專利名稱：進(jìn)行范圍絕對(duì)測(cè)量用的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明是在美國(guó)能源部和洛克西德馬丁能源研究公司簽訂的DE-AC05-960R22464合同的指導(dǎo)下，利用美國(guó)政府的支持做出的，而且美國(guó)政府在本發(fā)明中擁有一定的權(quán)利。
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種利用菲涅爾衍射進(jìn)行絕對(duì)距離或范圍測(cè)量用的方法和裝置。本發(fā)明應(yīng)用一具有已知波長(zhǎng)或波長(zhǎng)分布的電磁輻射源，其發(fā)送一束電磁輻射通過一使其分束的物體(此后稱之為“分束器”)，然后達(dá)到一目標(biāo)物。該電磁輻射束從目標(biāo)物反射到包含一孔徑的屏上，該孔徑與分束器分開一段已知距離。該孔徑按一定尺寸制造，以便產(chǎn)生一菲涅爾衍射圖。電磁輻射束的一部分通過該孔徑傳播到與屏分開一段已知距離的探測(cè)器。由此探測(cè)器檢測(cè)該射束的中心強(qiáng)度。由使該射束分束的物體至目標(biāo)物的距離，隨后可以根據(jù)已知的波長(zhǎng)、孔徑半徑、射束強(qiáng)度以及探測(cè)器至屏的距離計(jì)算出來。實(shí)踐本發(fā)明方法的實(shí)施例用的若干裝置實(shí)施方案，被進(jìn)行公開。
2.對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的描述現(xiàn)有技術(shù)的干涉儀是不能測(cè)量絕對(duì)距離的，而且昂貴。干涉儀被局限于相對(duì)距離的測(cè)量，而不是絕對(duì)距離的測(cè)量。干涉儀通常需要有鏡面反射的目標(biāo)物表面，光由其反射而形成干涉圖。
現(xiàn)有技術(shù)的其它測(cè)距方法，包括三角測(cè)量和數(shù)字檢測(cè)(digitaldetection)。這些方法具有有限范圍，其中精度可達(dá)到微米。此有限的范圍通常小于5毫米。這樣的裝置也具有有限的精度，對(duì)于超過5毫米的范圍為大于1微米的數(shù)量級(jí)。這樣的裝置還需要經(jīng)常的校準(zhǔn)。
本發(fā)明提供用于在大的范圍內(nèi)以高精度測(cè)量絕對(duì)距離的方法和裝置。本發(fā)明可以以連續(xù)方式或者以脈沖方式進(jìn)行工作，需要最少的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，提供迅速的數(shù)據(jù)獲取，并能對(duì)各種各樣的目標(biāo)物表面質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，包括非常散射的和高反射的表面。
本發(fā)明在測(cè)量絕對(duì)距離方面可提供特別高的精度。本發(fā)明能夠以幅度為米的數(shù)量級(jí)并以幅度為0.1微米數(shù)量級(jí)的精度進(jìn)行絕對(duì)距離測(cè)量。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種用于對(duì)點(diǎn)與目標(biāo)物之間或者點(diǎn)與探測(cè)器之間的距離進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)。本發(fā)明利用菲涅爾衍射。本發(fā)明包括一個(gè)照準(zhǔn)目標(biāo)物的電磁輻射源。該電磁輻射源能夠發(fā)射一束具有已知波長(zhǎng)的電磁能。該電磁輻射源可以是激光器。
本發(fā)明還可包括一位于電磁輻射源和目標(biāo)物之間距離目標(biāo)物為距離A處的分束器。一屏板(Screen)被定位在距分束器一已知距離B處，其包括一具有半徑R或其它已知尺寸的針孔或者孔、一后側(cè)面和一前側(cè)面。該針孔或者孔可以是具有不等或者相等邊長(zhǎng)的多邊形。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，其目標(biāo)物起到分束器的作用。
