專利名稱：遮光器穩(wěn)定型絕對距離計的制作方法
背景絕對距離計(ADM)通常是一種測定遙遠(yuǎn)目標(biāo)距離的裝置，測量時向目標(biāo)發(fā)送激光，然后收集該目標(biāo)反射或散射的光。ADM可用來測量一維距離，或附接于能測量對應(yīng)于附加維度(自由度)的量的更復(fù)雜的裝置。
一例此類裝置是激光跟蹤器，可測量三維空間坐標(biāo)。激光跟蹤器向相對有關(guān)表面固定的或裝入固定器具的反光鏡目標(biāo)發(fā)送激光束，最常見類型的反光鏡目標(biāo)是球面安裝的反光鏡(SMR)，包括裝在球面內(nèi)的立方角反光鏡，立方角的頂角在球面中心。
激光跟蹤器內(nèi)的萬向架機構(gòu)可將激光束從跟蹤器導(dǎo)向SMR，被SMR反射的光部分進(jìn)入激光跟蹤器并傳給位置檢測器。激光跟蹤器內(nèi)的控制系統(tǒng)利用光在位置檢測器上的位置，調(diào)整激光跟蹤器機械方位軸與天頂軸的轉(zhuǎn)動角度，保持激光束集中于SMR，因而跟蹤器能跟蹤在有關(guān)物體表面移動的SMR。
反射入激光跟蹤器的光部分還傳入測距裝置(距離計)，如干涉儀或ADM。附接于跟蹤器機械方位軸與天頂軸的角編碼器，也可測量激光束(相對于跟蹤器參考框架)的方位角與天頂角。激光跟蹤器作一次測距和兩次測角就足以完全限定SMR的三維位置。
下面對干涉測儀距與絕對距離測量作一比較。在激光跟蹤器中，干涉儀(有的話)統(tǒng)計已知長度增量(通常為激光的半波長)在反光鏡目標(biāo)在起點與終點間移動時的通過次數(shù)，可測定這兩點間的距離。若激光束在測量期間被遮斷，就不能準(zhǔn)確地知道計數(shù)，使距離信息丟失。相比之下，激光跟蹤器里的ADM測定反光鏡目標(biāo)的絕對距離時與激光束遮斷無關(guān)。由此可以說，ADM能作“瞄準(zhǔn)與發(fā)射”測量。
在干涉儀測量中，雖有若干誤差源，但在大多數(shù)場合中，主要誤差在于激光在其通過空氣的路徑中的平均波長值?？臻g某一點的波長等于激光的真空波長除以空氣在該點的折射率。激光的真空波長通常高度精確(優(yōu)于1/107)，但空氣的平均折射率都不大準(zhǔn)確。求解空氣折射率時，要先用傳感器測量空氣的溫度、壓力和濕度，再將這些測量的值代入有關(guān)方程，Ciddor方程或Edlin方程。
然而，空間的溫度、壓力和濕度并不均一，而且傳感器也并非完全精確，例如平均溫度差1℃，可造成折射率誤差百萬分之一(ppm)。如上所述，空氣中的光波長與空氣折射率成反比例。
在ADM中，所謂的ADM波長(也稱為模糊范圍)同樣與空氣折射率成反比關(guān)系。因此，測量溫度、壓力和濕度的誤差就造成計算距離的誤差，這對ADM與干涉儀系統(tǒng)幾乎一樣。
然而，ADM易出現(xiàn)干涉儀中未發(fā)現(xiàn)的誤差。為測量距離，干涉儀用電氣計數(shù)器跟蹤兩條光束同相與異相的次數(shù)，而計數(shù)器是一種數(shù)字裝置，不一定響應(yīng)于小的模擬差異。相比之下，通常要求ADM把相移或時延等模擬值測量到高度精密。
為理解ADM面對的難題，我們來研究三種普通的ADM結(jié)構(gòu)電學(xué)參考結(jié)構(gòu)、光學(xué)參考結(jié)構(gòu)和光學(xué)混合結(jié)構(gòu)。在大多數(shù)高性能ADM中，激光調(diào)制方法或是對激光源加電信號，或是把激光發(fā)送通過聲光或電光調(diào)制器一類的外接調(diào)制器。該激光從ADM發(fā)送到可能是反光鏡或漫射表面的遠(yuǎn)地目標(biāo)，而從該目標(biāo)反射或散射的光至少部分返回ADM。
基于光學(xué)混合結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)通常稱為相干系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，返回的激光與來自另一位置的激光混合后，再送到光學(xué)檢測器把光轉(zhuǎn)換成電信號。然后對該電信號譯碼，測定ADM到遠(yuǎn)地目標(biāo)的距離。
不相干系統(tǒng)基于另兩種結(jié)構(gòu)之一。在電學(xué)參考結(jié)構(gòu)中，來自光學(xué)檢測器的電信號直接與加給激光器或外接調(diào)制器的電氣調(diào)制器信號比較。在光學(xué)參考結(jié)構(gòu)中，來自光學(xué)檢測器的電信號與所謂的參考通道中第二光學(xué)檢測器輸出的電信號比較。在該結(jié)構(gòu)中，將調(diào)制的激光送給兩條平行通道將光傳給遠(yuǎn)地目標(biāo)的測量通道和其光停留在ADM附近的參考通道。這兩條通道包含大體一樣的元件同樣的光學(xué)元件、檢測器和電子線路。
