专利名称：进行范围绝对测量用的方法和装置的制作方法
背景技术：
本发明是在美国能源部和洛克西德马丁能源研究公司签订的DE-AC05-960R22464合同的指导下，利用美国政府的支持做出的，而且美国政府在本发明中拥有一定的权利。
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(digitaldetection)。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ACI=4I0sin2[R2π2λ(1(A+B)+1D)]-----(1)]]>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CI(n)=4I0(n)sin2[R2π2λ(1(A+B)+1D(n))]---(2)]]>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。
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。
权利要求
1.一种用于对一点与一目标物之间的距离进行绝对测量的系统，包括a.一照准一目标物的激光光源，所述激光光源能产生具有一已知波长的光；b.一被定位在上述激光光源和目标物之间，距离目标物为已知距离A处的第一分束器，上述分束器包括一面向上述激光光源的第一侧面，一面向上述目标物的第二侧面和一背离上述激光光源与上述目标物的第三侧面；c.一屏板，包括一具有已知半径为R的孔、一后侧面，以及面向上述第一分束器的上述第三侧面的前侧面，上述屏板被定位在距离上述分束器为已知距离B处；d.一定位在距离上述屏板为已知距离C处，以面向上述屏板后侧面的第二分束器，上述分束器能在光通过上述孔发射给上述第二分束器时，发射多个射束；e.一由第一光程距D1与上述第二分束器分开的第一探测器，上述第一探测器被定位，以接收从上述第二分束器发出的一束激光，上述第一探测器能测量上述射束的第一中心强度CI1；f.一由和上述第一光程距并不相等的第二光程距D2与上述第二分束器分开的第二探测器，上述第二探测器被定位，以接收从上述第二分束器发出的一束激光，上述第二探测器能测量上述射束的第二中心强度CI2；以及g.一被耦合来接收表示来自上述第一和第二探测器所测射束强度CI1和CI2的信号，并且包括能由其计算距离的算法的处理器。
2.如权利要求1的系统，进一步包括定位在上述屏板和上述第一探测器或者第二探测器之间的一片透明材料。
3.一种用于对一点与一目标物之间的距离进行绝对测量的系统，包括a.一照准一目标物的激光光源，所述激光光源能产生具有一已知波长的光；b.一被定位在上述激光光源和目标物之间，距离目标物为已知距离A处的分束器，上述分束器包括一面向上述激光光源的第一侧面，一面向上述目标物的第二侧面和一背离上述激光光源与上述目标物的第三侧面；c.一屏板，包括一具有已知尺寸的孔、一后侧面，以及面向上述分束器的上述第三侧面的前侧面，上述屏板被定位在距离上述分束器为已知距离B处；d.一定位在上述屏板后侧距离上述屏板为已知距离D处的探测器，上述探测器被定位，以接收从上述激光光源发射的激光束，并且测量上述激光束的强度CI；以及e.一被耦合来接收表示来自上述探测器的所测激光束强度CI的信号，并且包括能由其计算预选距离的算法的处理器。
4.如权利要求3的系统，其中上述探测器包括一CCD摄像机。
5.如权利要求3的系统，其中上述孔具有已知半径R。
6.如权利要求3的系统，其中上述孔的尺寸是可以控制变化的。
7.如权利要求3的系统，其中上述激光光源能够选择性地发射至少两种不同波长的激光，并且其中上述探测器包括一能够滤过为上述探测器所探测的光波长的可调滤光片。
8.一种用于对一点与一目标物之间的距离进行绝对测量的系统，包括a.一照准一目标物的电磁辐射源，所述辐射源能发射一束具有一已知波长的电磁能；b.一被定位在上述辐射源和目标物之间，距离目标物为已知距离A处的分束器，上述分束器包括一面向上述辐射源的第一侧面，一面向上述目标物的第二侧面和一背离上述辐射源与上述目标物的第三侧面；c.一屏板，包括一具有已知尺寸的孔、一后侧面，以及面向上述分束器的上述第三侧面的前侧面，上述屏板被定位在距离上述分束器为已知距离B处；d.一定位在上述屏板后侧距离上述屏板为已知距离D处的探测器，上述探测器被定位，以接收从上述辐射源发射出的电磁辐射束，并且测量上述电磁辐射束的强度CI；以及e.一被耦合来接收表示来自上述探测器的所测射束强度的信号，并且包括能由其计算距离的算法的处理器。
9.如权利要求8的系统，其中所述辐射源是一可调波长的光源。
10.如权利要求8的系统，其中所述辐射源发射微波或者无线电波。
11.如权利要求8的系统，其中所述辐射源发射紫外辐射或X射线。