一探測(cè)器被定位在距離該屏板一已知距離D處，以便接收來自輻射源的電磁輻射束，并且測(cè)量該輻射束的中心強(qiáng)度CI。另一方面，在不使用單獨(dú)的分束器的場(chǎng)合下，探測(cè)器被定位來接收由目標(biāo)物散射的通過該孔的光。
一處理器被耦合來從探測(cè)器接收表示所測(cè)射束強(qiáng)度的信號(hào)。該處理器可包括一些算法，包括由目標(biāo)物至分束器距離在內(nèi)的一些預(yù)選距離可由其計(jì)算出來。
按照本發(fā)明的一種方法，應(yīng)用于把一束具有已知波長(zhǎng)λ的電磁能通過一分束器發(fā)送給一目標(biāo)物，以使該束電磁能由目標(biāo)物往回反射通過分束器，且從分束器發(fā)射給與其相隔一距離B的半徑為R的孔。該束電磁能的一部分通過該孔傳播，以在距孔為D處的探測(cè)器上形成一菲涅爾衍射圖。
該方法進(jìn)一步包括探測(cè)該束電磁能在探測(cè)器上的中心強(qiáng)度CI，并且利用下式1中的關(guān)系確定由分束器至目標(biāo)的距離ACI=4I0sin2[R2π2λ(1(A+B)+1D)]-----(1)]]>式中I0為由確定該束電磁能的平均強(qiáng)度而得出的校正常數(shù)。
另一方面，式中由分束器至目標(biāo)的距離A是已知的，由分束器至孔的距離B是已知的，而且由探測(cè)器至屏板的測(cè)距是未知的，故式1可用來對(duì)距離D求解。本發(fā)明的各種實(shí)施例適于為式1中的所有項(xiàng)提供數(shù)據(jù)，除了一個(gè)被選定的未知項(xiàng)之外。于是等式1可被進(jìn)行代數(shù)變換，以為任何單個(gè)未知項(xiàng)求解。另一方面，對(duì)于計(jì)算技術(shù)熟練人員已知的數(shù)字方法，均可被用來利用式1確定一未知值。
本發(fā)明的實(shí)施方案也可以采用多個(gè)與分束器隔開以不同的光學(xué)距離D(n)的探測(cè)器。按照這樣的實(shí)施方案，每個(gè)探測(cè)器測(cè)量各自的中心強(qiáng)度CI(n)。在有n個(gè)探測(cè)器的實(shí)施例中，方程2形式的n個(gè)聯(lián)立方程可用來對(duì)被選定的未知變量求解CI(n)=4I0(n)sin2[R2π2λ(1(A+B)+1D(n))]---(2)]]>此聯(lián)立方程式可以利用計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域已知的標(biāo)準(zhǔn)的解析和/或數(shù)字方法求解。


圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的等角投影圖。
圖2為本發(fā)明第二實(shí)施例的等角投影圖。
圖3為本發(fā)明第三實(shí)施例的等角投影圖。
圖4為本發(fā)明第四實(shí)施例的等角投影圖。
圖5為本發(fā)明第五實(shí)施例的等角投影圖。
圖6為中心輻射源強(qiáng)度作為輻射源距離函數(shù)的曲線圖。
圖7為本發(fā)明第一方法實(shí)施例的方框圖。
圖8為本發(fā)明第二方法實(shí)施例的方框圖。
圖9為本發(fā)明第六實(shí)施例的項(xiàng)視圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的說明本發(fā)明的第一實(shí)施例描繪在圖1中。該實(shí)施例是在包括一照準(zhǔn)目標(biāo)物18的激光光源20的點(diǎn)和目標(biāo)物之間進(jìn)行距離絕對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)。該激光光源能夠產(chǎn)生具有已知波長(zhǎng)的光。在一優(yōu)選實(shí)施例中，激光光源能夠產(chǎn)生偏振光。
第一分束器22被定位在激光光源和目標(biāo)物之間，距離目標(biāo)物為已知距離A處。該分束器包括一面向激光光源的第一側(cè)面21，一面向目標(biāo)物的第二側(cè)面23和一背離激光光源和目標(biāo)物的第三側(cè)面25。
