激光器測(cè)量系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及測(cè)量系統(tǒng)，并且更具體地，涉及用于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面上測(cè)量區(qū)域的相干視頻測(cè)量的激光器測(cè)量系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在制造和裝配過程中零件的定位和定向要求嚴(yán)格的公差。在生產(chǎn)、測(cè)試和評(píng)估過程中，關(guān)于零件的信息(例如關(guān)于零件表面的信息)必須非常精確，以滿足對(duì)高性能產(chǎn)品(例如在航空航天工業(yè)中)日益提高的要求。所要求的公差會(huì)挑戰(zhàn)可用測(cè)量組件和系統(tǒng)的能力。
[0003]目前的相干激光器測(cè)量系統(tǒng)使用光波(例如，激光束)執(zhí)行多種定位和測(cè)量功能。激光器測(cè)量能夠執(zhí)行高分辨率測(cè)量并提供關(guān)于零件的精確幾何尺寸數(shù)據(jù)/維度數(shù)據(jù)。遺憾的是，高生產(chǎn)率可能難以滿足現(xiàn)有激光器測(cè)量系統(tǒng)，原因是這些系統(tǒng)一次僅測(cè)量零件表面的一個(gè)點(diǎn)。因此，這些系統(tǒng)要求大量時(shí)間來實(shí)現(xiàn)高精確度。
[0004]由于受單點(diǎn)測(cè)量限制，現(xiàn)有方案不是支持高生產(chǎn)率的設(shè)計(jì)，因此生產(chǎn)率受到了限制。解決這種限制的一個(gè)方案是建立額外的工作單元。然而，以這種方式獲得更高的生產(chǎn)流速率要付出很大代價(jià)。
[0005]因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員在激光器測(cè)量領(lǐng)域繼續(xù)努力研宄和開發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一個(gè)實(shí)施例中，所公開的激光器測(cè)量系統(tǒng)可以包含:調(diào)制的測(cè)量光束；分束器，其用于將所述測(cè)量光束分離為本地震蕩器光束和發(fā)射光束；光學(xué)組件，其用于將所述發(fā)射光束投射到目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面上的測(cè)量區(qū)域以及用于接收來自測(cè)量區(qū)域的反射光束；光束組合器，其用于將反射光束和本地震蕩器光束組合為檢測(cè)光束；檢測(cè)器，其用于處理檢測(cè)光束，所述檢測(cè)器包括用于投射檢測(cè)光束的微透鏡，光電檢測(cè)器，其用于執(zhí)行檢測(cè)光束的相干檢測(cè)，和與光電檢測(cè)器通信的檢測(cè)器電子裝置，其用于根據(jù)檢測(cè)光束生成信息數(shù)據(jù)；和范圍處理器，其用于根據(jù)信息數(shù)據(jù)計(jì)算關(guān)于測(cè)量區(qū)域的維度數(shù)據(jù)。
[0007]優(yōu)選地，檢測(cè)器電子裝置84包含:多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器82，其用于將來自多個(gè)光電檢測(cè)器76的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；多個(gè)緩存器86、88，其用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)；以及多個(gè)快速傅里葉變換處理器90，其用于根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)計(jì)算所述信息數(shù)據(jù)。更優(yōu)選地，至少一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器82，至少一個(gè)緩存器86、88和至少一個(gè)快速傅里葉變換處理器90與光電檢測(cè)器陣列78的每個(gè)光電檢測(cè)器76關(guān)聯(lián)。檢測(cè)器電子裝置84可以同時(shí)處理來自整個(gè)光電檢測(cè)器整列78的數(shù)字信號(hào)，或者檢測(cè)器電子裝置84可以單獨(dú)處理來自所述光電檢測(cè)器陣列78的每個(gè)光電檢測(cè)器76的數(shù)字信號(hào)，其中檢測(cè)器電子裝置84連續(xù)處理來自光電檢測(cè)器陣列78的每個(gè)光電檢測(cè)器76的數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)優(yōu)選包含激光跟蹤器104、激光雷達(dá)106、視頻測(cè)量系統(tǒng)108和攝影測(cè)量系統(tǒng)110中的至少一個(gè)。
