遮光器稳定型绝对距离计的制作方法

专利名称：遮光器稳定型绝对距离计的制作方法
背景绝对距离计(ADM)通常是一种测定遥远目标距离的装置，测量时向目标发送激光，然后收集该目标反射或散射的光。ADM可用来测量一维距离，或附接于能测量对应于附加维度(自由度)的量的更复杂的装置。
一例此类装置是激光跟踪器，可测量三维空间坐标。激光跟踪器向相对有关表面固定的或装入固定器具的反光镜目标发送激光束，最常见类型的反光镜目标是球面安装的反光镜(SMR)，包括装在球面内的立方角反光镜，立方角的顶角在球面中心。
激光跟踪器内的万向架机构可将激光束从跟踪器导向SMR，被SMR反射的光部分进入激光跟踪器并传给位置检测器。激光跟踪器内的控制系统利用光在位置检测器上的位置，调整激光跟踪器机械方位轴与天顶轴的转动角度，保持激光束集中于SMR，因而跟踪器能跟踪在有关物体表面移动的SMR。
反射入激光跟踪器的光部分还传入测距装置(距离计)，如干涉仪或ADM。附接于跟踪器机械方位轴与天顶轴的角编码器，也可测量激光束(相对于跟踪器参考框架)的方位角与天顶角。激光跟踪器作一次测距和两次测角就足以完全限定SMR的三维位置。
下面对干涉测仪距与绝对距离测量作一比较。在激光跟踪器中，干涉仪(有的话)统计已知长度增量(通常为激光的半波长)在反光镜目标在起点与终点间移动时的通过次数，可测定这两点间的距离。若激光束在测量期间被遮断，就不能准确地知道计数，使距离信息丢失。相比之下，激光跟踪器里的ADM测定反光镜目标的绝对距离时与激光束遮断无关。由此可以说，ADM能作“瞄准与发射”测量。
在干涉仪测量中，虽有若干误差源，但在大多数场合中，主要误差在于激光在其通过空气的路径中的平均波长值。空间某一点的波长等于激光的真空波长除以空气在该点的折射率。激光的真空波长通常高度精确(优于1/107)，但空气的平均折射率都不大准确。求解空气折射率时，要先用传感器测量空气的温度、压力和湿度，再将这些测量的值代入有关方程，Ciddor方程或Edlin方程。
然而，空间的温度、压力和湿度并不均一，而且传感器也并非完全精确，例如平均温度差1℃，可造成折射率误差百万分之一(ppm)。如上所述，空气中的光波长与空气折射率成反比例。
在ADM中，所谓的ADM波长(也称为模糊范围)同样与空气折射率成反比关系。因此，测量温度、压力和湿度的误差就造成计算距离的误差，这对ADM与干涉仪系统几乎一样。
然而，ADM易出现干涉仪中未发现的误差。为测量距离，干涉仪用电气计数器跟踪两条光束同相与异相的次数，而计数器是一种数字装置，不一定响应于小的模拟差异。相比之下，通常要求ADM把相移或时延等模拟值测量到高度精密。
为理解ADM面对的难题，我们来研究三种普通的ADM结构电学参考结构、光学参考结构和光学混合结构。在大多数高性能ADM中，激光调制方法或是对激光源加电信号，或是把激光发送通过声光或电光调制器一类的外接调制器。该激光从ADM发送到可能是反光镜或漫射表面的远地目标，而从该目标反射或散射的光至少部分返回ADM。
基于光学混合结构的系统通常称为相干系统。在这些系统中，返回的激光与来自另一位置的激光混合后，再送到光学检测器把光转换成电信号。然后对该电信号译码，测定ADM到远地目标的距离。
不相干系统基于另两种结构之一。在电学参考结构中，来自光学检测器的电信号直接与加给激光器或外接调制器的电气调制器信号比较。在光学参考结构中，来自光学检测器的电信号与所谓的参考通道中第二光学检测器输出的电信号比较。在该结构中，将调制的激光送给两条平行通道将光传给远地目标的测量通道和其光停留在ADM附近的参考通道。这两条通道包含大体一样的元件同样的光学元件、检测器和电子线路。
电学参考结构不能完美地把电学调制转换为光学调制。此外，所有三种结构都存在光学与电学元件造成的漂移与可重复性误差，如ADM系统使用的光纤会随温度改变光路长度，通过在长度与位置上匹配参考和测量通道中的光纤，可将该问题减到最小。ADM系统使用的电气组件，如放大器与滤波器，会使调制的信号经历温度相依的相移。在光学参考结构中，通过在参考和测量通道中匹配电气元件的温度相依的相移，可尽量减小该问题。但一般而言，对任何结构的ADM，短期可重现性误差和长期漂移(尤其与环境温度变化有关)都成问题，而这两种误差就是一般称为稳定性误差的例子。
