激光位移传感器 技术指南 革命性的测量精度和稳定性 L K- G50 0 0 系列技术指南 激光位移传感器基本原理 1 三角测量法基本原理 在参考距离上测量 在较短的距离上测量 受光元件 受光元件 半导体激光 发射器镜头 在较长的距离上测量 受光元件 半导体激光 发射器镜头 接收器镜头 半导体激光 发射器镜头 接收器镜头 受光元件 接收器镜头 受光元件 受光元件 如上图所示，半导体激光发出的光束照射在目标上。 接收器镜头聚集目标反射的光线并在受光元件上聚焦。 当与目标的距离产生变化时，穿过接收器镜头的反射光的角度也会随之变化，光线在受光元件上的另一位置聚焦。 2 测量精度影响 以下两种因素对使用三角测量法的激光传感器的测量精度具有较大的影响： 光学设计 接收光亮度和波形的稳定性 本节说明了这些因素如何影响测量精度。 2-1 光学设计（接收器镜头像差） 在参考距离上测量 在较短的距离上测量 受光元件 接收光波形 受光元件 在较长的距离上测量 接收光波形 受光元件 接收光波形 在使用单个接收器镜头时，如果测量距离大于或小于参考距离，受光元件上形成的光点直径会因为镜头像差而变大。当受光元件上 的光点直径变大时， “分辨率”、 “线性度”和“扫描分辨率”等测量精度系数就会低于在参考距离上获得的这些系数。因此，需要开 发出一种能够确保光点大小在测量距离发生变化时亦能保持不变的光学设计。 稳定的测量精度 － 要点 1 需要开发出一种能够确保受光元件上的光点大小保持 不变的光学设计。 2 高分辨率 Ernostar 镜头 问题迎刃而解！ 参见第 4 页！ 2-2 接收光亮度和波形的稳定性 如“1. 三角测量法的基本原理”中描述的那样，激光位移传感器通过将目标反射的光线聚焦在受光元件上来计算与目标的距离。 如果目标的反射光因颜色、反光、目标的表面状况（粗度、倾斜度）而发生变化，则受光元件（接收光波形）上形成的光点状态也会 随之变化。 此类光点状态（接收光波形）的变化会影响激光位移传感器的精度。 ❚ 光点状态（接收光波形）案例 获得的接收光波形白色瓷制品 获得的接收光波形黑色橡胶物体 接收光亮度 接收光亮度 接收光亮度 接收光波形 获得的接收光波形镜面物体 接收光波形 接收光波形 近 远 近 远 近 远 如上图所示，在受光元件上形成的光点状态随目标的表面状况而变化，最终会影响测量精度。 ❚ 影响光点状态（接收光波形）的因素 颜色（颜色不规则） 光泽，目标的反光 目标的材质 （例如半透明塑料） 目标的表面状况 （粗度、倾斜度） ❚ 确保接收光亮度足够的方法 在使用激光位移传感器时，要实现稳定的测量精度，必须使受光元件获得足够的接收光亮度。 可采用多种方法调整接收光亮度。 对于在实际生产线上使用的激光位移传感器，接收光亮度的调整能力和“调整速度”都至关重要。 调整激光发射功率 调整激光发射时间 调整受光元件的灵敏度 （增益） 调整光反射跟踪 ABLE 控制 问题迎刃而解！ 参见第 6 页！ 稳定的测量精度 － 要点 2 必须能够使受光元件获得最理想的接收光亮度。 应在短时间内完成这项调整。 总而言之，激光位移传感器的测量精度受到光学设计（镜头像差）和 受光元件上聚集的光线亮度和波形的稳定性的大幅影响。 而 LK-G5000 系列通过各种的技术使精度达到了前所未有的高度。 下一节将介绍各种技术 3 L K- G50 0 0 系列技术指南 改进测量性能的技术 LK-G5000 系列采用的 KEYENCE 技术对“光学设计”和“稳定的接收光亮度和波形”这两大影响测量精度的主要因素进行了优化，从而 实现前所未有的高精度。 本节将介绍这些技术。 