TWI595252B - 測距裝置及其測距方法 - Google Patents

測距裝置及其測距方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI595252B
TWI595252B TW105114460A TW105114460A TWI595252B TW I595252 B TWI595252 B TW I595252B TW 105114460 A TW105114460 A TW 105114460A TW 105114460 A TW105114460 A TW 105114460A TW I595252 B TWI595252 B TW I595252B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
light
distance measuring
beam splitter
measuring device
tracking
Prior art date
Application number
TW105114460A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201740132A (zh
Inventor
劉子安
李浩瑋
劉惠中
潘善鵬
許博爾
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW105114460A priority Critical patent/TWI595252B/zh
Priority to CN201610430722.XA priority patent/CN107356928B/zh
Priority to US15/360,423 priority patent/US10101451B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI595252B publication Critical patent/TWI595252B/zh
Publication of TW201740132A publication Critical patent/TW201740132A/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/66—Tracking systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S3/782—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/785—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system
    • G01S3/786—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system the desired condition being maintained automatically
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4913—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/499—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00 using polarisation effects

Description

測距裝置及其測距方法
本發明是有關於一種測距裝置及其測距方法。
一般非接觸式的光學測距裝置有其侷限，如有些只能量測目標物移動間的相對距離，而有的雖然可以量測目標物與裝置之間的絕對距離，但可能量測的準確度不高。因此，如何正確量測目標物與測距裝置之間的絕對距離是本技術領域業者努力的目標之一。
因此，本發明提出一種測距裝置及其測距方法，可準確量測與目標物之間的距離。
根據本發明之一實施例，提出一種測距裝置。測距裝置用以追蹤一目標物並量測與該目標物之間的一距離。測距裝置包括一絕對測距模組、一追蹤模組、一二向分光鏡、一控制與信號處理模組及一兩軸旋轉機構。絕對測距模組用以發出一測距光，以測量目標物與測距裝置之間的絕對距離。追蹤模組用以發出一追蹤光，以追蹤目標物與測距裝置之間的絕對距離。測距光 與追蹤光皆經由二向分光鏡入射至目標物。兩軸旋轉機構受控於控制與信號處理模組，以驅動絕對測距模組、追蹤模組及二向分光鏡，進而追蹤目標物。
根據本發明之另一實施例，提出一種測距裝置。測距裝置用以量測與一物體之間的一距離。測距裝置包括一第一光發射器、一參考點、一二向分光鏡、一偏振分光鏡及一控制與信號處理模組。第一光發射器用以發射一第一測距光及一取樣光。偏振分光鏡用以將第一測距光分成一第一分光及一第二分光。第一分光經由一第一光路後與第二分光耦合成一第二測距光，第一光路依序行經二向分光鏡、物體、二向分光鏡、偏振分光鏡、該考點及該偏振分光鏡，控制與信號處理模組依據第二測距光與取樣光計算出距離。
根據本發明之一實施例，提出一種目標物自動追蹤與絕對距離量測方法。測距裝置用以量測與一物體之間的一距離。測距方法包括以下步驟。提供一測距裝置。測距裝置包括一第一光發射器、一參考點、一二向分光鏡、一偏振分光鏡及一控制與信號處理模組；第一光發射器發射一第一測距光及一取樣光，其中第一測距光穿透偏振分光鏡後被分成一第一分光及一第二分光，第一分光經由一第一光路後與第二分光耦合成一第二測距光，第一光路依序行經二向分光鏡、物體、二向分光鏡、偏振分光鏡、參考點及偏振分光鏡；以及，控制與信號處理模組依據第二測距光與取樣光計算出距離。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
