CN101506661A - 速度检测器 - Google Patents
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Abstract
一种用于确定运动对象的速度和方向的装置，该装置包括：设置为生成入射相干光束(B)的相干光源(L)；光学成像系统，其设置成接收从穿过所述入射光束的运动对象反射的光并将所述反射光聚焦成所述运动图像的放大图像；第一光学掩模(M)，所述放大图像被投射过该第一光学掩模，所述掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域形成的第二区域；第一光检测器(D)，其设置成对透过所述光学掩模发出的光信号进行接收，所述光信号包括脉冲序列，并计算作为所述脉冲频率以及所述光学掩模的所述不透明区域的间隔的函数的所述运动对象的速度和方向。
Description
技术领域
本发明涉及测量对象的速度和方向的速度检测器。
背景技术
现有技术中已知许多用于检测对象的速度的装置和方法。其中一种方法将从粗糙的被照射运动表面反射的广谱光投射到印有规则地间隔开的非透明线的掩模上。由检测装置来观察该掩模。返回信号的各量子都有相对于任意参考信号的本身的相位，并且投射透镜将这些量子有效地加和为单个信号，总的相位和频率与表面的速度有关。虽然该技术得出了速度信号，但精度依赖于对信号的平滑，这是因为出现了与表面粗糙度有关而不仅仅与表面速度有关的频率变化。而且，该技术不能进行方向感测。
另一种称为激光多普勒测速(LDV：Laser Doppler Velocimetry)的现有技术利用激光的相干性使具有相同偏振的两个交叉的激光束会聚在单个基准点上，由此在规定的测量区(measurement volume)内形成线性的规则地间隔开的干涉条纹。穿过测量区的对象会将来自条纹的入射光经由透镜系统反射回到检测器。信号频率与条纹间隔以及对象的速度有关。对于精密的激光束几何形状，条纹间隔非常规则，这使得能够进行精确的速度测量。然而，由于频率信号对于从左到右或者从右到左地通过都是一样的，因此不能确定通过方向。也不能确定对象路径是否恰好与条纹正交(即产生最高频率的情况)。对于与条纹成一角度通过的情况，频率将比理论最大值低该通过角度的余弦值。
复杂的光电装置(例如布拉格器件)已经应用于LDV系统，用于对两个激光束之一的频率进行调制，由此以调制频率来改变条纹间隔。通过返回信号的数学解释可以确定左到右或右到左方向。这种方法及类似方法较为复杂、昂贵且不是很紧凑，通常要求高电压，并产生有噪声的返回信号，由此降低了测量精度。
为测量沿X轴和Y轴的速度，必须在同一测量区内形成两个正交的条纹图案并将它们叠加。为了对各轴进行区分，针对各轴使用不同的激光波长，并且必须以各激光波长对返回信号进行分离和滤波，然后进行检测。为测量沿Z轴的速度，或者必须创建干涉仪系统，或者使用具有不同激光波长的第二个单平面LDV单元，并将其安装成使其测量区以规定的角度恰好聚焦在两个平面区上，由此使得能够测量Z轴速度分量。对于小测量区(直径可能仅有100μm)和长工作距离(可能在1米以上)，这要求极其精密。
与调制电子器件、高压电源、三个不同波长的光接收器和三个检测系统一起制造具有精密单测量区的包括三个不同波长的全部激光束生成装置的单个组件(各激光束生成装置在这些激光束之一中具有(布拉格)调制系统)是一项艰难且昂贵的工程任务。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定运动对象的速度和方向的方法，该方法包括以下步骤：
生成入射相干光束；接收从穿过所述入射光束的运动对象反射的反射光并由所述反射光形成所述运动对象的放大图像；将所述放大图像投射过第一光学掩模，该第一光学掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第二区域；对透过所述光学掩模的光信号进行检测，所述光信号包括脉冲序列，并且作为所述信号的频率以及所述不透明区域的所述第一间隔和所述第二间隔的函数而计算所述运动对象的速度和方向。
可以另外将所述放大图像投射过第二光学掩模，该第二光学掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第二区域，所述第二光学掩模相对于所述第一光学掩模旋转大致90°，并且其中，另外对透过所述第二光学掩模的光信号进行检测，由此计算所述运动对象相对于所述第一光学掩模和所述第二光学掩模中的每一个的速度和方向分量。
可以另外将所述放大图像输入到干涉仪中，该干涉仪被设置成确定所述运动对象在朝向所述干涉仪的方向上的速度。可以另外将所述入射光束的一部分输入到所述干涉仪中，作为基准信号。
