專利名稱：：高度準確的三維表面數字化系統和方法
技術領域：
：本發明涉及用光學方法測量距離的方法和設備。本發明還涉及三維表面數字化的方法和設備。
背景技術：
：三維物體數字化有許多應用。汽車和飛機設計師使用這種技術將原形轉變為計算機模型數據。然后可以將該數據用于確定原形相對于設計的準確度，以確保生產期間的質量控制，等等。三維數字轉換器分為兩類接觸系統和非接觸系統。大多數接觸系統使用手動操作的探針或自動坐標測量機(CMM)。這些接觸系統每個時刻收集一個數據。顯然，對于大尺度建模項目(諸如汽車和飛機)來說，接觸系統既不實際又不經濟。非接觸系統使用光學技術來獲得數據，例如，激光器、莫阿(moire)干涉測量術、以及定形的光束。激光數字轉換器在物體表面上照明一個小點或者一條細線(照明細線要比照明小點快100倍以上)。然后使用一種稱為三角測量的技術來確定點在三維空間中的位置。基于莫阿干涉測量術的系統或定形的光束能夠迅速采集包含50000至100000個點一個數據組。并非每個系統適合三維數字化的每個候選物。有大量的因素能夠影響數字化的質量，這些因素包括物體的顏色和表面光潔度、物體的內外特角和邊緣的形狀、在物體中存在的孔和凹處、以及物體是無生命的還是活的(例如，人)。所有這些因素使得難于開發出能夠滿足特殊市場要求的系統。使用數字轉換器需要產生和收集數據以及其后處理數據。收集到的數據(以坐標點的形式)產生所謂的數據云(datacloud)或數據爆炸(dataexplosion)，這是由于數據可能有數以百萬計的比特。數據云是任意產生的，對于正在掃描和數字化的物體的表面拓撲沒有任何靈敏性，這是由于在數據產生裝置中的固有的限制。把數據云收集在一個計算機文件中，一般，它是非常龐大和不方便的。此時，數據云不代表任何實際值。因此，為了將數據云轉換成有意義的文件格式(它代表被掃描物體的表面和特征)，用戶需要進行嚴格而費時的工作。在處理數據云時，用戶企圖從數據云提取表面特征(諸如邊緣、凹陷、圓、等等)，該提取便于數據操作，包括定標、鏡象成象、工具路徑產生、有限元分析、變形轉換(metamorphictransition)、光學特殊效應、等等。根據數據云對表面特征的操作和提取是產業中的一個技術瓶頸之一，為了進行改進，在其上已經花費了大量時間和力氣。大多數的常規數字轉換器通過稱之為三角測量技術的這種或那種形式產生和控制數據。參看圖14，三角測量是一種建立在Pytagoras定理之上的技術。由在激光器和探測器之間的經標度的距離A、發送光束B和接收光束C確定了一個直角三角形。三角測量技術由許多缺點。例如，如果接收光束被遮斷，則可能在數據中產生“陰影”。此外，為了產生準確的測量結果，發送光束B和接收光束C之間的角度θ必須至少是30度；因此，移動掃描頭和數字化義的物理尺寸是正在被數字化的物體的尺寸的函數。例如，如果被數字化的物體在其拓撲中有一個2英尺深的表面凹陷部分，則三角測量探針的尺寸將必須大約是16英寸。這樣大的探針增加了掃描裝置的質量，因而增大了機械不穩定性的風險，為此需要不斷校正掃描器。一般地轉向測距器(rangefinder)，當今最常用的一種是警用雷達測距器。與先前的雷達不同，現代警用雷達測距器使用半導體激光器來投射光束，由此得出測量結果。該裝置可使用頻率偏移(即Doppler效應)對激光束調制。另一種做法是，裝置可以發送短的光脈沖，并且測量脈沖返回所改變的時間，據此計算出目標速度。沒有一種方法能夠提供高度準確的距離。另一種常規的測距器包括GeodimeterTM，它是一種電-光裝置，在光速的基礎上測量距離。在Geodimeter中使用的方法是送出用固定頻率調制的光束，它被后向反射回至儀器，在那里測量返回信號的可變的相位，以計算距離。這曾經是標準的測量距離的常規方法送出固定頻率信號，并且測量返回信號的相位。由于常規設備有上面提到的缺點，因此本發明的一個目的是提供測量距離和／或數字化物體的方法和設備，它們能減輕和／或免除這些缺點。本發明的另一個目的是提供這樣的方法和設備，它們消除了現有掃描和測距裝置的限制。本發明的又一個目的是提供測距設備，該設備的尺寸較小并且是便攜式的。本發明的再一個目的是提供用于物體作數字化的方法和設備，它能對物體數字化，其時間以秒計算，而不是常規裝置所需的數小時甚至數天。本發明的再一個目的是提供一種測距設備，它明顯地價格低廉，因此要比常規的系統有更廣泛的應用。本發明的再一個目的是提供一種用于測距的方法和設備，其中，把用于產生和收集數據的光信號同軸發送至目標和從目標接收。本發明的再一個目的是提供用于對物體作數字化的方法和設備，它顯著地減少了準確描述物體特征所需的數據點的數目。