專利名稱：測量材料片移動的方法和執(zhí)行該方法的光學傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及沿至少一個測量軸測量材料片與片材傳感器之間相對位移的方法，所述方法包括以下步驟對于每個測量軸，用測量激光束照射該片材，將片材反射的測量光束輻射的選擇部分轉換成電信號，所述電信號表示沿所述測量軸的位移。
本發(fā)明還涉及用于執(zhí)行此方法的片材傳感器和包括這種傳感器的片材處理裝置。
這種方法和片材傳感器可用于這樣的裝置，其中通過所述裝置饋送材料片、例如紙張，以便進行處理，例如印制信息或對片材上印制的信息進行掃描。這種裝置可以是例如(彩色)打印機、復印機、文件掃描儀或傳真機。這樣理解片材傳感器它指的是可以用來例如測量片材的移動速度或該片材的特定區(qū)域的位置、或者監(jiān)控印刷質量的裝置。在打印機、復印機和傳真機中，采用一個或多個輥子來使紙張移動而穿過這些裝置。目前，此類裝置中的紙張移動控制、也稱為送紙控制是通過控制輥子的移動來實現(xiàn)的。因此，它假定輥子的移動準確地確定紙張的移動。但是，實際上，無法避免紙張與輥子之間的滑動，使得無法確保輥子的移動始終表示紙張的移動。而且，送紙的精細控制所需的輥子移動的精細控制需要對驅動輥子的電動機進行很精確的控制。這種精確控制的成本昂貴，阻礙了大量應用。例如，對于比如下一代彩色打印機中的高分辨率打印，需要控制紙張的移動，因此需要以約10μm的精度來測量。即使非常精確的機械送紙也無法實現(xiàn)這種精細控制。
通過由一束光輻射測量片材移動、即非接觸測量，可以使送紙控制更精確，并且可能顯著減小對輥子電動機控制的要求。迄今為止已知的用于光學測量的裝置都是為小規(guī)模應用而設計的，并且相當昂貴。
本發(fā)明的目的是提供一種在開始段落中說明的方法，該方法可以用簡單裝置來實現(xiàn)，而且表現(xiàn)出非常高的精確度和可靠性。本方法的特征在于，選擇沿測量光束反射回來、并且重新進入發(fā)射測量光束的激光器腔的測量光束輻射，以及測量由重返輻射與激光器腔中的光波的干涉而引起的、表示移動的、激光器腔的工作上的變化。
這種新方法利用二級管激光器中所謂的自動混合效應。這是這樣一種現(xiàn)象二極管激光器所發(fā)出的、并且重返二極管激光器的共振腔的輻射導致激光器增益的變化，從而導致激光器發(fā)出的輻射的變化。要測量的片材和片材傳感器彼此相對地設置，使得移動的方向具有激光束方向上的分量。當片材相對于片材傳感器移動時，由于多普勒效應，被片材反射和散射的輻射獲得與照射該片材的輻射的頻率不同的頻率。部分散射光通過將照射光束聚焦到物體上的同一個透鏡聚焦到二極管激光器上。由于一些散射的輻射通過激光器反射鏡進入激光器腔，所以在激光器中發(fā)生光的干涉。這引起激光器和所發(fā)出的輻射的性質的根本變化。由于自耦效應而改變的參數(shù)有功率、激光器輻射的頻率和線寬以及激光器閾值增益。激光器腔中干涉的結果是這些參數(shù)的值隨這兩個輻射頻率之差波動。該頻率差與片材的速度成比例。因此，可以通過測量所述參數(shù)之一的值，確定片材速度并通過對時間積分確定片材的位移。本方法可利用僅僅若干簡單的部件即可實現(xiàn)，而不需要對這些部件的精確校準。
自動混合效應在測量物體或一般固體和流體的速度上的應用本來是已知的。例如，參考文章1988年1月15日的《Applied Optics》第27卷第2期第379-385頁的“二極管激光器中基于自動混合效應的小激光器多普勒速度計”，1992年6月20日的《Applied Optics》第31卷第8期第3401-3408頁的“光纖耦合的半導體激光器中基于自動混合效應的激光器多普勒速度計”。但是，到目前為止，尚未提出自動混合效應在以與激光束成銳角的方向測量片材移動上的應用。這種新應用是基于以下認識可以將利用自耦效應的片材傳感器制造得很小且很便宜，使得可以容易地安裝而且在現(xiàn)有設備和裝置中不需太多附加成本。
為了檢測移動的方向，即檢測片材是沿著測量軸向前還是向后移動，本方法的特征可在于，通過確定表示激光器腔的工作變化的信號形狀來檢測沿著所述至少一個測量軸的移動方向。
這個信號是不對稱信號，而且向前移動的不對稱性與向后移動的不對稱性不同。
在難以確定自動混合信號的不對稱性的情況下，最好采用另一種方法。此方法的特征在于，通過向激光器腔提供周期性變化的電流并將第一和第二測量信號相互比較，確定沿著所述至少一個測量軸的移動方向，其中第一和第二測量信號是分別在交替的上半周期和下半周期產生的。
隨著溫度升高、因而通過二極管激光器的電流也增加，二極管激光器發(fā)出的輻射波長增大，因而該輻射的頻率減小。通過二極管激光器的周期性變化的電流配合從片材重返激光器腔的輻射每半個周期產生若干輻射脈沖，從而在測量信號中產生相應數(shù)量的脈沖。如果片材和移動傳感器沒有相對移動，則信號脈沖的數(shù)量在每個半周期中是相同的。如果裝置與物體彼此相對移動，則一個半周期中的脈沖數(shù)量會大于或小于下一個半周期中的脈沖數(shù)量，這取決于移動方向。通過將一個半周期期間測得的信號與下一個半周期期間測得的信號比較，不但可以確定移動速度，而且可以確定移動方向。
這種方法的特征還可以在于第一和第二測量信號彼此相減。
可以用多種方式確定激光器腔的工作上的變化。
本方法的第一實施例的特征在于，測量二極管激光器腔的阻抗。
激光器腔的阻抗是由于干涉效應而改變的參數(shù)之一，是片材和片材傳感器的相對移動的函數(shù)。通過測量二極管激光器兩端的電壓并將測得的電壓值除以通過該二極管激光器發(fā)出的電流的已知值，可以確定該阻抗。
本方法的最佳實施例的特征在于，測量激光器輻射的強度。
測量激光器輻射的強度是確定激光器腔中變化的最簡單方法，因為這可以用簡單的光電二極管來完成。
為了提高本方法的精確度和可靠性，本方法的特征可在于檢測相對于片材的測量光束的聚焦狀態(tài)的進一步的步驟。
本改進方法的特征還可以在于，所述聚焦狀態(tài)是通過確定二極管激光器腔中變化的幅度來檢測的。
或者，該改進方法的特征可以在于，聚焦狀態(tài)是這樣檢測的把隨聚焦狀態(tài)而定的形狀賦予由片材所反射的測量光束輻射構成的聚焦檢測，并且通過組合設在聚焦檢測光束的光路中的復合輻射敏感檢測器的檢測器元件的輸出信號來確定此形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，利用聚焦檢測的方法可以簡單的方式改為測量片材厚度的方法。后一個方法的特征在于，確定相對于片材傳送裝置的表面的測量光束的第一最佳聚焦狀態(tài)和相對于片材的第二最佳聚焦狀態(tài)，以及根據(jù)所述第一和第二最佳聚焦狀態(tài)之間的差異確定片材的厚度。