10‧‧‧目標物
20‧‧‧絕對測距模組
30‧‧‧追蹤模組
41‧‧‧底座
42‧‧‧轉動件
43‧‧‧量測頭
44‧‧‧第一驅動器
45‧‧‧第二驅動器
46‧‧‧承座
100‧‧‧測距裝置
110‧‧‧第一光發射器
115‧‧‧第一光纖
1151‧‧‧第一光耦合器
120‧‧‧偏振分光鏡
125‧‧‧第一偏振片
130‧‧‧第一波片
135‧‧‧二向分光鏡
137‧‧‧擴束鏡
140‧‧‧第二波片
145‧‧‧第一聚焦透鏡
150‧‧‧參考點
151‧‧‧桿件
155‧‧‧第二偏振片
160‧‧‧第二光纖
161‧‧‧第二光耦合器
162‧‧‧第四光耦合器
165‧‧‧第三光纖
1651‧‧‧第三光耦合器
170‧‧‧第二聚焦透鏡
172‧‧‧倍頻晶體
174‧‧‧第三聚焦透鏡
176‧‧‧光偵測器
178‧‧‧控制與信號處理模組
180‧‧‧顯示器
182‧‧‧第二光發射器
186‧‧‧追蹤光分光鏡
188‧‧‧四象限感測器
a、b、c、d‧‧‧點
c‧‧‧光速
C1‧‧‧中心
fr‧‧‧重複率
L1‧‧‧第一測距光
L11、L11’、L11”、(L11)a、(L11)b、(L11)c、(L11)d‧‧‧第一分光
L12‧‧‧第二分光
L2、(L2)a、(L2)b、(L2)c、(L2)d‧‧‧取樣光
L3‧‧‧第二測距光
L4‧‧‧追蹤光
L5‧‧‧耦合訊號
n‧‧‧空氣折射率
OP1‧‧‧第一光路
OP2‧‧‧第二光路
OP3‧‧‧第三光路
P1‧‧‧追蹤點
T1、T2、 T 1'‧‧‧週期
△ t ‧‧‧相位差
第1圖繪示依照本發明一實施例之測距裝置的示意圖。
第2圖繪示第1圖之經過倍頻晶體後的第二測距光及取樣光的訊號圖。
第3圖繪示第2圖之第二測距光與取樣光的耦合訊號圖。
第4圖繪示第1圖之四象限感測器的追蹤點的示意圖。
第5圖依照本發明一實施例之測距裝置的機構圖。
第1圖繪示依照本發明一實施例之測距裝置100的示意圖。測距裝置100用以量測其與一目標物10之間的距離，其中目標物10不限於靜止目標物，即使目標物10任意移動，測距裝置100仍可追蹤目標物10並量測目標物10與其之間的絕對距離。一實施例中，目標物10的表面可設有一反射鏡，或目標物10本身具有一可反射光線的反射面。
測距裝置100包括第一光發射器110、第一光纖115、偏振分光鏡(Polarized Beam Splitter)120、第一偏振片(Polarizer)125、第一波片(wave plate)130、二向分光鏡(Dichroic Beam Splitter)135、擴束鏡(beam expander)137、第二波片140、第一聚焦透鏡145、參考點150、第二偏振片155、第二光纖160、 第三光纖165、第二聚焦透鏡170、倍頻晶體172、第三聚焦透鏡174、光偵測器176、控制與信號處理模組178、顯示器180、第二光發射器182、追蹤光分光鏡186及四象限感測器(Quadrant Photodetector)188。
此外，在此實施例中，第一光發射器110、第一光纖115、偏振分光鏡120、第一偏振片125、第一波片130、第二波片140、第一聚焦透鏡145、參考點150、第二偏振片155、第二光纖160、第三光纖165、第二聚焦透鏡170、倍頻晶體172、第三聚焦透鏡174及光偵測器176可組成一絕對測距模組20。另一實施例中，絕對測距模組20可更包含其它部件，或省略一個或一些上述部件。
此外，第二光發射器182、追蹤光分光鏡186及四象限感測器188可組成一追蹤模組30。另一實施例中，追蹤模組30可更包含其它部件，或省略一或一些上述部件。
第一光發射器110可發射第一測距光L1及取樣光L2。第一測距光L1為不可見光，例如是波長為1550奈米的雷射光。第一測距光L1可經由第一光纖115傳輸。第一光纖115具有第一光耦合器1151，第一測距光L1從第一光耦合器1151出光後入射至偏振分光鏡120。另一實施例中，第一光發射器110可具有偏振控制器(Polarization controller)，用以控制第一測距光L1的偏振方向，使其與第一偏振片125的偏振角度大致上相同。如此一來，可減少第一測距光L1穿透第一偏振片125的光損。
第一測距光L1可穿透第一偏振片125，以轉換成一具有特定偏振角度的光線。偏振分光鏡120可將第一測距光L1分成第一分光L11及第二分光L12。一實施例中，第一偏振片125例如是45度偏振片，使經由偏振分光鏡120的第一分光L11及第二分光L12分別在90度及0度方向有大致上相等的強度。本文的角度係以水平方向(如平行桌面)為參考方向。另一實施例中，偏振分光鏡120可以是其它角度的偏振片；或者，可視光路設計及/或光學需求的改變而省略偏振分光鏡120。
本實施例的第一分光L11的偏振角度例如是90度，而第二分光L12的偏振角度例如是0度。第一分光L11經由第一光路OP1後與第二分光L12耦合成一第二測距光L3。控制與信號處理模組178可依據第二測距光L3與取樣光L2計算出目標物10與測距裝置100之間的距離(容後說明)。
如第1圖所示，第一光路OP1依序行經第一波片130、二向分光鏡135、擴束鏡137、目標物10、擴束鏡137、二向分光鏡135、第一波片130、偏振分光鏡120、第二波片140、第一聚焦透鏡145、參考點150、第一聚焦透鏡145、第二波片140、偏振分光鏡120及第二偏振片155。
