专利名称：光位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及确定物体位移，例如，线位移，角位移，振动等的小型和廉价光位移传感器。
背景技术：
提供用于确定物体运动的小型和廉价传感器是人们一直以来追求的目标。
在“Detection of movement with laser speckle patternsstatisticalproperties”一文中，Schnell et al.，Vol.15，No.1，January 1998，J.Opt.Soc.Am.，公开一种用于确定漫射物体面内运动的传感器。物体被相干光照射，而光与物体表面的相互作用形成散斑图形。两个交叉差分梳状光检测器阵列的作用是散斑图形空频谱的周期性滤波器。检测器产生零偏置的周期输出信号与位移的关系，它可以测量任何低速的运动。利用第二对交叉梳状光检测器阵列产生的正交信号，可以检测运动的方向。
在WO 98/53271中，公开一种用于确定物体上一个或多个部分角位移的传感器。这种确定方法也是基于散斑图形，它与到物体的距离，任何的纵向和横向运动，物体的形状，和角位移的半径无关。
在T.Ushizaka，Y.Aizu，and T.Asakura“Measurements ofVelocity Using a Lenticular Grating”，Appl.Phy.B 39，97-106(1986)，和Y.Aizu“Principles and Development of Spatial FilteringVelocimetry”，Appl.Phy.B 43，209-224(1987)中，公开一种利用所谓双凸透镜光栅以偏转从粒子散射的光到光电检测器。遍历测量体积的粒子被来自He-Ne激光器(5mW)的漫射光照射，它照射在测量体积中放置的毛玻璃片。公开的测量系统的基本特征是，把运动物体成像到双凸透镜光栅。因此，必须准确地控制双凸透镜光栅与运动粒子之间的距离。此外，把一组透镜放置在透镜阵列之后，为的是合适收集进入到检测器的光。这种方法不可能实现小型的单元件光学系统。
发明内容
因此，需要一种更小型和廉价的位移传感器，以及不要求准确控制与物体之间距离的传感器。
按照本发明，利用一种用于检测物体位移的光位移传感器系统，可以实现上述和其他的目的，它包括相干光源，利用空间相干光至少照射部分的物体；至少有三个光学元件的光学部件，用于把空间中不同的特定第一区域映射成空间中基本相同的第二区域，从而产生第一区域中运动物体发射光的相位变化造成的振荡光信号。
本发明的基本特征是利用重复光学结构，即，光学部件，形成被照射运动物体发射的重复光信号，其中借助于1)利用光源照射重复光学结构以形成条纹图形(类似于激光多普勒风速测定法)，和/或2)利用光源照射物体并由重复光学结构把来自被照射物体的光转向到光传感器。
光源照射物体，从而在该物体上形成散斑图形。散斑图形随物体的运动而运动，而散斑图形运动的确定不需要把物体成像到重复光学结构，即，光学部件。
由于散斑图形没有成像到光学部件上，物体与光学部件之间的距离和可能的距离变化基本不影响系统的性能。
在适合于激光多普勒风速测定法应用的本发明实施例中，提供的准直光源用于照射光学部件，而成像系统用于成像光学部件到测量体积，从而在测量体积中形成条纹图形。
在本发明另一个实施例中，从物体发射的光是在输入平面上被接收。光学部件沿与光学部件中对应元件基本相同的方向引导从输入平面不同部分发射的光。
在本发明另一个实施例中，把上述的实施例进行组合，即，利用光学部件传输相干光到物体并接收从物体发射的光。
借助于对光学部件的照射，把来自光源的光束分成多个光束以增加安全性，因为它降低了可能意外进入人眼的单个光束功率。
此外，可以增大信噪比，因为条纹状图形投射到物体上使散斑谱对应于光学部件的最佳值。
各个光学元件在光入射到上面时可以通过反射，折射，散射，衍射，或单独或组合的方式，与光发生相互作用。因此，单个光学元件可以是透镜，例如，柱面透镜，球面透镜，费涅耳透镜，球状透镜等，棱镜，棱镜端头，反射镜，液晶，等等。
或者，光学部件可以由衍射光学元件构成，例如，全息透镜等。
此外，光学部件可以包括正弦调制薄膜厚度的线性相位光栅，例如，光致抗蚀剂薄膜。
