CN1230692C - 无接触地测量光源距离的光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明有关无接触地测量光源距离的光学设备，该设备包括由单元检测器组成的光检测装置，还包括：一套N重成象装置(SP1，SP2，SP3)，N≥3，该装置可以在检测装置附近的平面上检测该光源的图象，并通过该装置形成一系列焦点，每个焦点至少跨越两个单元检测器；还包括一计算电路，该电路根据至少三个焦点的相对位置，计算出至少一个光源距离的特征参数，其精确度取决于焦点的数目N。该测量装置的特征在于，它是为工业测量而设计的(包括尺寸、结构、位置、振动，位移等)。

Description

无接触地测量光源距离的光学设备

本发明有关无接触地测量光源距离的光学设备。例如，可以应用该设备，在工业领域，无损害地测量尺寸(测量高度或厚度，测量器件的外形，绘制图表，自动装置的位置定位等)。

在用来无接触地测量距离的光学设备当中，三角测量系统，在工业领域的应用是非常广泛的，可以构成廉价的、易于使用的设备。测量从该物体到装置间的距离的原则，是计算该物体的视角。从轴线外投射出的，成象到物体上的光点或光线(也就是说沿着与系统的光轴不同的轴线传播)，重新成象到该检测器附近的平面上，形成光点；在这类设备中，该物体被认为是点状的；该检测器上的光点的位置，比方说，是通过亮度分布的中心来定义的，该位置与该投射的光点或光线的视角的正切值成正比。该设备不进行图象识别，因而不需要良好的精度。相反，该设备采用具有较低的数值孔径的光学仪器件并具有良好的测量范围深度。该方法的主要缺点之一是，由光源的照明系统所投射的脱离轴线的图象，将形成无法测量的阴影区域，特别是当该被测物体具有较高的空间频率时(也就是具有较陡的斜面)。而且，由于在传输通道和接收通道间的必要的角度，该系统的尺寸随着工作距离的增加将显著地增大。

为诸如机动车的应用而发展的，基于体视法(stereoscopy)原理的设备，性能更加优越。它们使用了与两套间隔距离为L的光检测装置向关联的光学系统，每个光学系统构成一个物体的图象，从而，通过测量由该两套检测装置所给出的两个图象间的距离λ，可以确定距该物体的距离。在这类设备中，所测量的距离的精度直接与距离L成正比，这就要求使两个检测装置彼此充分地分开。这样，这类设备的体积庞大并且使使用受到限制，因为它要求检测器的相对位置具有非常高的稳定度。为了取得更好的精确度，一些这类设备具有改进的图象处理和识别算法，使它们能获取更加准确的距离λ(例如，参见发明EP 0 558 026)。这些设备需要较高的数值孔径(较低的焦距/直径比)以获得较好的光学分辨率，因而具有较小的测量深度，这就要求它们与范围调整物镜一同工作。

其它的距离测量设备是基于，当该物点在标准位置的两侧移动时，对利用主物镜所得到的该物点的成象点的扩散的分析(例如，参见IEEE论文“模式分析的处理和机器智能”，1992年2月，第14卷，第2期，99-106页，安德森等人著。)。

本发明提出了一种紧凑的测量距离的光学设备，该设备具有优良的精度，较好的测量深度，并能够工作在该设备的轴线上。该设备包括成象装置，光源通过该装置在检测装置上形成一系列光点，根据这些光点的相对位置，确定距光源的距离。这些成象装置位于光阑平面附近的平面上，每个装置构成一个子光阑。在依照本发明的设备中，距离的精确度取决于光点的数目。该数目越多，测量就越准确；因而，对于足够小的成象装置，例如微透镜，该设备只需要一个单独的检测装置，例如，一个线性阵列或矩阵检测器。

更加准确地说，本发明有关无接触地测量光源距离的光学设备，该设备包括由单元检测器组成的光检测装置，和一套N成象装置(6)，N≥3，其特征在于：

-该成象装置可以将光源成象在该检测装置附近的平面上，这样在该装置上形成至少三个光点，每个光点至少跨越两个单元检测器；

-该设备还进一步包括计算电路，该电路可以根据至少三个光点的相对位置，计算出至少一个从光源到设备间距离的特征参数，其精确度取决于光点的数目N。

该计算电路最好还包括校准表，该校准表具有至少一个校准参数，将该特征参数与该校准参数的值相比较，从而利用该校准参数值确定了到光源的距离。依照一种操作方式，该设备进一步包括用于光点在检测装置上空间定位的电路，来确定每个光点相对于参考点的位置。

