專利名稱：物體的距離和取向測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于非接觸測(cè)量表面的距離和取向的光學(xué)傳感器和方法，更具體 地涉及使用光纖位移傳感器進(jìn)行測(cè)量的方法。
背景技術(shù)：
非接觸距離測(cè)量在工業(yè)中被廣泛使用。依賴于具體應(yīng)用需要采用不同的技術(shù)。以 下技術(shù)，例如激光三角測(cè)量技術(shù)、共焦技術(shù)、基于光纖的技術(shù)、干涉儀技術(shù)以及色譜技術(shù)，在 距離或位移測(cè)量領(lǐng)域中是常見(jiàn)的，并且通過(guò)使用光學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。每種技術(shù)被選擇以適應(yīng) 具體應(yīng)用要求。例如，為了聚焦成像頭，一些計(jì)算機(jī)直接制版(CTP)成像機(jī)使用激光三角測(cè) 量原理。這種感測(cè)設(shè)備的缺點(diǎn)之一是相對(duì)高的成本和形狀因素方面，其對(duì)成像頭設(shè)計(jì)造成 很大限制。在美國(guó)專利7，071，460 (Rush)、4，739，161 (Moriyama 等人)、5，017，112 (Hafle)和 4，801，799 (Tromborg等人)中公開(kāi)了允許小的傳感器尺寸的非接觸位移測(cè)量的另一方法。 所有公開(kāi)的專利使用兩個(gè)或更多個(gè)光纖，用于測(cè)量到介質(zhì)的距離。每個(gè)公開(kāi)的專利是基于 相對(duì)于傳感器的預(yù)定的介質(zhì)取向。對(duì)于介質(zhì)取向不是預(yù)定的應(yīng)用(例如計(jì)算機(jī)直接制版 (CTP)頭校準(zhǔn))，這種假設(shè)無(wú)效，并且不可能準(zhǔn)確地測(cè)量到任意取向的介質(zhì)的距離。圖IA示出了根據(jù)美國(guó)專利4，801，799的傳感器的功能，其中介質(zhì)130相對(duì)傳感器 光學(xué)軸線取向成90度角。圖IB示出了以不同于90度角取向的介質(zhì)130。在兩種情況下， 介質(zhì)130和光纖110的出口之間的距離是相同的。從圖IA可以明顯得知，來(lái)自光源100經(jīng)過(guò)光纖110和透鏡120的光從介質(zhì)130被 反射，并且經(jīng)過(guò)透鏡120和光纖140返回到光傳感器電路150，所述介質(zhì)130相對(duì)于光纖光 發(fā)射軸線垂直取向。在該情況下，由光傳感器150檢測(cè)到的反射光能量的量是介質(zhì)到光纖 出口距離的函數(shù)(見(jiàn)美國(guó)專利4，801，799的圖4)。圖IB示出了具有傾斜取向的介質(zhì)130的傳感器功能。在該情況下，光傳感器150 將接收更小量的反射光能量或根本沒(méi)有反射光能量。如從圖IB可以看出的，盡管介質(zhì)和光 纖出口之間的距離不改變，即使介質(zhì)取向角度稍微變化，也可能導(dǎo)致光傳感器150輸出信 號(hào)的偏差。換句話說(shuō)，介質(zhì)130取向角度可能極大改變光傳感器150輸出信號(hào)，從而增加測(cè) 量誤差或使測(cè)量不可能。在成像頭到介質(zhì)的距離測(cè)量應(yīng)用中，表面的取向或形狀，或者成像頭到套筒距離 測(cè)量經(jīng)常變化。在那些情況下，由介質(zhì)取向或形狀變化引起的光纖傳感器誤差成為測(cè)量傳 感器的嚴(yán)重缺點(diǎn)。此外，成像頭對(duì)準(zhǔn)偏差，或者套筒或鼓的偏心率變化也影響介質(zhì)到傳感器 距離測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的和改進(jìn)的光纖位移傳感器設(shè)備，該設(shè)備能夠提供傳 感器和非平坦形狀表面或平坦表面之間的測(cè)量，所述非平坦形狀表面或平坦表面被布置在表面和傳感器軸線之間的角度范圍內(nèi)。簡(jiǎn)而言之，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種用于測(cè)量物體和光源之間的距離并且感 測(cè)該物體的取向的方法包括將來(lái)自多個(gè)光源的光施加在所述物體上；檢測(cè)來(lái)自物體的反 射能量水平；測(cè)量來(lái)自所述物體的所述反射能量水平；計(jì)算指示與所述物體和所述光源之 間的距離關(guān)系的距離校準(zhǔn)函數(shù)；確定在所述距離校準(zhǔn)函數(shù)內(nèi)由最小值和最大值指示的至少 一個(gè)測(cè)量范圍；計(jì)算指示在調(diào)制函數(shù)的周期內(nèi)在預(yù)定時(shí)隙處采樣的能量水平關(guān)系的角度校 準(zhǔn)函數(shù)；以及用所述調(diào)制函數(shù)調(diào)制所述多個(gè)光源中的每一個(gè)，使得在光發(fā)射的時(shí)間期間從 所述多個(gè)光源施加在所述物體上的總能量由光發(fā)射預(yù)定函數(shù)表示。