在与各个光学元件相互作用之后，光可以传输通过光学元件或从有合适反射涂层的光学元件上反射。该系统还包括至少有一个光检测器元件的检测器，用于把入射的光转换成对应的电信号。检测器放置在从光学部件发射的光传播路径上。
研究这样的实施例可以最容易地理解本发明，其中光学部件是由柱面透镜直线阵列构成的重复光学部件。透镜的焦距可以是正的或负的。为了简单化，在附图中仅画出正透镜。输入平面是在透镜阵列之前的位置，它的距离等于透镜的焦距，且输入平面垂直于从物体发射的输入光传播方向。
物体表面上有允许形成散斑图形的尺寸。物体表面的粗糙度可以形成散斑图形，因为表面偏差改变入射光各个部分的相位是不同的。最好是，激光照射至少部分的表面，从而在输入平面上可以检测到电磁场变化造成的散斑图形，例如，利用强度测量。以下，称这种电磁场强度变化为“散斑变化”。当物体发生位移时，散斑变化是沿输入平面运动，其速度正比于表面的速度或转速。各个光学元件把光引向实施例中的光检测器。当输入平面上散斑变化运动的距离等于单个光学元件的宽度时，从单个光学元件发射对应的光横扫光检测器的面积。这种情况对于下一个光学元件是重复地进行，可以看出，当散斑变化遍历的距离等于直线阵列的长度时，光检测器被重复扫描的次数等于直线阵列中单个光学元件的数目。可以看出，对于输入平面上正常的散斑变化图形，其中散斑尺寸与单个光学元件的尺寸基本相同，则检测器元件上电磁场强度是在散斑变化的明亮区域与光学元件对准时的高强度与在散斑变化的黑暗区域与光学元件对准时的低强度之间变化，且振荡频率对应于沿直线阵列纵向延伸方向的散斑变化位移速度除以阵列间距，即，单个相邻光学元件之间的距离。
这个工作原理通常也适用于本发明的其他实施例，它与使用的光学部件类型，物体的图像是否成像在输入平面上无关。例如，大致位于输入平面上并发射发散光束的点光源可以照射物体。辐射被物体漫反射并在输入平面上被接收。众所周知，输入平面上散斑变化的位移是物体表面上对应位移的两倍，不管物体与输入平面之间的距离是多少。
或者，物体可以被准直光束照射，在这种情况下，输入平面上散斑变化的位移等于物体表面上的对应位移，它独立于物体与输入平面之间的距离。
在本发明另一个实施例中，傅里叶变换透镜放置在物体与输入平面之间，使输入平面就是在傅里叶变换透镜的傅里叶平面位置，即，透镜的后焦面，从而可以确定物体的角位移，它独立于物体与输入平面之间的距离。此外，检测的频率独立于转动物体的曲率半径，也与波长无关。除此以外，物体的横向位移仅引起散癣的去相关，但不造成散斑的位移。
光学部件在输入平面上提供电磁场的空间滤波，它使尺寸与单个光学元件尺寸相当的运动散斑变化可以产生振荡的检测器信号。利用这个信号的零交点检测，可以测量运动的速度。
可以看出，利用本发明实施例中有光学元件的二维阵列，可以确定二维的散斑位移。
在本发明的一个优选实施例中，该系统还包括成像系统，用于把部分的输入平面成像到至少一个传感器，从而使每个光学元件与成像系统的组合把输入平面上的特定部分成像到输出平面上相同的特定区域，因此，与相邻各个光学元件有相同相对位置的输入平面上各点成像到光检测器的相同点。如以下进一步解释的，没有成像系统，对于输入平面上的对应点，它们相对于各个光学元件有相同的相对位置，检测器上成像点之间的距离很小。然而，系统的准确性可能仍然足够，它与系统的实际尺寸有关。
光学部件与上述成像系统可以合并成单个物理组件，例如，模压塑料组件，为了得到适合于批量生产的更小型系统。
具有光学部件的位移传感器可以确定输入平面上沿光学部件方向的散斑变化运动。放置在物体与输入平面之间的光学系统确定物体运动的类型，它是把来自特定物体运动的散斑变化转换成系统输入平面上直线散斑位移而确定的。物体的运动可以是面内或面外转动和/或位移，例如，一维位移或二维位移，一维速度或二维速度，角位移，角速度，等等。
检测器元件的数目，尺寸，和位置以及从该元件得到的信号处理，例如，相减，相加等，可以确定输出信号中的谐波抑制。具体地说，若得到正交(或准正交)信号，则可以探测散斑变化的运动方向。
本发明的一个重要优点是，位移传感器仅包含少量光检测器元件，例如，1个，2个，4个，6个，或7个元件。