本發明的再一個目的是提供用于測距和／或對物體作數字化的方法和設備，它在運行中(on-the-fly)進行數據運算(例如，曲線擬合)。因此，不是產生數據云，而是輸出數據的數學表示，該數學表示是用戶可定義的。本發明的另一個目的是提供用于對物體作數字化的方法和設備，它不需要相干(即，單一頻率)的光源，由此無需用于干涉測量法的后向反射器。因此，本發明能夠測量表面品質的范圍很寬的物體，無需進行麻煩的目標-儀器機械對準，解決了產生陰影的問題，并且在不增大測量裝置尺寸的情形下取消了測距的限制。本發明的再一個目的是提供對物體作數字化和近距離測量的方法和設備，它對于實時質量控制應用提供高度準確和絕對的測量。因此，本發明可以集成在制造過程中，作為計算機化數控(CNC)銑床的工具庫中的一件工具。這種集成允許精密制造商(例如，宇航公司)無需從機床的床身中移開部件即可對其進行檢驗，由此顯著地加快了制造過程的速度。本發明的還有一個目的是提供用于測距和／或對物體作數字化的方法和設備，它可以用多個掃描頭系統來實現，其中，多個掃描頭是靜止的。因此，實現本發明原理的數字轉換設備可以用以秒計的速度對大型物體(例如，汽車和機翼)進行數字轉換，并且物體可以具有任何形狀和構造。它在硬件、人力和時間方面顯著地比常規掃描系統節省。發明概要本發明提供這樣的方法和設備，它能夠測量中等范圍的距離(例如，小于50英尺)，而準確度在0．001英寸。本發明的方法和設備能夠勝任并且迅速地測距。在測量了至物體表面的距離后，本發明于是能夠獲取此距離數據并且對物體進行數字轉換，其準確性和精確性的水平和速度是常規的實踐所達不到的。按照本發明的一個方面，一種測量至物體的距離的方法包括以已知頻率發送經調制的激光光束至目標。接收從目標反射的光束，并且調節頻率以滿足特殊的條件。然后改變調制發送光束的頻率，直至在發送光束和反射光束之間有第二特殊相位差。然后根據兩個調制頻率計算至目標的距離。按照本發明的一個方面，距離測量包括可調頻率發生器，用于產生調制頻率。光源連至頻率發生器，并且以調制頻率發送光束至目標。目標探測器接收從目標反射的具有反射頻率的光束。連至頻率發生器和目標探測器的相位檢測器接收調制頻率和反射頻率。然后提供輸出，它指出調制頻率和反射頻率之間的相位角。連至相位檢測器和頻率發生器的計算機調節調制頻率，直至調制頻率與反射頻率之間存在零相位差。因此，不是如在常規裝置中那樣提供固定的參考頻率和測量相位，本發明改變調制頻率，直至存在零相位差。這種測距的方法要比常規的方法容易得多和準確得多。按照本發明的又一方面，距離測量系統也可以包括分束器，把它設置在或放在光源和目標之間。分束器允許發送光束入射在目標上，而使要入射在目標探測器上的接收光束偏折。因此，發送至目標的光和反射回目標探測器的光基本上同軸。這樣一種同軸系統無需常規的三角測量技術以及所有與其相隨的固有缺點。本發明的此種同軸特征還允許以顯著小于常規系統的小尺寸實現整個測距系統。按照本發明的另一方面，一種測量至目標的距離的設備包括；光源，用于以調制頻率發送光束至目標。連至光源的可調頻率發生器產生調制頻率。以特定反射頻率接收來自目標的反射光束的目標探測器。設備還包括相位檢測器，它連至頻率發生器和目標探測器，用于接收調制頻率和反射頻率。相位檢測器提供指出調制頻率和反射頻率之間相位角的輸出。根據這個相位角的確定，可以計算至目標的距離。相位檢測器最好具有多個輸出，每個輸出指出一個相位角，它是90度的有關倍數。頻率發生器可以包括接收頻率調節信號的輸入端，該信號用于調節調制頻率，以在發送光束的經調節的調制頻率與反射光束的反射頻率之間得到90度的倍數的相位角。通過確定得到反射頻率相對于調制頻率的零交叉點的頻率，可以算出至目標的距離。由于在零交叉點處的頻率的斜率為最大，因此容易確定零交叉點。因此距離計算既快又準。熟悉本領域的人通過適當地參考附圖閱讀下面的詳細描述，將更加明白本發明的其他的目的、優點和特征。附圖概述圖1是按照本發明的距離測量系統的例示實施例的示意圖；圖2是詳細示出圖1的距離測量系統的示意圖；圖3是按照本發明的距離測量系統的校正裝置的例示實施例的示意圖，示出的是正常模式；圖4是類似于圖3的示意圖，示出的是校正模式；圖5是按照本發明的另一實施例的距離測量系統的示意圖；圖6是說明圖5所示的距離測量系統的實施例的示意圖；圖7是說明圖5所示的距離測量系統的處理電路的較佳實施例的示意圖；圖8是說明按照本發明的測量距離的例示的方法學的步驟的流程圖；圖9是本發明的光二極管驅動器和混頻器電路的較佳實施例的示意圖；圖10是本發明的牽引晶體時鐘的較佳實施例的示意圖；圖11是說明本發明的相位檢測原理的曲線圖；圖12是本發明的距離測量設備的另一例示實施例的示意圖；圖13是說明本發明的雙鏡掃描設備的例示實施例的示意圖；以及圖14是說明常規的三角測量技術的示意圖。