ES2865077T3

ES2865077T3 - Dispositivo, sistema y método de medición

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Publication number: ES2865077T3
Application number: ES13717820T
Authority: ES
Inventors: Edward Benjamin Hughes; Matthew Stuart Warden
Original assignee: NPL Management Ltd
Current assignee: NPL Management Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2021-10-14
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: JP6198154B2; EP2831625B1; US9720088B2; CN104412125B; US20150055138A1; EP2831625A1; CN104412125A; WO2013144648A1; JP2015514981A

Abstract

Un sistema de medición, que incluye: una pluralidad de objetivos reflectantes; un dispositivo de medición, el dispositivo de medición incluye: un director de luz y un modulador de luz espacial (130), en donde el director de luz está dispuesto para dirigir la luz de barrido de longitud de onda al modulador de luz espacial (130) y el modulador de luz espacial (130) está dispuesto para recibir luz del director de luz y para modularlo para formar un patrón de intensidad; un elemento óptico (136) dispuesto para recibir la luz que formó el patrón de intensidad y dispuesto para ampliar el patrón de intensidad en un espacio de medición; y un detector en forma de fotodiodo detector (142) dispuesto para detectar la luz reflejada desde el espacio de medición; en donde el director de luz se configura para dirigir la luz devuelta desde el espacio de medición al detector, incluyendo la luz devuelta la luz de una trayectoria de medición distinta para cada objetivo reflectante; en donde el director de luz se configura para dirigir al detector la luz desde una trayectoria de referencia que interfiere con la luz de cada una de las rutas de medición, creando una señal de interferencia; en donde el sistema de medición se configura para para medir la distancia mediante el uso de la transformada de Fourier de los valores adquiridos del detector.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo, sistema y método de medición

La presente invención se refiere a un dispositivo, sistema y método de medición en particular para medir distancias. El documento US 2006/0227317 describe un Lidar con un patrón de interrogación flexible del objetivo.

Existen varios métodos para medir un objeto. Los métodos conocidos incluyen, por ejemplo, rastreo por láser.

Un rastreador láser utiliza una combinación de sensores de ángulo y extensión. Emite un haz láser colimado estrecho hacia un objetivo retroreflectante especial, como un retro reflector de montaje esférico (SMR). El SMR refleja el haz de regreso al instrumento a lo largo de la misma trayectoria que el haz emitido. Un sensor en el rastreador láser detecta el movimiento del SMR y un mecanismo dirige el haz láser para seguir el SMR en todo momento. Los codificadores de ángulo en el mecanismo de dirección del haz miden los ángulos verticales y horizontales desde el rastreador láser hasta el SMR y un sistema de medición de intervalo basado en láser mide la distancia al SMR. Esta combinación de dos ángulos y un intervalo dan las coordenadas tridimensionales del SMR en forma polar esférica.

Una desventaja de esta técnica es que cada rastreador láser solo puede monitorear un solo reflector a la vez, lo que significa que en el caso particular de una construcción grande donde se requieren muchos puntos de referencia, el rastreador debe dirigirse a cada reflector en secuencia, un proceso que puede llevar mucho tiempo y trabajo, y requiere que todos los objetivos estén estacionarios mientras se realiza.

Otra desventaja de la técnica anterior se debe al requisito de que parte del rastreador se mueva para detectar los SMR en diferentes ubicaciones: Las imperfecciones en la mecánica que controla este movimiento crean errores en las coordenadas medidas.

Otra desventaja se debe al uso de medidas basadas en ángulos. La incertidumbre en la posición SMR en una dirección perpendicular a una línea entre el rastreador y el objetivo es proporcional al producto de la distancia entre el rastreador y el objetivo y la incertidumbre en la medición del ángulo al objetivo. La incertidumbre en la medición de ángulos es una combinación de la incertidumbre del sensor de ángulo, la curvatura del haz láser causada por gradientes térmicos en el aire y perturbaciones aleatorias en la dirección del haz láser causadas por turbulencias del aire. Esto crea potencialmente una gran incertidumbre en la posición del SMR cuando el SMR está ubicado a una gran distancia del rastreador. Los sistemas de medición de coordenadas basados en ángulos son inherentemente menos precisos que los sistemas basados en intervalos cuando se despliegan en entornos industriales típicos. La presente invención busca proporcionar un dispositivo, sistema y método de medición mejorada.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un sistema de medición como en la reivindicación 1. La modalidad preferida de la invención usa un modulador de luz espacial para dividir un haz de medición en múltiples componentes, que se dirigen hacia los objetivos. Esto aumenta en gran medida la intensidad de la señal reflejada en comparación con la divergencia de un solo haz sobre un área amplia (que es un uso de la luz muy ineficaz). Por lo tanto, se recibe una intensidad de señal que se puede usar en intervalos de objetivos mucho mayores. Esto es mejor que aumentar la potencia de salida de un solo haz, lo que haría que el sistema no fuera seguro.