本發(fā)明還涉及用于對片材執(zhí)行測量、包括片材移動的測量的片材傳感器，該傳感器包括至少一個具有用于生成測量光束的激光器腔的激光器、用于將測量光束會聚成片材平面中的測量光點的光學裝置以及用于將片材反射的測量光束輻射轉換為電信號的轉換裝置。這種片材傳感器的特征在于，所述轉換裝置由激光器腔與用于測量激光器腔的工作變化的測量裝置的組合構成，所述變化是由重返激光器腔的反射測量光束輻射與該腔中的光波的干涉導致的。
該片材傳感器可以被稱為自動混合片材傳感器。
片材傳感器的第一實施例的特征在于，所述測量裝置是用于測量激光器腔的阻抗變化的裝置。
片材傳感器的最佳實施例的特征在于，所述測量裝置是用于測量激光器發(fā)出的測量輻射的輻射檢測器。
輻射檢測器可以這樣的方式設置，以便接收所述測量光束的部分輻射。
但是，片材傳感器的本實施例最好是特征在于，輻射檢測器被設置在激光器腔的與發(fā)出測量光束的一側相對的一側。
一般，二極管激光器在其后端設有監(jiān)控二極管。這種監(jiān)控二極管通常用于穩(wěn)定在二極管激光器前端發(fā)出的激光束的強度。根據(jù)本發(fā)明，監(jiān)控二極管用于檢測激光器腔中的變化，所述變化是由重返激光器腔的測量光束的輻射產生的。
關于光學設計，用于確定片材沿測量軸移動的量和方向的片材傳感器的最簡單實施例的特征在于，它包括一個二極管激光器和一個用于測量二極管激光器腔中的變化的測量裝置，以及所述測量裝置包括用于確定所述移動量和方向的電子裝置。
所述電子裝置被設計成可以上述方式確定移動方向。
用于確定片材沿測量軸移動的量和方向、具有簡化的電子裝置的片材傳感器的特征在于，它包括兩個傳感器分支，各分支具有分支軸，并且包括二極管激光器和用于測量二極管激光器腔中變化的測量裝置，所述分支軸被設在穿過測量軸的第一平面中，并且在位于第一平面片材內且相對于片材移動平面的法線相反的角度上。
由于片材移動導致兩個激光器腔中的相反作用，可以通過將這兩個分支的檢測器信號彼此相減來確定移動量，同時可以通過比較這些信號的不對稱性來確定移動方向。
允許檢測片材的傾斜移動的片材傳感器的一個實施例的特征在于，它包括兩個傳感器分支，各分支具有分支軸，并且包括二極管激光器和用于測量二極管激光器腔中變化的測量裝置，所述分支軸在與所需的片材移動方向垂直的方向上被移位。
利用這兩個傳感器分支，可以檢測片材右手邊和左手邊的移動上的差異。如果出現(xiàn)這種差異，則可以通過片材傳感器的本實施例提供的信號來校正片材移動。
適合于檢測測量光束相對于要測量的片材的狀態(tài)的片材傳感器的一個實施例的特征在于，它包括用于確定激光器腔中變化的幅度的電子裝置，所述幅度表示聚焦狀態(tài)。
在片材傳感器的這個實施例中，不需要附加的光學裝置來測量測量光束的聚焦狀態(tài)。
用于檢測測量光束相對于要測量的片材的聚焦狀態(tài)的片材傳感器的另一個實施例的特征在于，它包括分立的多單元檢測器和光學裝置，用于傳達入射到這個檢測器上的、由測量光束輻射組成的聚焦檢測光束的形狀的與聚焦有關的變化。
在片材傳感器的這個實施例中，可以利用簡單的光學裝置而不用復雜的電子裝置來測量聚焦狀態(tài)。
片材傳感器的后兩個實施例的特征可以還在于，它包括致動器，用于沿測量光束的軸設置安排在此光束的光路中的聚焦透鏡的位置；以及聚焦控制器，用于根據(jù)檢測的聚焦狀態(tài)控制所述致動器。
利用這種測量，可以使測量光束相對于片材的聚焦保持恒定，從而改善測量。
該片材傳感器可以被這樣修改，使得它可以在打印處理過程中監(jiān)視線狀打印墨點。這種片材傳感器的特征在于它包括三個傳感器分支，各分支包括二極管激光器和用于測量所述二極管激光器腔中變化的測量裝置，所述傳感器分支沿與打印線平行的線以串聯(lián)方式排列。
該片材傳感器可由分開的獨立組件構成，使得現(xiàn)有設備中的空閑空間可以用來容納該傳感器。從制造的角度來看，該傳感器最好具有如下特征它包括具有透明窗口且包括至少一個二極管激光器和相關的光電二極管以及設在二極管激光器與窗口之間的透鏡的模塊，所述二極管激光器相對于所述透鏡偏心地放置。
這種模塊可以制作得緊湊，使得它可以容易地內置。透鏡可以是旋轉對稱的透鏡，也可以是其他形狀。由于激光器相對于透鏡片的偏心位置，確保了測量光束以銳角入射到模塊的窗口上，使得該光束具有沿測量軸的分量。對于以下說明，引入了術語“光軸”，它可以理解為表示透鏡或者模塊的對稱軸，模塊的軸與模塊的窗口垂直。
一種適合于例如測量片材的傾斜移動或測量片材移動和監(jiān)視打印質量的片材傳感器，其特征在于包括兩個二極管激光器和至少一個光電二極管。
正如稍后要說明的，可以為利用兩個或兩個以上測量光束的這種裝置或其他裝置設置用于各個測量光束的獨立檢測器。但是，若采用分時方式，則還可以將同一檢測器用于所有測量光束。
在該模塊中，可以采用VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)型的二極管激光器。這種激光器沿垂直方向發(fā)出輻射，這使其適合于本模塊。但是，目前這種激光器很昂貴，不太適合于大眾消費產品。
為此，最好選擇這樣的模塊的實施例，其特征在于，各個二極管激光器是水平發(fā)射激光器，而且對于每個二極管激光器，所述裝置包括將光束從相關二極管激光器反射到窗口的反射構件。
水平發(fā)射二極管激光器是最常用的激光器，而且比VCSEL便宜得多。為該裝置設置反射構件只會增加該裝置的很少成本。
可以相對容易地制造且成本低廉的模塊的實施例，其特征在于它包括安裝至少一個二極管激光器和相關檢測器的基板、以及固定在所述基板上的包括窗口而且容納透鏡的外罩構件。
本實施例僅由三個部分構成，可以容易地組裝而沒有嚴格的對準要求。
該模塊的更易于制造的實施例的特征在于，所述透鏡被結合在具有朝所述基板彎曲的內表面的所述外罩構件中。
本實施例僅由兩個部分構成。
這些實施例最好還具有如下特征所述基板、所述外罩構件和所述透鏡是由塑膠材料制成的。
由這種材料制成的組件會便宜些而且重量輕，因此適合于消費品。但透鏡的材料應該是透明的而且具有某種光學質量。
該模塊的另一個實施例、即無透鏡的模塊，其特征在于，各二極管激光器耦合到分開的光導的入口端，光導的出口端位于所述傳感器的窗口處。
在本實施例中，照射光束的輻射與其周圍環(huán)境很好地隔離，使得消除或大大減少了沿不同軸的移動之間的串擾。
本實施例最好特征在于所述光導是光纖。
光纖可彎曲，具有小的橫截面，而且單位長度上衰減很小，從而使裝置的窗口可以定位在離二極管激光器和檢測器較遠處。