[0008]根據(jù)另一個(gè)方面，所公開的激光器測(cè)量系統(tǒng)10包含:信號(hào)光束投射器12，其包含用于發(fā)射調(diào)制的信號(hào)光束18的激光器16、20 ;導(dǎo)向光束投射器14，其包含用于發(fā)射導(dǎo)向光束22的激光器16、20 ;光束組合器42，其用于將所述信號(hào)光束18和所述導(dǎo)向光束22組合為調(diào)制的測(cè)量光束26 ;分束器42，其用于將所述測(cè)量光束26分離為本地震蕩器光束44和發(fā)射光束46。所述激光器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)一步包含發(fā)射光束光學(xué)裝置58，其用于將所述發(fā)射光束46整形到目標(biāo)結(jié)構(gòu)38的表面36上的測(cè)量區(qū)域34 ;反射光束光學(xué)裝置60，其用于在所述測(cè)量區(qū)域34內(nèi)收集從所述表面36上的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)92返回的反射光束52 ;本地震蕩器光束44光學(xué)裝置，其用于控制所述本地震蕩器光束44的光量；以及光束組合器42，其用于將所述反射光束52和所述本地震蕩器光束44組合為檢測(cè)光束68。檢測(cè)器48被包含以用于處理所述檢測(cè)光束68，所述檢測(cè)器48包含:多個(gè)微透鏡72，其形成用于投射所述檢測(cè)光束68的至少一部分80的微透鏡陣列74 ;多個(gè)光電檢測(cè)器76，其形成用于執(zhí)行所述檢測(cè)光束68的所述部分80的相干檢測(cè)的光電檢測(cè)器陣列78 ;以及與光電檢測(cè)器76通信的檢測(cè)器電子裝置84，其根據(jù)所述檢測(cè)光束68的所述部分80生成信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)進(jìn)一步包含范圍處理器86，其用于根據(jù)所述信息數(shù)據(jù)計(jì)算關(guān)于所述多個(gè)測(cè)量點(diǎn)92的維度數(shù)據(jù)；以及成像系統(tǒng)62，其用于提供所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)38的所述表面36的圖像66。優(yōu)選地，檢測(cè)器電子裝置84包含:多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器82，其用于將來自所述多個(gè)光電檢測(cè)器76的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；多個(gè)緩存器86、88，其用于臨時(shí)存儲(chǔ)所述數(shù)字信號(hào)；以及多個(gè)快速傅里葉變換處理器90，其用于根據(jù)所述數(shù)字信號(hào)計(jì)算所述信息數(shù)據(jù)，其中至少一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器82、至少一個(gè)緩存器86,88和至少一個(gè)快速傅里葉變換處理器90與所述光電檢測(cè)器陣列78的每個(gè)光電檢測(cè)器76關(guān)聯(lián)。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施例中，所公開的激光器測(cè)量系統(tǒng)可以包括:信號(hào)光束投射器，其包括用于發(fā)射調(diào)制的信號(hào)光束的激光器；導(dǎo)向光束投射器，其包括用于發(fā)射導(dǎo)向光束的激光器；組合器，其用于將信號(hào)光束和導(dǎo)向光束組合為調(diào)制的測(cè)量光束；分束器，其用于將測(cè)量光束分離為本地震蕩器光束和發(fā)射光束；發(fā)射光束光學(xué)裝置，其用于將發(fā)射光束整形到目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面上的測(cè)量區(qū)域；反射光束光學(xué)裝置，其用于在測(cè)量區(qū)域內(nèi)收集從所述表面上的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)返回的反射光束；本地震蕩器光束光學(xué)裝置，其用于控制本地震蕩器光束的光量；光束組合器，其用于將反射光束和本地震蕩器光束組合為檢測(cè)光束；檢測(cè)器，其用于處理檢測(cè)光束，所述檢測(cè)器包括:多個(gè)微透鏡，其形成用于投射檢測(cè)光束的至少一部分的微透鏡陣列，多個(gè)光電檢測(cè)器，其形成用于執(zhí)行檢測(cè)光束的所述部分的相干檢測(cè)的光電檢測(cè)器陣列，以及與光電檢測(cè)器通信的檢測(cè)器電子裝置，其用于根據(jù)所述檢測(cè)光束的所述部分生成信息數(shù)據(jù)；范圍處理器，其用于根據(jù)所述信息數(shù)據(jù)計(jì)算關(guān)于多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的維度數(shù)據(jù)；以及成像系統(tǒng)，其用于提供所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面的圖像。