詳細來說，第一波片130位於偏振分光鏡120與一向分光鏡135之間。由於第一分光L11是線性偏振光，因此在穿透第一波片130後轉換成圓偏振光。由於第一波片130的設計，可降低光損。第一波片130例如是四分之一波片。另一實施例中， 可視光路設計及/或光學需求的改變而省略第一波片130。
本揭露實施例之二向分光鏡135的特性是：可讓具有一波長的光線通過，而讓具有另一相異波長的光線反射。例如，第一分光L11可穿透二向分光鏡135而入射至目標物10，而追蹤光L4(容後描述)可自二向分光鏡135反射至目標物10。
擴束鏡137位於目標物10與二向分光鏡135之間。擴束鏡137可將第一分光L11的光束直徑擴大，以減少第一分光L11長距離傳遞後的能量損耗並可減少光束的發散角度。
第一分光L11自目標物10反射後(以下稱為第一分光L11’)，經由擴束鏡137、二向分光鏡135、第一波片130、偏振分光鏡120、第二波片140及第一聚焦透鏡145入射至參考點150，其中，第二波片140位於偏振分光鏡120與參考點150之間，第一聚焦透鏡145位於偏振分光鏡120與參考點150之間，而第二偏振片155位於偏振分光鏡120與第二光纖160的第二光耦合器161之間。另一實施例中，可視光路設計及/或光學需求的改變而省略第二波片140、擴束鏡137、第一聚焦透鏡145及/或第二偏振片155。
第一分光L11’穿透第一波片130後，轉換成與第一分光L11垂直角度的線性偏振光，如0度偏振光。第二波片140例如是四分之一波片，使第一分光L11’穿透第二波片140後，轉變成圓偏振光。由於第二波片140的設計，可降低光損。第一聚焦透鏡145可聚焦第一分光L11’，使第一分光L11’的強度集中地 入射至參考點150，這樣可以減少自參考點150反射光線的光損。參考點150例如是一圓反射球，其可由任何反光材料形成，如金屬，舉例來說可以是不銹鋼，但不限於此。
第一分光L11’自參考點150反射後(以下稱為第一分光L11”)，經由第一聚焦透鏡145及第二波片140入射至偏振分光鏡120，然後自偏振分光鏡120反射經由第二偏振片155至第二光纖160。
第二偏振片155例如是45度偏振片，使穿透第二偏振片155的第一分光L11”轉換成45度偏振光；相似地，穿透第二偏振片155的第二分光L12也轉換成45度偏振光。
第一測距光L1的第二分光L12與經由第一光路OP1傳輸的第一分光L11”耦合成第二測距光L3。第二測距光L3入射至第二光纖160的第二光耦合器161，然後經由第二光纖160傳輸至與取樣光L2耦合。
第二光纖160更具有第四光耦合器162。第二測距光L3從第四光耦合器162射出後，經由第三光路OP3至光偵測器176。此外，第三光纖165具有第三光耦合器1651。取樣光L2經由第三光纖165傳輸並從第三光耦合器1651射出後，同樣經由第三光路OP3至光偵測器176。第三光路OP3依序行經第二聚焦透鏡170、倍頻晶體172及第三聚焦透鏡174。
第二聚焦透鏡170可將第二測距光L3與取樣光L2聚焦至倍頻晶體172(periodically poled lithium niobatc,PPLN)。經 由倍頻晶體172後的第二測距光L3與取樣光L2穿透第三聚焦透鏡174，使第二測距光L3與取樣光L2集中地入射至光偵測器176。然後，控制與信號處理模組178透過光偵測器176，依據第二測距光L3與取樣光L2計算測距裝置100與目標物10之間的距離。顯示器180可顯示距離值或上述光訊號的波形圖。以下以第2圖說明計算距離的過程。
第2圖繪示第1圖為經過倍頻晶體172後的第二測距光L3及取樣光L2的訊號圖。由於第一分光L11”所經過的第一光路OP1的路徑長度較第二分光L12的光路長，因此第一分光L11”的週期與第二分光L12的週期T1相差一相位差△ t 。此外，第二分光L12的重複率(週期T1的倒數)與取樣光L2的重複率相異，因此取樣光L2的週期T2與第二分光L12的週期T1也相異，使第二分光L12的數個訊號中，各訊號與對應的取樣光L2的訊號之間的週期差為( T 2- T 1)的n倍，其中n為0或任意正整數，n的值可視取樣數而定。透過第二分光L12的重複率與取樣光L2的重複率的相異設計，可在對第二分光L12取樣完成後，產生周期放大的效果。
第3圖繪示第2圖之第二測距光L3與取樣光L2的耦合訊號圖。在第二分光L12與取樣光L2耦合(或說對第二分光L12取樣)後可獲得第3圖之耦合訊號L5。
以耦合訊號L5的點a來說，點a是第2圖之第二分光(L12)a與取樣光(L2)a耦合後的訊號點。由於第二分光(L12)a與 取樣光(L2)a之間無週期差(n=0)，因此耦合訊號強度最強。以點b來說，點b表示第2圖之第二分光(L12)b與取樣光(L2)b耦合後的訊號點，由於第二分光(L12)b與取樣光(L2)b之間相差一個週期差( T 2- T 1)，因此點b的耦合訊號強度比點a弱。以點c來說，點c表示第2圖之第二分光(L12)c與取樣光(L2)c耦合後的訊號點，由於第二分光(L12)c與取樣光(L2)c之間相差週期差2×( T 2- T 1)，因此點c的耦合訊號強度比點b弱...以此類推，而獲得的3圖之耦合訊號圖。如第3圖所示，當耦合訊號強度最弱時，取樣光L2的訊號方突顯出來。
獲得耦合訊號L5後，控制與信號處理模組178可透過下式(1)計算出測距裝置100與目標物10之間的距離d。式(1)中，c表示真空中的光速，n表示空氣折射率，fr表示第一測距光L1的重複率(Hz)(即第一測距光L1的週期T1的倒數)，而 T 1'為耦合訊號L5的週期。
