激光位移传感器的制作方法

本发明涉及光学测量领域，并且特别地，涉及一种激光位移传感器。

背景技术：

光学传感器是依据光学原理进行测量的仪器，这类传感器有许多优点，例如，能够实现非接触和非破坏性测量、测量几乎不受干扰、能够实现高速传输以及可遥测、遥控、可实时处理等优点。

光学传感器包括很多类型，其中，以激光三角法为基本原理的激光位移传感器是一种利用激光为光源、将CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)或者CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)传感器作为接收器的精密测量仪器。这种传感器能够在非接触的情况下精确测量被测物体的位置、位移等变化，并且能够被应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。

在以激光三角法为基本原理的激光位移传感器中，相对于成像物镜，物面和像面都成倾斜状态，即物面与像面都与成像物镜光轴成一定的夹角。在传统激光位移传感器中，光学系统设计都兼顾成像物镜子午方向(T方向)和弧矢方向(S方向)两个方向的成像质量。由于需要兼顾两个方向的成像质量，所以这种需求的存在会增加激光位移传感器的成像物镜设计难度，提高制造和维护成本。

不仅如此，随着激光位移传感器的使用，很可能会因为振动、机械变形等原因，使得激光器发出的光斑无法准确投射到传感器上，导致系统信噪比降低，影响测量的准确性，甚至可能出现完全无法进行测量的问题。

公开号为CN105138193A的中国发明专利申请公开一种用于光学触摸屏的摄像模组及其镜头，具体而言，该专利申请采用拉高成像物镜T方向的MTF值、压低S方向的调质传递函数(MTF)值，来提高光学触摸屏装置的灵敏性能。因此，该专利对于如何提高光学触摸屏的灵敏性能，提出了解决方案。但是，激光位移传感器不同于光学触摸屏，随着激光位移传感器的使用，很可能会因为振动、机械变形等原因，使得激光器发出的光斑无法正确投向传感器，进而导致无法进行准确检测、甚至完全无法进行测量的问题。而对于激光位移传感器所面临的设计难度高、易受振动和机械变形影响的问题，上述专利无能为力。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的问题，本发明提出一种激光位移传感器，能够在不影响测量精度的情况下，降低成像物镜的设计难度，同时让测量系统能够更有效地应对振动、机械变形等不良影响。

根据本发明，提供了一种激光位移传感器。

根据本发明的激光位移传感器包括激光器、成像物镜以及感光元件，激光器用于射出激光束，由成像物镜接收并出射的光入射到感光元件。其中，在对成像物镜和感光元件进行调制传递函数MTF解析时，解析结果满足以下条件：

在感光元件的多个感光单元的主要排列方向为弧矢方向的情况下，MTFS＞MTFT；

在感光元件的多个感光单元的主要排列方向为子午方向的情况下，MTFT＞MTFS；

其中，MTFS为弧矢方向上的MTF值，MTFT为子午方向上的MTF值。

进一步地，在进行解析时，空间频率为62.5lp/mm，如果多个感光单元的主要排列方向为弧矢方向，则MTFS＞MTFT×10；如果多个感光单元的主要排列方向为子午方向，则MTFT＞MTFS×10。

可选地，空间频率为62.5lp/mm，如果多个感光单元的主要排列方向为弧矢方向，则MTFS≥0.5，MTFT＜0.05；如果多个感光单元的主要排列方向为子午方向，则MTFT≥0.5，MTFS＜0.05。

此外，在感光元件的多个感光单元的主要排列方向为子弧矢向的情况下，成像物镜本身的MTFS＞MTFT、或者在感光元件的多个感光单元的主要排列方向为子午方向的情况下，成像物镜本身的MTFT＞MTFS，使得解析结果满足条件；和/或在成像物镜前和/或在成像物镜后加入能够引入像散的光学元器件，并且配合微调所述成像物镜与所述感光元件之间的相对距离使得解析结果满足条件。

