专利名称：用于光学测量的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量目标物位置和取向的光学装置。
背景技术：
对很多自动制造工序而言，快速准确地测量刀具或工件的位置和取向非常重要。尽管已研发出各种不同的测量系统，但光学测量系统被证明是精确、可适应、可靠并且相对不昂贵的。
大多数光学测量系统都依靠通过控制低强度激光器的输出而获得的各种效应实现。例如，可通过对由于激光束从偏移的目标物反射而发生偏移的干涉条纹进行计数来获得高精度线性距离测量。这样的系统可通过测量激光脉冲的撞击目标物和返回光源的光程时间而初始校准。
取向测量面临很多挑战，例如，平行于目标物旋转轴的光束可能不记录距离变化。这一问题的一个解决方案是利用格兰-汤普森(Glan-Thompson)棱镜的偏振效应，其中根据棱镜相对光束的旋转取向将入射激光束分解成强度不同的两个正交分矢量。这种系统一旦被校准，就会依据所测得的输出分矢量之间的强度差计算出目标物绕轴的旋转角度。
但是，采用这种测量技术的最简单形式获得完整的目标物位置信息会要求每个平移轴有单独的距离测量系统，并且对每个旋转轴有单独的旋转测量系统。由于单一多维测量系统的设置和操作会变得麻烦而昂贵，所以很需要用单个光束同时进行尽可能多的不同的测量。
发明内容
根据本发明，提供一种光学测量系统，包括激光器，发出包括至少两个正交偏振分量的激光束；镜面反射目标物；干涉仪；以及用侧向效应光电检测器变型的自准直仪。
所述激光束进入干涉仪并入射在第一分束器上，在这里光束被分成基准光束和目标物光束。被反射的出射目标物光束通过第一四分之一波延迟片和第二分束器，并入射在目标物上，所述目标物将目标物光束回射到第二分束器。
一部分回射目标物光束被第二分束器反射成为自准直仪部分，并被第一透镜聚焦到检测器上。自准直仪光束的取向和焦点根据目标物俯仰或摇摆的变化而改变。检测器产生与检测器第一检测表面上的点的位置相应的第一输出信号。另一部分回射目标物光束通过第二分束器、第一四分之一波延迟片和第一分束器，入射在条纹计数器上。
基准光束通过第一分束器和第二四分之一波延迟片入射在固定的折回反射器上。折回反射器反射基准光束，使其再次通过第二四分之一波延迟片到第一分束器。第一分束器反射基准光束到条纹计数器，并且使基准光束与回射目标物光束合并。响应于基准光束和回射目标物光束之间产生的最小和最大干涉，条纹计数器产生第二输出信号。
在替代的实施例中，夹在第一分束器与条纹计数器之间的反向望远透镜组件减小由目标物俯仰或摇摆变化导致的回射目标物光束的角偏离。
与所测得的自准直光束方向的改变相应的第一输出信号可传送到计算机。与由条纹计数器检测的最小和最大干涉相应的第二输出信号也可传送到计算机。数据线将第一输出信号和第二输出信号传送到计算机，计算机依据第一输出信号计算目标物的取向变化，依据第二输出信号计算目标物平移。
本发明的所有这些特征在以下附图和说明中解释。
图1示出本发明的测量轴。
图2示出典型的光学干涉仪的图。
图3示出常规自准直仪的简化图。
图4示出本发明的优选实施例的示意视图，包括光学干涉仪、自准直仪以及反向望远透镜组件(reverse telescopic lens assembly)。
图5示出采用本发明的两个模块的典型测量设置。
具体实施例方式
本发明组合使用光学干涉仪与光学自准直仪，以便用单个低强度激光束来测量目标物在一个维度上的线性平移和在两个维度上的旋转取向。如图1所示，目标物130沿y轴的线性平移可通过将光束100导向反射表面140的光学干涉仪110来测量。
图2示出典型的光学干涉仪的图。稳定的光源200发出相干光束210，入射在本领域公知的分束器260上。光束210的基准部分220被导向固定的基准反射器230并返回分束器260。光束210的目标物部分240通过分束器260入射到目标物反射器250上。目标物反射器250可为直接或间接固定到要测量其线性平移的目标物表面的平反射器、折回反射器(retroreflector)或其它合适的反射器。光束的目标物部分240从目标物反射器250回射到分束器260，并与光束210的基准部分220再次合成。