較件實施例的詳細描述可以用許多實施例來實現本發明的距離測量和／或物體數字化原理。然而，為了舉例說明這些原理，提供了本發明的兩個較佳實施例。一般說來，本發明的距離測量系統同軸地產生和收集數據，無需常規的三角測量技術。例示實施例1參看圖1，該圖示出了按照本發明的距離測量系統10，它測量至目標12表面的距離d。距離測量系統10包括發出光16的光源14(諸如激光二極管)。最好用調制器18來控制光源14，從而光16被固定頻率的正弦波調制。然后光16被準直管接收，它將光16準直為發送至目標的發送光束22。發送光束從目標12的表面反射并散射。一部分散射光以接收光束24的方式反射回至系統10。接收光束24被分束器或鏡子反射，并被透鏡28聚焦在目標探測器30上。目標探測器30提供目標信號32至處理電路34的輸入端。目標信號32指出來自目標12的接收光束24，并且具有目標相位。可以提供孔徑35來減小入射在鏡子26上并且影響目標信號32的隨機散射光和／或環境輻射。來自光源14的一部分光16入射在提供參考信號的參考探測器36上。參考信號38指出由光源14發射的光16，并具有參考相位。由處理電路34計算至目標12的距離d，它是目標信號32的目標相位減去參考信號38的參考相位再加上距離校正變量的函數，這在下面將詳細討論。距離測量系統10最好包括校正裝置40，它周期地對系統10進行校正。按照一個較佳實施例，校正裝置包括校正目標42、用于驅動目標42的電動機44、校正光源46以及校正探測器48。下面將討論校正裝置40的操作細節。特別在物體數字化的應用中，可以把計算機50(諸如個人計算機)與處理電路相接，用作控制和顯示，下面也將對此進行討論。再參考圖2，該圖給出本發明的例示實施例的更詳細的說明。處理電路34控制發送光束22的調制，并且處理目標信號32和參考信號38。然后處理電路34提供數據給計算機50，用于進一步的處理，例如，數字化應用。處理電路34包括時鐘52，用于提供具有預定頻率的時鐘信號54。選擇對發送光束22調制的頻率，從而距離測量系統10盡快地產生和收集數據，同時仍保持高度的準確性。已經確定，如果發送光束22具有大于1500MHz的調制頻率，則系統的各種部件的運作可能變得不確定，并且可能難于保持系統的線性。因此，按照本發明的一個較佳實施例，對于發送光束22，選擇小于1500MHz(例如，600MHz)的頻率。通過以這樣的頻率來調制發送光束22，距離測量系統10每秒能夠進行1000個以上的測量。為了以大約600MHz來調制發送光束22，例如，選擇時鐘信號54為10MHz，從而提供一個穩定而無波動的時鐘信號54。時鐘信號54最好用倍頻器56倍頻，以得到所需的頻率。在說明的較佳實施例中，用分別具有倍數4和16的兩個倍頻器56a和56b來乘時鐘信號54，以提供頻率為640MHz的經倍頻的時鐘信號54”，該信號提供給調制器18，然后提供給光源14。當選擇所要的調制頻率時，其他的一些因素可能起作用。距離測量系統10的測量誤差用發送光束22的調制頻率的周期的一部分來測量。因此，經調制的發送光束22的波長應當盡可能短并且僅僅受到光源14(例如，激光二極管)和／或探測器30和36的當前市售部件的限制。此外，經調制的發送光束22的幅度應該盡可能大，并且與保持正弦偏離在百分之一的數量級相符。換句話說，在過零點處的經調制的發送信號22的斜率應該保持在相同峰值的正弦波的斜率的百分之一以內。也將時鐘54提供給輸出處理信號的綜合器58。處理信號60的頻率由倍頻器62a、62b倍頻。把經倍頻的處理信號60”提供給一對乘法器64、66。乘法器64把來自目標探測器30的目標信號32與處理信號60”相乘，而乘法器66把來自參考探測器36的參考信號38與處理信號60”相乘。然后乘法器64和66把經相乘的目標信號32’和參考信號38’提供給各自的放大器／濾波器68和70。乘法器64、66以及濾波器68、70分別包括混頻器，它們對經調制的目標信號32和參考信號38進行頻率變換。然后由分別由乘法器72、74和放大器／濾波器76、78把經混頻的目標信號32’和38’在處理頻率上與信號60’混頻。然后把目標信號32”和參考信號38”輸入可變增益放大器80、82，接著輸入模一數(A／D)轉換器84、86。A／D轉換器84、86分別提供經數字化的目標信號88和參考信號90給與處理器94連接的現場可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray)92，而處理器94又與個人計算機50連接。再參看圖1，現在提供校正裝置的細節。