通过提供第二组光检测器元件，可以减少速度信号丢失的发生，第二组光检测器元件相对于现有一组检测器元件有位移，因此，在没有来自某一组检测器元件信号期间，可以从另一组检测器元件得到统计独立于该组信号的另一个信号。因此，通过合适处理这两个信号，例如，交换到产生速度信号的另一组检测器元件，可以使信号丢失的发生率减至最小。
为了更好地理解本发明，现在通过举例参照以下的附图，其中图1表示按照本发明一个优选实施例的位移传感器示意图，
图2说明图1所示位移传感器的工作原理，图3表示按照本发明另一个优选实施例的位移传感器示意图，图4说明图3所示位移传感器的工作原理，图5表示图1所示位移传感器中电磁波传播的示意图，图6表示有费涅耳透镜阵列的位移传感器示意图，图7表示有正弦调制薄膜厚度的线性相位光栅的位移传感器示意图，图8表示有棱镜阵列的位移传感器示意图，图9说明图8所示位移传感器的工作原理，图10表示具有棱镜端头阵列的位移传感器示意图，图11说明图10所示位移传感器的工作原理，图12表示类似于激光多普勒风速计工作的一个实施例，图13表示类似于激光多普勒风速计工作的另一个实施例，图14表示适合确定粒子速度的一个实施例，其中可以确定粒子速度的方向，图15是图12或13所示实施例检测器元件信号的曲线图，图16是位移的光检测器元件信号的曲线图，该信号相对于图14所示信号有相位延迟，图17是图14与图15所示信号之差的曲线图，图18说明本发明一个实施例中输出平面的定义，图19说明本发明另一个实施例中输出平面的定义，图20说明本发明另一个实施例中输出平面的定义，图21表示按照本发明位移传感器中各个光学元件的组合方法，图22表示按照本发明位移传感器中各个光学元件的另一种组合方法，图23说明按照本发明位移传感器中各个光学元件与棱镜阵列的组合，图24表示按照本发明位移传感器中各个光学元件与棱镜组合的示意图，
图25表示按照本发明另一种位移传感器中各个光学元件与棱镜组合的示意图，图26表示棱镜端头的二维阵列示意图，图27表示电磁波传播到被棱镜端头折射的检测器平面，图28表示按照本发明线位移传感器系统的工作示意图，图29表示按照本发明另一种线位移传感器系统的工作示意图，图30表示按照本发明用于确定角位移的位移传感器系统的工作示意图，图31表示按照本发明用于确定线位移的反射配置示意图，图32表示按照本发明用于确定角位移的反射配置示意图，图33表示按照本发明用于确定2D角位移的反射配置示意图，图34表示按照本发明用于确定2D线位移的反射配置示意图，图35表示有三个双凸透镜阵列的实施例示意图，图36表示有四个双凸透镜阵列的实施例示意图，图37表示简单检测器配置的示意图，图38是图37所示检测器给出的信号曲线图，图39是图38所示信号的功率谱曲线图，图40表示另一种检测器配置的示意图，图41是图34所示检测器给出的信号曲线图，图42是图41所示信号的功率谱曲线图，图43表示另一种检测器配置的示意图，图44是图43所示检测器配置给出的信号曲线图，图45是图44所示信号的相位曲线，图46表示另一种检测器配置的示意图，图47是图46所示检测器给出的信号曲线图，图48是图47所示信号的相位曲线，图49表示本发明小型化的实施例示意图，图50表示本发明另一种小型化的实施例示意图，图51表示有共同发射和接收光学元件的实施例示意图，
图52表示图51所示实施例的工作原理示意图，图53表示图51所示实施例中被照射物体表面的强度分布图，和图54表示图51所示实施例对人眼的(意外)照射。
具体实施例方式
图1表示按照本发明有柱面透镜18直线阵列12的位移传感器10示意图。f1是柱面透镜18的焦距。输入平面14所在的位置等于透镜18的焦距f1，且它垂直于从物体(未画出)发射输入光的传播方向16。在这个实施例10中，部分的物体(未画出)表面散射光到输入平面14上。最好是，激光照射部分的表面，而在输入平面上产生散斑图形。当物体发生位移时，散斑变化沿输入平面14相应地运动。各个柱面透镜18引导光16，20射向焦距为f2的折射透镜22，并放置在离直线阵列12等于f1+f2的距离上。透镜22还折射光20进入到传向透镜22焦平面上放置的光检测器元件26，28，和30的波24。按照这种方式，输入平面14重复地成像到输出平面15。光检测器元件26，28，和30是在这样的位置，它们接收光的各个表面是与输出平面15重合。可以看出，输入平面的区域32成像到检测器元件28的区域34，而相对于相邻各个柱面透镜18的相同相对位置上对应区域36成像到检测器元件26，28，和30构成光检测器的相同区域34。
