具有相位和間距調(diào)節(jié)的基于光柵的掃描儀的制作方法
【專利摘要】一種用于確定物體表面上的物點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法，該方法包括以下步驟：將光束發(fā)送到衍射光柵；將第一衍射光束和第二衍射光束發(fā)送到物鏡以形成至少兩個(gè)光斑，所述至少兩個(gè)光斑穿過板的透明區(qū)域以在物體表面上產(chǎn)生第一條紋圖案；將由第一條紋圖案照射的物點(diǎn)成像到感光陣列上以獲得第一電氣數(shù)據(jù)值；將板移動(dòng)到第二位置；發(fā)送光斑使其通過板以在物體表面上產(chǎn)生第二條紋圖案；將點(diǎn)成像到陣列點(diǎn)上以獲得第二電氣數(shù)據(jù)值；以及計(jì)算第一物點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
【專利說明】具有相位和間距調(diào)節(jié)的基于光柵的掃描儀
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年7月14日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/507，771的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用合并于本申請(qǐng)中。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開內(nèi)容涉及一種坐標(biāo)測量裝置。一套坐標(biāo)測量裝置屬于如下的一類儀器:其通過將光的圖案投影到物體并且利用攝像頭記錄該圖案，來測量點(diǎn)的三維(3D)坐標(biāo)。
[0004]有時(shí)被稱為云紋干涉儀(accordion-fringe interferometer)的特定類型的坐標(biāo)測量裝置通過由兩個(gè)小的、近距離隔開的光斑發(fā)出的分叉的波陣面的光的干涉形成光的投影圖案。對(duì)所得到的投影在物體上的條紋圖案進(jìn)行分析，以求得攝像頭中每個(gè)獨(dú)立像素的表面點(diǎn)的3D坐標(biāo)。
[0005]云紋干涉儀被實(shí)現(xiàn)為在其中使用壓電致動(dòng)器、電容式反饋傳感器、彎曲平臺(tái)、多個(gè)激光源以及多個(gè)物鏡來移動(dòng)衍射光柵。這種類型的云紋干涉儀的制造相對(duì)昂貴并且在執(zhí)行測量時(shí)相對(duì)較慢。需要用于獲得3D坐標(biāo)的改進(jìn)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種用于確定物體表面上的第一物點(diǎn)的三維坐標(biāo)的方法，該方法包括以下步驟:設(shè)置第一光源、投影儀以及攝像頭，投影儀包括第一衍射光柵、物鏡以及第一板，攝像頭包括攝像頭透鏡和感光陣列，第一光源產(chǎn)生第一光源光束，第一板包括第一透射區(qū)域、第二透射區(qū)域以及至少一個(gè)不透明區(qū)域，投影儀具有投影儀透視中心，攝像頭具有攝像頭透視中心，在投影儀透視中心與攝像頭透視中心之間的線段是基線，基線具有基線長度。該方法還包括:將第一光源光束發(fā)送到第一衍射光柵；利用第一衍射光柵形成至少第一衍射光束和第二衍射光束；將第一衍射光束和第二衍射光束發(fā)送到物鏡；利用物鏡形成至少第一光斑和第二光斑,第一光斑由第一衍射光束產(chǎn)生，以及第二光斑由第二衍射光束產(chǎn)生；將第一板放置在靠近第一光斑和第二光斑的第一位置處。該方法還包括:使來自第一光斑的第一光在第一透射區(qū)域中穿過玻璃的第一厚度以及使來自第二光斑的第二光在第二透射區(qū)域中穿過玻璃的第二厚度，同時(shí)阻止其它光穿過第一板，第一厚度和第二厚度之間的差等于第一厚度差；組合第一光和第二光，以在物體表面上產(chǎn)生第一條紋圖案；將由第一條紋圖案照射的第一物點(diǎn)成像到感光陣列的陣列點(diǎn)上，以從感光陣列獲得第一電氣數(shù)據(jù)值；將第一板移動(dòng)到第二位置處；使來自第一光斑的第三光在第一透射區(qū)域中穿過玻璃的第三厚度以及使來自第二光斑的第四光在第二透射區(qū)域中穿過玻璃的第四厚度，同時(shí)阻止其它光穿過第一板，第三厚度和第四厚度之間的差等于第二厚度差，第二條紋差不等于第一條紋差；在物體表面上