专利名称：干涉测距仪中的散斑减轻方法和对应的测距仪的制作方法
干涉测距仪中的散斑减轻方法和对应的测距仪本发明涉及根据权利要求I的前序部分的在干涉测距仪中减轻散斑的方法以及根据权利要求12的前序部分的干涉测距仪。已知在电子距离测量领域中有各种原理和方法。一个方法在于向待测量(survey)目标发射经频率调制的电磁辐射(例如，光)，随后接收来自后向散射对象(理想情况下，仅来自待测量目标)的一个或更多个回波，因此待测量目标可以具有两个镜面(例如后向反射器)并具有漫射后向散射特性。在干涉仪装置中，使用激光光源进行距离测量。所接收到的信号与从所发射的光信号得到的第二信号叠加。所得到的混合乘积(干涉图)的拍频是到目标对象的距离的测度。这种类型的干涉测量是光电测距的公知技术，其优点是具有极高的测量精度和散粒噪声受限的灵敏度。存在各种进一步的实施方式，包括工作在固定波长的增量干涉仪和可以使用许多的离散波长(多波长干涉测量)、频率调制连续波干涉测量(FMCW)或白光干涉 测量的绝对距离仪。绝对距离计利用了干涉测量相位φ对波长λ的灵敏度。在原理上最简单的该实施方式中，激光源的光频被线性调谐。如下所示，对于小的波长改变，距离d由下式得出
, λ2 φ
_5] dH,丨)下面的讨论还适用于多波长干涉测量，在多波长干涉测量中，同时测量多个波长处的相位差。对于两个离散波长λρ λ2的情形，在公式(I)中，可以进行以下替换CU =A2-Apdcb = Φ 2_ Φ I 和A = %/νΛζ。当将该技术应用于非协同(non-cooperative)目标时，会出现所谓散斑(speckle)的公知效应，这导致测量精度劣化。这表现为由于目标的粗糙度和目标相对于测量光束的夹角而导致的测量区域内的深度变化引起的随机测量波动。这些效应是由于激光的相干性引起的散斑而导致的干涉测量相位φ的随机性，根据公式(1)，这会导致测量误差。借助于诸如传统相位计或TOF技术的使用非相干光的光电测距技术，能够减轻该效应，在使用非相干光的光电测距技术中，利用散斑平均化来减小观察到的距离变化。遗憾的是，这些非相干技术有其它缺点，例如测量精度有限或测量灵敏度有限，这些缺点使得它们不能代替干涉测量技术。在现有技术中做了许多工作来解决幅度随机化的问题，因为幅度随机化问题会引起由于破坏性干涉而导致的检测遗漏情况。实际上，在W. Goodman的"Some fundamentalproperties of speckle" (J. Opt. Soc. Am, Vol. 66，No. 11，1976，p. 1145ff)中表明，各个检测器位置处的灵敏度I的密度函数服从指数分布，
_] pii^A-1M (2)因此，干涉测量幅度的概率密度JocVJ服从瑞利型(Rayleigh-type)分布P (A)=P(I (A)) · dl/dA Α 丨 A2
100111 p(A)^F)eTF)l{J)因此，检测到用于进行测量的光不充分的概率可能很大。用于减轻这些幅度波动的效应的方法是基于对去相关后的散斑图案的测量的，该方法通常称为散斑差异性(speckle diversity)。然而，相位随机化问题没有像幅度变化问题那样吸引很多努力。针对U. Vry和A. F. Fercher 的〃Higher-order statistical properties of speckle fields and theirapplication to rough-surface interferometry〃( J. Opt. Soc. Am. A3 (1986)，p. 988ff)中的多波长干涉测量的上下文，披露了对光学相位与波长变化进行去相关，由于相位与距离有关，所以这会导致距离波动。 根据Y.Salvade 的"Distance Measurement by Multiple WavelengthInterferometry^CThesisj University of Neuchatelj 1999)，对于如图 I所不的成像配置，在与合成波长A= A1 . A2/(ArA2)相对应的两个波长λ 2处的散斑场的归一化相关系数由下式给出
