專利名稱：與移動(dòng)和指向檢測(cè)系統(tǒng)一同使用的刻度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光學(xué)位置傳感器，并更具體涉及采用結(jié)構(gòu)光刻度或目標(biāo)的多軸光學(xué)位置傳感器。
背景技術(shù)：
已知有各種精確的2-維(2D)光學(xué)位置檢測(cè)系統(tǒng)。例如，在Masreliez的U.S.Patent No.5,104,225中公開了一個(gè)2D遞增位置傳感器，其使用2D光柵刻度并提供高分辨率和高精度檢測(cè)X-Y平面中的移動(dòng)(translation)，該文獻(xiàn)在此整體結(jié)合以資對(duì)比。這種系統(tǒng)本質(zhì)上是熟知的1-維(1D)光學(xué)編碼器“遞增”技術(shù)的正交組合，該技術(shù)對(duì)于高分辨率檢測(cè)周期刻度光柵的特定周期內(nèi)讀取頭位置，并連續(xù)遞增和遞減在一系列運(yùn)動(dòng)期間被穿越的周期刻度周期數(shù)的計(jì)數(shù)，以便連續(xù)提供讀取頭與刻度之間的相對(duì)凈位移。然而，這種系統(tǒng)不能檢測(cè)讀取頭與刻度之間的“z-軸”分離。
已知能夠檢測(cè)兩自由度以上物體相對(duì)位置的光學(xué)位置傳感器的類型數(shù)目是很有限的。在Danielian和Neuberger的U.S.PatentNo.5,452,838中公開了一個(gè)一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能夠檢測(cè)最多6自由度相對(duì)位置的一個(gè)探頭。‘838專利公開了使用光纖束的一種探頭，各光纖或光纖組的作用是各個(gè)強(qiáng)度檢測(cè)通道。各強(qiáng)度信號(hào)隨著被照明的目標(biāo)表面的X-Y運(yùn)動(dòng)，以及沿表面的法向每一光纖對(duì)照明目標(biāo)表面接近程度而變化。然而，‘838專利中公開的探頭提供了相對(duì)粗糙的測(cè)量分辨率，及對(duì)于探頭與目標(biāo)表面之間“z-軸”分離和指向有限的檢測(cè)范圍。
已知雙相機(jī)“立體”三角測(cè)量系統(tǒng)能夠檢測(cè)最多6自由度的相對(duì)位置。然而，這種已知的雙相機(jī)系統(tǒng)一般是相對(duì)大的系統(tǒng)，是為測(cè)量宏觀物體和/或它們的位置而研制的，其不能很好對(duì)相對(duì)可用于靠近它們的目標(biāo)物體的緊湊精確的位置測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)度。此外，這種已知的三角測(cè)量結(jié)構(gòu)一般以嚴(yán)格和不希望的方式限制了z-軸測(cè)量分辨率與z-軸測(cè)量范圍之間的關(guān)系。
還知道這樣的系統(tǒng)，它們能夠使物體成象，并基于圖像變化的放大從圖像的特征和z-軸位置和指向確定x-y位置。然而，這種已知系統(tǒng)的放大結(jié)構(gòu)一般以嚴(yán)格和不希望的方式限制了z-軸測(cè)量分辨率與z-軸測(cè)量范圍之間的關(guān)系，并造成了為以6自由度精確測(cè)量相對(duì)位置需要特別處理和/或補(bǔ)償?shù)绕渌鼏栴}。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在一種克服了以上及其它缺陷的位置傳感器。更具體來說，本發(fā)明是一種光位置傳感器，其使用發(fā)射結(jié)構(gòu)光模式(structuredlight pattern)(也稱為結(jié)構(gòu)光刻度(structured light scale)，結(jié)構(gòu)光目標(biāo)，或結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件)的刻度(scale)或目標(biāo)部件，以及成象陣列(也稱為相機(jī)，圖像檢測(cè)器，光學(xué)檢測(cè)器或陣列檢測(cè)器)，以便對(duì)物體提供多達(dá)6自由度的高精確度同時(shí)測(cè)量(多維，或“6D”測(cè)量)，包括X，Y，Z，偏轉(zhuǎn)，俯仰和滾動(dòng)中的一個(gè)或組合。
取決于對(duì)結(jié)構(gòu)光模式選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)和成象陣列，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置傳感器的應(yīng)用包括但不限于，用于度量衡學(xué)的精確位置傳感器，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等，以及可用于計(jì)算機(jī)輸入裝置的相對(duì)較低分辨率和/或較長范圍的傳感器，多自由度人工機(jī)械控制器，宏觀物體范圍和指向測(cè)量系統(tǒng)等等。
根據(jù)本發(fā)明的一種方式，成象陣列可定位以輸入從結(jié)構(gòu)光源(也稱為目標(biāo)源)對(duì)目標(biāo)部件發(fā)出的結(jié)構(gòu)光圖像(也稱為目標(biāo)圖像)。在各種示例性實(shí)施例中，目標(biāo)源以二維周期陣列排布在目標(biāo)部件上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方式，陣列檢測(cè)器上的圖像包括對(duì)應(yīng)于目標(biāo)部件上的各目標(biāo)源的各圖像特征。
根據(jù)本發(fā)明的另一方式，各種示例性實(shí)施例中，目標(biāo)源生成發(fā)散結(jié)構(gòu)光模式。在各其它實(shí)施例中，目標(biāo)源生成會(huì)聚的結(jié)構(gòu)光模式。在各種其它實(shí)施例中，目標(biāo)源生成沿結(jié)構(gòu)光模式的中心軸會(huì)聚然后發(fā)散的結(jié)構(gòu)光模式。
在各示例性實(shí)施例中，目標(biāo)源包括折射軸棱鏡點(diǎn)狀透鏡(軸棱鏡點(diǎn))，折射軸棱鏡環(huán)，折射多面體角錐型點(diǎn)狀透鏡，折射多面體狀棱柱“線”結(jié)構(gòu)，一個(gè)或多個(gè)折射棱柱“線”結(jié)構(gòu)，或任何它們的組合。在各種其它示例性實(shí)施例中，替代折射光學(xué)元件，可使用類似于以上列出的對(duì)應(yīng)的各折射光學(xué)元件偏轉(zhuǎn)光線的各衍射光學(xué)元件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方式，目標(biāo)源接收來自光源的準(zhǔn)直光并輸出結(jié)構(gòu)光模式。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方式，目標(biāo)源還包括一個(gè)透鏡或透鏡部分，其引起結(jié)構(gòu)光相鄰光線聚焦在一個(gè)平面，其近似位于沿成象陣列與目標(biāo)部件之間分開的軸線標(biāo)稱測(cè)量范圍的中間。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方式，在目標(biāo)源是點(diǎn)狀透鏡的各實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)光模式的光線相對(duì)于從目標(biāo)源沿對(duì)目標(biāo)部件面法向延伸的軸的一個(gè)極角排布。通過點(diǎn)狀透鏡的特性確定特定的極角。進(jìn)而極角是接近目標(biāo)源有頂點(diǎn)的假設(shè)錐體的錐角。這樣，根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方式，在各種示例性實(shí)施例中，成象檢測(cè)器(也稱為陣列檢測(cè)器)上的結(jié)構(gòu)光圖像包括形成的一個(gè)連續(xù)的，或分段的圓形或橢圓形模式，其中假設(shè)的錐體與成象陣列光學(xué)檢測(cè)器元件平面相交。在各實(shí)施例中，圓形或橢圓形模式的段基本上是圓點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方式，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)源的連續(xù)的或分段的圓形或橢圓形(環(huán)形)圖像的大小，隨沿平行于成象陣列與目標(biāo)部件之間分開的軸的方向間隔而變化。這樣對(duì)應(yīng)于目標(biāo)源的環(huán)形結(jié)構(gòu)光圖像的大小，可用來對(duì)于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源或其它相對(duì)于成象陣列的檢測(cè)平面，或基準(zhǔn)平面的基準(zhǔn)特征確定絕對(duì)z-軸坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的方式，對(duì)應(yīng)于測(cè)量檢測(cè)器上目標(biāo)源的環(huán)形結(jié)構(gòu)光圖像的中心位置，可用來確定沿與檢測(cè)平面平行的平面對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源的位置，或成象陣列的基準(zhǔn)平面，并這樣能夠用來確定相對(duì)于檢測(cè)平面，或沿x-y平面成象陣列的基準(zhǔn)平面目標(biāo)源的位移。這樣，可對(duì)于任何這種目標(biāo)源確定(x，y，z)坐標(biāo)集，并被賦予三個(gè)這種目標(biāo)源的(x，y，z)坐標(biāo)，根據(jù)本發(fā)明可在目標(biāo)部件與位置測(cè)量裝置之間確定6-自由度相對(duì)位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方式，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)源的結(jié)構(gòu)光圖像是一稍微模糊的圖像，具有包括環(huán)形圖像特征的圖像象素各集合強(qiáng)度值的各徑向強(qiáng)度輪廓，它們沿從環(huán)形特征的標(biāo)稱中心出發(fā)的各徑向展現(xiàn)。在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，圓形或橢圓函數(shù)適配于對(duì)各徑向強(qiáng)度輪廓集合確定的各峰值集合。在各實(shí)施例中，在確定各峰值之前進(jìn)行x和y標(biāo)度以校正放大或圖像偏差。在任何情形下，結(jié)果的適配函數(shù)提供了對(duì)應(yīng)于目標(biāo)源的結(jié)構(gòu)光圖像的尺寸(或徑向尺度)及中心位置的次象素內(nèi)插級(jí)的高精度估計(jì)，這樣能夠用來確定任何對(duì)應(yīng)目標(biāo)源的對(duì)應(yīng)的(x，y，z)坐標(biāo)，并提供了有類似高精度的結(jié)果的相對(duì)位置確定。
根據(jù)本發(fā)明另一方式，包括上述各種元件的位置檢測(cè)裝置提供了在陣列檢測(cè)器上的圖像，其包括對(duì)應(yīng)于各目標(biāo)源的至少兩個(gè)結(jié)構(gòu)光圖像特征，并當(dāng)該位置檢測(cè)裝置與目標(biāo)部件之間的分離增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的各結(jié)構(gòu)光圖像特征每一個(gè)的尺寸在陣列檢測(cè)器上增加，但各圖像特征各標(biāo)稱中心之間的間隔在陣列檢測(cè)器上不變。
根據(jù)本發(fā)明另一方式，目標(biāo)部件包括多個(gè)分別唯一的目標(biāo)源模式，可用來唯一標(biāo)識(shí)各目標(biāo)部件區(qū)。


結(jié)合附圖參照以下詳細(xì)說明，將更易于看出同樣可更好理解本發(fā)明以上逐方式及許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是一等尺寸視圖，表示根據(jù)本發(fā)明可使用的一示例性結(jié)構(gòu)光模式配置，以及用來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光模式的軸錐體透鏡(旋轉(zhuǎn)三透鏡)(axicon lens)；圖2是根據(jù)本發(fā)明使用結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件的位置傳感器布置，連同可用于簡(jiǎn)化的相對(duì)位置確定的各種相關(guān)坐標(biāo)尺度的第一實(shí)施例的詳細(xì)示意圖。
圖3A-3F是對(duì)于結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件相對(duì)于位置傳感器布置的成象陣列的各種位置，表示各種環(huán)形圖像模式的示意圖，這些模式是由使用根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件的位置傳感器布置產(chǎn)生的。
