【技术文章】集成快速转向镜的激光三角位移传感器
未来的生产模式，需要快速和高分辨率的三维在线测量系统。目前最先进的三维测量系统是机械扫描系统，如坐标测量机。这些系统通过外部致动器操纵样品或传感器（例如触觉探针或光学点传感器）的位置，但是其可实现扫描速度受到大运动质量的限制。如果需要更高的吞吐量，通常采用基于摄像机的系统，例如基于结构光的系统，但是这些系统的最大可实现分辨率约为10µm。
激光三角测量传感器具有高达1m的测量范围和高达30nm的分辨率，因此是质量控制任务中最常用的光学传感器之一。光学扫描点传感器（例如激光三角测量传感器）可以在较高的精度下实现更高的测量效率。
Schlarp J介绍了两种光学扫描系统，它们仅通过快速转向镜（FSM）操纵线传感器的光路。由于与外部机械扫描系统相比，集成紧凑型光学扫描系统的移动质量可以明显更小，因此可以实现更高的扫描速度，而不会影响测量系统的横向分辨率。Schlarp J介绍的第一个系统设计操纵传感器的两条光路（见图1a），不影响传感器的基本测量几何结构，并保持Scheimpflug状态。在第二系统设计中，仅扫描传感器的照明路径（参见图1b），从而可以使用具有更小孔径尺寸的FSM，从而实现更高的扫描速度。此外，FSM通常可以定位在更靠近传感器的位置，使得与操纵两条光路的系统设计相比，能够实现更大的横向扫描范围。但是，系统设计违反了Scheimpflug条件，因此引入了额外的测量误差。
图1.控制激光传感器光路的系统设计。（a，b）显示先前Schlarp J报告的设计，（c）描述了满足Scheimpflug条件的设计，而（d）显示了通过静态反射镜折叠（c）光路的设计。
来自维也纳理工大学的Johannes Schlarp等人设计了一个集成光学扫描传感器系统，该系统在保持Scheimpflug条件的情况下仅控制传感器的照明路径，能够实现高扫描速度在线测量。
如前所述，Schlarp J提出了扫描照明路径系统（SIS）。该系统设计示意图如图1b所示，由激光线传感器、静态反射镜和FSM组成。静态反射镜用于将传感器内激光模块产生的光束重定向到FSM孔径中心。选择FSM的方向，使激光束在中间测量范围内与传感器的主要未修改照明路径相交（见图1b），从而使产生的横向扫描区域最大化。
图2. 两种系统设计在测量范围开始、中间和结束时的模拟横向扫描区域。SIS的扫描区域中心随距离变化。
对于传感器和样品之间的不同距离，SIS的计算横向扫描面积如图2a所示。可以观察到，不仅可实现的横向扫描区域的大小随距离而变化，而且中心也发生变化，因此测量范围开始处的横向扫描区域无法在整个测量范围内捕获。此外，激光三角测量传感器内成像系统的视野通常受到限制，传感器无法在测量范围的开始和结束处捕获完整的横向扫描区域。
为了在测量范围的起点和终点观察相同的扫描区域，入射激光束需要平行于物体平面。如果激光束与目标平面一致，则可观察的横向扫描区域最大化，因为成像系统的视野设计用于捕获目标平面。样品上的散射激光点必须尖锐地投影到探测器上，以精确确定传感器和样品之间的距离。对于点或线三角测量传感器，这可以通过根据Scheimpflug条件对齐对象、镜头和图像平面来实现。然而，对于三维测量系统，在扫描运动过程中，物体平面的位置和方向会发生变化，因此很难满足Scheimpflug条件。通过将FSM的镜面放置在透镜和图像平面的交线上，可以在每个测量点满足条件，因为物体平面围绕交线旋转。该扫描照明路径系统保持Scheimpflug状态（SISMSC）的示意图设置如图1c所示。图2b描述了SISMSC的计算横向扫描区域。可以观察到，扫描区域仅向更大的距离扩展，从而可以在整个测量范围内捕获测量范围开始处的扫描区域。
图3.具有特征尺寸的扫描三角测量系统的示意图设置。激光光斑在样品上的位置可由FSM控制。通过静态反射镜，FSM被光学定位在交叉线上。