基准反射器230的位置相对分束器260固定，所以目标物反射器250沿光束轴的线性平移导致目标物光束240与基准光束220之间存在相移。随着目标物反射器250在测量轴上平移，由条纹计数器280检测到再合成的光束270内形成的干涉的极小与极大。可依据条纹计数器280检测到的条纹数计算目标物反射器250的位置变化。
图3概括示出利用来自点光源的光的常规自准直仪装置的操作。来自光源300的光线310被透镜320折射成为由平行光线组成的准直光束330。准直光束330被平反射器340反射而通过透镜320，透镜320将准直光束330聚焦到光源300的平面上的接收点350。如果准直光束330正交于平反射器340，则接收点350将与光源300重合。但是，如果平反射器340相对准直光束330成一角度，则接收点350将相对光源300偏移距离d。小角度(tan(2a)大约等于2a)时，平反射器340的倾斜角a的弧度可计算为a＝d/2f，其中f是透镜320的焦距。
本发明将干涉仪和自准直仪都放在同一光路中，从而可用单个光束测量俯仰、摇摆和线性平移。图4示出组合使用干涉仪和自准直仪的本发明的优选实施例的示意图。使用本领域公知的氦氖或其它激光器400发出包含至少两个正交偏振分量的激光束403。来自激光器400的输出被偏振保持(PM)光纤引到透镜404，透镜404将光束引向干涉仪406中。
PM光纤使激光器400可与测量装置分离，减少外来热量和振动，避免降低测量精度。本发明的优选干涉仪406包括本领域公知的偏振分束器420、四分之一波延迟片421和422、固定的折回反射器424、以及条纹计数器426。优选的实施例还可包括反向望远透镜组件428。
引入干涉仪406中的激光束403被偏振分束器420分成基准光束405和出射目标物光束407。出射目标物光束407被分束器420反射。基准光束405通过分束器420和四分之一波延迟片421，被固定的折回反射器反射通过四分之一波延迟片421，入射在分束器420上，并反射到条纹计数器426。
出射目标物光束407通过四分之一波延迟片422和由分束器430、透镜432和检测器434组成的自准直仪408。出射目标物光束407最初通过分束器430并入射到反射目标物410上，从该反射目标物410反射返回的目标物光束409通过分束器430。目标物410通常是平面镜。但是，也可采用其它已知的镜面反射器。
为清楚起见，图4以分离光路示出出射和回射的目标物光束，实际上，当目标物410的反射面垂直于出射目标物光束407时，两者以相同的光路传输。分束器430引导回射目标物光束409的自准直部分436通过将光束的自准直部分聚焦在检测器434上的透镜430。典型的检测器434可利用侧向效应光电二极管(lateral effect photodiode)。检测器434产生与聚焦光束在检测器的检测表面435上的位置相应的输出电压信号，该信号通过数据线(未示出)经由串行连接器440或本领域已知的其它数据连接器与计算机(未示出)通讯。来自检测器434的输出电压信号由A/D转换器(未示出)转换成数字形式，用于计算机处理。
本发明的一个替代实施例可利用双轴侧向效应光电二极管如来自United Detetor Technology的SC/10。双轴光电二极管提供两个输出信号，这两个信号在两个正交的侧向维度上一起测量被聚焦的自准直部分436在检测器434上的入射点。
由于光束的自准直部分436作为非发散激光束进入自准直仪408，图4的优选的自准直仪408相比图3的常规自准直装置简单。在自准直仪408内不需要回射反射光路来准直光束的自准直部分436。不需要点光源来建立零偏离点。相反，检测器434上的任何点可任意地设计为零偏离点。
当反射目标物表面410正交于出射目标物光束407时，光束的自准直部分436正交于出射目标物光束407并在检测表面435上的零偏离点上聚焦。反射目标物表面410的与表面的俯仰或摇摆的变化相应的重新取向导致被反射光束的自准直部分436的焦点在整个检测器434的表面上移动，从而便于测量偏移量并计算俯仰和摇摆角。