圖4是圖2所示根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器布置連同各種有關(guān)坐標(biāo)尺度的第一示例性實(shí)施例的詳細(xì)示意圖，這是沿橢圓結(jié)構(gòu)光圖像小軸方向觀察的，其中目標(biāo)部件圍繞沿小軸方向的軸轉(zhuǎn)動(dòng)；圖5示出圖像檢測(cè)器圖像部分連同各種有關(guān)坐標(biāo)尺度的示意圖，其包括四個(gè)橢圓結(jié)構(gòu)光圖像，近似對(duì)應(yīng)于圖4所示結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件及位置傳感器布置；圖6是一示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明位置傳感器基準(zhǔn)平面，及與目標(biāo)部件相關(guān)的光點(diǎn)平面，和各種有關(guān)位置向量的第一示例集合；圖7是一示意圖，表示圖6所示基準(zhǔn)平面與光點(diǎn)平面，及各種有關(guān)位置向量的第二示例性集合；圖8描述了根據(jù)本發(fā)明提供的代表性圖像，連同從圖像處理操作示例集合獲得的結(jié)果，其可用于標(biāo)識(shí)各結(jié)構(gòu)光圖像特征特性；圖9示出類似于圖8所示結(jié)果的一示例性結(jié)構(gòu)光圖像特征表示，連同一重疊的圖示，其解釋確定橢圓參數(shù)的精細(xì)估計(jì)，這些參數(shù)用來確定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源的(x，y，z)坐標(biāo)；圖10是第一示例性算法的一個(gè)流程圖，用于基于根據(jù)本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)圖像確定相關(guān)位置測(cè)量；圖11是可在第一示例性算法使用的第二示例性算法的流程圖，用于在根據(jù)本發(fā)明提供的圖像中識(shí)別各種結(jié)構(gòu)光圖像特征特性；圖12是可在第一示例性算法使用的第三示例性算法的流程圖，用于在根據(jù)本發(fā)明提供的圖像中確定各結(jié)構(gòu)光圖像特征，以及結(jié)果的目標(biāo)源坐標(biāo)；圖13描繪根據(jù)本發(fā)明可使用的第一普通軸錐體透鏡目標(biāo)源配置，連同得到的結(jié)構(gòu)光模式；圖14描繪根據(jù)本發(fā)明可使用的第二普通軸錐體透鏡目標(biāo)源配置，其包括光源與軸錐體透鏡之間的一個(gè)聚光透鏡，引起結(jié)構(gòu)光錐體相鄰光線會(huì)聚到一個(gè)平面形成良好聚焦的結(jié)構(gòu)光環(huán)形圖像；圖15-17示出對(duì)于每三個(gè)示例性目標(biāo)源透鏡方案及相關(guān)結(jié)構(gòu)光模式沿X-Y平面及沿Z軸的視圖，它們可用于根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例；圖18示出對(duì)于使用準(zhǔn)直光和軸錐體透鏡目標(biāo)源的結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件第一示例性照明配置；圖19A和19B示出對(duì)于使用來自光纖和軸錐體透鏡目標(biāo)源的結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件的第二示例性照明配置；以及圖20是一個(gè)表，比較傳統(tǒng)的圓錐軸錐體透鏡與另外可用于根據(jù)本發(fā)明各示例性實(shí)施例的目標(biāo)源的“多面體”軸錐體狀透鏡的特征。
具體實(shí)施例方式
圖1是一等尺寸的視圖，表示一示例性結(jié)構(gòu)光模式配置100，其可用于根據(jù)本發(fā)明各位置傳感器實(shí)施例，包括用來產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光錐體142的一個(gè)軸錐體透鏡115。在根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器各示例性實(shí)施例中，光通過多個(gè)唯一目標(biāo)部件上的軸錐體透鏡傳播，且每一透鏡形成一結(jié)構(gòu)光錐體。如以下將更為詳細(xì)的描述，每一個(gè)結(jié)構(gòu)光錐體在位置傳感器的二維成象陣列上形成一個(gè)環(huán)形圖像，且該圖像表示產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光錐體的各軸錐體透鏡的3-維位置。
圖1示出兩個(gè)代表性狹窄的光束103和104，它們形成結(jié)構(gòu)光錐體142的各部分，這是在軸錐體透鏡115被準(zhǔn)直光110照明時(shí)形成的。狹窄的光束103和104的位置和方向最好分別由它們中心光線126和126’表示。應(yīng)當(dāng)看到，結(jié)構(gòu)光錐體142在圖1所示的實(shí)施例中實(shí)際是一個(gè)完整的錐體，由類似于狹窄光束103和104的連續(xù)分布的光線構(gòu)成。結(jié)構(gòu)光錐體142有一中心軸141和一個(gè)錐角α。如以下參照?qǐng)D13和14所述，角度α按軸錐體透鏡115的設(shè)計(jì)確定。
在圖1中還示出假設(shè)的平面145。假設(shè)的平面145法向指向錐體軸141，并與結(jié)構(gòu)光錐體142的頂點(diǎn)一致，該頂點(diǎn)在從軸錐體透鏡115發(fā)出的光束的焦點(diǎn)115’處。這樣，在以下各實(shí)施例的說明中，假設(shè)的平面145也稱為光點(diǎn)平面，或目標(biāo)部件光點(diǎn)平面。因?yàn)槟繕?biāo)部件光點(diǎn)平面與從軸錐體透鏡115出發(fā)的結(jié)構(gòu)光錐體或其它類似的目標(biāo)源一致，因而這是用來定義目標(biāo)源位置與它們對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)光模式及結(jié)果的結(jié)構(gòu)光圖像之間各坐標(biāo)關(guān)系的方便的平面。
一個(gè)示例性光環(huán)143示于圖1中，在結(jié)構(gòu)光錐體142與交叉平面交叉的位置處，其平行于假設(shè)平面145，沿假設(shè)平面145的法向離假設(shè)平面145的距離為Z。這種情形下，光環(huán)143是直徑為R的一個(gè)圓圈，這直徑是從錐體軸141到結(jié)構(gòu)光錐體142的中心光線-諸如中心光線126-與交叉平面交叉處的點(diǎn)的位置。
在操作中，當(dāng)檢測(cè)平面指向垂直于錐體軸141，或等價(jià)地平行于由假設(shè)平面145表示的目標(biāo)部件光點(diǎn)平面時(shí)，上述的交叉平面代表根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器成象陣列的檢測(cè)平面。例如對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)Z＝Z1時(shí)，形成可操作結(jié)構(gòu)光圖像的可操作象素，將是在成象陣列上形成直徑為R1＝Z1*tanα的圓圈的一組象素。如果這時(shí)焦點(diǎn)115’與成象陣列之間間隔增加到Z＝Z2，則形成可操作結(jié)構(gòu)光圖像的可操作象素，將是形成直徑為R2＝Z2*tanα的較大圓圈的新的一組象素。
這樣一般來說應(yīng)當(dāng)看到，在根據(jù)本發(fā)明的各位置傳感器布置中，向根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器的成象陣列成象的目標(biāo)源(諸如軸錐體透鏡115)，引起對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)光圖像特征，其大小按對(duì)應(yīng)于目標(biāo)源與位置傳感器的成象陣列之間的間隔那樣變化。
在存在X-Y移動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)源的圓形結(jié)構(gòu)光圖像的標(biāo)稱中心的位置將在成象陣列上改變。這樣，根據(jù)以上描述，根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器的方案在各示例性實(shí)施例中可成象為小到單目標(biāo)源，并在成象陣列上提供一圖像，其可用來確定單個(gè)目標(biāo)源與成象陣列之間3維相對(duì)移動(dòng)位置，和/或3維相對(duì)位置的任何分量。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明位置傳感器布置200的第一示例性實(shí)施例的示意側(cè)視圖，連同可用來簡(jiǎn)化相對(duì)位置確定的各相關(guān)坐標(biāo)尺寸。如圖2所示，位置傳感器布置200包括一個(gè)目標(biāo)部件210，其包含兩個(gè)軸錐體透鏡目標(biāo)源215與216，一個(gè)圖像檢測(cè)器230(也稱為成象陣列)，以及來自光源(未示出)的準(zhǔn)直光240。為了說明結(jié)構(gòu)光圖像與對(duì)應(yīng)于該圖像的z-坐標(biāo)之間的關(guān)系的一般性質(zhì)，圖2中所示相對(duì)位置方案示出一種介紹性的情形，其中目標(biāo)部件210平行于圖像檢測(cè)器230的檢測(cè)器平面。應(yīng)當(dāng)看到，實(shí)際上圖像檢測(cè)器230的檢測(cè)器平面一般將不平行于目標(biāo)部件210的平面。進(jìn)而更一般的相對(duì)位置確定的情形在以下參照?qǐng)D4和5描述。
在圖2所示的實(shí)施例中，目標(biāo)部件210包括多個(gè)目標(biāo)源215，216等，類似于并包含軸錐體透鏡目標(biāo)源215和216，位于由不透明材料形成的或具有不透明外皮的不透明基片中的透明部分上或孔中，使得只是或至少主要通過目標(biāo)源傳送準(zhǔn)直光240。在各示例性實(shí)施例中，多個(gè)目標(biāo)源215，216等以周期的兩維正交陣列排布在目標(biāo)部件210上，沿目標(biāo)部件的軸xtm有PX的一周期或間距，以及沿目標(biāo)部件正交軸ytm有Py的一間距。在各示例性實(shí)施例中，PX＝Py，且兩個(gè)間距都稱為P。每一軸錐體透鏡目標(biāo)源215，216等以類似于上述軸錐體透鏡115的方式操作。這樣，每一個(gè)軸錐體透鏡目標(biāo)源215，216引起各結(jié)構(gòu)光錐體242，242’等，它們具有各目標(biāo)源215’，216’等，以及通過軸錐體透鏡目標(biāo)源的設(shè)計(jì)確定的錐角α，如這里其它地方所述。
光點(diǎn)平面245，按先前對(duì)假設(shè)平面145所述相同的方式，定義為與目標(biāo)源頂點(diǎn)215’，216’等一致。各示例性尺寸Z215’，Z216’，在這里所述的各實(shí)施例中，表示光點(diǎn)平面245上各目標(biāo)源頂點(diǎn)215’與216’及圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)平面224之間的間隔，系統(tǒng)基準(zhǔn)平面224與圖像檢測(cè)器230的檢測(cè)器平面吻合。示例性尺寸Z215’，Z216’是沿z-軸法向，就是說沿圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系基準(zhǔn)平面224的法向。
如圖2所示，各結(jié)構(gòu)光錐體242和242’在圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)平面224上接收并成象，其中它們形成各環(huán)形圖像，其標(biāo)稱直徑分別為d215和d216。沿平行于目標(biāo)部件的xtm-軸的圖像檢測(cè)器平面224的方向，環(huán)形圖像的中心分開尺寸pccX。當(dāng)圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)平面224與目標(biāo)部件210平行時(shí)，如圖2所示，所有環(huán)形圖像是圓形的且都有相同的標(biāo)稱直徑。一般來說，可基于與目標(biāo)源和已知的錐體角α相關(guān)的圖像的標(biāo)稱直徑d，確定對(duì)應(yīng)于各目標(biāo)源的各z-尺寸Z，如Z=d2tanα---(1)]]>進(jìn)而在以下討論用于確定結(jié)構(gòu)光圖像標(biāo)稱直徑d以及標(biāo)稱圖像中心的方法。
在一般相對(duì)位置的情形下，當(dāng)目標(biāo)部件210不平行于圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系基準(zhǔn)平面224時(shí)，由光錐體242，242’等產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光圖像的中心坐標(biāo)，不是目標(biāo)源頂點(diǎn)215’，216’等沿由圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系定義的x-軸和y-軸的x-和y-坐標(biāo)。一般情形的幾何關(guān)系在以下參照?qǐng)D4描述。然而，對(duì)于圖2所示簡(jiǎn)單的相對(duì)位置情形，其中目標(biāo)部件210平行于圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系基準(zhǔn)平面224，目標(biāo)源頂點(diǎn)215’，216’等沿由圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系定義的x-軸和y-軸的x-和y-坐標(biāo)，與對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)光圖像242，242’等的中心坐標(biāo)相同。這樣，至少在這一簡(jiǎn)單的情形下，應(yīng)當(dāng)看到，可對(duì)光點(diǎn)平面245上每一目標(biāo)源頂點(diǎn)(215’，216’等)確定圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系的三維(x，y，z)坐標(biāo)。以下進(jìn)而參照?qǐng)D4說明更一般情形。