1 光学设计 1-1 高分辨率 Ernostar 镜头（HDE） 一种全新的接收器镜头被设计用于采集目标反射的光线并聚焦在 RS-CMOS 受光元件上。 全新开发的高分辨率 Ernostar 镜头系统大幅减少像差所造成的光点变形。 此外，集成传感头的特制压铸外壳使设备坚固耐用。 在参考距离上测量 受光元件 在较短的距离上测量 接收光波形 受光元件 接收光波形 在较长的距离上测量 受光元件 接收光波形 镜头单元中包含四个镜头，最大限度地减少镜头像差。 无论目标是在参考距离上还是其他距离上，受光元件上形成的光点大小始终不变。 标准 Ernostar 镜头：其光学系统设计确保受光元件获得的光点较窄。 高分辨率 Ernostar 镜头：其光学系统设计确保受光元件获得的光点较 小，并最大限度地减少光点内部的重心偏移。 曲率 镜头间距 焦距 ❚ 标准 Ernostar 镜头 4 ❚ 高分辨率 Ernostar 镜头 1-2 全新开发的镜面反射传感头！ KEYENCE 开发出了一种专用于镜面反射的传感头，在将传感头置于镜面 反射的位置时可确保精度保持不变。 为大幅提高线性度，KEYENCE 转为这种传感头设计了受光镜头光学系统。 此外，KEYENCE 将传感头置于镜面反射的位置并测试在生产过程中调整 线性度，结果发现可达到 F.S. 的 ±0.02%。 LK-H027K 传统型号 0.05 0.02 F.S. 的 的 0.00 0.10 0.05 0.02 0.00 ︶ % ︶ % 线性度︵ 线性度︵ F.S. 0.10 -0.02 -0.02 -0.05 -0.05 -0.10 0 -0.10 0 行程距离（mm） 5 mm 行程距离（mm） 样本 1 1-3 样本 2 样本 3 样本 4 5 mm 样本 5 全新开发的高分辨率高速 RS-CMOS 传感器 8x RS-CMOS 双端口 2x 比传统型号 更高 比传统型号 更高 高速 高分辨率 同时实现“高速”和“高分辨率”。 得益于双端口传输方式，像素数据可以传统型号八倍的速度进行传输。 通过使用四倍速时钟实现更快的速度。 此外，借助全新开发的 HDE 镜头* 和两倍的像素分辨率，现在可获得高度清 晰的接收光波形图案。 因此，KEYENCE 针对高难度应用实现了更高的精度和重复性。 RS-CMOS 时钟信号 *HDE 镜头 = 高分辨率 Ernostar 镜头 接收光波形图案 读取时间 ❚ 测量数据样本 测量白色瓷制品时获得的线性度 测量白色陶瓷量块时获得的线性度数据（典型） +/-0.02% 的线性度， 达到传统型号的五倍！ ±0.1% 的线性范围 （传统型号） 测量位置（µm） 5 L K- G50 0 0 系列技术指南 2 接收光亮度和波形的稳定性 通过“ABLE II 技术”，KEYENCE 的 LK-G5000 系列激光位移传感器实现了极高的精度。 2-1 ABLE II 控制功能概述 3x 4x 8x 比传统型号 更高 比传统型号 更高 比传统型号 更高 动态范围 激光发射时间的分辨率 高速追踪功能 不同目标反射率下的激光发射时间和功率的变化 镜面 久享盛誉的 ABLE 控制功能现在更加强大。 ABLE II 通过平衡激光发射时间、激光功率及增 益这三个要素智能优化 RS-CMOS 的功能。 此外，ABLE II 具备高速追踪能力，速度是传统型 号的八倍。 高 反射率 黑橡胶 低 传统型号 发射时间过长 发射时间过短 高 合适 低 激光功率过低 亮度 反射追踪速度会影响测量精度 ABLE II 激光功率 激光功率 高 低 发射时间 短 发射时间重复性 发射时间 高 合适 低 长 亮度 ❚ ABLE II 控制功能的效果 <测量黑色橡胶物体时获得的接收光波形> 不使用 ABLE II 时 使用 ABLE II 时 接收光亮度 接收光亮度 接收光波形 接收光波形 近 远 2-2 步骤 1 近 远 即时是几乎不反光的黑色橡胶物体， ABLE II 也可以提供与白色陶瓷物体 同等水平的接收光亮度。 