專(zhuān)利名稱(chēng)：激光自混合測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般地說(shuō)，本發(fā)明涉及光電器件領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及利用激光自混合傳 感器測(cè)量諸如距離或速度之類(lèi)的與位移有關(guān)的參數(shù)。
背景技術(shù)：
如果在激光器的光學(xué)路徑內(nèi)設(shè)置外部反射表面，得到一個(gè)外部腔體，就會(huì)發(fā)生激 光自混合。所述外部腔體的調(diào)諧引起各種激光器平衡條件的重新調(diào)整，從而可以檢測(cè)激光 器輸出功率的改變。這些通常為波動(dòng)或振蕩形式的改變是重復(fù)的，作為所述外部反射表面 位移對(duì)半激光波長(zhǎng)的距離的函數(shù)。波動(dòng)頻率與外部反射器的速度成比例?；诩す庾曰?合的測(cè)量裝置通常表現(xiàn)出高的靈敏性，并因此而表示出高的精度。這可歸于如下事實(shí)，重 新進(jìn)入激光器腔體的反射光決定激光的調(diào)制頻率，并因此而在該激光器腔體中被放大。這 樣，激光器起到相敏探測(cè)器和放大器的作用。因此，無(wú)需諸如光學(xué)濾波器之類(lèi)的附加機(jī)構(gòu) 或者諸如干涉儀之類(lèi)的多種復(fù)雜裝置，即可得到高的接收器靈敏度。譬如，從美國(guó)專(zhuān)利US 6，707，027 B2公知一種激光自混合裝置。若是反射表面具有沿光學(xué)路徑的移動(dòng)的組成部 分，則該種裝置就造成利用所發(fā)生的多普勒相移。然而，如果把激光自混合裝置用于計(jì)量(gauge)帶有隨機(jī)反射表面的物體的速度 或距離，則被反射的信號(hào)就會(huì)強(qiáng)烈地取決于由波長(zhǎng)刻度結(jié)構(gòu)和/或構(gòu)成的變化所引起的空 間可變的反射率。這可能例如在吸收表面或黑體表面上，以及在如同反射鏡、玻璃表面或發(fā) 光表面之類(lèi)的完全反射的表面上產(chǎn)生極低的反射信號(hào)電平，造成低的或者甚至消失的測(cè)量 信號(hào)。這特別應(yīng)用于測(cè)量幾何形狀，其中，鏡面反射光束(specular beam)不會(huì)被反射回到 激光器腔體中。另一個(gè)影響就是所謂散斑圖樣，這是由于所述表面的波長(zhǎng)刻度結(jié)構(gòu)所引起的。這 種散斑圖樣引起強(qiáng)烈隨機(jī)的強(qiáng)度變化，這同樣也調(diào)制自混合信號(hào)的幅值、頻率和相位。因 此，使用波動(dòng)或振蕩信號(hào)，這種散斑圖樣影響與參數(shù)計(jì)量器(gauges)有關(guān)的系統(tǒng)測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于公知裝置的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提高激光自混合裝置的測(cè)量精度。 本發(fā)明是基于使用衍射元件，使部分激光束改變方向回到激光器的激光器腔體中，用以借 助激光自混合效應(yīng)測(cè)量與位移有關(guān)的參數(shù)，如所述衍射元件關(guān)于激光器的位移、速度或旋 轉(zhuǎn)。為此，提出一種激光自混合裝置，包括 帶激光器腔體的激光器，用于產(chǎn)生測(cè)量激光束； 監(jiān)視器件，用于監(jiān)視激光強(qiáng)度或其等價(jià)參數(shù)；
檢測(cè)電路，用以檢測(cè)被所述監(jiān)視器件監(jiān)視的激光強(qiáng)度的周期性變化； 衍射元件，布置在激光器的光路中，它將部分激光沿所述光路改變方向回到激光器 腔體中。所述衍射元件具有周期性結(jié)構(gòu)，將入射激光衍射成為多束局部光束(partial
4beams )，并且所述衍射元件可相對(duì)于所述激光器腔體移動(dòng)。使用上述激光自混合測(cè)量裝置測(cè)量與位移有關(guān)參數(shù)的相應(yīng)方法包括如下步驟 在激光器的激光器腔體內(nèi)產(chǎn)生測(cè)量激光束；