屏板26包括具有半徑為R的孔或者針孔28，后側(cè)面27和面對(duì)著第一分束器的第三側(cè)面的前側(cè)面29。屏板被定位在距離分束器一已知距離處B。在一優(yōu)選實(shí)施例中，半徑R的范圍在1到4毫米之間?？椎睦硐氤叽缡枪饣蛴迷趯?shí)施本發(fā)明中的其它電磁輻射的波長(zhǎng)以及其它包括A和B在內(nèi)尺寸的函數(shù)。
第二分束器24被定位在距離屏板距離為C處，以面對(duì)圖1所示的屏板后側(cè)面。當(dāng)光通過孔發(fā)射給第二分束器時(shí)，第二分束器能發(fā)射許多光束。
第一探測(cè)器由第一光程距D1和第二分束器分開。第一探測(cè)器被定位以接收從第二分束器發(fā)出來的激光束。第一探測(cè)器能測(cè)量激光束的第一中心強(qiáng)度CI1。
第二探測(cè)器由與第一光程距不等的第二光程距D2和第二分束器分開。第二探測(cè)器被定位以接收從第二分束器發(fā)出的激光束。第二探測(cè)器能測(cè)量光束的第二中心強(qiáng)度CI2。
本發(fā)明的第一實(shí)施例，其進(jìn)一步包括被耦合用于從第一和第二探測(cè)器接收表示所測(cè)射束強(qiáng)度CI1和CI2的信號(hào)的處理器38。該處理器包括從中可計(jì)算預(yù)選距離的算法。這些算法可包括上面的方程(1)。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明進(jìn)一步包括在屏板和或者第一探測(cè)器或者第二探測(cè)器之間的一片透明材料32。該透明材料能改變屏板和透明材料被放置在其前面的探測(cè)器之間的光程長(zhǎng)度。該透明材料可以具有可變的折射率。因此，第一探測(cè)器和第二探測(cè)器可能以絕對(duì)距離的形式與屏板均等相隔，但從光學(xué)距離上講與屏板并不是均等相隔，這是由透明材料的使用而引起的。
本發(fā)明的第二實(shí)施例被描述在圖2中。該實(shí)施例是在包括一照準(zhǔn)目標(biāo)物的激光光源的點(diǎn)和目標(biāo)物之間進(jìn)行距離絕對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)。該激光光源20能夠產(chǎn)生具有已知波長(zhǎng)的光。在一優(yōu)選實(shí)施例中，激光光源能夠選擇性地發(fā)射至少兩種不同波長(zhǎng)的激光。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，探測(cè)器包括一可調(diào)濾光片39，能夠?yàn)V過為探測(cè)器所檢測(cè)的波長(zhǎng)的光。
一分束器被定位在激光光源和目標(biāo)物之間，并且距離目標(biāo)物為已知距離的A處。該分束器包括一面向激光光源的第一側(cè)面，一面向目標(biāo)物的第二側(cè)面和背離激光光源和目標(biāo)物的第三側(cè)面。
一屏板包括具有已知尺寸的孔或者針孔、后側(cè)面和面向分束器的第三側(cè)面的前側(cè)面，其被定位在距離分束器一已知距離的B處。在一優(yōu)選實(shí)施例中，孔具有已知半徑R。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，針孔并不一定是圓形或者固定直徑?？勺兂叽绲尼樋卓杀挥糜诮鉀Q距離的非單值性(ambiguities)，并且增加本發(fā)明的準(zhǔn)確性，擴(kuò)展本發(fā)明的范圍。針孔尺寸的變化，這里被稱為“孔調(diào)制”，能夠用于對(duì)本發(fā)明特定距離的靈敏度進(jìn)行調(diào)諧。
當(dāng)式1中唯一的未知數(shù)是R時(shí)，本發(fā)明的實(shí)施例能被用來求解R。其中屏板的物理特征例如熱膨脹系數(shù)為已知，R的變化能夠與溫度的變化相關(guān)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例能被用于測(cè)量溫度變化或者熱傳遞，其中衍射圖作為孔尺寸變化的函數(shù)而變化。