无论距离计是ADM还是干涉仪，激光跟踪器还遇到另一类测距误差，通常称为RO(R-零)误差。在激光跟踪器中，认为光通过一枢点，也称为万向点，希望ADM或干涉仪测出的所有距离都参照该万向点。为此，被设计成在运动学上支持SMR的磁具牢固地连接激光跟踪器本体。平时位于原来位置的该磁具接在激光跟踪器的出射孔下面，测量时不挡住激光束。为测定万向点与该原来位置的RO距离，要执行称为RO补偿的步骤。测量过程中，SMR偶尔引入到原来位置，距离就复位至RO距离。对干涉仪而言，这样就提供了恢复被遮激光束的简明方法；对于ADM，这是一种去除电学或热学漂移的方法。
跟踪器外壳金属随温度而伸缩，故RO值相应地增减。能以实时方式校正RO值而部分补偿这种扩展，其方法是在跟踪器金属体内埋置一个或多个温度传感器，再用测量的温度校正金属的热膨胀。但该法并不完美，因为金属的平均温度或金属的热膨胀系数都不精确。由于RO的胀缩正比于长度RO、热膨胀系数与温度变化的乘积，因而被校正的RO测量的误差幅度直接正比于RO距离而增大。遗憾的是，因处于原来位置的磁具装到跟踪器本体上，故RO距离必定为非零。

发明内容
本文描述的绝对距离测量装置克服或减轻了原有技术的上述和其它缺点与不足，该装置包括参考和测量激光信号通路，并含有提供激光信号的激光源和遮光组件，而遮光组件包含限定至少一个通过一部分可转表面设置的孔径的可转表面；其中将激光信号导向遮光组件可转表面上不同的点，在可转表面旋转时，孔径有选择地让所述至少两条激光信号通路的每一条传输与不传输。
根据以下的详细描述和诸附图，本领域的技术人员显然明白该遮光稳定型绝对距离测量装置的上述和其它特点与优点。
附图简介现参照附图，图中同样的元件标以同一编号；

图1以透视图示出一例向SMR发送激光束的激光跟踪器，其中激光跟踪器选用的元件表示成块；
图2以俯视图示出图1的示例激光跟踪器；图3以透视图示出ADM遮光组件示例元件，激光发送给分束器；图4以俯视图示出图3的示例ADM-遮光组件；图5以透视图示出ADM-遮光组件的示例元件，激光发送给内反光镜；图6以俯视图示出图5的示例ADM-遮光组件；图7以透视图示出ADM-遮光组件的示例元件，激光发送给内反光镜；图8以俯视图示出图7的示例ADM-遮光组件；图9示意性示出ADM和ADM-遮光组件的示例元件；和图10示出示例ADM中中频(IF)电信号的图形。
较佳实施例的详细描述现在详细参照本发明诸较佳实施例，其实例见诸附图。本发明提供的ADM，用遮光器改进测量稳定性，若将它装入激光跟踪器，还可减小RO误差。
示例的激光跟踪器特性现参照图1，图示为向SMR发送激光束的示例激光跟踪器的透视图。该示例激光跟踪器一般包括方位轴组件12、天顶轴组件14、有效负载组件16和辅助组件18。示例性方位轴组件12包括基架20、方位轴外结构22、方位轴内轴(未示出)、方位轴轴承(未示出)、方位轴电机(未示出)和方位轴角编码器(未示出)。下面描述方位轴组件12的各种示例特点。基架20设计成将激光跟踪器10紧固于仪表架或类似结构。方位轴外结构22接至基架20并相对其静止。方位轴轴承方位轴电机和方位轴角编码器配装在方位轴内轴与方位轴外结构22之间。方位轴轴承让方位轴内轴平稳旋转，摩擦很小；方位轴电机可将方位轴内轴转到任一期望的方位角；方位轴角编码器可测量方位轴内轴的方位角。
所述的示例天顶轴14包括轭架24、天顶轴内轴(未示出)、天顶轴轴承(未示出)、天顶轴电机(未示出)和天顶轴角编码器(未示出)。下面描述天顶轴组件14的各种示例特点。轭架24牢接方位轴内轴，使整个天顶轴组件14与方位轴内轴一起旋转。轭架24可弯成U形，天顶轴内轴可插入其中的钻孔。天顶轴轴承、天顶轴电机和天顶轴角编码器配装在天顶轴内轴和轭架孔表面之间。天顶轴轴承让天顶轴内轴平稳旋转，摩擦很小。天顶轴电机可将天顶轴内轴转到任一期望的天顶角。天顶轴角编码器可测量天顶轴内轴的天顶角。
现参照图1和2，图示为示例的有效负载组件16，它一般包括安装板26、光电子组件28、ADM-遮光组件30、位置检测组件32、束展宽组件34和分束器36、38。示例的安装板26包括一块平板或其上附接两个安装法兰40的同类坚固结构，天顶轴内轴可紧接到安装法兰40，使天顶轴与方位轴的旋转传递给有效负载组件16。