应当注意，为了便于解释位移传感器10的工作，选取直线阵列12与透镜22之间的距离等于本例子中的f1+f2。然而，位移传感器10可以工作在直线阵列12与透镜22之间有任何的距离。为了满足小型化的要求，最好设置该距离为0。
还应当注意，在图28所示的成像系统中，物体的角位移不会导致输入平面上散斑变化的平移。然而，物体的角位移通常导致散斑沸腾。
图2进一步说明图1所示位移传感器的工作原理。若输入平面14上散斑变化16移动的距离38等于单个光学元件18的宽度Λ0，即，间距，则透镜22和各个柱面透镜18组合形成的对应图像横扫光检测器元件26，28，和30的区域40。对于其他的光学元件18，这种情况也重复地进行，因此，可以看出，若散斑变化遍历的距离等于直线阵列12的长度时，则重复扫描光检测器元件26，28，和30的次数等于直线阵列12中单个光学元件的数目。可以看出，对于输入平面上平均散斑尺寸与单个光学元件18尺寸38相当的正常散斑变化图形，光检测器元件26，28，30上的电磁场强度是在散斑变化的明亮区域与光学元件26，28，30对准的高强度与散斑变化的黑暗区域与光学元件26，28，30对准的低强度之间变化，且振荡频率对应于沿直线阵列12纵轴延伸方向Δx的散斑变化位移速度除以阵列间距，即，单个相邻光学元件之间的距离。
如上所述，相同的工作原理通常适用于本发明的其他实施例，它与使用的光学部件类型无关，也与物体的图像是否形成在输入平面14上无关。
再参照图1和图2，其中Λ0表示光学部件12的间距，而f1是光学部件12中单个光学元件18的焦距和f2是透镜22的焦距，检测器平面26和30中的距离D0是被遍历输入平面的散斑重复地横扫，距离D0是由以下的公式给出D0=Λ0f2f1]]>在检测的电信号中，D0对应于信号的周期，即，360°相移。这个公式适用于光学部件12与透镜22之间的任何距离。
对于系统的孔径D，例如，在图1中孔径D等于透镜22的直径，最好是，应当满足以下的公式Df2≥Λ0f1]]>此外，最好是，各个光学元件的效应是由透镜效应而不是由衍射效应控制，即f1kΛ02<<1]]>其中k是光的波数。图3表示按照本发明另一种位移传感器11的示意图，它没有透镜22，即，没有把输入平面14成像到输出平面15的成像系统。在这个实施例中，检测器元件26，28，30的接收区域确定输出平面15。从图4中可以更清楚地看出，若没有成像系统，则检测器元件26，28，30中成像点34之间有很小的距离，它对应于输入平面14上相对于各自光学元件18有相同相对位置的点32。然而，系统11仍然有足够的准确度，且它取决于系统11的实际尺寸。
在图5中，进一步描述图1所示位移传感器的图像形成，可以看出，光检测器元件28与入射光24之间相交点34的位置与入射到输入平面14上电磁波16的倾斜无关。它仅取决于输入平面14与输入波16之间相交点32相对于相邻光学元件18的位置。
图6表示类似于图1所示传感器的位移传感器示意图，其中费涅耳透镜阵列代替柱面透镜的直线阵列。还可以利用衍射光学元件42代替柱面透镜的直线阵列。
同样地，图7表示类似于图1所示传感器的位移传感器示意图，其中柱面透镜的直线阵列已被正弦调制薄膜厚度的线性相位光栅43代替，例如，光致抗蚀剂薄膜。利用两个相交光束的干涉图形曝光(厚)光致抗蚀剂板，可以制成相位光栅。入射光主要衍射成“+1”和“-1”级。除此以外，非衍射光直接传输通过相位光栅。
在图8中，描述图3所示另一个实施例的位移传感器，其中柱面透镜的直线阵列被棱镜的直线阵列44代替。每个棱镜的两个侧面折射入射光线到两个单独的检测器元件26，30。
图9更清楚地说明图8所示位移传感器的工作原理，其中当散斑变化沿它的纵轴延伸方向遍历直线棱镜阵列44时，散斑变化交替地指向两个单独的检测器元件26，30。
在图10中，我们描述一个类似实施例的位移传感器，其中柱面透镜的直线阵列被棱镜端头的直线阵列44代替。如同以上一样，每个棱镜的两个侧面折射入射光线到两个单独的检测器元件26，30，而棱镜的上表面传输或折射入射光线到第三个检测器元件28。