由衍射元件使部分激光沿著所述光路改變方向回到所述激光器腔體中，所述衍射元件 具有周期性結(jié)構(gòu)，特別如光柵，將入射激光衍射成為多束局部光束，并且所述衍射元件可相 對(duì)于所述激光器腔體移動(dòng)；
用監(jiān)視器件監(jiān)視激光強(qiáng)度或其等價(jià)參數(shù)，以及
利用檢測(cè)電路檢測(cè)被監(jiān)視器件監(jiān)視的激光強(qiáng)度的周期性變化，并從測(cè)得的激光強(qiáng)度的 周期性變化計(jì)算與位移有關(guān)的參數(shù)。所述衍射元件代替漫反射表面的目的在于使入射激光均勻地反射回到所述激光 器腔體中，從而能夠消除或者至少是相當(dāng)程度地抑制與散斑有關(guān)的現(xiàn)象。所述與位移有關(guān)的參數(shù)可以是位移本身、速度一即每單位時(shí)間的位移、相應(yīng)于 表面(如旋轉(zhuǎn)部件的圓周表面(circumferential surface))位移的旋轉(zhuǎn)角度、或者角速度 一相應(yīng)于每單位時(shí)間所述旋轉(zhuǎn)部件的圓周表面的位移。在本申請(qǐng)中，所述衍射結(jié)構(gòu)優(yōu)選覆 蓋可以被一束或多束激光束最終照射于其上的整個(gè)區(qū)域。為了利用自混合效應(yīng)與衍射元件相對(duì)于激光器移動(dòng)所引起的相位移動(dòng)相結(jié)合來(lái) 測(cè)量與位移有關(guān)的參數(shù)，如果該衍射元件能夠沿著在具有沿入射激光束方向的分量的方向 移動(dòng)，則是有益的。這樣，衍射元件的移動(dòng)引起外部腔體調(diào)諧，導(dǎo)致因與被衍射的局部光束 自混合的緣故所致的激光強(qiáng)度波動(dòng)。 原則上講，本發(fā)明對(duì)于其中發(fā)生自混合效應(yīng)的各類(lèi)激光器都起作用。不過(guò)，激光二 極管作為激光器是被特別優(yōu)選的，因?yàn)榧す舛O管是小且節(jié)約成本的器件。激光二極管既 可以是邊緣發(fā)射激光器和也可以是垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。按照本發(fā)明的優(yōu)選改進(jìn)，采用與激光器為一體的光電二極管作為監(jiān)視器件。作為 可供選擇的方式，可以采用外部光電二極管。外部光電二極管有利于得到非常高的信號(hào)電 平。為此目的，可將光電二極管置于各局部光束之一的光路中，這里的局部光束是由衍射 元件發(fā)出，未改變方向回到所述激光器腔體內(nèi)的。這樣的局部光束也可以是鏡面反射光束 (specular beam)0使用結(jié)構(gòu)薄膜作為衍射元件是更為有益的?？蓪⑦@種薄膜或箔片貼附于要對(duì)其確 定與位移有關(guān)之參數(shù)的可移動(dòng)部件上。特別是，當(dāng)給出衍射元件的結(jié)構(gòu)要求和/或機(jī)械要 求都是低的時(shí)候，可以使用便宜的有結(jié)構(gòu)的塑料薄膜。另外，也可以采用全息金屬箔片作為 衍射元件。優(yōu)選提供一個(gè)附加的聚焦元件，以將光束向著衍射元件會(huì)聚。特別是，這種聚焦元 件可將激光束聚焦在衍射元件的周期性結(jié)構(gòu)上。此外，所述激光自混合測(cè)量裝置還可以包括偏轉(zhuǎn)光學(xué)元件，它偏轉(zhuǎn)激光束，使其按 一定的斜角入射到衍射元件的表面上。這種結(jié)構(gòu)允許以一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)相對(duì)于待測(cè)量的表 面布置激光器，其中，垂直于正在移動(dòng)的表面發(fā)射激光束；所述表面是沿其橫向移動(dòng)的。對(duì)于與VCSEL的組合作為激光器的緊湊型設(shè)計(jì)而言，這種實(shí)施例是特別有益的。 采用VCSEL和偏轉(zhuǎn)元件，使得激光器能夠被直接安裝在與移動(dòng)的衍射元件保持平行的電路 板上。