[0010]在又一個(gè)實(shí)施例中，也公開了一種激光器測(cè)量方法，所述方法可以包含以下步驟:
(I)發(fā)射調(diào)制的信號(hào)光束，(2)發(fā)射導(dǎo)向光束，(3)將信號(hào)光束和導(dǎo)向光束組合為測(cè)量光束，
(4)將測(cè)量光束分離為本地振蕩器光束和發(fā)射光束，(5)調(diào)節(jié)發(fā)射光束以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面的測(cè)量區(qū)域的最佳測(cè)量，(6)將發(fā)射光束投射到所述表面的所述測(cè)量區(qū)域上，(7)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)收集來自所述表面上的至少一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的反射光束，(8)將所述反射光束和本地振蕩器光束組合為檢測(cè)光束，O)將所述檢測(cè)光束投射到檢測(cè)器，所述檢測(cè)器包括多個(gè)微透鏡、多個(gè)光電檢測(cè)器和檢測(cè)器電子裝置，(10)處理所述檢測(cè)光束，所述處理包括執(zhí)行所述檢測(cè)光束的相干檢測(cè)以及根據(jù)檢測(cè)光束生成信息數(shù)據(jù)，以及(11)根據(jù)所述信息數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的范圍值。
[0011]根據(jù)下面的詳細(xì)描述、附圖和所附權(quán)利要求，所公開的激光器測(cè)量系統(tǒng)和方法的其他實(shí)施例將變得明顯。
【附圖說明】
[0012]圖1是示出所公開的激光器測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖；
[0013]圖2是所公開的激光器測(cè)量系統(tǒng)的分束器/組合器以及光學(xué)組件的配置框圖；
[0014]圖3是所公開的激光器測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)器配置框圖；
[0015]圖4是所公開的激光器測(cè)量系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的框圖；
[0016]圖5是所公開的激光器測(cè)量方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；
[0017]圖6是一種飛行器生產(chǎn)和使用方法流程圖；以及
[0018]圖7是一種飛行器的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面的詳細(xì)描述參考附圖示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例。具有不同結(jié)構(gòu)和操作的其它實(shí)施例不脫離本發(fā)明的范圍。相同的附圖標(biāo)記可以指代不同附圖中的相同元件或組件。
[0020]參考圖1，所公開的用于相干視頻測(cè)量的激光器測(cè)量系統(tǒng)(通常標(biāo)記為10)的一個(gè)實(shí)施例，該系統(tǒng)可以包括信號(hào)光束投射器12和導(dǎo)向光束投射器14。信號(hào)光束投射器12可以包括至少一個(gè)激光器16。激光器16可以是連續(xù)波(“CW”)激光器(其發(fā)射單一頻率連續(xù)激光束)或是脈沖激光器(其發(fā)射單一頻率脈沖激光束)。例如，激光器16可以包括二極管泵浦固態(tài)激光器。激光器16能夠投射信號(hào)光束18(例如，激光束)作為輸出。信號(hào)光束18可以包括各種特性。例如，信號(hào)光束18可以包括不可見光頻譜中的波長(zhǎng)。
[0021]電源32可以被配置為向信號(hào)光束投射器12 (例如，一個(gè)或更多個(gè)激光器16)提供電流。激光調(diào)制器30可以定位在激光器16和電源32之間并連接到激光器16和電源32。在一個(gè)示例實(shí)施例中，激光調(diào)制器30可以通過控制電源32調(diào)制激光器16的信號(hào)光束18 (例如，激光器輸出)。在另一個(gè)不例實(shí)施例中，從多個(gè)激光器16發(fā)射的多個(gè)信號(hào)光束18的頻率可以被調(diào)制，其中每個(gè)信號(hào)光束18的頻率具有較小差異。
[0022]激光調(diào)制器30可以被配置為根據(jù)任何希望的功率輸出或參數(shù)(包括，例如，幅度、頻率、相位和/或極性)調(diào)制信號(hào)光束18。例如，信號(hào)光束18可以被調(diào)制以獲得用于具體測(cè)量應(yīng)用的最佳范圍精度。要求的調(diào)制程度可以基于任何合適的變量，例如，目標(biāo)結(jié)構(gòu)38(圖
2)的表面36上將被掃描的測(cè)量區(qū)域34。例如，查找表可以包括測(cè)量區(qū)域34和給定激光器輸出下目標(biāo)結(jié)構(gòu)38的表面36上的給定坐標(biāo)集處對(duì)應(yīng)的激光束功率密度。