Preferentemente, el elemento óptico está dispuesto para ampliar el patrón de intensidad en el espacio de medición de una manera divergente. Muchos dispositivos de la técnica anterior apuntan a haces colimados dirigidos hacia un solo objetivo para evitar el desperdicio de luz. Sin embargo, en modalidades preferidas de la invención, debido a que un modulador de luz espacial es capaz de dividir un haz de medición en múltiples componentes iluminando así múltiples objetivos de manera simultánea, al aumentar el patrón de intensidad de manera divergente no se pierde una cantidad significativa de luz ya que la divergencia de los componentes del haz de medición pueden mantenerse pequeños y dirigirse específicamente hacia objetivos de interés.

Preferentemente, el modulador de luz espacial es programable de manera que el patrón de intensidad es controlable. Esto puede significar que el dispositivo se puede reconfigurar para su uso en diferentes escenarios, por ejemplo, con diferentes objetos a medir. También puede significar que el dispositivo puede operarse para compensar el movimiento dentro del espacio de medición, por ejemplo para hacer que los haces de luz sigan uno o más objetivos reflectantes a medida que se mueven dentro del espacio de medición. Esto puede significar que, a pesar de iluminar solo una pequeña cantidad del espacio de medición, el dispositivo de medición puede iluminar continuamente y tomar medidas de un objetivo u objetivos en movimiento dentro del espacio de medición.

Preferentemente, el dispositivo incluye una unidad de control para controlar el modulador de luz espacial, estando configurada la unidad de control para controlar el modulador de luz espacial para formar el patrón de intensidad, cuando se ilumina con luz del director de luz, para producir al menos un haz de luz, y preferentemente una pluralidad de haces, en el espacio de medición. Como se mencionó anteriormente, cada haz es preferentemente divergente. La unidad de control se puede operar preferentemente para dirigir cada haz a un objetivo reflectante en el espacio de medición, y el director de luz está configurado preferentemente para dirigir luz retrorreflejada desde el espacio de medición al detector. Esto puede permitir, por ejemplo, realizar interferometría de barrido de frecuencia para permitir que el dispositivo determine una distancia desde el dispositivo a uno o más objetivos reflectantes.

En algunas modalidades, el elemento óptico está dispuesto para formar una imagen del patrón de intensidad a una distancia sustancialmente infinita del elemento óptico; y/o

el elemento óptico tiene una abertura numérica superior a 0,2, preferentemente superior a 0,4 y con la máxima preferencia superior a 0,6; y/o

el sistema de medición se configura para medir la distancia mediante el uso de interferometría de barrido de frecuencia.

En algunas modalidades, el sistema de medición incluye además un segundo elemento óptico dispuesto para formar el patrón de intensidad de la luz recibida desde el modulador de luz espacial y/o incluye además una fuente de luz para proporcionar luz de entrada al director de luz; en donde la fuente de luz es preferentemente un láser.

Preferentemente, cada objetivo reflectante es un objetivo retrorreflectante, lo que significa que el objetivo puede estar rodeado por una pluralidad de dispositivos de medición. Rodear un objetivo con una pluralidad de dispositivos de medición significa que se puede obtener una coordenada tridimensional del objetivo, en lugar de simplemente una distancia desde un dispositivo al objetivo.

Preferentemente, se dispone una pluralidad de objetivos reflectantes en uno o más objetos a medir. Esto puede permitir una medición tridimensional precisa de varios puntos de un objeto u objetos a tomar, lo que puede ser de gran ayuda, particularmente en el ensamblaje de productos complejos donde la exactitud y la precisión son esenciales.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un método como en la reivindicación 9.

En algunas modalidades, el modulador de luz espacial es programable de manera que el patrón de intensidad es controlable y/o en donde cada uno de los objetivos reflectantes es un objetivo retrorreflectante.

Las modalidades preferidas de la invención proporcionan un dispositivo, sistema y método de medición para medir la distancia y las coordenadas de múltiples objetivos, de manera simultánea. La modalidad preferida proporciona las siguientes ventajas sobre otros instrumentos:

Medición simultánea de múltiples posiciones de objetivos, lo que resulta en la reducción del tiempo de medición general y aumenta la cobertura (menos problemas de línea de visión).

Mediciones de coordenadas de alta precisión basadas solo en datos de intervalo en lugar de datos de ángulos inherentemente menos precisos.

Autocalibración; el sistema de coordenadas se deriva directamente de los datos en lugar de estar definido físicamente por los mecanismos del instrumento.