組合第三光和第四光，以在物體表面上產(chǎn)生第二條紋圖案，第一條紋圖案和第二條紋圖案在第一物點(diǎn)處具有第一條紋間距；將由第二條紋圖案照射的第一物點(diǎn)成像到陣列點(diǎn)上，以從感光陣列獲得第二電氣數(shù)據(jù)值；至少部分地基于第一電氣數(shù)據(jù)值、第二電氣數(shù)據(jù)值以及基線長度計(jì)算第一物點(diǎn)的三維坐標(biāo)；以及存儲(chǔ)第一物點(diǎn)的三維坐標(biāo)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0007]現(xiàn)在參照附圖，示出了示例性的實(shí)施方式，該示例性的實(shí)施方式不應(yīng)理解為限制關(guān)于本公開內(nèi)容的整個(gè)范圍，并且在一些附圖中，部件被類似地編號(hào):
[0008]圖1是示出了 3D測量裝置的操作的三角測量原理的示意圖；
[0009]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的示例性投影儀的部件的框圖；
[0010]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的示例性投影儀的主要部件的示意圖；
[0011]圖4、圖4A和圖4B是分別示出了移相器和針孔物體的正視圖、第一截面圖以及第二截面圖的圖；
[0012]圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于移動(dòng)相位/條紋調(diào)節(jié)器的機(jī)動(dòng)化平臺(tái)的部件的不意圖；
[0013]圖6是示出了穿過傾斜并且呈楔形的窗口的光射線的幾何形狀的圖；
[0014]圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的穿過包含有三個(gè)楔形窗口的組件的光射線的幾何形狀的圖；
[0015]圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的穿過包含有三個(gè)楔形窗口的組件的光射線的幾何形狀的圖；
[0016]圖9是示出了用于使用單個(gè)部件改變相位和條紋間距的組件的部件的示意圖；
[0017]圖1OA至圖1OD是分別示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的相位和間距調(diào)節(jié)器窗口的正視圖、第一截面圖、第二截面圖以及頂視圖的圖；以及
[0018]圖1lA和圖1lB分別是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的能夠調(diào)節(jié)相位和條紋間距的組件的正視圖和頂視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]圖1示出了根據(jù)云紋干涉量度學(xué)的原理工作的示例性3D測量裝置100。在電子單元150控制下的投影儀160產(chǎn)生兩個(gè)小的光斑112、114。這些光斑在工件130的表面上產(chǎn)生條紋圖案。特定點(diǎn)124處的輻照度由兩條光射線120、122在點(diǎn)124處的干涉確定。在工件130的表面上的各個(gè)點(diǎn)處，光射線120、122相長地(constructively)或相消地(destructively)干涉,從而產(chǎn)生條紋圖案。攝像頭140包括鏡頭系統(tǒng)142和感光陣列146。攝像頭140在感光陣列146上形成工件130上的光的圖案的圖像。來自點(diǎn)124的光可以被認(rèn)為穿過鏡頭系統(tǒng)142的透視中心144而在感光陣列上形成圖像點(diǎn)128。感光陣列146的特定像素128接收從工件130的表面的小區(qū)域124散射的光。根據(jù)包括鏡頭系統(tǒng)142的攝像頭140的幾何特性已知用于限定相對(duì)于透視中心144到這個(gè)小的區(qū)域的方向的兩個(gè)角度。