所述入射光束可以包括一对相干光束，其中一个光束相对于另一个光束是偏振的，使该对光束会聚在所述运动对象穿过的点处。
所述对象掩模的或各对象掩模的所述第一区域和所述第二区域优选包括等间隔线的图案，并且所述相干光优选地包括激光。
所述接收的反射光可以穿过具有包含所述相干光频率的带宽的滤波器。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定运动对象的速度和方向的装置，该装置包括：设置为生成入射相干光束的相干光源；光学成像系统，其设置成接收从穿过所述入射光束的运动对象反射的光并将所述反射光聚焦成所述运动图像的放大图像；第一光学掩模，所述放大图像被投射过该第一光学掩模，所述掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域形成的第二区域；第一光检测器，其设置成接收透过所述光学掩模的光信号，所述光信号包括脉冲序列，并计算作为所述脉冲频率以及所述光学掩模的所述不透明区域的间隔的函数的所述运动对象的速度和方向。
所述装置可以进一步包括：光束分离器，其被设置成将所述放大图像分为第一图像和第二图像，所述第一图像被投射过所述第一光学掩模；第二光学掩模，该第二光学掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第二区域，所述第二光学掩模相对于所述第一光学掩模旋转大致90°；以及第二光检测器，其被设置成对透过所述第二光学掩模的其他光信号进行接收，并计算所述运动对象相对于所述第二光学掩模的速度和方向分量。
该装置可以进一步包括干涉仪，该干涉仪被设置成接收所述放大图像并确定所述运动对象在朝向所述干涉仪的方向上的速度。可以另外将所述入射光束的一部分输入到所述干涉仪中，作为基准信号。
所述相干光源可以被设置为生成第一入射光束和第二入射光束，所述第一入射光束和第二入射光束彼此偏振，并且其中，所述装置进一步包括用于会聚所述第一入射光束和所述第二入射光束的第一透镜组件。
优选的是，所述光学掩模的或各光学掩模的所述第一区域和所述第二区域包括等间隔线的图案。另外地或者另选地，所述相干光源可以包括激光器。
附图说明
下面将参照附图借助于仅作为示例性的例子来描述本发明的实施方式，在附图中：
图1是根据本发明的第一实施方式的速度检测器的示意图；
图2是根据本发明的一个实施方式的三轴速度检测器的示意图；
图3示出了用于图1的速度检测器的X平面或Y平面的双频掩模的示例；以及
图4是用于测量沿Z方向的速度的干涉仪组件的示意图。
具体实施方式
图1中示意地例示了根据本发明的第一实施方式的速度检测器。在外壳(E)内部安放有用于生成光束(B)的相干光源(L)，在优选的实施方式中该相干光源为激光源。所生成的光束穿过用于将该光束聚焦到外壳外部的基准点(MV)处的透光透镜组件(Tx)。与透光透镜组件具有共同焦点的第一接收透镜组件(Rx)接收从基准点反射的光，并因此而接收从穿过基准点的任何对象反射的光，并使穿过滤波器组件(F)的反射光传递到另一接收器透镜组件(R)。滤波器组件仅通过相干光源(L)的波长的光，因此拒绝其他波长的任何无用的接收光。该另一接收器透镜组件将所接收的相干光聚焦到放大镜组件(MG)中，以便生成基准点(MV)的经过聚焦和放大的图像。通过掩模元件(M)投射经过放大的图像，该掩模元件由光检测器(D)进行观测。掩模包括基本透明的基板(例如玻璃)，例如通过刻蚀或印制技术在其上形成有基本不透明的图案。
在图3中例示了适于供本发明的实施方式使用的掩模图案的示例。掩模的一半具有比另一半更宽的间隔线，使得从左向右运动经过该掩模的图像产生低频信号随后产生较高频信号。对于从右向左运动的图像，较高频信号在较低频信号之前产生。这样的双频使得能够确定图像方向。所产生的频率具有彼此固定的关系，并产生与图像速度成比例的信号。
图1中示意性例示的装置使得能够确定运动穿过基准点(MV)的对象沿着与装置的轴正交的单轴的速度和方向，该单轴的指向(orientation)由掩模元件(M)的指向决定。在另一实施方式中，可以按以下方式来实现双轴检测器，即，将光束分离器包括在该装置中使得放大镜组件输出的放大图像被分成两个光束，并且各光束指向各自的掩模元件和相关联的检测器。各掩模元件优选是相同的，但以彼此相对旋转90°的方式安装，因此使得能够测量沿着两个相互正交的轴的速度和方向。