12.如权利要求8的系统，其中所述辐射源是脉冲光源。
13.如权利要求8的系统，其中所述辐射源发射非相干的电磁辐射。
14.如权利要求8的系统，其进一步包括一定位在上述辐射源和上述分束器之间的透镜。
15.一种用于对一点与一目标物之间的距离进行测量的系统，包括a.一照准一包括一粗糙表面的目标物的电磁辐射源，所述辐射源能发射一束具有一已知波长的电磁能；b.一被定位在上述辐射源和目标物之间，距离目标物为已知距离A的分束器，上述分束器包括一面向上述辐射源的第一侧面，一面向上述目标物的第二侧面和一背离上述辐射源与上述目标物的第三侧面；c.一包括一具有已知尺寸的第一孔的第一屏板，上述第一屏板被定位在上述分束器和上述辐射源之间；d.一第二屏板，包括一具有已知尺寸的第二孔、一后侧面，以及一面向上述分束器的上述第三侧面的前侧面，上述第二屏板被定位在距离上述分束器为已知距离B处；e.一探测器被定位，以接收穿过上述第二孔的光，上述探测器面向上述第二屏板的后侧面；以及f.一被耦合来接收表示来自上述探测器所测射束强度的信号，并且包括能由其计算距离的算法的处理器。
16.如权利要求15的系统，其中所述探测器是一CCD摄像机。
17.如权利要求15的系统，其中所述探测器包括一可变尺寸的透镜开口。
18.一种用于对一点与一目标物之间的距离进行测量的系统，包括a.一照准一目标物的电磁辐射源，所述辐射源能发射一束具有一已知波长的电磁能；b.一探测器被定位，以接收来自上述辐射源的射束；c.一包括定位在上述探测器和上述辐射源之间并与其对准的孔的第一屏板，以使来自上述辐射源的射束通过上述孔的投影产生一衍射图；d.一定位在上述第一屏板和上述探测器之间的透镜，上述透镜被定位，以便压缩或展宽由通过上述孔的上述射束的投影所形成的衍射图；以及e.一被耦合来接收表示来自上述探测器所测射束强度的信号，并且包括能由其计算距离的算法的处理器。
19.一种用于测量一分束器和一目标物之间的绝对距离A的方法，包括以下步骤a.通过分束器向目标物发送一束具有已知波长λ的电磁能；b.从目标物向分束器反射回该束电磁能；从分束器向与分束器间隔为距离B的孔发送该束电磁能，使得该束电磁能的一部分穿过孔传播，以在与孔间隔为D处的探测器上形成菲涅尔衍射图；c.探测在探测器上该束电磁能的中心强度CI；d.探测在探测器上该束电磁能的平均强度I0；并且e.利用以下关系式，确定距离ACI=4I0sin2[R2π2λ(1(A+B)+1D)]]]>
20.一种用于测量一分束器和一目标物之间的绝对距离A的方法，包括以下步骤a.通过分束器向目标物发送一束具有已知波长λ的电磁能；b.从目标物向分束器反射回该束电磁能；c.从分束器向与分束器间隔为距离B的孔发送该束电磁能，使得该束电磁能的一部分穿过孔传播，以在与孔间隔为D处的探测器上形成菲涅尔衍射图；d.探测在第一探测器上该束电磁能的中心强度CI1；e.探测在第二探测器上该束电磁能的第二中心强度CI2；并且f.利用以下关系式，确定距离ACI(n)=4I0(n)sin2[R2π2λ(1(A+B)+1D(n))]]]>
21.一种用于对一点与一目标物之间的距离进行绝对测量的系统，包括a.一照准一目标物的激光光源，所述激光光源能产生具有一已知波长的光；b.一屏板，包括一具有已知尺寸的孔、一后侧面，以及一面向一目标物的前侧面，上述屏板被定位在距离一目标物为已知距离的A+B处；c.一定位在上述屏板后侧距离上述屏板为一已知距离D处的探测器，且上述探测器被定位，以接收由上述激光光源发射并从目标物散射的激光，并测量上述射束的强度CI；以及d.一被耦合来接收表示来自上述探测器的所测射束强度CI的信号，并且包括能由其计算距离的算法的处理器。
全文摘要
本发明涉及一种利用菲涅尔衍射进行距离或者范围绝对测量的方法和装置。本发明应用一具有一已知波长或波长分布的电磁辐射源,其通过一引起电磁辐射被分束(在下文被称为“分束器”)的物体(22)发射一束电磁辐射,然后到达一目标物(18)。该束电磁辐射从该目标物反射到包含一与分束器(22)距离为已知距离的孔的屏板上。该孔被定以尺寸,以便产生一菲涅尔衍射图。该束电磁辐射的一部分穿过孔到达与屏板间隔为已知距离的一探测器。探测器探测射束的中心强度。从引起射束被分束的物体到目标物的距离,随后可以根据已知波长、孔半径,射束强度和从探测器到屏板(26)的距离计算出来。实践本发明方法实施例用的若干装置实施例被进行公开。
文档编号G01B11/02GK1367871SQ99802719
公开日2002年9月4日 申请日期1999年1月14日 优先权日1998年2月4日
发明者阿尔文·J·桑德斯, 丹尼斯·D·厄尔, 斯蒂芬·W·艾利森, 迈克尔·R·凯兹, 威廉·S·凯 申请人:田纳西研究公司大学, Ut-巴特勒有限责任公司