[发明专利]基于微阵列的空间滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括传感器和空间滤波器的空间滤波测量装置，其中从测量对象射出或反射的电磁辐射尤其是光通过所述空间滤波器在所述传感器上成像。本发明还涉及一种空间滤波测量设备，镜阵列作为空间滤波测量装置的空间滤波器的用途，和一种实施空间滤波测量的方法。 

背景技术

空间滤波器的测量技术是沿用已久的、健全的和有效的方法，其用于对诸如气体、液体或固体的测量对象的速率进行非接触测量。空间滤波器的测量技术由于没有任何机械运动机件而可无磨损地和可靠地工作。不存在降低测量或器件性能的动力传递损耗和物理磨损。除了测量速率，也可测量测量对象的加速度、定位或位置、或其它特定应用参数，诸如体积流率或物质流、颗粒尺寸或颗粒尺寸分布。 

自构成硬件相关器以来，已知的空间滤波测量设备或空间滤波测量装置的结构设计中业已实现了与将运动转换成（空间）频率有关的信号处理的主要部分。实施空间滤波测量不需要极好的点源。其中会使图像信息相关联以及生成运动等效频率。信号分析可提供简单且大大压缩的数据。 

简单来讲，空间滤波测量技术基于以下原理：当运动的物体或运动的表面移动经过具有可能周期性的、透明和不透明光栅线结构的光栅时，该物体或表面会产生周期信号；该信号的频率是该物体的运动速率和该光栅的光栅参数或光栅常数的函数。包含在这个相依关系中的还有例如在某些情况下使用的光学透镜、透镜系统或其它光学元件的放大系数。 

如果光栅结构为已知，还可选地知道在空间滤波测量装置的光路中使用的光学装置的放大系数，就可利用观察到的信号的频率推算出测量对象的运动速率。例如在采用具有平行光栅线的线光栅的情况下，其中所测量的是垂 直于光栅线方向的运动的速率分量。平行于光栅线方向的速率分量不会对通过该光栅的光产生任何调制。因此该分量未被测量。 

在匀速运动的情况下，用作空间滤波器的线光栅产生具有明显最大值的频率响应，该最大值对应于测量对象垂直于光栅线方向的运动分量。另外的频谱可选地叠加在该频率最大值上，该频谱的出现是由于测量对象表面上出现的任何表面粗糙度。由表面的规则性或不规则性产生的空间频率可被用作测量效应。但是，在分析测量结果时，它们也可产生不确定性和模糊性。 

基本上有二种已知的实施空间滤波测量的方法。在第一方法中，使用硬件空间滤波器来进行空间滤波测量。这些空间滤波器包括分立的结构元件，诸如光栅。因此，从运动的测量对象传递的光可不断地被调制。其中调制频率取决于测量对象的速率和光栅的定向，以及光栅的光栅参数或光栅常数。如果使用放大光学器件，调制频率也会随着放大系数增大。 

时间调制的光被例如具有诸如10MHz或高达GHz范围的高截止频率的光敏二极管探测。在第一方法中，光敏二极管的快速反应时间使空间滤波测量可处理很快的信号和很高的频率—只要有足够的光。为此，硬件，从而可选择的所用的光学器件和所用的空间滤波器，可适应于给定的使用条件—例如可根据所要测量的测量对象的速率或表面性质。该适应所要达到的是为给定的使用条件和待测参数调节最佳的调制信号。这样做的目的是，例如通过空间滤波器的光栅参数来避免不确定性或破坏性共振以及获得有效的信噪比。 

采用分立光学结构元件作为空间光栅的第一方法给通过使用很快的接收器才能进行的测量提供很高的时间分辨率。但是，硬件适应的成本高。较低的灵活性意味着有时可能不能识别测量结果中的不确定性和表面参数之间的不必要的交互作用。 

第二方法排除了使用硬件空间滤波器的需要。相反，通过线式或二维接收器的特殊信号处理来实现空间滤波测量，例如，可通过使用CCD或CMOS芯片的照相机。这种情况下，不需用光栅；而是用由光学接收器构成的类光栅或类矩阵结构来实施空间滤波测量。 

这里的空间滤波测量包括产生从单个格子发出的信号的关联或总和，其中采用计算装置来产生空间滤波效应。因此在不修改硬件的情况下，可仅仅 基于对分析程序的可通过软件的调整来应用不同的空间滤波器。这类似于在上述方法中替换光栅。使用第二方法的空间滤波测量很灵活，且容易适应各种各样的使用条件。可采用复杂的空间滤波计算程序和修正计算程序，因此可显著减少任何可能的不确定性和错误。