仍参照图1和2，示例的光电子组件发射可见激光42。在一示例实施例中，激光42在位于辅助组件18中的激光源(未示出)里生成，在通过方位轴与天顶轴组件激光的光纤44上发射，如图1和2所示。在另一示例实施例中，激光器(未示出)装在安装板26上的光电子组件28内。或者，光电子组件28还可包含能测量增量距离的干涉仪(未示出)。
再参照图1和2，示例的ADM-遮光组件30以不同于光电子组件28发射的波长来发射激光(一般示为46)。在一示例实施例中，ADM-遮光器激光46具有处于近红外谱肉眼安全区的波长，例如约1550nm。在一示例实施例中，ADM-遮光组件30发射的激光46由装在辅助组件18里的激光器生成且在通过方位轴12和天顶轴14组件敷设的光纤44上发射。
现参照图2所示的示例结构，来自光电子组件28的激光先通过部分透射的分束器38，其中只返射一小部分光，大部分光则被透射。然后激光通过二色分束器36，后者透射来自光电子组件28的可见光42，但反射来自ADM-遮光组件30的光46。在二色分束器36之后，来自光电子组件28和ADM-遮光组件30的激光组合成一条合成激光束。该合成激光束先通过第一透镜48(束展宽组件(图1中34)的凹面或凸面)，再通过第二透镜50(束展宽器的凸面)。在一示例实施例中，将两透镜48、50主平面的间距设置成等于两透镜48、50的焦距之和，形成把准直的入射束转换成准直的输出束的无焦束展宽器。
再参照图1和2，描述该示例激光跟踪器10的示例性操作。合成激光束54离开激光跟踪器10向目标如球面安装型反光镜52(SMR)行进，若激光束54中心射到位于SHR 52中心的立方角反光镜(未示出)的顶角上，则反射的光就返回入射光通路。合成激光束54再进入跟踪器10，在它通过束展宽器34的两块透镜50、48时，尺寸减小了。二色分束器36将ADM激光(在一示例实施例中有一红外区内的波长)反射入ADM-遮光组件30，并且透射其余的光(在一实施例中具有可见区内的波长)。部分透射分束器38把少量光反射到位置检测组件32上，而把其余光透射入光电子组件28。调节位置检测组件32，使射到SHR 52中心上的激光束52也射到位置检测组件32的中心上。若激光束不射到位置检测组件32的中心，便产生一电气误差信号，使方位轴12和天顶轴14(未示出)组件的电机操纵激光束54朝向SHR 52的中心。在光电子组件28中有干涉仪的实施例中，可用光学与电气元件分析传入光电子组件28的光，以增量方式测量到SHR 52的距离。
再参照图1和2，描述有效负载组件16和辅助组件18的示例结构。光信号通过光纤44、电信号通过电线44从有效负载16上的元件传到辅助组件18中的元件。辅助组件18包含实现激光跟踪器及其装置的功能所需的激光器、光学元件和电气元件。下面再详述该盒内的一些示例元件。
现参照图2，即使在光电子组件28包含干涉仪的实施例中，光电子组件28的主要用途也是把可见光发送给SHR 52，接着再传给位置检测组件32。可见光能向跟踪器操作员提供有关激光束行踪的有价值的目视线索。同时，与在1550nm有效的位置检测器相比，位于可见光区的位置检测器的成本小得多，性能也更佳。
在另一实施例中，ADM应用可见光区内的激光，既不用干涉仪，也不用光电子组件。
ADM-遮光组件现参照图3-6，连同二色分束器36(也示于图1和2)一起示出了ADM-遮光组件30的示例元件，图3和4是激光束经遮光组件66传到二色分束器36的示例情况。
在一实施例中，ADM-遮光组件30包括套筒纤维组件56、准直透镜58、ADM分束器60、参考镜62、束块64，遮光器组件66，和内部参考反光镜68。如图3和4所示，图示的示例套筒纤维组件56包括其内用环氧连接的光纤72的套筒70，光纤72接辅助组件(图1中18)里的ADM激光器。图示遮光组件66包括遮光电机74、角传感器76和遮板78。
仍参照图3和4，光80从套筒纤维组件56的光纤72发出，被准直镜58准直。ADM分束器60反射部分光并通过遮板78的孔径82把它送到二色分束器36上。ADM分束器60将其余光发射到参考镜60，后者将光反射到遮板78上。下面描述示例元件的结构。