[0020]落到感光陣列146上的光被轉(zhuǎn)換成數(shù)字的電信號(hào)，該數(shù)字的電信號(hào)被發(fā)送到電子單元150進(jìn)行處理。包括有處理器的電子單元150對(duì)從透視中心144到工件130的表面上的每個(gè)點(diǎn)的距離進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算至少部分地基于從攝像頭140到投影儀160的已知距離164。正如本文上面所解釋的那樣，對(duì)于攝像頭140中的每個(gè)像素而言，已知兩個(gè)角度和計(jì)算出的距離。通過對(duì)從所有像素中獲得的信息進(jìn)行組合，獲得工件表面的三維地圖。
[0021]圖2示出了根據(jù)實(shí)施方式的示例性投影儀200的部件。光源210將光發(fā)送到光柵220，光柵220使得光被分束為各自以不同角度行進(jìn)的多個(gè)光束?？梢詷?biāo)刻光柵以使所產(chǎn)生的+1和-1量級(jí)的尺寸相對(duì)于其它量級(jí)如O、+3、-3、+5、-5量級(jí)被最大化。如果使用不止一個(gè)光源和不止一個(gè)光柵，則從不止一個(gè)光柵中射出的光可以在光束組合器230中組合。在一個(gè)實(shí)施方式中，光束組合器230是玻璃分束器。通過用于將光聚焦成兩個(gè)小的光斑270的物鏡240發(fā)送光束。光斑270可以是真實(shí)的或是虛擬的，真實(shí)的光斑由具有正光焦度(positive power)的物鏡系統(tǒng)形成,虛擬的光斑由具有負(fù)光焦度(negative power)的物鏡系統(tǒng)形成。針孔板250具有允許+1和-1量級(jí)的光穿過而阻擋其它量級(jí)的區(qū)域。針孔板被放置在光斑270所聚焦到的平面附近?？蛇x的相位/條紋調(diào)節(jié)器260也被放置在光斑270所聚焦到的平面附近。在一個(gè)實(shí)施方式中，針孔板250和條紋/相位調(diào)節(jié)器260被集成到一個(gè)光學(xué)部件中。干涉發(fā)生在重疊區(qū)域275中并且被觀察為在工件表面上的各個(gè)點(diǎn)處的條紋。
[0022]圖3示出了包含有與圖2的通用部件對(duì)應(yīng)的部件的示例性投影儀300的具體部件。光源310A提供可能來自激光器、超發(fā)光二極管、LED或其它源的光。在一個(gè)實(shí)施方式中，來自光源310A的光經(jīng)過光纖312A行進(jìn)到包括有套圈322A和透鏡324A的光纖發(fā)射器320A。替代地，來自光源310A的光可以經(jīng)過自由空間行進(jìn)至透鏡324A。離開光纖發(fā)射器320A的準(zhǔn)直光380A穿過光柵330A，該光柵產(chǎn)生在不同方向上行進(jìn)的光束。所產(chǎn)生的光的量級(jí)可以包括O、± 1、±3和±5。光穿過分束器340。在一個(gè)實(shí)施方式中，分束器340是透射50%的光并且反射50%的光的非偏振分束器，使得失去了 一半的光強(qiáng)度。在另一實(shí)施方式中，光束380A、380B正交偏振，并且分束器340為被配置為對(duì)幾乎整個(gè)光束380A進(jìn)行透射并且對(duì)幾乎整個(gè)光束380B進(jìn)行反射的偏振分束器。在一個(gè)實(shí)施方式中，光源310B提供經(jīng)過光纖312B行進(jìn)到包括有套圈322B和透鏡324B的光纖發(fā)射器320B的光。離開光纖發(fā)射器320B的準(zhǔn)直光380B穿過光柵330B，該光柵產(chǎn)生在不同方向上行進(jìn)的光束。光由鏡335反射并且由分束器340反射。通過分束器340透射的光和由分束器340反射的光沿著相同的光束路徑390行進(jìn)。一次接通光源322A、光源322B之一，使得當(dāng)光束380A、光束380B離開分束器340時(shí)，在光束380A、光束380B之間沒有干涉。
[0023]沿著光束路徑390行進(jìn)的光束行進(jìn)到物鏡350，物鏡350將光聚焦成兩個(gè)小的光斑290。光學(xué)部件360被放置在兩個(gè)小的光斑390的附近。在一個(gè)實(shí)施方式中，光學(xué)部件360是組合的相位調(diào)節(jié)器和針孔板。針孔板對(duì)由例如可能為O、±3和±5量級(jí)的光束生成的小的光斑進(jìn)行阻擋。例如相位調(diào)節(jié)器將相位調(diào)節(jié)為O度、120度和240度的相位值。干涉發(fā)生在重疊區(qū)域395中并且被觀察為在工件表面上的各個(gè)點(diǎn)處的條紋。