设计人员选择了测量范围为25 mm、分辨率为10µm的激光线传感器（型号：LLT 2810-25，Micro Epsilon GmbH，德国）作为扫描系统的样机。仅使用传感器的透镜组、探测器和评估单元。样品表面由激光束照亮，激光束由点激光模块产生。为了改变样品上激光光斑的位置，通过FSM操纵激光束的方向。对于使用过的激光线传感器，交叉线过于靠近评估装置的电路板，因此FSM表面无法直接定位在实际交叉线上。如图1d所示，通过在FSM和样品之间插入额外的静态反射镜，静态反射镜和激光源之间的光路可以围绕静态反射镜的表面折叠，使得FSM被光学地放置在交叉线上。如图3所示，FSM和静态反射镜之间的距离必须等于静态反射镜和交叉线之间的距离。该距离与FSM的角度范围一起决定了静态反射镜所需的孔径大小。
为了操纵照明路径，使用了一种新型的高性能紧凑型FSM。系统尺寸小至ø32 x 30 mm。FSM和静态反射镜的方向为45°，以实现系统部件的良好对齐。紧凑型FSM的外径为32 mm，因此d的距离选择为20 mm。在该距离处，孔径大小为12.7 mm的静态反射镜足以在整个扫描范围内将激光束重定向至样品。图4为系统实物图。
图4. 光学扫描系统的实验装置和低分辨率光栅扫描轨迹的长时间曝光图像。
光栅轨迹应用于各种应用，如扫描电子显微镜、原子力显微镜和成像系统。光栅轨迹是通过向一个系统轴应用慢速三角形信号和向另一个轴应用快速三角形信号来生成的。得到的扫描轨迹具有均匀的扫描速度和角度分辨率。
图5.光栅轨迹。（a）具有相同空间分辨率的双轴扫描轨迹。横向扫描范围取决于传感器和样品之间的距离。（b）描述两个系统轴的参考信号，其中包含快速和慢速信号分量。
为了评估扫描系统的性能，测量图6所示乐高砖上的空心圆柱状特征。为了验证设计的光学扫描系统的测量结果，使用机械扫描三角测量传感器系统获取参考测量值，如图6b所示。该系统由两个位置控制线性平台和一个激光三角测量传感器组成。图6c描述了光学扫描的测量表面轮廓，其具有与图6a中所示样品相似的形状。在x=5 mm和y=0 mm时，表面轮廓中可能会获得不正确的值，这是由圆柱体边缘的多次反射引起的。图6d示出了机械扫描的测量结果。由于不同的传感器几何结构（较小的反射角）和照明路径的恒定入射角，使用机械扫描三角测量传感器系统可以更精确地检测边缘。
图6. 测量结果。（a）显示示例和选定的感兴趣区域。（b）描述了机械扫描三角测量传感器系统。（c）和（d）显示了光学和机械扫描三角测量传感器系统的测量表面轮廓。在（c）中，样品下方的表面略微弯曲（红色圆圈），这是由三角测量传感器内透镜的固定焦距引起的。
为了验证光学扫描系统可实现的系统性能，选择测量计算空心圆柱的高度。要计算此高度，仅应使用特征顶部的点进行计算。通过应用高度阈值（最大值的80%），可以从使用的数据集中删除特征下方平面上的点。多次反射引起的伪影会强烈影响计算高度。因此，需要预先大致确定特征的高度，这是通过计算数据集的中值来实现的。中值几乎不受人工制品的影响，因此与平均值计算相比，该计算方法更稳健。最后，对于中值±1%范围内的数据点，计算平均值和标准偏差。对于机械扫描三角测量传感器系统，高度确定为4.493mm，标准偏差为23.9µm。该高度由光学扫描系统确定为4.44 mm，标准偏差为24.5µm，与机械扫描结果一致。使用机械扫描三角测量传感器系统捕获单个点需要0.4 s，因此生成100 x100像素图像的测量时间为67 min。使用相同分辨率扫描样品只需要10 s光学扫描，这样，与机械扫描三角测量传感器系统相比，总测量时间可减少400倍。总之，成功验证了集成光学扫描三角测量传感器系统的设计，与机械扫描三角测量传感器系统相比，能够以400倍的扫描速度获得可比的测量结果。
论文标题：Design and evaluation of an integrated scanninglaser triangulation sensor