具有相位和间距调节的基于光栅的扫描仪制造技术

一种用于确定物体表面上的物点的三维坐标的方法，该方法包括以下步骤：将光束发送到衍射光栅；将第一衍射光束和第二衍射光束发送到物镜以形成至少两个光斑，所述至少两个光斑穿过板的透明区域以在物体表面上产生第一条纹图案；将由第一条纹图案照射的物点成像到感光阵列上以获得第一电气数据值；将板移动到第二位置；发送光斑使其通过板以在物体表面上产生第二条纹图案；将点成像到阵列点上以获得第二电气数据值；以及计算第一物点的三维坐标。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有相位和间距调节的基于光栅的扫描仪相关申请的交叉引用本申请要求于2011年7月14日提交的美国临时专利申请N0.61/507，771的权益，其全部内容通过引用合并于本申请中。
技术介绍
本公开内容涉及一种坐标测量装置。一套坐标测量装置属于如下的一类仪器:其通过将光的图案投影到物体并且利用摄像头记录该图案，来测量点的三维(3D)坐标。有时被称为云纹干涉仪(accordion-fringe interferometer)的特定类型的坐标测量装置通过由两个小的、近距离隔开的光斑发出的分叉的波阵面的光的干涉形成光的投影图案。对所得到的投影在物体上的条纹图案进行分析，以求得摄像头中每个独立像素的表面点的3D坐标。云纹干涉仪被实现为在其中使用压电致动器、电容式反馈传感器、弯曲平台、多个激光源以及多个物镜来移动衍射光栅。这种类型的云纹干涉仪的制造相对昂贵并且在执行测量时相对较慢。需要用于获得3D坐标的改进的方法。
技术实现思路
一种用于确定物体表面上的第一物点的三维坐标的方法，该方法包括以下步骤:设置第一光源、投影仪以及摄像头，投影仪包括第一衍射光栅、物镜以及第一板，摄像头包括摄像头透镜和感光阵列，第一光源产生第一光源光束，第一板包括第一透射区域、第二透射区域以及至少一个不透明区域，投影仪具有投影仪透视中心，摄像头具有摄像头透视中心，在投影仪透视中心与摄像头透视中心之间的线段是基线，基线具有基线长度。该方法还包括:将第一光源光束发送到第一衍射光栅；利用第一衍射光栅形成至少第一衍射光束和第二衍射光束；将第一衍射光束和第二衍射光束发送到物镜；利用物镜形成至少第一光斑和第二光斑,第一光斑由第一衍射光束产生，以及第二光斑由第二衍射光束产生；将第一板放置在靠近第一光斑和第二光斑的第一位置处。该方法还包括:使来自第一光斑的第一光在第一透射区域中穿过玻璃的第一厚度以及使来自第二光斑的第二光在第二透射区域中穿过玻璃的第二厚度，同时阻止其它光穿过第一板，第一厚度和第二厚度之间的差等于第一厚度差；组合第一光和第二光，以在物体表面上产生第一条纹图案；将由第一条纹图案照射的第一物点成像到感光阵列的阵列点上，以从感光阵列获得第一电气数据值；将第一板移动到第二位置处；使来自第一光斑的第三光在第一透射区域中穿过玻璃的第三厚度以及使来自第二光斑的第四光在第二透射区域中穿过玻璃的第四厚度，同时阻止其它光穿过第一板，第三厚度和第四厚度之间的差等于第二厚度差，第二条纹差不等于第一条纹差；在物体表面上组合第三光和第四光，以在物体表面上产生第二条纹图案，第一条纹图案和第二条纹图案在第一物点处具有第一条纹间距；将由第二条纹图案照射的第一物点成像到阵列点上，以从感光阵列获得第二电气数据值；至少部分地基于第一电气数据值、第二电气数据值以及基线长度计算第一物点的三维坐标；以及存储第一物点的三维坐标。【附图说明】现在参照附图，示出了示例性的实施方式，该示例性的实施方式不应理解为限制关于本公开内容的整个范围，并且在一些附图中，部件被类似地编号:图1是示出了 3D测量装置的操作的三角测量原理的示意图；图2是示出了根据本专利技术实施方式的示例性投影仪的部件的框图；图3是示出了根据本专利技术实施方式的示例性投影仪的主要部件的示意图；图4、图4A和图4B是分别示出了移相器和针孔物体的正视图、第一截面图以及第二截面图的图；图5是示出了根据本专利技术实施方式的用于移动相位/条纹调节器的机动化平台的部件的不意图；图6是示出了穿过倾斜并且呈楔形的窗口的光射线的几何形状的图；图7是示出了根据本专利技术实施方式的穿过包含有三个楔形窗口的组件的光射线的几何形状的图；图8是示出了根据本专利技术实施方式的穿过包含有三个楔形窗口的组件的光射线的几何形状的图；图9是示出了用于使用单个部件改变相位和条纹间距的组件的部件的示意图；图1OA至图1OD是分别示出了根据本专利技术实施方式的相位和间距调节器窗口的正视图、第一截面图、第二截面图以及顶视图的图；以及图1lA和图1lB分别是根据本专利技术实施方式的能够调节相位和条纹间距的组件的正视图和顶视图。【具体实施方式】图1示出了根据云纹干涉量度学的原理工作的示例性3D测量装置100。