依照本发明的设备具有体积小，使用方便，快捷的优点，因为它使用了简单的计算算法；它可以使用较小数值孔径的成象装置，因为它不要求光学分辨率，因而它具有较深的测量范围，从而不需要范围调整物镜，即使该条件是可以实现的。而且，该设备可以在轴线上工作，由于它具有很多成象装置，从而限制了无法测量的阴影区域。

通过阅读以下附图所描述的说明书，可以了解到本发明的进一步的优点和特征。

图1显示了依照本发明的设备的第一个例子。

图2显示了该设备的变化，该设备使用了位于轴线外的照明系统和成象物镜。

图3显示了在依照本发明的示例性设备中的光点的形状。

图4-1，4-2，4-3描述了依照本发明的操作方式，计算距离的原理。

图5在图表中显示了一种对于该操作方式可行的计算方法。

图6A和6B显示了该设备在特殊结构上的变化，其中，该第二光源是线型的。

图1和图2描述了依照本发明的设备的例子，该设备可以测量距光源4的距离。首先，该光源被认为是点状的或近似点状的。通常，该光源是自然的(例如荧光分子)，或者是由通过照明系统照明的物体的单元平面组成的光源，该光源被称为第二光源。因此，在图1和图2中所描述的设备包括照明设备(1，2)，该设备可以，例如投射光点到需要测量距该系统的距离的物体上。该光点作为第二光源4。该用来照明的光发射器1可以是与物镜2相连接的激光二极管，该物镜2可以在标准的工作距离上聚焦。该聚焦也可以，如图6A和6B所描述的，沿着直线来实现，下面将做进一步的描述。该照明设备可以与系统9的接收通道的光轴对准(图1)；这样，共线可以解决无法测量的阴影区域的缺陷。该照明系统与光轴的对齐，可以通过使用分光板3来实现。该照明设备可以偏离轴线(图2)，这简化了系统；这种结构特别适用于阴影区域可以忽略的“长距离变化”系统中。在非共线结构中，没有关于照明系统位置的角度的限制，这与现有技术的三角测量系统正相反。

如果该物体是漫反射的，该光源将光线向各个方向反射，其中的部分光线反射到接收系统中。如果该物体是反射的，该光源将光线呈锥形反射，该锥形的孔径由照明装置所限定，该轴线的方向取决于该物体的方向。因此，必须提供合适的匹配条件：要么是该物体的物理方向，要么是照明设备的高光学孔径，正如在显微镜中所遇到的那样。

在依照本发明的设备中包括，由单元检测器组成的，也被称为检测器的检测装置7。它还进一步包括一套N成象装置6A，N≥3，这样，该可以将光源4成象在检测装置7附近的平面上，这样在该装置上形成至少三个光点8，每个光点至少跨越两个单元检测器；位于光阑平面上，该成象装置可以将来自光源的光束分成与子光阑数目相同的子光束。

在图1和图2所描述的例子中，该检测装置是单元检测器的线性阵列(检测器排列成一条直线)，该成象装置是由基本上相同的微透镜的线性阵列组成的，该微透镜以基本上固定的距离一个挨着一个地排列。以下我们将看到，为了计算距光源的距离，不一定需要固定的间距，该成象装置的周期性分布，即使该周期不是固定的，也将简化计算，使计算距离成为可能。该微透镜的线性阵列放置在检测器的线性阵列之前，并与至平行。例如，由2048个单元检测器或14μm(标准格式)点组成的28mm长的CCD阵列；可以选择100个直径为287μm的微透镜阵列来工作；每个微透镜的子光阑将对应检测器上的20个单元检测器；例如，焦距选择为10mm，该焦距比微透镜的直径大，因此，该光点的形状仍然在衍射限制范围之内；在上述的例子中，该衍射限制大约为50μm，对应于3或4个单元检测器。图3显示了在检测器上(在本例中，为CCD阵列)实验获得的光点的形状。该微透镜，比方说，可以是球形或圆柱形的；在本例中，该圆柱形透镜的母线基本平行，并且该检测器线性阵列的轴线与该母线垂直。

图2描述了该设备的变化，该设备包括形成光束的光学系统10。这就可以定义一个被测光源的标准位置(在该系统的焦点处)，该位置对应于光点的特定的分布，关于它在计算距光源距离中的好处，将在下面进行解释。该光学系统可以是简单的透镜或透镜的组合。它还可以进一步包括一个圆柱形透镜，使得光线聚焦在检测器线性阵列上(因为后者通常并不宽：几微米到几百微米)；这种结构，尤其有益于使用圆柱形透镜的线性阵列作为成象装置的系统。

