一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭，包括垂直腔面發射激光器(VCSEL)、驅動電路和信號處理電路，所述垂直腔面發射激光器(VCSEL)由準直透鏡、激光器和光電三極管構成，所述激光器通過所述驅動電路驅動產生激光束，所述準直透鏡將激光束匯聚于被測物體，被測物體反射回的激光束在激光器內發生自混合干涉形成自混合干涉信號，所述光電三極管將自混合干涉信號轉換為電流信號后傳送至信號處理電路。本實用新型光學測頭采用激光自混合干涉測量技術檢測被測物體到激光器出射端面的絕對距離，進而得到探測點在測量機坐標系中的坐標值，具有分辨率高、結構簡單緊湊、可用于厘米級的狹小空間、抗電磁干擾等優點。
【專利說明】
一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及傳感器技術領域，具體的說，是涉及一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭。
【背景技術】
[0002]我國中長期科學與技術發展規劃將“基礎件和通用部件設計制造”、“數字化和智能化設計制造”列為優先主題，將“先進制造技術”、“激光技術”列為前沿技術，“十二五”規劃也提出“發展先進裝備制造業”，“促進制造業變大變強”，坐標測量機作為先進制造的守護神，必然要在其中發揮無可替代的重要作用。
[0003]測頭是坐標測量機中拾取信號的傳感器件，直接影響測量機的精度、功能和測量效率。測量機中傳統的接觸測頭種類齊全、應用廣泛，但是其體積較大，測量效率較低，還與被測表面接觸，有摩擦、磨損和彈性變形。相比之下，光學測頭與被測物體沒有機械接觸，可以測量柔軟和易變形的物體，可以進行快速掃描測量，光斑能夠控制到很小，可以照射到傳統機械測頭無法伸入探測的狹窄部位。因此，光學測頭的研制成為了近年來坐標測量機發展中一個極為重要的方向。
[0004]目前國內應用在坐標測量機上的光學測頭主要包括激光三角法測頭、激光離焦測頭和視像測頭這幾類，且均需要從德國蔡司、英國雷尼紹、日本基恩士、美國普賽等公司進口，國內仍然沒有成熟的光學測頭產品。激光三角法測頭利用被測物體表面的散射光在CCD或PSD上的成像位置進行被測表面位置的探測，由于外部成像鏡以及光電探測器的存在而使測頭體積較大，不適于測量小型零件，同時其測量角度受到散射光方向的限制，不適于測量不規則表面，當零件表面粗糙度很小的時候，散射光相比于鏡面反射光會很微弱，測量信號會淹沒在噪聲之中，故該測頭也不適于測量光滑表面。激光離焦測頭通過兩個光電二極管的差分信號判斷被測表面與聚光物鏡焦平面的偏離，這種測頭測量分辨力很高，可達到亞微米級別，但需要聚光鏡和分光棱鏡等光學附件，體積較大，且其動態響應能力差，難以用于曲面的快速測量，且在快速測量時量程很小，僅有幾十微米。視像測頭通過一定方式的照明，將物體的幾何輪廓變為光學輪廓，再使用數字圖像處理方法實現測量，該測頭可以獲取整個視野內的測量信息，但影響因素較多，在獲取物體深度信息時需要圖像的離焦信息，即以鏡頭移動獲取到圖像的清晰度為評判標準，通過光柵尺讀出被測表面變化的距離，測量效率受到很大的影響。比如，測量汽車發動機中一個90mm的軸孔內徑，商業成品的光學測頭均無法達到這個尺寸要求。因此，探索一種適用于工業測量和制造領域的全新小型光學測頭勢在必行。
[0005]激光自混合干涉技術是近年來新興的一種精密光學非接觸測量技術，具有精度高、抗電磁干擾、對測量表面要求低、不依賴于激光器類型等優點，且其測量系統僅有一個干涉通道、易準直、結構簡單緊湊。當前，激光自混合干涉技術已經在位移、距離、速度等傳統幾何量測量領域有所應用，此外，在工業探傷、三維形貌測量、血液流速測量、耳蝸薄膜振動測量、人體胸膜振動測量等新興領域中的應用也日漸增多。激光自混合理論模型和測量技術經過多年發展，目前已經實現了納米級的位移測量精度和十微米級的距離測量精度。迄今為止，尚未見到將該技術用于坐標測量機光學測頭的相關報道。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型專利為了解決坐標測量機中接觸式測頭測量效率較低，而現有光學測頭結構復雜、體積龐大，難以適用于狹小空間測量的問題，提出了一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭。該光學測頭采用激光自混合干涉測量技術檢測被測物體到激光器出射端面的絕對距離，進而得到探測點在測量機坐標系中的坐標值，具有分辨率高、結構簡單緊湊、可用于厘米級的狹小空間、抗電磁干擾等優點。