此外，根据本发明的激光位移传感器可以进一步包括：

反光元件，反光元件设置在成像物镜的出射光路上，成像物镜的出射光经反光元件反射后，入射到感光元件。

此外，根据本发明的激光位移传感器可以进一步包括：

带通滤光片，设置于成像物镜的入射光路上。

此外，根据本发明的激光位移传感器可以进一步包括：

聚焦透镜，设置于激光器的出射光路上。

可选地，上述感光元件为线阵感光元件，线阵感光元件的多个感光单元沿直线排列，该直线的延伸方向为多个感光单元的主要排列方向。上述也可以是感光元件为面阵感光元件，面阵感光元件包括以矩形排列的多个感光单元，面阵感光元件的长边延伸方向为多个感光单元的主要排列方向。

此外，上述成像物镜可以为单一镜片，且成像物镜的物侧面和像侧面皆为非球面；或者，成像物镜为多个透镜组成的透镜组。

本发明通能够实现以下有益效果：

(1)本发明提出的激光位移传感器的成像物镜和感光元件的调制传递函数(MTF)解析结果满足MTFS＞MTFT或MTFT＞MTFS，能够利用像散，让呈现在感光元件上的光斑在水平方向(即，弧矢方向，S方向)变窄，而在竖直方向(即，子午方向，T方向)变长(或者让光斑在水平方向(即，弧矢方向，S方向)变宽，而在竖直方向(即，子午方向，T方向)变窄)，有助于更加容易地确定光斑在水平方向上的中心位置，从而提高测量的准确度；由于激光位移传感器中感光元件的多个感光单元的阵列排布形状为矩形或线形，将矩形长边或直线的延伸方向上的MTF降低，也不会影响测量精度；不仅如此，由于在MTF值被拉高的方向上光斑变窄，而在MTF值被降低的方向上光斑变宽，所以光斑与像元之间的接触面积增大，使得光斑更加容易地被感光元件所接收，能够更好地应对使用中因为振动或机械变形等随带来的不良影响；此外，由于本发明提出的激光位移传感器所采用的成像物镜无需兼顾水平方向和竖直方向的MTF值，所以能够降低物镜的设计难度，节省制造和维护成本；

(2)通过将空间频率为62.5lp/mm时的MTF解析结果保持在MTFS＞MTFT×10或MTFT＞MTFS×10，尤其是让解析结果满足：MTFS≥0.5且MTFT＜0.05、或者MTFT≥0.5且MTFS＜0.05，能够让光斑在感光元件的感光单元的主要排列方向上的延伸更加明显，进一步降低成像物镜的设计难度、以及制造和维护成本；

(3)对于弧矢方向和子午方向MTF值差距不大的成像物镜，通过在成像物镜前和/或在成像物镜后加入能够引入像散的光学元器件(如平板玻璃等)，配合微调成像物镜与所述感光元件之间的相对距离来使得成像物镜和感光元件所组成整体的MTF值满足上述要求，能够很容易地让光斑被拉长，更加容易被感光元件所接收；

(4)通过将反光元件设置在成像物镜与感光元件之间，能够减小激光位移传感器的设备体积，便于激光位移传感器的使用和安装；

(5)通过采用线阵感光元件，能够降低激光位移传感器的成本；另外，由于线阵感光元件的多个感光单元沿着直线排列，所以在该直线的延伸方向上的MTF值拉高而将与该直线垂直方向上的MTF值降低，并不会影响测量精度，还能够让光斑更加容易地被线阵感光元件所接收；

(6)通过采用带通滤光片，能够滤除或降低杂散光，避免激光位移传感器收到干扰，保证测量的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是根据本发明实施例的激光位移传感器的结构简图；

图2是根据本发明实施例的激光位移传感器中成像系统的MTF值曲线图；

图3a至图3c是根据本发明实施例的激光位移传感器在不同量程位置处测量被测物体时所呈现的光斑形状。

具体实施方式

此说明性实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。

根据本发明的实施例，提供了一种激光位移传感器。

如图1所示，根据本发明实施例的激光位移传感器主要包括激光器(例如，可以是激光二极管)1、聚焦透镜2、窗口玻璃3、带通滤光片5、成像物镜(也可称为接收物镜)6、感光元件7以及反光元件8。其中，该激光位移传感器用于对被测物体4进行测量。

