專利名稱：物體的距離和取向測量的制作方法
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行測量的方法。
背景技術(shù)：
非接觸距離測量在工業(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 距離或位移測量領(lǐng)域中是常見的，并且通過使用光學(xué)方法來實現(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，一些計算機直接制版(CTP)成像機使用激光三角測 量原理。這種感測設(shè)備的缺點之一是相對高的成本和形狀因素方面，其對成像頭設(shè)計造成 很大限制。在美國專利7，071，460 (Rush)、4，739，161 (Moriyama 等人)、5，017，112 (Hafle)和 4，801，799 (Tromborg等人)中公開了允許小的傳感器尺寸的非接觸位移測量的另一方法。 所有公開的專利使用兩個或更多個光纖，用于測量到介質(zhì)的距離。每個公開的專利是基于 相對于傳感器的預(yù)定的介質(zhì)取向。對于介質(zhì)取向不是預(yù)定的應(yīng)用(例如計算機直接制版 (CTP)頭校準)，這種假設(shè)無效，并且不可能準確地測量到任意取向的介質(zhì)的距離。圖IA示出了根據(jù)美國專利4，801，799的傳感器的功能，其中介質(zhì)130相對傳感器 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，來自光源100經(jīng)過光纖110和透鏡120的光從介質(zhì)130被 反射，并且經(jīng)過透鏡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)(見美國專利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 號的偏差。換句話說，介質(zhì)130取向角度可能極大改變光傳感器150輸出信號，從而增加測 量誤差或使測量不可能。在成像頭到介質(zhì)的距離測量應(yīng)用中，表面的取向或形狀，或者成像頭到套筒距離 測量經(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量傳 感器的嚴重缺點。此外，成像頭對準偏差，或者套筒或鼓的偏心率變化也影響介質(zhì)到傳感器 距離測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的和改進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)。簡而言之，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種用于測量物體和光源之間的距離并且感 測該物體的取向的方法包括將來自多個光源的光施加在所述物體上；檢測來自物體的反 射能量水平；測量來自所述物體的所述反射能量水平；計算指示與所述物體和所述光源之 間的距離關(guān)系的距離校準函數(shù)；確定在所述距離校準函數(shù)內(nèi)由最小值和最大值指示的至少 一個測量范圍；計算指示在調(diào)制函數(shù)的周期內(nèi)在預(yù)定時隙處采樣的能量水平關(guān)系的角度校 準函數(shù)；以及用所述調(diào)制函數(shù)調(diào)制所述多個光源中的每一個，使得在光發(fā)射的時間期間從 所述多個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)的任何固定時間處測得的光傳感器響應(yīng)信號是介質(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，對介質(zhì)和傳感器之間的距離的測量。該距離由在調(diào)制周期的固定 和預(yù)定點測得的光傳感器響應(yīng)確定，而角度方向和角度值由信號的相位和振幅確定。在介質(zhì)相對于光發(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，測得的光傳感器輸出信號將變?yōu)檎{(diào)制 的，并且該信號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)點將變得明顯。


圖IA和圖IB是圖示說明傳感器功能的現(xiàn)有技術(shù)的示意圖；圖2A-2C是圖示說明本發(fā)明的傳感器功能的示意圖；圖3是圖示說明介質(zhì)到光纖的距離響應(yīng)校準函數(shù)的示意圖；圖4A-4C是圖示說明各種類型的調(diào)制方式的時序圖；圖5是圖示說明當介質(zhì)是垂直于光發(fā)射軸線的取向時光傳感器的響應(yīng)的示意圖；圖6A和圖6B是圖示說明當介質(zhì)取向不垂直于光發(fā)射軸線時光傳感器響應(yīng)的示意 圖；圖7A和圖7B是圖示說明當介質(zhì)取向不垂直于光發(fā)射軸線時光傳感器響應(yīng)的示意 圖；以及圖8是圖示說明具有多個光源的傳感器的示意圖。
具體實施例方式圖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包括信號發(fā)生器205，所述信號發(fā)生器產(chǎn)生控制信號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)來自光源230和240的光。透鏡用于 將來自光纖235和240的光束聚焦在介質(zhì)256上，并且光傳感器270測量從介質(zhì)256經(jīng)過 透鏡250和光纖260的反射光。采集電路210采集經(jīng)過光傳感器270的反射光并且進行分 析。傳感器配置可以包括多于兩個的發(fā)射光纖和單個光傳感器270。信號發(fā)生器205發(fā)出分別用于光源230和240的控制信號215和220。例如，光源 可以使用激光二極管?？刂菩盘杺魉碗娏?，所述電流激勵為每個光源發(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。總而言之，來自每個光源的發(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，但被偏移一個脈沖的長度(半個周期)，如圖4A中函數(shù)435所示的。每個調(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
一種用于測量物體和光源之間的距離并且感測所述物體的取向的方法，所述方法包括以下步驟將來自多個光源的光施加在所述物體上；檢測來自物體的反射能量水平；測量來自所述物體的所述反射能量水平；計算指示與所述物體和所述光源之間的距離關(guān)系的距離校準函數(shù)；確定在所述距離校準函數(shù)內(nèi)由最小值和最大值指示的至少一個測量范圍；計算指示在調(diào)制函數(shù)的周期內(nèi)在預(yù)定時隙處采樣的能量水平關(guān)系的角度校準函數(shù)；以及用所述調(diào)制函數(shù)調(diào)制所述多個光源中的每一個，使得在所述光發(fā)射的時間期間從所述多個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量值；以及 如果所述第一測量值等于所述第二測量值，則所述物體被布置為相對于光發(fā)射軸線垂 直，并且使用所述距離校準函數(shù)從所述第一測量值或所述第二測量值導(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量值；以及 如果所述第一測量值大于所述第二測量值，則所述物體相對于光發(fā)射軸線的取向角度 大于90度，并且使用所述距離校準函數(shù)從所述第一測量值和所述第二測量值的平均值導(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量值；以及 如果所述第一測量值小于所述第二測量值，則所述物體相對于光發(fā)射軸線的取向角度 小于90度，并且使用所述距離校準函數(shù)從所述第一測量值和所述第二測量值的平均值導(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，其中對所述周期函數(shù)進行脈沖調(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，其中所述測量范圍是線性的。
全文摘要
一種測量物體(256)和光源(230)之間的距離并且感測所述物體的取向的方法，所述方法包括將來自多個光源(230、240或810)的光施加在所述物體上；檢測來自物體的反射能量(270)水平；測量來自所述物體的所述反射能量水平；計算距離校準函數(shù)；確定在所述距離校準函數(shù)內(nèi)由最小值(302)和最大值(304)指示的至少一個測量范圍(301)；計算指示在調(diào)制函數(shù)的周期內(nèi)在預(yù)定時隙處采樣的能量水平關(guān)系的角度校準函數(shù)；以及用所述調(diào)制函數(shù)(435、445)調(diào)制所述多個光源中的每一個，使得在所述光發(fā)射的時間期間從所述多個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G01S17/87GK101981468SQ200980111359
公開日2011年2月23日 申請日期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 申請人:伊斯曼柯達公司