CN102089617A - 激光自混合测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光自混合测量装置，包括带激光器腔体的激光器，以及沿激光束光路布置的表面，所述表面使入射激光改变方向回到激光器腔体中。所述表面包含周期性结构，把激光衍射成为多束局部光束。

Description

激光自混合测量装置

技术领域

一般地说，本发明涉及光电器件领域。更具体地说，本发明涉及利用激光自混合传感器测量诸如距离或速度之类的与位移有关的参数。

背景技术

如果在激光器的光学路径内设置外部反射表面，得到一个外部腔体，就会发生激光自混合。所述外部腔体的调谐引起各种激光器平衡条件的重新调整，从而可以检测激光器输出功率的改变。这些通常为波动或振荡形式的改变是重复的，作为所述外部反射表面位移对半激光波长的距离的函数。波动频率与外部反射器的速度成比例。基于激光自混合的测量装置通常表现出高的灵敏性，并因此而表示出高的精度。这可归于如下事实，重新进入激光器腔体的反射光决定激光的调制频率，并因此而在该激光器腔体中被放大。这样，激光器起到相敏探测器和放大器的作用。因此，无需诸如光学滤波器之类的附加机构或者诸如干涉仪之类的多种复杂装置，即可得到高的接收器灵敏度。譬如，从美国专利US 6,707,027 B2 公知一种激光自混合装置。若是反射表面具有沿光学路径的移动的组成部分，则该种装置就造成利用所发生的多普勒相移。

然而，如果把激光自混合装置用于计量（gauge）带有随机反射表面的物体的速度或距离，则被反射的信号就会强烈地取决于由波长刻度结构和/或构成的变化所引起的空间可变的反射率。这可能例如在吸收表面或黑体表面上，以及在如同反射镜、玻璃表面或发光表面之类的完全反射的表面上产生极低的反射信号电平，造成低的或者甚至消失的测量信号。这特别应用于测量几何形状，其中，镜面反射光束（specular beam）不会被反射回到激光器腔体中。 

另一个影响就是所谓散斑图样，这是由于所述表面的波长刻度结构所引起的。这种散斑图样引起强烈随机的强度变化，这同样也调制自混合信号的幅值、频率和相位。因此，使用波动或振荡信号，这种散斑图样影响与参数计量器（gauges）有关的系统测量精度。

发明内容

鉴于公知装置的上述问题，本发明的目的在于提高激光自混合装置的测量精度。本发明是基于使用衍射元件，使部分激光束改变方向回到激光器的激光器腔体中，用以借助激光自混合效应测量与位移有关的参数，如所述衍射元件关于激光器的位移、速度或旋转。

为此，提出一种激光自混合装置，包括：

带激光器腔体的激光器，用于产生测量激光束；

监视器件，用于监视激光强度或其等价参数；

检测电路，用以检测被所述监视器件监视的激光强度的周期性变化；

衍射元件，布置在激光器的光路中，它将部分激光沿所述光路改变方向回到激光器腔体中。所述衍射元件具有周期性结构，将入射激光衍射成为多束局部光束（partial beams），并且所述衍射元件可相对于所述激光器腔体移动。

使用上述激光自混合测量装置测量与位移有关参数的相应方法包括如下步骤：

在激光器的激光器腔体内产生测量激光束；

由衍射元件使部分激光沿着所述光路改变方向回到所述激光器腔体中，所述衍射元件具有周期性结构，特别如光栅，将入射激光衍射成为多束局部光束，并且所述衍射元件可相对于所述激光器腔体移动；

用监视器件监视激光强度或其等价参数，以及

利用检测电路检测被监视器件监视的激光强度的周期性变化，并从测得的激光强度的周期性变化计算与位移有关的参数。

所述衍射元件代替漫反射表面的目的在于使入射激光均匀地反射回到所述激光器腔体中，从而能够消除或者至少是相当程度地抑制与散斑有关的现象。

所述与位移有关的参数可以是位移本身、速度 ー 即每单位时间的位移、相应于表面(如旋转部件的圆周表面(circumferential surface))位移的旋转角度、或者角速度ー相应于每单位时间所述旋转部件的圆周表面的位移。在本申请中，所述衍射结构优选覆盖可以被一束或多束激光束最终照射于其上的整个区域。