如上所述，校正裝置40周期地對系統10進行校正。校正目標42間歇地或有選擇地遮斷來自準直管20(或光源14)的發送光束22。最好構造如圖3和4描繪的校正目標來進行所述遮斷，在所述圖中示出在校正目標42中的凸起100和凹口102。如圖3所示，在正常操作下，當系統10正在產生和收集數據時，校正目標42如此放置，從而發送光束22和接收光束24能夠通過校正目標(為清楚起見，在圖3和4中，將發送光束22和接收光束24分別表示成對于公共的光軸φ不是同軸的，而是偏移的分別如符號和⊙所示。)如圖4所示，當對系統10校正時，校正目標42旋轉，從而凸起100遮斷發送光束22。因此，沒有來自目標12的接收光束24；然而，有來凸起在100本身的接收光束(用24’表示)，它被反射會至鏡子26，并且射在透鏡28和目標探測器30上，而又由目標探測器30輸出目標信號32。為了判定目標信號是表示來自目標12的接收光束24還是來自校準目標42的接收光束24’，校正探測器48提供校正信號104給處理電路34。校正信號104的來源是，當凸起遮擋發送光束22時，由校正光源46提供的通過凹口102并且入射在校正探測器48上的校正光束104。在接收到來自校正探測器48的校正信號104之后，處理電路34更新距離校正變量。雖然任何間隔是可能的，用于進行校正的間隔(包括數據收集和計算)最好小于約一毫秒。通過以大約每分鐘1200轉(RPM)旋轉校正目標42(其凸起100約為36°寬，而凹口102約為58°寬)可以完成這一校正。例示實施例2本發明的另一例示實施例在圖5、6和7中給出。如在上述實施例中所描述的，由標號200表示的距離測量系統的這個實施例同軸地發送和接收光，用于以高至大約每秒10，000個樣本的速率產生和收集數據，然后以0．001英寸的準確度計算至目標的距離。雖然可以對于任何范圍設計系統200，但對于大多數工業應用來說，操作范圍可以在大約50英尺以下，而最好在大約5英尺至25英尺之間。具體參看圖5，距離測量系統200包括發送器202和接收器204。發送器202包括光源206，從該光源發射出小直徑的幅度調制(AM)脈沖串或光束206，并且發送至目標12。接收器204包括目標探測器210，它接收來自目標12的接收光束212。雖然為了清楚起見沒有如在一些圖中畫出的那樣，但發送器202和接收器204的光學元件(即，光源206的發送器光學元件214和目標探測器210的接收器光學元件216)最好做得大體上同軸。接收器204連至處理電路218。以調制頻率(fm)發送發送光束208，該調制頻率由參考頻率發生器220和鎖相環(PLL)222產生、控制和改變。頻率發生器220接收來自計算機400的細調信號224，并且向發送器202的PLL222提供參考頻率(fref)。PLL222的除以N計數器223接收來自計算機400的粗調信號226，以調節參考頻率fref。然后PLL222以調制頻率(fm)提供調制信號225給光源，用于以以調制頻率fm調制發送光束208。來自PLL222的調制信號225的調制頻率fm等于參考頻率fref的N倍。調制頻率的范圍最好從100MHz至200MHz。為在接收器處提供良好的分辨率，這個頻率范圍足夠高，而它又足夠低，從而不需要昂貴而奇特的電子線路。此外，這個頻率范圍是實用的，其原因是，某些目標是極好的反射體，它們能以這樣的方式反射發送光束208，即，它們能夠對于光源206的激光二極管再調制(下面討論)；而在100MHz至200MHz的范圍內不容易出現這種再調制。調制信號225也具有波長(λm)。如眾所周知的，波的頻率和波長之間的關系為，波速(v)等于頻率(f)和波長(λ)的乘積，即，v=λf。于是，在速度大體上恒定的情形下，如果頻率升高，則波長縮短。因此，調節調制信號225的頻率fm(因而，發送光束206的頻率fm)也附加地調節了發送光束206的波長λm。按照本發明，調節發送光束208的波長λm(通過調節調制頻率fm)，以精確地適合光源206和目標12之間距離d，這將在下面詳細討論。對于必需的頻率調節、細調和粗調以及系統200的其他變量最好要從計算機400輸入。此外，計算機400還從系統200(具體而言，從處理電路228)讀取數據。計算機400可以是個人計算機、便攜式計算機(laptopcomputer)、等等。也可以把計算機400連至環境探測器402，用于讀取溫度、濕度、大氣壓、以及可以影響發送光束208和反射光束212的速度(因而影響距離d的計算)的其他環境條件。另一種做法是，也可以把這些環境變量由用戶手工輸入計算機400。通過細調信號224和粗調信號226，計算機400指令參考頻率發生器220和PLL222產生調制頻率fm。