探測(cè)器被定位在屏板后側(cè)距離屏板為已知距離D處，并且與屏板和分束器對(duì)準(zhǔn)，以接收從激光光源發(fā)射的激光束，并且測(cè)量激光光束的中心強(qiáng)度CI。在一優(yōu)選實(shí)施例中，探測(cè)器是電荷耦合器件探測(cè)器，在下文中被稱作“CCD攝像機(jī)”。
本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)一步包括一被耦合以接收表示來自探測(cè)器的被測(cè)中心強(qiáng)度CI信號(hào)的處理器。該處理器包括能夠從中計(jì)算距離的算法。
并不包括獨(dú)立分束器的本發(fā)明實(shí)施例被描繪在圖9中。該實(shí)施例包括照準(zhǔn)一目標(biāo)物的激光光源20。激光光源能夠產(chǎn)生具有已知波長(zhǎng)的激光。在一優(yōu)選實(shí)施例中，該激光光源能夠產(chǎn)生偏振光。本發(fā)明進(jìn)一步包括屏板26，其包含具有已知尺寸的孔、后側(cè)面以及面向目標(biāo)物的前側(cè)面。該屏板被定位在距離目標(biāo)物為已知距離的A+B處。
本發(fā)明進(jìn)一步又包括在屏板后側(cè)面定位于距離屏板為一已知距離D處的探測(cè)器30。該探測(cè)器被定位以接收從激光光源發(fā)射并且從目標(biāo)物散射的激光。該探測(cè)器被定位，以便測(cè)量激光光束的強(qiáng)度CI。
本發(fā)明還包括一被耦合以接收表示來自探測(cè)器的被測(cè)強(qiáng)度CI信號(hào)的處理器。該處理器包括從中能夠計(jì)算距離的算法。
本發(fā)明的另一實(shí)施例被描繪在圖3中。該實(shí)施例包括一照準(zhǔn)一目標(biāo)物的電磁輻射源20。在一優(yōu)選實(shí)施例中，電磁輻射源是可調(diào)的光源。在另一實(shí)施例中，電磁輻射源是脈沖光源。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，電磁輻射源發(fā)射微波，無(wú)線電波，紫外輻射，X-射線，或非相干電磁輻射。輻射源能夠發(fā)射具有已知波長(zhǎng)的電磁能束。
一分束器被定位在光源和目標(biāo)物之間，距離目標(biāo)物為距離A處。該分束器包括面向光源的第一側(cè)面，面向目標(biāo)物的第二側(cè)面和背離目標(biāo)物的第三側(cè)面。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，透鏡40被定位在光源和分束器之間。一包括具有已知尺寸的孔、后側(cè)面和面向分束器的第三側(cè)面的前側(cè)面的屏板，被定位在距離分束器一已知距離B處。
一探測(cè)器被定位在屏板后側(cè)距離屏板為已知距離B處，以便接收從光源發(fā)射的電磁輻射，并且測(cè)量該光束的中心強(qiáng)度CI。一處理器38被耦合以接收表示來自探測(cè)器的所測(cè)射束強(qiáng)度的信號(hào)。該處理器包括可從中計(jì)算距離的算法。
如圖4所示，本發(fā)明的另一實(shí)施例包括一在點(diǎn)和探測(cè)器之間進(jìn)行距離測(cè)量的系統(tǒng)。本實(shí)施例包括照準(zhǔn)包含一粗糙表面的目標(biāo)物的電磁輻射源。該輻射源能夠發(fā)射具有已知波長(zhǎng)的電磁能束。
一分束器被定位在輻射源和目標(biāo)物之間，距離目標(biāo)物為距離A處。一分束器包括面向輻射源的第一側(cè)面、面向目標(biāo)物的第二側(cè)面，以及背離輻射源和目標(biāo)物的第三側(cè)面。
包括第一孔44的第一屏板42被定位在分束器和輻射源之間。一第二屏板26包括第二孔28、后側(cè)面和面向分束器第三側(cè)面的前側(cè)面，其被定位在距離分束器為距離B處。
一探測(cè)器被定位，用來接收穿過第二孔的光。該探測(cè)器面對(duì)第二屏板的后側(cè)面。在一優(yōu)選實(shí)施例中，探測(cè)器是CCD攝像機(jī)。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，探測(cè)器包括一可變尺寸的開口。當(dāng)開口被調(diào)到較大尺寸的設(shè)置時(shí)，作為方程1中計(jì)算I0的需要，它使探測(cè)器可以探測(cè)來自較大衍射圖的光。當(dāng)透鏡的開口被設(shè)定到較小尺寸的設(shè)置時(shí)，它使探測(cè)器僅僅檢測(cè)中心強(qiáng)度CI。