为了利用自混合效应与衍射元件相对于激光器移动所引起的相位移动相结合来测量与位移有关的参数，如果该衍射元件能够沿着在具有沿入射激光束方向的分量的方向移动，则是有益的。这样，衍射元件的移动引起外部腔体调谐，导致因与被衍射的局部光束自混合的缘故所致的激光强度波动。

原则上讲，本发明对于其中发生自混合效应的各类激光器都起作用。不过，激光二极管作为激光器是被特别优选的，因为激光二极管是小且节约成本的器件。激光二极管既可以是边缘发射激光器和也可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

按照本发明的优选改进，采用与激光器为一体的光电二极管作为监视器件。作为可供选择的方式，可以采用外部光电二极管。外部光电二极管有利于得到非常高的信号电平。为此目的，可将光电二极管置于各局部光束之一的光路中，这里的局部光束是由衍射元件发出，未改变方向回到所述激光器腔体内的。这样的局部光束也可以是镜面反射光束(specular beam)。

使用结构薄膜作为衍射元件是更为有益的。可将这种薄膜或箔片贴附于要对其确定与位移有关之参数的可移动部件上。特别是，当给出衍射元件的结构要求和/或机械要求都是低的时候，可以使用便宜的有结构的塑料薄膜。另外，也可以采用全息金属箔片作为衍射元件。

优选提供一个附加的聚焦元件，以将光束向着衍射元件会聚。特别是，这种聚焦元件可将激光束聚焦在衍射元件的周期性结构上。

此外，所述激光自混合测量装置还可以包括偏转光学元件，它偏转激光束，使其按一定的斜角入射到衍射元件的表面上。这种结构允许以一种简单的结构相对于待测量的表面布置激光器，其中，垂直于正在移动的表面发射激光束；所述表面是沿其横向移动的。

对于与VCSEL的组合作为激光器的紧凑型设计而言，这种实施例是特别有益的。采用VCSEL和偏转元件，使得激光器能够被直接安装在与移动的衍射元件保持平行的电路板上。再有，采用相对于激光束为离轴布置的透镜，可使聚焦元件和偏转元件被有益地结合在一起。

为使沿着光路向回衍射最优化，衍射元件的周期性结构可有益地包括闪耀光栅。

此外，为消除建立在镜面反射基础上的散斑效应，有益的是可以将衍射元件的表面倾斜于入射激光束的方向布置。

按照使具有非0级的衍射级的局部光束改变方向回到激光器腔体中的方式，关于激光器设计和定位衍射元件也是有益的。为了做到这一点，使入射角α满足条件d · sin(α) = m · λ/2是有益的。在此公式中，d表示光栅节距(即各光栅划线（grating lines）或者其它衍射结构之间的距离)。另外，λ表示激光波长，m为整数。特别是，由于光被沿着光路向回衍射，所以m可为负的。

然而，也并非必须完全满足这一条件。相反，只要向回朝向入射激光束被衍射的局部光束的偏离小到足以使被衍射的局部光束至少部分地重新进入激光器腔体，就可以得到自混合信号强且恒定的优点。就此而言，聚焦元件有利于补偿入射光束方向以及向回指向激光器腔体的被衍射局部光束方向的偏差。具体地说，只要入射激光束和被衍射局部光束的铅笔形光束重叠在一起，一部分局部光束依然能够重新进入激光器腔体。为使被衍射的局部光束改变方向回到激光器腔体中，按使衍射元件的衍射结构垂直于入射平面伸展的方式来定位该衍射元件也是有益的。不过，同样也并非必须要恰好符合这一条件，使所述衍射结构可以稍微与入射平面的垂线倾斜，因为只要这样的光束与入射光束重叠，就将使局部光束改变方向进入激光器腔体中。