Las modalidades de la invención se describen más abajo, a manera de ejemplo, con referencia al dibujo adjunto, en el que la Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema de medición De acuerdo con una modalidad de la invención.

Con referencia a la Figura 1, un sistema de medición incluye una fuente de luz en forma de un láser sintonizable 100 El láser sintonizable 100 es un láser de diodo de cavidad externa de onda continua con un intervalo de sintonización sin salto de modo de 1530 nm a 1560 nm. Sin embargo, se pueden utilizar otros intervalos de frecuencia según sea apropiado.

El sistema también incluye una unidad de control en este ejemplo en forma de una computadora 182. El láser 100 se configura para aceptar una entrada del ordenador 182 que controla las características de sintonización de la longitud de onda.

La luz de salida del láser 100 se acopla en una fibra de mantenimiento de polarización de modo único y se dirige a un divisor de fibra 102.

El divisor de fibra 102 divide la luz que recibe en dos porciones. Una primera porción se dirige a lo largo de una fibra óptica 122 a un dispositivo de medición 120 y una segunda porción se dirige a lo largo de una fibra óptica a una caja de reloj 150.

El dispositivo de medición 120 se configura para dirigir la luz de entrada recibida a través de la fibra 122 a un director de luz. El director de luz incluye un elemento de dirección de luz en forma de un circulador de fibra 124 y un divisor de luz en forma de fibra óptica 126.

El dispositivo de medición 120 se configura para dirigir la luz de entrada recibida a través de la fibra 122 a un primer puerto del circulador de fibra 124. El circulador de fibra 124 está dispuesto para dirigir la luz que ingresa al primer puerto a través de un segundo puerto hacia la fibra 126.

La fibra 126 incluye un extremo de fibra plano pulido dirigido hacia un modulador de luz espacial 130, que se describe más abajo. El extremo plano de la fibra pulida refleja aproximadamente el 4 % de la luz que llega de regreso a la fibra 126. Esta luz reflejada forma la trayectoria de referencia de un interferómetro como se describe más abajo. La luz reflejada vuelve a entrar en el segundo puerto del circulador de fibra 124. El circulador de fibra se configura para dirigir la luz que entra por el segundo puerto a un tercer puerto que está acoplado a un detector en forma de un fotodiodo detector 142.

La luz que sale del segundo puerto del circulador de fibra que no se refleja entonces desde el extremo plano pulido de la fibra óptica 126 sale de la fibra 126 y se desplaza hacia un elemento óptico en forma de primera y segunda lentes 128. Las lentes 128 están configuradas para colimar y expandir la luz a un haz de ancho predeterminado. Este haz se dirige a través del modulador de luz espacial (SLM) 130.

En esta modalidad, el SLM 130 es una micropantalla de cristal líquido de 800 x 600 píxeles. Sin embargo, el SLM puede ser cualquier componente capaz de modular independientemente la fracción de luz transmitida a través de cada píxel y/o el retardo de fase de la luz transmitida a través de cada píxel. El SLM 130 se configura para aceptar una entrada del ordenador 182 que programa el patrón de niveles de transmisión para que se visualice en el SLM. Después de atravesar el SLM 130, la luz pasa a través de un elemento óptico en forma de una tercera lente 132 y alcanza un plano 134. En aras de la claridad, se debe señalar que no hay necesariamente ningún objeto físico colocado en el plano 134; es simplemente un plano de particular interés.

La distancia entre el SLM 130 y la tercera lente 132 es preferentemente igual a la distancia focal de la tercera lente 132. La distancia entre la tercera lente 132 y el plano 134 también es igual a la distancia focal de la lente 132. Como es bien conocido en el campo de la óptica de Fourier, tal arreglo del SLM 130 y la tercera lente 132 dará como resultado que el campo óptico en el plano 134 sea igual a la transformada de Fourier del campo óptico modulado que sale del SLM 130. Esto permite crear un patrón de intensidad arbitrario en el plano 134, controlado por el patrón visualizado en el SLM 130.

El patrón de intensidad en el plano 134 se forma en un plano distante 140 mediante un elemento óptico en forma de una cuarta lente 136. Nótese que la Figura 1 no está dibujada a escala y que el plano distante 140 será típicamente de manera significativa más grande y más alejado de lo que se representa. Preferentemente, el plano distante 140 está a una distancia sustancialmente infinita del plano 134. La cuarta lente 136 tiene preferentemente una alta abertura numérica, preferentemente superior a 0,2, con mayor preferencia superior a 0,4 y con la máxima preferencia superior a 0,6, para ampliar el patrón de intensidad en el plano 134 y proyectarlo sobre un amplio intervalo angular. Pueden usarse usar otros valores de abertura numéricos dependiendo del intervalo angular requerido.

