专利名称：物体的距离和取向测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于非接触测量表面的距离和取向的光学传感器和方法，更具体 地涉及使用光纤位移传感器进行测量的方法。
背景技术：
非接触距离测量在工业中被广泛使用。依赖于具体应用需要采用不同的技术。以 下技术，例如激光三角测量技术、共焦技术、基于光纤的技术、干涉仪技术以及色谱技术，在 距离或位移测量领域中是常见的，并且通过使用光学方法来实现。每种技术被选择以适应 具体应用要求。例如，为了聚焦成像头，一些计算机直接制版(CTP)成像机使用激光三角测 量原理。这种感测设备的缺点之一是相对高的成本和形状因素方面，其对成像头设计造成 很大限制。在美国专利7，071，460 (Rush)、4，739，161 (Moriyama 等人)、5，017，112 (Hafle)和 4，801，799 (Tromborg等人)中公开了允许小的传感器尺寸的非接触位移测量的另一方法。 所有公开的专利使用两个或更多个光纤，用于测量到介质的距离。每个公开的专利是基于 相对于传感器的预定的介质取向。对于介质取向不是预定的应用(例如计算机直接制版 (CTP)头校准)，这种假设无效，并且不可能准确地测量到任意取向的介质的距离。图IA示出了根据美国专利4，801，799的传感器的功能，其中介质130相对传感器 光学轴线取向成90度角。图IB示出了以不同于90度角取向的介质130。在两种情况下， 介质130和光纤110的出口之间的距离是相同的。从图IA可以明显得知，来自光源100经过光纤110和透镜120的光从介质130被 反射，并且经过透镜120和光纤140返回到光传感器电路150，所述介质130相对于光纤光 发射轴线垂直取向。在该情况下，由光传感器150检测到的反射光能量的量是介质到光纤 出口距离的函数(见美国专利4，801，799的图4)。图IB示出了具有倾斜取向的介质130的传感器功能。在该情况下，光传感器150 将接收更小量的反射光能量或根本没有反射光能量。如从图IB可以看出的，尽管介质和光 纤出口之间的距离不改变，即使介质取向角度稍微变化，也可能导致光传感器150输出信 号的偏差。换句话说，介质130取向角度可能极大改变光传感器150输出信号，从而增加测 量误差或使测量不可能。在成像头到介质的距离测量应用中，表面的取向或形状，或者成像头到套筒距离 测量经常变化。在那些情况下，由介质取向或形状变化引起的光纤传感器误差成为测量传 感器的严重缺点。此外，成像头对准偏差，或者套筒或鼓的偏心率变化也影响介质到传感器 距离测量。

发明内容
本发明的目的是提供一种新的和改进的光纤位移传感器设备，该设备能够提供传 感器和非平坦形状表面或平坦表面之间的测量，所述非平坦形状表面或平坦表面被布置在表面和传感器轴线之间的角度范围内。简而言之，根据本发明的一个方面，一种用于测量物体和光源之间的距离并且感 测该物体的取向的方法包括将来自多个光源的光施加在所述物体上；检测来自物体的反 射能量水平；测量来自所述物体的所述反射能量水平；计算指示与所述物体和所述光源之 间的距离关系的距离校准函数；确定在所述距离校准函数内由最小值和最大值指示的至少 一个测量范围；计算指示在调制函数的周期内在预定时隙处采样的能量水平关系的角度校 准函数；以及用所述调制函数调制所述多个光源中的每一个，使得在光发射的时间期间从 所述多个光源施加在所述物体上的总能量由光发射预定函数表示。在调制周期T内的任何固定时间处测得的光传感器响应信号是介质到光纤距离 的函数，本发明提供甚至在介质相对于光纤传感器光发射轴线取向不同于90度或介质具 有非平坦形状的情况下，对介质和传感器之间的距离的测量。该距离由在调制周期的固定 和预定点测得的光传感器响应确定，而角度方向和角度值由信号的相位和振幅确定。在介质相对于光发射轴线垂直取向的情况下，不管已调制或未调制光传感器响应 的类型如何，发射光测量之和将保持恒定，所述和为介质到光纤距离的函数。在介质相对于 光发射轴线非垂直布置或具有非平坦形状的情况下，测得的光传感器输出信号将变为调制 的，并且该信号的相位和振幅将分别指示偏斜角度的方向和数值。从以下描述和附图中，本 发明的其他优点将变得明显。


图IA和图IB是图示说明传感器功能的现有技术的示意图；图2A-2C是图示说明本发明的传感器功能的示意图；图3是图示说明介质到光纤的距离响应校准函数的示意图；图4A-4C是图示说明各种类型的调制方式的时序图；图5是图示说明当介质是垂直于光发射轴线的取向时光传感器的响应的示意图；图6A和图6B是图示说明当介质取向不垂直于光发射轴线时光传感器响应的示意 图；图7A和图7B是图示说明当介质取向不垂直于光发射轴线时光传感器响应的示意 图；以及图8是图示说明具有多个光源的传感器的示意图。