本发明可被用于以极高的精度测量距离和物体的运动(不仅速度还有方向)。所述衍射元件可以有平移运动和/或旋转运动。一般而言，本发明基于在干涉测量法或使用昂贵的玻璃制品标准等对多种装置提供一种低成本选择。本发明可以测量无限远距离，比如轴线旋转或者像传送带类的闭合表面的旋转。并不被约束于公知的或者被标准化的机械参照物，并可与衍射特性一起检测任何相当光滑平面的运动。

依靠本申请，可以检测与位移有关的参数，这些参数是与在平面内改变方向的运动相关联的。为此，可以采用二维光栅作为衍射元件，并且采用两个激光器。二维光栅被称为具有如下衍射结构的光栅 — 沿该光栅表面在两个不一致的方向上发生效用。譬如，这种光栅可以是呈相交线形结构的栅网，即分别为两个一维光栅或直线光栅(line grating)的组合。另外，也可以采用点网格(point grid)。为了检测沿着光栅在任意方向上的运动，以如下方式定位激光器 — 使各激光器光路限定的入射平面与该二维光栅围成一定角度。按照对于每个激光器而言使各被衍射的光束都改变方向进入各激光器腔体中的方式设计和定位光栅是更为有利的。

可以设想旋转、直线、2D和3D计量学工具和机械方面的应用，如角度、位移和速度编码器。同样也可将本发明用于高精密度的机械工具，既用于直线运动也可以用于旋转运动。

此外，可以实现高灵敏度的运动检测，并可被应用于振动测量系统，以及接触检测或定位检测转换开关。

衍射元件，特别如光栅不仅只提供一个充分明确均匀的反向散射激光束强度，而且还利用适当的衍射图样调制提供编码信息的可能性。这样，使反向散射激光束与所述图样一致地受到调制，以便可由自混合信号解码所述被编码的信息。

在这一方面非常有用的例子是解码位置数据，特别是绝对位置数据。解码这种信息的一种可能性是改变闪耀光栅的闪耀角。一般而言，所述调制可以包括相位调制、频率调制，和/或幅值调制。例如，可以使用条形码类的表示法。

按照本发明的一个方面，由此而提供一种激光干涉测量的测量装置，用于测量与位移有关的参数，所述装置包括：

具有激光器腔体的激光器，用于产生测量激光束；

布置在激光器光路中的衍射元件，因周期性结构而衍射部分激光，它将入射激光束衍射成为多束局部光束，并且该衍射元件相对于激光器腔体为可移动的；

监视器件，用于监视由在衍射元件处受到衍射的被衍射局部光束所叠加的激光强度；以及

检测电路，用于检测因激光束与被衍射的局部光束干涉而引起的被所述监视器件监视的激光强度的变化。

为检测与位移有关的参数，这种实施例除自混合传感器之外还包含干涉测量传感器，因为使用衍射表面作为测量诸如距离或速度之类的与位移有关的参数的反射器的原理在于，利用自混合检测振荡是独立的，其中衍射图样受到调制以输送附加信息。例如，可以使用外部腔体传感器代替自混合传感器。具体地说，原有激光束或它的一部分与从移动表面反射的光束的叠加被外部叠加到所述外部腔体传感器中的激光器腔体。  

附图说明

从下面参照附图的详细描述可以更好地理解本发明的上述以及其它的目的、方面和优点，其中：

图1以示意的方式表示一种激光自混合测量装置；

图2表示一种衍射元件；

图3表示一种漫反射表面的自混合信号；

图4表示一种衍射光栅的自混合信号；

图5以示意的方式表示另一种激光自混合测量装置的实施例；

图6是一种带有两个激光器的实施例俯视图；

图7表示图2所示衍射元件的改型，其中的数据被编码为光栅闪耀角(blaze angle)的调制；

图8表示图2所示衍射元件的另一种改型，其中的数据被编码为光栅的相位调制。

具体实施方式

图1以举例的方式表示一种激光自混合测量装置1的配置。该激光自混合测量装置1包括：

具有激光器腔体9的激光器3，用以产生测量激光束10；

监视器件，用于监视激光强度或其等价参数；

检测电路17，用于检测被监视器件所监视的激光强度的周期性变化；以及

具有周期性结构的衍射元件，将入射激光衍射成为多束局部光束，并被布置于激光器的光路中。该衍射元件使部分激光沿所示光路改变方向回到所述激光器腔体中，并该衍射元件可相对于该激光器腔体9移动。