此外，耦合訊號L5的週期 T 1'與週期差( T 2- T 1)的關係如下式(2)。由式(2)可知，由於本發明實施例之訊號耦合方法，使取樣後的週期 T 1'增加(相較於第一測距光L1的週期T1而言)，如此一來，光偵測器176可感應到幾乎所有的耦合訊號L5，可提升計算距離值的準確度。進一步地說，若以第2圖的第一測距光L1去計算距離值，會因為第一測距光L1的週期T1過小，而無可 避免地導致光偵測器176遺漏一些第一測距光L1的訊號。反觀本發明實施例，由於週期 T 1'已放大(相較於週期 T 1而言較大)，因此光偵測器176可感應到更多或幾乎所有的耦合訊號L5，如此可提升量測之距離值的準確度。此外，由於本發明實施例的耦合方法，即使第一光發射器110發射重複率高(表示週期小)的第一測距光L1，光偵測器176仍可增加對第一測距光L1(耦合後)之訊號的解析度，以減少第一測距光L1之訊號的遺漏量。
一實施例中，若第2圖之第一測距光L1的週期T1是奈秒(ns)等級，則第3圖的耦合訊號L5的週期 T 1'可放大至毫秒(ms)等級，此足以讓光偵測器176感應到幾乎所有的耦合訊號L5。
如第1圖所示，第二光發射器182可發射追蹤光L4。追蹤光L4為可見光，例如是波長為633奈米的雷射光。追蹤光L4經由第二光路OP2後，入射至四象限感測器188。第二光路OP2依序行經追蹤光分光鏡186、二向分光鏡135、擴束鏡137、目標物10、擴束鏡137、二向分光鏡135及追蹤光分光鏡186。另一實施例中，測距裝置100可省略擴束鏡137。
此外，二向分光鏡135可使追蹤光L4自二向分光鏡135反射。追蹤光L4自二向分光鏡135反射後，經過擴束鏡137入射至目標物10，然後自目標物10反射經由擴束鏡137至二向分光鏡135，然後自二向分光鏡135反射經由追蹤光分光鏡 186至四象限感測器188。如此，可將目標物10的位移變化反應至四象限感測器188。
請參照第4圖，其繪示第1圖之四象限感測器188的追蹤點P1的示意圖。追蹤光L4反射至四象限感測器188後，呈現出追蹤點P1。透過分析追蹤點P1相對中心C1的位置，可獲知目標物10相對測距裝置100的相對位置。為了不讓測距光路中斷，測距裝置100可追蹤目標物10，讓追蹤點P1回到四象限感測器188的中心C1。以下進一步說明。
請參照第5圖繪示依照本發明一實施例之測距裝置100的機構圖。測距裝置100更包括兩軸旋轉機構40，其包含底座41、轉動件42、量測頭43、第一驅動器44、第二驅動器45及承座46。
第1圖所示之第一光耦合器1151、偏振分光鏡120、第一偏振片125、第一波片130、二向分光鏡135、擴束鏡137、第二波片140、第一聚焦透鏡145、第二偏振片155、第二光耦合器161、第二光發射器182、追蹤光分光鏡186及四象限感測器188可組設於量測頭43，此些部件可隨量測頭43連動，且彼此之間可無相對運動。
此外，轉動件42以繞Z軸(第三軸向)可轉動的方式配置於底座41上，承座46連接於轉動件42，以隨轉動件42轉動，而量測頭43以繞X軸向(第一軸向)可轉動的方式配置於承座46。第一驅動器44可控制轉動件42轉動，而第二驅動器45可 控制量測頭43轉動，如此可控制量測頭43繞二個軸向轉動。控制與信號處理模組178(如第1圖所示)可控制第一驅動器44及第二驅動器45，以轉動量測頭43自動追蹤移動中的目標物10，避免測距光路中斷。如此一來，測距裝置100可追蹤移動中的目標物10且量測其與目標物10之間的絕對距離。在一實施例中，第一驅動器44及第二驅動器45例如是馬達、皮帶輪組或其組合。
此外，如第1及5圖所示，在量測頭43(繪示於第5圖)轉動過程中，參考點150係相對不動。在量測目標物10的絕對距離時，即使第一驅動器44及第二驅動器45發生徑向偏差位移(此處“徑向”例如是第1圖之參考點150至目標物10之間的距離方向)，由於參考點150相對不動，因此目標物10與參考點150之間的總光程不會因量測頭43的徑向偏差而變，使得所量得的距離值不會因量測頭43的徑向偏差而變，而具有一定的準確度。如第5圖所示，參考點150可以桿件151連接於底座41，其中桿件151與參考點150係固定地連接。
此外，在使用測距裝置100測距前可先進行校正，以增加測距精準度。舉例來說，以施力於參考點150的方式，調整參考點150(或桿件151)相對轉動件42沿X軸向及/或Y軸向(第二軸向)的相對位置(即沿XY平面的位置)，使轉動件42與參考點150之間的轉動偏心量小於一預定量，如5微米，然亦可更小或更大。由於桿件151與轉動件42之間的相接處具有餘隙，因此在施力給桿件151時可讓桿件151及參考點150在餘隙內相對轉 動件42移動。
此外，可調整承座46相對轉動件42繞Y軸的傾斜角度及/或調整承座46相對轉動件42沿Y軸向的位置。由於承座46與轉動件42之間的相接處具有餘隙，因此在施力給承座46或轉動件42時，可讓承座46在餘隙內相對轉動件42移動或傾斜地轉動。
綜上所述，雖然本發明已以多個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧目標物
20‧‧‧絕對測距模組
30‧‧‧追蹤模組
43‧‧‧量測頭
44‧‧‧第一驅動器
45‧‧‧第二驅動器
100‧‧‧測距裝置
110‧‧‧第一光發射器
115‧‧‧第一光纖
1151‧‧‧第一光耦合器
120‧‧‧偏振分光鏡
125‧‧‧第一偏振片
130‧‧‧第一波片
135‧‧‧二向分光鏡
137‧‧‧擴束鏡
140‧‧‧第二波片
145‧‧‧第一聚焦透鏡
150‧‧‧參考點
155‧‧‧第二偏振片
160‧‧‧第二光纖
161‧‧‧第二光耦合器
162‧‧‧第四光耦合器
165‧‧‧第三光纖
1651‧‧‧第三光耦合器
170‧‧‧第二聚焦透鏡
172‧‧‧倍頻晶體