一處理器被耦合，用來接收表示來自探測(cè)器所測(cè)射束強(qiáng)度的信號(hào)。該處理器包括從中可計(jì)算距離的算法。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例被描繪在圖5中。本實(shí)施例是在點(diǎn)和探測(cè)器之間進(jìn)行距離測(cè)量的系統(tǒng)。本發(fā)明的實(shí)施例包括一照準(zhǔn)目標(biāo)物的電磁輻射源。該輻射源能發(fā)射具有已知波長(zhǎng)的電磁能束。該探測(cè)器被定位來接收來自輻射源的射束。
包括孔44的第一屏板42被定位在探測(cè)器和輻射源之間，以使穿過該孔來自輻射源的射束的投影產(chǎn)生一衍射圖。
一透鏡40被定位在第一屏板和探測(cè)器之間。該透鏡被定位，用來壓縮或者展寬由穿過該孔的射束的投影所引起的，作為從針孔到輻射源距離函數(shù)的強(qiáng)度變化。
圖6描繪了中心強(qiáng)度作為光源距離函數(shù)的典型曲線圖。如圖6所示，被描繪為光源距離函數(shù)的中心強(qiáng)度是波狀函數(shù)。通過使用透鏡而實(shí)現(xiàn)的衍射圖的壓縮或展寬，可參見描繪在圖6中的正弦曲線周期長(zhǎng)度的壓縮或展寬。其中透鏡的焦距小于從針孔到透鏡的距離，壓縮結(jié)果是。而透鏡的焦距大于從針孔到透鏡的距離，展寬結(jié)果是。
本發(fā)明還包括一被耦合用以接收表示來自探測(cè)器的所測(cè)射束強(qiáng)度的信號(hào)的處理器。該處理器包括能夠由其計(jì)算距離的算法。
本發(fā)明還包括進(jìn)行距離絕對(duì)測(cè)量的方法。本發(fā)明的第一方法實(shí)施例表示在圖7中。該方法包括把一束具有已知波長(zhǎng)的電磁能通過分束器發(fā)送給一目標(biāo)物，如圖7中方框60所示。然后該束電磁能由目標(biāo)物往回反射給分束器，如圖7中方框62所示。然后該束電磁能由分束器發(fā)送給與其相隔一距離B的孔，以使該束電磁能的一部分通過該孔傳播，以在距其為D處的探測(cè)器上形成一菲涅耳衍射圖，如圖7中方框64所示。
如圖7中的方框66所示，本方法還再包括探測(cè)該束電磁能在探測(cè)器上的中心強(qiáng)度CI和平均強(qiáng)度I0。分束器和目標(biāo)物之間的絕對(duì)距離A，然后如圖7中方框68所示利用式1的關(guān)系來決定。
本發(fā)明的第二方法實(shí)施例表示在圖8中。該方法包括發(fā)送一束具有已知波長(zhǎng)λ的電磁能通過分束器給一目標(biāo)物，如圖8中方框70所示。然后該束電磁能由目標(biāo)物往回反射給分束器，如圖8中方框72所示。該束電磁能由分束器發(fā)送給與其相隔一距離B的孔，以使該束電磁能的第一部分通過該孔傳播，以在距其為D1處的第一探測(cè)器上形成一第一菲涅耳衍射圖；并使該束電磁能的第二部分通過該孔傳播，以在距其為D2處的一第二探測(cè)器上形成一第二菲涅耳衍射圖，如圖8中方框74所示。
該方法還包括探測(cè)該束電磁能在第一探測(cè)器上的第一中心強(qiáng)度CI1，如圖8中方框76所示。該束電磁能的第二中心強(qiáng)度CI2在第二探測(cè)器上進(jìn)行探測(cè)，如圖8中方框78所示。然后該分束器和目標(biāo)物之間的絕對(duì)距離A，利用式2所示的關(guān)系確定，如圖8中方框80所示。
本發(fā)明以上的公開和描述是說明性和解釋性的。尺寸、形狀和材料以及所說明的結(jié)構(gòu)在細(xì)節(jié)上的許多變化，也可以在不脫離本發(fā)明精神的前提下作出。