再有，采用相對(duì)于激光束為離軸布置的透鏡，可使聚焦元件和偏轉(zhuǎn)元件被有益地結(jié)合在一起。為使沿著光路向回衍射最優(yōu)化，衍射元件的周期性結(jié)構(gòu)可有益地包括閃耀光柵。此外，為消除建立在鏡面反射基礎(chǔ)上的散斑效應(yīng)，有益的是可以將衍射元件的表 面傾斜于入射激光束的方向布置。按照使具有非0級(jí)的衍射級(jí)的局部光束改變方向回到激光器腔體中的方式，關(guān) 于激光器設(shè)計(jì)和定位衍射元件也是有益的。為了做到這一點(diǎn)，使入射角α滿(mǎn)足條件d · sin(a) = m · λ/2是有益的。在此公式中，d表示光柵節(jié)距(即各光柵劃線(grating lines)或者其它衍射結(jié)構(gòu)之間的距離)。另外，λ表示激光波長(zhǎng)，m為整數(shù)。特別是，由于 光被沿著光路向回衍射，所以m可為負(fù)的。然而，也并非必須完全滿(mǎn)足這一條件。相反，只要向回朝向入射激光束被衍射的局 部光束的偏離小到足以使被衍射的局部光束至少部分地重新進(jìn)入激光器腔體，就可以得到 自混合信號(hào)強(qiáng)且恒定的優(yōu)點(diǎn)。就此而言，聚焦元件有利于補(bǔ)償入射光束方向以及向回指向 激光器腔體的被衍射局部光束方向的偏差。具體地說(shuō)，只要入射激光束和被衍射局部光束 的鉛筆形光束重疊在一起，一部分局部光束依然能夠重新進(jìn)入激光器腔體。為使被衍射的 局部光束改變方向回到激光器腔體中，按使衍射元件的衍射結(jié)構(gòu)垂直于入射平面伸展的方 式來(lái)定位該衍射元件也是有益的。不過(guò)，同樣也并非必須要恰好符合這一條件，使所述衍射 結(jié)構(gòu)可以稍微與入射平面的垂線傾斜，因?yàn)橹灰@樣的光束與入射光束重疊，就將使局部 光束改變方向進(jìn)入激光器腔體中。本發(fā)明可被用于以極高的精度測(cè)量距離和物體的運(yùn)動(dòng)(不僅速度還有方向)。所 述衍射元件可以有平移運(yùn)動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般而言，本發(fā)明基于在干涉測(cè)量法或使用 昂貴的玻璃制品標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)多種裝置提供一種低成本選擇。本發(fā)明可以測(cè)量無(wú)限遠(yuǎn)距離，比 如軸線旋轉(zhuǎn)或者像傳送帶類(lèi)的閉合表面的旋轉(zhuǎn)。并不被約束于公知的或者被標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械 參照物，并可與衍射特性一起檢測(cè)任何相當(dāng)光滑平面的運(yùn)動(dòng)。依靠本申請(qǐng)，可以檢測(cè)與位移有關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)是與在平面內(nèi)改變方向的運(yùn) 動(dòng)相關(guān)聯(lián)的。為此，可以采用二維光柵作為衍射元件，并且采用兩個(gè)激光器。二維光柵被稱(chēng) 為具有如下衍射結(jié)構(gòu)的光柵一沿該光柵表面在兩個(gè)不一致的方向上發(fā)生效用。譬如，這 種光柵可以是呈相交線形結(jié)構(gòu)的柵網(wǎng)，即分別為兩個(gè)一維光柵或直線光柵(line grating) 的組合。另外，也可以采用點(diǎn)網(wǎng)格(point grid)。為了檢測(cè)沿著光柵在任意方向上的運(yùn)動(dòng)， 以如下方式定位激光器一使各激光器光路限定的入射平面與該二維光柵圍成一定角度。 按照對(duì)于每個(gè)激光器而言使各被衍射的光束都改變方向進(jìn)入各激光器腔體中的方式設(shè)計(jì) 和定位光柵是更為有利的?？梢栽O(shè)想旋轉(zhuǎn)、直線、2D和3D計(jì)量學(xué)工具和機(jī)械方面的應(yīng)用，如角度、位移和速度 編碼器。同樣也可將本發(fā)明用于高精密度的機(jī)械工具，既用于直線運(yùn)動(dòng)也可以用于旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)。