专利名称：基于椭圆柱内反射镜的位移检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电检测领域，使用光学成像原理来检测待测物体相对位移的非接触 的位移检测装置。
背景技术：
光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以光信号为载体，以光电器件为 基础，通过对载有被测物体几何量或物理量的光信号进行检测、分析，而得到被测物体的几 何参数，即通过光电检测器件接收光信号并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电 路提取有用信息，再经A/D变换接口输入计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测 物体的几何量或物理量等参数。本发明涉及光学、激光技术、精密机械、电子学、光电传感技 术和计算机技术等多学科技术领域，是光、机、电、算一体化检测仪器和设备，具有高速度、 高精度、非接触、便于数字化、便于计算机实时数据处理和控制、抗干扰能力强、可实现在线 检测等特点，可满足现代工业生产发展的需要，其应用领域几乎可以覆盖所有制造业，应用 前景十分广阔，对提高产品质量、提高生产效率、降低劳动强度、提高经济效益具有重要意 义。随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的 要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测的方向发展。目前国内外对基于光电检测技 术的非接触位移检测技术进行了大量研究。中国科学技术大学提出了基于CCD的光纤式 位移检测技术，检测系统的发射部分安装在待测的运动件上，检测系统采用面阵CCD摄像 机获取被测光纤端部出射光斑图像的灰度分布，由灰度加权平均法提取光斑的特征点，通 过检测特征点的位移获得光纤的位移，从而得到被测件的位移，系统的稳定性为1. 5 μ m，系 统达到亚像元级的分辨率(参见“基于CXD的光纤式位移检测技术”，李为民，俞巧云，胡红 专等。中国科学技术大学学报，第33卷，第1期，2003)。还有南京航空航天大学航空宇航 学院也提出了一种利用光反射原理测量小位移的新方法，利用玻璃球镜面(镜面镀有增强 光反射涂层)光反射原理，当光沿着水平方向照射到球形玻璃面上时，入射光会反射回来，
此时，当玻璃球进行上下垂直运动(移动量程〈二球半径)时，会引起入射光入射角发生改
变，其反射光反射方向随之发生改变，这样便可以利用入射光与反射光之间距离的差值来 进行小位移量测量，测量精度较高，实现容易，成本较低(参见“一种利用光反射原理测量 小位移的新方法”，陈仁文，孙亚飞，陈勇；光谱学与光谱分析，第24卷，第1期，2004)。上述二份文献中，前者要把发射器安装到待测物体上，后者要把玻璃球固定到待 测物体上，这样的测量方式对于很多情况是不适用的。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于椭圆柱内反射镜的非接触位移检测装置，该装 置操作简单，检测精度高。
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本发明提供的一种基于椭圆柱内反射镜的位移检测装置，其特征在于，该装置包 括点光源激光器、凸透镜、椭圆柱内反射镜和线阵感光元件；凸透镜只留有光心透光区和环形透光区，其余部分涂有不透光膜；椭圆柱内反射镜的外表面镀金属反射膜，其形状为部分截除的椭圆柱体，截面S 过椭圆柱内反射镜的第二焦线，该截面平行于椭圆柱内反射镜的短轴B，在椭圆柱内反射 镜的第一焦线处开有直径为0. 2mm 0. 