ABLE II 控制功能的机制 可使 RS-CMOS 的灵敏度达到最佳状态的接收光亮度在控制器中被存储为“最佳光亮度”。 （该步骤很有必要，因为精度不光在 RS-CMOS 的接收光亮度较低时下降，当亮度过高时，精度也会因为接收光波形 饱和造成 RS-CMOS 上的光点变大而下降。） P W：接收光亮度 与最佳亮度的差异 T 计算“ P x T x G（P 为激光功率、T 为发射时间、G 为放大系数）”，并测量当时的接收光亮度（W）。 然后将接收光亮度（W）与最佳亮度（Ws）进行比较，以计算倍增系数。 6 Ws：最佳亮度 每次采样都会存储 P x T x G 的结果和接收光亮度，并与最佳亮度进行比较。 步骤 2 P W’：接收光亮度 Ws：最佳亮度 T' 步骤 1 中计算的倍增系数被再次用于确定下次采样的发射时间，并将得出的接收光亮度（W’ ）和最佳亮度进行比较。 最后，在下次采样时将会做出细致的调整。 2-3 ABLE II 控制功能的效果 以 25 ns 为增量调整激光发射时间。 如此细致的调整可确保稳定测量各类目标。 发射时间调整分辨率 通过高速 CPU 实时控制 激光功率、发射时间和放大系数这三个参数都已被数字化。 高速 CPU 以实时计算和校正的方式处理数字数据，以实现即时控制最佳设定。 该高速处理方式提高了对所有目标的测量精度。 实现最佳亮度调整的原创算法 KEYENCE 的原创算法根据 RS CMOS 的非线性光接收特性提供光亮度反馈。 这样就能确保稳定测量各种目标。 2-4 ABLE II 控制功能的更多效果 ❚ 角度特性 并非所有目标的表面都很平整。如果测量有曲面或斜面的目标，接收光亮度会减弱。亮度过低会使测量无法进行。 在这种场合下 ABLE II 控制功能就可以发挥作用。 <测量直径为 10 mm 的针规的形状> 不使用 ABLE II 时 [传统型号] 使用 ABLE II 时 [终极激光位移传感器] 传统型号 [mm] 终极激光位移 传感器 测量值 测量值 目标形状 [mm] 直径为 10 mm 的针规 位置 [mm] 位置 [mm] ❚ 高速 面对移动目标，接收光亮度会发生变化，从而影响扫描分辨率。 从接头针脚或压花玻璃板上反射的光线高速移动，可能会移动到无法正确进行测量的位置。 ABLE II 控制功能使这些问题迎刃而解。 <测量 IC 针脚的翘曲情况> 不使用 ABLE II 时 [传统型号] 每根 IC 针脚的宽度都不同。 没有正确检测到任何一根针脚。 传感器无法紧跟接收光亮度的变化，因此无法检测 IC 针脚的顶端，造成数据缺失。 使用 ABLE II 时 [终极激光位移传感器] 凭借对光亮度控制的高速响应，可正确测量所有 IC 针脚， 不会缺失数据。 IC 针脚 测量值 测量值 [mm] [mm] 移动距离 [µm] 移动距离 [µm] 7 L K- G50 0 0 系列技术指南 改进各种目标测量性能的技术 传统激光位移传感器可能无法测量不产生表面漫反射的目标，例如透明玻璃或半透明塑料制品。 而 LK-G5000 系列借助其专有的测量算法，即使面对这类目标也能实现精确的测量。 1 改进透明物体测量性能的技术（Multi-ABLE 控制） 在常规位置测量透明目标时，光线反射不足，激光束从目标穿过，从而导致测量失败。 