174‧‧‧第三聚焦透鏡
176‧‧‧光偵測器
178‧‧‧控制與信號處理模組
180‧‧‧顯示器
182‧‧‧第二光發射器
186‧‧‧追蹤光分光鏡
188‧‧‧四象限感測器
L1‧‧‧第一測距光
L11、L11’、L11”‧‧‧第一分光
L12‧‧‧第二分光
L2‧‧‧取樣光
L3‧‧‧第二測距光
L4‧‧‧追蹤光
OP1‧‧‧第一光路
OP2‧‧‧第二光路
OP3‧‧‧第三光路

Claims (23)

  1. 一種測距裝置，用以追蹤一目標物並量測與該目標物之間的一距離，該測距裝置包括：一絕對測距模組，用以發出一第一測距光，以測量該目標物與該測距裝置之間的絕對距離；一追蹤模組，用以發出一追蹤光，以追蹤該目標物與該測距裝置之間的絕對距離；一二向分光鏡，該第一測距光與該追蹤光皆經由該二向分光鏡入射至該目標物；以及一兩軸旋轉機構，受控於一控制與信號處理模組，以驅動該絕對測距模組、該追蹤模組及該二向分光鏡，進而追蹤該目標物；其中，該絕對測距模組包括：一第一光發射器，用以發射該第一測距光及一取樣光；一參考點；以及一偏振分光鏡，用以將該第一測距光分成一第一分光及一第二分光；其中，該第一分光經由一第一光路後與該第二分光耦合成一第二測距光，該第一光路依序行經該二向分光鏡、該目標物、該二向分光鏡、該偏振分光鏡、該參考點及該偏振分光鏡，該控制與信號處理模組依據該第二測距光與該取樣光計算出該距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該追蹤模組包括包括：一第二光發射器，用以發射一追蹤光；一追蹤光分光鏡；以及一四象限感測器；其中，該追蹤光經由一第二光路後，入射至與該四象限感測器，該第二光路依序行經該追蹤光分光鏡、該二向分光鏡、該目標物、該二向分光鏡及該追蹤光分光鏡。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該追蹤光的波長與該第一測距光的波長係相異。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該兩軸旋轉機構包括一轉動件、一承座及一量測頭，該承座連接於該轉動件，以隨該轉動件轉動，該量測頭可轉動的配置於該承座。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之測距裝置，其中該量測頭以繞一第一軸向可轉動的方式配置於該承座，該承座與該轉動件係以沿一第二軸向之相對位置可調整的方式配置且以繞該第二軸向之傾斜角度可調整的方式配置，其中該第一軸向與該第二軸向垂直。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該兩軸旋轉機構包括一底座及一轉動件，其中該轉動件可轉動的配置於該底座，該參考點與該轉動件係以相對位置可調整的方式配置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之測距裝置，其中該轉動件係以繞一第三軸向可轉動方式配置於該底座，該參考點與該轉動件沿一平面的位置係可調整，其中該第三軸向垂直於該平面。
  8. 一種測距裝置，用以量測與一目標物之間的一距離，該測距裝置包括：一第一光發射器，用以發射一第一測距光及一取樣光；一參考點；一二向分光鏡；一偏振分光鏡，用以將該第一測距光分成一第一分光及一第二分光；以及其中，該第一分光經由一第一光路後與該第二分光耦合成一第二測距光，該第一光路依序行經該二向分光鏡、該目標物、該二向分光鏡、該偏振分光鏡、該參考點及該偏振分光鏡，一控制與信號處理模組依據該第二測距光與該取樣光計算出該距離。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，其中該追蹤光 的波長與該第一測距光的波長係相異。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一第一偏振片，位於該第一光路中的該第一光發射器與該偏振分光鏡之間。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一第一波片，位於該第一光路中的該偏振分光鏡與該二向分光鏡之間。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一第二波片，位於該第一光路中的該偏振分光鏡與該參考點之間。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一第一光纖，具有一第一光耦合器；其中，該第一測距光經由該第一光纖傳輸並從該第一光耦合器出光後入射至該偏振分光鏡。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一第二光纖，具有一第二光耦合器；以及一第二偏振片，位於該第一光路中的該偏振分光鏡與該第二 光耦合器之間。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一第一聚焦透鏡，位於該第一光路中的該偏振分光鏡與該參考點之間。
  16. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一第二光發射器，用以發射一追蹤光；一追蹤光分光鏡；以及一四象限感測器；其中，該追蹤光經由一第二光路後，入射至與該四象限感測器，該第二光路依序行經該追蹤光分光鏡、該二向分光鏡、該目標物、該二向分光鏡及該追蹤光分光鏡。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之測距裝置，其中該追蹤光是波長為633奈米的雷射光。