在一实施例中，遮板78有一反射面层如抛光的金属表面，使光反射到束块64之一上而不散射回光纤72，这种不需要光线的背散射会损害某些类型ADM的精度。
再参照图3和4，示例的束块包括涂布防反射介质薄膜的中性密度吸收玻璃小板。在一实施例中，遮光电机74背部84朝上倾斜，使反射的激光朝下导向束块64。SHR 52(示于图1)反射的光返回其通路传到激光跟踪器10里的二色分束器36。激光从二色分束器36反射到ADM分束器60，再被准直镜58聚集到光纤72的纤芯上。
现参照图5和6，图示为第二示例配置中的ADM-遮光组件30。在图5和6中，遮板78已转到某一位置，让激光反射到内部参考反光镜上。当遮板旋转时，把光交替发送到二色分束器与内部参考反光镜。在一实施例中，内部参考反光镜68是立方角反光镜，激光束中心射到立方角的顶角上，然后激光束返回其通路再进入光纤72的纤芯。随着遮板78转动，角传感器76(在一实施例中为霍尔效应传感器)就指示遮板78的角度，于是该角度在每一瞬间判断ADM激光是传向SHR 52还是内部参考反光镜68。
再参考图5和6，在一实施例中，如下面解释的那样，为尽量增大测量时间，遮板78只有一个孔径82(尽管可设多个孔径82)。在一实施例中，在将激光束部分发送到二色分束器36并部分发送到内部参考反光镜68时，一般不作测量。例如，研究激光束从光纤发出后具有高斯分布和直径为0.6mm的情况。由于高斯分布的尾部伸出0.6mm束径，而且激光束从SHR 52的返回通路上较大，故激光束的有效直径大于0.6mm，为此一般把激光束处理成有效直径设想为2mm。若激光束向遮光电机74转轴左右传播5mm，则激光束在π乘5mm即约16mm的弧长上与孔径82相交。测距功能在两倍于束径即4mm的弧距上变得无效，换言之，可在12/16＝遮光器旋转75％期间测量。在此场合中，增加遮板78的孔径数，要减小关于距离测量函数中可达到的时间。在一实施例中，为保证遮板78平稳旋转，使遮板78的重心位于旋转轴线上。
现参照图7和8，图示为另一实施例的遮光器稳定型ADM组件30’。激光源(如图9中88)通过光纤72’提供激光信号。在图示例中，光纤耦合器114和两条光纤110、112把激光信号导向遮板78’的不同点；在光纤110、112与遮板78’上不同点之间，示出了套筒116和透镜118。
因而在图示例中，激光在光纤72’中运行，被光纤耦合器114分成两条通路，即测量通路122和参考通路124。光纤里的光传入光纤台120，后者包括4个套筒116和4块透镜118。透镜118中的一块准直在测量通路122中传播的光，另一块透镜118准直在参考通路124中传播的光。
现参照图7，图示的遮板78’的孔径82’，处于让激光传入测量通路122而阻止光传入参考通路124的位置。光传播到包括套筒128和透镜130的发射组件126，透镜130使光准直，在二色分束器36’上将光反射到远地反光镜(未示出)。来自该反射光镜的光返回其通路，直到通过光纤耦合器114。光然后传到图9下面的光学检测器和电子线路盒，测定跟踪器与反光镜目标的距离。
现参照图8，图示遮板78’的孔径82’，处于将激光传入参考通路124而阻止光传入测量通路122的位置。在图示例中，如上所述，光传到光纤反光镜132再返回其通路，直到它通过光纤耦合器114传入电子线路。
再参照图7和8，在一实施例中，参考通路124和测量122通路中的光纤分别匹配，如使它们的长度一样。
通常，ADM-遮光组件30可供任一类ADM使用。现参照图9，一示例ADM通过测量强度调制的激光的相移来测距。图9右侧示意表示图3-6所示ADM-遮光组件30的某些示例元件，包括二色分束器36、内部参考反光镜68、遮光组件66、参考镜62、AMD分束器60、准直镜58和套筒-光纤组件56。图9左边示出可位于辅助组件18里面的示例ADM-光电子组件86，该组件86包括激光器88、隔离器90、耦合器92、低反射终端(LRT)94、光学检测器96、参考振荡器98、电信号发生器100、混频器102、相位计104和微处理器106。