本發(fā)明還涉及用于處理材料片、而且包括片材傳送裝置和用于控制片材傳送的片材傳送測量裝置的設備。這種設備的特征在于，所述片材傳送測量裝置包括如上所述的片材傳感器。
通過在設備中引入所述片材傳感器，提高了該設備的性能，并且使該設備不同于常規(guī)設備。正如下面所說明的，術語“處理”應該被廣義地解釋。這些設備的實施例在權利要求31-34中描述。
參考以下描述的實施例，通過非限定性的實例來說明和理解本發(fā)明的這些和其他方面。圖中

圖1說明自動混合片材傳感器的第一實施例；圖2說明這種傳感器的測量方法的原理；圖3說明作為片材移動的函數(shù)的激光器腔的光頻率和增益變化；圖4說明測量該變化的方法；圖5說明作為具有光反饋的激光器的溫度的函數(shù)的激光器波長的變化。
圖6說明利用激光器的周期性變化的驅動電流的作用；圖7說明檢測移動方向的方法；圖8說明采用此方法的片材傳感器的一個實施例；
圖9說明具有兩個傳感器分支的片材傳感器；圖10說明檢測片材的傾斜傳送的片材傳感器；圖11說明具有自校準的片材傳感器；圖12說明具有聚焦控制的片材傳感器；圖13說明用于監(jiān)控墨點的片材傳感器；圖14a和14b說明片材傳感器模塊的第一實施例；圖15a和15b說明該模塊的第二實施例；圖16說明該模塊的第三實施例；以及圖17a和17b說明該模塊的第四實施例。
圖1說明自動混合片材傳感器1的第一和最簡單的實施例。本傳感器包括二極管激光器，它可以構成激光器/二極管單元2、即包括二極管激光器和光電二極管形式的檢測器的單元的一部分。除這種單元之外，也可以采用獨立的二極管激光器和獨立的光電二極管。所述傳感器還包括透鏡6，它將二極管激光器發(fā)出的輻射會聚成測量光束8，照在需要控制其移動的片材12、例如紙張上。此片材是通過輥子14來傳送的。激光器/二極管單元和透鏡可以包含在一個光學模塊中，其外殼為測量光束設有窗口。然后，使片材移動通過該窗口。
如果測量光束8的光路、例如在所述窗口的位置處有紙張存在，則該紙張會反射和散射光束8。光束8的一部分輻射沿其本身散射，而這部分輻射通過二極管激光器的發(fā)光表面上的透鏡6被會聚并重返此激光器的共振腔中。如下所述，返回腔內的輻射導致該腔內的變化，尤其導致二極管激光器發(fā)出的激光輻射的強度的變化。此變化可由將輻射變化轉換成電信號的光電二極管和用于處理這個信號的電路9來檢測。電路9構成紙張傳送控制器10的一部分，所述控制器10控制輥子14的轉動，從而控制紙張12的移動。
圖2說明根據(jù)本發(fā)明的片材傳感器的原理和測量方法。在該圖中，二極管激光器3被示意地由其共振腔20及其前面和后面、或者激光器反射鏡21和22表示。腔長度為L。片材12與前面21之間的空間構成外部腔，長度為L0。通過前面發(fā)出的激光光束、即照射光束由參考標號25表示，在前面的方向上的片材反射的輻射由參考標號26表示。激光器腔中產生的部分輻射透射后面，并被光電二極管4捕獲。
如果片材12在照射光束25的方向上移動，反射的輻射26就會發(fā)生多普勒頻移。這意味著，該輻射頻率改變或發(fā)生頻移。此頻移與片材移動的速度有關，在幾kHz至MHz左右。重返激光器腔的經(jīng)過頻移的輻射與光波、即該激光器腔20內產生的輻射發(fā)生干涉。這意味著該腔中發(fā)生自動混合效應。根據(jù)光波與重返腔中的輻射之間的相移量，此干涉將會是相長干涉或是負干涉、即激光輻射的強度會周期性地增大或減小。以此方式產生的激光輻射調制的頻率恰好等于腔中光波的頻率與重返腔中的經(jīng)過多普勒頻移的輻射的頻率之差。該頻差有幾kHz至MHz左右，因此易于檢測。自動混合效應和多普勒頻移的組合導致激光器腔的特性的變化，即具體來講，其增益或光放大改變了。
圖3a說明在片材的移動具有在朝著二極管激光器的激光光束的主射線方向上的分量的情況下，激光光束強度LI的變化與時間t的函數(shù)關系。LI和t都采用任意的單位。由于激光強度的變化與由頻率變化v確定的激光器增益的變化g成比例，而且由于時間軸可以在表示片材與二極管激光器之間距離L0的軸上按比例縮放，所以圖3a的曲線31類似于表示激光器增益變化與距離L0的函數(shù)關系的曲線。增益變化Δg與物體速度v的函數(shù)關系由以下公式給出Δg=-KL·cos·{4π·υ·v·tc+4π·L0·tc}]]>在此公式中K是與外腔的耦合系數(shù)；它指示耦合到激光器腔外的輻射量；υ是激光輻射的頻率；ν是片材沿照射光束的方向的速度；
t是移動時間，以及c是光速。
該公式可以根據(jù)有關上述兩篇文章中公開的自動混合效應的原理推導出。片材在其自身平面內移動，如圖2的箭頭16所示。因為多普勒頻移發(fā)生僅針對沿光束方向的片材移動，所以此移動16應該是這樣的，它具有此方向上的分量16’。從而，可以測量XZ面、即圖2的圖紙平面上的移動，該移動可以稱為X移動。圖2說明片材相對于系統(tǒng)的其他部分有歪斜部分。實際上，如圖2所示，測量光束通常是歪斜光束，而片材的移動將在XY面中發(fā)生。Y方向與圖2的圖紙平面垂直。如果需要，可以通過第二個二極管激光器發(fā)出的第二測量光束測量該方向上的移動，其散射光被與第二個二極管激光器相關的第二光電二極管捕獲。
該測量方法只需要較小的多普勒頻移，如就波長而言，1，5.10-16m左右的偏移，對于680nm的激光波長，對應于100kHz左右的多普勒頻移。
通過監(jiān)控二極管在后激光器鏡面處測量輻射強度，從而測量物體移動所導致的激光器腔增益的變化，這是最簡單因而最具吸引力的方法。按照常規(guī)，該二極管用來使激光器輻射強度保持恒定，但是現(xiàn)在還用它來測量物體的移動。
另一種測量增益變化、從而測量片材移動的方法是利用以下事實激光輻射的強度與激光器結中的導帶中的電子數(shù)目成比例。此數(shù)目又與所述結的電阻成反比。通過測量此電阻，可以確定物體的移動。此測量方法的實施例如圖4所示。此圖中，二極管激光器的活動層由參考標號35表示，為此激光器供電的電流源由參考標號36表示。二極管激光器兩端的電壓通過電容器38提供給電子電路40。此電壓由通過激光器的電流歸一化，它與激光器腔的電阻或阻抗成比例。與該二極管激光器串聯(lián)的電感37為穿過二極管激光器的信號構成高阻。