其余的回射目标物光束409经过自准直仪分束器430变成干涉仪光束411。干涉仪光束411经过四分之一波延迟片422和干涉仪分束器420与基准光束405重新合并并引入条纹计数器426中以测量目标物410的线性平移。
本领域已知的条纹计数器通常从检测器阵列(未示出)产生平均输出信号，与全部检测器上最小和最大移动相应。本发明可利用本领域已知的任何合适的条纹计数器。条纹计数器426产生通过数据线(未示出)经由串行连接器442或本领域已知的其它数据连接器与计算机(未示出)通讯的输出电压信号。来自条纹计数器426的输出电压信号由A/D转换器(未示出)转换成数字形式由计算机处理。本发明可另外装配本领域公知的光程时间检测器，以初始建立检测器与目标物410之间的绝对距离。
反射目标物表面410的俯仰或摇摆的变化导致回射目标物光束409在全部条纹计数器检测器阵列上的偏移，从而引入测量误差，偏移足够大时，回射目标物光束409被完全引到阵列外侧。本发明的优选实施例在偏振分束器420与条纹计数器426之间的干涉仪光束411路径中引入反向望远透镜组件428。反向望远透镜组件428，实质上是本领域公知的倒望远镜(reversedtelescope)，通过组件放大的反向，减小干涉仪光束411的偏离角度，使得10X望远阵列会将10′的偏离减少到1′的偏离。有利地，这种减少使得可测量更大的俯仰和摇摆改变，同时仍可保持准确的线性平移测量。有利地，偏振分束器420与条纹计数器426之间的反向望远透镜组件428可减少干涉仪误差而不影响自准直仪408操作。
图5示出本发明的操作。具有镜面504A、504B的平台502在基座500上移动。可在平台502移动时测量和计算安装在平台502上的目标物(未示出)的位置。激光器508发出的光通过PM光纤510A、510B进入本发明采用的测量装置506A、506B。测量装置506A、506B可安装在基座500或平台502视距内的装置上。优选地，测量装置506A、506B投影的激光束512A、512B互相正交。数据线522A、522B将各自测量装置506A和506B中的条纹计数器和自准直器检测器的输出传送到计算机520。
平台502在基座500上移动时，每个测量装置的干涉仪分量响应x和y轴上的平移，其中一个测量装置506A测量沿x轴的平移，而另一个测量装置506B测量沿y轴的平移。平台502绕z轴的旋转(摇摆)导致反射激光束512A、512B偏移取向，从而导致这些光束的自准直器部分在每个测量装置506A、506B内的整个自准直检测器表面上移动。所得输出信号在计算机520内经由申请人在前专利和专利申请和/或本领域公知的软件和硬件处理，以计算、存储、显示和/或输出平台502位置和取向的变化。尽管通常选择来自一个测量装置的自准直器检测器的输出，但两个测量装置都能测量摇摆。如果平台502旋转离开基座500的平面，一个测量装置506A可测量倾侧，而另一个测量装置506B可测量俯仰。
可增加具有平行于z轴的光束的额外的干涉仪(未示出)，以测量沿z轴的平移。元件合适的情况下，本发明可测量一纳米的平移和一秒弧度的1/100的角度改变。
这里所公开的本发明的原理、实施例和操作方式应被理解为解释而非限制本发明。可对前述说明性实施例做各种变形和改变而不背离本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种光学测量系统，包括激光器(400)，该激光器(400)可发出包括第一光束分量和第二光束分量的激光束(403)，第一光束分量具有第一偏振，第二光束分量具有第二偏振，第二偏振正交于第一偏振；可镜面反射至少一部分激光束(403)的目标物(410)；干涉仪(406)，该干涉仪(406)包括第一偏振分束器(420)、第一四分之一波延迟片(422)、第二四分之一波延迟片(421)、反射器(424)，以及条纹计数器(426)，干涉仪(406)可接收激光束(403)；自准直仪(408)，自准直仪(408)包括第二分束器(430)、第一透镜(432)、以及检测器(434)，检测器(434)具有至少第一检测表面(435