電學(xué)參考結(jié)構(gòu)不能完美地把電學(xué)調(diào)制轉(zhuǎn)換為光學(xué)調(diào)制。此外，所有三種結(jié)構(gòu)都存在光學(xué)與電學(xué)元件造成的漂移與可重復(fù)性誤差，如ADM系統(tǒng)使用的光纖會隨溫度改變光路長度，通過在長度與位置上匹配參考和測量通道中的光纖，可將該問題減到最小。ADM系統(tǒng)使用的電氣組件，如放大器與濾波器，會使調(diào)制的信號經(jīng)歷溫度相依的相移。在光學(xué)參考結(jié)構(gòu)中，通過在參考和測量通道中匹配電氣元件的溫度相依的相移，可盡量減小該問題。但一般而言，對任何結(jié)構(gòu)的ADM，短期可重現(xiàn)性誤差和長期漂移(尤其與環(huán)境溫度變化有關(guān))都成問題，而這兩種誤差就是一般稱為穩(wěn)定性誤差的例子。
無論距離計是ADM還是干涉儀，激光跟蹤器還遇到另一類測距誤差，通常稱為RO(R-零)誤差。在激光跟蹤器中，認(rèn)為光通過一樞點，也稱為萬向點，希望ADM或干涉儀測出的所有距離都參照該萬向點。為此，被設(shè)計成在運動學(xué)上支持SMR的磁具牢固地連接激光跟蹤器本體。平時位于原來位置的該磁具接在激光跟蹤器的出射孔下面，測量時不擋住激光束。為測定萬向點與該原來位置的RO距離，要執(zhí)行稱為RO補償?shù)牟襟E。測量過程中，SMR偶爾引入到原來位置，距離就復(fù)位至RO距離。對干涉儀而言，這樣就提供了恢復(fù)被遮激光束的簡明方法；對于ADM，這是一種去除電學(xué)或熱學(xué)漂移的方法。
跟蹤器外殼金屬隨溫度而伸縮，故RO值相應(yīng)地增減。能以實時方式校正RO值而部分補償這種擴展，其方法是在跟蹤器金屬體內(nèi)埋置一個或多個溫度傳感器，再用測量的溫度校正金屬的熱膨脹。但該法并不完美，因為金屬的平均溫度或金屬的熱膨脹系數(shù)都不精確。由于RO的脹縮正比于長度RO、熱膨脹系數(shù)與溫度變化的乘積，因而被校正的RO測量的誤差幅度直接正比于RO距離而增大。遺憾的是，因處于原來位置的磁具裝到跟蹤器本體上，故RO距離必定為非零。

發(fā)明內(nèi)容
本文描述的絕對距離測量裝置克服或減輕了原有技術(shù)的上述和其它缺點與不足，該裝置包括參考和測量激光信號通路，并含有提供激光信號的激光源和遮光組件，而遮光組件包含限定至少一個通過一部分可轉(zhuǎn)表面設(shè)置的孔徑的可轉(zhuǎn)表面；其中將激光信號導(dǎo)向遮光組件可轉(zhuǎn)表面上不同的點，在可轉(zhuǎn)表面旋轉(zhuǎn)時，孔徑有選擇地讓所述至少兩條激光信號通路的每一條傳輸與不傳輸。
根據(jù)以下的詳細(xì)描述和諸附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然明白該遮光穩(wěn)定型絕對距離測量裝置的上述和其它特點與優(yōu)點。
附圖簡介現(xiàn)參照附圖，圖中同樣的元件標(biāo)以同一編號；

圖1以透視圖示出一例向SMR發(fā)送激光束的激光跟蹤器，其中激光跟蹤器選用的元件表示成塊；
圖2以俯視圖示出圖1的示例激光跟蹤器；圖3以透視圖示出ADM遮光組件示例元件，激光發(fā)送給分束器；圖4以俯視圖示出圖3的示例ADM-遮光組件；圖5以透視圖示出ADM-遮光組件的示例元件，激光發(fā)送給內(nèi)反光鏡；圖6以俯視圖示出圖5的示例ADM-遮光組件；圖7以透視圖示出ADM-遮光組件的示例元件，激光發(fā)送給內(nèi)反光鏡；圖8以俯視圖示出圖7的示例ADM-遮光組件；圖9示意性示出ADM和ADM-遮光組件的示例元件；和圖10示出示例ADM中中頻(IF)電信號的圖形。
較佳實施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在詳細(xì)參照本發(fā)明諸較佳實施例，其實例見諸附圖。本發(fā)明提供的ADM，用遮光器改進(jìn)測量穩(wěn)定性，若將它裝入激光跟蹤器，還可減小RO誤差。
示例的激光跟蹤器特性現(xiàn)參照圖1，圖示為向SMR發(fā)送激光束的示例激光跟蹤器的透視圖。該示例激光跟蹤器一般包括方位軸組件12、天頂軸組件14、有效負(fù)載組件16和輔助組件18。示例性方位軸組件12包括基架20、方位軸外結(jié)構(gòu)22、方位軸內(nèi)軸(未示出)、方位軸軸承(未示出)、方位軸電機(未示出)和方位軸角編碼器(未示出)。下面描述方位軸組件12的各種示例特點?；?0設(shè)計成將激光跟蹤器10緊固于儀表架或類似結(jié)構(gòu)。方位軸外結(jié)構(gòu)22接至基架20并相對其靜止。方位軸軸承方位軸電機和方位軸角編碼器配裝在方位軸內(nèi)軸與方位軸外結(jié)構(gòu)22之間。方位軸軸承讓方位軸內(nèi)軸平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，摩擦很?。环轿惠S電機可將方位軸內(nèi)軸轉(zhuǎn)到任一期望的方位角；方位軸角編碼器可測量方位軸內(nèi)軸的方位角。
