專利名稱：用于以光學(xué)方式測量范圍、位置和/或輪廓的傳感器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于以光學(xué)方式測量被測目標(biāo)體的范圍、位置和/或輪廓的傳感器，所述的被測目標(biāo)體因被測物的溫度引發(fā)電磁輻射，所述的傳感器有ー個光源和ー個檢測器，所述的光源用于被測目標(biāo)體的表面照明，所述的檢測器用于檢測被測目標(biāo)體反射的照明光。此外，本發(fā)明還涉及ー種相應(yīng)的方法。
背景技術(shù)：
用于以光學(xué)方式測量被測目標(biāo)體的范圍、位置和/或輪廓的傳感器是本領(lǐng)域早已眾所周知的。光束(以激光束為典型代表)作為照明光束被發(fā)射，并被待測目標(biāo)體反射。檢測器測量被反射回到傳感器的部分照明光束。根據(jù)測量值確定被測目標(biāo)體相對于傳感器的位置和/或范圍。在被測目標(biāo)體采用點狀照明的情況下，通過移動傳感器，引導(dǎo)光束和/或移動被測目標(biāo)體，可以確定被測目標(biāo)體的輪廓。在非點狀照明模式(例如，線狀或網(wǎng)格狀)，甚至無需移動就能確定輪廓。采用某些類型的光學(xué)傳感器，可以進(jìn)行單純的輪廓測量而無需范圍測量。ー種非常通用的光學(xué)范圍傳感器是三角測量傳感器，這里，光源、被測目標(biāo)體上被照明的測量點和檢測器形成ー個三角形。被測目標(biāo)體與傳感器的距離是根據(jù)三角測量傳感器的幾何學(xué)的知識和檢測器上光斑的位置確定的。光學(xué)測量的基本條件是傳感器發(fā)射的足夠亮度的光被反射回到檢測器，并且反射光在檢測器上產(chǎn)生足夠亮的測量光斑、條紋或圖案。光學(xué)測量方法有ー個特殊的問題，尤其是在對自發(fā)光體進(jìn)行測量吋。ー種最重要的情況是自發(fā)光被測目標(biāo)體是熱的目標(biāo)體。在溫度超過700° C時，物體發(fā)出不可忽略的紅外線范圍的輻射。隨著溫度升高，電磁輻射中的可見光范圍的部分増加。如果要對自發(fā)光體進(jìn)行測量，則不得不增加現(xiàn)有已知的光學(xué)傳感器陣列的照明光亮度，或者不得不求助于其他的傳感器技術(shù)，例如電容式或電感式傳感器。然而，人們未必想要或者未必能夠舍棄光學(xué)傳感器的優(yōu)點。例如，與其它非接觸測量傳感器相比，光學(xué)傳感器有更大的測量范圍同時有更高的分辨率。此外，還能夠?qū)Ω鞣N不同的導(dǎo)體或非導(dǎo)體材料進(jìn)行可靠的測量。然而，一方面，増加照明光亮度的結(jié)果是増加傳感器的能量消耗，另ー方面，當(dāng)使用激光作為光源時，還要遵守法定的功率輸出極限值，因此，輸出功率不能任意増加。因此，本發(fā)明的目的是配置并進(jìn)ー步發(fā)展ー種用于以光學(xué)方式測量被測目標(biāo)體的范圍、位置和/或輪廓的系統(tǒng)和方法，能夠以前述方式對發(fā)射電磁輻射的被測目標(biāo)體進(jìn)行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過權(quán)利要求I所公開的特征實現(xiàn)上述設(shè)計目的。根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其特征在于光源產(chǎn)生的光的波長低于被測目標(biāo)體的普朗克輻射譜的峰值。
本發(fā)明的方法通過權(quán)利要求10所公開的特征實現(xiàn)上述設(shè)計目的。根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于被測目標(biāo)體采用短波光束照明，為了進(jìn)行測量，所選擇的波長低于被測目標(biāo)體的普朗克輻射譜的峰值。首先，人們已經(jīng)意識到有一種創(chuàng)造性的方式，可以在被測目標(biāo)體因被測物的溫度發(fā)射電磁輻射時進(jìn)行測量，而不必舍棄光學(xué)測量方法的優(yōu)點。而且即使處于這種測量境況下，也可以通過適當(dāng)選擇傳感器的光源所發(fā)射的光束的波長進(jìn)行光學(xué)測量。