此外，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，并可被應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，以及接觸檢測(cè) 或定位檢測(cè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。衍射元件，特別如光柵不僅只提供一個(gè)充分明確均勻的反向散射激光束強(qiáng)度，而 且還利用適當(dāng)?shù)难苌鋱D樣調(diào)制提供編碼信息的可能性。這樣，使反向散射激光束與所述圖 樣一致地受到調(diào)制，以便可由自混合信號(hào)解碼所述被編碼的信息。
在這一方面非常有用的例子是解碼位置數(shù)據(jù)，特別是絕對(duì)位置數(shù)據(jù)。解碼這種信 息的一種可能性是改變閃耀光柵的閃耀角。一般而言，所述調(diào)制可以包括相位調(diào)制、頻率調(diào) 制，和/或幅值調(diào)制。例如，可以使用條形碼類(lèi)的表示法。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，由此而提供一種激光干涉測(cè)量的測(cè)量裝置，用于測(cè)量與 位移有關(guān)的參數(shù)，所述裝置包括
具有激光器腔體的激光器，用于產(chǎn)生測(cè)量激光束；
布置在激光器光路中的衍射元件，因周期性結(jié)構(gòu)而衍射部分激光，它將入射激光束衍 射成為多束局部光束，并且該衍射元件相對(duì)于激光器腔體為可移動(dòng)的；
監(jiān)視器件，用于監(jiān)視由在衍射元件處受到衍射的被衍射局部光束所疊加的激光強(qiáng)度；
以及
檢測(cè)電路，用于檢測(cè)因激光束與被衍射的局部光束干涉而引起的被所述監(jiān)視器件監(jiān)視 的激光強(qiáng)度的變化。為檢測(cè)與位移有關(guān)的參數(shù)，這種實(shí)施例除自混合傳感器之外還包含干涉測(cè)量傳感 器，因?yàn)槭褂醚苌浔砻孀鳛闇y(cè)量諸如距離或速度之類(lèi)的與位移有關(guān)的參數(shù)的反射器的原理 在于，利用自混合檢測(cè)振蕩是獨(dú)立的，其中衍射圖樣受到調(diào)制以輸送附加信息。例如，可以 使用外部腔體傳感器代替自混合傳感器。具體地說(shuō)，原有激光束或它的一部分與從移動(dòng)表 面反射的光束的疊加被外部疊加到所述外部腔體傳感器中的激光器腔體。


從下面參照附圖的詳細(xì)描述可以更好地理解本發(fā)明的上述以及其它的目的、方面 和優(yōu)點(diǎn)，其中
圖1以示意的方式表示一種激光自混合測(cè)量裝置；
圖2表示一種衍射元件；
圖3表示一種漫反射表面的自混合信號(hào)；
圖4表示一種衍射光柵的自混合信號(hào)；
圖5以示意的方式表示另一種激光自混合測(cè)量裝置的實(shí)施例；
圖6是一種帶有兩個(gè)激光器的實(shí)施例俯視圖7表示圖2所示衍射元件的改型，其中的數(shù)據(jù)被編碼為光柵閃耀角(blaze angle) 的調(diào)制；
圖8表示圖2所示衍射元件的另一種改型，其中的數(shù)據(jù)被編碼為光柵的相位調(diào)制。
具體實(shí)施例方式圖1以舉例的方式表示一種激光自混合測(cè)量裝置1的配置。該激光自混合測(cè)量裝 置1包括
具有激光器腔體9的激光器3，用以產(chǎn)生測(cè)量激光束10 ； 監(jiān)視器件，用于監(jiān)視激光強(qiáng)度或其等價(jià)參數(shù)；
檢測(cè)電路17，用于檢測(cè)被監(jiān)視器件所監(jiān)視的激光強(qiáng)度的周期性變化；以及 具有周期性結(jié)構(gòu)的衍射元件，將入射激光衍射成為多束局部光束，并被布置于激光器 的光路中。該衍射元件使部分激光沿所示光路改變方向回到所述激光器腔體中，并該衍射