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)一點(diǎn)與一目標(biāo)物之間的距離進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)，包括a.一照準(zhǔn)一目標(biāo)物的激光光源，所述激光光源能產(chǎn)生具有一已知波長(zhǎng)的光；b.一被定位在上述激光光源和目標(biāo)物之間，距離目標(biāo)物為已知距離A處的第一分束器，上述分束器包括一面向上述激光光源的第一側(cè)面，一面向上述目標(biāo)物的第二側(cè)面和一背離上述激光光源與上述目標(biāo)物的第三側(cè)面；c.一屏板，包括一具有已知半徑為R的孔、一后側(cè)面，以及面向上述第一分束器的上述第三側(cè)面的前側(cè)面，上述屏板被定位在距離上述分束器為已知距離B處；d.一定位在距離上述屏板為已知距離C處，以面向上述屏板后側(cè)面的第二分束器，上述分束器能在光通過上述孔發(fā)射給上述第二分束器時(shí)，發(fā)射多個(gè)射束；e.一由第一光程距D1與上述第二分束器分開的第一探測(cè)器，上述第一探測(cè)器被定位，以接收從上述第二分束器發(fā)出的一束激光，上述第一探測(cè)器能測(cè)量上述射束的第一中心強(qiáng)度CI1；f.一由和上述第一光程距并不相等的第二光程距D2與上述第二分束器分開的第二探測(cè)器，上述第二探測(cè)器被定位，以接收從上述第二分束器發(fā)出的一束激光，上述第二探測(cè)器能測(cè)量上述射束的第二中心強(qiáng)度CI2；以及g.一被耦合來接收表示來自上述第一和第二探測(cè)器所測(cè)射束強(qiáng)度CI1和CI2的信號(hào)，并且包括能由其計(jì)算距離的算法的處理器。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括定位在上述屏板和上述第一探測(cè)器或者第二探測(cè)器之間的一片透明材料。
3.一種用于對(duì)一點(diǎn)與一目標(biāo)物之間的距離進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)，包括a.一照準(zhǔn)一目標(biāo)物的激光光源，所述激光光源能產(chǎn)生具有一已知波長(zhǎng)的光；b.一被定位在上述激光光源和目標(biāo)物之間，距離目標(biāo)物為已知距離A處的分束器，上述分束器包括一面向上述激光光源的第一側(cè)面，一面向上述目標(biāo)物的第二側(cè)面和一背離上述激光光源與上述目標(biāo)物的第三側(cè)面；c.一屏板，包括一具有已知尺寸的孔、一后側(cè)面，以及面向上述分束器的上述第三側(cè)面的前側(cè)面，上述屏板被定位在距離上述分束器為已知距離B處；d.一定位在上述屏板后側(cè)距離上述屏板為已知距離D處的探測(cè)器，上述探測(cè)器被定位，以接收從上述激光光源發(fā)射的激光束，并且測(cè)量上述激光束的強(qiáng)度CI；以及e.一被耦合來接收表示來自上述探測(cè)器的所測(cè)激光束強(qiáng)度CI的信號(hào)，并且包括能由其計(jì)算預(yù)選距離的算法的處理器。
4.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中上述探測(cè)器包括一CCD攝像機(jī)。
5.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中上述孔具有已知半徑R。
6.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中上述孔的尺寸是可以控制變化的。
7.如權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中上述激光光源能夠選擇性地發(fā)射至少兩種不同波長(zhǎng)的激光，并且其中上述探測(cè)器包括一能夠?yàn)V過為上述探測(cè)器所探測(cè)的光波長(zhǎng)的可調(diào)濾光片。