具体实施例方式图2A-2C是根据本发明的光纤位移装置的示意图，整体上用数字10指代。光纤位 移装置10包括信号发生器205，所述信号发生器产生控制信号215和220，用于提供光源 230和光源240的光调制。光纤235和245分别传导来自光源230和240的光。透镜用于 将来自光纤235和240的光束聚焦在介质256上，并且光传感器270测量从介质256经过 透镜250和光纤260的反射光。采集电路210采集经过光传感器270的反射光并且进行分 析。传感器配置可以包括多于两个的发射光纤和单个光传感器270。信号发生器205发出分别用于光源230和240的控制信号215和220。例如，光源 可以使用激光二极管。控制信号传送电流，所述电流激励为每个光源发射的能量。与光源特性的线性范围有关的发射光能量与光源电流成正比。总而言之，来自每个光源的发射光 将根据各自光源电流调制函数而变化。让我们假设光源230的光能量El被脉冲调制，如图4A中所示用函数445 (虚线) 表示的。光源240的光能量E2被类似的脉冲调制，所述类似的脉冲具有相同的幅度和相同 的50%占空比，但被偏移一个脉冲的长度(半个周期)，如图4A中函数435所示的。每个调制周期从光源230和240两者发射的总光能量E Σ可以被记为如下
权利要求
一种用于测量物体和光源之间的距离并且感测所述物体的取向的方法，所述方法包括以下步骤将来自多个光源的光施加在所述物体上；检测来自物体的反射能量水平；测量来自所述物体的所述反射能量水平；计算指示与所述物体和所述光源之间的距离关系的距离校准函数；确定在所述距离校准函数内由最小值和最大值指示的至少一个测量范围；计算指示在调制函数的周期内在预定时隙处采样的能量水平关系的角度校准函数；以及用所述调制函数调制所述多个光源中的每一个，使得在所述光发射的时间期间从所述多个光源施加在所述物体上的总能量由光发射预定函数表示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述物体的轮廓。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述调制函数的周期的第一部分期间取得所述反射光能量的第一测量值； 在所述调制函数的所述周期的第二部分期间取得所述反射光能量的第二测量值；以及 如果所述第一测量值等于所述第二测量值，则所述物体被布置为相对于光发射轴线垂 直，并且使用所述距离校准函数从所述第一测量值或所述第二测量值导出所述物体和所述 光源之间的所述距离。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述调制函数的周期的第一部分期间取得所述反射光能量的第一测量值； 在所述调制函数的所述周期的第二部分期间取得所述反射光能量的第二测量值；以及 如果所述第一测量值大于所述第二测量值，则所述物体相对于光发射轴线的取向角度 大于90度，并且使用所述距离校准函数从所述第一测量值和所述第二测量值的平均值导 出所述物体和所述光源之间的所述距离，并且从所述角度校准函数导出所述取向角度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述调制函数的周期的第一部分期间取得所述反射光能量的第一测量值； 在所述调制函数的所述周期的第二部分期间取得所述反射光能量的第二测量值；以及 如果所述第一测量值小于所述第二测量值，则所述物体相对于光发射轴线的取向角度 小于90度，并且使用所述距离校准函数从所述第一测量值和所述第二测量值的平均值导 出所述物体与所述光源之间的所述距离，并且从所述角度校准函数导出所述取向角度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述光发射预定函数由恒定值表示。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光发射预定函数是周期函数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中对所述周期函数进行脉冲调制。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述周期函数是三角函数。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述周期函数是平方正弦函数。
11.根据权利要求1所述的方法，其中是所述光源是激光光源。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述光源是激光发射二极管光源。
13.根据权利要求3所述的方法，其中所述调制函数的所述第一部分周期和所述第二 部分周期之和等于所述调制函数的周期。
14.根据权利要求3所述的方法，其中所述调制函数的所述第一部分周期等于所述调 制函数的所述第二部分周期。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量范围是线性的。
全文摘要
一种测量物体(256)和光源(230)之间的距离并且感测所述物体的取向的方法，所述方法包括将来自多个光源(230、240或810)的光施加在所述物体上；检测来自物体的反射能量(270)水平；测量来自所述物体的所述反射能量水平；计算距离校准函数；确定在所述距离校准函数内由最小值(302)和最大值(304)指示的至少一个测量范围(301)；计算指示在调制函数的周期内在预定时隙处采样的能量水平关系的角度校准函数；以及用所述调制函数(435、445)调制所述多个光源中的每一个，使得在所述光发射的时间期间从所述多个光源施加在所述物体上的总能量由光发射预定函数表示。
文档编号G01S17/87GK101981468SQ200980111359
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年4月2日
发明者V·博卡托夫斯基 申请人:伊斯曼柯达公司