三角法距离测量系统和方法

摘要

本发明涉及一种三角法距离测量系统及其方法。该测量系统包括光源、光学单元及接收装置。光源可用来投射光线到物体上的点上。光学单元可转动的在绕着所述投射光线的复数个位置上捕获来自所述点的相应的反射光线。接收装置可对来自所述光学单元的所述反射光线进行感应处理以进行复数次所述点的测量来获得该点的距离。

权利要求

1.一种三角法距离测量系统，包括：

光源，其可用来投射光线到物体上的点上；

光学单元，其可转动的在绕着所述投射光线的复数个位置上捕获来自所述点的相应的反射光线；及接收装置，其可对来自所述光学单元的所述反射光线进行感应处理以进行复数次所述点的测量来获得该点的距离。

2.如权利要求1所述的测量系统，其中所述点可指物体上的包括有复数个微结构的表面。

3.如权利要求1所述的测量系统，其中所述复数个位置设置在围绕着所述投射光线的光轴形成的圆周上。

4.如权利要求1所述的测量系统，其中所述光学单元可绕着所述投射光线的光轴转动来捕获所述反射光线。

5.如权利要求4所述的测量系统，其中所述接收装置可随着所述光学单元进行转动。

6.如权利要求4所述的测量系统，其中所述接收装置的位置是固定的，所述光学单元包括可用来捕获来自所述点的所述反射光线的捕获单元及可把所述反射光线传输给所述接收装置的透镜。

7.如权利要求6所述的测量系统，其中所述捕获单元可绕着所述投射光线的光轴转动来捕获所述反射光线。

8.如权利要求7所述的测量系统，其中所述捕获单元包括棱镜或包括设置有第一及第二反光镜的组件；所述第一反光镜可用来绕着所述投射光线的光轴转动来捕获所述反射光线；所述第二反光镜可用来把来自所述第一反光镜的所述反射光线传输给所述透镜。

9.一种三角法距离测量方法，包括：

使用光源来投射光线到物体上的点上；

使用光学单元可转动的在绕着所述投射光线的复数个位置上捕获来自所述点的相应的反射光线；及使用接收装置以对来自所述光学单元的所述反射光线进行感应处理以来获得所述点的距离。

10.如权利要求9所述的测量方法，其中捕获步骤包括绕着所述投射光线的光轴来转动所述光学单元来捕获所述反射光线。

11.如权利要求10所述的测量方法，其中所述感应处理步骤包括可随着所述光学单元的转动而转动所述接收装置以对来自所述光学单元的所述反射光线进行感应处理。

12.如权利要求10所述的测量方法，其中所述接收装置的位置是固定的，所述光学单元包括可用来捕获来自所述点的所述反射光线的捕获单元及可把所述反射光线传输给所述接收装置的透镜。

13.如权利要求12所述的测量方法，其中所述捕获单元可绕着所述投射光线的光轴转动来捕获所述反射光线，所述捕获单元包括棱镜或包括设置有第一及第二反光镜的组件；

所述第一反光镜可用来绕着所述投射光线的光轴转动来捕获所述反射光线；所述第二反光镜可用来把来自所述第一反光镜的所述反射光线传输给所述透镜。

14.如权利要求9所述的测量方法，其中所述感应处理步骤包括获得所述点的复数个测量结果；排除所述复数个测量结果中的最大和最小测量结果及对剩余的测量结果进行平均来获得所述点的距离。

15.如权利要求9所述的测量方法，其中所述感应处理步骤包括获得所述点的复数个测量结果；确定所述复数个测量结果的三倍标准偏差值；排除所述复数个测量结果中大于所述三倍标准偏差值的结果及对剩余的测量结果进行平均来获得所述点的距离。

16.如权利要求9所述的测量方法，其中该测量方法可用来提高点到点的测量重复性。

说明书

三角法距离测量系统和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量系统和方法，尤其涉及一种可用来提高测量准确度(Accuracy)和重复性(Repeatability)的三角法距离测量(Triangulation Distance Measurement)系统和方法。

背景技术

[0002] 对物体的尺寸，比如对其厚度进行测量可确保该物体具有适当的架构或形状从而来实现适当的性能。由于具有非接触的特性、较快的测量速度及较简单的架构，基于三角法来进行的测量已得到广泛的应用，比如应用在天文及地理测量中。