除片材移動速度外，還可以通過將所測得的速度對時間積分來確定移動量、即片材位置。對于這種積分，需要有關移動方向的信息，即需要確定片材是沿測量軸向前還是向后移動。圖1的傳感器實施例所獲得的信號31的一段時間間隔內的周期數(shù)提供了有關移動速度的信息，但是沒有提供有關移動方向的信息。然而，當采用此實施例時，有關方向的信息可以由紙張傳送控制器10推算出。在此控制驅動輥子14的送紙電動機的控制器中，可獲得方向信息。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，移動方向可以通過確定自動混合效應所產生的信號形狀來檢測。如圖3a的曲線31所示，此信號是非對稱信號。曲線31顯示紙張移動具有朝著激光器的分量的情況。曲線31的上升斜坡33’比下降斜坡33”陡峭。如上面提到的1992年6月20日的《Applied Optics》第31卷第8期第3401-3408頁的文章所述，對于離激光器而去的物體移動，非對稱性是相反的。圖3b中的曲線32說明了這一點，它表明紙張移動具有離二極管激光器而去的分量的情況。曲線32的下降斜坡34”比上升斜率34’陡峭。可以通過確定自動混合信號的非對稱性的類型，例如通過將其與參考相比來確定片材的移動方向。
圖5說明采用此方向確定方法的片材傳感器的實施例50。該實施例不同于電子電路9中的圖1的實施例。
在某些情況中，例如物體的反射系數(shù)更小些或物體與二極管激光器之間的距離更大些，確定自動混合信號的形狀或非對稱性可能會變得困難。確定移動方向的最佳方法利用如下原理激光輻射的波長λ與二極管激光器的溫度相關，因而與通過二極管激光器的電流相關。例如，如果二極管激光器的溫度升高，激光器腔的長度會增加，而放大后的輻射的波長也增加。圖5的曲線45說明所發(fā)出輻射的波長λ與溫度(Td)的相互關系。在此圖中，水平軸Td和垂直軸λ都采用任意單位。
如圖6所示，如果曲線50所表示的周期驅動電流Id被提供給二極管激光器，二極管激光器的溫度Td會周期性地上升和下降，如曲線52所示。這在激光器腔中產生駐波，該光波的頻率周期性變化，從而相對于片材所反射的并且重返腔中、具有一定時延的輻射有連續(xù)變化的相移。在驅動電流的每個半周期內，有二極管激光器增益或較高或較低的幾個連續(xù)時間段，視腔中光波與重返腔中的反射輻射的相位關系而定。這導致發(fā)出的輻射具有與時間相關的強度變化(I)，如圖6的曲線54所示。該曲線表示靜止或未移動的片材的情況。在上半周期p(a)中的脈沖數(shù)目等于下半周期p(b)中的脈沖數(shù)目。
片材的移動導致重返激光器腔的輻射的多普勒頻移，即該頻率根據(jù)移動方向而增大或減小。沿一個方向、向前方向的物體移動使重返輻射的波長減小，而沿相反方向的移動使該輻射的波長增大。激光器腔中光波的這種周期性頻率調制的效果在于如果多普勒頻移的符號與激光器腔中頻率調制的符號相同，則重返腔中的多普勒頻移的輻射的效果不同于所述頻率調制與多普勒頻移具有不同符號的情況中該輻射具有的效果。如果兩個頻移的符號相同，則光波與重返輻射之間的相差以較慢的速率變化，激光輻射的最終調制的頻率會較低。如果兩個頻移的符號相反，則光波與輻射之間的相差以較快的速率變化，激光輻射的最終調制的頻率會較高。在驅動激光器電流的上半周期P(a)，所產生的激光輻射的波長增加。在向后移動物體的情況中，重返輻射的波長也增加，使得腔中光波與重返該腔中的輻射的頻率之差較小。因此，重返輻射的波長與所產生的輻射的波長適配的時間段的數(shù)目比沒有對發(fā)出激光輻射進行電調制的情況要少。這意味著，如果片材向后移動，則上半周期的脈沖數(shù)目小于沒有運用調制的情況下的數(shù)目。在下半周期p(b)，激光器溫度和所產生的輻射的波長減小，重返輻射的波長與所產生的輻射的波長適配的時間段的數(shù)目增加。因此，對于向后移動的片材，上半周期的脈沖數(shù)目少于下半周期的脈沖數(shù)目。這表示在圖7的曲線58中，該曲線表明紙張向后移動的情況下所發(fā)出的激光輻射的強度Ib。將該曲線與圖6的曲線54比較，可以看到上半周期的脈沖數(shù)目減少而下半周期的脈沖數(shù)目增加。
從上述的原理分析可知，如果片材移動具有向前方向上的分量，其中片材散射并重返激光器腔的輻射的波長會由于多普勒效應而降低，則上半周期p(a)中的脈沖數(shù)目大于下半周期p(b)的脈沖數(shù)目。通過將圖7的曲線56與曲線58比較可以驗證這一點，其中曲線56表示片材移動具有向前方向上的分量的情況下、發(fā)出輻射的強度If，而曲線58表示片材移動具有向后方向上的分量的情況下的強度Ib。在電子處理電路中，從上半周期p(a)期間統(tǒng)計的脈沖數(shù)目減去下半周期p(b)期間統(tǒng)計的光電二極管信號脈沖的數(shù)目。如果所得信號為零，則片材是靜止的。如果所得信號是正值，則片材向前移動；如果該信號為負值，則片材向后移動。所得的脈沖數(shù)目分別與向前和向后方向的移動的速度成比例。
在某些情況下，例如，如果激光器與片材之間的光路長度相對較小且電調制的頻率和振幅相對較小，而要檢測的移動相對較快，則可能導致多普勒效應所產生的脈沖數(shù)目高于電調制所產生的脈沖數(shù)目。在這種情況中，移動方向仍可以通過將上半周期的脈沖數(shù)目與下半周期的脈沖數(shù)目比較來檢測。但是，該速度則不會與這兩個數(shù)目的差成比例。為了確定這種情況中的速度，應該對所述兩個數(shù)目求平均值并從結果中減去一個常數(shù)值。以此方式獲得的數(shù)值就是該速度的測量值。本領域的技術人員可以容易地設計用于實現(xiàn)這種計算的電子電路。
除了參考圖5和圖6所述的實施例中的三角形驅動電流Id，還可以采用其他形狀、比如矩形的驅動電流。
上述測量速度和片材移動方向的方法還可以用于通過測量二極管激光器腔的電阻變化來確定增益變化的情況。
圖8說明片材傳感器的實施例60，其中采用了如上所述的、通過檢測檢測器信號中非對稱性的類型、或者通過比較兩個相繼半周期中的脈沖數(shù)目來確定方向的方法。本實施例與圖1的實施例不同之處在于，激光器驅動器和片材位置檢測電路62已代替了電子信號處理電路9。電路62將驅動脈沖提供給二極管激光器，如箭頭64所示，并且將箭頭65所示的來自檢測器的信號處理成片材位置信息。后一種信號是利用以上述兩種方式之一從檢測器信號推導出的有關移動方向的信息、把檢測器信號對時間積分而得到的。
為片材傳感器設置附加硬件可利用更簡單的電子裝置和軟件來實現(xiàn)片材移動方向的檢測。圖9表示這種片材傳感器的實施例70。除包括激光器/二極管單元2和第一透鏡6、用于形成第一測量光束8并將其會聚到片材12的平面中的第一傳感器分支71外，此傳感器還包括第二傳感器分支，該分支包括激光器/二極管單元72和第二透鏡76，用于形成第二測量光束并將其會聚在片材12的平面中。測量光束8和78的主光線在相對的、例如與片材平面的法線77成相等角度-α和+α的方向上。例如α＝45°。顯然，如果對于一個傳感器分支，沿測量光束軸的片材移動分量為正向的，則對于另一個傳感器分支來說，該移動分量是反向的。這意味著重返一個分支的激光器腔的輻射的頻率增大，而重返第二個分支的激光器腔的輻射的頻率減小。來自這兩個分支的檢測器的信號具有相反的不對稱性，類似于圖3a和3b中所示的情況。這些信號被提供給電子電路74，該電路向這些激光器傳遞驅動信號并處理檢測器信號。通過比較檢測器信號的不對稱性，可以確定沿測量軸的移動方向、也稱為移動的正負號。至于這兩個傳感器分支，片材移動具有相反的作用，移動量可以通過將這兩個分支的檢測器信號相減來確定。由此得到的量信號是利用一個傳感器分支時獲得的信號的兩倍。