在調(diào)制周期T內(nèi)的任何固定時(shí)間處測(cè)得的光傳感器響應(yīng)信號(hào)是介質(zhì)到光纖距離 的函數(shù)，本發(fā)明提供甚至在介質(zhì)相對(duì)于光纖傳感器光發(fā)射軸線取向不同于90度或介質(zhì)具 有非平坦形狀的情況下，對(duì)介質(zhì)和傳感器之間的距離的測(cè)量。該距離由在調(diào)制周期的固定 和預(yù)定點(diǎn)測(cè)得的光傳感器響應(yīng)確定，而角度方向和角度值由信號(hào)的相位和振幅確定。在介質(zhì)相對(duì)于光發(fā)射軸線垂直取向的情況下，不管已調(diào)制或未調(diào)制光傳感器響應(yīng) 的類型如何，發(fā)射光測(cè)量之和將保持恒定，所述和為介質(zhì)到光纖距離的函數(shù)。在介質(zhì)相對(duì)于 光發(fā)射軸線非垂直布置或具有非平坦形狀的情況下，測(cè)得的光傳感器輸出信號(hào)將變?yōu)檎{(diào)制 的，并且該信號(hào)的相位和振幅將分別指示偏斜角度的方向和數(shù)值。從以下描述和附圖中，本 發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。


圖IA和圖IB是圖示說(shuō)明傳感器功能的現(xiàn)有技術(shù)的示意圖；圖2A-2C是圖示說(shuō)明本發(fā)明的傳感器功能的示意圖；圖3是圖示說(shuō)明介質(zhì)到光纖的距離響應(yīng)校準(zhǔn)函數(shù)的示意圖；圖4A-4C是圖示說(shuō)明各種類型的調(diào)制方式的時(shí)序圖；圖5是圖示說(shuō)明當(dāng)介質(zhì)是垂直于光發(fā)射軸線的取向時(shí)光傳感器的響應(yīng)的示意圖；圖6A和圖6B是圖示說(shuō)明當(dāng)介質(zhì)取向不垂直于光發(fā)射軸線時(shí)光傳感器響應(yīng)的示意 圖；圖7A和圖7B是圖示說(shuō)明當(dāng)介質(zhì)取向不垂直于光發(fā)射軸線時(shí)光傳感器響應(yīng)的示意 圖；以及圖8是圖示說(shuō)明具有多個(gè)光源的傳感器的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖2A-2C是根據(jù)本發(fā)明的光纖位移裝置的示意圖，整體上用數(shù)字10指代。光纖位 移裝置10包括信號(hào)發(fā)生器205，所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)215和220，用于提供光源 230和光源240的光調(diào)制。光纖235和245分別傳導(dǎo)來(lái)自光源230和240的光。透鏡用于 將來(lái)自光纖235和240的光束聚焦在介質(zhì)256上，并且光傳感器270測(cè)量從介質(zhì)256經(jīng)過(guò) 透鏡250和光纖260的反射光。采集電路210采集經(jīng)過(guò)光傳感器270的反射光并且進(jìn)行分 析。傳感器配置可以包括多于兩個(gè)的發(fā)射光纖和單個(gè)光傳感器270。信號(hào)發(fā)生器205發(fā)出分別用于光源230和240的控制信號(hào)215和220。例如，光源 可以使用激光二極管?？刂菩盘?hào)傳送電流，所述電流激勵(lì)為每個(gè)光源發(fā)射的能量。與光源特性的線性范圍有關(guān)的發(fā)射光能量與光源電流成正比?？偠灾?，來(lái)自每個(gè)光源的發(fā)射光 將根據(jù)各自光源電流調(diào)制函數(shù)而變化。讓我們假設(shè)光源230的光能量El被脈沖調(diào)制，如圖4A中所示用函數(shù)445 (虛線) 表示的。光源240的光能量E2被類似的脈沖調(diào)制，所述類似的脈沖具有相同的幅度和相同 的50%占空比，但被偏移一個(gè)脈沖的長(zhǎng)度(半個(gè)周期)，如圖4A中函數(shù)435所示的。每個(gè)調(diào)制周期從光源230和240兩者發(fā)射的總光能量E Σ可以被記為如下
權(quán)利要求
一種用于測(cè)量物體和光源之間的距離并且感測(cè)所述物體的取向的方法，所述方法包括以下步驟將來(lái)自多個(gè)光源的光施加在所述物體上；檢測(cè)來(lái)自物體的反射能量水平；測(cè)量來(lái)自所述物體的所述反射能量水平；計(jì)算指示與所述物體和所述光源之間的距離關(guān)系的距離校準(zhǔn)函數(shù)；確定在所述距離校準(zhǔn)函數(shù)內(nèi)由最小值和最大值指示的至少一個(gè)測(cè)量范圍；計(jì)算指示在調(diào)制函數(shù)的周期內(nèi)在預(yù)定時(shí)隙處采樣的能量水平關(guān)系的角度校準(zhǔn)函數(shù)；以及用所述調(diào)制函數(shù)調(diào)制所述多個(gè)光源中的每一個(gè)，使得在所述光發(fā)射的時(shí)間期間從所述多個(gè)光源施加在所述物體上的總能量由光發(fā)射預(yù)定函數(shù)表示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中計(jì)算所述物體的輪廓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述調(diào)制函數(shù)的周期的第一部分期間取得所述反射光能量的第一測(cè)量值； 