[0003] 在三角法距离测量的过程中，典型的，光线可投射到物体上的点上，同时对来自该点的反射光或背向散射光(Back-Scattered Light)的一部分进行感测来确定到该点的距离。为了提高测量的准确性及其重复性，通常的做法是期望来自测量点的背向散射光是均匀的，由于其均匀性，从而通过对均匀的背向散射光的一部分进行测量便可获得准确的测量结果及提高测量的重复性，这与物体表面敏感性(Surface Sensitivity)或表面结构(Surface Texture)有关系。

[0004] 然而，加工的物体表面通常包含有大量微小的类似于镜面的小平面或微结构(Facets)。每一个小平面或微结构都具有其独特的方位(Orientation)。由于这些小平面或微结构的方位的变化及其他的平面上的瑕疵，想使来自一个特定点的背向散射光成均匀分布是比较困难的，这就导致了对该点测量是不准确的。另外，在相同的测量条件下，由于这些微结构的方位的变化，对不同点的距离的测量结果间也会存在差异，这就导致了测量重复性的降低，这可由于光线的干涉而造成可感应的光线的量及接收光线的角度的变换引起的。

[0005] 目前，已经有多种尝试来减轻测量过程中物体表面敏感性或表面结构的影响以提高测量的准确性和重复性。比如，对物体表面的不同的点进行测量以得到复数个测量结果，然后对测量结果进行平均以得到一个平均的结果。然而，此种测量方法并不能明显的提高测量的准确性和重复性，其不能满足日益增长的对测量准确性和重复性的要求。

[0006] 所以，需要提供一种新的三角法距离测量系统和方法以提高测量的准确性、测量速度和测量重复性。

发明内容

[0007] 本发明的一个实施例提供了一种三角法距离测量系统。该测量系统包括光源、光学单元及接收装置。光源可用来投射光线到物体上的点上。光学单元可转动的在绕着所述投射光线的复数个位置上捕获来自所述点的相应的反射光线。接收装置可对来自所述光学单元的所述反射光线进行感应处理以进行复数次所述点的测量来获得该点的距离。

[0008] 本发明另一个实施例提供了一种三角法距离测量方法。该方法包括使用光源来投射光线到物体上的点上；使用光学单元可转动的在绕着所述投射光线的复数个位置上捕获来自所述点的相应的反射光线及使用接收装置以对来自所述光学单元的所述反射光线进行感应处理以来获得所述点的距离。

附图说明

[0009] 通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

[0010] 图1为本发明三角法距离测量系统的一个实施例的示意图；

[0011] 图2为本发明三角法距离测量系统的测量设置的一个实施例的示意图；

[0012] 图3为本发明图2中所示的测量设置的平面示意图；

[0013] 图4为本发明三角法距离测量系统的的测量设置的另一个实施例的示意图；及[0014] 图5为为本发明三角法距离测量系统的的测量设置的再一个实施例的示意图。

具体实施方式

[0015] 图1所示为本发明三角法距离测量系统10的一个实施例的示意图。在本发明实施例中，三角法距离测量系统10可用来对物体表面上的点的位置信息，其包括但不限于距离信息进行测量。在一定的实施例中，三角法距离测量系统10定义有离岸距离(Standoff Distance)或参考距离d1及测量范围(Measurement Range)d2，从而当物体在测量范围d2内移动时，可对处于不同位置的物体上的点进行距离测量。

[0016] 此处所谓的“离岸距离d1”可指从测量范围d2的开始位置到测量系统10的窗口的距离，其中，光线可通过该窗口投射到系统10外。所谓“测量范围d2”可指当物体沿着其路径移动且可对背向散射光进行感应以来进行测量的距离范围。在一定的示例中，离岸距离d1和测量范围d2是可变化的且可根据三角法距离测量系统10的设计进行确定。

[0017] 如图1所示，在一个实施例中，三角法测量系统10包括光源11、光学单元12及接收装置13。光源11可用来产生并传输光线14使其投射到处于位置101处的物体100上的点102上。在一些应用中，光源11可包括激光。在其他应用中，光源11也可包括水银弧光灯(MercuryArc Lamp)、金属卤化物弧光灯(Metal Halide Arc Lamp)、卤素灯(Halogen Lamp)、磷光激光系统(Laser/phosphor System)、光纤耦合激光器(Fiber Coupled Laser)、发光二级管(Light-emitting Diode，LED)光源及白光光源(White Light Source)。

[0018] 基于使用的光源的不同，三角法距离测量系统10可包括激光三角法距离测量系统或其他合适的光学三角法距离测量系统来进行距离测量。在一个非限定示例中，三角法距离测量系统10可包括一个常规或定制的激光三角位移传感器，如可包括由位于德国巴伐利亚(Ortenburg)的米铱(Micro-Epsilon)公司生产的型号为OptoNCDT 2300的激光三角法距离测量系统，其离岸距离可为130毫米，测量范围可为200毫米。