如果目标背景中有其他物体，也会因为正面和背面的反射强度不同而导致测量失败。 本节将介绍可有效处理这类目标的技术和测量算法。 1-1 传感头位置 当传感头和目标成直角时 接收器无法接收到反射光。 受光元件 接收光亮度 半导体激光 发射器镜头 接收器无法接收到反射光， 因此无法形成波形。 接收器镜头 直接反射 受光元件上的受光位置 正面 透明目标 背面 受光元件 激光穿过目标 如左图所示，当激光束呈直角照射到透明玻璃物体上时， 几乎没有光线从玻璃表面反射到接收器，导致测量失败。 当激光照射角被调整后 接收器可接收到反射光，因此可进行测量。 玻璃物体正面反射的光线 玻璃物体背面 反射的光线 受光元件 接收光亮度 接收器可接收到正面和背面 反射的光线。 接收器镜头 镜面反射 受光元件上的受光位置 正面 透明目标 背面 受光元件 激光穿过目标 8 当按左图所示般调整激光在透明玻璃物体上的照射角时， 光线从玻璃表面反射到接收器，从而使测量顺利完成。 1-2 透明目标测量的接收光波形 如上一节中所描述的那样，透明玻璃物体会产生正面和背面两种反射，导致受光元件上有两个光亮度峰值。可通过只测量其中一个 峰值来检测玻璃表面的位置，并通过测量峰值差来检测目标的厚度。然而在实际测量时，正面和背面的反射光亮度并不相同。可能 的原因是玻璃背景上存在发亮的金属或其他反光物体，或该玻璃是有色玻璃。在这类情况下，接收光波形就会类似下图中的形状， 从而导致峰值状态不稳定，致使测量失败。 当背景中存在金属物体时 接收器收到金属物体表面的反射光。 受光元件 玻璃物体正面反射的的光线 金属物体反射的光线 接收光亮度 接收器镜头 镜面反射 正面 透明目标 背面 金属物体 受光元件上的受光位置 受光元件 当玻璃为有色玻璃时 背面反射光亮度减弱。 受光元件 有色玻璃物体正面反射的光线 接收光亮度 接收器镜头 有色玻璃物体背面反射的光线 镜面反射 正面 透明目标 背面 受光元件上的受光位置 受光元件 激光穿过目标 要点 要确保透明目标的测量精度的稳定性： 1. 必须逐一校正接收光波形的每个峰值的光亮度。 2. 必须能够指定接收光波形中用于测量的峰值。 Multi-ABLE 控制功能 使这些问题 迎刃而解！ 9 L K- G50 0 0 系列技术指南 1-3 Multi-ABLE 控制功能 ❚ 使用 ABLE II 控制功能优化第一个表面的峰值后获 得的波形 ❚ 使用 Multi-ABLE 控制功能合成的波形 接收光亮度 接收光亮度 饱和界限 受光元件上的受光位置 受光元件上的受光位置 ❚ 使用 ABLE II 控制功能优化第二个表面的峰值后获 得的波形 接收光亮度 Multi-ABLE 控制功能可有效地的解决上一节中所描述的情况， 即受光元件上聚焦的光线的峰值状态因玻璃物体的背景中存在 金属物体或目标为有色玻璃而变得不稳定。如上图所示，该功能 逐一校正接收光波形的峰值，以生成最理想的波形（合成波形）。 受光元件上的受光位置 1-4 Multi-ABLE 控制功能的效果 逐一校正接收光波形的 每个峰值的光亮度。 由于接收光波形的每个峰值的光亮度可被逐一校正到最佳水平， 因此即使目标的反射率不断发生变化，量测也能稳定进行。 最多可校正波形中的 四个峰值。 通过增加校正的峰值数量，就可以应对新的应用，例如测量多层 玻璃片的间距（如第二层与第三层）。 ❚ 测量透明物体时获得的接收光波形 第一层 第二层 第三层 第四层 接收光亮度 间距 间距 第一层 第二层 第三层 第四层 受光元件上的受光位置 1-5 Multi-ABLE 控制功能的更多效果 ❚ 不使用 Multi-ABLE 时 ❚ 使用 Multi-ABLE 时 最佳波形 最佳波形 有色玻璃正面反射的光线 有色玻璃正面反射的光线 接收光亮度 接收光亮度 有色玻璃背面反射的光线 RS CMOS 上的受光位置 RS CMOS 上的受光位置 测量有色玻璃的厚度 测量数据 测量数据 第二层的反射光线 不足，无法进行测量。 