依照一种变化，也可以使用一个圆柱形微透镜的线性阵列，放置在单元检测器矩阵前。这样，每个微透镜，从光源处开始，在检测器矩阵上形成一条平行于母线的轴线的直线。该信号可以沿着该直线相加，增强了信噪比。

依照另外一个变化，该成象装置可以是球形或非球形微透镜矩阵，形成单元检测器矩阵上的光点。

依照本发明的设备，进一步包括计算电路，该计算电路可以根据至少三个光点的相对位置，计算出至少一个从光源到该设备的距离特征参数。依照一种变化，它还进一步用于光源在检测装置上空间定位的电路，来确定每个光点相对于参考点的位置。图4A，4B和4C可以描述用来计算距光源距离的可能的方法。

该定位电路可以确定每个光点的中心相对于参考点的位置。就计算每个光点的中心位置而言，存在着各种方法：计算该光点所跨越的几个单元检测器的亮度中心的空间位置，例如，通过给每个单元检测器设定一个有关其照度等级的系数；该亮度的中心就构成了该光点的中心，并确定在该单元检测器的宽度范围之内。也可以通过与之近似的理论曲线或数学函数来内插该点的值(基数正弦(sin(x)/x)，高斯函数(exp(-x²))，...)，该方法为天文学领域所熟知，并应用于该领域。每个光点中心的位置可以通过不同的参考点来测量：可以参考检测器上的固定点，或参考检测器上相应的子光阑的每个几何凸起的末端或中心(在本例中，该参考点被称为“浮点”)。

为了解释计算距光源距离的方法，考虑了三个成象装置，例如，从微透镜线性阵列的中央部分抽取出来的，三个紧挨着的微透镜，构成该设备的三个子光阑，参见图4A中的SP₁，SP₂和SP₃。该微透镜可以设定为以基本上固定的间距分布的。该光源4可以认为是点状的或近似点状的，该光源从任何连续的位置A和B向设备发射光线(A和B位于下述的测量范围内)。从光源发射的光线经过微透镜的平面5。接着，该光束沿着相应的子光阑分开。该透镜将光源重新成象在检测器7的平面上，作为光源的标准位置(这样，在本例中，该光源和该检测器共轭)，还成象在它附近的平面上，作为其它位置(在该检测器的平面上发散)。在两种情况下，都在检测器上形成了一系列光点，该光点在所选的例子中是线性分布的，每个光点对应于一个子光阑。该发散不会引起麻烦，因为通过使成象装置略微分开，它们可以工作在衍射状态下，将不产生图象，也就是说，该光点的尺寸对应于那些成象装置的衍射点。

这些光点位于从光源发出的光束的中央，并穿过对应于在图4A中所述的子光阑SPn的微透镜的光学中心O_n(实线的光线是关于位置A的，而虚线是关于位置B的)。在本图中，忽略了光线扩散的影响(A和B重新成象在检测器的平面上)，该扩散的唯一的后果是光点扩展的多或少(但它还是保持在上述光线的中央)。在图4A所示的例子中，对应于子光阑SP₂的光点的位置是不变的，因为与SP₂内接的透镜的光轴与光源的移动轴一致(该轴线定义为(AB))。当实际使用该设备时，该中心子光阑不必准确地位于中心位置，但它依然接近中心位置，因而该光点的位置的变化非常小。

图4A可以显示图2所示的光学成象系统10的一个优点。事实上，一方面，它可以方便地调整工作的距离(通过改变光学系统)，另一方面，可以为系统提供可能的完整动态测量范围。事实上，图4A显示了，如果没有成形物镜，该光点将总是偏离中心位置，并且，它将不能到达一半的子光阑上。相反，图1显示了，在标准的距离处，该光点位于子光阑的中心(透镜的焦点处)。如果省去了光学成象系统10，透镜矩阵将独立完成将光束分光至子光阑中，和将光束聚焦在检测器上的光点上的功能。

一种计算方法包括确定两两相连的光点的平均空间间距。这种方法是可行的，因为在很多具体的应用中，光点彼此间是等距离的(可以把它比方为光点位置的线性分布)。当成象装置基本相同并且以基本固定的间距分布时，就是这种情况。该间距是从光源到设备间距离的特征参数。这是因为，如果两个连续的光点间的间距为d_A和d_B，分别代表光源A和B的位置，那么，依照图4A的例子：