圖3A-3F是示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明目標(biāo)部件上包含的目標(biāo)源和/或目標(biāo)源頂點(diǎn)的一個(gè)示例性模式，以及沿圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系z(mì)-軸方向觀察的各結(jié)果環(huán)形圖像模式，這是按使用根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件的位置傳感器排布產(chǎn)生的。每一個(gè)環(huán)形圖像模式對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件相對(duì)于位置傳感器排布的成象陣列的各位置。如以上參照?qǐng)D1和2所述，目標(biāo)部件上的軸錐體透鏡目標(biāo)源將產(chǎn)生在圖像檢測(cè)器上為圓形的一個(gè)圖像。如前所述，當(dāng)目標(biāo)部件平行于圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)平面即圖像檢測(cè)器的檢測(cè)器平面時(shí)，環(huán)形圖像是圓形的。然而，更一般來說，對(duì)于錐形結(jié)構(gòu)光模式，當(dāng)目標(biāo)部件不平行于圖像檢測(cè)器的檢測(cè)器平面時(shí)，環(huán)形圖像是橢圓的。然而當(dāng)目標(biāo)部件相對(duì)于圖像檢測(cè)器的檢測(cè)器平面的平面傾角小于大約25度時(shí)，橢圓的短軸至少90％與長軸同樣大，且為了示例的目的橢圓可由圓形逼近。
圖3A示出如前所述對(duì)目標(biāo)逼近和/或光點(diǎn)平面法向的視圖。小圓圈可取為表示目標(biāo)源和/或目標(biāo)源頂點(diǎn)(也稱為光點(diǎn))，排布在可用作為根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)部件的目標(biāo)模式的模式300A中。在圖3A所示的實(shí)施例中，目標(biāo)源頂點(diǎn)的排布是根據(jù)周期間距PX沿目標(biāo)部件的x-軸方向xtm，以及周期間距PY沿目標(biāo)部件的y-軸方向ytm。
模式300A是對(duì)于圖3B-3F所示示例性圖像的基本部分。示意圖3B-3F上重疊的小交叉，表示對(duì)應(yīng)于每一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)光圖像在沿z-軸向檢測(cè)器平面投射時(shí)各目標(biāo)源頂點(diǎn)的近似位置。一般來說，每一個(gè)環(huán)形圖像的尺寸依賴于圖像檢測(cè)器的檢測(cè)器平面與目標(biāo)部件之間的傾角，可操作的錐體角度α，及檢測(cè)器平面與對(duì)應(yīng)的各目標(biāo)源頂點(diǎn)之間的尺寸Z。
圖3B示出一圖像300B。圖像300B示出，當(dāng)檢測(cè)器陣列的平面近似平行于目標(biāo)部件平面和/或光點(diǎn)平面，并沿z-軸對(duì)光點(diǎn)平面有某些間距時(shí)，在圖像檢測(cè)器處形成的環(huán)形(圓圈)結(jié)構(gòu)光圖像的一個(gè)陣列。
圖3C示出一圖像300C。圖像300C示出，當(dāng)光點(diǎn)平面沿z-軸離開檢測(cè)器平面某些間距，并相對(duì)于檢測(cè)器平面圍繞ytm軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在圖像檢測(cè)器處形成的環(huán)形(橢圓)結(jié)構(gòu)光圖像的一個(gè)陣列。結(jié)構(gòu)光圖像的尺寸指示最右側(cè)的目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)大于最左側(cè)目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)。
圖3D示出一圖像300D。圖像300D示出，當(dāng)光點(diǎn)平面沿z-軸離開檢測(cè)器平面某些間距，并相對(duì)于檢測(cè)器平面圍繞ytm軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在圖像檢測(cè)器處形成的環(huán)形(橢圓)結(jié)構(gòu)光圖像的一個(gè)陣列。結(jié)構(gòu)光圖像的尺寸指示最左側(cè)的目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)大于最右側(cè)目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)。
圖3E示出一圖像300E。圖像300E示出，當(dāng)光點(diǎn)平面沿z-軸離開檢測(cè)器平面某些間距，并相對(duì)于檢測(cè)器平面圍繞xtm軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在圖像檢測(cè)器處形成的環(huán)形(橢圓)結(jié)構(gòu)光圖像的一個(gè)陣列。結(jié)構(gòu)光圖像的尺寸指示向圖像頂部的目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)大于向圖像底部的目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)。
圖3F示出一圖像300F。圖像300F示出，當(dāng)光點(diǎn)平面沿z-軸離開檢測(cè)器平面某些間距，并圍繞平行于檢測(cè)器平面的軸310并以一角度近似于45度反時(shí)針離開xtm軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在圖像檢測(cè)器處形成的環(huán)形(橢圓)結(jié)構(gòu)光圖像的一個(gè)陣列。結(jié)構(gòu)光圖像的尺寸指示，向圖像左頂角的目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)，大于向圖像右底角的目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)。
如圖3C-3F所示，橢圓結(jié)構(gòu)光圖像中心之間沿橢圓主軸方向的間距，與投射的目標(biāo)源頂點(diǎn)(由小交叉表示)之間沿主軸方向的間距相同。一般，橢圓中心沿主軸方向的間距近似于(只非常小量地大于)，投射的目標(biāo)源頂點(diǎn)之間沿主軸方向的距離除以光點(diǎn)平面與檢測(cè)器平面之間圍繞平行于橢圓短軸方向的軸轉(zhuǎn)角的余弦(傾角)。然而，應(yīng)當(dāng)看到，橢圓軸線之間的間距不是相對(duì)旋轉(zhuǎn)(傾斜)的最好的指示器，特別是對(duì)于小旋轉(zhuǎn)角度。
應(yīng)當(dāng)看到，本發(fā)明特別強(qiáng)的特點(diǎn)在于，各環(huán)形結(jié)構(gòu)光圖像的尺寸是對(duì)應(yīng)的各目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z尺度/坐標(biāo)非常敏感的指示器。這樣，在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，從各Z坐標(biāo)高精確度確定刻度部件相對(duì)于位置傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)的各角度分量。與先前所述沿橢圓主軸方向的間距對(duì)比，應(yīng)當(dāng)看到，沿橢圓短軸方向的橢圓結(jié)構(gòu)光圖像的中心之間的間距，與沿短軸方向投射目標(biāo)源頂點(diǎn)之間的間距相同。應(yīng)當(dāng)看到，這是因?yàn)槎梯S是沿光點(diǎn)平面與檢測(cè)器平面之間沒有轉(zhuǎn)角(傾角)的方向?qū)?zhǔn)的。這是相對(duì)于檢測(cè)器平面圍繞平行于橢圓主軸方向不轉(zhuǎn)動(dòng)的光點(diǎn)平面。這樣，橢圓結(jié)構(gòu)光圖像的短軸的尺寸近似對(duì)應(yīng)于圖2所示的尺寸d215和d216(當(dāng)圍繞短軸的轉(zhuǎn)動(dòng)為25度時(shí)在大約1％內(nèi))，并且當(dāng)對(duì)于d使用的值是橢圓短軸尺寸時(shí)，通過方程式1能夠精確估計(jì)對(duì)應(yīng)于各橢圓結(jié)構(gòu)光圖像的各目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z坐標(biāo)。
圖4是圖2所示根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器布置200的第一示例性實(shí)施例的詳細(xì)示意圖，這是沿兩個(gè)橢圓結(jié)構(gòu)光圖像的短軸方向所觀察。示出各相關(guān)坐標(biāo)尺寸。圖4中各元件是根據(jù)它們沿觀察的方向向附圖的平面投射顯示的。各元件對(duì)附圖平面的法向近似位置在圖5中指示。如圖4所示，目標(biāo)部件210圍繞平行于橢圓結(jié)構(gòu)光圖像的短軸方向的一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。與圖2相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)記基本上類似的元件。這樣，這些元件將從圖2的說明理解，而這里只說明圖2中未示出的一定的附加坐標(biāo)關(guān)系和元件。
圖4示出可由相對(duì)于目標(biāo)部件210固定的準(zhǔn)直光源布置280通過示意表示的部件(或多個(gè)部件)287提供準(zhǔn)直光240。這樣，不論目標(biāo)部件210如何轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)于目標(biāo)部件210保持準(zhǔn)直光240的方向。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4和5描述為確定各目標(biāo)源頂點(diǎn)215’，216’等的(x，y，z)坐標(biāo)的一個(gè)過程。如前所述，通過確定橢圓結(jié)構(gòu)光圖像的短軸尺寸，使用方程式1可近似估計(jì)對(duì)應(yīng)于該圖像的目標(biāo)源頂點(diǎn)的z-坐標(biāo)。這里我們假設(shè)，z-坐標(biāo)Z215和Z218這樣被確定。以下，在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，確定先前所述圍繞平行于橢圓結(jié)構(gòu)光圖像短軸方向的一個(gè)軸的傾斜是方便的，這在圖4中由相對(duì)轉(zhuǎn)角φ表示。使用同一圖像檢測(cè)器圖像中的目標(biāo)源頂點(diǎn)215’和另一目標(biāo)源頂點(diǎn)218’，轉(zhuǎn)角φ等于φ=sin-1(ΔZSmajor)---(2)]]>其中ΔZ＝(Z215-Z218)，且投射尺寸Smajor最好參照方程式4和5理解。投射尺寸Smajor是目標(biāo)源頂點(diǎn)215’和218’之間沿與橢圓結(jié)構(gòu)光圖像主軸方向?qū)?zhǔn)的光源平面上的方向沿z-軸觀察時(shí)的距離。
一般來說，最好如圖5中所示，投射尺寸Smajor與圍繞橢圓圖像主軸(或短軸)方向的z-軸相對(duì)于xtm軸和/或ytm軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)，這與對(duì)于目標(biāo)部件和光點(diǎn)平面相同。光點(diǎn)平面上目標(biāo)源頂點(diǎn)之間的各已知尺寸可用來估計(jì)轉(zhuǎn)角，就是說轉(zhuǎn)而可用來估計(jì)投射尺寸Smajor。圖5中示出一例并在以下說明。
圖5示出圖像檢測(cè)器230上圖像檢測(cè)器圖像500部分的表示。應(yīng)當(dāng)看到，在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，圖像檢測(cè)器230的尺寸擴(kuò)展到圖5示意所示的尺寸之外。這樣，這些實(shí)施例能夠同時(shí)使比圖5中所示更多的橢圓結(jié)構(gòu)光圖像成象。因而，類似于以下描述的方法可用于更多的結(jié)構(gòu)光圖像，或用于一組由數(shù)個(gè)間距增量(而不是以下所述示例的單個(gè)間距增量間隔)分開間距的橢圓結(jié)構(gòu)光圖像，且這些方法與以下所述示例性方法相比可提供更高的可靠性和/或精確性。
圖像檢測(cè)器圖像500包括四個(gè)橢圓間隔光圖像515，516，517和518，連同各相關(guān)坐標(biāo)尺寸，近似對(duì)應(yīng)于圖4所示的結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件與位置傳感器布置200排布。每一結(jié)構(gòu)光圖像5XX對(duì)應(yīng)于類似編號(hào)的目標(biāo)頂點(diǎn)2XX’。假設(shè)基于圖像500的象素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)橢圓結(jié)構(gòu)光圖像5XX已分析確定最佳適合的各橢圓，每一結(jié)構(gòu)光圖像5XX按圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系完全刻劃。例如，每一橢圓的中心(p，q)5XX，短軸尺寸B5XX，長軸尺寸A5XX，及長軸方向與圖像檢測(cè)器坐標(biāo)的x-軸之間的角度θ也是已知的。因而，需要時(shí)能夠根據(jù)已知的方法確定每一橢圓上所有點(diǎn)。如以下進(jìn)一步所述最終將確定每一目標(biāo)源頂點(diǎn)2XX’的圖像檢測(cè)器坐標(biāo)(x，y)2XX’。
在圖5所示的例子中，為了估計(jì)圍繞橢圓圖像的長軸(或短軸)方向z-軸，相對(duì)于xtm軸和/或ytm軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，估計(jì)圖5中由β表示的轉(zhuǎn)角。如以下進(jìn)一步的解釋，以下估計(jì)的角度β實(shí)際上是對(duì)于位于光點(diǎn)平面245中的角度。然而，為了簡(jiǎn)化圖5中沿z-軸方向的投影視圖也標(biāo)為β。角度β是基于尺寸Lminor估計(jì)的，這能夠沿圖像500中短軸已知的方向確定。選擇沿短軸的方向是因?yàn)閳D像檢測(cè)器坐標(biāo)系的x-y平面相對(duì)于沿這一方向的光點(diǎn)平面不是傾斜的，這樣沿這一方向的圖像特征之間的尺寸，正好就與沿這一方向光點(diǎn)平面上對(duì)應(yīng)的畫面之間的尺寸相同。