位置（mm） 10 测量值 测量值 （µm） 有色玻璃背面反射的 光线 （µm） 位置（mm） 2 改进半透明物体测量性能的技术（RPD 算法） 在测量半透明目标时，有时会因为激光穿透目标而变得不稳定。 本节将介绍可有效处理这类目标的测量算法。 2-1 测量半透明物体时获得的波形 测量不透明目标时 测量半透明目标时 目标内部反射的光线 半透明目标 不透明目标 受光元件 目标内部 反射的光线 接收光波形 受光元件 接收光波形 如上图所示，在测量不透明目标时，目标表面产生的漫反射光在受光元件上形成一个光点。 但在测量半透明目标时，目标内部反射的光线同样也在受光元件上形成光点，造成波形更宽更平缓。 这将导致受光元件上的光点直径变大，从而影响测量精度。 2-2 RPD 算法（RPD：真实峰值检测） 峰值 重心值 共有的接收光波形 接收光亮度 如图所示，在测量半透明目标时，接收光波形变宽。 因此，将高于阈值的接收光亮度的重心值作为测量点将会导致 测量值错误。 接收光亮度阈值 半透明目标的接收 光波形 受光元件上的受光位置 峰值 接收光亮度 为了避免上述测量错误，RPD 算法检测接收光波形的真实峰 值并将其作为测量值。 因此即时是半透明目标，也可以杜绝测量错误。 受光元件上的受光位置 11 L K- G50 0 0 系列技术指南 3 改进多重反射物体的测量性能的技术（遮罩） 如果目标有细微突出或 V 形凹槽，则会发生多重反射，造成测量不稳定。 本节将介绍可有效处理这类目标的测量算法。 3-1 什么是多重反射？ 当目标表面有 V 形凹槽时 当目标表面平整时 多重反射光 多重反射光 带有 V 形凹槽的 目标 不透明目标 受光元件 接收光波形 受光元件 接收光波形 如上图所示，如果金属或其他反光目标有 V 形凹槽或尖头，激光束可能会造成目标表面产生不规则反射，而受光元件会接收到 此类反射光。 当受光元件接收到从区域而非激光反射点反射的光线（多重反射）时，测量精度将会下降。 3-2 遮罩 遮罩功能在接收光波形的峰值因强烈的漫反射或透明工件而不稳定时可起到良好的效果。 可通过设定遮住指定区域或指定区域以外的区域。 ❚ V 形凹槽产生的漫反射案例 12 4 改进粗面物体测量性能的技术 一个看似平整的目标在放大后可能会出人意料地发现粗糙的表面。 如果目标的表面状况因为粗糙起伏不定，则测量值可能会出现浮动，因为激光是在目标移动的同时追踪表面粗度。 本节将介绍可有效处理这类目标的宽光点激光。 ❚ 目标表面状况样本 轴承外圈（300x） 4-1 陶瓷片（1500x） 宽光点激光原理 使用小光点激光测量 使用宽光点激光测量 半导体激光 半导体激光 圆柱形物镜 如上图所示，小光点没有正确地追踪目标的表面粗糙度。 4-2 由专用圆柱形误解产生的宽光点激光通过将表面 粗糙度平均化来测量目标。 宽光点激光的效果 ❚ 测量数据样本 拉丝金属 打磨块 宽光点 宽光点 小光点 小光点 13 www.keyence.com.cn : info@keyence.com.cn Copyright (c) 2010 KEYENCE CORPORATION. All rights reserved. LKGTech-KC-EN1214-CS 1120-1 E 642431
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