具有光开关的绝对距离测量仪制造技术

提供了一种确定相对于目标的距离的绝对距离测量仪，其包括发射所射出的光束的光源；光纤开关网络，其具有响应于开关控制信号在至少两个位置之间切换的至少一个光开关，第一个位置使得能够进行测量模式，在测量模式中，所射出的光束从光纤开关网络发射至目标，并作为测量光束反射回光纤开关网络，第二个位置使得能够进行基准模式，在基准模式中，光束包括在光纤开关网络内的基准光束；单通道检测器，其以暂时间隔开的多路复用方式检测测量和基准光束并提供对应于所检测的测量和基准光束的电信号；单通道信号处理器，其处理电信号并提供与所处理的电信号相对应的限制过的电信号；数据处理器，其处理经过限制的电信号以确定相对于目标的距离。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求2009年8月7日申请的、序号为No.61/232,222、名称为“具有光开关的绝对距离测量仪”的美国临时专利申请的优先权，在此通过引用将其内容整体地包括在内。
本专利技术涉及绝对测量距离测量仪，更具体地，涉及一种具有光纤开关网络的绝对距离测量仪，该光纤开关网络减小绝对距离测量仪中不希望的漂移，从而提供更精确的距离尺寸。
技术介绍
通常，绝对距离测量仪(AMD)是确定相对于远处目标的距离的装置。其通过将激光发送至目标然后接收目标所反射或散射的光来确定距离。在例如，从五金店中买到的消费产品中所看到的那样，AMD可用于测量一维距离。AMD可以附接在具有测量与额外维度相对应的量(自由度)的能力的更复杂的装置上。最新型的装置的例子是测量三维空间坐标的激光跟踪器。其示例的系统在Brown等人的美国专利No.4,790,651以及Lau等人的美国专利No.4,714,339中有所说明。激光跟踪器将激光束发送至保持在所感兴趣的表面上的、或放置在固定的嵌槽中的后向反射器目标。最常见的后向反射器目标的类型是球形固定后向反射器(SMR)，其可以包括固定在球体中的空心角锥后向反射器，该空心角锥的顶点位于球心处。一种与激光跟踪器紧密相关的装置是激光扫描仪。激光扫描仪将一个或多个激光束投射在漫射表面的点上。激光跟踪器和激光扫描仪均为坐标测量装置。目前常见的做法还使用术语“激光跟踪器”来表示具有距离和角度测量能力的激光扫描仪装置。另一种与激光跟踪器紧密相关的装置是通常由测量人员使用的全站仪。本文献通篇使用了包括激光扫描仪和全站仪器的激光跟踪器的广义定义。雷达装置在发射和接收电磁波并分析所接收的波从而获知相对于目标的距离上与激光跟踪器类似。雷达通常发射电磁频谱中RF波(射频波)、微波或毫米波区域的波，而激光跟踪器通常发射可见或近红外区域的波。雷达可以是收发分置的或单站式的。单站式雷达沿共同路径发射并接收电磁能量，而收发分置雷达在不同的路径上进行发射和接收。全站仪也可以是收发分置的或单站式的。然而，用于高精确度工业测量的雷达跟踪器是单站式的。为了理解激光跟踪器为什么是单站式的，考虑由激光跟踪器发射的、传输至后向反射器目标并从其上反射回的光束。如果在跟踪器中使用收发分置模式，则入射激光束会偏离后向反射器中心并且反射激光束将对应于入射光束发生移位。激光跟踪器通常所使用的类型的小尺寸后向反射器目标不会与这种收发分置装置兼容。例如，通用型的后向反射器目标是直径0.5英寸的SMR。在这种SMR中的空心角锥后向反射器典型地具有大致为0.3-->英寸、约等于7.5mm的通光孔径。来自跟踪器的激光束的辐射直径的1/e2可能与该大小相等或更大。由此，激光束的任何移位都会使得光束被SMR截断。这将导致返回至跟踪器的光功率的不可接受的大幅降低。收发分置的几何形状对于基于光纤的ADM系统也存在问题。在从光纤发出激光的单站式激光跟踪器中，可以通过将光纤的端面置于准直透镜的焦点处来制成激光准直器。在从远处后向反射器返回的返回路径上，尽管通常返回激光束可能相对于出射激光偏心，但准直的激光束再次到达准直透镜。光纤端面位于准直透镜的焦点处，这具有以下效果，使得在无需考虑光束到达透镜的什么位置的情况下，来自后向反射器目标的光高效地耦合返回至光纤的作用。在收发分置的装置中，光纤接收的光学对准更具有挑战性并且耦合效率相当低。有一种类型的激光跟踪器仅包含干涉计(IFM)而不具有绝对距离测量仪。如果有对象阻断了来自这些跟踪器中中之一的激光束的路径，则IFM失去其距离基准。那么操作者必须跟踪后向反射器至已知的位置处以在继续测量之前重置基准距离。