[0007]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭，包括垂直腔面發射激光器(VCSEL)、驅動電路和信號處理電路，所述垂直腔面發射激光器(VCSEL)由準直透鏡、激光器和光電三極管構成，所述激光器通過所述驅動電路驅動產生激光束，所述準直透鏡將激光束匯聚于被測物體，被測物體反射回的激光束在激光器內發生自混合干涉形成自混合干涉信號，所述光電三極管將自混合干涉信號轉換為電流信號后傳送至信號處理電路。
[0009]所述驅動電路包括數字信號處理器、數模轉換器、電壓基準芯片、加法電路和電流栗，所述數字信號處理器存儲有重構的鋸齒波電流數據，數字信號處理器的輸出端與所述數模轉換器的輸入端相連，數模轉換器和電壓基準芯片的輸出端與加法電路的輸入端相連，加法電路的輸出端與電流栗的輸入端相連，電流栗與所述激光器相連。
[0010]所述電流栗上設置有限流保護電路。
[0011]所述信號處理電路由依次相連的電流電壓轉換電路、放大電路、低通濾波電路和模數轉換器構成。
[0012]與現有技術相比，本實用新型的技術方案所帶來的有益效果是:
[0013]1、本實用新型基于激光自混合干涉的光學測頭避免了接觸式測頭測量效率較低、難以應用于狹小空間的問題，具有分辨率高、結構簡單緊湊、可用于厘米級的狹小空間、抗電磁干擾等優點。
[0014]2、本實用新型所采用的的激光自混合干涉測量僅有一個干涉通道，易準直、結構簡單緊湊，可使光學測頭的尺寸進一步減小。
[0015]3、測頭采用垂直腔面發射激光器(VCSEL)作為光源，其前端帶有準直透鏡，且該垂直腔面發射激光器內部封裝有供光電檢測用的光電三極管，進一步減小了測頭體積。
[0016]4、本實用新型最終利用全相位時移相位差法校正激光自混合干涉信號的頻率，該方法可在不增加系統復雜度的前提下，提高自混合干涉信號頻率求解精度，無需同步采樣，抑制頻譜泄露能力強、算法簡單。
[0017]5、通過預先測量激光器波長(頻率)與注入電流的關系然后重新生成注入電流，可以使得激光頻率線性變化，自混合信號拍頻維持穩定。電流重構方法可以有效地降低激光自混合距離測量中的非線性誤差，改善距離測量分辨率。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型專利的結構原理圖。
[0019]圖2是本實用新型專利的驅動電路原理圖。
[0020]圖3是本實用新型專利的信號處理電路原理圖。
[0021 ]圖4是本實用新型專利的全相位時移相位差校正原理框圖。
[0022]圖5是本實用新型專利的注入電流重構原理框圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本實用新型作進一步的描述:
[0024]為描述簡便，下文中垂直腔面發射激光器均由VCSEL代替。
[0025]如圖1所示為本實用新型專利的結構原理圖，該小型光學測頭主要是由VCSEL1，驅動電路3和信號處理電路2組成，被測零件4用于標識被測反射體，并不屬于測頭的組成部分。其中VCSELl是由準直透鏡10，激光器11和光電三極管12組成，準直透鏡10用于將激光束匯聚于被測物體上，激光器11產生激光束，自混合干涉也發生于激光器11之中，光電三極管12將激光功率波動轉換為電流信號。VCSEL內部封裝了準直透鏡10和光電三極管12，進一步減小了測頭的體積。工作中僅將VCSEL伸入測量空間內，從圖1中標出的尺寸可見該測頭結構小巧，可用于狹小空間內的測量。
[0026]通過本實用新型測頭進行距離檢測的原理如下:
[0027]采用波長計測量得到VCSELl注入電流與激射波長(頻率)之間的關系，使激光頻率線性變化，反求出對應電流值從而得到重構的注入電流;驅動電路3采用重構鋸齒波電流驅動VCSELl內的激光器11，激光器11射出的激光通過準直透鏡10聚焦到被測物體表面上產生反射或散射，部分攜帶距離信息的外部光反饋回激光器11的腔內同腔內光發生自混合干涉，引起激光腔出射光功率變化;光電三極管12探測到自混合干涉信號并將其轉換為電信號，該電信號經過信號處理電路2的處理，然后采用全相位時移動相位差法提取自混合干涉信號的頻率，進而得到高精度的距離測量數據。