7元件可相對(duì)于該激光器腔體9移動(dòng)。激光器3的腔體9被限定在兩個(gè)布喇格(Bragg)反射器5、7之間。監(jiān)視光電二極 管11被布置在后面的布喇格反射器5的后面。少部分激光通過(guò)該布喇格反射器5，從而可 受到光電二極管11的監(jiān)視。激光器3優(yōu)選為二極管激光器。如圖所示的裝置是一種用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)部件15之旋轉(zhuǎn)速度或旋轉(zhuǎn)角度的配置。為 此，在所述旋轉(zhuǎn)部件的側(cè)表面上設(shè)置結(jié)構(gòu)薄膜(structural film)形式的衍射元件20。隨 著旋轉(zhuǎn)部件15的旋轉(zhuǎn)，它的側(cè)表面以及其上之所述結(jié)構(gòu)薄膜相對(duì)于激光器腔體9運(yùn)動(dòng)。具 體地說(shuō)，如圖1所能看到的那樣，彼此相對(duì)地布置激光器3和旋轉(zhuǎn)部件15，在激光束10的入 射點(diǎn)處與入射激光束10的方向傾斜地布置衍射元件20的表面。這樣，當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)時(shí)， 所述衍射元件在具有沿入射激光束方向上的分量的方向上移動(dòng)。具體地說(shuō)，依據(jù)旋轉(zhuǎn)的檢 測(cè)(sence)，運(yùn)動(dòng)部分或是平行于激光束10，或是與之反平行。此外，在衍射元件20處受到反射或散射后，部分激光沿所述光路改變方向，再次 進(jìn)入激光器腔體9。由于衍射元件20的移動(dòng)部分與入射激光束平行或者反平行，使激光 束10的改變方向部分的相位移動(dòng)。這種移動(dòng)關(guān)于所產(chǎn)生的激光束引起隨時(shí)間變化的相移 (time-varying phase shift)。由于所述改變方向的激光與所產(chǎn)生的激光在激光器腔體9 內(nèi)發(fā)生干涉，所述改變的相移引起激光強(qiáng)度的振蕩。一般地說(shuō)，每單位時(shí)間振蕩的數(shù)目直接與相移的量相對(duì)應(yīng)，并因此也就與沿入射 激光束10方向的速度分量值相對(duì)應(yīng)。通過(guò)計(jì)數(shù)這種振蕩的數(shù)目，可以得到與旋轉(zhuǎn)部件表面 (例如圓周表面)的位移相對(duì)應(yīng)并因此也與旋轉(zhuǎn)的角度相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。激光強(qiáng)度受到光電二極管11的監(jiān)視，并將監(jiān)視信號(hào)送至檢測(cè)電路17，其中，激光 強(qiáng)度的振蕩受到檢測(cè)和分析。為了進(jìn)一步提高這種配置的靈敏度，在所述光路中布置透鏡12。透鏡12將激光束 10聚焦在作用面上，也即在所述衍射元件20的結(jié)構(gòu)上。圖2表示如同圖1所示布置中可有利地采用的結(jié)構(gòu)薄膜形式的一部分衍射元件 20。按照這一實(shí)施例，所述衍射元件20可為帶模壓光柵(embossed grating) 21的塑 料薄膜。由于光柵21的節(jié)距22小，使入射激光束被劈裂成多束局部光束，與不同的衍射級(jí) 別相對(duì)應(yīng)。選擇各光柵劃線的節(jié)距22和相對(duì)于入射激光束方向25的入射角α，使具有非 0級(jí)的衍射級(jí)的局部光束沿著方向沈改變方向回到激光器腔體中。譬如，沿著方向沈向回 衍射的光束可為負(fù)的第1級(jí)局部光束。為實(shí)現(xiàn)入射光束與改變方向的局部光束同時(shí)發(fā)生， 應(yīng)滿(mǎn)足條件d · Sin(CI) = ΠΙ · λ/2，其中d為所述光柵節(jié)距22。不過(guò)，只要至少有一部 分所述改變方向的衍射光束進(jìn)入激光器腔體，一定的偏離就是可以容許的。采用圖2所示的閃耀光柵是有益的。由于各光柵劃線的閃耀反射面之故，可使沿 入射光束方向的反射光最大化。因此，還可以增大該測(cè)量系統(tǒng)的最大工作距離。圖3表示由移動(dòng)常規(guī)漫反射表面所得到的自混合信號(hào)為取樣指數(shù)(sample index)的函數(shù)。