[0019] 光学单元12可用来捕获来自物体100上的点102的反射光线15并把该光线15传输给接收装置13。在一些示例中，光学单元12可包括一个或多个光学元件。在非限定示例中，光学单元12可包括物镜(Object Lens)110。接收装置13可用来感应来自物体100的散射的反射光。在一个示例中，接收装置13可包括有处理部件(未图示)来对来自光学单元12的反射光线15进行分析以计算到处于位置101处的物体100上的点102的距离。

[0020] 在另一个示例中，接收装置13也可通过与一个可进行光线处理的处理部件进行通信来完成分析计算。在非限定示例中，所谓“点”可指物体上的点，该点可以是包含复数个微小的镜面的物体的表面，其尺寸可随着具体的应用进行变化。

[0021] 在一些实施例中，处理部件不限于任何特定的可用来执行本发明处理任务的处理装置。在本发明实施例中，处理部件可表示任何能够进行运算或计算，对执行本发明的任务而言是必要的装置。如本领域技术人员所理解的，处理部件还可表示任何能够接收输入并按照规定的规则处理该输入，从而产生输出的装置。在一些示例中，接收装置13可包括在电荷耦合元件或位置敏感探测器(Position Sensitive Detector，PSD)，其可包括在一维或二维具有均一阻抗的单片PIN光电二极管(Monolithic PIN Photodiode)。

[0022] 这样，在操作中，光源，如激光11产生并传输光线14到位于位置101处的物体100上的点102上。随后，光学单元12捕获并传输来自点102的反射光线到接收装置13，比如位置敏感探测器上进行处理以获取到位于位置101处的物体100上的点102的距离。

[0023] 在本实施例中，光学单元12设有光轴(未图示)，其与来自激光源11的投射光线14的轴线16具有一定的夹角，这可称为三角距离测量。另外，如图1所示，当物体100(如虚线所示)移动到位于测量范围内的不同的位置，如位置103和105处后，到其上相应的点
104和106的距离就可被测量到。在一定的应用中，点102、104和106可以是物体100上相同或不同的点。

[0024] 在一些示例中，物体上的点具有较小的尺寸。在一个非限定示例中，投射到物体上的点的光点(Light Spot)的尺寸为200微米乘以70微米。当然，光点的尺寸可随着不同的应用而改变。本发明实施例所示的三角法距离测量系统10仅是示意性的，在一些实施例中，也可在光线14的光路上设置一个或多个光学元件来对光线14进行校准用来投射到物体上的点上。

[0025] 通常，在利用三角法对物体表面上的点的距离进行测量的过程中，当来自光源的光线投射到点上时，来自该点的散射的反射光可围绕着来自光源的光线的轴线的而形成具有锥形形状的光斑区域(Cone-Shaped Speckle Field)。其间，一部分反射光被捕获并进行分析来进行距离测量。

[0026] 然而，如前所述，由于物体表面可能被加工或制造的包含有大量微小的类似于镜面的小平面或微结构(Facets)。由于这些小平面或微结构的方位的变化而导致来自物体上点的背向散射光并不会绕着投射光线的轴线均匀分布，这也可认为是物体的表面敏感性。这样，所捕获的反射光仅是来自物体上点的反射光中的某单一方向的反映，这也就导致了测量的的不准确性。此处所谓的小平面或微结构方位的变化与物体表面粗糙度(Surface Roughness)或表面结构(Surface Texture)有关系。

[0027] 在一定的应用中，在相同的测量条件下，当对位于相同表面上的不同点的距离进行测量时，这时，对于不同点测量的测量重复性(Measurement Repeatability)或精度，也可称之为点到点测量重复性(Point to Point Measurement Repeatability)或精度，也可受到物体表面粗糙度或表面结构的影响。在一些示例中，也可对相同点的测量重复性，或称之为静态测量重复性(Static Measurement Repeatability)也进行提高。在本发明实施例中，所谓“准确性”可指在相同条件下一个测量结果与一个独立的真实的结果相接近的程度。所谓“重复性或精度”可指在相同的条件下使用相同的设备对同一被测量目标所进行的测量结果的一致性。

[0028] 图2所示为可在不同的测量范围内以减少表面敏感性来提高测量准确性和测量重复性的三角法距离测量系统10的测量设置的一个实施例中的示意图。图3所示为图2中所示的测量设置的平面示意图。在该实施例中，包括有光学单元12和接收装置13的组件18(如图1所示)可相对于光源11运动从而在不同的位置进行复述个相应的测量。