  18. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，其中該第一測距光是波長為1550奈米的雷射光。
  19. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一第二聚焦透鏡；以及 一倍頻晶體(periodically poled lithium niobate,PPLN)；以及一光偵測器；其中，該取樣光及該第二測距光行經一第三光路後至該光偵測器，該第三光路依序行經該第二聚焦透鏡及該倍頻晶體。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之測距裝置，更包括：一第三光纖，具有一第三光耦合器；其中，該取樣光經由該第三光纖傳輸並從該第三光耦合器出光後入射至該第二聚焦透鏡。
  21. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括：一擴束鏡(beam expander)，位於該第一光路中的該目標物與該二向分光鏡之間。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之測距裝置，其中該第一測距光的重複率與該取樣光的重複率係相異。
  23. 一種測距方法，用以量測與一目標物之間的一距離，該測距方法包括：提供一如申請專利範圍第8項所述之測距裝置；該第一光發射器發射一第一測距光及一取樣光，其中該第一測距光穿透該偏振分光鏡後被分成一第一分光及一第二分光，該 第一分光經由一第一光路後與該第二分光耦合成一第二測距光，該第一光路依序行經該二向分光鏡、該目標物、該二向分光鏡、該偏振分光鏡、該參考點及該偏振分光鏡；以及該控制與信號處理模組依據該第二測距光與該取樣光計算出該距離。
TW105114460A 2016-05-10 2016-05-10 測距裝置及其測距方法 TWI595252B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW105114460A TWI595252B (zh) 2016-05-10 2016-05-10 測距裝置及其測距方法
CN201610430722.XA CN107356928B (zh) 2016-05-10 2016-06-16 测距装置及其测距方法
US15/360,423 US10101451B2 (en) 2016-05-10 2016-11-23 Distance measuring device and distance measuring method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW105114460A TWI595252B (zh) 2016-05-10 2016-05-10 測距裝置及其測距方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI595252B true TWI595252B (zh) 2017-08-11
TW201740132A TW201740132A (zh) 2017-11-16

Family

ID=60189242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW105114460A TWI595252B (zh) 2016-05-10 2016-05-10 測距裝置及其測距方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10101451B2 (zh)
CN (1) CN107356928B (zh)
TW (1) TWI595252B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10323963B2 (en) 2017-10-20 2019-06-18 National Applied Research Laboratories Flexible optical measuring device
US11487014B2 (en) 2019-09-27 2022-11-01 National Applied Research Laboratories Integrated device for laser ranging and imaging

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101076743A (zh) * 2004-10-13 2007-11-21 莱卡地球系统公开股份有限公司 用于测量绝对距离的方法和测量装置
CN101995577A (zh) * 2009-08-07 2011-03-30 法罗技术股份有限公司 具有光开关的绝对距离测量仪
TWM451527U (zh) * 2012-08-13 2013-04-21 de-qing Chen 相位式雷射測距儀反制系統
US20150309175A1 (en) * 2014-04-23 2015-10-29 Hexagon Technology Center Gmbh Distance measuring module comprising a variable optical attenuation unit including an lc cell

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60237307A (ja) * 1984-05-11 1985-11-26 Yokogawa Hewlett Packard Ltd レ−ザ測長器