图11更清楚地说明图10所示位移传感器的工作原理，其中当散斑变化沿它的纵轴延伸方向遍历直线棱镜端头阵列44时，散斑变化交替地指向三个单独的检测器元件26，28，30。
应当注意，棱镜折射光波的传播方向取决于入射光传播方向的倾斜。还应当注意，检测器信号之间的相差是固定的。本发明这些实施例的重要优点是，相差是由光学部件的几何形状确定，而与检测器元件的位置无关。另一个优点是利用棱镜便于使用小型检测器。
图12表示本发明另一个实施例80，其工作原理类似于激光多普勒风速计。从点光源激光器84发射的光82被透镜86准直，而准直的光照射柱面透镜的阵列12。透镜88和90形成望远镜，它把柱面透镜12的聚焦斑点成像到测量体积92中，从而在测量体积92中形成一组直和等间隔的条纹平面94。可以看出，条纹94占有的第一区域映射成激光源84的相同第二区域96。
图13表示类似于图12所示实施例80的本发明另一个实施例100。然而，在这个实施例中，球面透镜阵列12代替图12中的柱面透镜阵列。这导致等间隔和直的圆柱聚焦线94。
经过测量体积中建立条纹的粒子或固体表面可以散射光。放置在任意位置的检测器产生调制信号，其频率是由垂直于条纹的速度分量除以条纹之间距离给出。
图14表示用于测量粒子速度106的图1所示实施例102。激光束104聚焦到测量体积108，它成像到具有透镜f1的系统输入平面15上。当粒子110遍历测量体积108时，它的图像112遍历柱面透镜阵列12，而每个检测器26，28，30接收类似于激光多普勒风速计中条纹产生信号的振荡光信号。因此，每个检测器元件26，28，30接收来自粒子110的光，似乎粒子110遍历以下标记为虚拟条纹的一组条纹。图15是从一个检测器元件响应于振荡光信号产生的输出信号114曲线图。图16表示来自相邻检测器元件的对应信号116。由于检测器元件之间的实际位移，这个信号116相对于图15所示信号114有相移。因为这两个信号的低频部分是基本相同的，两个信号114与116之差是图17所示的AC信号118。最好是，两个检测器元件26，28；28，30之间的相移基本上等于90°，因此，可以导出粒子速度的方向，从而不需要昂贵的Bragg单元。入射激光束的角度是不重要的。正向散射系统提供最大的信号，然而，反向散射系统在某些方面是优选的。
在本发明的这个实施例102中，可以看出，对应于虚拟条纹的测量体积108中第一区域映射成检测器元件中相同的第二区域。
图18说明该系统输入平面14的定义。在图1所示实施例10中，由检测器元件26，28，30表面定义的输出平面15被透镜阵列12与透镜22的组合成像到输入平面14。因此，从输出平面15发射的光线120被光学部件12中元件18聚焦到输入平面14。
图19说明图13所示实施例11中输入平面14的定义。在这个实施例11中没有成像系统，然而，从输出平面15发射的光线120仍然被光学部件12中元件18聚焦到输入平面14。
图20说明图8所示实施例中输入平面14的定义。在这个实施例中也没有成像系统，然而，从输出平面15发射的光线120被光学部件44中元件聚焦到输入平面14。
图21-23说明上述位移传感器中各个光学元件的各种组合方法，为的是提供适合于批量生产的更小型系统。
在图24和38中，光学元件已与棱镜进行组合以限制系统的直线扩展。在图25中，图13所示的透镜22被凹面反射镜23代替。
图26表示用于确定二维散斑位移的棱镜端头二维阵列46形式的重复光学部件示意图。图27表示被棱镜端头折射的光波50的电磁波传播。可以看出，平坦的顶部棱镜把入射光束折射到5个不同检测器元件的5个方向。检测器元件输出信号之间的相差仅取决于平坦顶部棱镜的几何形状。它与检测器元件的位置无关。棱镜阵列44，46，48便于使用小型检测器元件。
图28表示按照本发明位移传感器系统52的示意图，包括成像系统54，用于成像运动物体58的部分表面56到图1所示位移传感器10的输入平面14。利用准直激光束60照射物体58，因此，沿输入平面14与输入平面14上确定的图28所示平面之间交线的速度分量是成像系统54的放大率与表面56上相应速度分量的乘积。
图29表示位移传感器系统62的示意图，它不同于图28所示的位移传感器系统，系统62没有成像系统54，且利用输入平面14上放置的点光源，例如，VCSEL，发射的发散激光束64照射物体58，。众所周知，输入平面上的散斑变化位移是物体表面上相应位移的两倍，它与物体与输入平面之间的距离无关。因此，沿输入平面14与输入平面14上确定的图29所示平面之间交线的速度分量是表面56上相应速度分量的两倍。