由于按規(guī)則的時(shí)間間隔記錄各個(gè)取樣，所以，橫坐標(biāo)還表示時(shí)間軸。這種自 混合信號(hào)是激光器功率的變量。有如圖3所能見(jiàn)到的，激光信號(hào)圍繞一個(gè)平均值振蕩，這個(gè)值因此而代表縱坐標(biāo) 上的“0”值。所述周期性振蕩起因于所述表面沿與入射激光束平行或反平行方向的移動(dòng)部分所引起的相移。另外，自混合信號(hào)的幅值表示關(guān)于一段較長(zhǎng)時(shí)標(biāo)的非常隨機(jī)的變化。這 種變化被歸因于散斑圖樣，而且自混合信號(hào)在一些特定的點(diǎn)處幾乎消失是那樣的明顯。特 別是在這些點(diǎn)處，測(cè)量精度的下降是明顯的。為了比較起見(jiàn)，圖4表示利用移動(dòng)衍射元件代替移動(dòng)漫反射表面所得到的自混合 信號(hào)圖。正如同從圖4所清楚地看到的，衍射結(jié)構(gòu)完全或者至少是幾乎完全消除了與散斑 圖案有關(guān)的強(qiáng)度變化。這種衍射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生入射激光回到激光器腔體中的均勻反射，從而可以消除所述散 斑效應(yīng)。即使出現(xiàn)附加的漫反射，只要大部分改變方向的光是源自衍射元件的規(guī)則結(jié)構(gòu)處 的衍射，各種散斑效應(yīng)也會(huì)一直維持強(qiáng)烈地受到抑制。如同從圖4還能夠評(píng)估的，振蕩幅值 的變化一般會(huì)小于該振蕩幅值的1/4。正如從圖4還可以看到的，激光強(qiáng)度的振蕩并非都是正弦曲線式的。相反，所述振 蕩的形狀是略有不對(duì)稱(chēng)的。這種不對(duì)稱(chēng)性表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的方向。由于自混合信號(hào)強(qiáng)的緣故， 可實(shí)現(xiàn)高的信號(hào)品質(zhì)，這實(shí)質(zhì)上也有助于振蕩形狀的評(píng)價(jià)。因此，能夠以改進(jìn)的可靠性確定 運(yùn)動(dòng)的方向。圖5表示另一種激光自混合測(cè)量裝置1的實(shí)施例。設(shè)計(jì)這種激光自混合測(cè)量裝置 1，用以對(duì)衍射元件20沿方向四的位移確定與位移有關(guān)的參數(shù)。所述與位移有關(guān)的參數(shù)可 以是位移本身，或者是速度，即每單位時(shí)間的位移。在這一實(shí)施例中，將激光器3與比如檢 測(cè)電路17類(lèi)的其它電子部件一起安裝在電路板觀上。所述電路板觀保持分別與衍射元 件20和光柵21的表面平行。本實(shí)施例的激光器3可以有利地為VCSEL，使VCSEL芯片能夠 被直接裝在電路板觀上，并且VCSEL芯片具有垂直發(fā)射到電路板觀的激光束10。與圖1 所示實(shí)施例相類(lèi)似地，透鏡12作為會(huì)聚元件被置于激光器3的前面。透鏡12相對(duì)于所發(fā) 射的激光束10被定位為離軸的，使激光束10附帶受到偏離，按一定的斜角投射在光柵上。光柵21將激光束劈裂成幾束被衍射的光束。各衍射光束31中具有非0級(jí)的衍射 級(jí)的一束被改變方向回到激光器腔體中。如圖5所示，被發(fā)射的激光束10和被改變方向的 衍射局部光束至少部分地重疊。與圖1所示實(shí)施例相類(lèi)似地，可由激光器3的內(nèi)部監(jiān)視光電二極管檢測(cè)光的強(qiáng)度。 也能使用有如圖5所示的外部光電二極管11。將這種光電二極管11定位于所述電路板上 是有益的，使得它接收另外的被衍射的局部光束31的光。圖6是一種激光自混合裝置1配置的實(shí)施例俯視圖，用于沿著衍射元件20檢測(cè)在 任意橫向方向上的位移。為此設(shè)置兩個(gè)激光器300和301。衍射元件20包括二維網(wǎng)狀光 柵21。所述激光器300、301的激光束100和101被透鏡120、121聚焦，沿兩個(gè)不同的橫向 方向入射到光柵21上。