激光器测量系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及测量系统，并且更具体地，涉及用于目标结构的表面上测量区域的相干视频测量的激光器测量系统和方法。
【背景技术】
[0002]在制造和装配过程中零件的定位和定向要求严格的公差。在生产、测试和评估过程中，关于零件的信息(例如关于零件表面的信息)必须非常精确，以满足对高性能产品(例如在航空航天工业中)日益提高的要求。所要求的公差会挑战可用测量组件和系统的能力。
[0003]目前的相干激光器测量系统使用光波(例如，激光束)执行多种定位和测量功能。激光器测量能够执行高分辨率测量并提供关于零件的精确几何尺寸数据/维度数据。遗憾的是，高生产率可能难以满足现有激光器测量系统，原因是这些系统一次仅测量零件表面的一个点。因此，这些系统要求大量时间来实现高精确度。
[0004]由于受单点测量限制，现有方案不是支持高生产率的设计，因此生产率受到了限制。解决这种限制的一个方案是建立额外的工作单元。然而，以这种方式获得更高的生产流速率要付出很大代价。
[0005]因此，本领域技术人员在激光器测量领域继续努力研宄和开发。
【发明内容】
[0006]在一个实施例中，所公开的激光器测量系统可以包含:调制的测量光束；分束器，其用于将所述测量光束分离为本地震荡器光束和发射光束；光学组件，其用于将所述发射光束投射到目标结构的表面上的测量区域以及用于接收来自测量区域的反射光束；光束组合器，其用于将反射光束和本地震荡器光束组合为检测光束；检测器，其用于处理检测光束，所述检测器包括用于投射检测光束的微透镜，光电检测器，其用于执行检测光束的相干检测，和与光电检测器通信的检测器电子装置，其用于根据检测光束生成信息数据；和范围处理器，其用于根据信息数据计算关于测量区域的维度数据。
[0007]优选地，检测器电子装置84包含:多个模数转换器82，其用于将来自多个光电检测器76的电信号转换为数字信号；多个缓存器86、88，其用于临时存储数字信号；以及多个快速傅里叶变换处理器90，其用于根据所述数字信号计算所述信息数据。更优选地，至少一个模数转换器82，至少一个缓存器86、88和至少一个快速傅里叶变换处理器90与光电检测器阵列78的每个光电检测器76关联。检测器电子装置84可以同时处理来自整个光电检测器整列78的数字信号，或者检测器电子装置84可以单独处理来自所述光电检测器阵列78的每个光电检测器76的数字信号，其中检测器电子装置84连续处理来自光电检测器阵列78的每个光电检测器76的数字信号。系统优选包含激光跟踪器104、激光雷达106、视频测量系统108和摄影测量系统110中的至少一个。
[0008]根据另一个方面，所公开的激光器测量系统10包含:信号光束投射器12，其包含用于发射调制的信号光束18的激光器16、20 ;导向光束投射器14，其包含用于发射导向光束22的激光器16、20 ;光束组合器42，其用于将所述信号光束18和所述导向光束22组合为调制的测量光束26 ;分束器42，其用于将所述测量光束26分离为本地震荡器光束44和发射光束46。所述激光器测量系统进一步包含发射光束光学装置58，其用于将所述发射光束46整形到目标结构38的表面36上的测量区域34 ;反射光束光学装置60，其用于在所述测量区域34内收集从所述表面36上的多个测量点92返回的反射光束52 ;本地震荡器光束44光学装置，其用于控制所述本地震荡器光束44的光量；以及光束组合器42，其用于将所述反射光束52和所述本地震荡器光束44组合为检测光束68。检测器48被包含以用于处理所述检测光束68，所述检测器48包含:多个微透镜72，其形成用于投射所述检测光束68的至少一部分80的微透镜阵列74 ;多个光电检测器76，其形成用于执行所述检测光束68的所述部分80的相干检测的光电检测器阵列78 ;以及与光电检测器76通信的检测器电子装置84，其根据所述检测光束68的所述部分80生成信息数据。系统进一步包含范围处理器86，其用于根据所述信息数据计算关于所述多个测量点92的维度数据；以及成像系统62，其用于提供所述目标结构38的所述表面36的图像66。优选地，检测器电子装置84包含:多个模数转换器82，其用于将来自所述多个光电检测器76的电信号转换为数字信号；多个缓存器86、88，其用于临时存储所述数字信号；以及多个快速傅里叶变换处理器90，其用于根据所述数字信号计算所述信息数据，其中至少一个模数转换器82、至少一个缓存器86,88和至少一个快速傅里叶变换处理器90与所述光电检测器阵列78的每个光电检测器76关联。