在图1所示的结构中，省略了激光位移传感器的外壳。实际上，上述窗口玻璃3可以设置在激光位移传感器的外壳上，供激光器所发出的光通过。

激光位移传感器的工作过程如下：由激光二极管1发射的激光束通过聚焦透镜2聚焦、窗口玻璃3滤光后，照射在被测物体4的表面形成一个测量光斑，激光束可以垂直入射到被测物体4表面(即垂直入射)，也可与被测物体4表面成一定的角度(即斜入射)。该测量光斑由成像物镜6成像，并在感光元件7形成测量信号。

成像物镜6和感光元件7组成的成像系统经调制传递函数进行解析后会得到解析结果MTFS和MTFT，其中MTFS为弧矢方向上的MTF值，MTFT是子午方向上的MTF值。

在一个实施例中，如果感光元件的多个感光单元为沿着S方向(弧矢方向，可以将弧矢向定义为水平方向)排列，则在光学系统设计时，可以利用成像物镜6的像散拉高S方向(弧矢方向，可以将弧矢方向定义为水平方向)的MTF值，降低T方向MTF值。通过将成像系统的MTFS和MTFT设计为满足MTFS＞MTFT，能够让呈现的光斑在子午方向上被拉长，在弧矢方向上被缩短。

在一个实施例中，上述感光元件7可以为线阵CCD感光芯片，或者也可以是线阵CMOS感光芯片。在线阵CCD感光芯片或线阵CMOS感光芯片中，包括线形排列的多个感光单元，通常为直线排列，该直线的延伸方向为感光单元的主要排列方向，这些感光单元沿着水平方向(弧矢方向)排列。由于感光单元为直线状排列，因此，长条形光斑可增加与像元之间的接触面积，可降低机械器件形变对所述激光位移传感器信噪比的影响。

在其他实施例中，上述感光元件7可以是面阵CCD感光芯片或面阵CMOS感光芯片。面阵CCD感光芯片或面阵CMOS感光芯片包括排列为矩形的多个感光单元，矩形的长边沿着水平方向(弧矢方向)延伸，短边沿着竖直方向(子午方向)延伸，其长边的延伸方向即为感光单元的主要排列方向。这样，长条形光斑同样更加容易地被面阵CCD感光芯片或CMOS感光芯片接收到。

值得一提的是，针对成像物镜6和感光元件7所组成的成像系统，拉高S方向的MTF值，降低T方向MTF值的实现方式可以包含以下两种：(方式1)成像物镜6自身的S方向MTF值高，而T方向的MTF值低；(方式2)在成像物镜6的T和S方向的MTF值接近时，在成像物镜前或后加入能够引入像散的光学元器件(例如，可以是平板玻璃等)，配合微调成像物镜6与感光元件7之间的相对距离即像距，以达到S方向MTF值高，而T方向的MTF值低的效果。

如图2所示，在一个实施例中，激光位移传感器通过调整成像物镜6与感光元件7之间的距离，在空间频率为62.5lp/mm处，MTFS大于10倍的MTFT，其中，MTFS为量程内被测点在S方向的MTF值，MTFT为量程内被测点在T方向的MTF值，曲线1为物点在子午方向和弧矢方向上都没有偏离的MTFT值，曲线2为物点在子午方向和弧矢方向上都没有偏移的MTFS值；曲线3为物点在弧矢方向偏离-2.1mm、在子午方向无偏离的MTFT值；曲线4为物点在弧矢方向偏离-2.1mm、在子午方向无偏离的MTFS值；曲线5为物点在弧矢方向偏离2.1mm、在子午方向无偏离的MTFT值；曲线6为物点在弧矢方向偏离2.1mm、在子午方向无偏离的MTFS值(其中，在弧矢方向内，向光轴以里偏离为正，向光轴以外偏离为负)。在一具体实施例中，在空间频率为62.5lp/mm处，量程内被测点的MTFS≥0.5，MTFT＜0.05。类似地，在采用上述方式1的情况下，同样可以保证成像物镜的MTFT和MTFS满足这些条件。