所述的示例天頂軸14包括軛架24、天頂軸內(nèi)軸(未示出)、天頂軸軸承(未示出)、天頂軸電機(未示出)和天頂軸角編碼器(未示出)。下面描述天頂軸組件14的各種示例特點。軛架24牢接方位軸內(nèi)軸，使整個天頂軸組件14與方位軸內(nèi)軸一起旋轉(zhuǎn)。軛架24可彎成U形，天頂軸內(nèi)軸可插入其中的鉆孔。天頂軸軸承、天頂軸電機和天頂軸角編碼器配裝在天頂軸內(nèi)軸和軛架孔表面之間。天頂軸軸承讓天頂軸內(nèi)軸平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，摩擦很小。天頂軸電機可將天頂軸內(nèi)軸轉(zhuǎn)到任一期望的天頂角。天頂軸角編碼器可測量天頂軸內(nèi)軸的天頂角。
現(xiàn)參照圖1和2，圖示為示例的有效負(fù)載組件16，它一般包括安裝板26、光電子組件28、ADM-遮光組件30、位置檢測組件32、束展寬組件34和分束器36、38。示例的安裝板26包括一塊平板或其上附接兩個安裝法蘭40的同類堅固結(jié)構(gòu)，天頂軸內(nèi)軸可緊接到安裝法蘭40，使天頂軸與方位軸的旋轉(zhuǎn)傳遞給有效負(fù)載組件16。
仍參照圖1和2，示例的光電子組件發(fā)射可見激光42。在一示例實施例中，激光42在位于輔助組件18中的激光源(未示出)里生成，在通過方位軸與天頂軸組件激光的光纖44上發(fā)射，如圖1和2所示。在另一示例實施例中，激光器(未示出)裝在安裝板26上的光電子組件28內(nèi)。或者，光電子組件28還可包含能測量增量距離的干涉儀(未示出)。
再參照圖1和2，示例的ADM-遮光組件30以不同于光電子組件28發(fā)射的波長來發(fā)射激光(一般示為46)。在一示例實施例中，ADM-遮光器激光46具有處于近紅外譜肉眼安全區(qū)的波長，例如約1550nm。在一示例實施例中，ADM-遮光組件30發(fā)射的激光46由裝在輔助組件18里的激光器生成且在通過方位軸12和天頂軸14組件敷設(shè)的光纖44上發(fā)射。
現(xiàn)參照圖2所示的示例結(jié)構(gòu)，來自光電子組件28的激光先通過部分透射的分束器38，其中只返射一小部分光，大部分光則被透射。然后激光通過二色分束器36，后者透射來自光電子組件28的可見光42，但反射來自ADM-遮光組件30的光46。在二色分束器36之后，來自光電子組件28和ADM-遮光組件30的激光組合成一條合成激光束。該合成激光束先通過第一透鏡48(束展寬組件(圖1中34)的凹面或凸面)，再通過第二透鏡50(束展寬器的凸面)。在一示例實施例中，將兩透鏡48、50主平面的間距設(shè)置成等于兩透鏡48、50的焦距之和，形成把準(zhǔn)直的入射束轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)直的輸出束的無焦束展寬器。
再參照圖1和2，描述該示例激光跟蹤器10的示例性操作。合成激光束54離開激光跟蹤器10向目標(biāo)如球面安裝型反光鏡52(SMR)行進(jìn)，若激光束54中心射到位于SHR 52中心的立方角反光鏡(未示出)的頂角上，則反射的光就返回入射光通路。合成激光束54再進(jìn)入跟蹤器10，在它通過束展寬器34的兩塊透鏡50、48時，尺寸減小了。二色分束器36將ADM激光(在一示例實施例中有一紅外區(qū)內(nèi)的波長)反射入ADM-遮光組件30，并且透射其余的光(在一實施例中具有可見區(qū)內(nèi)的波長)。部分透射分束器38把少量光反射到位置檢測組件32上，而把其余光透射入光電子組件28。調(diào)節(jié)位置檢測組件32，使射到SHR 52中心上的激光束52也射到位置檢測組件32的中心上。若激光束不射到位置檢測組件32的中心，便產(chǎn)生一電氣誤差信號，使方位軸12和天頂軸14(未示出)組件的電機操縱激光束54朝向SHR 52的中心。在光電子組件28中有干涉儀的實施例中，可用光學(xué)與電氣元件分析傳入光電子組件28的光，以增量方式測量到SHR 52的距離。
再參照圖1和2，描述有效負(fù)載組件16和輔助組件18的示例結(jié)構(gòu)。光信號通過光纖44、電信號通過電線44從有效負(fù)載16上的元件傳到輔助組件18中的元件。輔助組件18包含實現(xiàn)激光跟蹤器及其裝置的功能所需的激光器、光學(xué)元件和電氣元件。下面再詳述該盒內(nèi)的一些示例元件。
現(xiàn)參照圖2，即使在光電子組件28包含干涉儀的實施例中，光電子組件28的主要用途也是把可見光發(fā)送給SHR 52，接著再傳給位置檢測組件32。可見光能向跟蹤器操作員提供有關(guān)激光束行蹤的有價值的目視線索。同時，與在1550nm有效的位置檢測器相比，位于可見光區(qū)的位置檢測器的成本小得多，性能也更佳。
在另一實施例中，ADM應(yīng)用可見光區(qū)內(nèi)的激光，既不用干涉儀，也不用光電子組件。
ADM-遮光組件現(xiàn)參照圖3-6，連同二色分束器36(也示于圖1和2)一起示出了ADM-遮光組件30的示例元件，圖3和4是激光束經(jīng)遮光組件66傳到二色分束器36的示例情況。
在一實施例中，ADM-遮光組件30包括套筒纖維組件56、準(zhǔn)直透鏡58、ADM分束器60、參考鏡62、束塊64，遮光器組件66，和內(nèi)部參考反光鏡68。如圖3和4所示，圖示的示例套筒纖維組件56包括其內(nèi)用環(huán)氧連接的光纖72的套筒70，光纖72接輔助組件(圖1中18)里的ADM激光器。圖示遮光組件66包括遮光電機74、角傳感器76和遮板78。