在打印機、復印機以及其他設備中，可能出現(xiàn)片材在輥子上不對稱滑動的情況，使得片材以歪斜的方式傳送而通過設備。可以將片材傳感器設計成這樣，使之可以檢測這種滑動并校正它。圖10表示這種傳感器的實施例80。該傳感器包括兩個傳感器分支82和84，分別具有各自的電子電路82和84。這些傳感器分支的軸可以相對于片材的法線成相同的角度，并且這些軸指向紙張的不同側。電子電路82和84各向相關的二極管激光器提供驅動信號，并且將各個分支的檢測器信號處理成表示各分支下片材面的移動量和移動方向的信號。電路82和84的信號被提供給紙張或片材傳送控制電路，其中把這些信號相互比較。如果信號是相同的，則片材的左邊和右邊部分(圖10中為上方和下方部分)以相同速度在相同方向上移動。如果這些信號不相同，則左邊部分的移動與右邊部分的移動有差異。為了校正后一種不期望的移動情況，輥子14被分成兩個子輥14’和14”，對于各子輥，設有包含電動機的分立的致動器88和89。這些致動器由信號控制，包括來自紙張傳送控制電路87的校正信號90和91。
根據(jù)在實際情況中重要的另一個方面，可以采用圖10的兩個傳感器分支獲得的有關紙張傾斜移動的信息，通過打印頭來校正。然后把來自分支82、83和84、85的信號提供給打印頭的電子電路，該電路確定墨點何時在移動紙張的哪個位置噴射并投射在紙張上。通過使打印頭噴射墨點的時刻與紙張移動的傾斜度相配來打印直線，使得在紙張傾斜移動時該直線也與紙張的邊緣垂直。
本發(fā)明的片材傳感器中要采用的二極管激光器可能以不同波長發(fā)射，即使它們源于同一批制造品。此外，二極管激光器的波長可能會因老化和溫差變化而偏移。為了獲得精確的測量結果，最好校準傳感器。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，這種校準是以簡單的方式自動完成的，通過以下方式如圖11所示，為其中使用傳感器的該裝置的片材輥設置校準標記100，利用片材傳感器掃描此標記。校準標記包括相互等距、而且表現(xiàn)出的反射率不同于其周邊輥子表面上的部分的許多條102。為了執(zhí)行校準測量，輥子在無片材的情況下以標稱速度、即在要求的速度下傳送片材時所需的速度轉動，并且接通傳感器。通過光束的條102現(xiàn)在就會調制輥子表面反射的輻射光束的振幅。此調制的周期與對于該旋轉速度和所用校準標記的條之間的距離應該測得的參考周期進行比較。如果所測得的周期與參考周期不同，則可以調整二極管激光器，例如通過調整其驅動電流以使這兩個周期相等。
為了校準測量結果，片材傳感器應該設有用于測量反射差的裝置。該裝置可以由分立的光電二極管104構成，它接收方向不同于射向二極管激光器的方向上反射的測量光束輻射。該裝置還可以由電子裝置構成，該電子裝置用于測量來自激光器/二極管單元的信號中波動幅度的差，從而測量掃描校準標記過程中產生的自動混合信號。這些波動類似于圖3a和圖3b中的波動，但是當條102通過測量光束8時，它們的振幅會改變。
校準還可以利用激光器腔的參數(shù)來完成。二極管激光器的溫度和隨之而來的波長、特性可以通過測量其電流對電壓特征曲線來確定。然后，也就知道了在給定的標準距離下表面反射的輻射重返激光器腔的情況下波長是如何變化的。從而，可以通過用該傳感器來測量標準距離來確定片材傳感器的偏差。例如，調整通過激光器腔的電流可以消除這種偏差。但是，最好是利用輥子上的校準標記進行校準過程，因為它更加精確和可靠。校準過程可以每隔一定時間間隔執(zhí)行一次。由于此過程不耗費時間，例如它可以在每次將要傳送片材之前或傳送片材之后執(zhí)行，從而可實現(xiàn)極精確的送紙控制。
片材傳感器可以設有聚焦控制裝置，以便使測量光束在片材上的聚焦保持固定。要測量實際聚焦狀態(tài)是否等于所需聚焦，可以采用本來眾所周知的聚焦檢測方法。這種方法可以用在諸如讀寫光記錄載體、如小型光盤(CD)及其衍生產品的光頭上。這種光頭是小型的且成本低廉，也可以將其中所用的聚焦技術與本片材傳感器的優(yōu)點配合使用。
可以用于此傳感器中的聚焦檢測方法之一是所謂的象散法。根據(jù)該方法，例如利用設在二極管激光器和透鏡6之間的分束器，將片材反射并通過透鏡6的測量光束的一部分拆分并導入分開的檢測器。例如，利用圓筒透鏡，使拆分的光束形成散光，這意味著該光束具有兩個相互垂直的焦線，而不是一個聚焦點。該分開的檢測器設置在這些焦線之間的中點，該檢測器是所謂的象限檢測器，即它包括設在不同象限中的四個檢測器元件。如果測量光束正確聚焦在片材上，在檢測器上形成的輻射光點是圓形，而四個檢測元件都接收到相同的輻射量。如果產生聚焦誤差，所述光點就會成橢圓形，該橢圓的長軸位于兩個相互垂直的方向其中之一上，視聚焦誤差的符號而定。通過適當?shù)亟M合四個檢測器元件的信號，可以確定在檢測器形成的光點的形狀，從而確定聚焦誤差的大小和符號。有關象散聚焦誤差檢測法的具體情況可以在a/o US-A 4023033中查找，其中描述了此方法在用于讀取光記錄載體的裝置中的應用。
另一種聚焦誤差檢測方法是眾所周知的(雙)傅科法。根據(jù)該方法，例如利用設在二極管激光器和透鏡6之間的分束器，將片材反射并通過透鏡6的測量光束的一部分拆分并引入分開的檢測器。利用例如棱鏡或光楔，將拆分光束分成兩個子光束，它們在分開的檢測器的平面上形成兩個光點。該檢測器包括兩對串聯(lián)設置的檢測元件，使得在測量光束在片材上正確聚焦的情況下，光點相對于相應的檢測器對是對稱分布的。如果聚焦不正確，光點就會在相應的檢測器對上偏移。通過適當組合檢測器元件的輸出信號，獲得聚焦誤差信號。有關傅科聚焦誤差檢測法的細節(jié)可以在a/o US-A 4233502中找到，其中描述了此方法在用于讀取光記錄載體的裝置中的應用。
聚焦誤差信號還可以根據(jù)自動混合信號的波動幅度推導。如果測量光束最佳地聚焦于片材上，波動表現(xiàn)出最大幅度。如果發(fā)生與最佳聚焦的偏離，波動會顯示較小幅度。通過將波動的實際幅度與表示最佳聚焦的參考相比，就可以確定聚焦誤差。
