位移测量探头、测量装置及位移测量方法制造方法及图纸

本申请提供了一种位移测量探头、测量装置及位移测量方法。位移测量探头包括：光束输出组件，用于输出准直的第一高斯光束；光束转换组件，用于将准直的第一高斯光束转换为第一贝塞尔光束并出射至待测物面；成像组件，成像组件包括成像透镜及线阵图像传感器，成像透镜的光轴与第一贝塞尔光束成第一角度，成像透镜用于对第一贝塞尔光束照射在待测物面所形成的亮斑成像，线阵图像传感器与光轴成第二角度设置，用于接收成像透镜对亮斑所成的亮斑图像，亮斑图像用于计算待测物面相对基准面的位移。本申请提供的位移测量探头能以高横向分辨率对具有精细台阶式轮廓的物面进行高纵向分辨率位移测量的同时，增大测量量程。增大测量量程。增大测量量程。

【技术实现步骤摘要】
位移测量探头、测量装置及位移测量方法


[0001]本申请涉及测量距离领域，具体涉及一种位移测量探头、测量装置及位移测量方法。

技术介绍

[0002]激光位移计广泛用于微位移测量、外观轮廓测量等在线光学检测。激光位移计中激光发射系统所发出的光束多为聚焦的高斯光束，投射到待测物面上的光斑的尺寸影响在线阵图像传感器上的像点位置的提取精度。由于高斯光束投射在待测物面上的光斑随着到高斯光束的束腰的距离越远，尺寸越大，从而会影响线阵图像传感器上的像点位置的提取精度。因此，为了保证线阵图像传感器上的像点位置的提取精度，激光位移计的测量量程较小。

