特點已廣泛應用於社會生活的各個方面，而輪廓掃描測量技術更是雷射應用技術領域的一個重要方面。

位置檢測器是一種光能/位置轉換器，將位置信息轉換成電學量輸出，具備精度高，響應速度快，解析度高和價格低的特點。

MEMS振鏡是一種基於MEMS技術製作而成的微小可驅動反射鏡。與傳統的光學掃描鏡相比，具有重量輕、體積小、易於大批量生產，生產成本低的優點。在光學、機械性能和功耗方面表現突出，因此MEMS振鏡在掃描顯影領域得到應用。

傳統的輪廓大都採用觸針式輪廓測量儀完成，其工作原理要求觸針必須與被測對象發生接觸，因此會劃傷被測對象表面，而且無法完成對柔性對象的測量。同時，其還存在維護費用高，校準困難等缺點。

近年來，隨著科技的進步，雷射測距技術也逐漸成熟，並且也逐漸應用到輪廓的測量中。目前，已知的輪廓掃描測量系統由雷射器、光學系統、光電元件、計算電路及旋轉機構組成。雷射器發射結構光照射到被測物體上，在被測物體表面形成線性結構光。反射光經光學系統處理後在光電元件上形成反應被測對象輪廓的信息。同時伺服機構帶動上述各部分運動，便可實現輪廓測量的功能。一般上述實現輪廓測量功能的系統中的旋轉機構為電機，這就導致無法進一步小型化。同時，由於電機控制本身存在的高速轉動工作條件下轉速的控制問題無法實現高速測距；再則，實現基本功能需要系統提供結構光，並使反射光被光電元件接收到，功耗大不利於便攜。

技術實現要素：

為了克服現有輪廓測量系統不能小型化，精度較差、無法高速測量掃描測量的不足，本發明設計了一種輪廓掃描測量系統，該系統基於MEMS掃描振鏡和位置檢測系統，不僅能夠實現掃描測量，同時還可以實時計算距離並輸出的功能，而且有利於實現測距系統的小型化。該裝置包括：

中央處理單元，用於協調各單元工作；

雷射發射單元，用於發射雷射光束，並照射到MEMS掃描振鏡上；

掃描單元，用於將雷射發射單元發射的雷射束反射出去形成扇形掃描面；

光學單元，用於將從障礙物反射回來的光進行整形匯聚，並濾除環境光等光噪聲；

接收單元，用於接收被測物反射回來的雷射，並將光斑的位置信息輸出。

伺服單元，用於移動以上各單元，使完成輪廓掃描測量目的。

所述的中央處理單元包括：中央處理器及周邊電路，負責實時控制雷射發射單元、掃描單元及接收單元的工作，並實時計算測量數據、輸出距離信息。

所述的雷射發射單元包括：雷射管和準直部件，雷射管發射的雷射經準直部件後形成準直性較好的雷射光束，照射到MEMS掃描振鏡上。

所述的掃描單元包括：MEMS掃描振鏡及驅動電路，MEMS掃描振鏡在驅動電路的作用下繞旋轉軸做往復運動，將照射到其上的雷射光束反射出去形成扇形區域，同時將轉動的角度信息輸出給中央處理單元。

所述的光學單元包括：透鏡和濾光片，被測物對照射到其上的雷射光束做漫反射，透鏡負責收集漫反射光線，並在接收單元表面聚焦成光斑。濾光片負責濾除除照射雷射以外的環境光噪聲。

所述的接收單元包括：位置檢測器及周邊電路，位置檢測器在周邊電路的作用下將光信號轉換成電信號，並輸出被測對象表面輪廓信息給中央處理單元。

所述的雷射發射單元發射的光束光軸與MEMS掃描振鏡的中心重合。

所述的光學單元與接收單元的光軸重合。

所述的光束、光學單元與接收單元在同一光學平面內。

所述的中央處理單元、雷射發射單元、掃描單元、光學單元、接收單元封裝在固定結構體內。

所述的伺服單元拖動各單元組成的結構體。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：中央處理單元控制雷射器發射雷射光束，光束照射到MEMS掃描振鏡上，MEMS掃描振鏡在中央處理單元的控制下做掃描動作，被MEMS掃描振鏡反射的雷射光束路徑形成張角與MEMS振鏡機械角相關的扇形區域，某一時刻，雷射束照射到被測物體上，反射光束經光學系統聚焦後在位置檢測器表面形成光斑，中央處理單元根據光斑在的位置便可實時計算當前被測物體的距離，MEMS掃描振鏡的掃描動作可以保證實現扇形區域內的光束平片與被測對象平面相交線的輪廓信息，而伺服單元拖動前述的結構體運動可實現精密輪廓掃描測量的功能。

本發明的優點是，可以實現小型化，高速，低功耗的在線精密輪廓掃描測量功能。適用於對安裝尺寸及高速輪廓測量或實時性有較高要求的應用場景。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的裝置系統構成圖。

圖2是本發明的距離計算原理圖。

圖3是本發明的實體構造圖。

圖中，1.雷射器，2.MEMS振鏡，3.位置檢測器，4.透鏡，5.被測對象，6.濾光片，7.雷射準直、調整部件。

具體實施方式

在圖1中，輪廓裝置由中央處理單元、雷射發射單元、掃描單元、接收單元、光學單元和伺服單元構成，中央單元控制雷射發射單元的雷射光束髮射、掃描單元的掃描頻率及幅值，同時，掃描單元將MEMS掃描振鏡的實時角度反饋給中央處理單元，接收單元接收經光學單元整形後的雷射光束，並將光斑位置輸出，MEMS振鏡動作獲取掃描路徑內的各點距離信息，伺服單元拖動以上各單元獲取被測對象輪廓信息。

在圖2中，振鏡（2）中心與透鏡（4）中心之間的距離為h，基準（振鏡中心與透鏡中心的連線）與參考（由裝置結構尺寸確定）間的距離為L，透鏡（4）與位置檢測器(3)之間的距離為l´。某一時刻，雷射器（1）發出的光束照射到MEMS振鏡（2）上，MEMS振鏡（2）反射的雷射光束與基準（振鏡中心與透鏡中心的連線）間的夾角為α，雷射束照射到被測物後發射的光經透鏡（4）和濾光片（6）作用後，在位置檢測器(3)上形成的光斑距離原點的距離為d，則根據三角形原理及正弦定理可以計算被測物體距基準的距離為：

在圖3中，裝置機構圖，雷射器（1）放射雷射經準直部件（7）準直形成光束，照射在MEMS掃描振鏡（2）上，準直部件（7）安放在雷射器（1）與MEMS掃描振鏡（2）中間，雷射光束光軸與MEMS掃描振鏡（2）中心共線。光束被MEMS掃描振鏡（2）反射照射到被測物上，漫反射光依次經過透鏡（4）、濾光片（6）在位置檢測器形成光斑，根據此光斑的位置計算被測物（5）的距離，濾光片（6）安放在透鏡（4）與濾光片（6）中間。其中，MEMS掃描振鏡（2）中心、透鏡（4）光軸、濾光片（6）光軸、位置檢測器工作區域四者在同一光學平面內。