因而，根據(jù)已知的幾何方法，沿短軸已知方向在橢圓結(jié)構(gòu)光圖像(也稱為橢圓)516和518長軸位置之間確定尺寸Lminor。如圖5所示由于沿短軸方向沒有傾斜，每一目標(biāo)源頂點(diǎn)2XX’沿與長軸重合及橢圓已知的中心5XX的對(duì)稱線就位。因而，確定的尺寸Lminor在橢圓主軸516和518之間，并與沿短軸方向目標(biāo)源頂點(diǎn)216和218之間的尺寸相同。從圖像500中的橢圓515-518之間的關(guān)系可觀察到，橢圓516和518是從作為二維陣列中對(duì)角最近領(lǐng)域的目標(biāo)源頂點(diǎn)出現(xiàn)的，諸如參照?qǐng)D3A-3F所述。對(duì)于這一例子，我們假設(shè)陣列沿陣列軸有相同的間距P。這樣，我們能夠比較所確定的尺寸Lminor與已知的最近鄰域?qū)浅叽纾褪钦f圖5中由線590表示的P/(tan45度)，以估計(jì)轉(zhuǎn)角β。具體來說在本例中β=cos-1(Lminor(P/tan45))---(3)]]>應(yīng)當(dāng)看到，尺寸Lminor是光點(diǎn)平面245中一個(gè)精確的尺寸，因?yàn)樗茄貓D像中“不傾斜的”短軸方向的。而且，P/(tan45)是光點(diǎn)平面245中已知精確的尺寸。這樣，角度β在光點(diǎn)平面245中。
如果轉(zhuǎn)角β為零，則圖4所示的尺寸Sminor將簡(jiǎn)單地為P*sin(45度)。然而，更一般來說，對(duì)于包含在這一說明中的目標(biāo)部件210的目標(biāo)源陣列，尺寸Sminor是Smajor＝P*(sin(45+β)(4)參照?qǐng)D4，我們現(xiàn)在能夠如下確定相對(duì)轉(zhuǎn)角φ。圖4所示的尺寸Δz為Δz＝Z215-Z218，因而相對(duì)轉(zhuǎn)角φ可確定如下φ=sin-1(ΔzSmajor)=sin-1(Z215-Z218Smajor)---(5)]]>進(jìn)而，在圖4中可以看到，使用已知的錐角α，已知的尺寸Z215和所確定的相對(duì)轉(zhuǎn)角φ，可從以下一般的表達(dá)式(其中2XX＝215)確定圖像500中沿橢圓515長軸的點(diǎn)PA1和頂點(diǎn)215’之間的尺寸E1215E12XX＝Z2XX*tan(α+φ)(6)這樣，基于沿長軸已知方向相對(duì)于圖像500中橢圓515上點(diǎn)PA1的已知(或可確定的)圖像檢測(cè)器坐標(biāo)的尺寸E1215，根據(jù)已知的幾何方法，可在圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系中確定目標(biāo)源頂點(diǎn)215’的(x，y)坐標(biāo)。與先前確定的z-坐標(biāo)Z215相結(jié)合，完全確定了目標(biāo)源頂點(diǎn)215’的3-維(x，y，z)坐標(biāo)。
如上所述，如果目標(biāo)源頂點(diǎn)215’平行于圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系基準(zhǔn)平面224沿x-軸移動(dòng)ΔX并沿y-軸移動(dòng)ΔY，則橢圓515圖像的中心位置將沿圖像檢測(cè)器230上對(duì)應(yīng)的方向移動(dòng)。這種移動(dòng)可在任何兩個(gè)相繼的測(cè)量圖像之間確定，并如以下所述，通過這些圖像繼續(xù)積累。因而，根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器布置，能夠以絕對(duì)的方式在任何單個(gè)的圖像內(nèi)測(cè)量目標(biāo)源頂點(diǎn)215’的z-坐標(biāo)，以及初始(x，y)坐標(biāo)和之后的累積相對(duì)X-Y運(yùn)動(dòng)。于是，根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器布置可沿3移動(dòng)自由度，這里一般標(biāo)記為X，Y，Z自由度，在目標(biāo)點(diǎn)215’和位置傳感器排布之間，確定目標(biāo)源頂點(diǎn)的位置，諸如目標(biāo)源頂點(diǎn)215’。
其它目標(biāo)源頂點(diǎn)的3-維(x，y，z)坐標(biāo)，諸如頂點(diǎn)216’-218’，也可如上述確定?；诖_定的兩個(gè)目標(biāo)源頂點(diǎn)的(x，y，z)位置，諸如頂點(diǎn)215’和218’，以及它們?cè)诠馄矫?45彼此相對(duì)已知的間距，可根據(jù)已知的方法在兩個(gè)平面確定光點(diǎn)平面245沿連接頂點(diǎn)215’和218’的線的角度指向。這樣，根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器布置，對(duì)于包含具有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)的至少兩個(gè)目標(biāo)源目標(biāo)部件，能夠測(cè)量相對(duì)于目標(biāo)部件沿3移動(dòng)自由度諸如X，Y，Z和至少一個(gè)角度或指向自由度的位置。
當(dāng)然，使用具有已知(x，y，z)坐標(biāo)位置的至少三個(gè)目標(biāo)源頂點(diǎn)，光源平面245(及相關(guān)的目標(biāo)部件)的指向被完全定義。這樣，根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器布置，能夠在具有圖像檢測(cè)器諸如圖像檢測(cè)器230的位置傳感器，與結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件諸如目標(biāo)部件210之間，測(cè)量包含3移動(dòng)自由度諸如X，Y，Z和三角度或自由度指向的相對(duì)位置。
在各示例性實(shí)施例中，信號(hào)處理單元以所需的重復(fù)率或幀速率，輸入并分析來自目標(biāo)部件210的連續(xù)的結(jié)構(gòu)光圖像，以便跟蹤目標(biāo)部件210累積運(yùn)動(dòng)，包括沿目標(biāo)部件210上排布的目標(biāo)源的兩維陣列的任一或兩個(gè)方向的移動(dòng)目標(biāo)部件210超過一個(gè)間距增量和/或超過一個(gè)“視野”增量。這種情形下，目標(biāo)部件210上目標(biāo)元件已知的間距或間隔提供了一個(gè)刻度，其可用來精確確定根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器與目標(biāo)部件210之間總的相對(duì)位移。
跟蹤沿位于圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系基準(zhǔn)平面224中方向的累積運(yùn)動(dòng)的一個(gè)方法，是圖像相關(guān)方法。在Nahum的U.S.專利No.6,642,506，及U.S.專利Nos.09/9876,162，09/987,986，09/860,636，09/921,889，09/731,671，及09/921,711中公開了各種可用的相關(guān)方法，這些文獻(xiàn)在此整體結(jié)合以資對(duì)比。
應(yīng)當(dāng)看到，根據(jù)本發(fā)明的位置檢測(cè)方案可被設(shè)計(jì)或優(yōu)化，以確定沿圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系z(mì)-軸方向所需的位置范圍。當(dāng)然，Z-范圍不能延伸超過位置傳感器圖像檢測(cè)器達(dá)到目標(biāo)源可達(dá)到平面的位置。在各示例性實(shí)施例中這定義了Z-范圍的Zminimum。各示例性實(shí)施例中，如果各目標(biāo)元件的圖像不重疊到檢測(cè)器陣列230，則簡(jiǎn)化了與分析結(jié)構(gòu)光目標(biāo)圖像以確定它們各(x，y，z)坐標(biāo)的相關(guān)的信號(hào)處理。這樣，在這些實(shí)施例中，根據(jù)以下關(guān)系，按所需的Z-范圍的Zminimum與可操作的錐角α，選擇目標(biāo)部件210上目標(biāo)源最小間隔或間距minimum target source spacing＞2*Zmaximum*tanα(7)在各其它示例性實(shí)施例中，即使它們各自的結(jié)構(gòu)光圖像在由圖像檢測(cè)器230檢測(cè)的圖像中重疊，最小間隔小于滿足這一關(guān)系的值，并使用更復(fù)雜的圖像處理確定各目標(biāo)源頂點(diǎn)的Z-坐標(biāo)。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，錐角α大約為15度，目標(biāo)源直徑大約為100μm，且沿目標(biāo)部件210上兩個(gè)正交軸以1.0mm的間距分開。圖像檢測(cè)器230的成象陣列大約為4.7mm乘以3.5mm，并包含640列和480行象素，以大約7.4μm的間距沿正交的行和列方向排布。從圖像檢測(cè)器230成象陣列到由目標(biāo)源頂點(diǎn)定義的光源平面245標(biāo)稱的工作間距大約為1.0mm+/-0.5mm。使用以下進(jìn)一步描述的適當(dāng)?shù)膱D像處理，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于X，Y和Z移動(dòng)可提供大約1-8μm的分辨率和精確度，以及大約.05度滾動(dòng)，俯仰和偏轉(zhuǎn)角度。在各示例性實(shí)施例中，使用適當(dāng)?shù)年嚵袡z測(cè)器和DSP，能夠以高達(dá)1000Hz或更大的采樣率提供6D測(cè)量。
正如在圖5所見，形成上述橢圓任何之一的“圖像線”有一沿橢圓徑向的標(biāo)稱寬度。在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，特定橢圓圖像中的橢圓圖像線的標(biāo)稱寬度，通過對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源及對(duì)應(yīng)的z-坐標(biāo)大小的設(shè)計(jì)確定。應(yīng)當(dāng)看到，根據(jù)本發(fā)明的完整傳感器布置的總精確度，至少部分地取決于可確定形成上述橢圓等的“圖像線”的每一部分的位置的分辨率。這樣，在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，如以下進(jìn)而所述，使用子象素分辨率確定、適配或另外估計(jì)“圖像線”的每一部分的標(biāo)稱位置。這樣，在各示例性實(shí)施例中，估計(jì)本發(fā)明的位置傳感器布置是這樣設(shè)計(jì)的，使得圖像線標(biāo)稱寬度跨越圖像檢測(cè)器230上至少三個(gè)象素，以便于對(duì)于定位各圖像特征的子象素內(nèi)插。在提供更高精確度的其它各示例性實(shí)施例中，標(biāo)稱寬度跨越陣列檢測(cè)器230最少3個(gè)及最多6個(gè)象素。在犧牲某些精確度和/或圖像處理簡(jiǎn)單性以使用更經(jīng)濟(jì)的元件的其它實(shí)施例中，標(biāo)稱寬度跨越少于三個(gè)象素或多于6個(gè)象素。
應(yīng)當(dāng)看到，以上特定示例性實(shí)施例的參數(shù)和元件只是示例性的而不是限制?？梢杂性S多其它可操作的實(shí)施例，它們對(duì)于業(yè)內(nèi)普通專業(yè)人員明顯的，并具有本公開的好處。
如上所述，在各示例性實(shí)施例中，至少三個(gè)結(jié)構(gòu)光圖像，諸如橢圓515-518總是落入圖像檢測(cè)器230的視野。這樣，基于對(duì)應(yīng)于各結(jié)構(gòu)光圖像的各目標(biāo)源頂點(diǎn)(x，y，z)坐標(biāo)，與光點(diǎn)平面245及目標(biāo)部件210等正交的單位向量可從位于光點(diǎn)平面245上的三個(gè)目標(biāo)源頂點(diǎn)找到。由三個(gè)這種目標(biāo)源頂點(diǎn)位置定義的兩個(gè)向量的叉乘產(chǎn)生垂直于目標(biāo)表面的一個(gè)向量，根據(jù)向量代數(shù)和/或以下所述各種熟知的方法，其能夠用來確定各相關(guān)旋轉(zhuǎn)分量。
如圖6所示，向量ri連接圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系基準(zhǔn)平面424(也稱為圖像檢測(cè)器基準(zhǔn)平面424)上的坐標(biāo)原點(diǎn)O，與光點(diǎn)平面445上的目標(biāo)源頂點(diǎn)415-417。向量vi位于光點(diǎn)平面445。向量r0定義為與穿過坐標(biāo)原點(diǎn)O的光點(diǎn)平面445正交的一個(gè)向量。與光點(diǎn)平面445正交的單位向量ntm由位于光點(diǎn)平面445中的兩個(gè)向量vi叉乘構(gòu)成。對(duì)于圖6中所示的例子n^tm=v1×v2|v1×v2|;wherevi=ri+1-r1---(8)]]>應(yīng)當(dāng)看到，方程式8中的單位向量ntm描述了光點(diǎn)平面445(及相關(guān)的目標(biāo)部件)相對(duì)于由正交于圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系基準(zhǔn)平面424的方向定義的z-軸的傾斜，這可用來根據(jù)向量代數(shù)已知的方法，確定光點(diǎn)平面445(以及相關(guān)的目標(biāo)部件)與根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器的相對(duì)的角度指向。