[0029] 在一个非限定示例中，如图1到图3所示，在测量过程中，光源11可以一定的频率连续的投射光线14到物体100上的点102上。组件18围绕着光线14的光轴16进行转动从，其间光学单元12捕获相应的一部分来自点102的背向散射光(散射的反射光)15。在其他示例中，随着组件18的转动，光线14也可以一定的时间间隔被投射到物体100上，比如，当组件18在相邻的两个位置间运动时，光源11可不投射光线14。

[0030] 在一个示例中，组件18可转动到复数个位置从而可从不同的观测方向来进行相应的测量。该复数个位置可绕着中心点17设置。不同的转动机构，如螺线管或其他合适的机构可使用来转动组件18。为了便于图示，随着组件18的转动，可使用光学单元12为例来说明其绕着中心点17转动。另外，也可以接收装置13为例来说明其可形成至少一部分圆周的转动来进行相应的测量。

[0031] 在一些应用中，如图2所示，第一距离测量可在第一位置107处进行以得到点102的第一测量结果。当完成第一距离测量后，组件18可运动至第二位置108处进行第二测量以得到点102的第二测量结果。当完成第二距离测量后，组件18可运动到第三位置109处进行第三距离测量以得到点102的第三测量结果。

[0032] 相似的，随着组件18运动到不同的位置，就可进行与其位置相对应的复数个测量以得到点102的复数个测量结果。此外，当在相应的位置进行测量的过程中，组件18也可在第一位置107和第三位置19或最后位置间连续的转动。

[0033] 在本实施例中，组件18的转动可形成曲线19，位置107到109位于该曲线19上。在一定的示例中，组件18的转动可形成具有不同形态的曲线19，比如圆形或椭圆形。在该示例中，曲线19为圆形，中心点17可作为圆形19的圆心并位于光轴16上。在一个非限定示例中，在点102的复数次测量中，组件18的角度跨度θ可为90度，如从负45度到正45度的范围。该角度跨度θ可为圆心17分别与相应的第一和最后位置，如位置107和109的连线间的夹角。组件18的每个测量角度α可处于从5度到15度的范围内，如10度。该测量角度可为圆心17分别与相邻的两个位置，如位置107和108或位置108和109的连线间的夹角。在其他示例中，组件18的测量角度α可以是变化的。组件18在不同的测量中的测量角度α也可是不同的。

[0034] 在图1-3所示的实施例中，当在不同的位置对点102的距离测量过程中，测量系统10使用单一组件18。光学单元12与接收装置13的位置彼此固定。此外，光源11与被测量的点的位置也可是彼此固定的。在一个示例中，点102位置是固定的。

[0035] 这样，由于在绕着中心点17分布的不同位置处进行点102的复数次测量，便可得到复数个测量结果并对其进行处理，比如进行平均以获得较准确的点102的测量结果。比如，于分布于绕着中心点17的位置107到109之间的范围内的五个不同位置上对同一点，如点102进行的测量，以可得到相应的五个测量结果。随后，对这五个测量结果进行平均而得到平均的测量结果，这个结果就可被认为点102的最终测量结果。

[0036] 相似的，在另一个示例中，也可于分布于绕着中心点17的位置107到109之间的范围内的五十个不同位置上对同一点，如点102进行的测量，以可得到相应的五个测量结果。随后，对这五十个测量结果进行平均而得到平均的测量结果，这个结果就可被认为点102的最终测量结果。

[0037] 在一定的应用中，在对点102的距离测量过程中，测量结果可受到表面噪音(Surface Noise)影响而导致测量结果不准确。在一个非限定示例中，为了减轻或避免表面噪音的影响，在对点102的复数个测量结果处理过程中，可先把最大和最小的测量结果忽略或排除。然后对剩余的测量结果进行平均以获得最终的测量结果。

[0038] 在其他示例中，基于所有的测量结果可及计算其三倍标准偏差值。然后，把每一个测量结果与计算的三倍标注偏差值进行比较，从而把大于或超出三倍标注偏差值的测量结果忽略或排除。最后，把剩余的测量结果平均以获得点102的处理后的测量结果。

[0039] 在其他应用中，当对点102进行距离测量后且物体的位置没有进行变化时，可利用相似的测量过程对物体上不同的点进行测量以得到相应的测量结果。另外，如图1所示，物体100可移动的测量范围d2内的其他位置，比如位置103和105。在每一个位置，可利相似的测量过程对物体100上的点，如点104或106进行复数次测量。