[0028]圖2表示本實用新型驅動電路原理圖。該部分電路主要是由數字信號處理器30，數模轉換器31，電壓基準芯片32，加法電路33，電流栗34和限流保護電路35組成。數字信號處理器30中存儲了重構的鋸齒波電流數據，通過數模轉換器31生成重構的鋸齒波電壓信號，電壓基準芯片32提供穩定直流電壓，加法電路33將基準電壓和重構的鋸齒波電壓信號相加，通過電流栗34后為VCSELl提供偏置于一定電流值之上的電流調制，限流保護電路35保護VCSELl的工作電流低于最大允許電流值。
[0029]圖3表示本實用新型信號處理電路原理圖。該部分電路主要是由電流電壓轉換電路20，放大電路21，低通濾波電路22和模數轉換器23組成。電流電壓轉換電路20將光電三極管12得到的電流信號轉換為電壓信號，放大電路21實施對電壓信號的放大，低通濾波電路22對放大后的電壓信號濾除高頻噪聲，同時起到數據采集前抗混疊濾波的作用，模數轉換器23將濾波后的自混合信號采集到數字信號處理器30中進行后續分析計算。
[0030]圖4表示本實用新型的全相位時移相位差校正原理框圖。這部分算法在數字信號處理器30中實現。首先取出一個電流調制周期內的自混合信號，去除電流的幅值調制影響，選取適當的N值使得一個調制周期內自混合信號點數為3N-1;然后將這部分數據分為前后兩個2N-1點的數據段，分別用全相位FFT求取中間點的相位值，k*表示頻譜峰值所在的位置;接著用圖4所示的頻偏校正公式得到頻偏量Ak，最后用頻率估計公式得到精確的自混合信號頻率值，FS表示采樣頻率，所得頻率值與待測距離具有正比關系。
[0031]圖5表示本實用新型的注入電流重構原理框圖。首先通過波長計或光譜儀測量VCSEL波長與注入電流之間的關系，注入電流在VCSEL允許電流范圍內均勻取值;然后通過光頻率與波長的關系可以計算得到光頻率與注入電流的關系，使用數據擬合方法可以得到光頻率與注入電流所滿足的方程式;接著根據選定的鋸齒波電流峰峰值和偏置電流值確定VCSEL工作中注入電流的范圍及對應的光頻率范圍，在光頻率范圍內線性等間隔取值，代入光頻與電流方程式，反求出重構之后的電流波形數據;最后將電流波形數據存入數字信號處理器30中以供生成重構電流。
【主權項】
1.一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭，其特征在于，包括垂直腔面發射激光器(VCSEL)、驅動電路和信號處理電路，所述垂直腔面發射激光器(VCSEL)由準直透鏡、激光器和光電三極管構成，所述激光器通過所述驅動電路驅動產生激光束，所述準直透鏡將激光束匯聚于被測物體，被測物體反射回的激光束在激光器內發生自混合干涉形成自混合干涉信號，所述光電三極管將自混合干涉信號轉換為電流信號后傳送至信號處理電路。2.根據權利要求1所述的一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭，其特征在于，所述驅動電路包括數字信號處理器、數模轉換器、電壓基準芯片、加法電路和電流栗，所述數字信號處理器存儲有重構的鋸齒波電流數據，數字信號處理器的輸出端與所述數模轉換器的輸入端相連，數模轉換器和電壓基準芯片的輸出端與加法電路的輸入端相連，加法電路的輸出端與電流栗的輸入端相連，電流栗與所述激光器相連。3.根據權利要求2所述的一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭，其特征在于，所述電流栗上設置有限流保護電路。4.根據權利要求1所述的一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭，其特征在于，所述信號處理電路由依次相連的電流電壓轉換電路、放大電路、低通濾波電路和模數轉換器構成。5.根據權利要求1所述的一種基于激光自混合干涉的小型光學測頭，其特征在于，所述垂直腔面發射激光器(VCSEL)的直徑為6_，長為8_。
【文檔編號】G01B11/00GK205505978SQ201620271138
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】吳騰飛, 李醒飛, 寇科, 王錯, 李立
【申請人】天津大學