在电子单元150控制下的投影仪160产生两个小的光斑112、114。这些光斑在工件130的表面上产生条纹图案。特定点124处的辐照度由两条光射线120、122在点124处的干涉确定。在工件130的表面上的各个点处，光射线120、122相长地(constructively)或相消地(destructively)干涉,从而产生条纹图案。摄像头140包括镜头系统142和感光阵列146。摄像头140在感光阵列146上形成工件130上的光的图案的图像。来自点124的光可以被认为穿过镜头系统142的透视中心144而在感光阵列上形成图像点128。感光阵列146的特定像素128接收从工件130的表面的小区域124散射的光。根据包括镜头系统142的摄像头140的几何特性已知用于限定相对于透视中心144到这个小的区域的方向的两个角度。落到感光阵列146上的光被转换成数字的电信号，该数字的电信号被发送到电子单元150进行处理。包括有处理器的电子单元150对从透视中心144到工件130的表面上的每个点的距离进行计算。这种计算至少部分地基于从摄像头140到投影仪160的已知距离164。正如本文上面所解释的那样，对于摄像头140中的每个像素而言，已知两个角度和计算出的距离。通过对从所有像素中获得的信息进行组合，获得工件表面的三维地图。图2示出了根据实施方式的示例性投影仪200的部件。光源210将光发送到光栅220，光栅220使得光被分束为各自以不同角度行进的多个光束。可以标刻光栅以使所产生的+1和-1量级的尺寸相对于其它量级如O、+3、-3、+5、-5量级被最大化。如果使用不止一个光源和不止一个光栅，则从不止一个光栅中射出的光可以在光束组合器230中组合。在一个实施方式中，光束组合器230是玻璃分束器。通过用于将光聚焦成两个小的光斑270的物镜240发送光束。光斑270可以是真实的或是虚拟的，真实的光斑由具有正光焦度(positive power)的物镜系统形成,虚拟的光斑由具有负光焦度(negative power)的物镜系统形成。针孔板250具有允许+1和-1量级的光穿过而阻挡其它量级的区域。针孔板被放置在光斑270所聚焦到的平面附近。可选的相位/条纹调节器260也被放置在光斑270所聚焦到的平面附近。在一个实施方式中，针孔板250和条纹/相位调节器260被集成到一个光学部件中。干涉发生在重叠区域275中并且被观察为在工件表面上的各个点处的条纹。图3示出了包含有与图2的通用部件对应的部件的示例性投影仪300的具体部件。光源310A提供可能来自激光器、超发光二极管、LED或其它源的光。在一个实施方式中，来自光源310A的光经过光纤312A行进到包括有套圈322A和透镜324A的光纤发射器320A。替代地，来自光源310A的光可以经过自由空间行进至透镜324A。离开光纤发射器320A的准直光380A穿过光栅330A，该光栅产生在不同方向上行进的光束。所产生的光的量级可以包括O、± 1、±3和±5。光穿过分束器340。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定物体表面（130）上的第一物点（124）的三维坐标的方法，所述方法包括以下步骤：设置第一光源（210，310A，310B，910，920）、投影仪（160，200，300，900）以及摄像头（140），所述投影仪包括第一衍射光栅（220，330A，330B，930）、物镜（240，350，970）以及第一板（360，400，512，946），所述摄像头包括摄像头透镜（142）和感光阵列（146），所述第一光源产生第一光源光束，所述第一板包括第一透射区域（410）、第二透射区域（412）以及至少一个不透明区域（420，422，424），所述投影仪具有投影仪透视中心，所述摄像头具有摄像头透视中心（144），在所述投影仪透视中心与所述摄像头透视中心之间的线段是基线（164），所述基线具有基线长度；将所述第一光源光束发送到所述第一衍射光栅；利用所述第一衍射光栅形成至少第一衍射光束（987）和第二衍射光束（982）；将所述第一衍射光束和所述第二衍射光束发送到所述物镜；利用所述物镜形成至少第一光斑（112，270，390，994）和第二光斑（114，270，390，994），所述第一光斑由所述第一衍射光束产生，以及所述第二光斑由所述第二衍射光束产生；将所述第一板放置在靠近所述第一光斑和所述第二光斑的第一位置处；使来自所述第一光斑的第一光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第一厚度以及使来自所述第二光斑的第二光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第二厚度，同时阻止其它光穿过所