Uno o más objetivos retrorreflectantes 138 están unidos a uno o más objetos a medir (no mostrados) en un espacio de medición más allá de la cuarta lente 136.

El SLM 130 se puede operar, bajo el control del ordenador 182, para modular la luz que pasa a través de él para producir un patrón de intensidad en el plano 134 que comprende un conjunto de puntos brillantes. Cada punto en el patrón de intensidad en el plano 134 creará un haz de luz entre la cuarta lente 136 y la imagen del punto en el plano 140. El ángulo en el que emerge el haz está determinado por la ubicación del punto en el plano 134. El SLM 130 es operable de modo que las ubicaciones de los puntos (y, por lo tanto, los ángulos del haz) se produzcan de manera que cada haz ilumine uno de los objetivos retrorreflectantes 138 y cada objetivo retrorreflectante 138 esté iluminado por un haz. A medida que la cuarta lente 136 amplía el patrón de intensidad en el plano 134 sobre un área grande en el plano 140, los haces que emergen de la cuarta lente 136 serán ligeramente divergentes. Si dos o más de los objetivos reflectantes 138 están dentro de un intervalo angular pequeño visto desde la cuarta lente 136, puede ser que varios de los haces de iluminación se superpongan, ya que los diámetros del haz pueden ser mayores que los diámetros del objetivo.

Los objetivos retrorreflectantes 138 son esferas de vidrio con un índice de refracción aproximadamente igual a 2. Como es bien sabido, dicha esfera actúa como un retrorreflector de ojo de gato (Takatsuji, Goto, Osawa, Yin y Kurosawa, 1999) y, por lo tanto, una porción de la luz que incide sobre cada objetivo se refleja hacia la cuarta lente 136. Los objetivos reflectantes 138 no necesitan ser retrorreflectores, siempre que dirijan la luz a un detector, preferentemente reflejando la luz hacia la cuarta lente 136. Sin embargo, se pueden obtener ventajas si los objetivos retrorreflectantes 138 retrorreflejan la luz incidente desde cualquier dirección, lo que significa que cada objetivo puede retrorreflejar la luz a una pluralidad de dispositivos de medición a la vez.

La luz reflejada que llega a la cuarta lente 136 regresa a través de los elementos del dispositivo de medición 120 en orden inverso al descrito anteriormente hasta que alcanza y entra en la fibra 126.

La luz que retrocede por la fibra 126 hacia el circulador de fibra 124 incluye luz procedente del 4 % de reflexión del extremo de la fibra, que se denomina en la presente descripción la trayectoria de referencia. La luz que se desplaza de regreso a la fibra 126 también incluye luz que ha regresado después de ser reflejada por los objetivos 138 retrorreflectantes. La luz que ha regresado después de ser reflejada por los objetivos retrorreflectantes incluye una pluralidad de trayectorias diferentes. Hay una trayectoria distinta para la luz que regresa de cada retrorreflector. Estas se denominan en la presente descripción trayectorias de medición. La luz de la trayectoria de referencia interfiere con la luz de cada una de las trayectorias de medición, creando una señal de interferencia. Nótese que la luz de cualquiera de las dos trayectorias de medición también interfiere, pero las trayectorias de medición usualmente tienen una intensidad mucho más baja que la trayectoria de referencia y, por lo tanto, estas señales de interferencia tienen una amplitud despreciable.

La luz que retrocede por la fibra 126 entra en el segundo puerto del circulador de fibra 124. Como se describió anteriormente, la luz que ingresa al segundo puerto del circulador de fibra 124 se enruta a través del tercer puerto al fotodiodo detector 142, que convierte la intensidad óptica recibida, incluidas todas las señales de interferencia que contiene, en una señal de tensión que es registrada por un convertidor analógico-digital (ADC) 180 que está acoplado al fotodiodo detector 142 y al ordenador 182.

La caja de reloj 150 recibe como luz de entrada la segunda porción de luz del divisor de fibra 102. La caja de reloj 150 dirige su luz de entrada a través de un interferómetro Mach-Zehnder de fibra no balanceada que comprende un divisor de fibra 152, cuyas salidas están acopladas por longitudes desiguales de fibra 154 y 156 a las entradas de un divisor de fibra adicional 158. Las salidas de este interferómetro son las salidas del divisor de fibra adicional 158 que está conectado a los fotodiodos 160 y 162. La diferencia de las fotocorrientes de los fotodiodos 160 y 162 se amplifica mediante un amplificador diferencial 164 y se proporciona al ADC 180 como una señal de activación para la adquisición de muestras.