US4714339B2 (en) 1986-02-28 2000-05-23 Us Commerce Three and five axis laser tracking systems
GB9401692D0 (en) 1994-01-28 1994-03-23 Renishaw Plc Performing measurement or calibration on positioning machines
TW315407B (en) 1996-09-04 1997-09-11 Jeng-Shyong Chen Laser interference displacement metering system capable of automated path tracking and positioning function
GB9722068D0 (en) 1997-10-17 1997-12-17 Secretary Trade Ind Brit Tracking system
CN1060268C (zh) 1998-01-21 2001-01-03 浙江大学 激光双焦干涉球面轮廓仪
ATE234473T1 (de) 1999-07-28 2003-03-15 Leica Geosystems Ag Verfahren und anordnung zur bestimmung von räumlichen positionen und orientierungen
DE60238612D1 (de) * 2001-04-10 2011-01-27 Faro Tech Inc Chopper-stabilisiertes messgerät für absolute distanzen
EP1466136B1 (en) * 2002-01-16 2011-08-03 Faro Technologies, Inc. Laser-based coordinate measuring device and laser-based method for measuring coordinates
CN100403090C (zh) 2003-04-07 2008-07-16 亚洲光学股份有限公司 分合光棱镜组和应用该棱镜组的测距装置
TW200513632A (en) 2003-10-10 2005-04-16 Yuh-Feng Tsay Compensation of laser tracker measuring
EP1750085B1 (en) * 2005-07-26 2013-07-31 Mitutoyo Corporation Laser tracking interferometer
JP2007309677A (ja) 2006-05-16 2007-11-29 Mitsutoyo Corp 追尾式レーザ干渉計の絶対距離推定方法及び追尾式レーザ干渉計
TWM378379U (en) 2007-02-13 2010-04-11 Univ China Sci & Tech Photoelectric detection system for numerical aperture of near infrared optical fiber
JP2008203015A (ja) 2007-02-19 2008-09-04 Mitsutoyo Corp 光軸偏向型レーザ干渉計
US7636170B1 (en) 2008-09-12 2009-12-22 National Formosa University Static/dynamic multi-function measuring device for linear unit
JP5702524B2 (ja) 2009-02-17 2015-04-15 株式会社ミツトヨ 追尾式レーザ干渉計
US8259890B2 (en) 2009-02-18 2012-09-04 Mediatek Inc. Phase-locked loop circuit and related phase locking method
CN101533096B (zh) * 2009-04-23 2010-07-14 哈尔滨工业大学 基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置
JP5364519B2 (ja) * 2009-09-18 2013-12-11 株式会社ミツトヨ 追尾式レーザ干渉測長計
US8537376B2 (en) * 2011-04-15 2013-09-17 Faro Technologies, Inc. Enhanced position detector in laser tracker
TWI437208B (zh) 2011-11-18 2014-05-11 Univ Nat Formosa Length measuring device
CN103176173B (zh) * 2013-02-16 2014-07-30 哈尔滨工业大学 基于光纤采样技术的lfmcw激光雷达调频的非线性校正方法
EP2827099A1 (de) * 2013-07-16 2015-01-21 Leica Geosystems AG Lasertracker mit Zielsuchfunktionalität
CN103513254B (zh) * 2013-09-16 2015-06-03 中国科学院力学研究所 一种高精度双星激光干涉动态测距地面模拟装置
