[发明专利]用于光学测量的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量目标物位置和取向的光学装置。

背景技术

对很多自动制造工序而言，快速准确地测量刀具或工件的位置和取向非常重要。尽管已研发出各种不同的测量系统，但光学测量系统被证明是精确、可适应、可靠并且相对不昂贵的。

大多数光学测量系统都依靠通过控制低强度激光器的输出而获得的各种效应实现。例如，可通过对由于激光束从偏移的目标物反射而发生偏移的干涉条纹进行计数来获得高精度线性距离测量。这样的系统可通过测量激光脉冲的撞击目标物和返回光源的光程时间而初始校准。

取向测量面临很多挑战，例如，平行于目标物旋转轴的光束可能不记录距离变化。这一问题的一个解决方案是利用格兰-汤普森(Glan-Thompson)棱镜的偏振效应，其中根据棱镜相对光束的旋转取向将入射激光束分解成强度不同的两个正交分矢量。这种系统一旦被校准，就会依据所测得的输出分矢量之间的强度差计算出目标物绕轴的旋转角度。

但是，采用这种测量技术的最简单形式获得完整的目标物位置信息会要求每个平移轴有单独的距离测量系统，并且对每个旋转轴有单独的旋转测量系统。由于单一多维测量系统的设置和操作会变得麻烦而昂贵，所以很需要用单个光束同时进行尽可能多的不同的测量。

发明内容

根据本发明，提供一种光学测量系统，包括：激光器，发出包括至少两个正交偏振分量的激光束；镜面反射目标物；干涉仪；以及用侧向效应光电检测器变型的自准直仪。

所述激光束进入干涉仪并入射在第一分束器上，在这里光束被分成基准光束和目标物光束。被反射的出射目标物光束通过第一四分之一波延迟片和第二分束器，并入射在目标物上，所述目标物将目标物光束回射到第二分束器。

一部分回射目标物光束被第二分束器反射成为自准直仪部分，并被第一透镜聚焦到检测器上。自准直仪光束的取向和焦点根据目标物俯仰或摇摆的变化而改变。检测器产生与检测器第一检测表面上的点的位置相应的第一输出信号。另一部分回射目标物光束通过第二分束器、第一四分之一波延迟片和第一分束器，入射在条纹计数器上。

基准光束通过第一分束器和第二四分之一波延迟片入射在固定的折回反射器上。折回反射器反射基准光束，使其再次通过第二四分之一波延迟片到第一分束器。第一分束器反射基准光束到条纹计数器，并且使基准光束与回射目标物光束合并。响应于基准光束和回射目标物光束之间产生的最小和最大干涉，条纹计数器产生第二输出信号。

在替代的实施例中，夹在第一分束器与条纹计数器之间的反向望远透镜组件减小由目标物俯仰或摇摆变化导致的回射目标物光束的角偏离。

与所测得的自准直光束方向的改变相应的第一输出信号可传送到计算机。与由条纹计数器检测的最小和最大干涉相应的第二输出信号也可传送到计算机。数据线将第一输出信号和第二输出信号传送到计算机，计算机依据第一输出信号计算目标物的取向变化，依据第二输出信号计算目标物平移。

本发明的所有这些特征在以下附图和说明中解释。

附图说明

图1示出本发明的测量轴。

图2示出典型的光学干涉仪的图。

图3示出常规自准直仪的简化图。

图4示出本发明的优选实施例的示意视图，包括光学干涉仪、自准直仪以及反向望远透镜组件(reverse telescopic lens assembly)。

图5示出采用本发明的两个模块的典型测量设置。

具体实施方式

本发明组合使用光学干涉仪与光学自准直仪，以便用单个低强度激光束来测量目标物在一个维度上的线性平移和在两个维度上的旋转取向。如图1所示，目标物130沿y轴的线性平移可通过将光束100导向反射表面140的光学干涉仪110来测量。

图2示出典型的光学干涉仪的图。稳定的光源200发出相干光束210，入射在本领域公知的分束器260上。光束210的基准部分220被导向固定的基准反射器230并返回分束器260。光束210的目标物部分240通过分束器260入射到目标物反射器250上。目标物反射器250可为直接或间接固定到要测量其线性平移的目标物表面的平反射器、折回反射器(retroreflector)或其它合适的反射器。光束的目标物部分240从目标物反射器250回射到分束器260，并与光束210的基准部分220再次合成。