在一实施例中，参考振荡器98是一发射正弦波的恒温控制型晶振器(OCXO)，其已知频率(如20MHz)稳定到约为每年1×10-7。电信号发生器100用来自参考振荡器98的信号产生更高频率的稳定的正弦波电信号(如3GHz)，该信号加到半导体激光器88的调制端口，在一实施例中，激光器88是一种分布型反馈激光器，输出波长约为1550nm。示例的3GHz电正弦波调制激光的输出功率(强度调制)。
仍参照图9的实施例，调制的激光通过光纤108如猪尾型光纤从激光器88出射，传播通过隔离器90如法拉第隔离器，而后者让光只沿一个方向通过，防止激光器88因光反向进入而不稳定。激光传入光学耦合器92如50∶50光学耦合器，把一半激光送入LRT 94，另一半激光送出ADM-光电子组件86。该送出的光传到套筒-光纤组件56而射入自由空间，交替地传到SHR 52和内部参考反射器68。
光无论传到SHR 52还是内部参考反射器68，反射的光总是返回其通路并重新进入套筒-光纤组件56里的光纤，再传回光学耦合器92。耦合器92把一半光送到法拉第隔离器90并被吸收，另一半光送到光学检测器。
仍参照图9，在一实施例中，把来自光学检测器96的输出电信号加到例如混频器102的射频(RF)端口。电信号发生器100产生的本机振荡(LO)信号(如3.000002GHz)加到混频器102的LO端口。混频器102产生的中频(IF)等于RF与LO信号的差值2KHz。来自混频器102的IF信号与来自参考振荡器98的信号一起送到相位计104，后者把20MHz参考信号下分频到2KHz，再比较该2KHz信号与2Khz IF的相位。微处理器106运用连续的相位值测定内部参考反光镜68与SHR 52的距离。
遮板78旋转时，返回光学检测器96的光信号在传给SHR 52的信号与传给内部参考反光镜68的信号之间交替。这些交替测量之间的相位差用来测定内部参考反光镜68到SHR 52的距离。根据L＝c/2fmng，在称为模糊范围L的距离内，相位差从0度变化到360度，式中c是真空中的光速，fm为调制频率，ng是激光在空气中的群折射率。例如，若调制频率是3GHz，则模糊范围L≈3·108/(2)(3·109)(1)m＝50mm。由于SHR 52可能离激光跟踪器10好几米，故在内部参考反光镜68与SHR 52之间有许多完整的模糊范围L。若有M个完整的模糊范围，而且相位计104测出φ弧度，则内部参考反光镜68到SHR 52的距离为d＝L(M+φ/2π)。
测定完整模糊范围L的数M时，先减小调制频率fm，再重算内部参考反光镜68到SHR 52的距离。例如，假定把调制频率fm减到fm2＝3MHz，于是该较低频率的模糊范围为L2＝c/fm2ng，约为L2≈3·108/(2)(3·106)(1)＝50m。若图9的相位计104能把相位测定到10-4弧度的精度，则可将距离L2求到优于1mm的精度，这样就适于对50mm的模糊范围测定数M。
数M测定后，不必再测量M，除非ADM束被遮断。在每次IF信号循环期间监视正弦波的平均功率，可以检测束遮断。例如，假定遮板78以400Hz旋转，若IF为2KHZ，则遮板78每次转一圈，就检出IF信号循环5次，如图10所示。这5次循环中，一次是空循环，二次是测量循环(对应于SHR 52距离)，二次是参考循环(对应于内部反光镜距离)。该例中，检测束遮断的最大时间是完成二次参考循环、一次空循环与一次测量循环的时间，等于2ms。在该时间内，若SHR 52沿径向移动不到模糊范围的0.4倍(0.4×50mm＝20mm)，就可正确地测定每一场合的数M。因此，在SHR 52运行快至20mm/2ms＝10m/s时，ADM能检测出束遮断。人的手臂移动SHR 52快不过6m/s，故不必测定M，除非束被遮断。
通常由于制造公差积累，方位与天顶机械轴并不准确地位于同平面。线段从方位轴延伸到天顶轴并与两轴垂直的长度称为轴偏移距离(AXOF)。该线段与方位轴的交点称为跟踪器原点，天顶轴到内部参考反光镜的距离称为RIR(R内部反光镜)距离。