[0024]根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)100使用云紋干涉量度學(xué)來計(jì)算距離的方法用于移動(dòng)兩個(gè)光斑112、114的相對(duì)相位，這具有使工件上的條紋移動(dòng)的效果。攝像頭的每個(gè)像素對(duì)根據(jù)三個(gè)相移中的每個(gè)相移的同等的曝光所獲得的光的等級(jí)進(jìn)行測量。電子單元150內(nèi)的處理器使用至少三個(gè)所測量的光等級(jí)來計(jì)算到工件表面上的點(diǎn)的距離。因此，為了計(jì)算3D坐標(biāo)，圖1至圖3所示的系統(tǒng)需要分別移動(dòng)點(diǎn)112、點(diǎn)114、點(diǎn)270以及點(diǎn)390的相對(duì)相位的能力。
[0025]如果由掃描儀測量的距離的范圍相對(duì)大，那么掃描儀還需要有解決所測量的距離的模糊的能力。因?yàn)闂l紋間距相對(duì)小，所以證實(shí)了存在基于由攝像頭采集的圖像的幾種可能的有效的距離解決方案?？梢酝ㄟ^以已知量改變條紋之間的間距(間距)來去除這種模糊。在圖3的一個(gè)實(shí)施方式中，通過使用穿過兩個(gè)對(duì)應(yīng)的光柵330A、330B的兩個(gè)光源來獲得兩個(gè)不同的條紋間距，光柵330A、光柵330B具有不同的間距值。為了計(jì)算3D坐標(biāo)，在大多數(shù)情況下，圖1至圖3所示的系統(tǒng)需要有將條紋間距改變?yōu)橹辽賰蓚€(gè)值的能力。
[0026]在一個(gè)實(shí)施方式中，組合的針孔和移相器360是圖4中所示的光學(xué)部件400。光學(xué)部件400包括由高品質(zhì)材料(如石英玻璃)制成的玻璃板405。將具有使穿過條紋區(qū)域410和412的光產(chǎn)生三個(gè)不同的相對(duì)相移的圖案的區(qū)域蝕刻到玻璃中。替代地，可以通過將不同厚度的涂層涂覆到玻璃板405上來產(chǎn)生不同的厚度。如果使用了涂層，因?yàn)橥干淠芰Φ牟町悤?huì)引起所計(jì)算的距離的誤差，所以必須注意使得由每個(gè)不同層透射的光的量的差最小化。在圖4所示的示例性實(shí)施方式中，條紋區(qū)域410具有如截面A-A中所示的凹部432,條紋區(qū)域412具有如截面B-B中所示的凹部444。根據(jù)光穿過光學(xué)部件400上的垂直位置，穿過條紋區(qū)域410和條紋區(qū)域412的光具有三個(gè)不同的相對(duì)光程長度(0PL)。這三個(gè)不同的OPL產(chǎn)生光斑390的三個(gè)不同的相對(duì)相移。在工件上，這種相移的效果是條紋線向側(cè)面偏移。許多其它的蝕刻圖案可以獲得三個(gè)不同的相移。另外，在某些情況下，會(huì)希望獲得不止三個(gè)相移，從而會(huì)需要額外的蝕刻區(qū)域。應(yīng)了解，圖4、圖4A、圖4B中所示的圖案僅是示意性的并且在可能使用的圖案的類型方面并不進(jìn)行限制 。
[0027]光學(xué)部件400的針孔功能是阻擋具有除±1之外的量級(jí)的不需要的光。量級(jí)O由可以為鉻涂層的不透明涂層422阻擋。量級(jí)±3和±5由不透明區(qū)域420、424阻擋。在一個(gè)實(shí)施方式中，區(qū)域420、422和424是條紋形式而不是真正的針孔。盡管在所示的實(shí)施方式中使用條紋形狀的光束阻擋器，但是通常使用術(shù)語針孔來描述阻擋不需要的光束的功能，因此此處使用術(shù)語針孔?？梢詫⑵渌煌该鞯膱D案和透明區(qū)域應(yīng)用于光學(xué)部件400。
[0028]圖5中所示的機(jī)動(dòng)化機(jī)構(gòu)500可以用于給圖4的相位調(diào)節(jié)器400提供線性運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)500包括其中心有孔的滾珠導(dǎo)軌。這種類型的商用滾珠導(dǎo)軌的特定平直度為0.00008m/m。相位/條紋調(diào)節(jié)器(例如可以為調(diào)節(jié)器400)附接到位置520處。運(yùn)動(dòng)由致動(dòng)器530來提供，在一個(gè)實(shí)施方式中致動(dòng)器530為音圈致動(dòng)器。致動(dòng)器530推動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件532以移動(dòng)滾珠導(dǎo)軌。由傳感器540提供位置反饋，在一個(gè)實(shí)施方式中傳感器540為線性編碼器。電子單元550給致動(dòng)器530和反饋傳感器540提供電子支持。電子單元550可以包含用以提供計(jì)算支持的處理器。
