專利名稱：用于測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
在各種高科技應(yīng)用中需要精確地測(cè)量運(yùn)動(dòng)。最精確的測(cè)量技術(shù)是基于激光干涉儀 的使用。在傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀中，通過使用氦-氖激光器來確定IR干涉儀的 動(dòng)鏡(moving mirror)的位置，以測(cè)量干涉儀中的光程差。只在離散的采樣點(diǎn)處測(cè)量動(dòng)鏡 的位置，所述離散的采樣點(diǎn)是具有λ Λ的間隔的激光干涉信號(hào)的過零點(diǎn)(zero crossing point)，其中λ為激光的波長。通過條紋計(jì)數(shù)系統(tǒng)甚至可跟蹤動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)一直到10米。當(dāng)測(cè)量達(dá)到幾微米范圍內(nèi)的小運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須連續(xù)地測(cè)量移動(dòng)元件(moving element)的位置。在美國專利No. 7，521，668中公開了一種基于邁克耳孫干涉儀的使用來 測(cè)量傳感器的位移的方法，其中，該傳感器被設(shè)置為可響應(yīng)于聲波而移動(dòng)。將來自光源的光 束聚焦在傳感器的表面和邁克耳孫干涉儀的參考鏡上。例如，通過傾斜參考鏡，提供光束的 不同部分之間的相位差，從而在檢測(cè)器上產(chǎn)生空間干涉圖(interference pattern)。隨后， 可從干涉圖中的變化計(jì)算傳感器的運(yùn)動(dòng)。即使美國專利No. 7，521，668中的傾斜的邁克耳孫干涉儀很適合檢測(cè)小運(yùn)動(dòng)，該 邁克耳孫干涉儀也存在一些弊端。邁克耳孫干涉儀對(duì)溫度的變化十分敏感，主要因?yàn)閭?感器和參考鏡彼此分開地位于不同的干涉儀臂中，并因此易受這些臂之間的溫度變化的影 響。在美國專利No. 7，521，668中公開的設(shè)備也對(duì)傳感器和參考鏡的傾斜敏感，因?yàn)?實(shí)際上，不能將光束的焦點(diǎn)準(zhǔn)確地設(shè)置在傳感器的表面和參考鏡上。另一個(gè)弊端是，必須精 密地調(diào)節(jié)參考鏡以便獲得對(duì)傳感器運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量。另一個(gè)弊端是，邁克耳孫干涉儀中的 光學(xué)部件，特別是振幅分隔分束器(amplitude splitting beamsplitter)，必須具有高質(zhì) 量，并因而制造成本昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是減少或甚至消除上述的現(xiàn)有技術(shù)的問題。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供用于測(cè)量達(dá)到幾微米范圍內(nèi)的小運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法。 更詳細(xì)地說，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供用于測(cè)量在移動(dòng)元件和參考元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 的設(shè)備和方法。本發(fā)明另一目的在于提供一種測(cè)量設(shè)備，其中，光學(xué)部件的大容限(tolerance) 是可接受的，并且，最小化對(duì)光學(xué)部件的調(diào)節(jié)的需要。本發(fā)明的另一目的在于提供一種不需 要振幅分隔分束器的測(cè)量設(shè)備。本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有高測(cè)量精度和寬線性 動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的特征在于，該設(shè)備包括移動(dòng)元件，所述移動(dòng)元件具有適合于反射光束的第一波陣面部分的反射表面；參考元件，所述參考元件具 有適合于反射光束的第二波陣面部分的反射表面；檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置用于檢測(cè)由從 移動(dòng)元件和參考元件反射的光所產(chǎn)生的空間干涉圖中的變化，和處理裝置，所述處理裝置 用于從被檢測(cè)的空間干涉圖中的相位變化計(jì)算移動(dòng)元件和參考元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù) 本發(fā)明的方法的特征在于，該方法包括從移動(dòng)元件的反射表面反射光束的第一波陣面部 分，以及從參考元件的反射表面反射光束的第二波陣面部分；檢測(cè)空間干涉圖中的變化，所 述空間干涉圖由從移動(dòng)元件和參考元件反射的光產(chǎn)生，以及從所檢測(cè)的空間干涉圖中的相 位變化計(jì)算移動(dòng)元件和參考元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明中描述了本發(fā)明的有利的實(shí)施 例。