激光器3的腔体9被限定在两个布喇格(Bragg)反射器5、7之间。监视光电二极管11被布置在后面的布喇格反射器5的后面。少部分激光通过该布喇格反射器5，从而可受到光电二极管11的监视。激光器3优选为二极管激光器。

如图所示的装置是一种用来测量旋转部件15之旋转速度或旋转角度的配置。为此，在所述旋转部件的侧表面上设置结构薄膜(structural film)形式的衍射元件20。随着旋转部件15的旋转，它的侧表面以及其上之所述结构薄膜相对于激光器腔体9运动。具体地说，如图1所能看到的那样，彼此相对地布置激光器3和旋转部件15，在激光束10的入射点处与入射激光束10的方向倾斜地布置衍射元件20的表面。这样，当旋转部件旋转时，所述衍射元件在具有沿入射激光束方向上的分量的方向上移动。具体地说，依据旋转的检测(sence)，运动部分或是平行于激光束10，或是与之反平行。

此外，在衍射元件20处受到反射或散射后，部分激光沿所述光路改变方向，再次进入激光器腔体9。由于衍射元件20的移动部分与入射激光束平行或者反平行，使激光束10的改变方向部分的相位移动。这种移动关于所产生的激光束引起随时间变化的相移(time-varying phase shift)。由于所述改变方向的激光与所产生的激光在激光器腔体9内发生干涉，所述改变的相移引起激光强度的振荡。

一般地说，每单位时间振荡的数目直接与相移的量相对应，并因此也就与沿入射激光束10方向的速度分量值相对应。通过计数这种振荡的数目，可以得到与旋转部件表面（例如圆周表面）的位移相对应并因此也与旋转的角度相对应的参数。

激光强度受到光电二极管11的监视，并将监视信号送至检测电路17，其中，激光强度的振荡受到检测和分析。

为了进一步提高这种配置的灵敏度，在所述光路中布置透镜12。透镜12将激光束10聚焦在作用面上，也即在所述衍射元件20的结构上。

图2表示如同图1所示布置中可有利地采用的结构薄膜形式的一部分衍射元件20。

按照这一实施例，所述衍射元件20可为带模压光栅（embossed grating）21的塑料薄膜。由于光栅21的节距22小，使入射激光束被劈裂成多束局部光束，与不同的衍射级别相对应。选择各光栅划线的节距22和相对于入射激光束方向25的入射角α，使具有非0级的衍射级的局部光束沿着方向26改变方向回到激光器腔体中。譬如，沿着方向26向回衍射的光束可为负的第1级局部光束。为实现入射光束与改变方向的局部光束同时发生，应满足条件d · sin(α) = m · λ/2，其中d为所述光栅节距22。不过，只要至少有一部分所述改变方向的衍射光束进入激光器腔体，一定的偏离就是可以容许的。

采用图2所示的闪耀光栅是有益的。由于各光栅划线的闪耀反射面之故，可使沿入射光束方向的反射光最大化。因此，还可以增大该测量系统的最大工作距离。

图3表示由移动常规漫反射表面所得到的自混合信号为取样指数（sample index）的函数。由于按规则的时间间隔记录各个取样，所以，横坐标还表示时间轴。这种自混合信号是激光器功率的变量。