每個熱的物體由其溫度引發(fā)電磁輻射，這種電磁輻射的光譜可以用普朗克輻射譜描述。普朗克輻射譜描述特定波長的輻射的電磁輻射照射。普朗克輻射譜是ー組曲線，所述的曲線依賴于物體的溫度，每一條輻射光譜展示的峰值，隨著溫度的増加向波長更短的方向移動。根據(jù)本發(fā)明，普朗克輻射譜的峰值用于選擇傳感器光源發(fā)射的光束的波長。在大多數(shù)測量境況下，被測目標(biāo)體的溫度是已知的。例如，如果傳感器用于測量鋳造廠的鑄件，人們通常知道在不同情況下被測目標(biāo)體熱度。因此，通常的情況是可以先期確定普朗克輻射譜的峰值所對應(yīng)的波長。根據(jù)已知的峰值還可以創(chuàng)造性地確定波長的范圍，使光源產(chǎn)生的光的波長低于被測目標(biāo)體的普朗克輻射譜的峰值。這種方法滿足了適當(dāng)?shù)臈l件，可以確保使用光學(xué)傳感器測量熱的被測目標(biāo)體。·波長與普朗克輻射譜的峰值之間最好是選擇盡可能大的距離。根據(jù)被測目標(biāo)體的溫度，選擇數(shù)十納米至幾百納米是有益的。在被測目標(biāo)體非常熱的情況下，溫度超過1，000K，普朗克輻射譜在峰值之后沿波長更小的方向急劇下降。在此情況下，波長與普朗克輻射譜峰值之間的距離可以選擇數(shù)十納米，例如50納米。在溫度較低的情況下，例如，700Κ，普朗克輻射譜比較平坦，曲線在峰值之后沿波長更小的方向下降較慢。在此情況下，發(fā)射光的波長與普朗克輻射譜峰值之間的距離選擇至幾百納米更適宜。照明光束的反射部分的可檢測性最好是要考慮到發(fā)射光波長與普朗克輻射譜峰值之間的距離的測度范圍。第一歩，可以確定光源的最大光輸出功率。這個最大輻射功率通常受限于可用能量，潛在的廢熱，各種不同應(yīng)用的輻射限值，各種光源的成本和/或其他邊界條件。優(yōu)選地，選擇發(fā)射光波長與普朗克輻射譜峰值之間的距離，使傳感器的照明光束反射回到檢測器的部分仍能被充分有效地檢測到。因此，被測目標(biāo)體反射的光束通常必須在檢測器上形成一個有足夠亮度的光斑。在此背景下，光斑應(yīng)該不太大，通過配置檢測器上的亮度分布，應(yīng)能夠充分準(zhǔn)確地確定光斑在檢測器上的位置。相應(yīng)的測度方法長期以來已被本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員所熟知。這樣，可以通過改變照明光束的波長，而不是增加照明功率，從而改進(jìn)可檢測性。優(yōu)選地，傳感器光源發(fā)射的光束的波長選擇為小于450納米。ー個特別優(yōu)選的實施例提供的這個波長選擇為小于或等于432納米。應(yīng)該指出，這里確定的這個波長正是光源產(chǎn)生的輻照強度的基本部分。光源還可以發(fā)射更長波長的其它光譜段，這取決于所選擇的光源。然而，輻照強度的峰值應(yīng)該在較小的波長，優(yōu)選地，波長應(yīng)小于450納米，更加優(yōu)選地，波長小于或等于432納米。一些特別優(yōu)選的波長的例子是405納米和370納米。為了保護敏感的檢測器，一個波長選擇元件串聯(lián)連接到檢測器。因此，可以在早期階段充分阻斷被測目標(biāo)體的電磁輻射。在此背景下，波長選擇元件本質(zhì)上僅允許包含光源光的波譜段通過。同時，優(yōu)選地，波長選擇元件設(shè)計具有窄帶特征，以便檢測器能夠非常有效地測量傳感器光源發(fā)射的光，所述的光源發(fā)射的光通常也設(shè)計具有同樣的窄帶特征。因此，反射光束中不是來自光源的其它波譜段不能引起檢測器測量的輻照強度増加。這個特征可以減少檢測器飽和的危險。波長選擇元件可以由濾光器、色散元件或其它本領(lǐng)域已知的元件構(gòu)成。在此背景下，檢測器可以配置為直線型或矩陣型。檢測器可以在CMOS技術(shù)或CCD(電荷耦合器件)技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計。檢測器還可以設(shè)計為定位光電ニ極管Iposition-dependent photodiode)。在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施例中，傳感器是依據(jù)三角測量原理運作的。在此背景下，被測目標(biāo)體與傳感器之間的距離是根據(jù)傳感器的幾何學(xué)確定的。這個實施例所利用的原理是，光源、投照在被測目標(biāo)體上的測量光斑和投照在檢測器上的點構(gòu)成ー個三角形。這個三角形用于計算傳感器與被測目標(biāo)體表面的投照點之間的距離。