仍參照圖3和4，光80從套筒纖維組件56的光纖72發(fā)出，被準(zhǔn)直鏡58準(zhǔn)直。ADM分束器60反射部分光并通過遮板78的孔徑82把它送到二色分束器36上。ADM分束器60將其余光發(fā)射到參考鏡60，后者將光反射到遮板78上。下面描述示例元件的結(jié)構(gòu)。
在一實施例中，遮板78有一反射面層如拋光的金屬表面，使光反射到束塊64之一上而不散射回光纖72，這種不需要光線的背散射會損害某些類型ADM的精度。
再參照圖3和4，示例的束塊包括涂布防反射介質(zhì)薄膜的中性密度吸收玻璃小板。在一實施例中，遮光電機74背部84朝上傾斜，使反射的激光朝下導(dǎo)向束塊64。SHR 52(示于圖1)反射的光返回其通路傳到激光跟蹤器10里的二色分束器36。激光從二色分束器36反射到ADM分束器60，再被準(zhǔn)直鏡58聚集到光纖72的纖芯上。
現(xiàn)參照圖5和6，圖示為第二示例配置中的ADM-遮光組件30。在圖5和6中，遮板78已轉(zhuǎn)到某一位置，讓激光反射到內(nèi)部參考反光鏡上。當(dāng)遮板旋轉(zhuǎn)時，把光交替發(fā)送到二色分束器與內(nèi)部參考反光鏡。在一實施例中，內(nèi)部參考反光鏡68是立方角反光鏡，激光束中心射到立方角的頂角上，然后激光束返回其通路再進(jìn)入光纖72的纖芯。隨著遮板78轉(zhuǎn)動，角傳感器76(在一實施例中為霍爾效應(yīng)傳感器)就指示遮板78的角度，于是該角度在每一瞬間判斷ADM激光是傳向SHR 52還是內(nèi)部參考反光鏡68。
再參考圖5和6，在一實施例中，如下面解釋的那樣，為盡量增大測量時間，遮板78只有一個孔徑82(盡管可設(shè)多個孔徑82)。在一實施例中，在將激光束部分發(fā)送到二色分束器36并部分發(fā)送到內(nèi)部參考反光鏡68時，一般不作測量。例如，研究激光束從光纖發(fā)出后具有高斯分布和直徑為0.6mm的情況。由于高斯分布的尾部伸出0.6mm束徑，而且激光束從SHR 52的返回通路上較大，故激光束的有效直徑大于0.6mm，為此一般把激光束處理成有效直徑設(shè)想為2mm。若激光束向遮光電機74轉(zhuǎn)軸左右傳播5mm，則激光束在π乘5mm即約16mm的弧長上與孔徑82相交。測距功能在兩倍于束徑即4mm的弧距上變得無效，換言之，可在12/16＝遮光器旋轉(zhuǎn)75％期間測量。在此場合中，增加遮板78的孔徑數(shù)，要減小關(guān)于距離測量函數(shù)中可達(dá)到的時間。在一實施例中，為保證遮板78平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，使遮板78的重心位于旋轉(zhuǎn)軸線上。
現(xiàn)參照圖7和8，圖示為另一實施例的遮光器穩(wěn)定型ADM組件30’。激光源(如圖9中88)通過光纖72’提供激光信號。在圖示例中，光纖耦合器114和兩條光纖110、112把激光信號導(dǎo)向遮板78’的不同點；在光纖110、112與遮板78’上不同點之間，示出了套筒116和透鏡118。
因而在圖示例中，激光在光纖72’中運行，被光纖耦合器114分成兩條通路，即測量通路122和參考通路124。光纖里的光傳入光纖臺120，后者包括4個套筒116和4塊透鏡118。透鏡118中的一塊準(zhǔn)直在測量通路122中傳播的光，另一塊透鏡118準(zhǔn)直在參考通路124中傳播的光。
現(xiàn)參照圖7，圖示的遮板78’的孔徑82’，處于讓激光傳入測量通路122而阻止光傳入?yún)⒖纪?24的位置。光傳播到包括套筒128和透鏡130的發(fā)射組件126，透鏡130使光準(zhǔn)直，在二色分束器36’上將光反射到遠(yuǎn)地反光鏡(未示出)。來自該反射光鏡的光返回其通路，直到通過光纖耦合器114。光然后傳到圖9下面的光學(xué)檢測器和電子線路盒，測定跟蹤器與反光鏡目標(biāo)的距離。
現(xiàn)參照圖8，圖示遮板78’的孔徑82’，處于將激光傳入?yún)⒖纪?24而阻止光傳入測量通路122的位置。在圖示例中，如上所述，光傳到光纖反光鏡132再返回其通路，直到它通過光纖耦合器114傳入電子線路。
再參照圖7和8，在一實施例中，參考通路124和測量122通路中的光纖分別匹配，如使它們的長度一樣。
通常，ADM-遮光組件30可供任一類ADM使用?，F(xiàn)參照圖9，一示例ADM通過測量強度調(diào)制的激光的相移來測距。圖9右側(cè)示意表示圖3-6所示ADM-遮光組件30的某些示例元件，包括二色分束器36、內(nèi)部參考反光鏡68、遮光組件66、參考鏡62、AMD分束器60、準(zhǔn)直鏡58和套筒-光纖組件56。圖9左邊示出可位于輔助組件18里面的示例ADM-光電子組件86，該組件86包括激光器88、隔離器90、耦合器92、低反射終端(LRT)94、光學(xué)檢測器96、參考振蕩器98、電信號發(fā)生器100、混頻器102、相位計104和微處理器106。