Como se explicó anteriormente, el ordenador 182 controla el proceso de medición, incluida la recepción de señales digitalizadas del ADC 180, el control de la sintonización del láser 100 y el control del patrón proyectado sobre el SLM 130.

El ordenador 182 también se puede operar para controlar el modulador de luz espacial para compensar el movimiento de cualquiera de los objetivos retrorreflectantes 138. Hay varias formas en las que esto se puede hacer. En algunas modalidades, se puede proporcionar un sistema en el que se proporciona una pluralidad de dispositivos de medición 120 alrededor de un espacio de medición. Como se describe más abajo, esto puede usarse para calcular una posición tridimensional de cada objetivo. A medida que el ordenador 182 determina desde la posición tridimensional que un objetivo se está moviendo fuera del haz de un dispositivo de medición 120, puede ajustar el patrón proyectado sobre el SLM 130 del respectivo dispositivo 120 de modo que los haces que emergen de la cuarta lente 136 continúan iluminando cada uno de los objetivos retrorreflectantes 138.

Una medición mediante el uso del sistema que se representa en la Figura 1 se realiza como sigue.

En primer lugar, se localizan los objetivos 138. Esto puede realizarse de varias maneras. Por ejemplo, puede usarse un sistema de cámara para obtener una ubicación aproximada, o se puede operar el dispositivo de medición para escanear el espacio de medición y los puntos en los que el detector detecta la reflexión del espacio de medición se pueden registrar como ubicaciones del objetivo.

El algoritmo de Gerchberg-Saxton (Gerchberg & Saxton, 1971) se usa para diseñar un patrón para visualizar en el SLM 130 que creará puntos de intensidad brillante en el plano 134 en las ubicaciones correctas para crear haces que iluminen cada uno de los objetivos retrorreflectantes 138 . El algoritmo se puede implementar en el ordenador 182. El ordenador 182 envía el patrón resultante al SLM 130 y opera el SLM para visualizar el patrón.

A continuación, el ordenador 182 envía órdenes al láser sintonizable 100 para inicializar un barrido de longitud de onda aproximadamente lineal del láser de 1530 nm a 1560 nm, y de manera simultánea ordena al ADC 180 que comience a registrar datos.

Una porción de la salida de luz del láser sintonizable 100 entra en la caja de reloj 150 y pasa a través del interferómetro Mach-Zehnder de fibra desequilibrada que comprende el divisor de fibra 152, longitudes desiguales de fibra 154 y 156, y el divisor de fibra adicional 158. Las dos salidas de este interferómetro son señales sinusoidales que varían con la frecuencia óptica del láser, pasando por un ciclo cada vez que la frecuencia del láser aumenta en una cantidad predeterminada. Las dos salidas del interferómetro están 180 grados fuera de fase, y por lo tanto amplificar la diferencia de los fotocurrentes de los fotodiodos 160 y 162 utilizando el amplificador diferencial 164 retiene la señal sinusoidal del interferómetro, pero rechaza el ruido del modo común ral como las variaciones de intensidad láser. Por lo tanto, los cruces por cero de la señal de tensión de salida del amplificador diferencial 164 ocurren a intervalos regularmente espaciados en la frecuencia óptica del láser.

El ADC 180 adquiere una muestra del fotodiodo detector 142 siempre que la salida del amplificador diferencial 164 cruza cero voltios en una dirección positiva. De esta manera, el ^aD^cmuestrea la salida de la señal de tensión del fotodiodo detector 142 en momentos controlados por la salida de la caja de reloj 150.

El ADC 180 registra las tensiones del fotodiodo detector 142 de la manera descrita anteriormente durante la duración del barrido de la longitud de onda del láser y proporciona estos datos al ordenador 182 para su análisis. El ordenador 182 calcula la transformada de Fourier de los valores de tensión adquiridos del fotodiodo detector 142. Se analiza la amplitud de la transformada de Fourier para encontrar picos. Cada pico corresponde a uno de los objetivos retrorreflectantes 138, y la frecuencia del pico es proporcional a la distancia al objetivo respectivo 138. Cuando el sensor en el detector detecta el movimiento de los objetivos retrorreflectantes 138 e informa esto al ordenador 182, el ordenador vuelve a aplicar el algoritmo de Gerchberg-Saxton para ajustar el patrón para su visualización en el SLM 130, y envía el patrón resultante al SLM 130 para que tal los haces que emergen de la cuarta lente 136 continúen iluminándose y el sistema pueda continuar midiendo cada uno de los objetivos retrorreflectantes 138.

Se pueden hacer modificaciones a las modalidades anteriores. El láser sintonizable puede incluir un amplificador óptico, por ejemplo, un amplificador de fibra dopada con erbio, para aumentar la potencia de salida, lo cual es beneficioso cuando se miden objetivos a grandes distancias.