然后計算機400監視反射光束212的相位，其分辨率最好是微微秒分之幾。計算機400改變發送光束208的調制頻率fm，直到在反射光束212中達到零相位平衡。于是計算機400能夠計算距離d(最好從計算機可以使用的軟件出發)。如需要可以選擇和調節發送光束208的調制頻率fm的標稱值；例如，標稱調制頻率(fm0)可以選擇為大約100MHz，而從大約50MHz至大約200Mhz可調，下面將對此作更詳細的討論。接收器還包括鎖相環228以及連至粗調信號226的除以(N+1)計數器229。處理電路218包括相位檢測電路230和模-數(A／D)轉換器232。相位檢測電路230接收來自目標探測器210的表示反射信號212的差值信號233，它還接收來自頻率發生器220的參考頻率fref。相位檢測電路230把模擬相位檢測器輸出234提供給A／D轉換器232，用于轉換為提供給計算機400的數字輸出信號236。圖6示出距離測量系統200的一個詳細的較佳實施例。數-模轉換器(DAC)250把來自計算機400的8位數字細調信號224轉換為成比例的電流，然后由內部緩沖放大器轉換為電壓。把DAC250的電壓輸出提供給壓控晶體振蕩器(VCXO)252。VCXO252最好包括一個27MHz的晶體振蕩器，它在二進制除法后輸出432kHz信號。VCXO252的432kHz輸出然后由連接的觸發器254(它作為2位Grey碼計數器)分頻。照這樣，在Grey碼序列中出現除以4動作。每個觸發器256、258接通2個周期，然后改變狀態，而一個觸發器的循環周期與另一個觸發器偏移一個計數。這樣的結構產生兩個信號Q0和Q1，它們偏移90°。通過顛倒觸發器的Q輸出和非Q輸出，90°信號變為270°信號，而0°信號變為180°信號。因此，對于整個100kHz周期，產生了4個固定相位的信號。觸發器256、258的這種結構也稱為正交計數器。把信號Q0提供給發送器的PLL222和228。PLL222包括相位比較器260，它具有用于接收信號Q0的輸入端和連至濾波器262的輸出端，而濾波器262又連至壓控振蕩器(VCO)264。PLL222的反饋環路由VCO264的輸出端和一對6位計數器266、268確定。計數器266、268接收來自計算機400的8位粗調信號226。VCO264輸出調制信號225至光源206，該光源最好由驅動激光二極管272的激光器驅動器270組成。可以提供熱泵273，用于使激光二極272管熱穩定，而激光二極管最好處于小于20mW的數量級。調制信號225的調制頻率fm可由計數器266、268的因數N調節，如上所述。說得更具體些，調制頻率fm是參考頻率fref和整數N的乘積(即，fm=N×fref)。相位比較器260由兩個分開的信號驅動100kHz的參考信號Q0和來自除以N計數器266、268的反饋信號。由來自計算機的400的粗調信號226確定N。信號226最好是12位(例如，D0-D7和D8-D15)，設定該信號以鎖存PLL222中的計數N。因此，如上所述，調制信號225將是參考信號Q0的N倍。一般，N在1000至2000的數量級。因此，采用例示的100kHz的參考頻率fref和N等于1000，于是調制頻率fm在100MHz的數量級。相位比較器260改變電壓，以使計數器266、268的輸出的頻率和相位大體上與參考信號Q0對齊。信號的對齊優于大約一個納秒。在調節調制頻率fm中，計算機400用粗調信號226遞增地調節N，N的每個增量大約使調制頻率fm改變200kHz。一當調制頻率fm在所需的操作頻率的200kHz之內，計算機400就用細調信號224調諧參考頻率fref，這導致調制頻率fm的小的改變。將注意力轉向接收器204；提供的結構包括相位比較器280、濾波器282、壓控振蕩器(VCO)284、以及一對與發送器202的計數器類似的計數器286、288。相位比較器280還接收參考信號Q0作為輸入。然而，可以用因數N+1對參考信號Q0調節，而不是用因數N，從而VCO284提供的輸出信號289為(N+1)×fref。為了做這件事，粗調信號226的D0在發送器202中的PLL222中被連至低電平，而在接收器204的PLL228中D0連至高電平，兩個D0都與計算機控制不連。如此，VC0284的輸出信號289具有比發送器202的調制頻率225大100kHz的頻率。將輸出信號289提供給雪崩光二極管(APD)偏置網絡290，該偏置網絡290與目標探測器210的雪崩光二極管(APD)292相耦合。附帶說一下，發送器光學元件214和接收器光學元件216可以具有透鏡的形式，并且可以包括濾波器和／或遮光裝置，后者用于消除來自操作環境光干擾。