根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)典型的設(shè)備包括用于發(fā)射光束的光源、具 有適合于反射光束的第一波陣面部分的反射表面的移動(dòng)元件、以及具有適合于反射光束的 第二波陣面部分的反射表面的參考元件。根據(jù)本發(fā)明的典型設(shè)備還包括檢測(cè)裝置和處理裝 置，所述檢測(cè)裝置用于檢測(cè)由從移動(dòng)元件和參考元件反射的光所產(chǎn)生的空間干涉圖中的變 化，所述處理裝置用于從被檢測(cè)的空間干涉圖中的相位變化計(jì)算移動(dòng)元件和參考元件之間 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備被應(yīng)用于測(cè)量小運(yùn)動(dòng)。測(cè)量的原理是基于將光束的波陣面 分為第一波陣面部分和第二波陣面部分以及檢測(cè)由光束的干涉波陣面部分產(chǎn)生的空間干 涉圖中的相位變化。使用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，可以測(cè)量在1秒測(cè)量時(shí)間內(nèi)低于0. Ipm的運(yùn)動(dòng)。在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備中，光束的波陣面在空間上被分割成多個(gè)部分。這不同 于邁克耳孫干涉儀中使用的技術(shù)。在邁克耳孫干涉儀中，光束的波陣面沒有被分割成多個(gè) 波陣面部分。邁克耳孫干涉儀是一種振幅分隔干涉儀，其中光束的振幅(強(qiáng)度)被分割。以這樣的方式設(shè)置移動(dòng)元件和參考元件，使得從移動(dòng)元件反射的光束的第一波陣 面部分和從參考元件反射的光束的第二波陣面部分發(fā)生干涉，從而在檢測(cè)裝置上產(chǎn)生干涉 條紋圖。光束可作為未被分割的波陣面被引導(dǎo)至移動(dòng)元件和參考元件，然后通過移動(dòng)元件 和參考元件進(jìn)行波陣面分隔。在這種情況下，典型地，以這樣的方式設(shè)置移動(dòng)元件和參考元 件，使得在移動(dòng)元件的靜止位置處移動(dòng)元件的反射表面的法線和參考元件的反射表面的法 線不平行。即，在靜止位置處移動(dòng)元件相對(duì)于參考元件稍微傾斜，然后從所述元件反射的光 束的波陣面部分發(fā)生干涉并產(chǎn)生干涉條紋。在將波陣面部分引導(dǎo)至移動(dòng)元件和參考元件之前，通過其它光學(xué)裝置進(jìn)行光束的 波陣面分隔也是可以的。在這種情況下，優(yōu)選地設(shè)置移動(dòng)元件和參考元件，使得它們的反射 表面基本上平行，并且當(dāng)移動(dòng)元件處于靜止位置時(shí)，移動(dòng)元件和參考元件的反射表面位于 相同的水平面。形成的條紋圖具有正弦的強(qiáng)度分布。當(dāng)移動(dòng)元件相對(duì)于參考元件移動(dòng)時(shí)，干涉條 紋的位置改變，即，條紋圖的相位改變。通過對(duì)干涉圖數(shù)據(jù)使用最小二乘擬合(at least square fit)，可計(jì)算移動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)。通過使用復(fù)數(shù)傅立葉變換，也可計(jì)算條紋的運(yùn)動(dòng)。通 過使用與振幅譜的最大振幅值相對(duì)應(yīng)的相位譜的相位值，可獲得移動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)。通過包括處理器的處理裝置進(jìn)行對(duì)移動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)的計(jì)算。所述處理器被配置為通過首先計(jì)算干涉圖中的相位變化以及隨后從所述相位變化計(jì)算所述運(yùn)動(dòng)，來確定移 動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)。典型地，從檢測(cè)裝置接收的信號(hào)是模擬形式的，并且必須被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)。為了這種轉(zhuǎn)換，所述處理裝置包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。移動(dòng)元件可以被設(shè)置以不同的方式移動(dòng)。例如，它的運(yùn)動(dòng)可以是平移的或旋轉(zhuǎn)的， 或者既平移又旋轉(zhuǎn)的。在優(yōu)選的實(shí)施例中，移動(dòng)元件被設(shè)置為響應(yīng)于擾動(dòng)(disturbance) (例如壓力和溫度變化)而彎曲。在一些應(yīng)用中，移動(dòng)元件可以是振動(dòng)元件。參考元件是可調(diào)節(jié)的，以便改變其相對(duì)于移動(dòng)元件的位置。例如，參考元件的傾斜 可以是可變的。在測(cè)量期間，優(yōu)選地，將參考元件相對(duì)于光源和檢測(cè)裝置保持靜止。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，以這樣的方式將移動(dòng)元件和參考元件設(shè)置為彼此相鄰，使 得移動(dòng)元件的反射表面的法線和參考元件的反射表面的法線之間的角度小于20度。