在一實施例中，參考振蕩器98是一發(fā)射正弦波的恒溫控制型晶振器(OCXO)，其已知頻率(如20MHz)穩(wěn)定到約為每年1×10-7。電信號發(fā)生器100用來自參考振蕩器98的信號產(chǎn)生更高頻率的穩(wěn)定的正弦波電信號(如3GHz)，該信號加到半導(dǎo)體激光器88的調(diào)制端口，在一實施例中，激光器88是一種分布型反饋激光器，輸出波長約為1550nm。示例的3GHz電正弦波調(diào)制激光的輸出功率(強度調(diào)制)。
仍參照圖9的實施例，調(diào)制的激光通過光纖108如豬尾型光纖從激光器88出射，傳播通過隔離器90如法拉第隔離器，而后者讓光只沿一個方向通過，防止激光器88因光反向進(jìn)入而不穩(wěn)定。激光傳入光學(xué)耦合器92如50∶50光學(xué)耦合器，把一半激光送入LRT 94，另一半激光送出ADM-光電子組件86。該送出的光傳到套筒-光纖組件56而射入自由空間，交替地傳到SHR 52和內(nèi)部參考反射器68。
光無論傳到SHR 52還是內(nèi)部參考反射器68，反射的光總是返回其通路并重新進(jìn)入套筒-光纖組件56里的光纖，再傳回光學(xué)耦合器92。耦合器92把一半光送到法拉第隔離器90并被吸收，另一半光送到光學(xué)檢測器。
仍參照圖9，在一實施例中，把來自光學(xué)檢測器96的輸出電信號加到例如混頻器102的射頻(RF)端口。電信號發(fā)生器100產(chǎn)生的本機振蕩(LO)信號(如3.000002GHz)加到混頻器102的LO端口?；祛l器102產(chǎn)生的中頻(IF)等于RF與LO信號的差值2KHz。來自混頻器102的IF信號與來自參考振蕩器98的信號一起送到相位計104，后者把20MHz參考信號下分頻到2KHz，再比較該2KHz信號與2Khz IF的相位。微處理器106運用連續(xù)的相位值測定內(nèi)部參考反光鏡68與SHR 52的距離。
遮板78旋轉(zhuǎn)時，返回光學(xué)檢測器96的光信號在傳給SHR 52的信號與傳給內(nèi)部參考反光鏡68的信號之間交替。這些交替測量之間的相位差用來測定內(nèi)部參考反光鏡68到SHR 52的距離。根據(jù)L＝c/2fmng，在稱為模糊范圍L的距離內(nèi)，相位差從0度變化到360度，式中c是真空中的光速，fm為調(diào)制頻率，ng是激光在空氣中的群折射率。例如，若調(diào)制頻率是3GHz，則模糊范圍L≈3·108/(2)(3·109)(1)m＝50mm。由于SHR 52可能離激光跟蹤器10好幾米，故在內(nèi)部參考反光鏡68與SHR 52之間有許多完整的模糊范圍L。若有M個完整的模糊范圍，而且相位計104測出φ弧度，則內(nèi)部參考反光鏡68到SHR 52的距離為d＝L(M+φ/2π)。
測定完整模糊范圍L的數(shù)M時，先減小調(diào)制頻率fm，再重算內(nèi)部參考反光鏡68到SHR 52的距離。例如，假定把調(diào)制頻率fm減到fm2＝3MHz，于是該較低頻率的模糊范圍為L2＝c/fm2ng，約為L2≈3·108/(2)(3·106)(1)＝50m。若圖9的相位計104能把相位測定到10-4弧度的精度，則可將距離L2求到優(yōu)于1mm的精度，這樣就適于對50mm的模糊范圍測定數(shù)M。
數(shù)M測定后，不必再測量M，除非ADM束被遮斷。在每次IF信號循環(huán)期間監(jiān)視正弦波的平均功率，可以檢測束遮斷。例如，假定遮板78以400Hz旋轉(zhuǎn)，若IF為2KHZ，則遮板78每次轉(zhuǎn)一圈，就檢出IF信號循環(huán)5次，如圖10所示。這5次循環(huán)中，一次是空循環(huán)，二次是測量循環(huán)(對應(yīng)于SHR 52距離)，二次是參考循環(huán)(對應(yīng)于內(nèi)部反光鏡距離)。該例中，檢測束遮斷的最大時間是完成二次參考循環(huán)、一次空循環(huán)與一次測量循環(huán)的時間，等于2ms。在該時間內(nèi)，若SHR 52沿徑向移動不到模糊范圍的0.4倍(0.4×50mm＝20mm)，就可正確地測定每一場合的數(shù)M。因此，在SHR 52運行快至20mm/2ms＝10m/s時，ADM能檢測出束遮斷。人的手臂移動SHR 52快不過6m/s，故不必測定M，除非束被遮斷。
通常由于制造公差積累，方位與天頂機械軸并不準(zhǔn)確地位于同平面。線段從方位軸延伸到天頂軸并與兩軸垂直的長度稱為軸偏移距離(AXOF)。該線段與方位軸的交點稱為跟蹤器原點，天頂軸到內(nèi)部參考反光鏡的距離稱為RIR(R內(nèi)部反光鏡)距離。