因此，由激光器300、301的光學(xué)路徑限定的激光束100、101的入射 平面與所述二維光柵21圍成一定角度。具體地說(shuō)，按使所述各入射平面圍成直角方式來(lái)定 位圖6中以舉例方式表示的本實(shí)施例中的激光器300、301，以便由激光器300、301檢測(cè)光柵 21位移或運(yùn)動(dòng)的垂直分量。由于是以二維方式構(gòu)成所述光柵的，所以對(duì)兩個(gè)激光器都是有 效的，使得對(duì)于每個(gè)激光器300、301而言，入射光束被劈裂成為多束沿各自光路被向后改 變方向的局部光束。為此，進(jìn)一步還按如下方式排列該二維光束，使得對(duì)于兩個(gè)激光器300、 301而言，各光柵劃線垂直地延伸至各自的入射平面。分別給每個(gè)激光器300、301提供監(jiān)視光電二極管110和111，用以監(jiān)視激光器300、301的強(qiáng)度振蕩。圖7表示圖2所示實(shí)施例的改型。按照這種改型，將所述光柵21沿著因衍射元件 的移動(dòng)由入射激光束10所掃描的表面的方向交替地分成區(qū)域201、202。如從圖7所能夠見(jiàn)到的，各個(gè)區(qū)域202的閃耀角204略小于各區(qū)域201中光柵劃 線的閃耀角201。這還改變衍射返回激光器腔體中的局部光束的強(qiáng)度。因此，激光自混合信 號(hào)被調(diào)幅，并且通過(guò)求自混合振蕩的幅值而可以容易地恢復(fù)數(shù)據(jù)。改變區(qū)域201和/或202 的寬度，從而可使數(shù)據(jù)，如絕對(duì)位置數(shù)據(jù)易于被編碼，比如按條形碼方案被編碼。另一種可 能性是給區(qū)域201、202的序列分配一個(gè)二進(jìn)制序列。當(dāng)然，通過(guò)改變閃耀角還存在其它編 碼數(shù)據(jù)的可能性。圖8表示圖2所示衍射元件20的另一種改型。與圖7所示的改型類(lèi)似地，由多個(gè) 交替的區(qū)域201和202表示數(shù)據(jù)。然而，在圖8所示的改型中，以相位調(diào)制來(lái)區(qū)分所述各區(qū) 域201、202。為此，各區(qū)域202中的光柵劃線相對(duì)于通過(guò)周期性地將光柵劃線保持在各區(qū)域 202中所得的位置稍微移動(dòng)一個(gè)小的距離205。雖然已在各附圖中示出并在上面的說(shuō)明書(shū)中描述了本發(fā)明的各優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng) 能理解，本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的這些實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以考慮多種改型而不 偏離下述各權(quán)利要求所表述的本發(fā)明范圍。
10
權(quán)利要求
1.一種激光自混合測(cè)量裝置(1)，包括帶激光器腔體(9)的激光器(3)，用于產(chǎn)生測(cè)量激光束(10)；監(jiān)視器件，用于監(jiān)視激光強(qiáng)度或其等價(jià)參數(shù)；檢測(cè)電路(17)，用以檢測(cè)被所述監(jiān)視器件監(jiān)視的激光強(qiáng)度的周期性變化；以及衍射元件(20)，布置在激光器(3)的光路中，衍射元件00)將部分激光沿所述光路改 變方向回到激光器腔體(9)中；所述衍射元件00)具有周期性結(jié)構(gòu)，將入射激光衍射成為 多束局部光束(30; 31)，以及所述衍射元件00)相對(duì)于所述激光器腔體(9)可移動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，包括聚焦元件(12)，聚焦元件(1 將所 述激光束(10)聚焦在所述衍射元件00)的周期性結(jié)構(gòu)上。
3.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，其中，所述衍射元件OO)具有包括閃耀 光柵的周期性結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，其中，所述衍射元件OO)的表面相對(duì)于 入射激光束的方向被傾斜地布置。