例如， 在所述反射表面的法線之間的角度也可以小于10度、小于5度或小于2度。在所述反射表 面的法線之間的角度可以是可調(diào)節(jié)的，例如，可通過傾斜移動(dòng)元件和/或參考元件來調(diào)節(jié)。當(dāng)設(shè)置移動(dòng)元件進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，在所述反射表面的法線之間的角度大約是固定 的。然而，當(dāng)設(shè)置移動(dòng)元件進(jìn)行傾斜或彎曲時(shí)，在所述反射表面的法線之間的角度改變。例 如，移動(dòng)元件可以從它的靜止位置傾斜或彎曲士 10度、士5度、士2度或士 1度。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述檢測(cè)裝置包括至少兩個(gè)光檢測(cè)器。在一些應(yīng)用中，例 如，檢測(cè)裝置可包括至少四個(gè)光檢測(cè)器、至少十個(gè)光檢測(cè)器或至少一百個(gè)光檢測(cè)器。優(yōu)選 地，檢測(cè)裝置包括用于檢測(cè)空間干涉圖的光檢測(cè)器陣列，例如CCD、CMOS或光電二極管陣 列。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述設(shè)備包括用于將來自光源的光引導(dǎo)至移動(dòng)元件和參考 元件的光引導(dǎo)裝置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，光引導(dǎo)裝置包括角鏡(angularmirror)，所述角鏡由第 一平面鏡和第二平面鏡組成，所述第一平面鏡適合于將光束的第一波陣面部分引導(dǎo)至移動(dòng) 元件，所述第二平面鏡適合于將光束的第二波陣面部分引導(dǎo)至參考元件。光引導(dǎo)裝置還可 包括用于將來自光源的光束引導(dǎo)至角鏡的一個(gè)或多個(gè)分開的平面鏡。此外，還可設(shè)置一個(gè) 或多個(gè)分開的平面鏡，以將光束的第一波陣面部分從角鏡的第一平面鏡引導(dǎo)至移動(dòng)元件并 且將光束的第二波陣面部分從角鏡的第二平面鏡引導(dǎo)至參考元件。可以按這樣的方式設(shè)置角鏡，使得光束的第一和第二波陣面部分基本上分別聚焦 在移動(dòng)元件和參考元件上。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，角鏡具有在175至185度范圍內(nèi)的開度角(opening angle)。例如，所述開度角也可以在178至182度范圍內(nèi)或在179至181度范圍內(nèi)。例如， 所述開度角也可以在180度以上或在180度以下。角鏡的開度角是指在第一平面鏡的反射 面和第二平面鏡的反射面之間的角度。在一些應(yīng)用中，可使用兩個(gè)棱鏡來分隔光束的波陣面并將波陣面部分引導(dǎo)至移動(dòng) 元件和參考元件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述設(shè)備包括聚光裝置，所述聚光裝置用于將光束的第一 波陣面部分基本上會(huì)聚在移動(dòng)元件的反射表面上并將光束的第二波陣面部分基本上會(huì)聚 在參考元件的反射表面上。優(yōu)選地，聚光裝置包括安置于光源和光引導(dǎo)裝置之間的會(huì)聚透 鏡，例如角鏡。所述光源也可以包括用于會(huì)聚光束的裝置，于是不必需要附加的聚光裝置。
當(dāng)移動(dòng)元件和參考元件被設(shè)置用于分隔光束的波陣面時(shí)，光束的焦點(diǎn)被設(shè)置在移 動(dòng)元件和參考元件的前面或者在所述元件的后面。例如，光束的焦點(diǎn)和所述元件之間的距 離可以在0至Imm或1至IOmm的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述光源是激光器，例如激光二極管。也可以使用寬帶光 源，例如，所述寬帶光源具有400至900nm的波長。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，移動(dòng)元件和參考元件是平面鏡。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，移動(dòng)元件是可彎曲的，例如適合于響應(yīng)于擾動(dòng)而 振動(dòng)的懸臂(cantilever)。所述懸臂可由例如硅、鋼鐵或玻璃的各種材料制成。懸臂可具 有1至5mm或5至15mm的長度，0. 1至Imm或1至5mm的寬度，以及1至5μπι或5至15μπι 的厚度。當(dāng)懸臂被用作移動(dòng)元件時(shí)，圍繞懸臂的框架可被用作參考元件。本發(fā)明還涉及一種測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，所述方法包括發(fā)射光束，將光束朝著移 動(dòng)元件和參考元件引導(dǎo)，以及從移動(dòng)元件的反射表面反射光束的第一波陣面部分和從參考 元件的反射表面反射光束的第二波陣面部分。根據(jù)本發(fā)明的方法還包括檢測(cè)空間干涉圖 中的變化，所述空間干涉圖是由從移動(dòng)元件和參考元件反射的光所產(chǎn)生的；以及從所檢測(cè) 的空間干涉圖中的相位變化計(jì)算移動(dòng)元件和參考元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。