解除这种限制的一种方法是将ADM放入到跟踪器中。如下面详细说明的，ADM能够以全自动方式测量距离。有些激光跟踪器仅包含一个ADM而不具有干涉计。Payne等人的美国专利No.5,455,670中描述了该类型的示例的激光跟踪器。其它激光跟踪器典型地包括ADM和干涉计这两者。Meier等人的美国专利No.5,764,360中描述了该类型的示例的激光跟踪器。激光跟踪器中的万向节构造可以用于将激光束从跟踪器引导至SMR。由SMR反射的光的一部分进入激光跟踪器并传送至位置检测器。激光跟踪器中的控制系统可以使用在位置检测器上的光的位置来调整激光跟踪器的机械方位角和天顶角轴的转角，从而将激光束保持在SMR的中心。利用这种方法，跟踪器能够跟随(跟踪)在感兴趣的对象的表面上运动的SMR。附接在跟踪器的机械方位角和天顶角轴上的角度编码器可以测量激光束的方位角和天顶角(相对于基准跟踪器框架)。由激光跟踪器进行的一个距离测量和两个角度测量足够用来完备地指定SMR的三维位置。激光跟踪器的一个主要应用是扫描对象的表面特征来确定其几何特性。例如，操作者能够通过对每一个表面进行扫描然后使几何平面与每个表面相匹配来确定两个表面之间的角度。作为另一个例子，操作者能够通过扫描球表面来确定球的中心和半径。在Bridges等人的美国专利No.7,352,446之前，需要将干涉计而不是ADM用于激光跟踪器来扫描运动目标。直到该专利出现前，绝对距离测量仪速度太慢以至于不能精确地找到运动目标的位置。为了充分发挥扫描和全自动性能这两者的功能，早期的激光跟踪器需要干涉计和ADM这两者。下面是对干涉法距离测量和绝对距离测量的一般性比较。在激光跟踪器中，干涉计(如果有的话)可以通过对随着后向反射器目标在两点之间运动而经过的已知长度(通常是激光的半波长)增量的数目进行计数来确定从起始点到终点的距离。如果在测量期间光束被破坏，则不能精确地知道计数的数目，从而使距离信息丢失。通过比较可知，激光跟踪器中的ADM确定相对于后向反射器目标的绝对距离而不需考虑光束的破坏，这样还允许在多个目标间进行切换。因此，ADM被称为能够进行“全自动”测量。尽管在干涉计测量中存在若干种会导致误差的原因，但大多数情况下主要的误差-->在于激光在其通过空气的路径中的平均波长值。在空间中某点的波长等于激光的真空波长除以在该点处的空气折射率。通常所知激光的真空波长具有很高的精确度(精确度高于千万分之一)，但所知的空气平均折射率则精确度较低。空气折射率首先通过使用传感器来测量温度、压力以及空气湿度，然后将这些测量的值代入Ciddor方程或Edlin方程合等适当的方程中来获得。然而，温度、压力以及湿度在空间上并不均匀，而且传感器也不是绝对精确。例如，一摄氏度的平均温度误差导致约百万分之一(ppm)的折射率误差。如上面所提及的，空气中光的波长与空气折射率成反比。类似地，在ADM中，称之为ADM波长的振幅调制包络(还已知为“模糊距离”)与空气的群折射率成反比。由于该类似性，在温度、压力和湿度的测量中的误差所导致的计算出的距离的误差对于ADM系统和干涉计系统大致相等。然而，ADM倾向于受到不会在干涉中出现的误差的影响。为了测量距离，干涉计使用电计数器来保持对两光束变为同相或异相的次数的跟踪。该计数器是不必对小的模拟差别量进行响应的数字装置。通过比较可知，ADM通常需要以高精度测量相移或时间延迟等模拟值。在大多数高性能ADM中，通过将电信号施加至激光源，或者经由声光调制器或电光调制器等外部调制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定相对于目标的距离的绝对距离测量仪，包括：光源，其发射所射出的光束；光纤开关网络，其具有至少一个光开关，响应于开关控制信号所述至少一个光开关在至少两个位置之间切换；所述位置中的第一个位置使得能够进行测量模式，在所述测量模式中，所射出的光束从所述光纤开关网络发射至目标，并作为测量光束反射回所述光纤开关网络，所述位置中的第二个位置使得能够进行基准模式，在所述基准模式中，光束包括在所述光纤开关网络内的基准光束；单通道检测器，其以暂时间隔开的多路复用方式检测所述测量和基准光束并提供对应于所检测的测量和基准光束的电信号；单通道信号处理器，其处理所述电信号并提供与所处理的电信号相对应的经过限制的电信号；以及数据处理器，其处理所述经过限制的电信号以确定相对于所述目标的距离。

【技术特征摘要】