在本發(fā)明的另外ー個優(yōu)選的實施例中，傳感器是依據(jù)光行程原理運作的。在這種情況下，要測量從傳感器到被測目標(biāo)體并返回到檢測器的旅程所需要的時間?，F(xiàn)有的用于測量運行時間的方法利用脈沖運行時間原理或者相移法。后ー種方法采用調(diào)制照明光束。光束的運行時間包括照明光束和反射光束之間的相移。根據(jù)相移可以測定運行時間并由此測定距離。光源的優(yōu)選設(shè)計為激光器。激光器以點狀、線狀或十字線照明被測目標(biāo)體。其它的照明圖案也是可能的。因此，可以使用若干條平行線或十字線照明。激光器可以由激光ニ極管、固態(tài)激光器或者氣態(tài)激光器構(gòu)成。作為ー種可選方案，光源還可以設(shè)計為LED(發(fā)光二極管)。因為市場上有越來越多的波長更短的ニ極管，它們也能用于本發(fā)明的傳感器。其適用性取決于各種不同的用途。本發(fā)明ー些特征將通過實施例再次加以概括說明。
具體實施例方式本發(fā)明涉及使用短波長(例如405納米或432納米)激光二極管，其波長遠(yuǎn)離700° C以上的熱輻射目標(biāo)體的波長峰值。用三角測量原理運作的傳感器測量因溫度升高自發(fā)光的表面時，熱物體的特定發(fā)射強度和光源的輻照強度之間的關(guān)系是有效測量范圍的決定性因素。特定發(fā)射強度是發(fā)射的輻射通量除以面積[W/m2];輻照強度是投照的輻射通量除以面積[W/m2]。根據(jù)普朗克輻射譜可知，測量單元的光源波長與自發(fā)光目標(biāo)體的峰值波長之間的距離越大，輻照強度越低，辨識投射在自發(fā)光表面的光點與自發(fā)光表面的可能性越高，于是，根據(jù)光譜選擇性采集光線的同步發(fā)光傳感器到自發(fā)光表面的測量量程也越大。優(yōu)選地，光源發(fā)射的波長范圍〈432納米。在檢測通道中使用一個波長選擇元件(例如，ー種窄帶濾光器)，例如，使用一個干涉濾光片實現(xiàn)輻射選擇，也就是避免其余的輻射接觸到寬帶敏感的光電檢測器。根據(jù)三角測量方法(點狀范圍測量或光切法)，適于范圍測量的檢測器的典型代表是線狀或矩陣CCD或CMOS。然而，點狀范圍測量也可以使用位敏光電ニ極管(PSD，position-sensitive photodiode)。在其他情況下,也可以用完整的線狀或矩陣攝影機代替檢測器。可以使用的光源包括激光二極管、固態(tài)激光器或者氣態(tài)激光器，在某些情況下也可以使用發(fā)光二極管。光束形狀是任意的，然而，點狀、線狀或十字線更為適宜。測量系統(tǒng)或傳感器可以用于范圍測量，位置測量，輪廓測量，可以用于高溫目標(biāo)體的測量。根據(jù)使用的波長，光線進(jìn)入部分透明目標(biāo)體的穿透深度越少，產(chǎn)生的測量誤差越少。所述的測量系統(tǒng)根據(jù)三角測量原理運作，用于測量由其溫度引發(fā)輻射的物體的范圍。所述測量系統(tǒng)的特征在于，所使用的光源(例如，激光二極管)的發(fā)射波長，不是處于自輻射體的普朗克輻射譜的峰值，而是盡可能遠(yuǎn)離所述的峰值。選擇這個波長，或者更具體地說，在接收光束的路徑中用濾光器，或者更確切地說帶有相應(yīng)的光闌的色散元件，抑制偏離的波長。為避免重復(fù)，關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的裝置的另外ー些更好的實施例，參見說明書的綜述部分和所附的權(quán)利要求。最后，應(yīng)該明確地指出，上述根據(jù)本發(fā)明的裝置的典型實施例僅用于解釋所要保護的技術(shù)，但是，所述的技術(shù)并非限于那些典型實施例。
權(quán)利要求