图30表示按照本发明另一种位移传感器系统66的示意图，包括傅里叶变换透镜70，它的傅里叶平面，即，透镜70的后焦面，与图1所示位移传感器系统10的输入平面14重合。利用准直激光束照射物体68，且输入平面上沿输入平面14与图18所示平面之间交线的散斑速度分量对应于物体68的角速度。
应当注意，物体68的平移并不导致输入平面上散斑变化的平移。然而，物体68的平移通常导致散斑沸腾。
图31表示具有反射部件12用于确定线位移的位移传感器系统75的示意图，包括圆柱凹面反射镜18的直线阵列，可以完成类似于图1所示柱面透镜光学功能的光学功能。该位移传感器工作原理类似于图3所示传感器，不同的是，图31所示的光学部件12反射光，而图3所示的对应光学部件12折射光。
图32表示具有反射部件12用于确定角位移的另一种位移传感器系统76的示意图，包括圆柱凹面反射镜18的直线阵列。该系统的工作原理类似于图30所示的系统，然而，应当注意，在系统76中，图30所示系统中透镜22和70的功能组合成一个透镜22。
图33表示用于确定二维转动的的位移传感器系统77的示意图。系统77类似于图32所示的一维系统76，然而，圆柱凹面反射镜的直线阵列被球形凹面反射镜18的二维阵列12代替，且增加两个光检测器元件27，29，它们与检测器元件28的组合便于检测沿某个方向的散斑运动，该方向垂直于光检测器元件26，28，30组合所检测的运动方向。
同样地，图34表示用于确定二维位移的位移传感器系统78的示意图。系统78类似于图31所示的一维系统75，然而，圆柱凹面反射镜的直线阵列被球形凹面反射镜18的二维阵列12代替，且增加两个光检测器元件27，29，它们与检测器元件28的组合便于检测沿某个方向的散斑运动，该方向垂直于光检测器元件26，28，30组合所检测的运动方向。
图35表示用于同时确定二维位移和面内转动的位移传感器系统130的正视图。系统130包括放置在准直透镜134之后的VCSEL 132，使物体被准直光束照射。三个双凸柱面透镜阵列136，138，140放置在共同的平面上，它们互相之间的角距约为120°，用于确定各个箭头142，144，146指出的速度分量。检测器148，150，152放置在各自的双凸透镜阵列之后，可以把接收的光转换成电信号。速度分量Vx和Vy是由坐标系统154定义。按照公式156计算Vx和Vy以及转速Vφ。
图36是用于同时确定二维位移和面内转动的位移传感器系统130的正视图。系统160包括放置在附图中准直透镜164之后的VCSEL 162，使物体被准直光束照射。四个双凸柱面透镜阵列166，168，170，172放置在共同的平面上，它们互相之间的角距约为90°，用于确定各个箭头174，176，178，180指出的速度分量。检测器182，184，186，188放置在各自的双凸透镜阵列之后，可以把接收的光转换成电信号。按照公式190计算速度分量Vx和Vy以及转速Vφ。
图37表示本发明一个实施例基本检测器元件的配置80。图38是检测器信号82的曲线图，而图39是检测器信号的功率谱84曲线。应当注意，功率谱84的低频部分86和二次谐波88是十分显著的。低频噪声导致运行平均值的变化，它在基于零交点检测的速度确定中引入很大的误差。检测器宽度的选取是为了最大抑制基频的三次谐波。假设检测器元件的输出信号是矩形，因此，检测器的功率谱函数是sinc函数。为了消除检测器输出信号的每个三次谐波，选取每个检测器元件的宽度基本等于检测器阵列总宽度的1/3，选取总宽度等于散斑遍历输入平面时重复扫描的宽度。在图40中展示两个匹配检测器元件92，94的配置。这两个检测器元件之间的距离对应于180°的相移。把检测器元件的输出信号相减以抑制信号的低频部分和基频中的偶次谐波频率。图41画出两个差分信号96，而图42是它的功率谱曲线98。通过与图39的比较，可以清楚地看出对低频部分86和二次谐波88的抑制。