La tercera lente 132 puede estar ubicada entre las lentes 128 y el SLM 130. Los expertos en la técnica se darán cuenta de que, cuando las lentes 128 y la lente 132 están ubicadas una al lado de la otra de esta manera, la función de las tres lentes (que proporcionan un tamaño prescrito y un ángulo de convergencia del haz incidente sobre el SLM) se puede lograr mediante el uso de un número diferente de lentes, por ejemplo, dos lentes.

La modalidad descrita anteriormente realiza mediciones de distancia mediante el uso un láser de barrido de frecuencia única. En su lugar, las mediciones se pueden realizar mediante el uso de un arreglo de dos láser tal como las descritas en (Schneider, Thurmel y Stockmann, 2001). Esto ofrece una mayor resistencia a los errores de medición causados por el movimiento del objetivo durante el barrido de frecuencia del láser.

El director de luz no necesita incluir un elemento de dirección de fibra y un divisor de luz. El director de luz puede ser cualquier elemento óptico que pueda dirigir la luz al modulador de luz espacial. Sin embargo, el director de luz también dirige preferentemente luz retrorreflejada al detector.

El divisor de luz no necesita ser una fibra óptica, pero puede ser cualquier elemento óptico configurado para dirigir una primera porción de luz de entrada al modulador de luz espacial y para dirigir una segunda porción de luz de entrada al detector.

Al extremo de la fibra 126 se le puede dar un recubrimiento parcialmente reflectante, por ejemplo, un 33 % de recubrimiento reflectante. Esto puede aumentar la amplitud de las señales de interferencia observadas en el fotodiodo 142.

Aunque muchos de los elementos ópticos se describen anteriormente como lentes, puede usarse otros elementos ópticos siempre que proporcionen el nivel apropiado de aumento y/o formación de imágenes. Por ejemplo, los espejos curvos se pueden sustituir por lentes. Además, puede usarse una combinación de varias lentes en lugar de cualquier lente única.

La modalidad descrita anteriormente usa un SLM transmisivo. Como es bien sabido, puede usarse un SLM reflectante para lograr el mismo efecto. Hay varios arreglos ópticos bien conocidos en los que puede usarse dicho componente. En un arreglo, la luz se dirige al SLM reflectante en un ángulo pequeño. En otro arreglo, la luz se dirige sobre el SLM reflectante a través de un cubo divisor de haz polarizador, con un elemento birrefringente, tal como una media placa de onda, entre el SLM y el cubo divisor de haz.

Pueden usarse algoritmos distintos del algoritmo de Gerchberg-Saxton para diseñar un patrón que se visualizará en el SLM.

En una modalidad adicional de un sistema de acuerdo con la presente invención, los objetivos retrorreflectantes 138 están rodeados por una pluralidad de dispositivos de medición 120, estando configurado cada dispositivo de medición 120 como se describió anteriormente.

Cada dispositivo de medición puede estar provisto de su propia fuente de luz 100, o la luz de una única fuente de luz puede dividirse entre una pluralidad de dispositivos de medición 120.

Cada dispositivo de medición 120 puede estar provisto de su propia caja de reloj 150 y ADC 180, o puede usarse una única caja de reloj 150 y ADC con múltiples canales de entrada para una pluralidad de dispositivos de medición 120. Sin embargo, los datos adquiridos por el ADC 180 para todos los dispositivos de medición 120 se proporcionan al ordenador 182.

En esta modalidad, el ordenador 182 adquiere detalles de la distancia de cada uno de los objetivos retrorreflectantes 138 de cada uno de los dispositivos de medición. Si se conoce el arreglo relativo de los dispositivos de medición 120, el ordenador puede usar estos datos para producir una coordenada tridimensional para cada uno de los objetivos retrorreflectantes 138. Esto puede ser particularmente ventajoso para rastrear la posición en el espacio tridimensional de componentes grandes que necesitan ensamblarse juntos, por ejemplo, componentes del fuselaje de una aeronave.

Una forma en la que se puede obtener el arreglo relativo de los dispositivos de medición 120 y los objetivos retrorreflectantes 138 es realizar un proceso de ajuste por mínimos cuadrados que ajusta las estimaciones de los parámetros desconocidos (el dispositivo de medición y las posiciones del objetivo retrorreflectante) para encontrar una estimación que sea consistente con las distancias medidas. Esto es análogo al conocido proceso de "ajuste de conjunto" en fotogrametría. El proceso requiere que haya más distancias medidas que parámetros desconocidos, de los cuales habrá tres (correspondientes a: x, y, z posiciones en un sistema de coordenadas cartesianas) para cada dispositivo de medición 120 y objetivo retrorreflectante 138. Por ejemplo, esto se puede lograr con 4 dispositivos de medición, cada uno de los cuales observa los mismos 6 o más objetivos retrorreflectantes.