1.用于以光學(xué)方式測量被測目標(biāo)體的范圍、位置和/或輪廓的傳感器，所述的被測目標(biāo)體因被測目標(biāo)體的溫度引發(fā)電磁輻射，所述的傳感器具有光源和檢測器，所述的光源用于被測目標(biāo)體的表面照明，所述的檢測器用于檢測被測目標(biāo)體反射的照明光，其特征在于所述光源產(chǎn)生的光的波長低于被測目標(biāo)體的普朗克輻射譜的峰值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其特征在于所述的波長與普朗克輻射譜的峰值的距離盡可能大，優(yōu)選為數(shù)十納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的傳感器，其特征在于所述的光源發(fā)射的光束波長與被測目標(biāo)體的峰值之間的光譜距離被選擇得足夠大，以至于在特定的光源最大光功率輸出條件下，有足夠的信號強度到達(dá)檢測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3之任一項所述的傳感器，其特征在于所述的光源發(fā)射的光束的波長范圍為小于450納米，優(yōu)選為小于或等于432納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4之任一項所述的傳感器，其特征在于波長選擇元件串聯(lián)連接到檢測器，所述的波長選擇元件本質(zhì)上僅允許包含光源光的波譜段通過，所述的波長選擇元件優(yōu)選地由濾光器或者更具體地由色散元件構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5之任一項所述的傳感器，其特征在于所述的檢測器配置為直線型或矩陣型，所述的檢測器在CMOS技術(shù)或CCD技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計，或者設(shè)計為定位光電二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6之任一項所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器設(shè)計為三角測量傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至6之任一項所述的傳感器，其特征在于所述的傳感器依據(jù)光行程原理運作。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8之任一項所述的傳感器，其特征在于所述的光源由激光器構(gòu)成，激光器以點狀、線狀或十字線照明被測目標(biāo)體，激光器優(yōu)選地由激光二極管、固態(tài)激光器或者氣態(tài)激光器構(gòu)成。
10.用于以光學(xué)方式測量被測目標(biāo)體的范圍、位置和/或輪廓的方法，所述的被測目標(biāo)體因被測目標(biāo)體的溫度引發(fā)電磁輻射，尤其是使用權(quán)利要求I至9之任一項所述的傳感器，其特征在于被測目標(biāo)體采用短波長光束照明，為了進(jìn)行測量，所選的波長低于被測目標(biāo)體的普朗克輻射譜的峰值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器，用于以光學(xué)方式測量被測目標(biāo)體的范圍、位置和/或輪廓，所述的被測目標(biāo)體因被測目標(biāo)體的溫度引發(fā)電磁輻射，所述的傳感器具有光源和檢測器，所述的光源用于被測目標(biāo)體的表面照明，所述的檢測器用于檢測被測目標(biāo)體反射的照明光，其特征在于所述光源產(chǎn)生的光的波長低于被測目標(biāo)體的普朗克輻射譜的峰值，由此帶來甚至可對發(fā)射電磁輻射的物體進(jìn)行測性。詳細(xì)說明了一種相應(yīng)的方法。
文檔編號G01S7/481GK102687036SQ201080057087
公開日2012年9月19日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者T·奧托, T·施塔梅斯特 申請人:微-埃普西龍光電股份有限公司