示例激光跟踪器10有两种操作模式正视模式与背视模式。从正视模式改到背视模式，激光跟踪器10把方位轴转180度，使天顶轴倒转，翻转天顶角符号，从而沿原来的方向送回激光束。若激光束描准水平放置的目标(水平激光束)，则从正视改为背视模式的效果是翻转天顶轴相对方位轴的位置。具体而言，若天顶轴在正视模式中位于方位轴正面，则它在背视模式中就位于方位轴的背面，反之亦然。测量期间，在正视或背视模式中，天顶轴到SHR 52的距离均为dZ＝L(M+φ/2π)+RIR。若z轴指向方位轴方向，而角θ从z轴扩展到将跟踪器原点接到SMR的连线，则跟踪器原点到SHR 52的距离在正视模式中为do=AXOFsinθ+dz2-(AXOFcosθ)2,]]>在背视模式中为do=(dz-AXOFsinθ)2-(AXOFcosθ)2,]]>式中的θ值是在正视模式测得的值。因AXOF一般小于10微米，故远远小于测出的距离dz，因此对极佳的近似，可将公式简化如下正视模式的do＝dZFS+AXOFsinθ，背视模式的do＝dZBS-AXOFsinθ。在该公式中，为表明已在正视或背视模式中作过的测量，用dZFS或dZBS代替符号dz。注意，对正视与背视两种测量，因都将得到同一值，故用同一符号do代表与跟踪器原点的距离。
如上面提出的公式，激光跟踪器测距通常参照跟踪器原点，为此(执行上述计算)，在开始测量前，希望确定AXOF和RIR的值。现在讨论用来确定这些参数的一示例补偿方法。第一步是设置两个磁具(未示出)，使SHR 52置于任一磁具里时有同样高度。第二步将激光跟踪器移到两个SHR 52目标位置以外，调整激光跟踪器的位置、高度和定向，使来自跟踪器的激光束贯穿这两个SHR 52目标位置。于是激光跟踪器里的ADM测量与每个目标的距离，并从一个距离中减去另一距离，测定两目标间的距离D。在测得的跟踪器与每个目标的距离中，非零的AXOF与RIR值产生一误差；但在从一个距离中减去另一距离而测定距离D时，这些误差就抵消了。第三步是在两个SHR 52目标之间移动激光跟踪器10，并且调节激光跟踪器10的位置与定向，把跟踪器原点定在两SHR 52目标位置的中心。将跟踪器10置于正视模式，ADM测量与第一目标的距离D1FS和与第二目标的距离D2FS。第四步是把激光跟踪器置成背视模式，ADM测量与第一目标的距离D1BS和与第二目标的距离D2BS。
把以上诸值代入下式，求出AXOF值AXOF＝(D1F+D2F-D1B-D2B)/4 (1)由下式求出RIR值RIR＝(2D-D1F-D2F-D1B-D2B)/4(2)遮光组件的示例优点在ADM组里设置遮光器如诸图所示的ADM-遮光组件30，有若干重要优点。这些示例的优点有(1)能消除光学、电气或光电子元件的误差；和(2)能设置稳定的内部参考位置，尽量减小RO误差。现在讨论这些误差和遮光器消除误差的方法。
通常，若光学元件以在被测距离中造成不精确性或损害稳定性的方式改变激光状态，它们就会产生误差。上述三种ADM结构都可能使用光纤和光纤元件，如耦合器与隔离器。与自由空间光学元件相比，光纤元件成本低而性能优，包括空间的激光品质、背反射和指向稳定性。
除了光学检测器响应一致性外，空间激光品质还影响着ADM范围。半导体激光器发射的激光的空间品质往往很差，在许多场合中，束是椭圆形而非圆形，激光束型面通常不是理想的高斯形状，于是光纤就用作提高激光束品质的空间过滤器。在传播通过足够长的光纤之后(为增强过滤作用，可能呈圈形)，激光从光纤以近乎高斯束型面发射。
在一些要求高精度的ADM中，背发射可能是个问题。光纤和光纤元件比自由空间光学元件提供小得多的光学背反射，如通常能得到的光纤元件和光学接头，反射小于光功率的百万之一。相比之下，难以得到反射甚至小到千分之一的自由空间光学元件。
指向稳定性影响着检测器响应的稳定性和ADM束与来自光电子组件的可见光束的对准。光学检测器的瞬时响应通常在靠近检测器边缘不同于中心附近。在光纤猪尾型光学检测器中，激光几乎在同一处射到检测器表面上，与激光射到SMR上的地点无关，故提高了响应一致性。
但不管这些优点，应用光纤对测量系统带来了不准确性。光纤的折射率随温度而变，而且为测定光纤的光程长度变化，折射率的相对变化被光纤长度所倍增。起初，这一光程长度变化在被测距离中呈现出误差。一种尽量减小该误差的方法是不时地把SMR置回原来位置，并将参考距离复位到RO值。当然，若SMR不能经常送回原来位置，这不是个好方法。另一种方法是匹配测量通道和参考通道(有的话)里的光纤长度与位置，但光纤的组分或纤芯截面决不相同，故这不是完美的方法。