[0009]在另一个实施例中，所公开的激光器测量系统可以包括:信号光束投射器，其包括用于发射调制的信号光束的激光器；导向光束投射器，其包括用于发射导向光束的激光器；组合器，其用于将信号光束和导向光束组合为调制的测量光束；分束器，其用于将测量光束分离为本地震荡器光束和发射光束；发射光束光学装置，其用于将发射光束整形到目标结构的表面上的测量区域；反射光束光学装置，其用于在测量区域内收集从所述表面上的多个测量点返回的反射光束；本地震荡器光束光学装置，其用于控制本地震荡器光束的光量；光束组合器，其用于将反射光束和本地震荡器光束组合为检测光束；检测器，其用于处理检测光束，所述检测器包括:多个微透镜，其形成用于投射检测光束的至少一部分的微透镜阵列，多个光电检测器，其形成用于执行检测光束的所述部分的相干检测的光电检测器阵列，以及与光电检测器通信的检测器电子装置，其用于根据所述检测光束的所述部分生成信息数据；范围处理器，其用于根据所述信息数据计算关于多个测量点的维度数据；以及成像系统，其用于提供所述目标结构的表面的图像。
[0010]在又一个实施例中，也公开了一种激光器测量方法，所述方法可以包含以下步骤:
(I)发射调制的信号光束，(2)发射导向光束，(3)将信号光束和导向光束组合为测量光束，
(4)将测量光束分离为本地振荡器光束和发射光束，(5)调节发射光束以实现目标结构的表面的测量区域的最佳测量，(6)将发射光束投射到所述表面的所述测量区域上，(7)在测量区域内收集来自所述表面上的至少一个测量点的反射光束，(8)将所述反射光束和本地振荡器光束组合为检测光束，O)将所述检测光束投射到检测器，所述检测器包括多个微透镜、多个光电检测器和检测器电子装置，(10)处理所述检测光束，所述处理包括执行所述检测光束的相干检测以及根据检测光束生成信息数据，以及(11)根据所述信息数据计算测量点的范围值。
[0011]根据下面的详细描述、附图和所附权利要求，所公开的激光器测量系统和方法的其他实施例将变得明显。
【附图说明】
[0012]图1是示出所公开的激光器测量系统的一个实施例的框图；
[0013]图2是所公开的激光器测量系统的分束器/组合器以及光学组件的配置框图；
[0014]图3是所公开的激光器测量系统的检测器配置框图；
[0015]图4是所公开的激光器测量系统的另一个实施例的框图；
[0016]图5是所公开的激光器测量方法的一个实施例的流程图；
[0017]图6是一种飞行器生产和使用方法流程图；以及
[0018]图7是一种飞行器的框图。
【具体实施方式】
[0019]下面的详细描述参考附图示出了本发明的具体实施例。具有不同结构和操作的其它实施例不脱离本发明的范围。相同的附图标记可以指代不同附图中的相同元件或组件。
[0020]参考图1，所公开的用于相干视频测量的激光器测量系统(通常标记为10)的一个实施例，该系统可以包括信号光束投射器12和导向光束投射器14。信号光束投射器12可以包括至少一个激光器16。激光器16可以是连续波(“CW”)激光器(其发射单一频率连续激光束)或是脉冲激光器(其发射单一频率脉冲激光束)。例如，激光器16可以包括二极管泵浦固态激光器。激光器16能够投射信号光束18(例如，激光束)作为输出。信号光束18可以包括各种特性。例如，信号光束18可以包括不可见光频谱中的波长。
[0021]电源32可以被配置为向信号光束投射器12 (例如，一个或更多个激光器16)提供电流。激光调制器30可以定位在激光器16和电源32之间并连接到激光器16和电源32。在一个示例实施例中，激光调制器30可以通过控制电源32调制激光器16的信号光束18 (例如，激光器输出)。在另一个不例实施例中，从多个激光器16发射的多个信号光束18的频率可以被调制，其中每个信号光束18的频率具有较小差异。
[0022]激光调制器30可以被配置为根据任何希望的功率输出或参数(包括，例如，幅度、频率、相位和/或极性)调制信号光束18。例如，信号光束18可以被调制以获得用于具体测量应用的最佳范围精度。要求的调制程度可以基于任何合适的变量，例如，目标结构38(图
2)的表面36上将被扫描的测量区域34。例如，查找表可以包括测量区域34和给定激光器输出下目标结构38的表面36上的给定坐标集处对应的激光束功率密度。