換句話說，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，光束的波陣面被分隔為第一波陣面部分和第 二波陣面部分，所述第一波陣面部分和第二波陣面部分被設(shè)置為發(fā)生干涉。隨后，從空間干 涉圖中的相位變化計(jì)算所述運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，將光束朝著移動(dòng)元件和參考元件引導(dǎo)的步驟包括通過使 用角鏡的第一平面鏡將光束的第一波陣面部分引導(dǎo)至移動(dòng)元件，以及通過使用角鏡的第二 平面鏡將光束的第二波陣面部分引導(dǎo)至參考元件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述方法包括將光束的第一波陣面部分基本上會(huì)聚在移 動(dòng)元件的反射表面上，以及將光束的第二波陣面部分基本上會(huì)聚在參考元件的反射表面 上。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于，在測(cè)量小運(yùn)動(dòng)時(shí)不需要振幅分隔分束器。在根據(jù)本發(fā)明的測(cè) 量設(shè)備中，光束的波陣面被分隔為多個(gè)波陣面部分，然而，在基于邁克耳孫干涉儀的現(xiàn)有技 術(shù)系統(tǒng)中，光束的振幅被分割。本發(fā)明的另一優(yōu)勢(shì)在于，光學(xué)部件的大容限是可接受的，并且最小化對(duì)光學(xué)部件 的調(diào)節(jié)的需要。在制造過程中，放寬對(duì)光學(xué)部件的容限要求允許在不經(jīng)過校準(zhǔn)工序的情況 下進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。此外，測(cè)量設(shè)備的部件的制造成本便宜。還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，因?yàn)橐苿?dòng)元件和參考元件彼此靠近并因此對(duì)相似的溫度敏 感，所以根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備是對(duì)溫度變化不敏感。此外，由于測(cè)量設(shè)備的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致可容易 地增加在所述元件和其它光學(xué)部件之間的距離，于是，移動(dòng)元件和參考元件可被安置在不 合適于測(cè)量設(shè)備的其它光學(xué)部件的溫度和/或壓力下。在對(duì)結(jié)構(gòu)的變化最小化的情況下， 可增加所述元件和其它光學(xué)部件之間的距離。然而，在邁克耳孫干涉儀中，如果增加動(dòng)鏡和 分束器之間的距離，則也必須增加另一干涉儀臂中的光程長度，從而導(dǎo)致增加干涉儀的尺 寸。 移動(dòng)元件和參考元件可被安置在具有窗口的測(cè)量室內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)在于，進(jìn)入移動(dòng)元件 且從移動(dòng)元件反射的光和進(jìn)入?yún)⒖荚覐膮⒖荚瓷涞墓舛纪ㄟ^所述同一窗口。在基于邁克耳孫干涉儀的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，只有傳感器被安置在窗口后的室內(nèi)。在分束器和傳 感器之間增加窗口會(huì)降低干涉儀的性能。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，使用本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)高測(cè)量精度和寬線性動(dòng)態(tài)范圍。例如，根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備可被用于壓力傳感器，溫度傳感器，熱能傳感器，量 熱器，輻射傳感器，原子力顯微鏡(atomicforce microscopy)，用于固體、液體和氣體樣本 的光聲傳感器，加速計(jì)，振動(dòng)傳感器，麥克風(fēng)和小質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)中。在本文中所述的本發(fā)明的示例實(shí)施例不應(yīng)被解釋為限制所附權(quán)利要求的應(yīng)用。在 本文中，動(dòng)詞“包括”作為開放性限制被使用，其不排除還存在未描述的特征。除非另作說 明，在本發(fā)明中描述的特征可相互自由地組合。


尤其在所附權(quán)利要求中闡述了被認(rèn)為是本發(fā)明的特征的新穎性特征。然而，本發(fā) 明本身(包括關(guān)于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和操作方法兩者)及其另外的目的和優(yōu)點(diǎn)將從以下參照附 圖的具體實(shí)施例的描述中被最佳地理解。圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的設(shè)備，以及圖2示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的設(shè)備。