5mm的通孔，通孔内涂有光致发光物质或漫反射材 料；线阵感光元件粘结在截面S上，且线阵感光元件的感光面贴近椭圆柱内反射镜， 且与截面S及第一焦线平行，并使线阵感光元件的两外表面P、Q与椭圆柱内反射镜的两焦 线所在平面对称，使线阵感光元件上的感光元素充分接受反射光；椭圆柱内反射镜与激光器位于凸透镜的同一侧，点光源激光器放在凸透镜的光轴 上，使其发出的光平行于凸透镜的光轴，椭圆柱内反射镜的第一焦线上涂有光致发光物质 或漫反射材料，且第一焦线与凸透镜的主光轴重合；激光器位于凸透镜与椭圆柱内反射镜之间，点光源激光器前端面与凸透镜的距 离S应根据点光源激光器的工作距离Stl和待测物体与凸透镜的平均距离:T确定，它们满足 s = -厂的关系；设f为凸透镜的焦距，1为待测物体与凸透镜光心的距离，f和1满足f彡1彡2f ；汇聚点是指点光源激光器发射的光线，透过凸透镜的光心透光区，经待测物体漫 反射后，透过环形透光区在凸透镜的光轴上的汇聚点。设Γ为汇聚点在凸透镜的光轴上的 移动范围，线阵感光元件的长度至少应大于光轴上光线汇聚点的最大移动范围2 3mm，椭 圆柱内反射镜的长度等于线阵感光元件的长度，并根据Γ的范围来确定椭圆柱内反射镜 的前端面与凸透镜光心的距离 ， 比1' min小1 2mm，其中1' min为汇聚点在凸透镜的 光轴上的移动范围中的最小值；点光源激光器的形状为圆柱形，其直径为d，点光源激光器的后端面与凸透镜光 心的距离为a1;凸透镜的光心透光区大小为直径为1. 5mm 2. 5mm，环形透光区的宽度为
, dV
1. 5mm 2. 5mm,凸透镜的环形透光区的内环直径(I1满足如下关系A ^7, mm，根据凸透
厂一
镜的环形透光区的宽度确定凸透镜的环形透光区的外环直径d2 ；凸透镜的外径(13比环形透 光区的外环直径d2大4 5mm ；椭圆柱内反射镜短轴B的长度2b与长轴A的长度2a的比例！在#之间，椭圆
α 3 3
dAV -αΛ
柱内反射镜长轴A的长度2a应满足 > 2V J "+c，1' max为汇聚点在凸透镜的光轴
max
上的移动范围中的最大值，2c为椭圆柱内反射镜两焦线的距离。本发明利用点光源激光器、凸透镜、椭圆柱内反射镜、光致发光物质(或漫反射材 料)和线阵感光元件组成非接触式位移检测装置，椭圆柱内反射镜具有两条平行的焦线， 在本发明中椭圆的第一焦线与凸透镜的主光轴重合，第二焦线与线阵感光元件重合。本位 移检测装置对待测物体的位移有放大作用，对待测物体的位移检测精度高，而且利用物体 表面对光线的漫反射进行检测，不需接触到待测物体，可用于运动范围小，要求检测精度高的场合。总之，本发明装置可对待检测物体的相对位移进行非接触测量，测量精度高，结构 简单，操作方便。
图1是本发明装置的光路图；图2是本发明装置的凸透镜外形图，(2a)为主视图，(2b)为左视图；图3是本发明装置的椭圆柱内反射镜、光致发光物质(或漫反射材料)与线阵 CCD(或线阵DSP)结构图，(3a)为椭圆柱内反射镜的截面图，(3b)为椭圆柱内反射镜的的 立体图，(3c)为椭圆柱内反射镜的制作过程。图4是本发明装置的椭圆柱内反射镜光路图；图5是本发明装置的线阵感光元件上光强分布图。
具体实施例方式在实际测量中，利用点光源激光器发出来的光透过凸透镜光心透光区，投射到待 测物体表面上形成小光斑并产生漫反射，漫反射后的一部分光透过凸透镜的环形透光区并 在凸透镜另一侧的光轴(即椭圆柱的第一焦线)上汇聚于一点，这时汇聚点处的光致发光 物质(或漫反射材料)发出(反射)的光，通过椭圆柱内反射镜使光线汇聚于置有线阵感光 元件的第二焦线上，通过检测线阵感光元件上光信号最强点的位置的变化，即可确定待测 物体的位移甚至绝对位置。设f为凸透镜的焦距，1为待测物体与凸透镜光心的距离，Γ为
光线在凸透镜的光轴上的汇聚点与凸透镜光心的距离，根据几何光学成像公式丨+f,
有北=-TT^dl，当f < K 2f时，本位移检测装置对待测物体的位移的放大倍数为 J)
Z2 Q-if由于待测物体与凸透镜另一侧的光汇聚点的位移是非线性的关系，所以凸透镜另 一侧的光汇聚点的位移不与待测物体的位移成正比，随着待测物体的移动放大的倍数也不 一样，且本方法忽略了光线射入椭圆柱时发生的折射等其他由于原理和仪器的制造精度所
造成的误差，所以本发明装置的检测结果不能完全根据公式+ =丨+ f来计算得到，而应在