图43表示准90°相差检测器配置100，其中六个相同尺寸的检测器形成两个相减信号102，104。这两个相减信号102，104是60°的相差，所以，它适合于确定散斑平移的方向或亚弧度相位分辨率。在这种配置100中，不改变检测器宽度106，不可能获得准确的90°相差，从而减小对三次谐波的抑制。在图44中画出相减的准90°相差信号108，110，而图45是信号108，110的相位曲线112。相位曲线112是椭圆形，便于确定散斑平移的方向和亚弧度测量的准确度。然而，由于相位曲线的椭圆形，这种配置是噪声灵敏的。
图46所示的检测器配置114提供基本准确的90°相差检测器装置。七个三种不同尺寸的检测器形成两个相减信号116，118。这两个信号116，118是90°相差，所以，便于确定物体速度的方向和亚弧度的相位分辨率。图47是相减90°相差信号120，122的曲线图，而图48是对应的相位曲线124。相位曲线124是圆形，便于确定物体速度的方向和亚弧度的测量准确度。相位曲线中的圆形轨迹使这种配置对噪声较不灵敏。
图49和50表示本发明优选小型化的实施例。输入平面与靶面之间的工作距离是40mm。柱面透镜阵列的间距是30μm，而焦距是38.7μm。检测器元件26，28之间的距离是1.6mm，而透镜22与检测器元件26，28之间的距离是3.2mm。
以下，参照图51-54公开本发明的实施例200，其中光学部件12是柱面透镜阵列12，它用于传输相干光到物体204并接收从物体204发射的光。在这个实施例中，从VCSEL 202发射的光束被透镜22准直，并被柱面透镜阵列12分成多个光束以照射物体204。这具有两个重要的优点1)散斑引起的信号被多个光束调制，从而使散斑谱集中到系统优化的频率范围，2)系统的安全分类是基于单个光束的功率。
在许多应用中，直接接入发射的辐射可能产生这样的问题，因为波长是在近红外区(约850nm)，其中安全性规则是最严格的。这是由于眼睛能够聚焦辐射到视网膜，而在这个波长区眼睛的灵敏度是极低的。这意味着，损伤辐射可以在没有来自探测系统的合适警告下发生，即，视觉冲击。所以，这个问题对于激光基系统的用户是极其重要的，特别是消费者的产品。
激光安全标准“Safety of laser product，Part 1，IEC 60825-1，Ed.1.1，1998-01”，描述可见光和近红外光对视网膜损伤的主要安全性威胁。对特定类激光产品制订最大容许发射电平(AEL)。最低级的激光产品是第1级。它要求消费者市场的激光基产品属于第1级。
对于直径为1mm的850nm准直光束，AEL是0.24mW，在此以下的电平对视网膜不会造成损伤。然而，在大部分应用中，这个电平不足以产生可接受的信号。
然而，在所描述的实施例中，VCSEL 202发射直径为0.4mm的850nm光束。在眼睛直径约为50mm的情况下，视网膜上衍射受限光斑约为0.12mm。在发射如图54所示的准直光束时，其角距约为3°，单独的光斑形成在距离约为2.5mm的视网膜上。基本上没有光斑的重叠，所以，每个单独光斑应当满足AEL的最大要求。然而，VCSEL发射的总功率可以是几倍于AEL值。
利用多个光束照射物体，散斑被与透镜阵列周期性结构匹配的周期性结构调制。这造成具有预期较强信号的莫尔效应。图51表示该实施例的示意图。图53表示具有以下参数的被照射物体204上的强度分布As是透镜阵列位置上的孔径直径Wd是到物体的距离λ是发射光的波长Λ0是透镜阵列中单个透镜的宽度，即，阵列的间距fc是透镜阵列的焦距。
在As＝1mm，Wd＝3mm，λ＝1μm，Λ0＝15μm，和fc＝30μm的实施例中，水平的光斑间隔是200μm，而光斑高度是1.5mm。透镜阵列处的散斑谱在某个频谱位置具有最大值，如图53中的表达式所示，频谱位置等于波长与物体到透镜阵列距离的乘积除以光斑的间隔。
为了确定二维运动，在光程中可以配置两个垂直的重叠透镜阵列。
权利要求
1.一种用于检测物体位移的光位移传感器系统，包括相干光源，利用空间相干光至少照射部分的物体；至少有三个光学元件的光学部件，用于把空间中不同的特定第一区域映射到空间中基本相同的第二区域，从而产生第一区域中运动物体发射光相位变化造成的振荡光信号。
2.按照权利要求1的系统，其中光学部件至少有三个基本相同的光学元件。
3.按照权利要求1或2的系统，其中光学部件是包含基本相同光学元件的重复光学部件。