8.一種用于對(duì)一點(diǎn)與一目標(biāo)物之間的距離進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)，包括a.一照準(zhǔn)一目標(biāo)物的電磁輻射源，所述輻射源能發(fā)射一束具有一已知波長(zhǎng)的電磁能；b.一被定位在上述輻射源和目標(biāo)物之間，距離目標(biāo)物為已知距離A處的分束器，上述分束器包括一面向上述輻射源的第一側(cè)面，一面向上述目標(biāo)物的第二側(cè)面和一背離上述輻射源與上述目標(biāo)物的第三側(cè)面；c.一屏板，包括一具有已知尺寸的孔、一后側(cè)面，以及面向上述分束器的上述第三側(cè)面的前側(cè)面，上述屏板被定位在距離上述分束器為已知距離B處；d.一定位在上述屏板后側(cè)距離上述屏板為已知距離D處的探測(cè)器，上述探測(cè)器被定位，以接收從上述輻射源發(fā)射出的電磁輻射束，并且測(cè)量上述電磁輻射束的強(qiáng)度CI；以及e.一被耦合來接收表示來自上述探測(cè)器的所測(cè)射束強(qiáng)度的信號(hào)，并且包括能由其計(jì)算距離的算法的處理器。
9.如權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述輻射源是一可調(diào)波長(zhǎng)的光源。
10.如權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述輻射源發(fā)射微波或者無(wú)線電波。
11.如權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述輻射源發(fā)射紫外輻射或X射線。
12.如權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述輻射源是脈沖光源。
13.如權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述輻射源發(fā)射非相干的電磁輻射。
14.如權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括一定位在上述輻射源和上述分束器之間的透鏡。
15.一種用于對(duì)一點(diǎn)與一目標(biāo)物之間的距離進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)，包括a.一照準(zhǔn)一包括一粗糙表面的目標(biāo)物的電磁輻射源，所述輻射源能發(fā)射一束具有一已知波長(zhǎng)的電磁能；b.一被定位在上述輻射源和目標(biāo)物之間，距離目標(biāo)物為已知距離A的分束器，上述分束器包括一面向上述輻射源的第一側(cè)面，一面向上述目標(biāo)物的第二側(cè)面和一背離上述輻射源與上述目標(biāo)物的第三側(cè)面；c.一包括一具有已知尺寸的第一孔的第一屏板，上述第一屏板被定位在上述分束器和上述輻射源之間；d.一第二屏板，包括一具有已知尺寸的第二孔、一后側(cè)面，以及一面向上述分束器的上述第三側(cè)面的前側(cè)面，上述第二屏板被定位在距離上述分束器為已知距離B處；e.一探測(cè)器被定位，以接收穿過上述第二孔的光，上述探測(cè)器面向上述第二屏板的后側(cè)面；以及f.一被耦合來接收表示來自上述探測(cè)器所測(cè)射束強(qiáng)度的信號(hào)，并且包括能由其計(jì)算距離的算法的處理器。
16.如權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述探測(cè)器是一CCD攝像機(jī)。
17.如權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述探測(cè)器包括一可變尺寸的透鏡開口。
18.一種用于對(duì)一點(diǎn)與一目標(biāo)物之間的距離進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)，包括a.一照準(zhǔn)一目標(biāo)物的電磁輻射源，所述輻射源能發(fā)射一束具有一已知波長(zhǎng)的電磁能；b.一探測(cè)器被定位，以接收來自上述輻射源的射束；c.一包括定位在上述探測(cè)器和上述輻射源之間并與其對(duì)準(zhǔn)的孔的第一屏板，以使來自上述輻射源的射束通過上述孔的投影產(chǎn)生一衍射圖；d.一定位在上述第一屏板和上述探測(cè)器之間的透鏡，上述透鏡被定位，以便壓縮或展寬由通過上述孔的上述射束的投影所形成的衍射圖；以及e.一被耦合來接收表示來自上述探測(cè)器所測(cè)射束強(qiáng)度的信號(hào)，并且包括能由其計(jì)算距離的算法的處理器。