图3a至图3c示出了在弧矢(S)方向和(T)方向的MTF值被配置为满足上述要求的情况下，被感光元件接收到的光斑的形状。图3a是被测物体在激光位移传感器的最小量程处的情况下，感光元件接收到的光斑的形状，OBJ：-2.1000mm，0.0000mm为物点在子午方向无偏离，在弧矢方向偏离-2.1mm，IMA：1.627，0.000mm为所成的像点在子午方向无偏离，在弧矢方向偏离1.627mm。图3b是被测物体在激光位移传感器的中间量程处的情况下，感光元件接收到的光斑的形状，OBJ：0.0000，0.0000mm为物点在弧矢方向无偏离，在子午方向无偏离，IMA：-0.243，0.000mm为所成的像点在子午方向无偏离，在弧矢方向偏离-0.243mm。图3c是被测物体在激光位移传感器的最大量程处的情况下，感光元件接收到的光斑的形状，OBJ：2.1000，0.0000mm为物点在子午方向无偏离，在弧矢方向偏离2.1mm，IMA：-2.115，0.000mm为所成的像点在子午方向无偏离，在弧矢方向偏离-2.115mm。如图3a至图3c所示，在按照上述方式设计由成像物镜6与感光元件7所组成的成像系统的MTF值后，不论被测物体在激光位移传感器量程内的什么位置，最终所呈现的光斑均为长条状，且长条状的光斑在子午方向(T)上被拉长，而在弧矢(S)方向上被压缩。这样，就能够使得光斑与像元之间的接触面积增大，使得光斑更加容易地被感光元件所接收，能够更好地应对使用中因为振动或机械变形等随带来的不良影响。同时，还能够降低成像物镜的设计难度，降低成本。不仅如此，由于光斑在弧矢方向上被压缩，所以更加容易确定光斑在弧矢方向上的中心位置，有助于提高测量精度。另外，光斑在子午方向上的拉长，并不会影响测量精度。

在采用方式2的情况下，可以在成像物镜前或成像物镜6后加入能够引入像散的光学元器件(如平板玻璃)，配合调整成像物镜6与感光元件7之间的距离时，可以在微米量级进行调整。每次调整后，可以进行MTF解析，在判断解析结果满足上述条件时，停止调节。如果调整后发现解析结果不满足上述条件，则继续进行调整。

此外，在图1所示的实施例中，反光元件8设置在接收物镜6和感光元件7之间，从而可以提高所述激光位移传感器的内部空间利用率，减小其外形尺寸。在所述激光位移传感器外形尺寸允许的情况下，反光元件8可省略。在测量光斑和成像物镜6之间的带通滤光片5被用来滤除或降低杂散光对测量系统的影响。

在图1所示的实施例中，成像物镜6包含以下两种结构形式：(形式一)成像物镜6为物侧面和像侧面都为非球面的单一非球面镜片，(形式二)成像物镜6是由多个镜片组合而成的透镜组。

综上所述，本发明在激光位移传感器的光学系统设计时，利用增加像散，在感光元件的感光单元沿着S方向排列的情况下，拉高成像物镜S方向的MTF值同时降低T方向上的MTF值，使得线阵感光元件上的光斑呈现长条状态，进而实现以下技术效果：

1、降低激光位移传感器中成像物镜的设计难度，同时降低了设备的成本；

2、与传统激光位移传感器相比，本发明所涉及的激光位移传感器在光学系统中，S方向的成像质量更高，进而从理论上可提高其测量精度；

3、通过增加像散使线阵感光元件上的光斑信号呈现长条状态，增大光斑信号与像元之间的接触面积，进而降低机械件变形对信噪比的影响。

在以上描述的实施例中，感光元件的感光单元沿着水平方向(将弧矢方向定义为水平方向)排列，将成像物镜6和感光元件7所组成的成像系统在子午方向上的MTF值降低，而将弧矢方向上的MTF值拉高。在其他实施例中，感光元件的感光单元沿着竖直方向(将子午方向定义为竖直方向)排列，此时，可以将成像物镜6和感光元件7所组成的成像系统在弧矢方向上的MTF值降低，而将子午方向上的MTF值拉高。这样，同样能够达到上述类似的技术效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。