ADM组件内使用的电气元件造成随时间而变的瞬时相位，也会产生误差。每种电气元件都可能产生这类相变性，尤其是作为温度的函数。实例包括电缆、滤波器、放大器与混频器。精心选配电气元件可以减少许多此类问题，但无法消除。电气元件还易受平行通道中诸元件间辐射或传导交互作用引起的串扰。光电子元件会造成漂移即不稳定移动，例如，即便匹配的光学检测器对光特性(功率、空间分布与偏振)和温度的响应也略微不同。
如上所述，在ADM组件里设置现有的遮光器，有利于去除光学、电气和光电元件的这类误差。上述解决光学、电气和光电子问题的方法，是用遮光器复用参考信号(来自传播到内部参考反光镜的光)与测量信号(来自传播到SMR的光)之间的单一通道。由于光学、电气和光电子元件为这两种信号共用，故数毫秒或更长的所有瞬时变化均为共模，因此当从测量信号的相位里减去参考信号的相位时，可将它们消除掉。该法还消除了平行物理通道间的串扰。
另外，在ADM组件里设置现有的遮光器，有利于提供把RO误差减至最小的稳定的内部参考位置。起初，原来位置在跟踪器外面，故RO位置为非零数；典型值约0.1米。热膨胀使该值变化，如若跟踪器结构用铝制成，则温度变化10℃，会使0.1米的RO值变化约20微米(20ppm/℃×10℃×0.1米＝20微米)。为补偿热膨胀，可将温度传感器埋入跟踪器结构。但校正并非完美，温度变化大也会造成至少几微米的误差。
在ADM组件里设置现有的遮光器有利于减小该误差，其方法是在激光跟踪器里离跟踪器出射孔一定距离埋置一内部参考反光镜，该距离近似等于跟踪器原点与该出射孔的距离。因RO值可做成任意小，故跟踪器框架热膨造成的RO误差也可做得任意小。
现在的遮光器稳定型绝对距离计可以接至或埋入任一类关于距离信息是重要的装置。不必限制，这类装置在激光跟踪器中可旋转，在起重机中可直线移动，在机器人端部操纵装置中可按复杂图形移动，或在一维距离计中保持几乎不动。本领域的技术人员可从上述讨论明白如何把该遮光器稳定型ADM配用于这些装置。
本领域的技术人员将明白，虽然已图示并描述了诸示例实施例，但在不违背本发明的精神或范围的情况下，可对该遮光器稳定型ADM作出各种修正与变化，如不加限制，在示例的遮光器可转表面上，可用任意数量的光学元件把激光导向不同的点，包括光纤、小镜、透镜、分束器与棱镜等。因此应理解，描述的各种实施例仅作示例而不作限制。
权利要求
1.一种包括参考与测量激光信号通路的绝对距离测量装置，其特征在于包括提供激光信号的激光源；和遮光组件，包括限定至少一个通过一部分可转表面设置的孔径的可转表面；其中激光信号被导向遮光组件可转表面上不同的点，当可转表面旋转时，孔径有选择地传输与不传输所述至少两条激光信号通路的每一条。
2.权项1的绝对距离测量装置，其中一个或多个光纤、小镜、透镜、分束器和棱镜把激光信号导向可转表面上不同的点。
3.权项1的绝对距离测量装置，其特征在于还包括至少一条光纤，它被配置成传输由所述起源于激光源的激光信号。
4.权项3的绝对距离测量装置，其中至少一条光纤位于激光源与可转表面之间。
5.权项4的绝对距离测量装置，其中所述至少一条光纤耦合至其第一端的光纤耦合器，而所述光纤耦合器耦合至其第二端的两条光纤，所述两条光纤把激光信号导向所述可转表面上不同的点。
6.权项5的绝对距离测量装置，其中耦合至其第二端所述光纤耦合器的所述两条光纤，总长度基本上相同。
7.权项4的绝对距离测量装置，其中所述至少一条光纤输出激光信号，而分束器和小镜把所述激光信号导向所述可转表面上不同的点。
8.权项2的绝对距离测量装置。其中所述可转表面呈反射性。
9.权项8的绝对距离测量装置，其中所述可转表面把激光反射到至少一个束块。
10.权项2的绝对距离测量装置，其中所述激光信号通过准直镜后被导向所述可转表面上不同的点。
11.权项3的绝对距离测量装置，其中至少一条光纤位于可转表面与参考反光镜和设置在测量通路的目标中至少一个之间。
12.权项11的绝对距离测量装置，其中所述至少一条光纤至少部分沿参考反光镜所端接的参考通路设置，其中所述参考反光镜是光纤反光镜或直角反光镜。