19.一種用于測(cè)量一分束器和一目標(biāo)物之間的絕對(duì)距離A的方法，包括以下步驟a.通過分束器向目標(biāo)物發(fā)送一束具有已知波長(zhǎng)λ的電磁能；b.從目標(biāo)物向分束器反射回該束電磁能；從分束器向與分束器間隔為距離B的孔發(fā)送該束電磁能，使得該束電磁能的一部分穿過孔傳播，以在與孔間隔為D處的探測(cè)器上形成菲涅爾衍射圖；c.探測(cè)在探測(cè)器上該束電磁能的中心強(qiáng)度CI；d.探測(cè)在探測(cè)器上該束電磁能的平均強(qiáng)度I0；并且e.利用以下關(guān)系式，確定距離ACI=4I0sin2[R2π2λ(1(A+B)+1D)]]]>
20.一種用于測(cè)量一分束器和一目標(biāo)物之間的絕對(duì)距離A的方法，包括以下步驟a.通過分束器向目標(biāo)物發(fā)送一束具有已知波長(zhǎng)λ的電磁能；b.從目標(biāo)物向分束器反射回該束電磁能；c.從分束器向與分束器間隔為距離B的孔發(fā)送該束電磁能，使得該束電磁能的一部分穿過孔傳播，以在與孔間隔為D處的探測(cè)器上形成菲涅爾衍射圖；d.探測(cè)在第一探測(cè)器上該束電磁能的中心強(qiáng)度CI1；e.探測(cè)在第二探測(cè)器上該束電磁能的第二中心強(qiáng)度CI2；并且f.利用以下關(guān)系式，確定距離ACI(n)=4I0(n)sin2[R2π2λ(1(A+B)+1D(n))]]]>
21.一種用于對(duì)一點(diǎn)與一目標(biāo)物之間的距離進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)，包括a.一照準(zhǔn)一目標(biāo)物的激光光源，所述激光光源能產(chǎn)生具有一已知波長(zhǎng)的光；b.一屏板，包括一具有已知尺寸的孔、一后側(cè)面，以及一面向一目標(biāo)物的前側(cè)面，上述屏板被定位在距離一目標(biāo)物為已知距離的A+B處；c.一定位在上述屏板后側(cè)距離上述屏板為一已知距離D處的探測(cè)器，且上述探測(cè)器被定位，以接收由上述激光光源發(fā)射并從目標(biāo)物散射的激光，并測(cè)量上述射束的強(qiáng)度CI；以及d.一被耦合來接收表示來自上述探測(cè)器的所測(cè)射束強(qiáng)度CI的信號(hào)，并且包括能由其計(jì)算距離的算法的處理器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用菲涅爾衍射進(jìn)行距離或者范圍絕對(duì)測(cè)量的方法和裝置。本發(fā)明應(yīng)用一具有一已知波長(zhǎng)或波長(zhǎng)分布的電磁輻射源,其通過一引起電磁輻射被分束(在下文被稱為“分束器”)的物體(22)發(fā)射一束電磁輻射,然后到達(dá)一目標(biāo)物(18)。該束電磁輻射從該目標(biāo)物反射到包含一與分束器(22)距離為已知距離的孔的屏板上。該孔被定以尺寸,以便產(chǎn)生一菲涅爾衍射圖。該束電磁輻射的一部分穿過孔到達(dá)與屏板間隔為已知距離的一探測(cè)器。探測(cè)器探測(cè)射束的中心強(qiáng)度。從引起射束被分束的物體到目標(biāo)物的距離,隨后可以根據(jù)已知波長(zhǎng)、孔半徑,射束強(qiáng)度和從探測(cè)器到屏板(26)的距離計(jì)算出來。實(shí)踐本發(fā)明方法實(shí)施例用的若干裝置實(shí)施例被進(jìn)行公開。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1367871SQ99802719
公開日2002年9月4日 申請(qǐng)日期1999年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月4日
發(fā)明者阿爾文·J·桑德斯, 丹尼斯·D·厄爾, 斯蒂芬·W·艾利森, 邁克爾·R·凱茲, 威廉·S·凱 申請(qǐng)人:田納西研究公司大學(xué), Ut-巴特勒有限責(zé)任公司