因为本发明很可能用于测量非常小的粒子的通过，粒子直径可能为1μm或者更小，并且这些直径可能接近于激光波长，粒子的形状有时会影响从它散射出的光，尤其是在照射粒子的光(例如，利用激光)被平面偏振时。如果使用在单点处聚焦并交叉的两个激光束，但一个光束使其偏振改变90度，则极大地减小了粒子不规则性的影响，并且不同的偏振抑制了测量区内无用干涉条纹的产生。在自由空间中对测量区进行定位的任务也变得更加容易，这是因为两个光束会从该测量区分开，但是在测量区处会是单个的圆点。在图2中例示了具有这种配置的本发明的实施方式。
按照与图1中所示的装置类似的方式，图2中所示的检测器包括外壳(E)和激光源(L)。第一光束分离器(BSI)将激光束分成在接收器轴上的基准点(MV)处聚焦并交叉的两个平行光束(B1，B2)，第二光束穿过偏振元件(P)以将偏振改变90度，这两个光束都从共用的发射接收透镜(TXRX)出射，以确保具有共同焦点。从基准点(MV)处的对象反射的光由位于干涉滤波器(F)之后的接收器透镜组件(R)接收，该干涉滤波器可使激光波长的光通过并拒绝其他波长的无用光。放大镜组件(M)接收来自接收器透镜组件的光，并输出经过聚焦和放大的基准点(MV)的图像。该图像穿过第二光束分离器(BS2)以使所接收图像的一部分转换到Z轴干涉仪组件(ZI)上(下面将更详细描述)，随后穿过第三光束分离器(BS3)以形成X轴和Y轴图像，然后穿过X轴和Y轴的掩模元件(MX)和(MY)，借助于检测器(D1)和(D2)直接地或者经由可选的光纤光导组件(F1)和(F2)进行观测，使得检测器及其相关联的电子元件可以远离速度检测器光学组件地安装。此外，激光组件(L)还可以远离速度检测器光学组件安装并借助于光纤链路进行连接。
提供第一和第二掩模元件(MX，MY)使得能够确定运动对象沿正交的X轴和Y轴的速度和方向。为了确定沿Z轴(即沿着接收器轴)的相应测量，将上述干涉仪组件包括进来。在图4中例示了适当的干涉仪组件。该干涉仪组件具有两个输入光源。第一输入光源来自于使用与第二光束B2成一角度安装的抗反射涂敷玻璃平面(ARF：anti-reflectioncoated glass flat)从激光源(L)经由第一光束分离器BS1得到的第二激光束B2。这样将第二光束B2中的能量的大约0.25％经由第一棱镜PR1发送到第一透镜LS1的一半。这是干涉仪的基准信号。第二光源来自第二光束分离器BS2(图2)，并经由第二棱镜PR2被发送到第一透镜LS1的另一半。这是来自测量区MV的接收信号。然后将这两个光源从第一透镜LS1引导到第二透镜LS2，这两个光源的合并减小了两个光源之间的间隔并将它们重建为平行光源。然后这些信号传递到双缝SL1，该双缝形成交错的波前作为穿过双缝干涉的能量。波前信号随后由第三透镜LS3引导到可选的双光纤光缆组件F3，然后引导到两个电子检测器。双缝SL1的缝间隔与激光波长有关，并形成当这两个输出信号的相位彼此改变时的唯一信号图案，该相位改变由测量区MV内沿Z方向运动的被照射对象引起。可以对该唯一图案进行处理以得出对象方向，并且可以对波前穿过狭缝时的变化率进行处理以得出对象速度。
在图4中例示的三轴检测器中，重要的是从放大镜组件(M)出射的光信号不在第二分离器(BS2)处形成相干图像，以向干涉仪机构呈现完全均匀的波前。利用光学遮挡(OB)内的长折叠光路建立图像，并将其呈现给掩模(MX)和(MY)。
同样重要的是整个接收器组件(TXRX、F、R、M、BS2、OB、BS3)产生激光波长的高质量、几何形状无畸变的图像，以便保持测量精度，并且掩模(MX)和(MY)同样地具有高几何精度。调整放大镜组件(M)从而以正确的图像尺寸并在掩模(MX)和(MY)的印制表面处呈现对象的聚焦图像。
本发明以极大地减小的成本和高精度克服了与多光束、多平面LDV系统相关联的大部分复杂性。在其最复杂的形式中，它在单外壳中提供了三轴速度测量。然而，也可以创建双平面(X和Y，(X或Y)和Z)单元和单平面(X，Y或Z)单元。
利用相干光源使得能够创建精密测量区，因为这种光特别是激光的“空间和时间相干性”确保了规定的聚焦直径和测量区长度。由于成像系统还精密地聚焦在测量区上，即使对于多轴测量也可以使用单光束，因此与现有技术的LDV系统中描述的六激光束相比在复杂性和成本上非常有利。因此可以通过两个光学系统的相互作用来限定测量区。
在本发明的一些实施方式中，这两个光束的路径位于除测量区以外的接收光视场之外。这在搜寻非常小的粒子时是有利的，因为检测器灵敏度必须非常高。如果光束与接收器视场交叉，则穿过这两个光束之一远离焦点的随机粒子可能引起有可能偏转到检测器中的噪声信号，从而形成伪信号。
对于X轴和Y轴，速度检测器的测量精度完全由接收光学器件的几何精度和印制到掩模上的图案的线性度决定。利用常规的沉积和制造技术可以实现0.1％或更好的精度。对于Z轴，精度主要由激光波长稳定性(它可以非常高)决定。
Claims (15)