CN104913733B (zh) * 2015-06-10 2017-09-12 中国计量科学研究院 基于多波长激光干涉的法线跟踪式非球面测量方法与系统
US9903934B2 (en) * 2015-06-30 2018-02-27 Faro Technologies, Inc. Apparatus and method of measuring six degrees of freedom

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101076743A (zh) * 2004-10-13 2007-11-21 莱卡地球系统公开股份有限公司 用于测量绝对距离的方法和测量装置
CN101995577A (zh) * 2009-08-07 2011-03-30 法罗技术股份有限公司 具有光开关的绝对距离测量仪
TWM451527U (zh) * 2012-08-13 2013-04-21 de-qing Chen 相位式雷射測距儀反制系統
US20150309175A1 (en) * 2014-04-23 2015-10-29 Hexagon Technology Center Gmbh Distance measuring module comprising a variable optical attenuation unit including an lc cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10323963B2 (en) 2017-10-20 2019-06-18 National Applied Research Laboratories Flexible optical measuring device
US11487014B2 (en) 2019-09-27 2022-11-01 National Applied Research Laboratories Integrated device for laser ranging and imaging

Also Published As

Publication number Publication date
CN107356928B (zh) 2020-11-13
US10101451B2 (en) 2018-10-16
US20170329009A1 (en) 2017-11-16
TW201740132A (zh) 2017-11-16
CN107356928A (zh) 2017-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10725179B2 (en) Laser tracker
US8670126B2 (en) Optical interference measuring method and optical interference measuring apparatus
US9989749B2 (en) Microscopy system with auto-focus adjustment by low-coherence interferometry
KR101509054B1 (ko) 광소자-회전형 뮬러-행렬 타원계측기 및 이를 이용한 시료의 뮬러-행렬 측정 방법
JP2002535637A (ja) イメージングシステムにおける高速縦方向走査方法および装置
CN108801178A (zh) 差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置
JPH0843533A (ja) パルスレーザ測距装置および測距方法
CN101793500B (zh) 差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置
CN103791860A (zh) 基于视觉检测技术的微小角度测量装置及方法
CN102679895B (zh) 反射式共焦透镜中心厚度测量方法
CN109332879A (zh) 基于迈克尔逊干涉在线振镜定位精度校正加工系统和方法
TWI595252B (zh) 測距裝置及其測距方法
US11073370B2 (en) OCT measurement device with back-reflection
CN104360095A (zh) 一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法、装置及系统
CN107339941A (zh) 一种基于双频激光干涉原理的精确位移监测系统
CN207540510U (zh) 一种用于检测透镜中心偏离的装置
KR20050072340A (ko) 변위와 각도 변화를 동시에 측정하기 위한 방법과 장치
CN109297585B (zh) 一种基于光斑偏移法测量激光光斑聚焦直径的光学实验系统及实验方法
TWI569916B (zh) 旋轉軸角度輔助定位量測系統
JP2006322820A (ja) アクチュエータの変位の測定方法および測定装置
CN110243760B (zh) 线域频域光学相干层析系统及其纵向坐标标定方法
KR20180039201A (ko) 광 간섭계를 이용한 정밀 변형량 발생 및 측정장치
CN108693247B (zh) 基于双测量光束的激光声表面波探测系统及其使用方法
TW201321742A (zh) 光學系統
JP2541197Y2 (ja) 干渉形状測定器