Los objetivos 138 pueden proporcionarse en los propios dispositivos de medición. Esto proporciona más información sobre el proceso de ajuste de mínimos cuadrados mencionado anteriormente, lo que puede aumentar la precisión de las coordenadas medidas.

Los objetivos 138 pueden proporcionarse fijos a ubicaciones estables, tal como una pared o un suelo. Estos pueden usarse para definir un marco de referencia fijo con el que comparar la posición o los movimientos del objeto.

Las aplicaciones de las modalidades de la invención incluyen metrología coordinada general, similar a las aplicaciones de los rastreadores láser y fotogrametría, MMC de mapeo de errores, máquinas herramienta y etapas de movimiento, y monitoreo de deformaciones estructurales. Estas aplicaciones pueden ser particularmente útiles, por ejemplo, en la industria aeronáutica para monitorear plantillas, deformaciones o al ensamblar el ala o el fuselaje. También pueden ser útiles en la tecnología espacial, por ejemplo, para monitorear las deformaciones de los componentes del satélite, por ejemplo, cuando se realizan pruebas de vacío térmico. Pueden usarse en la industria automotriz o en energías renovables, por ejemplo, para medir deformaciones de palas de turbinas eólicas, o en investigación científica, por ejemplo, para alineación de componentes críticos en aceleradores de partículas y grandes telescopios y otros instrumentos donde la exactitud y precisión son esenciales. Otra área de aplicación potencial es el ensamblaje de paneles de TV de pantalla plana que requieren una alineación precisa de las piezas cuando se ensamblan al vacío.

Todas las características y modificaciones opcionales y preferidas de las modalidades descritas y las reivindicaciones dependientes se pueden usar en todos los aspectos de la invención explicada en la presente descripción. Además, las características individuales de las reivindicaciones dependientes, así como también todas las características y modificaciones opcionales y preferidas de las modalidades descritas son combinables e intercambiables entre sí.

Referencias

Gerchberg, R. y Saxton, W. (1971). Phase determination for image and diffraction plane pictures in the electron microscope. Optik. Obtenido de http://scholar.google.co.uk/scholar?hl=en&q=gerchberg+saxton&btnG=&as_sdt=1 %2C5&as_sdtp=#7 Takatsuji, T., Goto, M., Osawa, S., Yin, R. y Kurosawa, T. (1999). Whole-viewing-angle cat's-eye retroreflector as a target of laser trackers. Measurement Science and Technology, 10(7), N87-N90. doi: 10.1088/0957-0233/10/7/403

Schneider, R., Thürmel, P. y Stockmann, M. (2001). Distance measurement of moving objects by frequency modulated laser radar. Optical Engineering, 40(1), 33. doi:10.1117/1.1332772

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de medición, que incluye:

una pluralidad de objetivos reflectantes;

un dispositivo de medición, el dispositivo de medición incluye:

un director de luz y un modulador de luz espacial (130), en donde el director de luz está dispuesto para dirigir la luz de barrido de longitud de onda al modulador de luz espacial (130) y el modulador de luz espacial (130) está dispuesto para recibir luz del director de luz y para modularlo para formar un patrón de intensidad;

un elemento óptico (136) dispuesto para recibir la luz que formó el patrón de intensidad y dispuesto para ampliar el patrón de intensidad en un espacio de medición; y

un detector en forma de fotodiodo detector (142) dispuesto para detectar la luz reflejada desde el espacio de medición;

en donde el director de luz se configura para dirigir la luz devuelta desde el espacio de medición al detector, incluyendo la luz devuelta la luz de una trayectoria de medición distinta para cada objetivo reflectante;

en donde el director de luz se configura para dirigir al detector la luz desde una trayectoria de referencia que interfiere con la luz de cada una de las rutas de medición, creando una señal de interferencia;

en donde el sistema de medición se configura para para medir la distancia mediante el uso de la transformada de Fourier de los valores adquiridos del detector.

2. Un sistema de medición de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el elemento óptico (136) está dispuesto para ampliar el patrón de intensidad en el espacio de medición de una manera divergente.

3. Un sistema de medición de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que incluye además un segundo elemento óptico dispuesto para formar el patrón de intensidad de la luz recibida desde el modulador de luz espacial.

4. Un sistema de medición de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que incluye además una unidad de control para controlar el modulador de luz espacial (130), estando configurada la unidad de control para controlar el modulador de luz espacial (130) para formar el patrón de intensidad, cuando se ilumina con luz del director de luz, para producir al menos un haz de luz en el espacio de medición; en donde la unidad de control está configurada preferentemente para controlar el modulador de luz espacial (130) para formar el patrón de intensidad, cuando se ilumina con luz del director de luz, para producir una pluralidad de haces de luz en el espacio de medición.