使用前对仪器进行标定，以提高仪器的检测精度。下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发 明的保护范围并不受这些实施例的限制。如图1所示，本发明的位移检测装置包括点光源激光器1、凸透镜2、椭圆柱内反射 镜3、光致发光物质(或漫反射材料)13和线阵感光元件14。如图2所示，凸透镜2只留有光心透光区6和距离光心一定距离的环形透光区7， 其余部分涂上不透光膜15。凸透镜2的光心透光区6大小为直径为1. 5mm 2. 5mm,环形 透光区7的宽度为1. 5mm 2. 5mm。如图3所示，椭圆柱内反射镜3为光学玻璃制成，其外表面镀金属反射膜(如银)16，其形状为部分截除的椭圆柱体(图3b)，所述截面S过椭圆柱内反射镜3的第二焦 线12，该截面平行于椭圆柱内反射镜3的短轴B，在椭圆柱内反射镜3的第一焦线11处开 有直径为0. 2mm 0. 5mm的通孔，通孔内涂有光致发光物质(或漫反射材料)13。将线阵感光元件14粘结在截面S上，且线阵感光元件14的感光面贴近椭圆柱内 反射镜3，且与截面S及第一焦线11平行，并使线阵感光元件的两外表面P、Q与椭圆柱内 反射镜的两焦线11、12所在平面对称，使线阵感光元件14上的感光元素充分接受反射光。 线阵感光元件14为线阵CCD或线阵DSP。图1表达了位移检测装置各部件的装配关系，椭圆柱内反射镜3与点光源激光器 1位于凸透镜2的同一侧，点光源激光器1放在凸透镜2的主光轴上，使其发出的光平行于 凸透镜2的主光轴，并尽量使凸透镜的中心透光区6的每一区域都有激光通过。椭圆柱内 反射镜3的上第一焦线11上涂有光致发光物质(或漫反射材料)，且第一焦线11应与凸透 镜2的主光轴重合。点光源激光器1位于凸透镜2与椭圆柱内反射镜3之间，点光源激光器1前端面5 与凸透镜2的距离s应根据点光源激光器1的工作距离sO和待测物体4与凸透镜的平均 距离:T确定，它们满足^ = ^0 - F的关系。 根据几何光学成像公式+ = Uyf^dV = --Z^dl，当f彡1彡2f时，位移的放
J11J ) 大倍数为77‘，可根据位移放大倍数的需求和待测物体4的运动范围(即1的范围)来 J)
确定凸透镜2的焦距。当检测距离在1. 2f < 1 < 1. 3f范围时，本测量装置对位移的放大 倍数可达11. 11 25倍，平均分辨率可达到0. 5 μ m。汇聚点10是指点光源激光器1发射的光线，透过凸透镜2的光心透光区6，经待测 物体4漫反射后，透过环形透光区7在凸透镜2的光轴上的汇聚点。确定好凸透镜2的焦距
f后，根据公式+ =丨+ f和待测物体4的移动范围1可确汇聚点10在凸透镜2的光轴上的
移动范围(即Γ的范围)，并根据汇聚点的移动范围来确定线阵感光元件14的参数(像 素数量η和像元尺寸等)，线阵感光元件14的长度至少应大于光轴上光线汇聚点10的最大 移动范围2 3mm，以保证进行位移检测时光线汇聚点10在线阵感光元件14上的投影点 19都能落在线阵感光元件14上，以满足测量的量程要求，根据线阵感光元件14的长度来确 定椭圆柱内反射镜3的长度，椭圆柱内反射镜3的长度等于线阵感光元件14的长度。并根 据Γ的范围来确定椭圆柱内反射镜3的前端面9与凸透镜2光心的距离a2，&2比1' min 小1 2mm(其中1 ‘ min为汇聚点10在凸透镜2的光轴上的移动范围中的最小值)。点光源激光器1外形为圆柱形，其直径为d，点光源激光器1的后端面20与凸透镜 2光心的距离为^，为了确保检测时待测物体4在移动过程中，光线8不被点光源激光器挡
, dV
住，则凸透镜2的环形透光区7的内环直径Cl1应满足如下关系A > TTi。根据凸透镜2
厂一
环形透光区7的宽度为1. 5mm 2. 5mm,可确定凸透镜2的环形透光区7的外环直径d2。凸 透镜的外径d3比环形透光区7的外环直径d2大4 5mm。为了尽量减少光线强度在椭圆柱内反射镜3内反射后的损失，即让线阵感光元件
权利要求