13.权项11的绝对距离测量装置，其中至少一条光纤至少部分沿反光镜端接的参考通路设置；至少一条光纤至少部分沿导向目标的测量通路设置；而且所述至少一条沿所述参考通路设置的光纤和所述至少一条沿所述测量通路设置的光纤的总长度基本上一样。
14.权项1的绝对距离测量装置，其中所述遮光组件还包括操作上与所述可转表面相关联的遮光电机。
15.权项14的绝对距离测量装置，其中所述遮光组件还包括操作上与所述遮光电机相关联的角传感器。
16.权项1的绝对距离测量装置，其中所述孔径有选择地让所述至少两条激光信号通路中的至少一条传向参考反光镜。
17.权项1的绝对距离测量装置，其中所述孔径有选择地让所述至少两条激光信号通路中的至少一条传向沿测量通路设置的目标。
18.权项17的绝对距离测量装置，其中在所述孔径与所述目标之间设置一二色分束器。
19.权项18的绝对距离测量装置，其特征在于还包括向所述二色分束器提供光电子激光信号的光电子组件，使二色分束器组合输出的光电子激光信号和通过可转表面孔径沿测量通路输出的激光信号。
20.权项19的绝对距离测量装置，其中光电子激光信号具有可见光范围内的波长。
21.权项1的绝对距离测量装置，其中激光源提供波长在近红外范围内的激光信号。
22.权项19的绝对距离测量装置，其中光电子组件还包括干涉测量的测距装置。
23.权项1的绝对距离测量装置，其中所述激光源在辅助组件内遥对所述遮光组件设置。
24.权项1的绝对距离测量装置，其中耦合器把反射的激光信号导向光学检测器。
25.权项24的绝对距离测量装置，其中用位于所述耦合器与所述激光源之间的隔离器，防止所述反射的激光信号使所述激光源不稳定。
26.权项24的绝对距离测量装置，其中所述光学检测器提供的输出电信号加到混频器的射频端口。
27.权项26的绝对距离测量装置，其中电信号发生器对所述混频器的本机振荡器端口施加信号。
28.权项27的绝对距离测量装置，其中所述混频器产生传给相位计的中频信号。
29.权项28的绝对距离测量装置，其中参考振荡器向所述电信号发生器和所述相位计提供参考信号。
30.权项28的绝对距离测量装置，其中所述相位计把连续的相位值提供给微处理器，后者测定位于参考通路上参考反光镜到位于测量通路上目标的距离。
31.一种包括参考和测量激光信号通路的绝对距离测量装置，其特征在于包括提供激光信号的激光源；遮光组件，包括限定至少一个通过一部分可转表面设置的孔径的可转表面。其中激光信号导向遮光组件可转表面上不同的点，当可转表面旋转时，孔径有选择地让所述至少两条激光信号通路的每一条传输和不传输；和向微处理器提供连续相位值的相位计，而微处理器测定位于参考通路上参考反光镜到位于测量通路上目标的距离。
32.权项31的绝对距离测量装置，其中一个或多个光纤、小镜、透镜、分束器和棱镜把激光信号导向可转表面上不同的点。
33.一种改进绝对距离测量装置的测量稳定性的方法，其特征在于包括向遮光组件可转表面上至少两个不同的点提供激光信号，可转表面限定至少一个通过一部分可转表面设置的孔径；转动可转表面，使孔径有选择地使激光信号在至少一个所述点通过所述孔径并沿参考通路传输；转动可转表面，使孔径有选择地使激光信号在另一所述点通过所述孔径并沿测量通路传输；和向光学检测器提供从参考和测量目标反射的参考与测量信号。
34.权项33的方法，其特征在于还包括向相位计提供来自光学检测器的信息，并测定从参考目标返回信号与从测量目标返回信号间的相位差。
35.权项34的方法，其特征在于还包括通过向微处理器提供相位差信息而测定参考目标与测量目标之间的距离。
全文摘要
提出一种绝对距离测量装置，包括参考与测量激光信号通路(含提供激光信号的激光源)和一遮光组件(含限定至少一个通过一部分可转表面设置的孔径的可转表面)；其中激光信号导向遮光组件可转表面上不同的点，当可转表面旋转时，孔径有选择地让所述至少两条激光信号通路的每一条传输与不传输。
文档编号G01S7/48GK1531659SQ02807815
公开日2004年9月22日 申请日期2002年4月10日 优先权日2001年4月10日
发明者R·E·布里奇斯, R E 布里奇斯 申请人:法罗技术股份有限公司