具體實(shí)施例方式圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。所述設(shè)備包括 作為光源的激光器110。激光器110朝著移動(dòng)元件120和參考元件130發(fā)射光束，這兩個(gè)元 件120，130具有反射表面121，131。將光束作為未分割的波陣面引導(dǎo)至移動(dòng)元件120和參 考元件130。光束的焦點(diǎn)被設(shè)置在移動(dòng)元件120和參考元件130的前面，即，光束的焦點(diǎn)在 激光器110和所述元件120，130之間。通過移動(dòng)元件120和參考元件130進(jìn)行波陣面分隔。移動(dòng)元件120的反射表面 121反射光束的第一波陣面部分，并且參考元件130的反射表面131反射光束的第二波陣面 部分。移動(dòng)元件120和參考元件130以這樣的方式被設(shè)置為彼此鄰近，使得在移動(dòng)元件120 的靜止位置處，移動(dòng)元件120的反射表面121相對(duì)于參考元件130的反射表面131稍微傾 斜。在移動(dòng)元件120的靜止位置處，反射表面121，131的法線之間的角度為大約10度。在 這個(gè)實(shí)施例中，移動(dòng)元件120被設(shè)置為響應(yīng)于擾動(dòng)(例如壓力和溫度變化)而彎曲。允許 移動(dòng)元件120從它的靜止位置彎曲幾度。在測(cè)量期間，參考元件130相對(duì)于激光器110保 持靜止。從移動(dòng)元件120和參考元件130反射的光束的波陣面部分重疊并且產(chǎn)生干涉光 束。通過光檢測(cè)器陣列140檢測(cè)干涉光的干涉條紋圖。條紋圖具有正弦的強(qiáng)度分布。當(dāng)移 動(dòng)元件120彎曲時(shí)，空間干涉圖改變。干涉條紋沿著光檢測(cè)器陣列140移動(dòng)，于是干涉圖的 相位改變。通過處理器150進(jìn)行對(duì)移動(dòng)元件120的運(yùn)動(dòng)的計(jì)算，所述處理器150被配置為 通過首先計(jì)算干涉圖中的相位變化，然后從該相位變化計(jì)算所述運(yùn)動(dòng)，來確定移動(dòng)元件120 的運(yùn)動(dòng)。模_數(shù)轉(zhuǎn)換器160被用于將從光檢測(cè)器陣列140接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為將被處理 器150處理的數(shù)字信號(hào)。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的用于測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。所述設(shè)備包括 激光器210，所述激光器210發(fā)射光束，該光束經(jīng)過會(huì)聚透鏡270到達(dá)由兩個(gè)平面鏡281、 282組成的角鏡280。第一平面鏡281適合于將光束的第一波陣面部分反射到移動(dòng)元件220， 并且第二平面鏡282適于將光束的第二波陣面部分反射到參考元件230。在這個(gè)示例實(shí)施 例中，角鏡280具有大約182度的開度角。會(huì)聚透鏡270以這樣的方式被安置在激光器210和角鏡280之間，使得光束的第 一波陣面部分和第二波陣面部分基本上分別聚焦在移動(dòng)元件220的反射表面221和參考元 件230的反射表面231上。移動(dòng)元件220和參考元件230被設(shè)置為彼此鄰近，使得從移動(dòng) 元件220反射的光束的第一波陣面部分和從參考元件230反射的光束的第二波陣面部分發(fā) 生干涉，從而在光檢測(cè)器陣列240上產(chǎn)生干涉條紋圖。當(dāng)移動(dòng)元件220處于靜止位置時(shí)，移動(dòng)元件220的反射表面221和參考元件230 的反射表面231被設(shè)置為基本上平行并位于相同的水平面。移動(dòng)元件220被設(shè)置為響應(yīng)于 擾動(dòng)而彎曲，并允許從它的靜止位置彎曲士2度。當(dāng)移動(dòng)元件220彎曲時(shí)，由從移動(dòng)元件220和參考元件230反射的光所產(chǎn)生的空 間干涉圖的相位發(fā)生改變。通過模_數(shù)轉(zhuǎn)換器260將從光檢測(cè)器陣列240接收的模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過處理器250進(jìn)行對(duì)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算，所述處理器250被配置為從相位變 化計(jì)算移動(dòng)元件220的運(yùn)動(dòng)。在圖中只描述了本發(fā)明的有利的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚的是，本發(fā) 明并不僅僅限于上述的例子，并且，可以在下述的權(quán)利要求的限制內(nèi)改變本發(fā)明。