示例激光跟蹤器10有兩種操作模式正視模式與背視模式。從正視模式改到背視模式，激光跟蹤器10把方位軸轉(zhuǎn)180度，使天頂軸倒轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)天頂角符號，從而沿原來的方向送回激光束。若激光束描準(zhǔn)水平放置的目標(biāo)(水平激光束)，則從正視改為背視模式的效果是翻轉(zhuǎn)天頂軸相對方位軸的位置。具體而言，若天頂軸在正視模式中位于方位軸正面，則它在背視模式中就位于方位軸的背面，反之亦然。測量期間，在正視或背視模式中，天頂軸到SHR 52的距離均為dZ＝L(M+φ/2π)+RIR。若z軸指向方位軸方向，而角θ從z軸擴展到將跟蹤器原點接到SMR的連線，則跟蹤器原點到SHR 52的距離在正視模式中為do=AXOFsinθ+dz2-(AXOFcosθ)2,]]>在背視模式中為do=(dz-AXOFsinθ)2-(AXOFcosθ)2,]]>式中的θ值是在正視模式測得的值。因AXOF一般小于10微米，故遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測出的距離dz，因此對極佳的近似，可將公式簡化如下正視模式的do＝dZFS+AXOFsinθ，背視模式的do＝dZBS-AXOFsinθ。在該公式中，為表明已在正視或背視模式中作過的測量，用dZFS或dZBS代替符號dz。注意，對正視與背視兩種測量，因都將得到同一值，故用同一符號do代表與跟蹤器原點的距離。
如上面提出的公式，激光跟蹤器測距通常參照跟蹤器原點，為此(執(zhí)行上述計算)，在開始測量前，希望確定AXOF和RIR的值?，F(xiàn)在討論用來確定這些參數(shù)的一示例補償方法。第一步是設(shè)置兩個磁具(未示出)，使SHR 52置于任一磁具里時有同樣高度。第二步將激光跟蹤器移到兩個SHR 52目標(biāo)位置以外，調(diào)整激光跟蹤器的位置、高度和定向，使來自跟蹤器的激光束貫穿這兩個SHR 52目標(biāo)位置。于是激光跟蹤器里的ADM測量與每個目標(biāo)的距離，并從一個距離中減去另一距離，測定兩目標(biāo)間的距離D。在測得的跟蹤器與每個目標(biāo)的距離中，非零的AXOF與RIR值產(chǎn)生一誤差；但在從一個距離中減去另一距離而測定距離D時，這些誤差就抵消了。第三步是在兩個SHR 52目標(biāo)之間移動激光跟蹤器10，并且調(diào)節(jié)激光跟蹤器10的位置與定向，把跟蹤器原點定在兩SHR 52目標(biāo)位置的中心。將跟蹤器10置于正視模式，ADM測量與第一目標(biāo)的距離D1FS和與第二目標(biāo)的距離D2FS。第四步是把激光跟蹤器置成背視模式，ADM測量與第一目標(biāo)的距離D1BS和與第二目標(biāo)的距離D2BS。
把以上諸值代入下式，求出AXOF值A(chǔ)XOF＝(D1F+D2F-D1B-D2B)/4 (1)由下式求出RIR值RIR＝(2D-D1F-D2F-D1B-D2B)/4(2)遮光組件的示例優(yōu)點在ADM組里設(shè)置遮光器如諸圖所示的ADM-遮光組件30，有若干重要優(yōu)點。這些示例的優(yōu)點有(1)能消除光學(xué)、電氣或光電子元件的誤差；和(2)能設(shè)置穩(wěn)定的內(nèi)部參考位置，盡量減小RO誤差?，F(xiàn)在討論這些誤差和遮光器消除誤差的方法。
通常，若光學(xué)元件以在被測距離中造成不精確性或損害穩(wěn)定性的方式改變激光狀態(tài)，它們就會產(chǎn)生誤差。上述三種ADM結(jié)構(gòu)都可能使用光纖和光纖元件，如耦合器與隔離器。與自由空間光學(xué)元件相比，光纖元件成本低而性能優(yōu)，包括空間的激光品質(zhì)、背反射和指向穩(wěn)定性。
除了光學(xué)檢測器響應(yīng)一致性外，空間激光品質(zhì)還影響著ADM范圍。半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光的空間品質(zhì)往往很差，在許多場合中，束是橢圓形而非圓形，激光束型面通常不是理想的高斯形狀，于是光纖就用作提高激光束品質(zhì)的空間過濾器。在傳播通過足夠長的光纖之后(為增強過濾作用，可能呈圈形)，激光從光纖以近乎高斯束型面發(fā)射。
在一些要求高精度的ADM中，背發(fā)射可能是個問題。光纖和光纖元件比自由空間光學(xué)元件提供小得多的光學(xué)背反射，如通常能得到的光纖元件和光學(xué)接頭，反射小于光功率的百萬之一。相比之下，難以得到反射甚至小到千分之一的自由空間光學(xué)元件。
指向穩(wěn)定性影響著檢測器響應(yīng)的穩(wěn)定性和ADM束與來自光電子組件的可見光束的對準(zhǔn)。光學(xué)檢測器的瞬時響應(yīng)通常在靠近檢測器邊緣不同于中心附近。在光纖豬尾型光學(xué)檢測器中，激光幾乎在同一處射到檢測器表面上，與激光射到SMR上的地點無關(guān)，故提高了響應(yīng)一致性。
但不管這些優(yōu)點，應(yīng)用光纖對測量系統(tǒng)帶來了不準(zhǔn)確性。光纖的折射率隨溫度而變，而且為測定光纖的光程長度變化，折射率的相對變化被光纖長度所倍增。起初，這一光程長度變化在被測距離中呈現(xiàn)出誤差。一種盡量減小該誤差的方法是不時地把SMR置回原來位置，并將參考距離復(fù)位到RO值。當(dāng)然，若SMR不能經(jīng)常送回原來位置，這不是個好方法。另一種方法是匹配測量通道和參考通道(有的話)里的光纖長度與位置，但光纖的組分或纖芯截面決不相同，故這不是完美的方法。