[0029]現(xiàn)在考慮一種用于改變條紋間距的方法。圖6示出了行進(jìn)通過具有楔角ε以及在第一表面612上具有入射角α的楔形窗口 600的光射線的幾何形狀。楔形窗口 600具有第一折射角β、第二入射角Y以及第二折射角S。有志于找到離開楔形窗口的最終射線相對(duì)于進(jìn)入楔形窗口的最初射線的角度。特別地，有志于研究對(duì)于在α接近于零的情況下這個(gè)角度變化如何隨著入射角α而變化。
[0030]在第一界面處的光束角度的變化為β - α，以及在第二界面處的光束角度的變化為Y-δ。第二入射角由下述公式給出:
[0031]Υ = β + ε (I)并且光束角度的總變化ζ為:
[0032]ζ=β-α + δ- Gamma=-α +asin (nsin ( y )) - ε (2)
[0033]對(duì)于入射角α =0的情況，公式(2)可以簡化為:
[0034]ζ =asin(nsin( ε ))- ε (3)
[0035]公式(3)可以用于計(jì)算期望的楔角。例如，如果玻璃的折射率為η=1.5，并且如果期望的偏向角為(=1.3毫弧度，那么公式(3)可以進(jìn)行數(shù)值求解而得到楔角ε=2.5毫弧度。
[0036]為了產(chǎn)生給出在3D測量裝置的輸出處的光斑之間的期望距離的三個(gè)不同角度，可以將楔形窗口的布置組合到如圖7所示的組件700中。每個(gè)光束的主要方向由如下參照下面討論的圖9所解釋的光柵部件來設(shè)置。組件700的目的是使兩個(gè)分離的光束之間的角度有小的變化以產(chǎn)生條紋間距的期望的小變化。這可以通過在組件中心放置非楔形的窗口712以及在組件兩側(cè)相對(duì)地放置成角度的楔形窗口 710和楔形窗口 714來方便實(shí)現(xiàn)。
[0037]為了產(chǎn)生期望的偏向角，圖7的組件700在紙平面上向上以及向下移動(dòng)。這會(huì)在三個(gè)部件710、712和714中的每個(gè)部件中產(chǎn)生一致的角度偏差，但是在各種情況下將有不同的相移，并且這個(gè)相移將取決于組件1200在其向上和向下移動(dòng)中的位置。
[0038]為了避免當(dāng)組件移動(dòng)時(shí)隨著玻璃的厚度變化而產(chǎn)生的不期望的相移，楔形物可以被排列成圖8A和圖8B的組件1300、1350。當(dāng)在圖8A的頂視圖中看時(shí)，組件伸出紙平面。單個(gè)光束1330進(jìn)入三個(gè)部分1310、1315、1320之一。玻璃部分1315、1311、1320的楔角分別確定出射光束1340、1350、1345的方向。對(duì)于進(jìn)入非楔形部分1310的光束1330，光束1340沿著原方向離開組件。對(duì)于其它兩個(gè)部分1315、1320，根據(jù)圖6，光束彎向玻璃的前緣。組件1300 (1350)的設(shè)計(jì)的重要方面是:在組件移動(dòng)時(shí)，在部分1310、1315、1320中的任意一個(gè)中光束的相位不會(huì)變化。只要部分1310、1315、1320合理地對(duì)齊使得在移動(dòng)期間玻璃厚度不會(huì)變化，這就是真的。
[0039]圖9示出了用于使用單個(gè)光學(xué)部件來調(diào)節(jié)相位和條紋間距兩者的布置。光源910提供可能來自激光器、超發(fā)光二極管、LED或其它光源的光。在一個(gè)實(shí)施方式中，來自光源910的光經(jīng)過光纖912行進(jìn)到包括有套圈922和透鏡924的光纖發(fā)射器920。替代地，來自光源910的光可以經(jīng)過自由空間到達(dá)透鏡924。離開光纖發(fā)射器920的準(zhǔn)直光980行進(jìn)到用于將光分束成在不同方向上行進(jìn)的幾個(gè)光束的光柵930。隨后，在光學(xué)路徑中，所有不同量級(jí)的衍射光聚焦成光斑，除了 ±1量級(jí)以外的所有不同量級(jí)的衍射光由不透明掩膜去除。光束987由鏡933反射，由鏡932反射，并且穿過用于對(duì)在組件900的輸出處的相位和條紋間距兩者進(jìn)行調(diào)節(jié)的相位/條紋調(diào)節(jié)器940。光穿過對(duì)光進(jìn)行透射的光束組合器952的第一部分。