在從屬權(quán) 利要求中描述了本發(fā)明的一些可能的實(shí)施例，并且所述實(shí)施例不被認(rèn)為是用于限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種用于測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，包括光源(110、210)，所述光源(110、210)用于發(fā)射光束；其特征在于，所述設(shè)備包括移動(dòng)元件(120、220)，所述移動(dòng)元件(120、220)具有適合于反射光束的第一波陣面部分的反射表面(121、221)；參考元件(130、230)，所述參考元件(130、230)具有適合于反射光束的第二波陣面部分的反射表面(131、231)；檢測(cè)裝置(140、240)，所述檢測(cè)裝置(140、240)用于檢測(cè)由從移動(dòng)元件和參考元件反射的光所產(chǎn)生的空間干涉圖中的變化，和處理裝置(150、160、250、260)，所述處理裝置(150、160、250、260)用于從被檢測(cè)的空間干涉圖中的相位變化計(jì)算移動(dòng)元件和參考元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，移動(dòng)元件和參考元件以這樣的方式被設(shè) 置為彼此鄰近，使得移動(dòng)元件的反射表面的法線和參考元件的反射表面的法線之間的角度 小于20度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述檢測(cè)裝置包括至少兩個(gè)光檢測(cè)器 (140,240)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括用于將來自光 源的光引導(dǎo)至移動(dòng)元件和參考元件的光引導(dǎo)裝置(280、281、282)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述光引導(dǎo)裝置包括角鏡(280)，所述角 鏡(280)由適合于將光束的第一波陣面部分引導(dǎo)至移動(dòng)元件的第一平面鏡(281)和適合于 將光束的第二波陣面部分引導(dǎo)至參考元件的第二平面鏡(282)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述角鏡具有在175至185度范圍內(nèi)的開 度角。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括聚光裝置 (270)，所述聚光裝置(270)用于將光束的第一波陣面部分基本上會(huì)聚在移動(dòng)元件的反射 表面上，并將光束的第二波陣面部分基本上會(huì)聚在參考元件的反射表面上。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源為激光器(110、 210)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述移動(dòng)元件和參考元件為平面鏡。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述移動(dòng)元件是適合于響應(yīng) 于擾動(dòng)而振動(dòng)的懸臂。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述參考元件是圍繞懸臂的框架。
12.一種用于測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，包括發(fā)射光束，以及將光束朝著移動(dòng)元件(120、220)和參考元件(130、230)引導(dǎo)；其特征在于，所述方法包括從移動(dòng)元件的反射表面(121、221)反射光束的第一波陣面部分，以及從參考元件的反 射表面(131、231)反射光束的第二波陣面部分；檢測(cè)空間干涉圖中的變化，所述空間干涉圖由從移動(dòng)元件和參考元件反射的光產(chǎn)生，以及從所檢測(cè)的空間干涉圖中的相位變化計(jì)算移動(dòng)元件和參考元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，將光束朝著移動(dòng)元件和參考元件引導(dǎo) 的步驟包括通過使用角鏡(280)的第一平面鏡(281)將光束的第一波陣面部分引導(dǎo)至移動(dòng)元件，以及通過使用角鏡(280)的第二平面鏡(282)將光束的第二波陣面部分引導(dǎo)至參考元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法包括將光束的第一波 陣面部分基本上會(huì)聚在移動(dòng)元件的反射表面上，以及將光束的第二波陣面部分基本上會(huì)聚 在參考元件的反射表面上的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備和方法。該測(cè)量設(shè)備包括用于發(fā)射光束的光源(110、210)、具有適合于反射光束的第一波陣面部分的反射表面(121、221)的移動(dòng)元件(120、220)以及具有適合于反射光束的第二波陣面部分的反射表面(131、231)的參考元件(130、230)。該設(shè)備還包括檢測(cè)裝置(140、240)和處理裝置(150、160、250、260)，所述檢測(cè)裝置(140、240)用于檢測(cè)由從移動(dòng)元件和參考元件反射的光產(chǎn)生的空間干涉圖中的變化，所述處理裝置(150、160、250、260)用于從被檢測(cè)的空間干涉圖中的相位變化計(jì)算移動(dòng)元件和參考元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)G01S7/481GK101907713SQ20101019661
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
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