ΓI Γ · f,、
/ \ A / _ 1 V hi , / \ 4ττ _ ομ(χ) = €ρ —^Ax-2dj tana) exp ~—d\x) exp —~
j L Λ J I Λ‘ J (4)其中，0,是目标粗糙度，a是目标相对于光轴的倾角，Cp是光瞳函数(pupilfunction)的归一化自相关，Ci1是透镜到成像平面的距离，M是成像光学装置的放大率，d(x)包含目标的系统性距离/高度特性(profile)
,, j j _ X Ul f1 i、
「001 71 d(.x) 二 2么 + r JllOC-- ----I H--
L 」W 0 7M 2dX Μ)(5)两个波长处的测量之间的干涉测量相位差的变化由下式给出
2j tiQ 2 ησι=-~ — π arcsin\μ | + arcsin2
L 」 ' 3n(6)根据式(1)，当测量粗糙倾斜的目标时会导致随机的范围波动。实际上，所测得的距离的标准不确定性可以由下式粗略估计σ — tana
— 2C7)其中，a分别是成像系统的分辨率和倾角。在US 5，811，826中，公开了通过测量平面表面反射的相干光束的散斑图案来遥感该平面表面的方位的方法和装置。利用两个不同频率的辐射来照射该表面，并将对应的散斑图案进行比较，以确定第一散斑图案相对于第二散斑图案的偏移的幅度和方向。散斑图案偏移的幅度和方向表示对象的方位，即，该方法测量当将光频从第一频率改变为第二频率f2时的散斑图案的横向偏移，以计算表面的入射角和方位角。虽然该方法使得能够类似于表面方位来确定表面特性，但是该方法在不同的时间使用两个不同波长，其频谱特性会导致图案的充分的横向偏移。本发明的一个目的是提供一种改进的干涉测距测量方法(特别是用于倾斜目标)以及对应地设计的干涉测距仪。本发明的进一步目的是提供一种仅利用一个单波长或者同时利用一个以上波长或者在没有波长改变的情况下能够确定散斑场的特性的方法和测距仪。根据本发明，这些目的是通过权利要求I和12的特征以及从属权利要求的特征实现的，或者这些解决方案被进一步开发。本发明涉及干涉测距仪中的散斑减轻方法，在该方法中，利用散斑场的特征来确定各个距离测量的指向。与现有技术相比并根据本发明，在单波长处对散斑图案进行测量，从而在无需确定表面的方位的情况下对散斑导致的测量误差进行校正。然而，本发明不限于使用一个单一频率，并且还可以要求保护使用多个频率。因而，与US 5，811，826的方法在一定程度上类似，本发明利用了散斑场的特征。 然而，与US 5,811,826的方法相比，没有测量表面的特征，而是根据在单一频率而不是两个频率处的测量来计算指向。然而，本发明不限于使用一个单一频率，并且还可以使用多个频率。本发明涉及减少在使用干涉测量绝对距离传感器测量到相对于光轴倾斜的目标的距离时的范围波动。该方法实现了主要受目标粗糙度而不是受测量点内的总深度分布限制的测量精度。该技术避免了当前被认为不可避免的式(6)中所示的由相位去相关效应引起的距离误差。本质上，通过基于散斑场的测量的指向角校正来对相位去相关误差进行补偿。由于散斑导致测量的“重心”不在光轴上，而是轻微偏离光轴。通过由多个检测器或者将至少一个检测器相对于散斑场移动的扫描装置对散斑图案进行解析，来根据后面所述的方法计算重心(或指向)。利用指向的对应校正来标记各个干涉距离测量，由此对相位去相关误差进行校正，即，确定到至少部分地解析了散斑场的多个点的指向。原理上讲，可以并行地或顺序地(例如扫描)执行指向的测量或估计。由此，利用点分布的粒度或分辨率来解析散斑场。指向的统计或分布使得能够对相位去相关误差进行补偿或校正。总之，根据本发明的方法涉及确定相对于光轴的、到散斑场的至少一个点的指向，其中，具体地说使用K个检测器或者通过将至少一个检测器相对于散斑场移动来至少部分地解析该散斑场。