1.发明领域

本发明涉及一种利用菲涅尔衍射进行绝对距离或范围测量用的方法 和装置。本发明应用一具有已知波长或波长分布的电磁辐射源，其发送 一束电磁辐射通过一使其分束的物体(此后称之为“分束器”)，然后达 到一目标物。该电磁辐射束从目标物反射到包含一孔径的屏上，该孔径 与分束器分开一段已知距离。该孔径按一定尺寸制造，以便产生一菲涅 尔衍射图。电磁辐射束的一部分通过该孔径传播到与屏分开一段已知距 离的探测器。由此探测器检测该射束的中心强度。由使该射束分束的物 体至目标物的距离，随后可以根据已知的波长、孔径半径、射束强度以 及探测器至屏的距离计算出来。实践本发明方法的实施例用的若干装置 实施方案，被进行公开。

2.对现有技术的描述

现有技术的干涉仪是不能测量绝对距离的，而且昂贵。干涉仪被局 限于相对距离的测量，而不是绝对距离的测量。干涉仪通常需要有镜面 反射的目标物表面，光由其反射而形成干涉图。

现有技术的其它测距方法，包括三角测量和数字检测(digital detection)。这些方法具有有限范围，其中精度可达到微米。此有限的 范围通常小于5毫米。这样的装置也具有有限的精度，对于超过5毫米 的范围为大于1微米的数量级。这样的装置还需要经常的校准。

本发明提供用于在大的范围内以高精度测量绝对距离的方法和装 置。本发明可以以连续方式或者以脉冲方式进行工作，需要最少的光学 对准，提供迅速的数据获取，并能对各种各样的目标物表面质量进行测 量，包括非常散射的和高反射的表面。

本发明在测量绝对距离方面可提供特别高的精度。本发明能够以幅 度为米的数量级并以幅度为0.1微米数量级的精度进行绝对距离测量。

发明概述

本发明提供一种用于对点与目标物之间或者点与探测器之间的距离 进行绝对测量的系统。本发明利用菲涅尔衍射。本发明包括一个照准目 标物的电磁辐射源。该电磁辐射源能够发射一束具有已知波长的电磁 能。该电磁辐射源可以是激光器。

本发明还可包括一位于电磁辐射源和目标物之间距离目标物为距离 A处的分束器。一屏板(Screen)被定位在距分束器一已知距离B处，其 包括一具有半径R或其它已知尺寸的针孔或者孔、一后侧面和一前侧 面。该针孔或者孔可以是具有不等或者相等边长的多边形。在本发明的 某些实施例中，其目标物起到分束器的作用。

一探测器被定位在距离该屏板一已知距离D处，以便接收来自辐射 源的电磁辐射束，并且测量该辐射束的中心强度CI。另一方面，在不 使用单独的分束器的场合下，探测器被定位来接收由目标物散射的通过 该孔的光。

一处理器被耦合来从探测器接收表示所测射束强度的信号。该处理 器可包括一些算法，包括由目标物至分束器距离在内的一些预选距离可 由其计算出来。

按照本发明的一种方法，应用于把一束具有已知波长λ的电磁能通 过一分束器发送给一目标物，以使该束电磁能由目标物往回反射通过分 束器，且从分束器发射给与其相隔一距离B的半径为R的孔。该束电 磁能的一部分通过该孔传播，以在距孔为D处的探测器上形成一菲涅尔 衍射图。

该方法进一步包括探测该束电磁能在探测器上的中心强度CI，并 且利用下式1中的关系确定由分束器至目标的距离A： $\mathrm{CI}=4I_0{\sin }^2\left[\frac{R^2\pi }{2\lambda }(\frac{1}{(A+B)}+\frac{1}{D})\right]-----\left(1\right)$