5. Un sistema de medición de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la unidad de control se puede operar para dirigir cada haz hacia un objetivo reflectante (138) en el espacio de medición.

6. Un sistema de medición de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la unidad de control se puede operar preferentemente para controlar el modulador de luz espacial (130) para compensar el movimiento de uno o más objetivos reflectantes dentro del espacio de medición.

7. Un sistema de medición de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el director de luz incluye un divisor de luz dispuesto para dirigir una primera porción de luz de entrada al modulador de luz espacial, y una segunda porción de luz de entrada al detector (142) como luz de referencia para realizar interferometría con luz reflejada desde el espacio de medición; en donde preferentemente:

el director de luz incluye una fibra óptica, el divisor de luz se proporciona por un extremo de la fibra óptica, y el director de luz incluye además un elemento de dirección de luz configurado para dirigir la luz reflejada desde el extremo de la fibra óptica o desde el espacio de medición al detector.

8. Un sistema de medición de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde:

el sistema incluye una pluralidad de dichos dispositivos de medición dispuestos preferentemente alrededor de un objeto a medir.

9. Un método de medición de objetivos, que incluye:

disponer una pluralidad de objetivos reflectantes (138) en un espacio de medición;

dirigir la luz de barrido de longitud de onda a un modulador de luz espacial (130);

operar el modulador de luz espacial para modular la luz para producir una pluralidad de haces de luz en el espacio de medición, habiendo al menos un haz dirigido a cada uno de los objetivos reflectantes (138); dirigir a un detector la luz devuelta desde el espacio de medición, la luz devuelta que incluye luz de una trayectoria de medición distinta para cada objetivo reflectante, en donde el detector tiene forma de un fotodiodo detector (142);

dirigir al detector la luz desde una trayectoria de referencia que interfiere con la luz de cada una de las trayectorias de medición, creando una señal de interferencia; y

detectar en el detector la luz reflejada de cada uno de los objetivos reflectantes (138) y determinar de esta manera una medición de distancia asociada con cada objetivo reflectante mediante el uso de la transformada de Fourier de los valores adquiridos del detector.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, que incluye mover los objetivos reflectantes (138) dentro del espacio de medición y operar el modulador de luz espacial (130) para ajustar un patrón de intensidad para continuar iluminando cada uno de los objetivos reflectantes (138) con al menos uno de dichos haces; en donde en respuesta al movimiento de los objetivos reflectantes, una unidad de control opera preferentemente el modulador de luz espacial (130) para compensar el movimiento para continuar iluminando cada uno de los objetivos reflectantes (138) con al menos uno de dichos haces.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, en donde operar el modulador de luz espacial (130) para modular la luz para producir una pluralidad de haces en el espacio de medición incluye operar el modulador de luz espacial (130) para producir un patrón de intensidad y aumentar el patrón de intensidad en el espacio de medición para producir la pluralidad de haces en el espacio de medición; en donde aumentar el patrón de intensidad incluye preferentemente aumentar el patrón de intensidad de una manera divergente de modo que cada uno de los haces sea un haz divergente en el espacio de medición.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el patrón de intensidad se forma a una distancia sustancialmente infinita del modulador de luz espacial (130).

13. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en donde cada uno de los objetivos reflectantes es un objetivo retrorreflectante.

14. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en donde detectar en un detector la luz reflejada de cada uno de los objetivos reflectantes (138) y de esta manera determinar una medición asociada con cada objetivo reflectante (138) incluye dirigir la luz de referencia al detector y realizar interferometría con la luz de referencia y la luz reflejada desde el espacio de medición para determinar una medición de la distancia asociada con cada elemento reflectante; en donde dirigir la luz a un modulador de luz espacial incluye preferentemente dirigir una primera porción de la luz de entrada al modulador de luz espacial y dirigir una segunda porción de la luz de entrada al detector para proporcionar la luz de referencia.

15. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, que incluye colocar una pluralidad de dichos moduladores de luz espaciales en el espacio de medición, dirigir la luz a cada uno de los moduladores de luz espaciales y operar cada uno de los moduladores de luz espaciales para modular la luz para producir una pluralidad de haces en el espacio de medición, habiendo al menos un haz asociado con cada modulador de luz espacial dirigido a cada uno de los objetivos reflectantes;

en donde detectar en un detector incluye detectar en un detector la luz reflejada de cada uno de los objetivos reflectantes y, de esta manera determinar una coordenada multidimensional de cada uno de los objetivos reflectantes.