[0040]光982由鏡934反射，并且由光束組合器956的第二區(qū)域954反射。從光束組合器956出來的兩個(gè)光束985、989在位置990處相交。在一個(gè)實(shí)施方式中包括有兩個(gè)正透鏡部件962、964的遠(yuǎn)焦光束擴(kuò)展器960被定位成使得第一透鏡部件962的焦距被設(shè)置為距交叉點(diǎn)990的距離等于第一透鏡部件962的焦距f\。兩個(gè)準(zhǔn)直光束985、989通過第一透鏡部件962在距第一透鏡962的距離為處被聚焦成兩個(gè)光斑996。透鏡962與透鏡964之間的距離等于f\+f2，使得在光束擴(kuò)展器內(nèi)的兩個(gè)光斑距第二透鏡部件962的距離為f2。兩個(gè)準(zhǔn)直光束991、993從光束擴(kuò)展器960中出來。出來的光束991、993的大小等于光束擴(kuò)展器的橫向放大率M乘以入射光束的大小，其中，放大率為MzfVf1。與入射激光束991、993之間的角度相比，兩個(gè)出來的激光束之間的角度減少因數(shù)1/M。作為示例，假設(shè)每個(gè)入射激光束985、989的直徑為0.7mm，光束的分離角為13毫弧度(mrad)。還假設(shè)光束擴(kuò)展器960的橫向放大率為M=10。于是，出來的激光束991、993各自的直徑為7mm并且各自的分離角為
1.3mrad。從光束擴(kuò)展器960中出來的準(zhǔn)直光束991、993在位置992處相交。例如，可以設(shè)置物鏡970 (可以是焦距為&=4.5mm并且數(shù)值孔徑為NA=0.65的40x顯微物鏡)，使得從物鏡970的前焦距位置到交叉點(diǎn)992的距離等于物鏡970的焦距物鏡970將準(zhǔn)直光束991,993聚焦成兩個(gè)小的光斑994。包括有交替的不透明條紋和透明條紋的針孔板946位于光斑994附近，以阻擋來自光柵930的除了 +1和-1量級(jí)以外的所有量級(jí)的衍射光。在替代實(shí)施方式中，在光斑996位置處的板包含有不透明區(qū)域和透明區(qū)域的交替條紋以阻擋除了 +1和-1量級(jí)以外的所有量級(jí)的被光柵衍射的光。
[0041]圖10示出了可以用作圖9中的部件940的相位/條紋調(diào)節(jié)器1000。相位/條紋調(diào)節(jié)器1000包括入射面不平行于出射面的玻璃楔形窗口。在調(diào)節(jié)器1000中，面1012不平行于面1020。另外，相位/條紋調(diào)節(jié)器1000包括被蝕刻到玻璃中的兩個(gè)小的部分1014、1016。頂部區(qū)域1012與兩個(gè)部分1014、1016中的任一部分之間的光程長度(OPL)的差等于頂部區(qū)域1012與該部分之間的厚度的差乘以數(shù)量n-1，其中，η是玻璃的折射率。相應(yīng)的相移等于OPL的差乘以2 π / λ ,其中λ是來自光源的光的波長。因此,例如,對(duì)于658nm的波長、n=l.5的折射率以及120度=2 λ /3弧度的第一期望的相移，部分1014應(yīng)該被蝕刻的深度d為(1=λ/3 (n-1) =658/3 (1.5-1) =438.7nm。如果對(duì)于部分1016期望240度的相移，那么蝕刻深度應(yīng)該是雙倍的，為877.3nm。將玻璃蝕刻給定深度的替代方法是在期望的部分處以給定的高度涂覆玻璃。
[0042]為了獲得三個(gè)不同的條紋間距，可以如圖1lAUlB所示的那樣堆疊三個(gè)玻璃窗口。在組件中組合三個(gè)楔形部件的簡單方式是將中心部件設(shè)置為楔角為零(平行的入射表面和出射表面)并且將兩個(gè)外部窗口設(shè)置為具有相等但是方向相反的楔角。
[0043]作為示例，假設(shè)圖9中的光斑994的所期望的間隔為a= {46，52，58}微米。如果物鏡970的焦距是4.5mm，那么光束991,993之間的分離角為Θ =a/f0={10.22，11.56，12.89}毫弧度。如果光束擴(kuò)展器996的橫向放大率為M=10，那么光束985、989之間的分離角為{102.2，115.6以及128.9}毫弧度。鏡932、934被設(shè)置成使得當(dāng)光束987穿過相位/條紋調(diào)節(jié)器940的中心窗口 1110時(shí)產(chǎn)生光束985、989之間的115.6毫弧度的角度偏差。在這種情況下，中心窗口 1110的楔角為零；換句話說，中心窗口是具有平行側(cè)部的窗口。窗口1000和1112被制造成具有等于128.89-115.56=115.55-102.22=13.3毫弧度的楔角。楔形窗口 1000、1112以相反的方向安裝以使得±13.3毫弧度的楔角使光束在相反方向上偏轉(zhuǎn)。