式中I0为由确定该束电磁能的平均强度而得出的校正常数。

另一方面，式中由分束器至目标的距离A是已知的，由分束器至孔 的距离B是已知的，而且由探测器至屏板的测距是未知的，故式1可用 来对距离D求解。本发明的各种实施例适于为式1中的所有项提供数 据，除了一个被选定的未知项之外。于是等式1可被进行代数变换，以 为任何单个未知项求解。另一方面，对于计算技术熟练人员已知的数字 方法，均可被用来利用式1确定一未知值。

本发明的实施方案也可以采用多个与分束器隔开以不同的光学距离 D(n)的探测器。按照这样的实施方案，每个探测器测量各自的中心强度 CI(n)。在有n个探测器的实施例中，方程2形式的n个联立方程可用 来对被选定的未知变量求解： $\mathrm{CI}\left(n\right)=4I_0\left(n\right){\sin }^2\left[\frac{R^2\pi }{2\lambda }(\frac{1}{(A+B)}+\frac{1}{D\left(n\right)})\right]---\left(2\right)$

此联立方程式可以利用计算技术领域已知的标准的解析和/或数字方 法求解。

附图说明

图1为本发明第一实施例的等角投影图。

图2为本发明第二实施例的等角投影图。

图3为本发明第三实施例的等角投影图。

图4为本发明第四实施例的等角投影图。

图5为本发明第五实施例的等角投影图。

图6为中心辐射源强度作为辐射源距离函数的曲线图。

图7为本发明第一方法实施例的方框图。

图8为本发明第二方法实施例的方框图。

图9为本发明第六实施例的项视图。

优选实施方案的说明

本发明的第一实施例描绘在图1中。该实施例是在包括一照准目标 物18的激光光源20的点和目标物之间进行距离绝对测量的系统。该激 光光源能够产生具有已知波长的光。在一优选实施例中，激光光源能够 产生偏振光。

第一分束器22被定位在激光光源和目标物之间，距离目标物为已 知距离A处。该分束器包括一面向激光光源的第一侧面21，一面向目标 物的第二侧面23和一背离激光光源和目标物的第三侧面25。

屏板26包括具有半径为R的孔或者针孔28，后侧面27和面对着 第一分束器的第三侧面的前侧面29。屏板被定位在距离分束器一已知距 离处B。在一优选实施例中，半径R的范围在1到4毫米之间。孔的理 想尺寸是光或用在实施本发明中的其它电磁辐射的波长以及其它包括A 和B在内尺寸的函数。

第二分束器24被定位在距离屏板距离为C处，以面对图1所示的 屏板后侧面。当光通过孔发射给第二分束器时，第二分束器能发射许多 光束。

第一探测器由第一光程距D1和第二分束器分开。第一探测器被定 位以接收从第二分束器发出来的激光束。第一探测器能测量激光束的第 一中心强度CI1。

第二探测器由与第一光程距不等的第二光程距D2和第二分束器分 开。第二探测器被定位以接收从第二分束器发出的激光束。第二探测器 能测量光束的第二中心强度CI2。

本发明的第一实施例，其进一步包括被耦合用于从第一和第二探测 器接收表示所测射束强度CI1和CI2的信号的处理器38。该处理器包 括从中可计算预选距离的算法。这些算法可包括上面的方程(1)。

在一优选实施例中，本发明进一步包括在屏板和或者第一探测器或 者第二探测器之间的一片透明材料32。该透明材料能改变屏板和透明材 料被放置在其前面的探测器之间的光程长度。该透明材料可以具有可变 的折射率。因此，第一探测器和第二探测器可能以绝对距离的形式与屏 板均等相隔，但从光学距离上讲与屏板并不是均等相隔，这是由透明材 料的使用而引起的。

本发明的第二实施例被描述在图2中。该实施例是在包括一照准目 标物的激光光源的点和目标物之间进行距离绝对测量的系统。该激光光 源20能够产生具有已知波长的光。在一优选实施例中，激光光源能够 选择性地发射至少两种不同波长的激光。在另一优选实施例中，探测器 包括一可调滤光片39，能够滤过为探测器所检测的波长的光。