述第一板，所述第一厚度和所述第二厚度之间的差等于第一厚度差；组合所述第一光和所述第二光，以在所述物体表面上产生第一条纹图案；将由所述第一条纹图案照射的所述第一物点成像到感光阵列的阵列点上，以从所述感光阵列获得第一电气数据值；将所述第一板移动到第二位置；使来自所述第一光斑的第三光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第三厚度以及使来自所述第二光斑的第四光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第四厚度，同时阻止其它光穿过所述第一板，所述第三厚度和所述第四厚度之间的差等于第二厚度差，所述第二条纹差不等于所述第一条纹差；在所述物体表面上组合所述第三光和所述第四光，以在所述物体表面上产生第二条纹图案，所述第一条纹图案和所述第二条纹图案在所述第一物点处具有第一条纹间距；将由所述第二条纹图案照射的所述第一物点成像到所述阵列点上，以从所述感光阵列获得第二电气数据值；至少部分地基于所述第一电气数据值、所述第二电气数据值以及所述基线长度计算所述第一物点的三维坐标；以及存储所述第一物点的三维坐标。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.14 US 61/507,7711.一种用于确定物体表面(130)上的第一物点(124)的三维坐标的方法，所述方法包括以下步骤: 设置第一光源(210，310A，310B，910，920)、投影仪(160，200，300，900)以及摄像头(140)，所述投影仪包括第一衍射光栅(220，330A, 330B, 930)、物镜(240，350,970)以及第一板(360，400，512，946)，所述摄像头包括摄像头透镜(142)和感光阵列(146)，所述第一光源产生第一光源光束，所述第一板包括第一透射区域(410)、第二透射区域(412)以及至少一个不透明区域(420，422，424)，所述投影仪具有投影仪透视中心，所述摄像头具有摄像头透视中心(144)，在所述投影仪透视中心与所述摄像头透视中心之间的线段是基线(164)，所述基线具有基线长度； 将所述第一光源光束发送到所述第一衍射光栅； 利用所述第一衍射光栅形成至少第一衍射光束(987)和第二衍射光束(982)； 将所述第一衍射光束和所述第二衍射光束发送到所述物镜； 利用所述物镜形成至少第一光斑(112，270，390，994)和第二光斑(114，270，390，994)，所述第一光斑由所述第一衍射光束产生，以及所述第二光斑由所述第二衍射光束产生； 将所述第一板放置在靠近所述第一光斑和所述第二光斑的第一位置处； 使来自所述第一光斑的第一光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第一厚度以及使来自所述第二光斑的第二光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第二厚度，同时阻止其它光穿过所述第一板，所述第一厚度和所述第二厚度之间的差等于第一厚度差； 组合所述第一光和所述第二光，以在所述物体表面上产生第一条纹图案； 将由所述第一条纹图案照射的所述第一物点成像到感光阵列的阵列点上，以从所述感光阵列获得第一电气数据值； 将所述第一板移动到第二位置； 使来自所述第一光斑的第三光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第三厚度以及使来自所述第二光斑的第四光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第四厚度，同时阻止其它光穿过所述第一板，所述第三厚度和所述第四厚度之间的差等于第二厚度差，所述第二条纹差不等于所述第一条纹差； 在所述物体表面上组合所述第三光和所述第四光，以在所述物体表面上产生第二条纹图案，所述第一条纹图案和所述第二条纹图案在所述第一物点处具有第一条纹间距； 将由所述第二条纹图案照射的所述第一物点成像到所述阵列点上，以从所述感光阵列获得第二电气数据值； 至少部分地基于所述第一电气数据值、所述第二电气数据值以及所述基线长度计算所述第一物点的三维坐标；以及 存储所述第一物点的三维坐标。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述设置第一光源、投影仪以及摄像头的步骤中，所述第一光源光...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·E·布里奇斯，瑞安·克鲁泽，保罗·麦科马克，埃马纽埃尔·拉丰，
申请(专利权)人：法罗技术股份有限公司，
类型：
国别省市：