[0044]雖然已經(jīng)參照示例性實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，對(duì)于本發(fā)明可以作出各種變化并且對(duì)于本發(fā)明的部件可以替換為其等同物。另外，在不脫離本發(fā)明基本范圍的前提下，可以根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)作出適于具體的環(huán)境和材料的各種修改。因此，意在于本發(fā)明不限于作為用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式公開的【具體實(shí)施方式】，而且本發(fā)明將包括落入隨附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有的實(shí)施方式。此夕卜，術(shù)語第一、第二等的使用并不表示任何順序或重要性，更確切的說，術(shù)語第一、第二等用于將一個(gè)部件與其它部件相區(qū)分。另外，術(shù)語一、一個(gè)等的使用并不表示對(duì)數(shù)量的限制，而是表示存在至少一個(gè)所引用項(xiàng)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定物體表面(130)上的第一物點(diǎn)(124)的三維坐標(biāo)的方法，所述方法包括以下步驟: 設(shè)置第一光源(210，310A，310B，910，920)、投影儀(160，200，300，900)以及攝像頭(140)，所述投影儀包括第一衍射光柵(220，330A, 330B, 930)、物鏡(240，350,970)以及第一板(360，400，512，946)，所述攝像頭包括攝像頭透鏡(142)和感光陣列(146)，所述第一光源產(chǎn)生第一光源光束，所述第一板包括第一透射區(qū)域(410)、第二透射區(qū)域(412)以及至少一個(gè)不透明區(qū)域(420，422，424)，所述投影儀具有投影儀透視中心，所述攝像頭具有攝像頭透視中心(144)，在所述投影儀透視中心與所述攝像頭透視中心之間的線段是基線(164)，所述基線具有基線長度； 將所述第一光源光束發(fā)送到所述第一衍射光柵； 利用所述第一衍射光柵形成至少第一衍射光束(987)和第二衍射光束(982)； 將所述第一衍射光束和所述第二衍射光束發(fā)送到所述物鏡； 利用所述物鏡形成至少第一光斑(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產(chǎn)生，以及所述第二光斑由所述第二衍射光束產(chǎn)生； 將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處； 使來自所述第一光斑的第一光在所述第一透射區(qū)域中穿過玻璃的第一厚度以及使來自所述第二光斑的第二光在所述第二透射區(qū)域中穿過玻璃的第二厚度，同時(shí)阻止其它光穿過所述第一板，所述第一厚度和所述第二厚度之間的差等于第一厚度差； 組合所述第一光和所述第二光，以在所述物體表面上產(chǎn)生第一條紋圖案； 將由所述第一條紋圖案照射的所述第一物點(diǎn)成像到感光陣列的陣列點(diǎn)上，以從所述感光陣列獲得第一電氣數(shù)據(jù)值； 將所述第一板移動(dòng)到第二位置； 使來自所述第一光斑的第三光在所述第一透射區(qū)域中穿過玻璃的第三厚度以及使來自所述第二光斑的第四光在所述第二透射區(qū)域中穿過玻璃的第四厚度，同時(shí)阻止其它光穿過所述第一板，所述第三厚度和所述第四厚度之間的差等于第二厚度差，所述第二條紋差不等于所述第一條紋差； 在所述物體表面上組合所述第三光和所述第四光，以在所述物體表面上產(chǎn)生第二條紋圖案，所述第一條紋圖案和所述第二條紋圖案在所述第一物點(diǎn)處具有第一條紋間距； 將由所述第二條紋圖案照射的所述第一物點(diǎn)成像到所述陣列點(diǎn)上，以從所述感光陣列獲得第二電氣數(shù)據(jù)值； 