一分束器被定位在激光光源和目标物之间，并且距离目标物为已知 距离的A处。该分束器包括一面向激光光源的第一侧面，一面向目标物 的第二侧面和背离激光光源和目标物的第三侧面。

一屏板包括具有已知尺寸的孔或者针孔、后侧面和面向分束器的第 三侧面的前侧面，其被定位在距离分束器一已知距离的B处。在一优选 实施例中，孔具有已知半径R。在本发明的另一优选实施例中，针孔并 不一定是圆形或者固定直径。可变尺寸的针孔可被用于解决距离的非单 值性(ambiguities)，并且增加本发明的准确性，扩展本发明的范围。针 孔尺寸的变化，这里被称为“孔调制”，能够用于对本发明特定距离的 灵敏度进行调谐。

当式1中唯一的未知数是R时，本发明的实施例能被用来求解R。 其中屏板的物理特征例如热膨胀系数为已知，R的变化能够与温度的变 化相关。因此，本发明的实施例能被用于测量温度变化或者热传递，其 中衍射图作为孔尺寸变化的函数而变化。

探测器被定位在屏板后侧距离屏板为已知距离D处，并且与屏板和 分束器对准，以接收从激光光源发射的激光束，并且测量激光光束的中 心强度CI。在一优选实施例中，探测器是电荷耦合器件探测器，在下 文中被称作“CCD摄像机”。

本发明的实施例进一步包括一被耦合以接收表示来自探测器的被测 中心强度CI信号的处理器。该处理器包括能够从中计算距离的算法。

并不包括独立分束器的本发明实施例被描绘在图9中。该实施例包 括照准一目标物的激光光源20。激光光源能够产生具有已知波长的激 光。在一优选实施例中，该激光光源能够产生偏振光。本发明进一步包 括屏板26，其包含具有已知尺寸的孔、后侧面以及面向目标物的前侧 面。该屏板被定位在距离目标物为已知距离的A+B处。

本发明进一步又包括在屏板后侧面定位于距离屏板为一已知距离D 处的探测器30。该探测器被定位以接收从激光光源发射并且从目标物散 射的激光。该探测器被定位，以便测量激光光束的强度CI。

本发明还包括一被耦合以接收表示来自探测器的被测强度CI信号 的处理器。该处理器包括从中能够计算距离的算法。

本发明的另一实施例被描绘在图3中。该实施例包括一照准一目标 物的电磁辐射源20。在一优选实施例中，电磁辐射源是可调的光源。在 另一实施例中，电磁辐射源是脉冲光源。在另一优选实施例中，电磁辐 射源发射微波，无线电波，紫外辐射，X-射线，或非相干电磁辐射。 辐射源能够发射具有已知波长的电磁能束。

一分束器被定位在光源和目标物之间，距离目标物为距离A处。该 分束器包括面向光源的第一侧面，面向目标物的第二侧面和背离目标物 的第三侧面。

在一优选实施例中，透镜40被定位在光源和分束器之间。一包括 具有已知尺寸的孔、后侧面和面向分束器的第三侧面的前侧面的屏板， 被定位在距离分束器一已知距离B处。

一探测器被定位在屏板后侧距离屏板为已知距离B处，以便接收从 光源发射的电磁辐射，并且测量该光束的中心强度CI。一处理器38被 耦合以接收表示来自探测器的所测射束强度的信号。该处理器包括可从 中计算距离的算法。

如图4所示，本发明的另一实施例包括一在点和探测器之间进行距 离测量的系统。本实施例包括照准包含一粗糙表面的目标物的电磁辐射 源。该辐射源能够发射具有已知波长的电磁能束。

