CN101595364B - 用于目标物体的位置的无接触干涉检测的位置检测系统和装备有其的扫描系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于目标物体的位置的无接触干涉检测的位置检测的系统。目标物体单元(11)包括参考光发射器(23)，其被配置使得其发射具有弯曲的光波前(30)的参考光束(25)。该目标物体单元包括具有多个检测器像素(31)的至少一个检测器阵列(14)，其被紧固到目标物体单元(11)，使得参考光发射器(23)的参考光束(25)照射到其上。

Description

用于目标物体的位置的无接触干涉检测的位置检测系统和装备有其的扫描系统 
技术领域
本发明涉及用于目标物体的空间中的位置的无接触干涉检测的位置检测系统以及包括其的扫描系统。 
背景技术
在许多使用领域中，存在确定目标物体的位置的问题。特别地，目标物体能够是以任意方式被移动或自身移动的部分。例如生产或测量机的部件。 
本发明特别关注要求具有1微米范围或甚至比1微米更佳(亚微米范围)的精度的位置检测的应用。在该领域中，主要使用所谓的激光跟踪系统，通过其干涉地确定期望的距离信息。这样的系统具有目标物体单元，其相对于目标物体处于固定的位置并且回射器固定于其上。激光跟踪系统还包括具有测量光发射器的测量光发射器单元，通过该测量光发射器，激光被辐射到目标物体单元的回射器上。回射器以其反射测量光束回到光源的方式来配置。 
测量光发射器单元包括干涉仪设备和检测器，由于测量光束与参考光束的干涉，检测器产生干涉测量信号，从该干涉测量信号获取干涉测量数据。这些干涉测量数据允许以极高精度获取关于回射器和测量光发射器单元之间的距离(更精确地，关于距离的变化)的距离信息。该距离信息被用于确定目标物体的期望位置。在多数情况中，该信息与关于回射器相对于测量光发射器单元定位的立体角的角信息结合。 
例如，在下列公开文本中描述了这样的激光跟踪系统： 
(1)WO 2005/026772 
(2)US 6,667,798 B1 
(3)WO 01/09643 
(4)US 6,675,122 B1 
公知的激光跟踪系统的缺点在于它们复杂的结构。特别地，对应于目标物体的移动，测量光束的极精确跟踪需要复杂的机械设计。 
以此为基础，本发明基于该技术问题以提供位置检测系统，其需要较小开销，特别是关于高精确的、可移动的部分，但是可以获得与激光跟踪系统相当的、或比其更佳的精度。 
发明内容
根据本发明，该问题通过用于目标物体的位置的无接触干涉检测的位置检测系统来解决，该位置检测系统包括目标物体单元和具有至少一个测量光发射器的测量光发射器单元，具有相干光的测量光束从该至少一个测量光发射器辐射到目标物体单元上，其中，由于测量光束与和该测量光束相干的参考光束的干涉，通过从检测器产生的干涉信号获得的干涉测量数据来确定目标物体单元的位置，其特征在于：该目标物体单元包括参考光发射器，该参考光发射器以其发射具有弯曲的光波前的参考光束的方式来配置，该目标物体单元包括具有多个检测器像素的至少一个检测器阵列，该检测器阵列以参考光发射器的参考光束照射到其上的方式被固定到该目标物体单元，其中 
该测量光束的波前照射到所述目标物体单元的检测器阵列上，该测量光束的波前的曲率小于该参考光束的波前的曲率， 
该测量光束的波前和该参考光束的波前以足够平行的取向仅照射在该检测器阵列的检测器像素的部分上，以允许在该检测器像素中产生干涉信号， 
评估检测器阵列的至少一个产生干涉信号的检测器像素的干涉信号，以确定关于各自的检测器像素和测量光发射器之间的距离的变化的距离信息，且 