[0040] 在一个非限定示例中，距离测量系统10可在相同的测量条件下对不同的带点，如五个点进行相应的测量。在每一个点的测量中，组件18的角度跨度可处于从负45度到正45度的范围内，且每一个测量角度可为10度。当然，测量角度可以变化。

[0041] 从而，随着组件18围绕着光轴16的转动，相对于每一个点可得到十个测量结果并对其进行处理。这样，相对于五个点就可得到五个相应的处理后的测量结果。在一个实施例中，基于五个处理后的测量结果的比较，测量精度可优于8微米，这表明本发明距离测量系统10具有较高的测量性能，提高了测量系统的测量精度。在一定的应用中，在相同的测量条件下，通过对物体上相同平面上的不同点的测量结果的比较，也可对表面的形状进行确定。

[0042] 在图2所示的示例中，包括有接收装置13的组件18可绕着光线14的光轴16转动来进行测量。在其他应用中，接收装置13也可是静止不动的，其位置是固定的。图4所示为本发明三角法距离测量系统10的测量设置的另一个实施例的示意图。

[0043] 图2和图4中所示的实施例是相似的。二者不同之处在于在图4所示的实施例中，接收装置13的位置是固定的。光源单元12包括物镜100及捕获单元20。捕获单元20可用来在围绕着光线14分布的复数个位置上捕获来自物体100的点102的一部分散射反射光15并把其传输给接收装置13。在本实施例中，捕获单元20时可转动的，其设置有包括有第一反射光学元件21和第二反射光学元件22的组件(未标注)。在非限定示例中，第一反射光学元件21和第二反射光学元件22可包括反光镜(Reflective Mirrors)。

[0044] 这样，在操作时，与图2到图3中所示的组件18的转动相似，第一反光镜21可绕着光线14的光轴16转动以在复数个位置上捕获并反射相应的一部分来自点102的散射反射光线15到第二反光镜22上。随后，第二反光镜22接收并把来自第一反光镜21的相应的反射光线反射到透镜110上以便于接收装置13进行感测。在一些应用中，在操作时，第一反光镜21可连续转动，接收装置13可在第一反光镜21转动到期望的位置时对相应的光线进行感测。当然，在其他示例中，第一反光镜21也可不连续转动。

[0045] 在本实施例中，在操作中，接收装置13的位置是固定的。在一些示例中，透镜110的位置也可是固定的且接收装置13相对于透镜110也是固定的。另外，为了确保第二反光镜22可把来自第一反光镜21的光线反射给透镜110从而被接收装置13所感测，第二反光镜22也可进行转动并可根据第一反光镜21的位置调整自身的位置以便于把来自第一反光镜21的光线反射给透镜110从而其在接收装置13中进行处理。

[0046] 在一定的应用中，捕获单元20也可包括其他合适的光学元件以与固定的接收装置13来配合完成测量。如图5所示，其实施例与图4所示的实施例相似。二者不同之处在于在图5中，捕获单元20包括棱镜23，其设置在来自点102的散射的反射光线的光路上。在一些示例中，可设置一个或多个棱镜23。

[0047] 这样，与图4所示的实施例中相似，在操作中，随着棱镜23绕着光线14的光轴16的转动，在复数个不同的位置上，棱镜23捕获并传输相应的一部分来自点102的散射反射光线15给透镜110从而其可在接收装置13中进行处理。

[0048] 在一定的实施例中，距离测量系统10包括有光学单元12，其可在绕着光线的光轴分布的复数个不同的位置上捕获相应的来自物体表面上点的反射光线，从而来减小表面敏感性。基于对点的复数次测量，测量的准确性和重复性就可得到提高。进一步的，距离测量系统10也可在不同的测量范围内进行较高质量的测量。

[0049] 在相同的测量条件下，由于距离测量系统10的使用，对物体表面上不同点的测量精度或一致性也可得到提高。比如，在一个示例中，本发明实施例中的距离测量系统10的点到点的测量精度大约为8微米，而传统的距离测量系统中点到点的测量精度大约为59微米，其大约为本发明实施例中的距离测量系统10的点到点的测量精度的7倍。

[0050] 此外，在一些示例中，距离测量系统10设置有单一的组件18以转动的进行测量。在另一些示例中，接收装置13可以是固定的，棱镜23或反光镜21-22可被设置来进行测量。这样，本发明系统结构就比较简单，节省了系统成本，增加了系统的适应性，还可对传统的距离测量系统进行翻新。

[0051] 虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。