目標(biāo)部件(與相關(guān)的光點(diǎn)平面445)的局部x和y基準(zhǔn)軸的xtm-和ytm-方向可被定義為與沿目標(biāo)部件上正交軸周期排布的目標(biāo)源模式，和/或光點(diǎn)平面445上對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)重合。例如，在各示例性實(shí)施例中，目標(biāo)源向量按周期列和行模式排布，其xtm-和ytm-方向的目標(biāo)源頂點(diǎn)之間的距離等于相同的周期間距P(就是說Px＝Py＝P)。在各示例性實(shí)施例中，xtm-和ytm-方向圍繞z-軸初始的指向是已知的，且目標(biāo)部件和光點(diǎn)平面445圍繞z-軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)限制在小于+/-45度(或稍小，考慮到關(guān)于x和y軸可能的傾斜效果)，或者由累積關(guān)于z-軸對(duì)時(shí)間的凈轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)過程跟蹤。這樣，xtm-和ytm-方向圍繞z-軸的近似方向是明確的。因而，為了定義沿xtm-或ytm-方向的向量(假設(shè)相對(duì)于x和y軸的傾斜被相對(duì)限制，如同對(duì)于相對(duì)或所有實(shí)際應(yīng)用的情形那樣)，在最壞的情形下，只要從選擇的目標(biāo)源的頂點(diǎn)，例如最接近坐標(biāo)原點(diǎn)O的目標(biāo)源頂點(diǎn)的坐標(biāo)開始即可，并標(biāo)識(shí)與該點(diǎn)且彼此最接近的2個(gè)目標(biāo)源頂點(diǎn)。當(dāng)目標(biāo)部件(和/或光點(diǎn)平面445)與包含圖像檢測(cè)器諸如圖像檢測(cè)器230的位置傳感器之間在X-Y平面中的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，限制在小于+/-45度或被跟蹤時(shí)，連接最初選擇性的目標(biāo)源頂點(diǎn)與這兩個(gè)目標(biāo)源頂點(diǎn)的各向量的方向?qū)⑶宄貥?biāo)識(shí)xtm-方向和ytm-方向。對(duì)于增加的角度精確度，可確定沿這些方向更遠(yuǎn)的到目標(biāo)源頂點(diǎn)更長的向量。
這樣，在各示例性實(shí)施例中，定義上述向量兩者之一為v(圖6中的向量v1或v3)，對(duì)應(yīng)于xtm-方向和ytm-方向的單位向量為x^tm=v|v|(ory^tm=v|v|)---(9)]]>沿ztm-方向的單位向量與由方程式8給出的，或另外從以下叉乘得出的單位向量ntm相同z^tm=x^tm×y^tm---(10)]]>在各示例性實(shí)施例中，為了確定相對(duì)指向并完全定義相對(duì)位置和指向的6D度量，根據(jù)熟知的向量代數(shù)方法從單位向量形成旋轉(zhuǎn)矩陣RR=x^tmy^tmz^tm=xtm,xytm,xztm,xxtm,yytm,yztm,yxtm,zytm,zztm,z---(11)]]>其中單位向量xtm分量的分量xtm，x是沿圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系x-軸的，并對(duì)于其它加下標(biāo)的向量分量也是這樣。旋轉(zhuǎn)矩陣在圖像檢測(cè)器坐標(biāo)系中也是通過施加到目標(biāo)部件的滾動(dòng)、間距和搖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)向量代數(shù)已知的方法描述的。這里假設(shè)，轉(zhuǎn)動(dòng)按以下順序施加首先是滾動(dòng)(圍繞x-軸的θr)，然后是俯仰(圍繞y-軸的θp)，然后是偏轉(zhuǎn)(圍繞z-軸的θy)。
R=cosθycosθpcosθysinθpsinθr+sinθycosθr-cosθysinθpcosθr+sinθysinθr-sinθycosθpcosθycosθr-sinθysinθpsinθrcosθysinθr+sinθysinθpcosθrsinθp-cosθpsinθrcosθpcosθr---(12)]]>各轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可通過使兩個(gè)矩陣相等得出。
θp＝θpitch＝sin-1(xtm，z) (13)θr＝θroll＝sin-1(ytm，z/cos(θpitch))(14)θy＝θyaw＝sin-1(xtm，y/cos(θpitch)) (15)另外，位置傳感器相對(duì)于目標(biāo)部件各軸xtm，ytm和ztm的轉(zhuǎn)動(dòng)可通過向量代數(shù)類似的方法，或通過以上指出結(jié)果的已知的向量代數(shù)變換確定。
在各示例性實(shí)施例中，位置傳感器與目標(biāo)部件比較移動(dòng)的位置可按以下確定圖7所示的點(diǎn)Otm定義為目標(biāo)部件局部軸的當(dāng)前原點(diǎn)。在原點(diǎn)O與位于光點(diǎn)平面445上的一個(gè)點(diǎn)之間，平行于與ntm或ztm正交的光點(diǎn)平面的向量定義點(diǎn)Otm。如圖7所示，這是沿光點(diǎn)平面445的ztm軸對(duì)準(zhǔn)并連接兩個(gè)點(diǎn)(O與Otm)的向量r0。位置傳感器的z-坐標(biāo)，或“有效間隙”定義為向量r0的長度。位置傳感器相對(duì)于光點(diǎn)平面445(對(duì)應(yīng)于相關(guān)目標(biāo)部件)的當(dāng)前局部xtm和ytm坐標(biāo)，將以當(dāng)前光點(diǎn)平面原點(diǎn)Otm為基準(zhǔn)。
應(yīng)當(dāng)看到，3個(gè)旋轉(zhuǎn)分量和z-坐標(biāo)移動(dòng)分量或間隙，如以上所述，使用根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器布置，可從任何單個(gè)的目標(biāo)部件圖像被絕對(duì)確定。然而應(yīng)當(dāng)看到，位置傳感器相對(duì)于光點(diǎn)平面445和/或目標(biāo)部件沿xtm和ytm方向總的位移不是絕對(duì)的量，而是必須通過一過程確定，該過程包括跟蹤目標(biāo)源頂點(diǎn)模式間距沿xtm和ytm方向在xtm和ytm移動(dòng)期間累積的增量，按照對(duì)于業(yè)內(nèi)普通專業(yè)人員明顯可知的方法或算法。此外，對(duì)于精確的測(cè)量，必須向累積的xtm和ytm增量添加在目標(biāo)源頂點(diǎn)模式的初始xtm和ytm周期內(nèi)的初始位置，以及目標(biāo)源頂點(diǎn)模式的最終xtm和ytm周期中的最終位置，其方式類似于與1D和2D增量光學(xué)編碼器使用的熟知的方法。
為了確定目標(biāo)源頂點(diǎn)模式的當(dāng)前xtm和ytm周期內(nèi)的位置，通過向量r0定義點(diǎn)Otm，這是根據(jù)熟知的向量代數(shù)方法確定的r0=z^tm·r1·z^tm---(16)]]>其中向量ri可對(duì)應(yīng)于目標(biāo)源頂點(diǎn)的已知的圖像檢測(cè)器幀坐標(biāo)，諸如圖7所示任何目標(biāo)源頂點(diǎn)415-417。
間隙或z-坐標(biāo)等于r0的長度。
gap＝|r0| (17)在任何當(dāng)前xtm和ytm周期內(nèi)初始位置傳感器位置，位于點(diǎn)Otm重合的位置傳感器xtm-和ytm-位置，和圖像檢測(cè)器圖像中附近的環(huán)形結(jié)構(gòu)光源圖像相關(guān)的任何一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)源頂點(diǎn)之間的光點(diǎn)平面445中的位置向量，可確定為ui＝ri-r0(18)以按照當(dāng)前目標(biāo)部件坐標(biāo)確定位置傳感器的坐標(biāo)
yi=ui·y^tm---(20)]]>
其中xi和yi是位置傳感器從附近目標(biāo)源頂點(diǎn)沿當(dāng)前xtm-和ytm-軸的當(dāng)前局部位移，這些頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于在方程式19和20中使用的特定位置向量ui。
如前所述，能夠且必須跟蹤初始或基準(zhǔn)位置與當(dāng)前或最終位置之間目標(biāo)源頂點(diǎn)模式的xtm-和ytm-間距的累積增量。這樣，用于根據(jù)方程式18-20確定的初始位置的基準(zhǔn)目標(biāo)源頂點(diǎn)，與用于根據(jù)方程式18-20確定的最終位置的基準(zhǔn)目標(biāo)源頂點(diǎn)之間的累積增量，是已知的或能夠確定的。這樣，位置傳感器相對(duì)于光點(diǎn)平面445和/或目標(biāo)部件的當(dāng)前x-y位置(就是說累積的x-y位移)可據(jù)此確定。
以上過程描繪了一組示例性過程，它們用于確定各目標(biāo)源頂點(diǎn)的坐標(biāo)，以及光點(diǎn)平面(和/或目標(biāo)部件)與根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器之間的6D相對(duì)位置。從以上過程應(yīng)當(dāng)看到，更一般來說，假如確定了目標(biāo)源頂點(diǎn)相對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器3個(gè)目標(biāo)源頂點(diǎn)的坐標(biāo)，參照對(duì)于特定測(cè)量應(yīng)用適當(dāng)?shù)幕蚍奖愕娜魏巫鴺?biāo)幀，可確定光點(diǎn)平面(和/或目標(biāo)部件)與根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器之間任何1D到6D相對(duì)位置的測(cè)量。可使用在具體的應(yīng)用中適當(dāng)和方便任何其它數(shù)學(xué)方法和/或信號(hào)處理。
例如，在各種運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中，基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)等可便于大致確定各種累積的位移。這種情形下，偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)和增量的目標(biāo)源頂點(diǎn)模式間距累積不需要被限制或跟蹤，并只要簡(jiǎn)單地按上述確定各種當(dāng)前局部位置即可，以便使基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)的大致的位移確定精細(xì)化到較高的精確度水平。此外，應(yīng)當(dāng)看到，對(duì)于任何具體的圖像檢測(cè)器圖像，可使用目標(biāo)源頂點(diǎn)的各種組合提供冗余測(cè)量，這可在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中有利地提高測(cè)量精確度。因而，上述示例性過程只是示例而非限制。
以上的討論沒有詳細(xì)考慮形成根據(jù)本發(fā)明提供的圖像中橢圓結(jié)構(gòu)光圖像特征的線的寬度，以及在徑向穿越寬度上強(qiáng)度的變化。圖8描繪了根據(jù)本發(fā)明提供的一個(gè)代表性的圖像800-A。圖8還描繪了從一組示例性的圖像處理操作獲得的結(jié)果，如在圖像800-A上所示，其在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量圖像中可用于標(biāo)識(shí)各種結(jié)構(gòu)光圖像特征(imagefeature)特性。
偽圖像800-B1是通過確定一強(qiáng)度閾值，例如從圖像800-A確定的雙模態(tài)強(qiáng)度分布的峰值之間的一個(gè)強(qiáng)度值產(chǎn)生的，并對(duì)強(qiáng)度低于該閾值的所有點(diǎn)指定零值，而所有其它的象素指定值一。偽圖像800-B2表示環(huán)形特征(feature)之一的一個(gè)閉合，這是從施加一個(gè)濾波器以平滑偽圖像800-B1中的邊界的結(jié)果。例如該濾波器可包括把每一象素值設(shè)置為8個(gè)連接的相鄰象素大多數(shù)的值。偽圖像800-B3表示偽圖像800-B2的環(huán)形特征的一個(gè)閉合，這是施加進(jìn)一步的邊界平滑操作的結(jié)果。例如，進(jìn)一步的平滑操作可包括一個(gè)第一膨脹操作，其中對(duì)每一象素指定其8個(gè)連接的鄰域中對(duì)應(yīng)于最大象素值的值(對(duì)于二進(jìn)制圖像是1)，然后是第二侵蝕操作，其中對(duì)每一象素指定其8個(gè)連接的鄰域中對(duì)應(yīng)于最大象素值的值(對(duì)于二進(jìn)制圖像是0)。
偽圖像800-B4表示通過只保留在所有環(huán)形結(jié)構(gòu)光圖像特征的內(nèi)和外邊界的近似單個(gè)象素寬的軌跡獲得的結(jié)果的偽圖像，這類似于對(duì)閉合視圖800-B3中所示的環(huán)所作的處理。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，執(zhí)行第一連接性分析，以標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)于每一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)光圖像特征的象素。例如，在一個(gè)示例性實(shí)施例中，從任何單值象素啟動(dòng)一組，每一相鄰的單值象素添加到該組。然后每一添加的象素的每一單值鄰域被添加到該組等等，直到?jīng)]有新的單值相鄰要添加。然后把該象素組標(biāo)記為單環(huán)形結(jié)構(gòu)光圖像特征。重復(fù)該過程直到所有所需的環(huán)形特征被標(biāo)識(shí)并標(biāo)記。每一環(huán)形結(jié)構(gòu)光圖像特征被“標(biāo)記”或標(biāo)識(shí)，使得適當(dāng)?shù)南笏赜糜谶m配的程序，以便后來用于以下進(jìn)一步所述每一環(huán)形圖像特征。