使用该距离信息，确定该目标物体相对于该测量光发射器单元的位置。 
目标物体单元可以是目标物体的部分或可以是紧固到目标物体的单元(在任一情况中，位于相对于目标物体的限定位置中)。与公知的跟踪系统不同，该单元并非仅仅是被动反射器，而是包括参考光发射器和至少两个检测器阵列的主动系统部件，当适当的几何条件(将在下面解释)满足时，检测器阵列的检测器像素能够产生干涉测量信号。为了确保测量光 束和参考光束的相干性，其对于干涉要求，2个光束都通过从相同的激光光源分束来得到，且有利地通过柔性的光传导光缆一方面被传播到光发射器单元，并且另一方面被传播到目标物体单元。 
通过本发明，获得尤其下列优点： 
不要求测量光束的精确跟踪。事实上，测量光束被大致定向到目标物体单元使得其以足够的强度照射在其的检测器阵列上是足够的。因此，通常位置检测不要求机械移动。即使测量光束的方向必须由于目标物体的大范围移动而变化，由于低精度的要求，也能够以简单且节省成本的方式实现该移动。 
在公知的激光跟踪系统中，回射器的脏的污染物导致测量精度的限制，但对于本发明不存在类似的问题。 
由于公知的激光跟踪系统的测量精度受至回射器上的入射角的变化影响，所以其产生了其它问题。这是本发明所消除的测量精度的另一个限制。 
在公知的跟踪系统中，距离信息的精度也受测量光沿发射器和接收器之间的光路传播两次的事实所影响。因此，例如由系统部件的振动所导致的某些测量误差对总误差起两次作用。但是，在本发明中，测量光在测量光发射器单元和目标物体单元之间的光路仅传播一次。 
本发明不仅允许以非常高速度确定目标物体单元(并因此目标物体)的位置还允许确定它们在空间中的取向。 
总之，以减小的花销获得了改进的技术性能。 
如所解释的，位置检测系统能够用于不同的使用领域，尤其是生产和测量技术中。在上述引用的文献(1)至(4)中提到了这样的使用领域。在(5)美国专利6,134,507中示出了其他例子。 
根据本文献，使用激光跟踪器以标定所谓非接触传感器的位置。此处所述是光学系统，其允许检测自动制造线中(例如在汽车生产中)的所制造的物体的特征结构，以允许另外的部分精确配合安装到部分完成的物体。也在这样的情况中，可以有利地使用位置检测系统来代替传统的激光跟踪器。其它感兴趣的使用领域是迷你致动器的夹持器系统，如用于研究或生产过程中的元件的非常精确的移动。 
本发明的特别重要的使用领域是物体的表面的扫描。 
术语“扫描”在此总的以这样的意义来理解，即其是指获得关于表面 上的多个测量点的位置信息(此后称为“表面扫描信息”)以检测空间中的表面的位置和形状的任意方法。这不仅尤其涉及物体的确切维度的确定(“维度检查”)，而且涉及表面的结构特征，例如其粗糙度。 
对于表面扫描，主要使用坐标测量机。它们包括具有多维、高精确的驱动器的定位装置和由定位装置相对于将被检查的物体移动的扫描传感器，从而由扫描传感器扫描物体的表面。作为扫描传感器，主要使用机械的扫描器，其用细尖端或小球接触将被测量的物体，由电子装置检测此接触。因此能够获得高至亚微米范围的非常高精度。为获得该期望的表面扫描信息，需要关于传感器的位置的相应的精确的位置信息。为确保这个，坐标测量机必须被非常精确的构建。这要求高花销。而且，一方面由于扫描速度是受限制的，且另一方面由于在敏感的且弹性的表面的情况中不可避免存在损害或测量偏差，所以机械的扫描具有显著缺陷。 
基于此，本发明也涉及用于扫描物体表面的改进的扫描系统，其中该系统包括扫描传感器和定位装置，通过定位装置，被紧固到定位装置的扫描传感器能够相对于其表面将被扫描的物体移动到不同的期望位置。这里，通过使用根据本发明的位置检测系统，以减小的结构花销获得非常高的精度，其中位置检测系统的目标物体单元被定位在相对于扫描传感器的限定的位置(优选地刚性地紧固到其上)，使得通过目标物体单元的位置的检测来获得传感器位置信息。为确定期望的表面扫描信息，通过位置检测系统获得的传感器位置信息与传感器扫描信息组合。 