$d_A=\frac{\left[\mathrm{AD}\right]}{\mathrm{AD}]-[\mathrm{DP}}\left[O_1{O}_2\right],d_B=\frac{\left[\mathrm{BD}\right]}{\mathrm{BD}]-[\mathrm{DP}}\left[O_1{O}_2\right]$

[O₁O₂]＝p为子光阑的间距，[DP]＝f，子光阑平面与检测器间的距离，是该系统的几何参数。因此，可以推出参数[AD]和[BD]为：

$\left[\mathrm{AD}\right]=\frac{f\×d_A}{d_A-p},\left[\mathrm{BD}\right]=\frac{f\×d_B}{d_B-p}$

该方法显示了该系统所提供的信息的冗余度(如果光点的数目为N，dA被测量了(N-1)次，d_B也被测量了(N-1)次)。

一种计算该平均间距的实际的方法包括确定直线的斜率，该直线表示每个光点的中心位置与相应的子光阑间的函数关系，例如，用数目号来索引编号(从一组子光阑中相等地选取子光阑0或1)。图4B描述了光点沿着直线的分布情况，该光点是由每个子光阑的位置和每个光点的中心位置所确定的。该直线的散射会对系统造成损害，特别是会对微透镜矩阵的制造造成损害。对该直线的斜率的计算，比方说，可以通过传统的线性回归法来实现(最小二乘法)；测量值与估算直线的相应值间的差值的平方和最小(这样就获得了最小二乘直线)。

图4C更具体地显示了图4A的子光阑SP1和SP2中的检测器上的能量分布情况。由于光源的纵向位移，光点中心的间距不同(粗线对应A处的光源，细线对应B处的光源)。该图可以使我们理解为什么该系统可以允许光线扩散，即使是基本上的；该光点可以更加地扩展，但它们的中心不变。而且，成象装置的小数值孔径和衍射机制限制了光线扩散的影响。

上述的函数显示了所测量的距离和光源的纵向位置是一一对应的函数。对于斜率也是这样。该测量的纵向范围的定义，或深度范围，取决于所选择的几何参数(子光阑的数目，透镜的直径和焦距)：有必要使用在检测器上形成的所有的光点，也就是说，每个光点都保持满意的形状(不能有太大的偏差，也不能有过度的扩散)。

就测量的范围而言，可以更加普遍地定义一个测量尺度。该光源应位于该尺度内，以便能够被测量。该尺度可以定义为光点的位置和质量的函数：沿着X轴(见图4A)，有必要使该光点保持在检测器上；沿着Y轴，有必要使该光点保持较好的质量和足够的数目(它们可以被成象到相邻的子光阑上，因此会偏离轴线)；沿着Z轴，就是上述的深度范围的问题。因此，该测量尺度是该系统特征的变化函数。

上述的函数显示了，如何根据该设备的已知的几何参数，直接确定光源到设备的距离。在实践中，该计算电路可以包括具有至少一个校准参数的校准表(例如上述的平均间距或直线的斜率)，这些参数值用来确定距光源的距离。这些数值是预先通过实验或理论的方法确定的。然后将在测量过程中确定的距离的特征参数，与该校准参数值相比较。图5描述了执行依照本发明的设备的方法的步骤，该设备包括定位电路51和包括校准参数表53的计算电路52，该计算电路将在测量过程中确定的平均间距或斜率值与该校准参数值进行比较，以便从中提取出距光源的距离值。

上述的例子是用来处理线性排列的光点的。在更加普通的方式中，对每个成象装置进行编号，根据代表每个光点的位置与该成象装置的序号的函数曲线的特征参数，可以确定距光源的距离。这里，该计算电路还可以使用包含确定距光源距离的校准参数的校准表，来获得距光源的距离。

根据操作依照本发明的设备的另一种方法，不必通过定位电路装置来确定光点的位置。该计算电路可以对光点分布的空间频率进行分析，这样，根据该频谱图，可以确定距光源距离的特征参数。例如，如果光点的分布基本上是周期性的，根据频谱而确定的参数之一是该周期的倒数。例如，该频谱的分析可以通过传统的快速傅立叶变换算法来实现。