5.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，包括具有與入射平面垂直伸展的衍射結(jié) 構(gòu)的衍射元件OO)。
6.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，包括偏轉(zhuǎn)光學(xué)元件，偏轉(zhuǎn)光學(xué)元件以使 激光束(10)按一定的斜角入射于所述衍射元件OO)表面上的方式偏轉(zhuǎn)所述激光束(10)。
7.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，其中，按使具有非O級(jí)的衍射級(jí)的局部光 束改變方向回到所述激光器腔體中的方式定位所述衍射元件OO)。
8.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，包括結(jié)構(gòu)薄膜作為衍射元件(20)，所述 結(jié)構(gòu)薄膜被貼附于可移動(dòng)的部件上。
9.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，包括激光二極管作為激光器，以及與所 述激光器為一體的光電二極管(11)作為監(jiān)視器件。
10.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，其中，所述衍射元件可在沿著入射激光 束方向具有分量的方向上移動(dòng)。
11.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，包括作為衍射元件OO)的二維光柵和 兩個(gè)激光器(300，301)，由所述激光器(300，301)的光學(xué)路徑限定的入射平面與該二維光 柵圍成一定角度。
12.如權(quán)利要求1所述的激光自混合測(cè)量裝置，其中，還包括所述周期性結(jié)構(gòu)的調(diào)制， 所述調(diào)制載有被編碼的數(shù)據(jù)。
13.如上述權(quán)利要求所述的激光自混合測(cè)量裝置，其中，所述被編碼的數(shù)據(jù)是絕對(duì)位置 數(shù)據(jù)。
14.一種使用激光自混合測(cè)量裝置(1)測(cè)量與位移有關(guān)參數(shù)的方法，該方法包括如下 步驟在激光器(3)的激光器腔體(9)內(nèi)產(chǎn)生測(cè)量激光束(10)；利用衍射元件00)使部分激光沿著光路改變方向回到所述激光器腔體(9)中，所述衍 射元件具有周期性結(jié)構(gòu)，將入射激光衍射成為多束局部光束，以及所述衍射元件可相對(duì)于 所述激光器腔體(9)移動(dòng)；由監(jiān)視器件監(jiān)視激光強(qiáng)度或其等價(jià)參數(shù)，利用檢測(cè)電路(17)檢測(cè)被所述監(jiān)視器件監(jiān)視的激光強(qiáng)度的周期性變化，并由檢測(cè)得 到的激光強(qiáng)度的周期性變化計(jì)算所述與位移有關(guān)的參數(shù)。
15. 一種衍射元件00)的用途，用于將部分激光束(10)改變方向回到激光器C3)的激 光器腔體⑶)中，借助激光自混合效應(yīng)，關(guān)于激光器C3)測(cè)量衍射元件00)的位移、速度或 旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種激光自混合測(cè)量裝置，包括帶激光器腔體的激光器，以及沿激光束光路布置的表面，所述表面使入射激光改變方向回到激光器腔體中。所述表面包含周期性結(jié)構(gòu)，把激光衍射成為多束局部光束。
文檔編號(hào)G01B9/02GK102089617SQ200980126441
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月7日
發(fā)明者C·海因克斯, K·P·沃納, M·F·C·謝曼 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司