对于并行测量距离和指向，并且根据图3中定义的术语，这意味着传感器不提供到光轴上的目标R。的距离，而是提供在偏置方向(offset direction)上到点ζ的距离d以及偏离光轴的对应角偏置P。方向补偿可以容易地用于标准的点-云处理软件，例如由扫描机构提供的球面坐标的角度校正。干涉测量系统受到蝙蝠翼(bat-wing)效应的影响。当对台阶式特征进行扫描时，测得的距离可能过度或过冲，如图8所示，从而导致大的测量误差。在本发明的上下文中，该效应与指向变为激光波长的函数有关。当存在台阶式特征时，这可能导致干涉测量相位相对于波长的较大变化d Φ /d λ，从而根据公式(I)导致大的测量误差。可以通过在调节激光波长的同时观察指向来检测这种类型的测量误差。可以看出，表现出指向相对于激光波长具有较大灵敏度的测量结果潜在地受到蝙蝠翼效应的影响。图9示出了测量误差相对于指向对波长的灵敏度的示例性数据，表明这两个图之间的强相关。现有技术的传感器对距离d而不是对光轴上的距离Rtl进行测量，从而导致距离误差&-(1。如果目标相对于光轴倾斜，则该误差变得不可忽略。因此，本发明的思路提供了在这些情况下对测量精度的显著改进。以下示出了散斑相位的波长相关性取决于特定波长下的静态光分布。此外，示出了由随机相位变化导致的测量误差可以通过适当选择指向来进行补偿。使用以下的约定。A(X) e C位置相关场(Λ e E2 检测器位置)4 eC检测器k检测到的信号，4 '=I4tx^x C总干涉图 Dk检测器k的有效区域D总检测器区域，= Di
k—\x,c e K2检测器k的有效区域的中心坐标为了简便起见，假设图3所示的倾斜目标的情形。然后，根据公式η · [ ξ [O O R0]τ] = O J = 得到在指向p上到点ζ的距离d =I I，即
J Wr-[O O R0Ta =-Z-Jj-j-
n -p!\p\ (8)倾角α与法向向量的分量有关
Jn2 +η~tan α = ——L
nZ(9)对于接近z轴的指向向量,可以使用如下估计
I Ρτ\ ρ'P = I .................7 Py ^ M + P' + P I凡」
V1+A ^ Pr I.
L ] 1(10)各个指向与检测器平面上的位置相关联
,[λ'X = ^d1
A](Ii)其中Cl1是主平面到成像平面的距离，对于扫描系统，其必须针对光路调节为扫描路径上的点的位置。因此，距离d偏离光轴上的距离Rtl
, , f, ,-A+ ,-■/>, d = Rn-~ Rq I--n';P'+n'.P: j ' -
小+ ρ:+] ‘(12)弓I入放大率M=CVRci和对象坐标xq=x/Md = R -^rh- n>\x = R^JT^\n^ n^\x
权利要求
1.一种用于干涉测距仪中的散斑减轻的方法，该方法包括以下步骤 向待测量目标(11)发送具有至少一个波长、的光辐射(12); 接收由所述目标(11)沿光轴(OA)散射回的光辐射(12)的一部分，其中，所述光辐射(12)形成散斑场； 将所接收到的光辐射(12)转换为至少一个接收信号； 通过具有相位去相关误差补偿的绝对或增量干涉距离测量来从所接收到的信号确定到所述目标(11)的真实距离， 该方法的特征在于 确定到所述散斑场的至少一个点的所述干涉测量相对于所述光轴(OA)的指向，其中，具体地说，使用K个检测器(23，45)或者通过将至少一个检测器相对于所述散斑场移动来至少部分地解析所述散斑场。
2.根据权利要求I所述的方法，该方法的特征在于 确定指向的步骤包括以下步骤确定到对应点的指向距离d。
3.根据权利要求I或2所述的方法，该方法的特征在于 所述光辐射(12)包括多个波长作为 -多个离散波长， -频率调制连续波或者 -白光。