然后在各實(shí)施例中，處理每一已標(biāo)記的畫面，以在其內(nèi)和外邊界確定一個(gè)近似的單象素寬的軌跡。例如對(duì)于邊界的畫面，其單值象素的子集被識(shí)別為對(duì)應(yīng)于有零值的鄰近象素的那些象素。然后，對(duì)子集進(jìn)行連接性分析。兩個(gè)進(jìn)一步的子集將有結(jié)果被連接的象素在邊界的畫面外邊界處形成環(huán)。這種標(biāo)記的子集表示在偽圖像800-B4。
偽圖像800-C1表示偽圖像800-B4中環(huán)形特征之一的圓形軌跡的一個(gè)閉合，而800-C2表示最佳適配虛線橢圓810及820適配偽圖像800-C1的環(huán)形特征的橢圓軌跡。使用任何現(xiàn)在已知或后來開發(fā)的橢圓適配方法，在偽圖像800-B4中的每一環(huán)形圖像特征的橢圓軌跡可類似地被處理。可用于根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例中的一個(gè)示例性的橢圓適配方法，在以下文獻(xiàn)中有述“Image Fusion and Subpixel ParameterEstimation for Automated Optical Inspection of electronicComponents”，by James M.Reed and Seth Hutchibon，in IEEETransaction on Induatrial Electronics，Vol.43，No.3，June1996，pp346-354，該文獻(xiàn)在此整體結(jié)合以資參考。在以上引證的文獻(xiàn)中所述的橢圓適配方法，可使用以上所述標(biāo)識(shí)的橢圓圖像特征象素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)長和短軸尺寸A，B及指向角θ(例如圖5中所示)，以及圖5中稱為(p，q)中心坐標(biāo)的x和y中心坐標(biāo)提供值。
在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，內(nèi)和外橢圓的短軸尺寸的平均值用作為方程式1中的尺寸d。更一般來說，分別對(duì)刻劃內(nèi)和外橢圓的各橢圓參數(shù)的每一個(gè)求平均，且平均參數(shù)被用來刻劃對(duì)應(yīng)的橢圓結(jié)構(gòu)光圖像。例如，除了確定z-坐標(biāo)之外，平均參數(shù)用來確定點(diǎn)PA1的坐標(biāo)(參見方程式5)等，這與根據(jù)方程式6確定的尺寸E12XX一同使用，以確定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)。這樣，在各示例性實(shí)施例中，使用來自上述參照?qǐng)D8結(jié)果等的對(duì)應(yīng)的適配橢圓確定目標(biāo)源頂點(diǎn)的(x，y，z)坐標(biāo)。
在N個(gè)點(diǎn)沿圓或橢圓標(biāo)記的情形下(參見方程式20及相關(guān)的說明)，通過幾種已知的方法任何之一，諸如對(duì)所有在給定強(qiáng)度閾值以上的象素的強(qiáng)度加權(quán)“質(zhì)心”型計(jì)算可找出每一點(diǎn)的質(zhì)心。一旦得知點(diǎn)的位置，通過標(biāo)準(zhǔn)的適配方法就能夠使它們與用于橢圓的方程式適配。
應(yīng)當(dāng)看到，上述的圖像處理操作只是示例性而非限制性的。在根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例中，可通過另外的操作排除，替換各種操作，或以不同的順序進(jìn)行。
應(yīng)當(dāng)看到，雖然以上圖像處理和坐標(biāo)確定操作是相對(duì)快速的，并對(duì)若干應(yīng)用提供了足夠的精確度，但這些圖像處理操作抑制了在每一環(huán)形特征中的原始圖像中可得到的相當(dāng)大的信息量。應(yīng)當(dāng)看到，使用這些被抑制的信息，能夠以更高的精確度確定或細(xì)化所估計(jì)的每一目標(biāo)源頂點(diǎn)的坐標(biāo)。
圖9與闡明一個(gè)示例性方法的疊加的圖示一同，示出最佳適配橢圓810和820以及圖8的圖像800-C2的橢圓軌跡的示意圖900， 在根據(jù)本發(fā)明各示例性實(shí)施例中，該方法確定用來確定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)(x，y，z)坐標(biāo)的橢圓參數(shù)的精細(xì)化估計(jì)。
簡(jiǎn)而言之，至少兩條線910A和910B通過最佳適配橢圓810和820的平均中心畫出，使得這些線圍繞最佳適配橢圓810和820在360度上近似均勻間隔開。希望這兩條線沿最佳適配橢圓810和820估計(jì)的短和長軸對(duì)準(zhǔn)，特別是如果只畫出少量的線910X。以下標(biāo)識(shí)最接近各線910A和910B并位于最佳適配橢圓810和820之間的各象素集。對(duì)于每一個(gè)象素集合，確定原始目標(biāo)部件圖像中的對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值，如由各徑向指向的強(qiáng)度輪廓920A-920D所指示。然后，通過任何已知或后來開發(fā)的方法，標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)于每一徑向指向強(qiáng)度輪廓920A-920D的各峰值的各象素930A-930D。例如，在各實(shí)施例中，曲線或特定的經(jīng)驗(yàn)確定的函數(shù)適配各徑向指向強(qiáng)度輪廓，根據(jù)已知的方法確定曲線或函數(shù)集合的各峰值，并標(biāo)識(shí)各象素930A-930D對(duì)應(yīng)的集合。然后，根據(jù)提供高精確度的任何已知或后來開發(fā)的方法，諸如包括外部切除等的方法，一個(gè)新的最佳適配橢圓適配各“峰值象素”930A-930D。然后，如上所述，該新的最佳適配橢圓的橢圓參數(shù)用來確定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)的(x，y，z)坐標(biāo)，以在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，提供目標(biāo)源頂點(diǎn)的(x，y，z)坐標(biāo)更精確的精細(xì)化估計(jì)。應(yīng)當(dāng)看到，雖然方程式9為了簡(jiǎn)化示出兩條線用作為用于定義適配于橢圓的4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的基礎(chǔ)，但更大數(shù)目的線和相關(guān)的數(shù)據(jù)點(diǎn)一般將提供更高的精確度，因而在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中這是所希望的。
更一般來說，參照?qǐng)D8和9上述的方法和操作只是示例性的而非限制?？墒褂酶鞣N替代的圖像處理操作定位橢圓圖像特征，并確定所需的目標(biāo)源頂點(diǎn)坐標(biāo)。上述的圖像處理操作的說明以及各種替代，可在例如以下圖像處理文獻(xiàn)中找到，Machine Vision，Ramesh Jain等人，McGraw Hill，1995，該文獻(xiàn)在此整體結(jié)合以資參考。
圖10是第一示例性算法1000的一個(gè)流程圖，用于基于根據(jù)本發(fā)明提供的圖像，確定位置傳感器與光點(diǎn)平面和/或目標(biāo)部件之間的相對(duì)位置測(cè)量。該算法在塊1100以獲取包含多個(gè)結(jié)構(gòu)光圖像特征的一個(gè)圖像開始。在塊1200，進(jìn)行操作以在塊1100獲取的圖像中找出多個(gè)結(jié)構(gòu)光圖像特征中的至少某些，諸如上述的橢圓圖像特征。然后在塊1300，進(jìn)行操作以確定在塊1200找出的結(jié)構(gòu)光圖像的特性，諸如先前所述橢圓參數(shù)，并對(duì)所需數(shù)目對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)確定結(jié)果的坐標(biāo)。該算法繼續(xù)到塊1400，在此繼續(xù)操作，以基于在塊1300確定的目標(biāo)源頂點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)于1到6自由度在所需的坐標(biāo)系中，確定位置傳感器與光點(diǎn)平面和/或目標(biāo)部件之間的相對(duì)位置。
圖11是第二示例性算法1200’的一流程圖，這是可用于第一示例性算法的塊1200的操作的一個(gè)示例性實(shí)施例，其用于標(biāo)識(shí)根據(jù)本發(fā)明提供的圖像中各結(jié)構(gòu)光圖像特征特性。該算法在塊1210開始，基于默認(rèn)的或特別確定的強(qiáng)度閾值，把根據(jù)本發(fā)明獲取的圖像轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值偽圖像。在塊1220，進(jìn)行圖像處理操作以孤立或標(biāo)識(shí)二進(jìn)制圖像中所需的結(jié)構(gòu)光圖像特征特性。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，塊1220的操作采用一個(gè)或多個(gè)已知的圖像濾波操作，以平滑偽圖像數(shù)據(jù)中零值(黑暗)象素與1值(明亮)象素之間的邊界，并標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)于平滑的邊界處兩個(gè)橢圓單象素寬的軌跡的象素。兩個(gè)軌跡最好或者兩個(gè)都是全黑暗的或者兩個(gè)都是全明亮的象素。兩個(gè)橢圓單象素寬軌跡提供了結(jié)構(gòu)光圖像特征象素集，其對(duì)應(yīng)于與對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)相關(guān)的橢圓結(jié)構(gòu)光圖像特征特性。
然后在塊1230，進(jìn)行操作以有效地標(biāo)識(shí)或標(biāo)記要與每一對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)相關(guān)的所需的結(jié)構(gòu)光圖像特征象素集。然后在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，在塊1240進(jìn)行操作以過濾或證實(shí)在塊1230標(biāo)識(shí)的結(jié)構(gòu)光圖像特征象素集，以便排除會(huì)對(duì)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)造成劣化或無效坐標(biāo)的象素集。在各示例性實(shí)施例中，塊1240的操作可包括一個(gè)或多個(gè)指示充分良好定義的目標(biāo)畫面的象素連接測(cè)試，基于由有效象素集表示的預(yù)期形狀的象素外圍測(cè)試，基于鄰近象素集的近似的測(cè)試(其在各實(shí)施例中，可包括由于在測(cè)量范圍末端附近重疊或相鄰結(jié)構(gòu)光圖像特征的近似潛在變形)，和/或任何其它現(xiàn)在已知或后來開發(fā)服務(wù)于塊1240目的的測(cè)試。然而，在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，其中另外保證了充分可靠的結(jié)構(gòu)光圖像特征和/或充分精確的測(cè)量結(jié)果，可省略塊1240的操作。
圖12是第三示例性算法1300’的一流程圖，這是可用于第一示例性算法的塊1300的操作的示例性實(shí)施例，用于確定根據(jù)本發(fā)明提供的圖像中各結(jié)構(gòu)光圖像特征的結(jié)構(gòu)光圖像特征，及對(duì)于所需數(shù)目的對(duì)應(yīng)目標(biāo)源頂點(diǎn)的結(jié)果坐標(biāo)。算法在塊1310開始，基于第一選擇的象素集確定結(jié)構(gòu)光圖像特征的平均橢圓參數(shù)的初始估計(jì)，第一選擇象素集是已知的或預(yù)假設(shè)象素集，可用來對(duì)于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)提供足夠精確的坐標(biāo)。結(jié)構(gòu)光圖像特征的平均橢圓參數(shù)可根據(jù)任何適當(dāng)?shù)默F(xiàn)在已知或后來開發(fā)的方法確定。在各示例性實(shí)施例中，所選擇的有效象素集由算法1200’的結(jié)果提供。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，算法1200’的結(jié)果提供兩個(gè)同心的橢圓單象素寬的軌跡，其刻劃了結(jié)構(gòu)光圖像特征，且對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)光圖像特征的參數(shù)刻劃基于最佳適配橢圓的平均參數(shù)確定，這些橢圓根據(jù)任何已知的方法適配兩個(gè)橢圓單象素寬的軌跡。