US 2009-8-7 61/232,2221.一种确定相对于目标的距离的绝对距离测量仪，包括：光源，其发射所射出的光束；光纤开关网络，其具有至少一个光开关，响应于开关控制信号所述至少一个光开关在至少两个位置之间切换；所述位置中的第一个位置使得能够进行测量模式，在所述测量模式中，所射出的光束从所述光纤开关网络发射至目标，并作为测量光束反射回所述光纤开关网络，所述位置中的第二个位置使得能够进行基准模式，在所述基准模式中，光束包括在所述光纤开关网络内的基准光束；单通道检测器，其以暂时间隔开的多路复用方式检测所述测量和基准光束并提供对应于所检测的测量和基准光束的电信号；单通道信号处理器，其处理所述电信号并提供与所处理的电信号相对应的经过限制的电信号；以及数据处理器，其处理所述经过限制的电信号以确定相对于所述目标的距离。2.根据权利要求1所述的绝对距离测量仪，其中，所述光源包括激光器并且所述光束为激光束。3.根据权利要求1所述的绝对距离测量仪，其中，所述单通道信号处理器对所述光源提供调制信号以调制所述光源。4.根据权利要求1所述的绝对距离测量仪，其中，所述单通道信号处理器提供所述开关控制信号以控制所述至少一个光开关在测量模式位置和基准模式位置之间的切换。5.根据权利要求1所述的绝对距离测量仪，其中，所述绝对距离测量仪用于在激光跟踪器内使用。6.根据权利要求1所述的绝对距离测量仪，其中，所述光纤开关网络还包括：至少一个光纤耦合器，其中通过所射出的光束以及所述测量和基准光束；以及部分光纤后向反射器；其中，所述至少一个光纤耦合器以光学方式连接至所述单通道检测器、所述光源以及所述至少一个光开关；其中，在所述测量模式中，所射出的光束从所述光源经所述至少一个光纤耦合器发送至处于所述测量模式位置的所述至少一个光开关并发送至所述目标，并且来自所述目标的所述测量光束通过处于所述测量模式位置的所述至少一个光开关并且通过所述至少一个光纤耦合器到达所述单通道检测器；以及其中，在所述基准模式中，所射出的光束从所述光源经所述至少一个光纤耦合器发送至处于所述基准模式位置的所述至少一个光开关并发送至所述部分光纤后向反射器，并且从所述部分光纤后向反射器反射的所述基准光束通过处于所述基准模式位置的所述至少一个光开关并且通过所述至少一个光纤耦合器到达所述单通道检测器。7.根据权利要求1所述的绝对距离测量仪，其中，所述光纤开关网络还包括：光循环器，其中通过所射出的光束以及所述测量和基准光束；以及部分光纤后向反射器；其中，所述光循环器以光学方式连接至所述单通道检测器、所述光源以及所述至少一个光开关；其中，在所述测量模式中，所射出的光束从所述光源经所述光循环器发送至处于所述测量模式位置的所述至少一个光开关并发送至所述目标，并且来自所述目标的所述测量光束通过处于所述测量模式位置的所述至少一个光开关并且通过所述光循环器到达所述单通道检测器；以及其中，在所述基准模式中，所射出的光束从所述光源经所述光循环器发送至处于所述基准模式位置的所述至少一个光开关并发送至所述部分光纤后向反射器，并且从所述部分光纤后向反射器反射的所述基准光束通过处于所述基准模式位置的所述至少一个光开关并且通过所述光循环器到达所述单通道检测器。8.根据权利要求1所述的绝对距离测量仪，其中，所述光纤开关网络还包括：第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，其中通过所射出的光束以及所述测量和基准光束；其中，所述第一光纤耦合器以光学方式连接至所述光源、所述至少一个光开关以及所述第二光纤耦合器；其中，所述第二光纤耦合器以光学方式连接至所述第一光纤耦合器、所述至少一个光开关以及所述光源；其中，在所述测量模式中，所射出的光束从所述光源经所述第一光纤耦合器、所述第二光纤耦合器发送至所述目标，并且来自所述目标的所述测量光束通过所述第二光纤耦合器并到达处于所述测量模式位置的所述至少一个光开关并到达所述单通道检测器；以及其中，在所述基准模式下，所射出的光束从所述光源经所述第一光纤耦合器发送至处于所述基准模式位置的所述至少一个光开关，并作为所述基准光束到达所述单通道检测器。9.根据权利要求1所述的绝...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特E布里奇斯，
申请(专利权)人：法罗技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]