ADM組件內(nèi)使用的電氣元件造成隨時間而變的瞬時相位，也會產(chǎn)生誤差。每種電氣元件都可能產(chǎn)生這類相變性，尤其是作為溫度的函數(shù)。實例包括電纜、濾波器、放大器與混頻器。精心選配電氣元件可以減少許多此類問題，但無法消除。電氣元件還易受平行通道中諸元件間輻射或傳導(dǎo)交互作用引起的串?dāng)_。光電子元件會造成漂移即不穩(wěn)定移動，例如，即便匹配的光學(xué)檢測器對光特性(功率、空間分布與偏振)和溫度的響應(yīng)也略微不同。
如上所述，在ADM組件里設(shè)置現(xiàn)有的遮光器，有利于去除光學(xué)、電氣和光電元件的這類誤差。上述解決光學(xué)、電氣和光電子問題的方法，是用遮光器復(fù)用參考信號(來自傳播到內(nèi)部參考反光鏡的光)與測量信號(來自傳播到SMR的光)之間的單一通道。由于光學(xué)、電氣和光電子元件為這兩種信號共用，故數(shù)毫秒或更長的所有瞬時變化均為共模，因此當(dāng)從測量信號的相位里減去參考信號的相位時，可將它們消除掉。該法還消除了平行物理通道間的串?dāng)_。
另外，在ADM組件里設(shè)置現(xiàn)有的遮光器，有利于提供把RO誤差減至最小的穩(wěn)定的內(nèi)部參考位置。起初，原來位置在跟蹤器外面，故RO位置為非零數(shù)；典型值約0.1米。熱膨脹使該值變化，如若跟蹤器結(jié)構(gòu)用鋁制成，則溫度變化10℃，會使0.1米的RO值變化約20微米(20ppm/℃×10℃×0.1米＝20微米)。為補償熱膨脹，可將溫度傳感器埋入跟蹤器結(jié)構(gòu)。但校正并非完美，溫度變化大也會造成至少幾微米的誤差。
在ADM組件里設(shè)置現(xiàn)有的遮光器有利于減小該誤差，其方法是在激光跟蹤器里離跟蹤器出射孔一定距離埋置一內(nèi)部參考反光鏡，該距離近似等于跟蹤器原點與該出射孔的距離。因RO值可做成任意小，故跟蹤器框架熱膨造成的RO誤差也可做得任意小。
現(xiàn)在的遮光器穩(wěn)定型絕對距離計可以接至或埋入任一類關(guān)于距離信息是重要的裝置。不必限制，這類裝置在激光跟蹤器中可旋轉(zhuǎn)，在起重機中可直線移動，在機器人端部操縱裝置中可按復(fù)雜圖形移動，或在一維距離計中保持幾乎不動。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可從上述討論明白如何把該遮光器穩(wěn)定型ADM配用于這些裝置。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，雖然已圖示并描述了諸示例實施例，但在不違背本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可對該遮光器穩(wěn)定型ADM作出各種修正與變化，如不加限制，在示例的遮光器可轉(zhuǎn)表面上，可用任意數(shù)量的光學(xué)元件把激光導(dǎo)向不同的點，包括光纖、小鏡、透鏡、分束器與棱鏡等。因此應(yīng)理解，描述的各種實施例僅作示例而不作限制。
權(quán)利要求
1.一種包括參考與測量激光信號通路的絕對距離測量裝置，其特征在于包括提供激光信號的激光源；和遮光組件，包括限定至少一個通過一部分可轉(zhuǎn)表面設(shè)置的孔徑的可轉(zhuǎn)表面；其中激光信號被導(dǎo)向遮光組件可轉(zhuǎn)表面上不同的點，當(dāng)可轉(zhuǎn)表面旋轉(zhuǎn)時，孔徑有選擇地傳輸與不傳輸所述至少兩條激光信號通路的每一條。
2.權(quán)項1的絕對距離測量裝置，其中一個或多個光纖、小鏡、透鏡、分束器和棱鏡把激光信號導(dǎo)向可轉(zhuǎn)表面上不同的點。
3.權(quán)項1的絕對距離測量裝置，其特征在于還包括至少一條光纖，它被配置成傳輸由所述起源于激光源的激光信號。
4.權(quán)項3的絕對距離測量裝置，其中至少一條光纖位于激光源與可轉(zhuǎn)表面之間。
5.權(quán)項4的絕對距離測量裝置，其中所述至少一條光纖耦合至其第一端的光纖耦合器，而所述光纖耦合器耦合至其第二端的兩條光纖，所述兩條光纖把激光信號導(dǎo)向所述可轉(zhuǎn)表面上不同的點。
6.權(quán)項5的絕對距離測量裝置，其中耦合至其第二端所述光纖耦合器的所述兩條光纖，總長度基本上相同。
7.權(quán)項4的絕對距離測量裝置，其中所述至少一條光纖輸出激光信號，而分束器和小鏡把所述激光信號導(dǎo)向所述可轉(zhuǎn)表面上不同的點。
8.權(quán)項2的絕對距離測量裝置。其中所述可轉(zhuǎn)表面呈反射性。
9.權(quán)項8的絕對距離測量裝置，其中所述可轉(zhuǎn)表面把激光反射到至少一個束塊。
10.權(quán)項2的絕對距離測量裝置，其中所述激光信號通過準(zhǔn)直鏡后被導(dǎo)向所述可轉(zhuǎn)表面上不同的點。
11.權(quán)項3的絕對距離測量裝置，其中至少一條光纖位于可轉(zhuǎn)表面與參考反光鏡和設(shè)置在測量通路的目標(biāo)中至少一個之間。
12.權(quán)項11的絕對距離測量裝置，其中所述至少一條光纖至少部分沿參考反光鏡所端接的參考通路設(shè)置，其中所述參考反光鏡是光纖反光鏡或直角反光鏡。
