[发明专利]一种集成衍射光栅式高稳定性激光位移传感器

说明书

本发明公开了一种集成衍射光栅式高稳定性激光位移传感器，包括传感器本体，所述传感器本体内含有激光二极管的准直模块、衍射光栅、光阑、滤光片、成像透镜和CMOS线性图像传感器。该激光位移传感器的激光二极管准直模块发出准直光束，光束经过被测物表面漫反射，通过光阑和成像透镜之后，经过特制的透射式衍射光栅将光斑分束成多个衍射光斑，分别利用各个衍射光斑反求被测物的位移，通过将解算的多个位移数据进行平均或取中位值处理，即可获得被测物的实际位移。此发明与传统激光三角测距传感器相比，在测量一次位移的情况下，利用多个衍射光斑的信息解算被测物位移，减小了噪声等环境因素的影响，从而有效提高测量数据的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种位移测量仪器，特别涉及一种集成衍射光栅式高稳定性激光位移传感器。

背景技术

激光三角测距方法是光电检测方法的一种，该方法结构简单、测量精度高、实时处理能力强、灵活方便、不受被测物体表面的影响等优点，在距离、位移、表面形状和三维形貌检测中使用广泛。

激光三角测距仪一般由激光二极管、激光束准直透镜、成像透镜和图像探测器组成，其特点是激光光束光路、透镜成像光路和图像探测器之间有一定的夹角，使得所成的像一直清晰地汇聚在图像传感器上。当物体的位置发生改变，相应地，在图像传感器上所成的像的位置也同时发生一定的改变，通过像位移和物位移的关系，计算出真实物体的位移量。

近年来，随着科技的不断发展，在工业领域对测量的精度和范围有了更高的要求，尤其是在微纳检测领域，其器件尺度极小，对尺寸的精度要求更加严格，对激光三角测距系统的信号稳定要求越来越高，而传统的激光三角测距系统仅仅能从硬件和软件方面进行提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种集成衍射光栅式高稳定性激光位移传感器，利用衍射光栅将探测到的光斑像点衍射，同时利用多个像点的位移求出物体位移，减小了噪声等环境因素的影响，从而有效提高测量数据的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种集成衍射光栅式激光位移传感器，包括传感器本体10，所述传感器本体10内设有激光二极管1和准直透镜2、光阑3、滤光片6、成像透镜7、衍射光栅8和CMOS线性图像传感器9，其特征在于，所述激光二极管1经过准直透镜2发射准直激光束4，该激光束经过光阑3之后，投射于传感器本体外的样品5表面，样品5表面产生的漫反射光经过滤光片6和成像透镜7，再经衍射光栅8衍射成多个衍射光斑，投射在CMOS线性图像传感器9上。

所述衍射光栅8为透射式光栅，拥有4μm的周期，厚度为0.5mm，其光栅槽型为矩形或三角形或正弦形，槽深在400-430nm范围内，占空比为1:1。

所述衍射光栅8将成像光斑衍射成多个(大于等于3个)。

所述衍射光栅8分束形成的衍射光斑中，-1级光斑11、0级光斑12和+1级光斑13的衍射效率相同。

所述衍射光栅8安装位置应当远离透镜，安装方向与接收透镜平行，例如衍射光栅8与接收透镜距离可以为25mm。

在所用激光光源的波长为650nm的红光条件下，所述衍射光栅8光栅槽型的槽深控制在400-430nm的范围内，以使得衍射出的±1级光斑和0级光斑的衍射效率最高，光强占比均在28％-29％范围内。

本发明还可包括孔径光阑，所述孔径光阑与滤光片6一体成型，或者单独设置于滤光片6与成像透镜7之间，配合滤光片6，用于滤除杂散光，并减小慧差。

所述CMOS线性图像传感器9接收到多个衍射光斑之后，利用激光三角法，分别利用各个衍射光栅信息解算被测物位移，将利用各个光斑求解的位移数据进行平均或取中位值，最终得到被测物的实际位移。在测量一次位移的情况下，利用多个衍射光斑的信息解算被测物位移，减小了噪声等环境因素的影响，从而有效提高测量数据的稳定性。