技术实现思路

[0003]第一方面，本申请实施方式提供了一种位移测量探头，所述位移测量探头包括：光束输出组件，所述光束输出组件用于输出准直的第一高斯光束；光束转换组件，所述光束转换组件与所述光束输出组件间隔设置，用于将所述准直的第一高斯光束转换为第一贝塞尔光束并出射至待测物面，所述光束转换组件包括第一凸锥透镜，所述第一凸锥透镜用于将高斯光束转换为贝塞尔光束；以及成像组件，所述成像组件包括成像透镜及线阵图像传感器，所述成像透镜的光轴与所述第一贝塞尔光束成第一角度，用于对所述第一贝塞尔光束照射在所述待测物面所形成的亮斑成像，所述线阵图像传感器与所述成像透镜间隔设置，且与所述光轴成第二角度设置，用于接收所述成像透镜对所述亮斑所成的亮斑图像，所述亮斑图像用于计算待测物面的位移；其中，所述光轴穿过所述第一贝塞尔光束的无衍射区段的中部位置及所述线阵图像传感器，在所述第一贝塞尔光束与所述光轴确定的平面内，所述成像透镜的径向方向的延长线、所述线阵图像传感器的径向方向的延长线与所述第一贝塞尔光束的延长线交于一点。
[0004]其中，从所述第一凸锥透镜发出的光束具有无衍射区段，且所述无衍射区段的长度与所述准直的第一高斯光束的束腰半径成正比，与所述第一凸锥透镜的底角角度成反比。
[0005]其中，所述光束输出组件包括：激光器，所述激光器用于输出第二高斯光束；以及准直镜，所述准直镜与所述激光器间隔设置，用于将所述第二高斯光束转换为所述准直的第一高斯光束。
[0006]其中，所述光束输出组件包括：激光器，所述激光器用于输出第二高斯光束；
聚焦透镜，所述聚焦透镜与所述激光器间隔设置，用于将所述第二高斯光束聚焦成会聚的第三高斯光束；光阑，所述光阑的开口设于所述聚焦透镜的焦平面处，用于透过会聚的所述第三高斯光束形成发散的第四高斯光束；以及准直镜，所述准直镜与所述光阑间隔设置，所述准直镜的前焦点设于所述光阑的开口处，用于将发散的所述第四高斯光束转换为所述准直的第一高斯光束。
[0007]其中，所述光束转换组件还包括：凹锥透镜，所述凹锥透镜相对于所述第一凸锥透镜靠近所述光束输出组件设置，用于将所述准直的第一高斯光束转换为发散的环形空心光束；以及第二凸锥透镜，所述第二凸锥透镜设于所述凹锥透镜与所述第一凸锥透镜之间，所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构与所述凹锥透镜的凹陷锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构的底角与所述凹锥透镜的凹陷锥面结构的底角相等，所述第二凸锥透镜用于将所述发散的环形空心光束转换为准直的环形空心光束并出射至所述第一凸锥透镜。
[0008]其中，所述光束转换组件还包括：第三凸锥透镜，所述第三凸锥透镜相对于所述第一凸锥透镜靠近所述光束输出组件设置，用于将所述准直的第一高斯光束转换为发散的环形空心光束；以及第二凸锥透镜，所述第二凸锥透镜设于所述第三凸锥透镜与所述第一凸锥透镜之间，所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构与所述第三凸锥透镜的凸出锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构的底角与所述第三凸锥透镜的凸出锥面结构的底角相等，所述第二凸锥透镜用于将所述发散的环形空心光束转换为准直的环形空心光束并出射至所述第一凸锥透镜。
[0009]其中，在所述第一贝塞尔光束与所述光轴确定的平面内，所述第二凸锥透镜与所述第一凸锥透镜相对固定，且所述第二凸锥透镜与所述第一凸锥透镜可在所述第一凸锥透镜与所述第二凸锥透镜的连线方向上移动，所述成像透镜可在所述成像透镜的径向方向移动，所述线阵图像传感器可在所述线阵图像传感器的径向方向移动。
[0010]第二方面，本申请实施方式还提供了一种测量装置，所述测量装置包括：如第一方面所述的位移测量探头，所述位移测量探头用于输出第一贝塞尔光束，并用于对所述第一贝塞尔光束照射在待测物面形成的亮斑成像；以及数据处理机，所述数据处理机电连接所述线阵图像传感器，用于接收所述亮斑在所述线阵图像传感器所成的亮斑图像的数据，并根据所述亮斑图像数据计算所述待测物面的位移，所述数据处理机还电连接所述光束输出组件，用于控制所述光束输出组件输出功率随着物面反射率而变化的第一高斯光束。
[0011]第三方面，本申请实施方式还提供了一种位移测量方法，所述位移测量方法包括：投射具有无衍射特征的细长针状的第一贝塞尔光束在待测物面上，形成横截面直径非常小的亮斑；获取所述亮斑在线阵图像传感器上所成的亮斑图像；采用图像处理方法，提取所述亮斑图像中心在线阵图像传感器上的精密位置信息；
以及根据所述亮斑图像的位置信息，采用三角测距原理计算所述待测物面的位移。
[0012]其中，所述“采用图像处理方法，提取所述亮斑图像中心在线阵图像传感器上的精密位置信息”包括：根据所述亮斑图像识别中央亮峰和两侧多个次亮峰；以及对所述中央亮峰和两侧多个次亮峰光强分布进行拟合计算，得出所述亮斑图像中央亮峰的超分辨率点位信息。
[0013]本申请提供了一种位移测量探头，所述位移测量探头包括光束输出组件、光束转换组件及成像组件，所述光束转换组件中的第一凸锥透镜将所述准直的第一高斯光束转换为所述第一贝塞尔光束，使得光束能够在更长的传播距离里保持数微米的横向尺寸不变，从而使得所述位移测量探头进行位移测量时，提高了横向分辨率和纵向测量分辨率，且提高了测量量程。因此，本申请提供的位移测量探头能够以高横向分辨率对具有精细台阶式轮廓的物面进行高纵向分辨率位移测量的同时，增大测量量程。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本申请一实施方式提供的位移测量探头的结构示意图；图2为图1实施方式提供的位移测量探头中第一凸锥透镜将高斯光束转换为贝塞尔光束的示意图；图3为图1实施方式提供的位移测量探头中一实施方式提供的光束输出组件的结构示意图；图4为图1实施方式提供的位移测量探头中另一实施方式提供的光束输出组件的结构示意图；图5为图4实施方式提供的位移测量探头中一实施方式中光束转换组件的结构示意图；图6为图4实施方式提供的位移测量探头中另一实施方式中光束转换组件的结构示意图；图7为图5实施方式提供的位移测量探头的结构示意图；图8为本申请一实施方式提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种位移测量探头，其特征在于，所述位移测量探头包括：光束输出组件，所述光束输出组件用于输出准直的第一高斯光束；光束转换组件，所述光束转换组件与所述光束输出组件间隔设置，用于将所述准直的第一高斯光束转换为第一贝塞尔光束并出射至待测物面，所述光束转换组件包括第一凸锥透镜，所述第一凸锥透镜用于将高斯光束转换为贝塞尔光束；以及成像组件，所述成像组件包括成像透镜及线阵图像传感器，所述成像透镜的光轴与所述第一贝塞尔光束成第一角度，所述成像透镜用于对所述第一贝塞尔光束照射在所述待测物面所形成的亮斑成像，所述线阵图像传感器与所述成像透镜间隔设置，且与所述光轴成第二角度设置，用于接收所述成像透镜对所述亮斑所成的亮斑图像，所述亮斑图像用于计算待测物面相对于基准面的位移；其中，所述光轴穿过所述第一贝塞尔光束的无衍射区段的中部位置及所述线阵图像传感器，在所述第一贝塞尔光束与所述光轴确定的平面内，所述成像透镜的径向方向的延长线、所述线阵图像传感器的径向方向的延长线与所述第一贝塞尔光束的延长线交于一点。2.如权利要求1所述的位移测量探头，其特征在于，从所述第一凸锥透镜发出的光束具有无衍射区段，且所述无衍射区段的长度与所述准直的第一高斯光束的束腰半径成正比，与所述第一凸锥透镜的底角角度成反比。3.如权利要求1所述的位移测量探头，其特征在于，所述光束输出组件包括：激光器，所述激光器用于输出第二高斯光束；以及准直镜，所述准直镜与所述激光器间隔设置，用于将所述第二高斯光束转换为所述准直的第一高斯光束。4.如权利要求1所述的位移测量探头，其特征在于，所述光束输出组件包括：激光器，所述激光器用于输出第二高斯光束；聚焦透镜，所述聚焦透镜与所述激光器间隔设置，用于将所述第二高斯光束聚焦成会聚的第三高斯光束；光阑，所述光阑的开口设于所述聚焦透镜的焦平面处，用于透过会聚的所述第三高斯光束形成发散的第四高斯光束；以及准直镜，所述准直镜与所述光阑间隔设置，所述准直镜的前焦点设于所述光阑的开口处，用于将发散的所述第四高斯光束转换为所述准直的第一高斯光束。5.如权利要求1所述的位移测量探头，其特征在于，所述光束转换组件还包括：凹锥透镜，所述凹锥透镜相对于所述第一凸锥透镜靠近所述光束输出组件设置，用于将所述准直的第一高斯光束转换为发散的环形空心光束；以及第二凸锥透镜，所述第二凸锥透镜设于所述凹锥透镜与所述第一凸锥透镜之间，所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构与所述凹锥透镜的凹陷锥面结构相对设置，且所述第二凸锥透镜的凸出锥面结构的底角与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王三宏，金少峰，杨灏，
申请(专利权)人：深圳市深视智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：