)；激光束(403)入射在第一分束器(420)上，第一分束器(420)反射激光束(403)的第一光束分量的出射目标物部分(407)，使其通过第一四分之一波延迟片(422)和第二分束器(430)，以入射在目标物(410)上，目标物(410)反射第一光束分量的回射目标物部分(409)回到第二分束器(430)，第二分束器(430)反射第一光束分量的回射目标物部分(409)，使其通过第一透镜(432)，第一透镜(432)将第一光束分量的回射目标物部分(409)的自准直仪部分(436)聚焦到第一检测表面(435)的一点上，检测器(434)产生与第一检测表面上的点的位置相应的第一输出信号；第二分束器(430)、第一四分之一波延迟片(422)、以及第一分束器(420)将第一光束分量的回射目标物部分(409)的干涉仪部分(411)传送到条纹计数器(426)；并且第一分束器(420)和第二四分之一波延迟片(421)将第二光束分量(405)传送到反射器(424)，反射器(424)反射第二光束分量(405)，使其再次通过第二四分之一波延迟片(421)而入射在第一分束器(420)上，第一分束器(420)将第二光束分量(405)反射到条纹计数器(426)，并且使第二光束分量(405)与第一光束分量的回射目标物部分(409)的干涉仪部分(411)合并，响应于第一光束分量的回射目标物部分(409)的干涉仪部分(411)与第二光束分量(405)之间的干涉，条纹计数器(426)产生第二输出信号。
2.根据权利要求1的光学测量系统，其中进一步包括反向望远组件(428)，反向望远透镜组件(428)夹在第一分束器(420)与条纹计数器(426)之间，反向望远透镜组件(428)减少由目标物(410)的取向变化导致的至少第一光束分量的回射目标物部分(409)的干涉仪部分(411)的角偏离。
3.根据权利要求1的光学测量系统，其中进一步包括计算机(520)和至少一第一数据线(522A)，数据线将至少第一输出信号和第二输出信号传送到计算机(520)，计算机(520)依据第一输出信号计算目标物(504A)的取向变化，以及依据第二输出信号计算目标物(504A)的平移。
4.根据权利要求1的光学测量系统，其中进一步包括偏振保持光纤(402)以及第二透镜(404)，偏振保持光纤(402)将来自激光器(400)的激光束(403)传送到第二透镜(404)，第二透镜(404)将激光束(403)导向第一分束器(420)。
5.一种测量目标物的平移和旋转的方法，包括将激光束分束为出射目标物光束(407)和基准光束(405)；将出射目标物光束(407)导向镜面反射目标物(410)，出射目标物光束(407)被目标物(410)反射而成为回射目标物光束(409)；将回射目标物光束(409)分束为干涉仪光束(411)和自准直仪光束(436)；测量自准直仪光束(436)的方向变化；产生与自准直仪光束(436)的方向变化相应的第一输出信号，将第一输出信号传送到计算机(520)。叠加基准光束(405)和干涉仪光束(411)，以产生最小和最大干涉；用条纹计数器(426)检测最小和最大干涉；产生与条纹计数器(426)所检测的最小和最大干涉相应的第二输出信号，将第二输出信号传送到计算机(520)；以及依据第一输出信号计算目标物的取向变化，依据第二输出信号计算目标物的平移。
全文摘要
一种光学测量系统，组合使用光学干涉仪(406)与光学自准直仪(408)，以增加用发出单束激光(403)的激光器(400)进行的平移、摇摆和俯仰测量数。用干涉仪(406)内的条纹计数器(426)进行平移测量。用自准直仪(408)内的侧向效应光电二极管(434)进行摇摆和俯仰测量。回射的目标物光束(409)内的角偏离效应可通过反向望远透镜组件(428)最小化，从而可在不显著降低平移测量精度的情况下测量更宽的角度范围。
文档编号G01B9/02GK101065640SQ200580027798
公开日2007年10月31日 申请日期2005年8月16日 优先权日2004年8月16日
发明者凯姆.C.刘, 刘元群 申请人:凯姆.C.刘, 刘元群