VCO284的輸出信號289是加在施加至APD292的DC偏置上的小的交流電壓。APD292把反射信號212轉換為電流并且將該電流放大，這稱之為雪崩倍增。通過用輸出信號289調制跨過APD292的電壓，反射信號212用增益來乘，增益隨輸出信號而改變。因此，用輸出信號289乘調制信號225，這稱為混頻。相對于PLL222和228的操作信號225和289的頻率，混頻導致差值信號233。在此情形下，差值信號233等于[(N+1)×fref]減去[N×fref]，這等于fref(連同其他混頻器產物)，而在本實施例中，在100kHz的數量級。來自APD偏置網絡290的差值信號233被放大和用窄帶濾波器(數量級為fref)濾波，以去除不要的混頻器產物，然后把它提供給相位檢測器230。再參看圖7，處理電路218的較佳實施例包括相位檢測電路230和A／D轉換器232。把相位檢測電路230構造成4個平衡調制器300a-d。每個調制器300最好是MC1496Gilbert單元(cell)。調制器300a-d的輸入是差值信號233和來自頻率發生器220的參考信號Q0和Q1。4個調制器300a-d使用參考信號Q0和Q1的4個相位(即，0°、90°、180°和270°)作為乘數。調制器300的4個輸出提供給多個放大器302a-f。然后把放大器302的輸出234提供給A／D轉換器232。除了0°、90°、180°和270°相位輸出234之外，還提供代表0°至180°的一個輸出和代表90°至270°的一個輸出。這兩個差值信號在平衡調制器系統230的平衡方面得到額外的對稱度。可以使用任何的相位輸出來檢測反射信號212的零相位條件。再參看圖8和9，在操作中，計算機400設定和記錄標稱參考頻率fm0(步驟S10)。由4個調制器300a-d監視差值信號233的參考頻率fref，以檢測參考頻率fref的最接近的固定90°相位條件(步驟S12)。0°相位條件代表在發送光束208和反射光束212之間剛好檢測出整波長的差值(或其倍數)；90°相位條件代表四分之一波長差加上整波長；180°相位條件代表二分之一波長差加上一個或多個整波長；而270°相位條件代表四分之三波長差加上整波長。每個輸出234是一個由A／D轉換器232數字化的電壓值，并在計算機400中與所需的0伏(或零)條件作比較。如果未發現零，則計算機400用粗調信號和／或細調信號224、226調節調制頻率fm，直至存在四分之一波長差或零條件存在(步驟S14)。然后由讀出裝置275或計算機400讀取和／或記錄產生零條件的調制頻率fm(步驟S16)，零調制頻率用fm1來表示。根據標稱調制頻率fm0和零調制頻率fm1，可以計算至目標12的距離d(步驟S18)，這在下面將討論。再參看圖9，說明APD偏置網絡電路290的較佳實施例。APD電路290包括緩沖放大器297和雙二次(biquad)帶通濾波器299。在操作中，施加至APD292的電壓將藉助于通過兩個20kΩ的電阻器的電流朝著200伏參考電壓上升。自偏置的特征無需監視二極管電壓，也避免包括復雜的反饋偏置電路。在APD292上的電壓按照(來自反射光束212的)光量尋求直流電平。當入射光較少時，在APD292中的光電流將減小，因而跨過兩個20kΩ的電阻器的電壓降將開始減小。跨過兩個20kΩ的電阻器的電壓降越小，指出跨過APD292的電壓將上升，這將使光電流的APD放大增大。增大的放大使通過兩個20kΩ的電阻器的電流的改變減小，直至被放大的信號提供足夠的電流來停止電壓上升。除了來自20伏的直流電壓之外，與PLL228的連接傳遞高頻(100MHz)信號289至APD292的陰極。通過施加高頻電壓至APD292的高側，由APD292的較低的電容使從51Ω的電阻器取出的低側信號與高頻信號289隔離。這減小了緩沖放大器297必須對待的高頻信號289的幅度。圖10說明頻率發生器220的牽引晶振時鐘或壓控振蕩器252的較佳實施例。距離測量計算通過將光速(c)乘以發送光束208傳遞至目標的時間(或者，由于光學元件的同軸構造，接收光束212從目標傳遞來的時間)可以計算至目標12的距離d。這個時間用tt來表示。可以用下述公式1對此總結d=c×tt(1)由于光速是已知的(并且按照由環境探測器402測量的環境條件而稍有改變)，因此只需確定至目標的時間(或從目標來的時間)tt。然而，時間延遲可以影響距離d計算的準確性。因此，隔離系統200的每個這樣的時間延遲。然后確定每個單獨的時間延遲是否對總的延遲和計算的準確性有貢獻。表1列出了例示的各個時間延遲。