[發明專利]物體的距離和取向測量

有效

• 申請號: 200980111359.3
• 申請日: 2009-03-17
• 公開（公告）號: CN101981468A
• 公開（公告）日: 2011-02-23
• 發明（設計）人: V·博卡托夫斯基
• 申請（專利權）人: 伊斯曼柯達公司
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S17/87
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

技術領域

本發明涉及一種用于非接觸測量表面的距離和取向的光學傳感器和方法，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

非接觸距離測量在工業中被廣泛使用。依賴于具體應用需要采用不同的技術。以下技術，例如激光三角測量技術、共焦技術、基于光纖的技術、干涉儀技術以及色譜技術，在距離或位移測量領域中是常見的，并且通過使用光學方法來實現。每種技術被選擇以適應具體應用要求。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，用于測量到介質的距離。每個公開的專利是基于相對于傳感器的預定的介質取向。對于介質取向不是預定的應用(例如計算機直接制版(CTP)頭校準)，這種假設無效，并且不可能準確地測量到任意取向的介質的距離。

圖1A示出了根據美國專利4,801,799的傳感器的功能，其中介質130相對傳感器光學軸線取向成90度角。圖1B示出了以不同于90度角取向的介質130。在兩種情況下，介質130和光纖110的出口之間的距離是相同的。

從圖1A可以明顯得知，來自光源100經過光纖110和透鏡120的光從介質130被反射，并且經過透鏡120和光纖140返回到光傳感器電路150，所述介質130相對于光纖光發射軸線垂直取向。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到光纖出口距離的函數(見美國專利4,801,799的圖4)。

圖1B示出了具有傾斜取向的介質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1B可以看出的，盡管介質和光纖出口之間的距離不改變，即使介質取向角度稍微變化，也可能導致光傳感器150輸出信號的偏差。換句話說，介質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。

在成像頭到介質的距離測量應用中，表面的取向或形狀，或者成像頭到套筒距離測量經常變化。在那些情況下，由介質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到傳感器距離測量。

發明內容

本發明的目的是提供一種新的和改進的光纖位移傳感器設備，該設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。

簡而言之，根據本發明的一個方面，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系的距離校準函數；確定在所述距離校準函數內由最小值和最大值指示的至少一個測量范圍；計算指示在調制函數的周期內在預定時隙處采樣的能量水平關系的角度校準函數；以及用所述調制函數調制所述多個光源中的每一個，使得在光發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射預定函數表示。

在調制周期T內的任何固定時間處測得的光傳感器響應信號是介質到光纖距離的函數，本發明提供甚至在介質相對于光纖傳感器光發射軸線取向不同于90度或介質具有非平坦形狀的情況下，對介質和傳感器之間的距離的測量。該距離由在調制周期的固定和預定點測得的光傳感器響應確定，而角度方向和角度值由信號的相位和振幅確定。

在介質相對于光發射軸線垂直取向的情況下，不管已調制或未調制光傳感器響應的類型如何，發射光測量之和將保持恒定，所述和為介質到光纖距離的函數。在介質相對于光發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為調制的，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值。從以下描述和附圖中，本發明的其他優點將變得明顯。

附圖說明

圖1A和圖1B是圖示說明傳感器功能的現有技術的示意圖；

圖2A-2C是圖示說明本發明的傳感器功能的示意圖；

圖3是圖示說明介質到光纖的距離響應校準函數的示意圖；

圖4A-4C是圖示說明各種類型的調制方式的時序圖；