有如图3所能见到的，激光信号围绕一个平均值振荡，这个值因此而代表纵坐标上的“0”值。所述周期性振荡起因于所述表面沿与入射激光束平行或反平行方向的移动部分所引起的相移。另外，自混合信号的幅值表示关于一段较长时标的非常随机的变化。这种变化被归因于散斑图样，而且自混合信号在一些特定的点处几乎消失是那样的明显。特别是在这些点处，测量精度的下降是明显的。

为了比较起见，图4表示利用移动衍射元件代替移动漫反射表面所得到的自混合信号图。

正如同从图4所清楚地看到的，衍射结构完全或者至少是几乎完全消除了与散斑图案有关的强度变化。

这种衍射结构产生入射激光回到激光器腔体中的均匀反射，从而可以消除所述散斑效应。即使出现附加的漫反射，只要大部分改变方向的光是源自衍射元件的规则结构处的衍射，各种散斑效应也会一直维持强烈地受到抑制。如同从图4还能够评估的，振荡幅值的变化一般会小于该振荡幅值的1/4。

正如从图4还可以看到的，激光强度的振荡并非都是正弦曲线式的。相反，所述振荡的形状是略有不对称的 。这种不对称性表现出运动的方向。由于自混合信号强的缘故，可实现高的信号品质，这实质上也有助于振荡形状的评价。因此，能够以改进的可靠性确定运动的方向。

图5表示另一种激光自混合测量装置1的实施例。设计这种激光自混合测量装置1，用以对衍射元件20沿方向29的位移确定与位移有关的参数。所述与位移有关的参数可以是位移本身，或者是速度，即每单位时间的位移。在这一实施例中，将激光器3与比如检测电路17类的其它电子部件一起安装在电路板28上。所述电路板28保持分别与衍射元件20和光栅21的表面平行。本实施例的激光器3可以有利地为VCSEL，使VCSEL芯片能够被直接装在电路板28上，并且VCSEL芯片具有垂直发射到电路板28的激光束10。与图1所示实施例相类似地，透镜12作为会聚元件被置于激光器3的前面。透镜12相对于所发射的激光束10 被定位为离轴的，使激光束10附带受到偏离，按一定的斜角投射在光栅上。

光栅21将激光束劈裂成几束被衍射的光束。各衍射光束31中具有非0级的衍射级的一束被改变方向回到激光器腔体中。如图5所示，被发射的激光束10和被改变方向的衍射局部光束至少部分地重叠。

与图1所示实施例相类似地，可由激光器3的内部监视光电二极管检测光的强度。也能使用有如图5所示的外部光电二极管11。将这种光电二极管11定位于所述电路板上是有益的，使得它接收另外的被衍射的局部光束31的光。

图6是一种激光自混合装置1配置的实施例俯视图，用于沿着衍射元件20检测在任意横向方向上的位移。为此设置两个激光器300和301。衍射元件20包括二维网状光栅21。所述激光器300、301的激光束100和101被透镜120、121聚焦，沿两个不同的横向方向入射到光栅21上。因此，由激光器300、301的光学路径限定的激光束100、101的入射平面与所述二维光栅21围成一定角度。具体地说，按使所述各入射平面围成直角方式来定位图6中以举例方式表示的本实施例中的激光器300、301，以便由激光器300、301检测光栅21位移或运动的垂直分量。由于是以二维方式构成所述光栅的，所以对两个激光器都是有效的，使得对于每个激光器300、301而言，入射光束被劈裂成为多束沿各自光路被向后改变方向的局部光束。为此，进一步还按如下方式排列该二维光束，使得对于两个激光器300、301而言，各光栅划线垂直地延伸至各自的入射平面。分别给每个激光器300、301提供监视光电二极管110和111，用以监视激光器300、301的强度振荡。