圖12表示設有聚焦誤差檢測功能的片材傳感器的實施例，它根據(jù)上述兩種方法之一，或者根據(jù)另一種例如光記錄領域中已知的聚焦誤差檢測方法。在該圖中，方塊112包括用于產生聚焦誤差信號的組件，因而在共點法的情況中，包括象散元件和四象限檢測器，在傅科法的情況中包括棱鏡和串聯(lián)設置的四個檢測器元件。從此方塊產生的聚焦誤差信息可以被提供給可用于校正聚焦的聚焦控制器114。例如，可用來按箭頭119所示向上和向下移動透鏡6的通過線圈116的電流，可以例如光記錄領域中眾所周知的方式來控制。具有聚焦控制功能的片材傳感器使片材移動測量得到改進。
具有聚焦誤差檢測的片材傳感器的另一種主要優(yōu)點是可以確定紙張或片材厚度。為此，在紙張到達輥子12之前，接通傳感器，利用聚焦伺服回路112、114和116設置測量光束的第一最佳聚焦、即相對于輥子表面的最佳。一旦紙張放置在輥子上并到達測量光束，自動混合信號的振幅就會改變，因為輥子和紙張的反射和/或散射有所不同。然后，利用聚焦伺服回路112、114和116設置測量光束的第二最佳聚焦、即相對于紙張的最佳。第一和第二最佳聚焦之間的差異即代表紙張的厚度。這種差異可以得到沿測量光束軸的透鏡6的不同位置的具體形狀。
執(zhí)行打印處理并且能夠測量打印媒體厚度的裝置可以對打印媒體(如紙張)的厚度進行打印處理的自動調整，從而使打印處理自動優(yōu)化。本發(fā)明的片材傳感器還可以用于只測量片材厚度，同時另一種類似的傳感器或其他裝置可以用于測量片材移動。
根據(jù)本發(fā)明的片材傳感器還可以用在測量打印頭相對于打印媒體(如紙張)的移動的打印裝置中，這種移動的方向與紙張輸送的方向垂直。圖13中示意地表示這種應用。在該圖中，14是要打印的一張紙，它沿著箭頭122的方向移動。打印頭由標號120表示，打印過程中它沿著箭頭124的方向移動。如上所述且包括激光器/二極管單元2、透鏡6和測量光束8的片材傳感器126固定在打印頭上或者集成于其中。利用該傳感器，可以按照前面關于紙張沿方向122移動所描述的方式，確定方向124上打印頭120相對于紙張14的移動。這使打印頭可以更精確地定位。如果采用兩個這種片材傳感器設在打印頭的相對兩端，就可以判斷打印頭實際上是在箭頭124的方向上還是在與該箭頭成一定角度的方向上移動。這種測量方法類似于對圖10中討論的片材的斜向移動的測量。
傳感器126還可以用于控制打印處理，因為它可以檢測打印的墨跡或墨點、如墨點140。此墨點的反射率不同于紙張的反射率，墨點邊緣會產生衍射。通過測量打印頭在箭頭124的方向上移動期間反射輻射的振幅，可以確定墨點的存在以及確定其尺寸。從而可以在例如打印直線過程中，確定在已打印的線中、墨點是否打印在正確的位置且具有正確尺寸。此過程可以對具有黑色墨盒和/或彩色墨盒的打印頭執(zhí)行。圖13表示具有綠色、紅色和藍色儲存盒130、132和134的彩色墨盒，它們分別打印了綠色墨點136、紅色墨點139和藍色墨點140。在彩色墨盒的情況中，可以采用類似于傳感器120的三個片材傳感器，它們分別設計為對綠色、紅色和藍色輻射敏感。利用這種三重傳感器，還可以確定打印的墨點是否具有所需的顏色。
根據(jù)本發(fā)明的墨點測量傳感器的一個重要的實用方面是，可以自動和加速地完成每次安裝新墨盒時應該執(zhí)行的麻煩且耗時的校準過程。
在前面各圖的實施例中，片材傳感器的組件都是分立元件。這樣就允許利用現(xiàn)有裝置內的空閑位置來置入片材傳感器。但是，也可以將傳感器元件包含在一個模塊中并將該模塊置入裝置中。二極管激光器和測量光束的數(shù)目以及它們在這種模塊內的相互取向取決于所需執(zhí)行的測量功能。在該模塊中，可以采用單個透鏡來獲得所有的測量光束。這些光束通過模塊殼中的公用窗口射出模塊。
從光學的角度來看，光學模塊的尺寸可以很小。輸入裝置的尺寸主要由必須裝配在裝置中的電子元件的數(shù)量和易于批量制造的方面決定。在實際實施例中，該窗口的尺寸為數(shù)平方毫米。由于該裝置所采用的測量原理，其組件無需定位得很精確，這對于批量生產而言是極大的優(yōu)點。
圖14a表示傳感器模塊的第一實施例的圖示截面。此模塊包括在其下端的作為二極管激光器的載體的基板142、VCSEL型激光器(在本實施例中)以及檢測器、即光電二極管。在圖14a中，只示出一個二極管激光器144及其相關的光電二極管146，但是如該模塊的俯視14b中所示，可以在基板上設置第二個二極管激光器148及其相關的光電二極管150。二極管激光器144和148分別發(fā)射測量光束152和154。在其上端，模塊設有透明窗口156，移動片材、如紙張158經(jīng)過該窗口。透鏡160、如平凸透鏡設在二極管激光器與該窗口之間。此透鏡將測量光束152和154聚焦在窗口156的上面或其附近。由于二極管激光器相對于這些透鏡以偏心方式設置，所以通過該窗口的測量光束是傾斜光束，它具有片材158的移動方向上的分量。處理光電二極管146和150的信號的電路162和164僅供圖示說明，可能或多或少地是常規(guī)的。
透鏡160可以由玻璃或透明塑料、如聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。這種透鏡可以固定在襯底上，該襯底借助于(例如環(huán)氧樹脂的)透明膠層166承載二極管激光器、光電二極管和處理電路。
假定二極管激光器144和148在垂直方向上輻射，這樣所述二極管激光器可以是VCSEL型的?？梢匀菀椎乩媒饘倬€固定技術將這種二極管激光器定位在基板上。
目前，最好采用較為常規(guī)的具有水平腔的側發(fā)射二極管激光器，因為其成本相當?shù)土?。這種二極管激光器可以這樣的方式安裝，使得它在垂直方向上輻射。例如，可將該激光器安裝在小平臺上。但是，還可以將側發(fā)射二極管激光器以這樣的方式安裝，使其沿著水平方向輻射。圖15a是傳感器模塊的第二實施例170的垂直截面，該實施例設置了這樣的二極管激光器172和174。圖15b是該實施例下半部分的俯視圖。該實施例也包括基板或外殼板142，其中有電觸針176伸出。該基板具有可以起二極管激光器的降溫元件作用的熱傳導。圖15a和15b中未示出的電子電路可以安裝在硅或另一種材料的層178上，該層構成電路板。圖14a和圖14b的實施例也可以包括這種層。對于各個側發(fā)射二極管激光器172和174，都設有反射構件180，它將從二極管激光器水平發(fā)射的光束182和184沿垂直方向通過透鏡160反射到窗口156。最好，該反射構件具有球面形狀，使得它們也具有一些屈光力和將入射發(fā)散光束182和184轉變?yōu)檩^小發(fā)散的、或平行的、或者甚至稍稍會聚的光束186和188。這樣，透鏡160的屈光力就可以小于圖14a和14b的實施例中的透鏡。同樣在圖15a和圖15b的實施例中，透鏡160可以是玻璃透鏡，但是最好是塑料透鏡。塑料透鏡比玻璃透鏡成本低且重量輕，非常適合于本應用，因為不需要對此透鏡設置嚴格的光學要求。外罩190，最好由塑料制成且設有透明窗口156，與外殼板142一起構成該模塊的外殼。兩個反射構件180可以由一個涂有反射涂層的塑料環(huán)構成。所述環(huán)可以構成基板142的整體部分。這樣，輸入裝置主要由塑膠材料制成，且僅由三個構成部分組成，這可以容易地組裝。這三個部分是設有反射環(huán)的基板142、觸針176以及二極管激光器和相關的光電二極管、透鏡160和設有窗口156的外罩190。