图6A和6B显示了应用于同时测量到多个点状光源距离的上述设备的一种变化。更加具体地，该光源是一系列构成一条直线的光源。

该光发射机1和它的物镜2不必与接收系统的光轴9成一条直线。该第二光源是通过光发射机沿着光线4和4bis而投射的光线产生的。图6A(俯视图)是在与该投射光线4垂直的平面上的透视图；图6B(侧视图)显示了在包含该投射光线4bis的平面上的系统。所使用的检测器可以是CCD矩阵相机7。

该返回的光线被光学成像系统10所接收。该光束在子光阑的平面5中，沿着子光阑6分开(与上述的第一种设备的情形相同)，然后，聚焦在检测器7上。图6A显示了测量到点状和近似点状光源的距离的设备，与测量到包含排列成一条直线的点状或近似点状光源的距离的设备间的相似性。在每个与该直线垂直的平面中，包含有与上述第一设备相同的器件：光源(与该直线和上述的垂直平面内切)，成象装置的线性阵列，例如微透镜，线性检测器的等价物(上述垂直平面中的检测器矩阵的直线11)：该光源与该设备间的距离，是所测量的该线性检测器(检测器矩阵7的线11)上，相应的光点的亮度中心的间距的函数。还必须考虑附加的实施条件：该投射的光线应与该检测器共轭或近似共轭，该检测器位于与该成象装置的线性阵列方向相垂直的平面中。如果不是这样，该空间分辨率将下降。该设备的空间分辨率，也就是说从其形状中所获得的测量点的数目，在与投射光线平行的方向上，以及其扩散的方向上，是单元检测器数目的函数。

依照本发明的设备，在用来测量尺寸的工业领域中，可以替代全部的检测器(特别是三角检测器)。而且，该设备为在工业检测(无损害地检测)，生物(例如，测量荧光物体的轨迹)，自动化等领域中的应用，开拓了崭新的天地。

Claims (11)

1、无接触地测量光源距离的设备，包括由单元检测器组成的光检测装置(7)，和一套N个成象装置(6)，N≥3，其特征在于：

-该成象装置可以将光源成象在该检测装置附近的平面上，这样在所述检测装置上形成一组至少三个光点，每个光点至少跨越两个单元检测器；

-该设备还进一步包括计算电路，该电路可以根据至少三个光点的相对位置，计算出表示至少一个从光源到设备间距离的参数，其精确度取决于光点的数目N。

2、依照权利要求1的设备，其特征在于计算电路包括校准表，该校准表具有至少一个校准参数，所述校准参数的值被确定用于从光源到所述设备间的距离，并且将该特征参数与该校准参数的值相比较。

3、依照权利要求1或2的设备，其特征在于它进一步包括用于光点在光检测装置上空间定位的电路，来确定每个光点相对于参考点的位置(dA)。

4、依照权利要求3的设备，其特征在于：

-每个成象装置的索引编号为(SP1，SP2，...)；

-由该计算电路所计算出的表示距离的参数是表示代表每个光点相对于参考点的位置(dA)作为该成象装置的索引的函数的曲线(dA＝f(SP1，SP2，...))的参数中的至少一个。

5、依照权利要求4的设备，其特征在于，由空间定位电路所确定的光点的位置基本上沿着一条直线分布，因此该曲线基本上是一条直线，由该计算电路所计算的参数就是该直线的斜率。

6、依照权利要求1或2的设备，其特征在于，该计算电路对所述一组光点分布的空间频率进行分析，这样，根据该频谱图，可以确定表示距光源距离的参数。

7、依照权利要求6的设备，其特征在于，所述一组光点的分布基本上是周期性的，根据该频谱而确定的参数之一是该周期的倒数。

8、依照权利要求1或2的设备，其特征在于，该成象装置是由基本上相同的圆柱形微透镜的线性阵列组成的，该微透镜以基本上固定的距离一个挨着一个地排列，该圆柱形透镜的母线基本平行，该检测装置为单元检测器矩阵或单元检测器线性阵列，其轴线与该微透镜的母线垂直。

9、依照权利要求1或2的设备，其特征在于，该光源由物体的照明单元表面组成，这样就形成了第二光源，它还包括照明系统，可以使它产生该第二光源。

10、依照权利要求9的设备，其特征在于，它包括一个位于该第二光源和成象装置之间的分光器，该分光器可以将来自照明系统的光束引导至该单元表面，并将来自该第二光源的光线传送至该成象装置，这样，可以使照明系统的轴线与该设备的光轴共线。

11、依照权利要求1或2的设备，其特征在于，它包括位于光源和该成象装置之间的光学成象系统，用来调整测量距光源距离的范围。

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