1.一种确定运动对象的速度和方向的方法，该方法包括以下步骤：
生成入射相干光束；
接收从穿过所述入射光束的运动对象反射的反射光并由所述反射光形成所述运动对象的放大图像；
将所述放大图像投射过第一光学掩模，该第一光学掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第二区域；
对透过所述光学掩模的光信号进行检测，所述光信号包括脉冲序列，并且作为所述信号的频率以及所述不透明区域的所述第一间隔和所述第二间隔的函数而计算所述运动对象的速度和方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，另外将所述放大图像投射过第二光学掩模，该第二光学掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第二区域，所述第二光学掩模相对于所述第一光学掩模旋转大致90°，并且其中，另外对透过所述第二光学掩模的光信号进行检测，由此计算所述运动对象相对于所述第一光学掩模和所述第二光学掩模中的每一个的速度和方向分量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，另外将所述放大图像输入到干涉仪中，该干涉仪被设置成确定所述运动对象在朝向该干涉仪的方向上的速度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，另外将所述入射光束的一部分输入到所述干涉仪中，作为基准信号。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述入射光束包括一对相干光束，一个光束相对于另一个光束偏振，使该对光束会聚在所述运动对象穿过的点处。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述对象掩模的或各对象掩模的所述第一区域和所述第二区域包括等间隔线的图案。
7.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述相干光包括激光。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述接收的反射光穿过具有包含所述相干光频率的带宽的滤波器。
9.一种确定运动对象的速度和方向的装置，该装置包括：
设置为生成入射相干光束的相干光源；
光学成像系统，其设置成接收从穿过所述入射光束的运动对象反射的光并将所述反射光聚焦成所述运动图像的放大图像；
第一光学掩模，所述放大图像被投射过该第一光学掩模，该掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第二区域；
第一光检测器，其设置成接收透过所述光学掩模的光信号，所述光信号包括脉冲序列，并作为所述脉冲频率以及所述光学掩模的所述不透明区域的间隔的函数而计算所述运动对象的速度和方向。
10.根据权利要求9所述的装置，该装置进一步包括：
光束分离器，其被设置成将所述放大图像分为第一图像和第二图像，所述第一图像被投射过所述第一光学掩模；
第二光学掩模，该第二光学掩模具有以第一间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第一区域以及以不同于所述第一间隔的第二间隔交替的不透明区域和透明区域所形成的第二区域，所述第二光学掩模相对于所述第一光学掩模旋转大致90°；以及
第二光检测器，其被设置成对透过所述第二光学掩模的其他光信号进行接收，并计算所述运动对象相对于所述第二光学掩模的速度和方向分量。
11.根据权利要求9或10所述的装置，该装置进一步包括干涉仪，该干涉仪被设置成接收所述放大图像并确定所述运动对象在朝向所述干涉仪的方向上的速度。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，另外将所述入射光束的一部分输入到所述干涉仪中，作为基准信号。
13.根据权利要求9到12中任意一项所述的装置，其中，所述相干光源被设置为生成第一入射光束和第二入射光束，所述第一入射光束和第二入射光束彼此偏振，并且其中，所述装置进一步包括用于会聚所述第一入射光束和所述第二入射光束的第一透镜组件。
14.根据权利要求9到13中任意一项所述的装置，其中，所述光学掩模的或各光学掩模的所述第一区域和所述第二区域包括等间隔线的图案。
15.根据权利要求9到14中任意一项所述的装置，其中，所述相干光源包括激光器。
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