至少部分地基于所述第一電氣數(shù)據(jù)值、所述第二電氣數(shù)據(jù)值以及所述基線長度計(jì)算所述第一物點(diǎn)的三維坐標(biāo)；以及 存儲(chǔ)所述第一物點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述設(shè)置第一光源、投影儀以及攝像頭的步驟中，所述第一光源光束選自由可見光、紅外光以及紫外光構(gòu)成的組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟: 將所述第一板移動(dòng)到第三位置； 使來自所述第一光斑的第五光在所述第一透射區(qū)域中穿過玻璃的第五厚度以及使來自所述第二光斑的第六光在所述第二透射區(qū)域中穿過玻璃的第六厚度，同時(shí)阻止其它光穿過所述第一板，所述第五厚度和所述第六厚度之間的差等于第三厚度差，所述第三條紋差不等于所述第一條紋差或所述第二條紋差； 在所述物體表面上組合所述第五光和所述第六光，以在所述物體表面上產(chǎn)生第三條紋圖案，所述第三條紋圖案在所述第一物點(diǎn)處具有第一條紋間距； 將由所述第三條紋圖案照射的所述第一物點(diǎn)成像到所述陣列點(diǎn)上，以從所述感光陣列獲得第三電氣數(shù)據(jù)值；以及 還基于所述第三電氣數(shù)據(jù)值計(jì)算所述第一物點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下步驟:在發(fā)送所述第一衍射光束使其通過所述物鏡之前，發(fā)送所述第一衍射光束使其通過具有第一楔角的第一透明楔形物，以改變所述第一衍射光束的傳播方向，所述第一透明楔形物被配置為在所述第一物點(diǎn)處產(chǎn)生第一間距。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括如下步驟:在發(fā)送所述第一衍射光束使其通過所述物鏡之前，發(fā)送所述第一衍射光束使其通過具有第二楔角的第二透明楔形物(600，710，712，714，1310，1315，1320)，以改變所述第一衍射光束的傳播方向，所述第二楔角與所述第一楔角不同，所述第二透明楔形物被配置為在所述第一物點(diǎn)處產(chǎn)生第二間距，所述第二間距與所述第一間距不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟: 設(shè)置第二光源(310B)、第二衍射光柵(330B)以及光束組合器(340)，所述第二光源產(chǎn)生第二光源光束； 將所述第二光源光束發(fā)送到所述第二衍射光柵； 利用所述第二衍射光柵形成至少第三衍射光束和第四衍射光束； 將所述第三衍射光束和所述第四衍射光束發(fā)送到所述光束組合器； 將所述第三衍射光束和所述第四衍射光束從所述光束組合器發(fā)送到所述物鏡； 利用所述物鏡(350 )形成至少第三光斑(390 )和第四光斑(390 )，所述第三光斑由所述第三衍射光束產(chǎn)生，以及所述第四光斑由所述第四衍射光束產(chǎn)生； 將來自所述第一光斑的第一光和來自所述第二光斑的第二光傳送到所述物體表面； 組合所述第一光和所述第二光，以在所述物體表面上產(chǎn)生第四條紋圖案； 將由所述第四條紋圖案照射的所述第一物點(diǎn)成像到感光陣列的陣列點(diǎn)上，以從所述感光陣列獲得第四電氣數(shù)據(jù)值；以及 還基于所述第四電氣數(shù)據(jù)值計(jì)算所述第一物點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟: 設(shè)置放大鏡頭系統(tǒng)(960)，所述放大鏡頭系統(tǒng)是橫向放大率大于I的遠(yuǎn)焦鏡頭系統(tǒng)；以及 在發(fā)送所述第一衍射光束和所述第二衍射光束使其通過所述物鏡(970)之前，發(fā)送所述第一衍射光束和所述第二衍射光束使其通過所述放大鏡頭系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK103649678SQ201280034949
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月14日
【發(fā)明者】羅伯特·E·布里奇斯, 瑞安·克魯澤, 保羅·麥科馬克, 埃馬紐埃爾·拉豐 申請(qǐng)人:法羅技術(shù)股份有限公司