4.按照以上权利要求中任何一个的系统，还包括至少有一个光检测器元件的检测器，用于把光信号转换成对应的电信号。
5.按照以上权利要求中任何一个的系统，其中光学元件是透镜。
6.按照权利要求5的系统，其中光学元件是柱面透镜。
7.按照权利要求5的系统，其中光学元件是球面透镜。
8.按照权利要求5的系统，其中光学元件是费涅耳透镜。
9.按照权利要求5的系统，其中光学元件是利用正弦调制基片厚度的线性相位光栅制成。
10.按照权利要求1-5中任何一个的系统，其中光学元件是棱镜。
11.按照权利要求1-5中任何一个的系统，其中光学元件是棱镜端头。
12.按照权利要求1-5中任何一个的系统，其中光学部件是衍射光学元件。
13.按照以上权利要求中任何一个的系统，其中光学元件反射光。
14.按照以上权利要求中任何一个的系统，其中光学部件是光学元件的直线阵列。
15.按照以上权利要求中任何一个的系统，其中光学部件是二维阵列。
16.按照以上权利要求中任何一个的系统，其中激光照射物体。
17.按照权利要求4-16中任何一个的系统，包括用于接收从物体发射光的输入平面，且其中光学部件适合于沿与光学部件中对应元件基本相同的方向引导从输入平面不同部分发射的光。
18.按照权利要求17的系统，还包括映射系统，把具有特定入射角的光映射到至少一个光检测器元件的对应特定位置。
19.按照权利要求18的系统，其中光学部件和映射系统合并成单个物理组件。
20.按照权利要求17-19中任何一个的系统，还包括放置在物体与输入平面之间的傅里叶变换透镜，使输入平面位于傅里叶变换透镜的傅里叶平面，从而可以确定物体的角位移。
21.按照权利要求17-20中任何一个的系统，其中利用基本位于输入平面上点光源发射的发散光束照射物体。
22.按照权利要求17-20中任何一个的系统，其中准直光束照射物体。
23.按照权利要求17-22中任何一个的系统，其中输入平面上形成的散斑平均尺寸与单个光学元件的尺寸基本相同。
24.按照以上权利要求中任何一个的系统，其中相干光源照射光学部件，用于形成照射物体的多个光束。
25.按照以上权利要求中任何一个的系统，还包括用于照射光学部件的准直光源。
26.按照权利要求25的系统，还包括成像系统，用于把光学部件成像到测量体积，从而形成条纹图形。
27.按照以上权利要求中任何一个的系统，还包括多个光学部件，它们放置在与至少三个光学元件基本共同的平面上，用于把空间中不同的特定第一区域映射到空间中基本相同的第二区域，从而确定共同平面上的不同速度分量。
28.按照权利要求4-27中任何一个的系统，其中选取光检测器元件的合适宽度，用于最佳抑制检测器信号基频的三次谐波。
29.按照权利要求4-28中任何一个的系统，其中检测器包括第一组两个匹配光检测器元件，它们之间的距离对应于基频中约180°的相移。
30.按照权利要求29的系统，其中检测器还包括第二组两个匹配光检测器元件，它们之间的距离对应于约180°的相移，有相互距离的两组检测器元件之间差信号的相位对应于约60°的相移。
31.按照权利要求29的系统，其中检测器还包括第二组两个匹配光检测器元件，它们之间的距离对应于约180°的相移，有相互距离的两组检测器元件之间差信号的相位对应于约90°的相移。
32.按照权利要求4-31中任何一个的系统，还包括第二组光检测器元件，它们相对于至少一个光检测器元件有位移，用于提供统计独立于该至少一个光检测器元件输出信号的输出信号，从而使因信号丢失造成信号不足的影响最小。
全文摘要
本发明涉及一种小型和廉价光位移传感器，它不要求准确控制与物体之间的距离。利用重复光学结构形成被照射运动物体发射的重复光信号。光源照射重复光学结构以形成条纹图形(类似于激光多普勒风速测定法)，和/或光源照射物体，重复光学结构把来自被照射物体的光转向到光传感器。照射使物体上形成散斑图形。散斑图形随物体的运动而运动，不需要把物体成像到重复光学结构上，可以确定散斑图形的运动。由于散斑图形没有成像到光学部件，物体与光学部件之间的距离和可能的距离变化基本不影响系统的性能。
文档编号G02B27/10GK1643338SQ03806091
公开日2005年7月20日 申请日期2003年2月13日 优先权日2002年2月14日
发明者斯蒂恩·汉森, 比加克·罗斯, 迈克尔·林德·佳克伯森 申请人:里索国家实验室