表Ⅰ<tablesid="table1"num="001"><table>延遲變量說明電子延遲1Ed1綜合器220→PLL222→光源206電子延遲2Ed2綜合器220→PLL228→探測器210電子延遲3Ed3探測器210→處理電路218電子延遲5Ed4綜合器220→處理電路218光學延遲1Ed5處理電路218的相移光學延遲2Od1至目標的時間+零偏置1光學延遲3Od2來自目標的時間+零偏置2</table></tables>于是，總的時間延遲(ttotal)可以計算如下ttotal=(Ed2-Ed1)+(Ed4-Ed3)+Ed5+Od1+Od2所有的電子延遲Ed1-Ed5可以假設為常數，并且代表恒定的時間延遲(Td)(雖然這些電子延遲例如可以隨溫度改變，這將在下面討論)。兩個光學延遲Od1和Od2是可變的(取決于至目標的距離d)，并且可以假設為大體相等(由于系統的同軸布置)。光學延遲Od1和Od2可以加在一起，以代表一個可變的時間延遲(td)。因此，上述公式變為ttotal=可變時間延遲(td)+恒定時間延遲(Td)ttotal=td+Td此式可以改寫如下td=ttotal-Td(2)下面將對此作詳細討論。再參看圖。當測量產生0°相位差的零調制頻率時測量時間延遲，它可以表示為時間延遲=N×(l／f0)(3)這里，N是整數，而f0是產生0°相位的調制頻率。相應于這個時間延遲的粗的距離dc可以由下式(步驟S20)dc=N×(c／f0)÷2(4)雖然N可能是未知的，但上述公式示出，時間延遲(因而，粗距離)是l／f0的倍數。此外，當測量90°相位差(即，四分之一波長差)時，時間延遲為時間延遲=(K+1／4)×(1／f90)(5)同樣，對于180°相位差(即，半波長差)，時間延遲為時間延遲=(M+1／2)×(1／f180)而對于270°相位差(即，四分之三波長差)，時間延遲為時間延遲=(L+3／4)×(1／f270)在這些式子中，K、M和L是整數。等置公式3和公式5N×(l／f0)=(K+1／4)×(1／f90)由此得出下述公式f90／f0=(K+1／4)／N(6)可以類似地等置其余的公式以得出f180／f0=(M+1／2)／Nf270／f0=(L+3／4)／Nf180／f90=(M+1／2)／(K+1／4)f270／f90=(L+3／4)／(K+1／4)f270／f180=(L+3／4)／(M+1／2)為計算總延遲，可以在上面的6個式子中對N來解。在對N解之后，可以計算總延遲ttotal，而根據它可以解出至目標的時間tt如下至目標的時間=(總延遲-恒定延遲)／2tt=(ttotal-Td)／2(7)在對至目標的時間求解后，可以用下面的公式確定細距離(步驟22)df=tt×c根據細距離df，在對環境變量(諸如溫度、壓力、等等)進行補償之后，可以確定真實距離dt(步驟S24)。樣本計算例如，假設對于0°和90°相位角的頻率f0和f90確定為下述值f0=137．620850MHzf90=144．105000MHz因此，f0／f90=1．047116116從上面的公式5，得出下面的關系f0／f90=(K+1／4)／N=1．047116116接下來，需要定出K和N的整數值，由它們能夠得到最接近1．047116116的值。表Ⅱ列出了對于一組K和N值得出的值。注意，只有在0．5和2．0之間的值是有效的比值。表Ⅱ<tablesid="table2"num="002"><table>K＼N3456731．083330．821＜0．5＜0．5＜0．541．416671．06250．85＜0．5＜0．551．751．31251．050．875＜0．56＞2．01．56251．251．04160．89297＞2．0＞2．0＞2．0＞2．01．0357</table></tables>從表Ⅱ可以看出，當K=5和N=5時，比值(K+1／4)／N=1．05，該值最接近f0／f90的精確值。假設是真空，光速c等于299，792，458米／秒。于是，從上面的公式4，可以算出粗距離dc為dc=N×(c／f0)÷2dc=5×(299，792，458／137，620，850)÷2dc=5．445987米再參看圖12，該圖示出本發明的光學系統的另一種結構。光源310提供發送光束312，它由分束器314分裂，從而發送光束312的一些部分入射在目標12和參考探測器316上。反射光束318由透鏡320收集，并且聚焦在目標探測器322上。參考探測器316和目標探測器322分別提供參考信號324和目標信號326至處理電路328，用于計算至目標的距離，其方法與上述的方法類似。光學系統308最好是自備(self-contained)的便攜式裝置，用戶可將它按需要放置。對于大型目標，為了快速產生和收集數據，對于單套數字化設備可以提供多個光學系統308。