然后，在各示例性實(shí)施例中，在塊1320進(jìn)行操作以使通過塊1310的操作提供的橢圓參數(shù)的估計(jì)精細(xì)化。精細(xì)化的估計(jì)用來確定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)的(x，y，z)坐標(biāo)達(dá)到比由初始估計(jì)提供的更高的精度水平。精細(xì)化的估計(jì)可根據(jù)任何適當(dāng)?shù)默F(xiàn)在已知或后來開發(fā)的方法確定。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，塊1320的操作包括確定多個(gè)線或向量，它們通過初始估計(jì)的橢圓中心并經(jīng)過對(duì)應(yīng)的選擇的象素集的末端。這些線在360度上圍繞初始估計(jì)的橢圓中心均勻間隔。最好是兩條線沿初始估計(jì)的橢圓的短和長軸延伸。然后，進(jìn)行操作以標(biāo)識(shí)最接近各線的各徑向排布的象素地址的集合，并位于對(duì)應(yīng)的選擇的象素集合中對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)光圖像特征的內(nèi)和外邊界之間。然后，對(duì)于徑向排布的象素地址的每一集合，確定原始圖像中對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值。然后，確定象素地址或圖像檢測(cè)器坐標(biāo)，它們對(duì)于徑向排布的象素地址的每一個(gè)集合，對(duì)應(yīng)于各標(biāo)稱峰值強(qiáng)度位置。例如，在各實(shí)施例中，一個(gè)曲線或特定的經(jīng)驗(yàn)確定的函數(shù)適配各徑向排布強(qiáng)度值，根據(jù)已知的方法確定曲線或函數(shù)的集合各峰值，并確定對(duì)應(yīng)的象素地址或圖像檢測(cè)器坐標(biāo)。然后，根據(jù)任何已知的或后來開發(fā)的方法，最佳適配橢圓適配各“峰值象素”集合，且結(jié)果的橢圓參數(shù)構(gòu)成在塊1320提供的精細(xì)化的估計(jì)。當(dāng)塊1320的操作完成時(shí)，操作進(jìn)到塊1330。
應(yīng)當(dāng)看到，在算法1300’的各示例性實(shí)施例或應(yīng)用中，通過塊1310的操作提供的初始橢圓參數(shù)估計(jì)，可用來以對(duì)于應(yīng)用的實(shí)施例足夠的精確度標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)坐標(biāo)。這種情形下，塊1320的操作被省略。這種情形下，操作從塊1310直接進(jìn)到塊1330。
在塊1330，對(duì)應(yīng)的目標(biāo)源頂點(diǎn)的(x，y，z)坐標(biāo)，基于當(dāng)前估計(jì)的目標(biāo)畫面橢圓參數(shù)，通過任何現(xiàn)在已知或后來開發(fā)的方法確定。這里以前所述的方法在各省略性實(shí)施例中使用。然后，在決策塊1340，如果有更多的選擇的結(jié)構(gòu)光圖像特征象素要分析，則算法返回塊1310的操作。否則，如果沒有更多的選擇的結(jié)構(gòu)光圖像特征象素要分析，則算法繼續(xù)進(jìn)到塊1350，在此進(jìn)行操作以存儲(chǔ)通過算法1300’先前確定的所有目標(biāo)源頂點(diǎn)(x，y，z)坐標(biāo)。
圖13示出一個(gè)示例性圓錐形軸錐體透鏡目標(biāo)源結(jié)構(gòu)600，及結(jié)果的結(jié)構(gòu)光模式。圖13中Z和d之間的關(guān)系先前已討論過，并由方程式1給出。圖13所示的軸錐體透鏡615關(guān)于光軸641是圓柱對(duì)稱的，且透鏡的圓錐部分有一基角(base angle)。透鏡的圓錐部分引起入射準(zhǔn)直光束640的光線按折射角α向光軸641折射。折射角α被設(shè)計(jì)或確定如下α＝(n-1)(21)其中f是基角而n是透鏡材料的折射率。折射角α有效地與這里先前討論的錐角α相同。
中心光線626和626’表示結(jié)構(gòu)光錐體642的壁的標(biāo)稱通路，其有標(biāo)稱厚度或?qū)挾龋趶墓忮F體642發(fā)出的結(jié)構(gòu)光圖像中引起標(biāo)稱圖像線厚度W。一般來說，當(dāng)軸錐體透鏡615和準(zhǔn)直光束640配置為產(chǎn)生一個(gè)圖像線厚度W，其在位置傳感器布置的圖像檢測(cè)器上跨越大約3-6個(gè)象素范圍時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的位置傳感器布置可能更加精確。這一范圍傾向于定義有高分辨率的圖像線位置，同時(shí)還提供足夠?qū)挼膱D像線，以便于當(dāng)使用子象素內(nèi)插以高精確估計(jì)圖像線標(biāo)稱(中心)位置時(shí)，進(jìn)行精確的圖像尺寸測(cè)量。然而，較狹窄的或更寬的標(biāo)稱圖像線也可操作，并在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中可能更魯棒或更經(jīng)濟(jì)。在圖13中可見，在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，圖像線寬度W起初通過透鏡半徑R與錐角(折射角)α的選擇被控制。然而，錐角α一般受到其它設(shè)計(jì)考慮的限制，因而在各實(shí)施例中透鏡半徑成為控制圖像線寬度W的主要手段。對(duì)于理想的準(zhǔn)直光與精確的軸錐體透鏡，圖像線寬度W近似為W＝R*(1-tantanα) (22)作為一個(gè)設(shè)計(jì)例子，在一個(gè)實(shí)施例中，使用折射率1.5的軸錐體透鏡材料以提供20度的錐角。對(duì)于這種情形，從方程式21，α＝40度，這樣(1-tantanα)≈0.75。如果圖像檢測(cè)器象素間距大約為7微米，且需要圖像線寬度大約6象素＝42微米，則從方程式22，R＝56微米。R可另外由軸錐體透鏡615任一側(cè)上的一個(gè)孔控制，或另外控制準(zhǔn)直光640的光束半徑。然而，如果任何這些技術(shù)的結(jié)果都不與光軸641同心，則圍繞所得結(jié)構(gòu)光圖像的圖像線寬度將是非對(duì)稱的，這可能導(dǎo)致對(duì)稱誤差。這樣，在各示例性實(shí)施例中，更方便并恒定的是準(zhǔn)直光640過度充滿軸錐體透鏡615，這能夠經(jīng)濟(jì)地提供理想的線寬對(duì)稱性，并降低或消除對(duì)專門調(diào)準(zhǔn)或組裝工藝的需要。
中心光線626和626’的通路會(huì)聚到這里稱為目標(biāo)源頂點(diǎn)615’的一個(gè)點(diǎn)并從其發(fā)散，因?yàn)樗墙Y(jié)構(gòu)光錐體642的標(biāo)稱頂點(diǎn)。目標(biāo)源頂點(diǎn)615’與透鏡頂點(diǎn)608沿光軸641分離開距離f。對(duì)于半徑R過度充滿的透鏡
圖14示出根據(jù)本發(fā)明適用的第二示例性軸錐體透鏡目標(biāo)源配置700一示意側(cè)視圖。目標(biāo)源配置700包括各個(gè)元件及操作原理，它們類似于上述的目標(biāo)源配置600。除非另外指出，圖14中編號(hào)7XX的元件應(yīng)理解為在功能上類似于圖13中的類似編號(hào)元件6XX。由于在目標(biāo)源配置600和700之間的設(shè)計(jì)與操作基本類似，以下只說明需要補(bǔ)充解釋目標(biāo)源配置700有變化的方面。應(yīng)當(dāng)理解，圖1 4垂直和水平的尺寸沒有標(biāo)度畫出。具體來說，可選擇聚焦長度F比其在圖14明顯的表示長得多。
目標(biāo)源配置700包括合成的目標(biāo)源715，其包括會(huì)聚透鏡713，該透鏡接收準(zhǔn)直光740并向“匹配”軸錐體透鏡714稍微指向會(huì)聚光線。這樣，合成目標(biāo)源715是這樣設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)光錐體742’的相鄰光線會(huì)聚在離合成目標(biāo)源715一個(gè)距離的聚焦平面750。作為設(shè)計(jì)原則，即使軸錐體透鏡714已引入光軸，從會(huì)聚透鏡713到聚焦平面750的距離大約與會(huì)聚透鏡713的聚焦長度相同。對(duì)準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)附加的設(shè)計(jì)考慮，包括在軸錐體透鏡714的頂點(diǎn)708附近可添加的各種有益的修改，在以下文章中有詳細(xì)說明，“Characterization And Modeling OfThe Hollow Beam Produced By A Real Conical Lens”，by BenoitDe’pret，et.al.，Optical Communications，211，pp.31-38，October，2002，該文章在此結(jié)合以資參考。因而，這里不需要討論目標(biāo)源配置700的附加設(shè)計(jì)和操作方式。
目標(biāo)源配置700的基本點(diǎn)簡(jiǎn)單地是提供一種對(duì)根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光整體壁不希望的發(fā)散及結(jié)果的圖像線模糊和/或?qū)挾仍黾拥难a(bǔ)償手段，否則它們對(duì)于位置傳感器最大范圍附近的Z值可能發(fā)生。(圖13所示的目標(biāo)源配置，提供了這種情形可能發(fā)生的一個(gè)例子，例如由于實(shí)際的制造不完美)。
在一個(gè)示例性示例中，對(duì)于聚焦平面750的設(shè)計(jì)位置超過所希望的最大Z-范圍，使得在最大Z范圍內(nèi)的理論最小圖像線對(duì)應(yīng)于位置傳感器圖像檢測(cè)器上大約3-6個(gè)象素。在另一實(shí)施例中，對(duì)于聚焦平面750設(shè)計(jì)的位置在Z-范圍內(nèi)。在這樣的實(shí)施例中，狹窄的圖像線寬度保持在預(yù)期的Z范圍內(nèi)可操作，和/或不完美的準(zhǔn)直，光學(xué)失常，或各種其它潛在的“模糊”效果造成“錐體壁光束浪費(fèi)”，這提供了所需的最小圖像線寬度。
當(dāng)然，各種其它透鏡配置能夠提供與合成目標(biāo)元715相同的功能，諸如單個(gè)的“輕微凸起軸錐體”等。這種透鏡配置可由業(yè)內(nèi)專業(yè)人員確定，并通過分析的設(shè)計(jì)和/或?qū)嶒?yàn)開發(fā)。
圖15-17示出三個(gè)示例性目標(biāo)源配置及結(jié)果的結(jié)構(gòu)光模式各種方式。圖15示出目標(biāo)源配置1500的示意側(cè)視圖，其功能與目標(biāo)源配置600類似，所不同在于，兩個(gè)相鄰的的軸錐體1515和1516示于目標(biāo)部件1510部分上，指示著相鄰結(jié)構(gòu)光錐體1542與1542’之間的關(guān)系。還示出一圖像檢測(cè)器1530。軸錐體透鏡1515和1516在上側(cè)視圖中示出，并還在頂視圖示出，其中它們分別編號(hào)為1515TOP和1516TOP。圖15所示的配置基本上與以上參照?qǐng)D2-5所述相同，且這里所示主要是為與以下圖16和17的描述便于比較。圖15示出最大范圍ZMAX，其對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)光錐體1542和1542’不重疊的范圍。這一考慮先前已參照?qǐng)D7討論過。
圖16示出目標(biāo)源配置1600的示意側(cè)視圖。其中下標(biāo)“TOP”加到圖16中任何標(biāo)號(hào)上，應(yīng)當(dāng)理解，所指元件是從頂視圖表示的。沒有下標(biāo)的標(biāo)號(hào)用于相同元件的側(cè)視圖。目標(biāo)源配置1600包括產(chǎn)生一個(gè)結(jié)構(gòu)光模式1642的一個(gè)環(huán)形目標(biāo)源1615，其可作為一對(duì)結(jié)構(gòu)光錐體描述，一個(gè)是反向的一個(gè)不反向，共同的頂點(diǎn)在平面1622。這樣，業(yè)內(nèi)專業(yè)人員將可理解，為確定(x，y，z)坐標(biāo)而使用結(jié)構(gòu)光模式1642，有這一公開的好處。例如，平面1622類似于這里先前所述的光點(diǎn)平面，包括定義該平面的目標(biāo)源頂點(diǎn)。然而，這種情形下，對(duì)于光點(diǎn)平面1622“正”和“負(fù)”Z值都可確定。這一配置1600的優(yōu)點(diǎn)在于，與配置1500的最大Z范圍比較，其相鄰結(jié)構(gòu)光不重疊的最大Z范圍被加倍。
當(dāng)然，對(duì)于配置1600將會(huì)有對(duì)于相同量值的+/-z-坐標(biāo)(關(guān)于光點(diǎn)平面1622)的位置模糊性，諸如平面對(duì)1621和1623。在各示例性實(shí)施例中，這一潛在的模糊性通過各種可能的手段之一，在結(jié)合目標(biāo)源配置1600的主控或使用位置傳感器的系統(tǒng)級(jí)解決。例如，從已知初始位置開始，可跟蹤目標(biāo)部件1610與圖像檢測(cè)器1630之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或可分析用來提供相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，或者兩者，以便在潛在的模糊位置之間進(jìn)行區(qū)分。
關(guān)于環(huán)形目標(biāo)源1615，其具有標(biāo)稱直徑D，及與半個(gè)軸錐體透鏡相同的截面，以提供錐角α。這樣，用于目標(biāo)源1615環(huán)形透鏡的角度可基本上按先前參照?qǐng)D13和方程式21-23所述設(shè)計(jì)和/或確定。除了目標(biāo)源1615的環(huán)形透鏡的目標(biāo)部件1610表面部分等，通過傳統(tǒng)的方法制成不透明的。在一個(gè)實(shí)施例中，目標(biāo)部件1610包括一個(gè)使準(zhǔn)直光通過環(huán)形模式開口的薄膜模式，該開口有效定義了結(jié)構(gòu)光模式1642的壁寬度等。就是說，薄膜模式使光通過模式開口傳送，該開口未充滿形成環(huán)形目標(biāo)源1615的環(huán)形透鏡。透鏡可通過任何傳統(tǒng)的裝置與環(huán)形開口同心形成，例如通過施加預(yù)形成的透鏡，或任何其它適當(dāng)現(xiàn)在已知或后來開發(fā)的方法。應(yīng)當(dāng)看到，當(dāng)使用上述薄膜模式(等等)時(shí)，光傳送開口區(qū)域外部及透鏡區(qū)域外部的過量材料沒有有害的效果。
圖16與相鄰結(jié)構(gòu)光模式1642和1642’一同，還示出類似的相鄰環(huán)形目標(biāo)源1616-1619部分，其分別對(duì)應(yīng)于目標(biāo)源1616和1617。這樣，在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，這些環(huán)形透鏡在目標(biāo)部件1610上形成對(duì)應(yīng)的陣列。