4.根据权利要求2至3中的任意一项所述的方法，该方法的特征在于 在与距离估计相关联的特定时间实例估计所述指向，或者 连续地跟踪所述指向并确定加权平均值。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法的特征在于 在对激光进行频率调制期间跟踪所述指向，具体地说，如果指向相对于激光波长的灵敏度超过预定阈值，则将所记录的数据标记为潜在地受到蝙蝠翼效应的影响。
6.根据前述权利要求2至5中的任意一项所述的方法，该方法的特征在于 所接收到的光辐射(12)被并行地转换为多个接收信号Ak，各个接收信号覆盖区域Dk，其中，I彡k彡K，所述检测器(23，45)生成所述接收信号其中，X表示区域Dk的空间扩展。
7.根据权利要求6所述的方法，该方法的特征在于 从所接收到的信号Ak估计所述指向。
8.根据权利要求6或7所述的方法，该方法的特征在于 基于所述多个接收信号Ak的和A = E kAk来估计所述指向距离d。
9.根据权利要求6和7所述的方法，该方法的特征在于 基于所述多个接收信号的和A = E kAk来估计所述指向距离d ； 顺序地去除相位偏置4 d/入2，以生成低带宽干涉图信号A' k;以及 从信号A' k独立地估计所述指向。
10.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，该方法的特征在于 假设或确定散斑相关结构。
11.根据权利要求10所述的方法，该方法的特征在于 根据所述目标的材料来调节所述散斑相关结构，以对材料相关性进行补偿。
12.用于执行根据权利要求I至11中的任意一项所述的方法的干涉测距仪，该干涉测距仪包括 -辐射源(16)，其用于向待测量目标(11)发送具有至少一个波长\的光辐射(12); -接收器(15)，其用于接收由所述目标(11)沿光轴(OA)散射回的光辐射(12)的一部分并用于将所接收到的光辐射(12)转换为至少一个接收信号，其中，所述接收器(15)被设置为具体地说利用K个检测器(23，45)或者利用用于将至少一个检测器相对于所述散斑场移动的扫描装置来至少部分地解析所述散斑场； -干涉测量仪装置； -信号处理单元(25，47)，其具有用于利用相位去相关误差补偿来从所接收到的信号确定到所述目标的真实距离的距离估计器(251，471)， 该干涉测距仪的特征在于 指向估计器(255)，该指向估计器(255)用于确定相对于所述光轴(OA)的指向并用于至少部分地解析所述散斑场。
13.根据权利要求12所述的干涉测距仪，该干涉测距仪的特征在于 所述接收器(15)包括具有K个通道的多通道数据获取系统，该多通道数据获取系统用于独立地、尤其是数字地获取检测器信号Ak。
14.根据权利要求12所述的干涉测距仪，该干涉测距仪的特征在于 模拟解调制器(321)，该模拟解调制器(321)用于生成干涉图信号A' k。
15.根据权利要求12所述的干涉测距仪，该干涉测距仪的特征在于 所述接收器(15)包括四个检测器，该四个检测器形成用于解析单散斑图像的象限检测器。
全文摘要
一种干涉测距仪中的散斑减轻方法，该方法包括以下步骤向待测量目标(11)发送具有至少一个波长λ的光辐射(12)；接收由所述目标(11)沿光轴(OA)散射回的所述光辐射(12)的一部分，其中，所述光辐射(12)形成散斑场；将所接收到的光辐射(12)转换为至少一个接收信号；通过绝对或增量干涉距离测量来从所接收到的信号确定到所述目标(11)的真实距离。在该方法中，确定相对于光轴(OA)的真实指向，其中，对由于散斑效应引起的距离误差进行校正。
文档编号G01B9/02GK102713503SQ201080056600
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月13日 优先权日2009年12月14日
发明者伊斯·萨尔瓦德, 马塞尔·罗纳 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司