一分束器被定位在辐射源和目标物之间，距离目标物为距离A处。 一分束器包括面向辐射源的第一侧面、面向目标物的第二侧面，以及背 离辐射源和目标物的第三侧面。

包括第一孔44的第一屏板42被定位在分束器和辐射源之间。一第 二屏板26包括第二孔28、后侧面和面向分束器第三侧面的前侧面，其 被定位在距离分束器为距离B处。

一探测器被定位，用来接收穿过第二孔的光。该探测器面对第二屏 板的后侧面。在一优选实施例中，探测器是CCD摄像机。在另一优选 实施例中，探测器包括一可变尺寸的开口。当开口被调到较大尺寸的设 置时，作为方程1中计算I0的需要，它使探测器可以探测来自较大衍射 图的光。当透镜的开口被设定到较小尺寸的设置时，它使探测器仅仅检 测中心强度CI。

一处理器被耦合，用来接收表示来自探测器所测射束强度的信号。 该处理器包括从中可计算距离的算法。

本发明的再一个实施例被描绘在图5中。本实施例是在点和探测器 之间进行距离测量的系统。本发明的实施例包括一照准目标物的电磁辐 射源。该辐射源能发射具有已知波长的电磁能束。该探测器被定位来接 收来自辐射源的射束。

包括孔44的第一屏板42被定位在探测器和辐射源之间，以使穿过 该孔来自辐射源的射束的投影产生一衍射图。

一透镜40被定位在第一屏板和探测器之间。该透镜被定位，用来 压缩或者展宽由穿过该孔的射束的投影所引起的，作为从针孔到辐射源 距离函数的强度变化。

图6描绘了中心强度作为光源距离函数的典型曲线图。如图6所 示，被描绘为光源距离函数的中心强度是波状函数。通过使用透镜而实 现的衍射图的压缩或展宽，可参见描绘在图6中的正弦曲线周期长度的 压缩或展宽。其中透镜的焦距小于从针孔到透镜的距离，压缩结果是。 而透镜的焦距大于从针孔到透镜的距离，展宽结果是。

本发明还包括一被耦合用以接收表示来自探测器的所测射束强度的 信号的处理器。该处理器包括能够由其计算距离的算法。

本发明还包括进行距离绝对测量的方法。本发明的第一方法实施例 表示在图7中。该方法包括把一束具有已知波长的电磁能通过分束器发 送给一目标物，如图7中方框60所示。然后该束电磁能由目标物往回 反射给分束器，如图7中方框62所示。然后该束电磁能由分束器发送 给与其相隔一距离B的孔，以使该束电磁能的一部分通过该孔传播，以 在距其为D处的探测器上形成一菲涅耳衍射图，如图7中方框64所 示。

如图7中的方框66所示，本方法还再包括探测该束电磁能在探测 器上的中心强度CI和平均强度I0。分束器和目标物之间的绝对距离 A，然后如图7中方框68所示利用式1的关系来决定。

本发明的第二方法实施例表示在图8中。该方法包括发送一束具有 已知波长λ的电磁能通过分束器给一目标物，如图8中方框70所示。然 后该束电磁能由目标物往回反射给分束器，如图8中方框72所示。该 束电磁能由分束器发送给与其相隔一距离B的孔，以使该束电磁能的第 一部分通过该孔传播，以在距其为D1处的第一探测器上形成一第一菲 涅耳衍射图；并使该束电磁能的第二部分通过该孔传播，以在距其为 D2处的一第二探测器上形成一第二菲涅耳衍射图，如图8中方框74所 示。

该方法还包括探测该束电磁能在第一探测器上的第一中心强度 CI1，如图8中方框76所示。该束电磁能的第二中心强度CI2在第二探 测器上进行探测，如图8中方框78所示。然后该分束器和目标物之间 的绝对距离A，利用式2所示的关系确定，如图8中方框80所示。

本发明以上的公开和描述是说明性和解释性的。尺寸、形状和材料 以及所说明的结构在细节上的许多变化，也可以在不脱离本发明精神的 前提下作出。

发明背景