圖17示出目標(biāo)源配置1700的示意側(cè)視圖，其提供了類似于由目標(biāo)源配置1600提供的延伸的Z范圍。然而，目標(biāo)源配置1700使用了一種透鏡方案，其提供的結(jié)構(gòu)光模式，能夠在整個(gè)Z范圍提供明確的z-坐標(biāo)確定。其中下標(biāo)“TOP”添加到圖17的任何標(biāo)號(hào)，應(yīng)當(dāng)理解，所標(biāo)記的元件是從頂部表示的。對(duì)于相同元件的側(cè)視圖使用沒有下標(biāo)的標(biāo)號(hào)。
目標(biāo)源配置1700包含同心環(huán)形目標(biāo)源1715B和1715C，其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光模式1742’和1742”。結(jié)構(gòu)光模式1742’類似于參照?qǐng)D16描述的結(jié)構(gòu)光模式1642。結(jié)構(gòu)光模式1742”是反向錐體。目標(biāo)源配置1700還包括產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光模式1742的同心軸錐體透鏡1715A，類似于參照?qǐng)D15描述的結(jié)構(gòu)光光模式1542。所有的透鏡及整個(gè)目標(biāo)部件1710，可按類似于先前對(duì)類似元件的描述的方式制造。
如圖17中所示，目標(biāo)源1715B有一標(biāo)稱半徑r，以及目標(biāo)源1715C有一2.5r的標(biāo)稱半徑。這一配置保證了對(duì)于目標(biāo)源1710與同心檢測(cè)器1730之間的任何分離，將提供有“嵌套的”橢圓配置的結(jié)構(gòu)光圖像，其具有對(duì)于該Z值特別的唯一的尺寸關(guān)系。
能夠構(gòu)成完整描述橢圓參數(shù)與Z之間的關(guān)系的一種算法。例如，考慮示例的情形，其中在假設(shè)的平面A到H集合處提供“圓圈橢圓”光環(huán)模式。為了確定目標(biāo)部件1710上哪些透鏡正引起每一個(gè)光環(huán)，比較光環(huán)的半徑。在平面A到B上，外部的兩個(gè)光環(huán)之間的距離等于r，且還有一個(gè)內(nèi)環(huán)。在平面B到D上，最里面和最外面的光環(huán)之間的距離等于r。在平面H到G上，最里面和最外面的光環(huán)之間的距離等于1.5r，且也有一個(gè)內(nèi)環(huán)。在平面G到E上，最里面和最外面的光環(huán)之間的距離等于1.5r。在平面E到D上，兩個(gè)內(nèi)光環(huán)之間的距離等于r，且也有一個(gè)外環(huán)。這樣，明顯的是每一平面具有唯一可辨認(rèn)的的環(huán)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，各光環(huán)每一個(gè)的尺寸按已知的方式與Z成比例或者增加或者降低。這樣，如先前這里所述，可以在整個(gè)Z范圍，以高精確度和分辨率不模糊地確定Z。在應(yīng)用中，如先前所述，圖像中的光環(huán)一般將是橢圓的。然而這種情形下，在每一橢圓嵌套集中一定的橢圓參數(shù)將具有類似于以上討論的半徑之間的關(guān)系。例如，在傾角合理范圍上橢圓短軸的行為是非常類似的。這樣，基于確定的橢圓參數(shù)的關(guān)系，或確定的橢圓參數(shù)組合可用來在整個(gè)Z范圍不模糊地確定Z值。
圖17還示出類似的相鄰環(huán)形目標(biāo)源1716-1719部分。這樣在根據(jù)本發(fā)明的各示例性實(shí)施例中，這種環(huán)形透鏡在目標(biāo)部件1710上形成對(duì)應(yīng)的陣列。
圖18對(duì)于根據(jù)本發(fā)明可使用的結(jié)構(gòu)光部件1810示出一個(gè)示例性照明配置。目標(biāo)部件1810由準(zhǔn)直光1840照明，其至少對(duì)向位置傳感器圖像檢測(cè)器被成象的目標(biāo)部件1810部分，或整個(gè)目標(biāo)部件1810照明。準(zhǔn)直光的使用和產(chǎn)生是熟知的，且可根據(jù)任何現(xiàn)在已知或后來開發(fā)的方法提供準(zhǔn)直光1840，不論目標(biāo)部件1810的運(yùn)動(dòng)如何，假如準(zhǔn)直光沿著或近似沿軸錐體透鏡的光軸以固定關(guān)系保持對(duì)準(zhǔn)。
在圖18所示的實(shí)施例中，軸錐體透鏡目標(biāo)源1815和1816位于透明基片1811上，例如它可以是硼硅酸鹽玻璃，厚度大約為1-3mm或更大，這取決于具體應(yīng)用中目標(biāo)部件1810整個(gè)的尺寸及所需的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。除了與軸錐體透鏡目標(biāo)源1815和1816重合的區(qū)域之外，承載透鏡的透明基片1811的表面以不透明的涂層覆蓋。在一個(gè)實(shí)施例中，涂層是如先前參照?qǐng)D16所述的一薄膜涂層。
圖19A和19B示出對(duì)于可根據(jù)本發(fā)明使用的結(jié)構(gòu)光目標(biāo)部件1910的另一示例性照明配置。最好在不那么詳細(xì)的圖19A中可見，代表性的各軸錐體透鏡目標(biāo)源1915和1916與各梯度指數(shù)透鏡1982和1983的末端鄰接。各梯度指數(shù)透鏡1982和1983鄰接并接收來自各單模光纖1980和1981的光，它們從位于任何方便的位置的光源(未示出)接收光(意思是可由對(duì)應(yīng)的圖像檢測(cè)器可檢測(cè)的光的任何可操作的頻譜或波長)。梯度指數(shù)透鏡1982和1983及單模光纖1980與1981的特性通過分析和/或?qū)嶒?yàn)選擇，以便向軸錐體透鏡目標(biāo)源1915和1916提供準(zhǔn)直光。光纖，梯度指數(shù)透鏡與軸錐體透鏡目標(biāo)源可通過任何選擇已知或后來開發(fā)的方法組裝。例如通過通常在遠(yuǎn)程通信工業(yè)中使用的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，在基片1911中以精確的允差制成孔，并插入各種光學(xué)元件并在孔中對(duì)準(zhǔn)，并通過適當(dāng)?shù)墓舛日澈蟿┕潭ň臀弧?br> 圖20是一個(gè)表，比較傳統(tǒng)的圓錐形軸錐體透鏡與適用于根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例中目標(biāo)源的替代的多面體“軸錐體狀”透鏡的特性。傳統(tǒng)的軸錐體透鏡在列20-A中示出。沿該列，單元R-1示出傳統(tǒng)的軸錐體透鏡單元，R-2示出當(dāng)圖像平面與透鏡的光軸正交時(shí)，由傳統(tǒng)的軸錐體透鏡提供的圓形結(jié)構(gòu)光圖像，而單元R-3示出一個(gè)橢圓結(jié)構(gòu)光圖像，這是當(dāng)圖像平面與透鏡的光軸成一角度時(shí)由傳統(tǒng)的軸錐體透鏡提供的。
替代的多面體“軸錐體狀”透鏡的一個(gè)示例性示例示于列20-B。為了解釋這種透鏡的操作，假設(shè)它是以與列20-A中所示的透鏡的軸錐體基角相同的小面基角構(gòu)成。沿列20-B，單元R-1示出多面體“軸錐體狀”透鏡，本實(shí)施例中它們有6個(gè)面。
為了比較，列20-B的單元R-2再產(chǎn)生由傳統(tǒng)軸錐體透鏡提供并在單元(R-2，20-A)中表示的圓形結(jié)構(gòu)光圖像，并疊加由多面體透鏡提供的“離散”結(jié)構(gòu)光圖像。如在單元R-2中所看到的，多面體透鏡提供了6個(gè)離散光點(diǎn)，它們?cè)诿x上是對(duì)應(yīng)于多面體透鏡的6個(gè)小面的單獨(dú)的三角形。當(dāng)沿行R-1的兩個(gè)透鏡有近似相同的半徑尺寸，以及相同的基角時(shí)，由多面體透鏡提供的離散結(jié)構(gòu)光圖像點(diǎn)，將形成與先前所述對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)軸錐體透鏡連續(xù)圖像的形狀和圖像線寬度一致的圖像模式。列20-B的單元R-3示出，當(dāng)圖像平面相對(duì)于透鏡的光軸成一角度時(shí)，與從對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)軸錐體透鏡疊加的圖像輪廓一同，由多面體軸錐體狀透鏡提供的離散結(jié)構(gòu)光圖像點(diǎn)的一個(gè)橢圓模式。一般來說，多面體透鏡集中了源照明以提供具有相對(duì)高強(qiáng)度的離散點(diǎn)。
應(yīng)當(dāng)看到，使用適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別算法，能夠識(shí)別這種離散點(diǎn)模式。然后類似于先前對(duì)于通過傳統(tǒng)軸錐體透鏡提供的橢圓圖像描述的方式，橢圓能夠與它們適配。一般來說，需要6個(gè)或更多的多面體，并對(duì)于更高的精確度和更容易的描述識(shí)別最好有更多的多面體。
應(yīng)當(dāng)看到，對(duì)于本發(fā)明重要的是提供了結(jié)構(gòu)光模式，而不是特定的透鏡類型。因而，任何可操作的折射型透鏡能夠由任何其它功能上等價(jià)的元件代替。這種元件包括但不限于各種類型衍射光學(xué)元件(DOE)透鏡，包括菲涅耳(Fresnel)透鏡等。包括菲涅耳透鏡等的DOE透鏡可根據(jù)已知的方法設(shè)計(jì)和制造，并如果需要可作為單基片上的陣列制造。定制設(shè)計(jì)和制造的DOE透鏡，菲涅耳透鏡和/或陣列可從各種來源獲得，例如Digital Optics Corporation，9815 David Taylor Drive，Charlotte，North Carolina，USA。DOE透鏡設(shè)計(jì)技術(shù)還在以下文獻(xiàn)中有述MICRO-OPTICSElements，Systems and Applications，Edited byHans Peter Herzig.Taylor & Francis，London，1970，and Methods forComputer Design of Diffractive Optical Elements，Edited by Victor A.Soifor.Wiley-Interscience；John Wiley and Sons，Ins.，New York，2002，這些文獻(xiàn)在此結(jié)合以資參考。
雖然已結(jié)合示例性實(shí)施例和以上概述的配置描述了本發(fā)明，但明顯的是，上述的實(shí)施例與配置指示了附加的可替換的實(shí)施例、配置和設(shè)計(jì)參數(shù)值的組合，本公開的好處對(duì)于業(yè)內(nèi)專業(yè)人員是明顯的。因而，如上所述本發(fā)明的實(shí)施例，是說明性的而非限制。在不背離本發(fā)明的精神和范圍之下可作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種位置測(cè)量裝置，可用于測(cè)量兩個(gè)部件之間的相對(duì)位置，所述位置測(cè)量裝置包括一個(gè)成象檢測(cè)器；以及一個(gè)結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生目標(biāo)部件，其中成象檢測(cè)器與結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生部件可被定位以在陣列檢測(cè)器上提供一個(gè)圖像，其對(duì)應(yīng)于由至少結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生目標(biāo)部件的一部分產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光模式；以及陣列檢測(cè)器上的圖像可用來確定至少一個(gè)測(cè)量值，其對(duì)應(yīng)于成象檢測(cè)器與目標(biāo)部件之間相對(duì)位置的至少一個(gè)自由度。
全文摘要
提供了一種位置傳感器，其使用一種新型結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生刻度或目標(biāo)部件。成象陣列能夠同時(shí)以X，Y，Z，偏轉(zhuǎn)，俯仰和滾動(dòng)(“6D”)并以高精確度，測(cè)量結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生刻度或目標(biāo)部件的相對(duì)轉(zhuǎn)移與指向。在各實(shí)施例中，目標(biāo)部件包括透鏡的一個(gè)陣列，它們提供結(jié)構(gòu)光模式的一個(gè)陣列，作為相對(duì)位置的“Z”坐標(biāo)函數(shù)，該模式發(fā)散，會(huì)聚或進(jìn)行這兩者以改變對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)光圖像的尺寸。成象陣列上每一個(gè)結(jié)構(gòu)光圖像X－Y位置隨結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生目標(biāo)部件的相對(duì)X－Y位置而變化，并且結(jié)構(gòu)光圖像的形狀作為相對(duì)角度的指向的函數(shù)而改變。因而，在同一圖像中分析的三個(gè)或更多的結(jié)構(gòu)光圖像，用來確定結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生目標(biāo)部件與陣列檢測(cè)器之間的6D測(cè)量。目標(biāo)部件的X和Y位移可通過已知的方法累積，且其它6D測(cè)量分量是在任何位置的絕對(duì)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/00GK1677063SQ20051006005
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者卓賽弗·D·托比阿森, 米歇爾·M·米爾維馳, 韋德亞·溫卡塔查拉姆 申請(qǐng)人:株式會(huì)社米姿托約