一种基于椭圆柱内反射镜的位移检测装置，其特征在于，该装置包括点光源激光器(1)、凸透镜(2)、椭圆柱内反射镜(3)和线阵感光元件(14)；凸透镜(2)只留有光心透光区(6)和环形透光区(7)，其余部分涂有不透光膜；椭圆柱内反射镜(3)的外表面镀金属反射膜，其形状为部分截除的椭圆柱体，截面S过椭圆柱内反射镜(3)的第二焦线(12)，该截面平行于椭圆柱内反射镜(3)的短轴B，在椭圆柱内反射镜(3)的第一焦线(11)处开有直径为0.2mm～0.5mm的通孔，通孔内涂有光致发光物质或漫反射材料；线阵感光元件(14)粘结在截面S上，且线阵感光元件(14)的感光面贴近椭圆柱内反射镜(3)，且与截面S及第一焦线(11)平行，并使线阵感光元件的两外表面P、Q与椭圆柱内反射镜的两焦线(11)、(12)所在平面对称，使线阵感光元件(14)上的感光元素充分接受反射光；椭圆柱内反射镜(3)与激光器(1)位于凸透镜(2)的同一侧，点光源激光器(1)放在凸透镜(2)的光轴上，使其发出的光平行于凸透镜(2)的光轴，椭圆柱内反射镜(3)的第一焦线(11)上涂有光致发光物质或漫反射材料，且第一焦线(11)与凸透镜(2)的主光轴重合；激光器(1)位于凸透镜(2)与椭圆柱内反射镜(3)之间，点光源激光器(1)前端面(5)与凸透镜(2)的距离s应根据点光源激光器(1)的工作距离s0和待测物体(4)与凸透镜的平均距离确定，它们满足的关系；设f为凸透镜的焦距，l为待测物体与凸透镜光心的距离，f和l满足f≤l≤2f；汇聚点(10)是指点光源激光器(1)发射的光线，透过凸透镜(2)的光心透光区(6)，经待测物体(4)漫反射后，透过环形透光区(7)在凸透镜(2)的光轴上的汇聚点。设l′为汇聚点(10)在凸透镜(2)的光轴上的移动范围，线阵感光元件(14)的长度至少应大于光轴上光线汇聚点(10)的最大移动范围2～3mm，椭圆柱内反射镜(3)的长度等于线阵感光元件(14)的长度，并根据l′的范围来确定椭圆柱内反射镜(3)的前端面与凸透镜(2)光心的距离a2，a2比l′min小1～2mm，其中l′min为汇聚点(10)在凸透镜(2)的光轴上的移动范围中的最小值；点光源激光器(1)的形状为圆柱形，其直径为d，点光源激光器(1)的后端面与凸透镜(2)光心的距离为a1，凸透镜(2)的光心透光区(6)大小为直径为1.5mm～2.5mm，环形透光区(7)的宽度为1.5mm～2.5mm，凸透镜(2)的环形透光区(7)的内环直径d1满足如下关系根据凸透镜的环形透光区(7)的宽度确定凸透镜(2)的环形透光区(7)的外环直径d2；凸透镜的外径d3比环形透光区(7)的外环直径d2大4～5mm；椭圆柱内反射镜(3)短轴B的长度2b与长轴A的长度2a的比例在之间，椭圆柱内反射镜(3)长轴A的长度2a应满足l′max为汇聚点(10)在凸透镜(2)的光轴上的移动范围中的最大值，2c为椭圆柱内反射镜(3)两焦线的距离。FDA0000026469600000011.tif,FDA0000026469600000012.tif,FDA0000026469600000021.tif,FDA0000026469600000022.tif,FDA0000026469600000023.tif,FDA0000026469600000024.tif
全文摘要
本发明公开了一种基于椭圆柱内反射镜的位移检测装置，该装置将凸透镜成像的原理进行巧妙地运用，通过光致发光物质(或漫反射材料)、椭圆柱内反射镜和线阵感光元件将光汇聚点的位置检测转化为线阵感光元件上感光最强点的检测，只需通过计算机便可检测出来。装置包括点光源激光器、凸透镜、椭圆柱内反射镜和线阵感光元件。点光源激光器与椭圆柱内反射镜放置于凸透镜的同一侧；光致发光物质(或漫反射材料)涂在椭圆柱内反射镜的一条焦线上，此焦线与凸透镜的光轴重合；椭圆柱内反射镜的另一焦线放置线阵感光元件，以检测被测表面的位移。该装置结构简单，使用方便，测量精度高。
文档编号G01B11/02GK101963492SQ20101028403
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者唐小琦, 李佳佳, 王平江, 陈吉红, 黄雅婷 申请人:华中科技大学;武汉华中数控股份有限公司