图7表示图2所示实施例的改型。按照这种改型，将所述光栅21沿着因衍射元件的移动由入射激光束10所扫描的表面的方向交替地分成区域201、202。

如从图7所能够见到的，各个区域202的闪耀角204略小于各区域201中光栅划线的闪耀角201。这还改变衍射返回激光器腔体中的局部光束的强度。因此，激光自混合信号被调幅，并且通过求自混合振荡的幅值而可以容易地恢复数据。改变区域201和/或202的宽度，从而可使数据，如绝对位置数据易于被编码，比如按条形码方案被编码。另一种可能性是给区域201、202的序列分配一个二进制序列。当然，通过改变闪耀角还存在其它编码数据的可能性。

图8表示图2所示衍射元件20的另一种改型。与图7所示的改型类似地，由多个交替的区域201和202表示数据。然而，在图8所示的改型中，以相位调制来区分所述各区域201、202。为此，各区域202中的光栅划线相对于通过周期性地将光栅划线保持在各区域202中所得的位置稍微移动一个小的距离205。

虽然已在各附图中示出并在上面的说明书中描述了本发明的各优选实施例，但应能理解，本发明并不限于所公开的这些实施例，本领域的技术人员可以考虑多种改型而不偏离下述各权利要求所表述的本发明范围。

Claims (15)

1.一种激光自混合测量装置(1)，包括：

带激光器腔体(9)的激光器(3)，用于产生测量激光束(10)；

监视器件，用于监视激光强度或其等价参数；

检测电路(17)，用以检测被所述监视器件监视的激光强度的周期性变化；以及

衍射元件(20)，布置在激光器(3)的光路中，衍射元件(20)将部分激光沿所述光路改变方向回到激光器腔体(9)中；所述衍射元件(20)具有周期性结构，将入射激光衍射成为多束局部光束(30;31)，以及所述衍射元件(20)相对于所述激光器腔体(9)可移动。

2.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，包括聚焦元件(12)，聚焦元件(12)将所述激光束(10)聚焦在所述衍射元件(20)的周期性结构上。

3.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，其中，所述衍射元件(20) 具有包括闪耀光栅的周期性结构。

4.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，其中，所述衍射元件(20) 的表面相对于入射激光束的方向被倾斜地布置。

5.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，包括具有与入射平面垂直伸展的衍射结构的衍射元件(20)。

6.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，包括偏转光学元件，偏转光学元件以使激光束(10)按一定的斜角入射于所述衍射元件(20)表面上的方式偏转所述激光束(10)。

7.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，其中，按使具有非0级的衍射级的局部光束改变方向回到所述激光器腔体中的方式定位所述衍射元件(20)。

8.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，包括结构薄膜作为衍射元件(20)，所述结构薄膜被贴附于可移动的部件上。

9.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，包括激光二极管作为激光器，以及与所述激光器为一体的光电二极管(11)作为监视器件。

10.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，其中，所述衍射元件可在沿着入射激光束方向具有分量的方向上移动。

11.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，包括作为衍射元件(20)的二维光栅和两个激光器(300,301)，由所述激光器(300,301)的光学路径限定的入射平面与该二维光栅围成一定角度。

12.如权利要求1所述的激光自混合测量装置，其中，还包括所述周期性结构的调制，所述调制载有被编码的数据。

13.如上述权利要求所述的激光自混合测量装置，其中，所述被编码的数据是绝对位置数据。

14.一种使用激光自混合测量装置(1)测量与位移有关参数的方法，该方法包括如下步骤：

在激光器(3)的激光器腔体(9)内产生测量激光束（10）；

利用衍射元件(20)使部分激光沿着光路改变方向回到所述激光器腔体(9)中，所述衍射元件具有周期性结构，将入射激光衍射成为多束局部光束，以及所述衍射元件可相对于所述激光器腔体(9)移动；

由监视器件监视激光强度或其等价参数，

利用检测电路(17)检测被所述监视器件监视的激光强度的周期性变化，并由检测得到的激光强度的周期性变化计算所述与位移有关的参数。

15.一种衍射元件(20)的用途，用于将部分激光束(10)改变方向回到激光器(3)的激光器腔体(9)中，借助激光自混合效应，关于激光器(3)测量衍射元件(20)的位移、速度或旋转。

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