圖16表示該傳感器模塊的最佳實施例200，其中實現(xiàn)了部件的進一步集成。在此實施例中，圖15a的實施例的外罩190和透鏡160被替換為單個塑膠元件202，其下面朝基板彎曲。該曲面具有與圖15a中的透鏡16相同的對照明光束的折射作用。未示出圖16的實施例的下半部分的俯視圖，因為該部分與圖15a和圖15b相同。圖16中所示的實施例僅由兩個構成部分組成，甚至比圖15a和15b中所示的在圖14a、15a和16所示的實施例中，測量光束最好聚焦在遠離窗口外表面的平面上，使得這些光束不會在窗口的外表面上的截面最小。這可提供以下優(yōu)點該表面上的灰塵顆粒和劃痕對這些光束不會有實質影響。由于這些光束始發(fā)于基板水平面的不同位置，所以它們在作用平面、即測量光束遇到要測量的片材所在的平面中的不同位置上形成測量光點。由于測量光束及其散射輻射在空間上充分地分離，所以不同測量光束之間的串擾不會在本發(fā)明的片材傳感器中成為問題。如果有必要，可以用略微不同波長的二極管激光器來減少殘余的串擾。對此，幾納米的波長差就已經(jīng)足夠了。
消除串擾的另一種可能性是采用對二極管激光器的控制驅動，使得在任何時刻僅一個激光器被激活。復用驅動電路就可以實現(xiàn)這種控制驅動，該電路輪流激活不同的二極管激光器。這種復用電路可以利用一個檢測器或光電二極管來監(jiān)視兩個二極管激光器的測量光束的變化，所述檢測器設在各個二極管激光器的作用范圍內且以分時方式使用。具有這種驅動電路的實施例的附加優(yōu)點在于，減少了電路所需的空間和裝置的電功耗。
圖17a和圖17b表示傳感器模塊的實施例210，其中測量光束通過光纖傳導到窗口212。這些圖還說明如果需要的話，可以容易地增大測量光束的數(shù)目。圖17a是垂直截面，而圖17b是該實施例的俯視圖。光纖224、226和228的輸入端分別以眾所周知的方式光學耦合到二極管激光器172、174和176。光纖的所有輸出端都位于模塊的窗口處。光纖可以嵌入固體材料、例如環(huán)氧樹脂或其他透明或不透明材料的外罩230中。這些光纖中的每一個形成用于該光纖傳導的輻射的隔離器，它同時用于來自相關二極管激光器的測量光束和返回該激光器的散射輻射的隔離器。因而，不同測量光束軸之間串擾的可能性很小，接近于零。光纖的其他優(yōu)點在于，它們很靈活，增加了設計的可能性，它們可以通過任意距離傳導輻射，使得二極管激光器和光電二極管可以設置得距離模塊的窗口相當遠。在圖17a和圖17b的實施例中，二極管激光器和相關的光電二極管設置成靠近在一起。這些元件可以設在分開的隔室232中，如圖17a所示，所述隔室可以采用與外罩相同的材料或其他材料。
除光纖外，也可以采用其他光導，例如透明或不透明材料體的通道。在采用分立元件的模塊的實施例中，如圖1和圖8-13的實施例，也可以采用光纖將測量光束引導至窗口以及將散射輻射引導至光電二極管。
由于上述片材傳感器可以低成本制造，所以很適合于在大眾消費裝置中實現(xiàn)。因為它的尺寸很小且重量很輕，所以該傳感器可以容易地集成到現(xiàn)有裝置中，從而增加這些裝置的功能而基本不增加其成本和重量，而且不更改其原始設計。所述片材傳感器可用于如下任何裝置，其中片材被傳送通過該裝置以供處理，而且其中應該精確地監(jiān)視片材的移動。這種處理包括讀取諸如片材上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)圖形等信息，將此類信息寫入或打印在片材上，精確地預示片材的表面或此表面的精細定義的區(qū)域，在片材或薄膜上放置小元件等等。預計的裝置是黑白或彩色噴墨或激光打印機、傳真機、復印機、平臺式掃描儀、元件放置裝置、機械或化學處理裝置等等。這些裝置本身是已知的，因此這里不需要描述。其中實現(xiàn)本發(fā)明的這些裝置與已知裝置的不同之處在于，可以利用所需空間很小的相對簡單的裝置精確地監(jiān)視片材移動。從上述內容可以看出，所述片材可以是紙張，但是也可以是其他材料的片材。測量方法和傳感器對于這種片材不需要高的反射率。
權利要求
1.一種沿至少一個測量軸測量材料片與片材傳感器相對彼此的移動的方法，該方法包括下列步驟對于每個測量軸用測量激光束照射片材，以及將所述片材反射的所述測量光束輻射的選擇部分轉換成電信號，所述電信號代表沿所述測量軸的移動，其特征在于，選擇沿所述測量光束反射回來并重新進入發(fā)出所述測量光束的激光器腔的測量光束輻射，以及測量由所述重返輻射與所述激光器腔中光波的干涉引起的、代表所述移動的、所述激光器腔中工作上的變化。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于沿所述至少一個測量軸移動的方向是通過確定表示所述激光器腔的工作變化的信號形狀來檢測的。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于沿所述至少一個測量軸移動的方向是通過為所述激光器腔提供周期性變化的電流并將第一與第二測量信號相互比較來確定的，所述第一和第二測量信號分別是在交替的上半周期和下半周期期間產生的。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于所述第一和第二測量信號彼此相減。
5.如權利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于測量所述二極管激光器腔的阻抗。
6.如權利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于測量所述激光器輻射的強度。
7.如權利要求1-6中任何一個所述的方法，其特征在于檢測所述測量光束相對于所述片材的聚焦狀態(tài)的進一步的步驟。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述聚焦狀態(tài)是通過確定所述激光器腔中的變化的幅度來檢測的。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述聚焦狀態(tài)是這樣檢測的把隨聚焦狀態(tài)而定的形狀賦予由所述片材反射的測量光束輻射構成的聚焦檢測光束，并且通過組合設在所述聚焦檢測光束的光路中的復合輻射敏感檢測器的檢測元件的輸出信號來確定此形狀。