例如，整個房間內可以放置6至8個光學系統308，用于對飛機機翼數字化，所花的時間以秒計，而不是如使用常規設備的情形那樣要數小時甚至數天。另一種做法是，便攜式光學系統308可以并入制造過程作為計算機化數控(CNC)銑床的工具庫中的一件工具。這種并入允許制造商無需從機床的床身中移開部件即可對其進行檢驗，由此顯著地加快了制造過程的速度。再參看圖13，為了進一步加快本發明的速度，提供了一種用于接合(articulate)發送光束312的雙軸光學設備330。光學設備330包括x軸接合裝置332和y軸接合裝置334，每個裝置包括各自的可旋轉的鏡子336和338。光學設備330“引導”發送光束312至目標12上的所需位置。可以在計算機的控制下使發送光束312跨過目標12的表面被掃描或“生成光柵”(raster)，以在計算至目標的距離中產生和收集數據。最好通過使用鏡子336和338同軸地收集反射光束。通過實現這樣一種光學設備330，可以在很短的時間間隔內產生和收集大量的數據。然后可將收集到的數據用計算機400或其他分析系統對目標12數字化。熟悉本領域的人將明白，上述本發明的實施例說明了本發明的原理，并不將本發明的范圍限于具體示出和描述的較佳實施例。例示的實施例提供了一個基礎，根據它可以作出許多改變和變更，這些改變和變更也在所附的權利要求書確定的本發明的范圍之內。權利要求1．一種用于測量至目標距離的設備，其特征在于，所述設備包括可調的頻率發生器，用于產生調制頻率；連至所述頻率發生器的光源，用于以所述調制頻率向目標發送發送光束；目標探測器，用于接收從目標反射的反射光束，所述反射光束具有反射頻率；連至所述頻率發生器和所述目標探測器的相位檢測器，用于接收所述調制頻率和所述反射頻率，并且提供指出所述調制頻率與所述反射頻率之間的相角的輸出；以及連至所述相位檢測器和所述頻率發生器的計算機，用所述計算機調節所述調制頻率，直至在所述調制頻率與所述反射頻率之間存在零相位差。2．如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述相位檢測器提供多個輸出，每個所述輸出指出一個相角，它是90度的相應倍數。3．如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述發送光束和所述反射光束大體上是同軸的。4．如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述計算機根據產生所述零相位差的所述調制頻率計算至目標的距離。5．如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述目標探測器包括連至所述頻率發生器和所述相位檢測器的偏置網絡；以及連至所述偏置網絡的雪崩光二極管，用于接收所述反射光束；所述偏置網絡將所述調制頻率與所述反射頻率混頻，以產生差頻，并且把所述差頻提供給所述相位檢測器。6．一種用于測量至目標的距離的方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟產生可調節的調制頻率；以所述調制頻率發送發送光束至目標；以反射頻率接收來自目標的反射光束；監視所述反射頻率以確定在所述調制頻率與所述反射頻率之間的相位差；調節所述調制頻率，直至在所述調制頻率與所述反射頻率之間存在零相位差；以及根據產生所述零相位差的所述經調節的調制頻率計算至目標的距離。7．如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述接收步驟包括下述步驟以與所述發送光束成大體上同軸的關系接收所述反射光束。8．如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述監視步驟包括下述步驟提供多個輸出，每個所述輸出指出一個相角，它是90度的相應倍數。全文摘要距離測量系統(10)包括用于發送經調制的光束至目標的光源(14)和調制器(18),由此產生接收光束。通過在光源與目標之間放置校正目標(42)從而遮斷發送光束,校正裝置(40)周期地對系統進行校正,由此產生接收校正光束。目標探測器(30)接收反射目標,并且提供指出反射目標光束的目標信號(32)。處理電路接收目標信號(32)和參考信號(38),調節發送光束的頻率,直至在目標信號(32)與參考信號(38)之間存在零相位差,再根據產生零相位差的頻率計算至目標的距離。文檔編號G01S7/48GK1283264SQ98810886公開日2001年2月7日申請日期1998年9月9日優先權日1997年9月9日發明者M·塞科斯基,T·薩默斯,J·M·哈蒂申請人:邁阿拉股份有限公司