13.權(quán)項11的絕對距離測量裝置，其中至少一條光纖至少部分沿反光鏡端接的參考通路設(shè)置；至少一條光纖至少部分沿導(dǎo)向目標(biāo)的測量通路設(shè)置；而且所述至少一條沿所述參考通路設(shè)置的光纖和所述至少一條沿所述測量通路設(shè)置的光纖的總長度基本上一樣。
14.權(quán)項1的絕對距離測量裝置，其中所述遮光組件還包括操作上與所述可轉(zhuǎn)表面相關(guān)聯(lián)的遮光電機。
15.權(quán)項14的絕對距離測量裝置，其中所述遮光組件還包括操作上與所述遮光電機相關(guān)聯(lián)的角傳感器。
16.權(quán)項1的絕對距離測量裝置，其中所述孔徑有選擇地讓所述至少兩條激光信號通路中的至少一條傳向參考反光鏡。
17.權(quán)項1的絕對距離測量裝置，其中所述孔徑有選擇地讓所述至少兩條激光信號通路中的至少一條傳向沿測量通路設(shè)置的目標(biāo)。
18.權(quán)項17的絕對距離測量裝置，其中在所述孔徑與所述目標(biāo)之間設(shè)置一二色分束器。
19.權(quán)項18的絕對距離測量裝置，其特征在于還包括向所述二色分束器提供光電子激光信號的光電子組件，使二色分束器組合輸出的光電子激光信號和通過可轉(zhuǎn)表面孔徑沿測量通路輸出的激光信號。
20.權(quán)項19的絕對距離測量裝置，其中光電子激光信號具有可見光范圍內(nèi)的波長。
21.權(quán)項1的絕對距離測量裝置，其中激光源提供波長在近紅外范圍內(nèi)的激光信號。
22.權(quán)項19的絕對距離測量裝置，其中光電子組件還包括干涉測量的測距裝置。
23.權(quán)項1的絕對距離測量裝置，其中所述激光源在輔助組件內(nèi)遙對所述遮光組件設(shè)置。
24.權(quán)項1的絕對距離測量裝置，其中耦合器把反射的激光信號導(dǎo)向光學(xué)檢測器。
25.權(quán)項24的絕對距離測量裝置，其中用位于所述耦合器與所述激光源之間的隔離器，防止所述反射的激光信號使所述激光源不穩(wěn)定。
26.權(quán)項24的絕對距離測量裝置，其中所述光學(xué)檢測器提供的輸出電信號加到混頻器的射頻端口。
27.權(quán)項26的絕對距離測量裝置，其中電信號發(fā)生器對所述混頻器的本機振蕩器端口施加信號。
28.權(quán)項27的絕對距離測量裝置，其中所述混頻器產(chǎn)生傳給相位計的中頻信號。
29.權(quán)項28的絕對距離測量裝置，其中參考振蕩器向所述電信號發(fā)生器和所述相位計提供參考信號。
30.權(quán)項28的絕對距離測量裝置，其中所述相位計把連續(xù)的相位值提供給微處理器，后者測定位于參考通路上參考反光鏡到位于測量通路上目標(biāo)的距離。
31.一種包括參考和測量激光信號通路的絕對距離測量裝置，其特征在于包括提供激光信號的激光源；遮光組件，包括限定至少一個通過一部分可轉(zhuǎn)表面設(shè)置的孔徑的可轉(zhuǎn)表面。其中激光信號導(dǎo)向遮光組件可轉(zhuǎn)表面上不同的點，當(dāng)可轉(zhuǎn)表面旋轉(zhuǎn)時，孔徑有選擇地讓所述至少兩條激光信號通路的每一條傳輸和不傳輸；和向微處理器提供連續(xù)相位值的相位計，而微處理器測定位于參考通路上參考反光鏡到位于測量通路上目標(biāo)的距離。
32.權(quán)項31的絕對距離測量裝置，其中一個或多個光纖、小鏡、透鏡、分束器和棱鏡把激光信號導(dǎo)向可轉(zhuǎn)表面上不同的點。
33.一種改進(jìn)絕對距離測量裝置的測量穩(wěn)定性的方法，其特征在于包括向遮光組件可轉(zhuǎn)表面上至少兩個不同的點提供激光信號，可轉(zhuǎn)表面限定至少一個通過一部分可轉(zhuǎn)表面設(shè)置的孔徑；轉(zhuǎn)動可轉(zhuǎn)表面，使孔徑有選擇地使激光信號在至少一個所述點通過所述孔徑并沿參考通路傳輸；轉(zhuǎn)動可轉(zhuǎn)表面，使孔徑有選擇地使激光信號在另一所述點通過所述孔徑并沿測量通路傳輸；和向光學(xué)檢測器提供從參考和測量目標(biāo)反射的參考與測量信號。
34.權(quán)項33的方法，其特征在于還包括向相位計提供來自光學(xué)檢測器的信息，并測定從參考目標(biāo)返回信號與從測量目標(biāo)返回信號間的相位差。
35.權(quán)項34的方法，其特征在于還包括通過向微處理器提供相位差信息而測定參考目標(biāo)與測量目標(biāo)之間的距離。
全文摘要
提出一種絕對距離測量裝置，包括參考與測量激光信號通路(含提供激光信號的激光源)和一遮光組件(含限定至少一個通過一部分可轉(zhuǎn)表面設(shè)置的孔徑的可轉(zhuǎn)表面)；其中激光信號導(dǎo)向遮光組件可轉(zhuǎn)表面上不同的點，當(dāng)可轉(zhuǎn)表面旋轉(zhuǎn)時，孔徑有選擇地讓所述至少兩條激光信號通路的每一條傳輸與不傳輸。
文檔編號G01S7/48GK1531659SQ02807815
公開日2004年9月22日 申請日期2002年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月10日
發(fā)明者R·E·布里奇斯, R E 布里奇斯 申請人:法羅技術(shù)股份有限公司