10.如權利要求7、8或9所述的方法，其特征在于確定所述測量光束相對于片材傳送裝置的表面的第一最佳聚焦狀態(tài)和所述測量光束相對于所述片材的第二最佳聚焦狀態(tài)，以及根據(jù)所述第一和第二最佳聚焦狀態(tài)之間的差異來確定所述片材的厚度。
11.一種用于對片材執(zhí)行包括權利要求1的測量的測量的片材傳感器，所述傳感器包括至少一個激光器，它具有用于產生測量光束的激光器腔；光學裝置，用于將所述測量光束會聚成所述片材平面中的測量光點；以及轉換裝置，用于將所述片材反射的測量光束輻射轉換成電信號，其特征在于所述轉換裝置是由所述激光器腔和用于測量所述激光器腔中工作變化的測量裝置的組合構成的，所述激光器腔的工作變化是由重返所述激光器腔的反射測量光束輻射與此腔中光波的干涉引起的。
12.如權利要求11所述的片材傳感器，其特征在于所述測量裝置是用于測量所述激光器腔的阻抗變化的裝置。
13.如權利要求11所述的片材傳感器，其特征在于所述測量裝置是用于測量所述激光器發(fā)出的測量輻射的輻射檢測器。
14.如權利要求13所述的片材傳感器，其特征在于所述輻射檢測器設置在所述激光器腔的與發(fā)出所述測量光束的一側相對的一側。
15.如權利要求11、12、13或14所述的片材傳感器，它用于確定片材沿測量軸移動的量和方向，其特征在于它包括一個二極管激光器和一個用于測量所述二極管激光器腔中變化的測量裝置，以及所述測量裝置包括用于確定所述移動的量和方向的電子裝置。
16.如權利要求11、12、13或14所述的片材傳感器，它用于確定片材沿測量軸移動的量和方向，其特征在于它包括兩個傳感器分支，各分支具有分支軸并且包括二極管激光器和用于測量所述二極管激光器腔中變化的測量裝置，所述分支軸被設置在通過所述測量軸的第一平面中并且在位于所述第一平面片材中、且相對于所述片材移動平面的法線相反的角度上。
17.如權利要求11、12、13或14所述的片材傳感器，它用于檢測片材的傾斜移動，其特征在于它包括兩個傳感器分支，各分支具有分支軸并且包括二極管激光器和用于測量所述二極管激光器腔中變化的測量裝置，所述分支軸在與所需的片材移動方向垂直的方向上移位。
18.如權利要求11、12、13或14所述的片材傳感器，它用于檢測測量光束相對于要測量的片材的聚焦狀態(tài)，其特征在于它包括電子裝置，用于確定所述激光器腔中變化的幅度，該幅度表示所述聚焦狀態(tài)。
19.如權利要求11、12、13或14所述的片材傳感器，它用于檢測測量光束相對于所述片材的聚焦狀態(tài)，其特征在于它包括分立的多單元檢測器和光學裝置，用于傳達入射到這個檢測器上的、由所述片材反射的測量光束輻射組成的聚焦檢測光束的形狀的隨聚焦而定的變化。
20.如權利要求18或19所述的片材傳感器，其特征在于包括致動器，用于沿所述測量光束的軸設置設在此光束的光路中的聚焦透鏡的位置；以及聚焦控制器，用于根據(jù)所檢測的聚焦狀態(tài)控制所述致動器。
21.如權利要求11、12、13或14所述的片材傳感器，它用于監(jiān)視打印過程中線狀打印墨點，其特征在于它包括三個傳感器分支，各分支包括二極管激光器和用于測量所述二極管激光器腔中變化的測量裝置，所述傳感器分支沿與打印線平行的線串聯(lián)地設置。
22.如權利要求9-21中任何一個所述的片材傳感器，其特征在于它包括具有透明窗口并且包括至少一個二極管激光器和相關的光電二極管以及設在所述二極管激光器與所述窗口之間的透鏡的模塊，所述二極管激光器相對于所述透鏡偏心地設置。
23.如權利要求22所述的片材傳感器，其特征在于它包括兩個二極管激光器和至少一個光電二極管。
24.如權利要求22或23所述的片材傳感器，其特征在于各個二極管激光器是水平發(fā)射的激光器，以及對于每個二極管激光器，所述模塊包括將所述光束從相關的二極管激光器反射到所述窗口的反射構件。
25.如權利要求22、23或24所述的片材傳感器，其特征在于它包括基板以及外罩構件，在所述基板上安裝了至少一個二極管激光器和相關的檢測器，而所述外罩構件固定在所述基板上且包括所述窗口并容納所述透鏡。
26.如權利要求25所述的片材傳感器，其特征在于所述透鏡集成在具有朝所述基板彎曲的內表面的所述外罩構件中。
27.如權利要求25或26所述的片材傳感器，其特征在于所述基板、所述外罩構件以及所述透鏡是由塑膠材料制成的。
28.如權利要求9-21中任何一個所述的片材傳感器，其特征在于各個二極管激光器耦合到分開的光導的入口端，該光導的出口端位于所述傳感器的透明窗口處。
29.如權利要求28所述的片材傳感器，其特征在于所述光導是光纖。
30.用于處理材料片而且包括片材傳送裝置和用于控制所述片材傳送裝置的片材傳送測量裝置的設備，其特征在于所述片材傳送測量裝置包括如權利要求11-20和權利要求22-29中任何一個所述的片材傳感器。
31.如權利要求30所述的、用于在紙張上噴墨打印信息而且包括打印頭的設備，其特征在于它包括如權利要求11-14中任何一個所述的片材傳感器，該傳感器用于監(jiān)視打印墨點的位置和質量。
32.如權利要求30所述的用于彩色打印的設備，其特征在于所述片材傳感器包括三個傳感器分支，各分支包括二極管激光器和用于測量所述二極管激光器腔中變化的測量裝置，所述傳感器分支沿與打印線平行的線串聯(lián)地設置。
33.如權利要求32所述的設備，其特征在于各個傳感器分支對于一種特定的顏色敏感，關于所述傳感器分支的所述特定顏色是不同的。
34.如權利要求30所述的、用于為再現(xiàn)信息而掃描具有該信息的片材的設備，所述設備包括片材傳送裝置和用于控制所述片材傳送裝置的片材傳送測量裝置，其特征在于所述片材傳送測量裝置包括如權利要求11-2-和權利要求21-29中任何一個所述的片材傳感器。
全文摘要
對片材(12)的測量、例如打印機中片材移動的測量可以通過將測量光束(8)引向片材、并利用二極管激光器(2)中的自動混合效應以及移動所導致的測量光束的多普勒頻移來實現(xiàn)。該測量方法和專用的低成本的小型片材傳感器(1)可用來確定不同的參數(shù)以及用于不同的片材處理設備中。
文檔編號G02B17/08GK1408064SQ01805918
公開日2003年4月2日 申請日期2001年11月5日 優(yōu)先權日2000年11月6日
發(fā)明者M·D·里伊斯, G·A·米納赫－科勒赫 申請人:皇家菲利浦電子有限公司