在所述調(diào)制函數(shù)的所述周期的第二部分期間取得所述反射光能量的第二測(cè)量值；以及 如果所述第一測(cè)量值等于所述第二測(cè)量值，則所述物體被布置為相對(duì)于光發(fā)射軸線垂 直，并且使用所述距離校準(zhǔn)函數(shù)從所述第一測(cè)量值或所述第二測(cè)量值導(dǎo)出所述物體和所述 光源之間的所述距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述調(diào)制函數(shù)的周期的第一部分期間取得所述反射光能量的第一測(cè)量值； 在所述調(diào)制函數(shù)的所述周期的第二部分期間取得所述反射光能量的第二測(cè)量值；以及 如果所述第一測(cè)量值大于所述第二測(cè)量值，則所述物體相對(duì)于光發(fā)射軸線的取向角度 大于90度，并且使用所述距離校準(zhǔn)函數(shù)從所述第一測(cè)量值和所述第二測(cè)量值的平均值導(dǎo) 出所述物體和所述光源之間的所述距離，并且從所述角度校準(zhǔn)函數(shù)導(dǎo)出所述取向角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述調(diào)制函數(shù)的周期的第一部分期間取得所述反射光能量的第一測(cè)量值； 在所述調(diào)制函數(shù)的所述周期的第二部分期間取得所述反射光能量的第二測(cè)量值；以及 如果所述第一測(cè)量值小于所述第二測(cè)量值，則所述物體相對(duì)于光發(fā)射軸線的取向角度 小于90度，并且使用所述距離校準(zhǔn)函數(shù)從所述第一測(cè)量值和所述第二測(cè)量值的平均值導(dǎo) 出所述物體與所述光源之間的所述距離，并且從所述角度校準(zhǔn)函數(shù)導(dǎo)出所述取向角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光發(fā)射預(yù)定函數(shù)由恒定值表示。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光發(fā)射預(yù)定函數(shù)是周期函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中對(duì)所述周期函數(shù)進(jìn)行脈沖調(diào)制。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述周期函數(shù)是三角函數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述周期函數(shù)是平方正弦函數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中是所述光源是激光光源。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述光源是激光發(fā)射二極管光源。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述調(diào)制函數(shù)的所述第一部分周期和所述第二 部分周期之和等于所述調(diào)制函數(shù)的周期。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述調(diào)制函數(shù)的所述第一部分周期等于所述調(diào) 制函數(shù)的所述第二部分周期。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測(cè)量范圍是線性的。
全文摘要
一種測(cè)量物體(256)和光源(230)之間的距離并且感測(cè)所述物體的取向的方法，所述方法包括將來(lái)自多個(gè)光源(230、240或810)的光施加在所述物體上；檢測(cè)來(lái)自物體的反射能量(270)水平；測(cè)量來(lái)自所述物體的所述反射能量水平；計(jì)算距離校準(zhǔn)函數(shù)；確定在所述距離校準(zhǔn)函數(shù)內(nèi)由最小值(302)和最大值(304)指示的至少一個(gè)測(cè)量范圍(301)；計(jì)算指示在調(diào)制函數(shù)的周期內(nèi)在預(yù)定時(shí)隙處采樣的能量水平關(guān)系的角度校準(zhǔn)函數(shù)；以及用所述調(diào)制函數(shù)(435、445)調(diào)制所述多個(gè)光源中的每一個(gè)，使得在所述光發(fā)射的時(shí)間期間從所述多個(gè)光源施加在所述物體上的總能量由光發(fā)射預(yù)定函數(shù)表示。
文檔編號(hào)G01S17/87GK101981468SQ200980111359
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日
發(fā)明者V·博卡托夫斯基 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司