优选的，使用定位机器人作为用于表面扫描的定位装置。其具有多维可移动机器人臂。扫描传感器和目标物体单元被固定到该机器人臂。使用定位机器人的扫描系统在DE 102004039760 A1中描述。这里，球形壳体被接附在机器人臂的远端。一方面，其形成通过其机械地扫描表面的扫描尖端。另一方面，其包括通过激光跟踪系统能够确定其位置的回射器。该设计的目的为获得亚毫米范围的精度。在本发明的上下文中，利用了由定位机器人的使用所导致的优点(宽操作范围，大的运动自由度，其允许非常复杂的表面的跟踪；与坐标测量机相比低成本)。同时，获得了与DE102004039760 A1相比显著较高的精度，范围低至亚微米范围。 
优选的，在根据本发明的表面扫描系统的上下文中，使用无接触地操作的扫描传感器。合适的扫描传感器的优选的设计特征在US2005/0190371A1，WO2005/088241 A1和国际专利申请PCT/EP 2006/011586中描述。这些文献的内容通过引用的方式包含在本专利申请中。通过将其中所述的扫描传感器和此处所述的扫描系统的设计特征相组合，可以以最高精度、快速方式且相对低的花销扫描即使非常复杂的表面。
附图说明
本发明通过图中所示的示例性实施例在之后更详细地描述。所述的特征能够被单独或组合使用以提供本发明的优选实施例。图中： 
图1示出根据本发明的扫描系统的示意性侧视图，部分地为框图，包括定位机器人和扫描传感器，扫描传感器的位置通过根据本发明的位置检测系统来检测， 
图2示出用于图解关于测量光和参考光的几何条件的详细视图，在本发明的上下文中该几何条件是基本要素，和 
图3示出适于本发明的检测器阵列的替代实施例的侧视图。 
具体实施方式
图1示出用于扫描物体3的表面2的扫描系统1。扫描系统1包括无接触操作扫描传感器5和具有多维可移动机器人臂8的定位机器人7，定位机器人7用作用于扫描传感器的定位装置。 
通过定位机器人7，扫描传感器5能够以其(优选地光学地)扫描表面2的方式被引导越过物体3的表面2。因此扫描传感器5和表面之间的距离的变化能够被高精度地检测。除了在此所述的特殊性外，合适的扫描传感器和定位机器人是公知的。在此方面，能够参考尤其是上述的文献。 
为获得关于表面2的期望的表面扫描信息，除了由扫描传感器提供的扫描信息外，还必须准确地检测扫描传感器的位置。为该目的，使用位置检测系统，其包括作为两个分开的部件的测量光发射器单元10和与测量传感器5刚性联接的目标物体单元11。相对于位置检测系统，传感器5形成其位置被位置检测系统检测的目标物体。 
在所图解的情况中，测量光发射器单元10具有两个光发射器13a和13b，且目标物体单元11具有两个检测器阵列14a和14b，如将更详细解释的，每个探测器阵列包括多个光敏检测器像素。光发射器13的数目和检测器阵列14的数目应优选地对应于位置检测问题的维数。当位置的检测是一维问题(例如，由于目标物体仅沿准确限定的路径移动并因此通过 
光发射器的最小数目和检测器阵列的最小数目优选地对应于问题的维数。因此，对于二维问题，该数目分别至少为2，且对于三维问题，该数目分别至少为3。光发射器和/或检测器阵列的数目大于相应的问题维数不是必需的，但是通过冗余来获得对干扰因素的显著地高鲁棒性可能是有利的。 
例如通过相应的多个分开的诸如CCD芯片的电子部件，能够提供多个检测器阵列。但是，原则上，也可以在具有适当大的面积的单个部件上提供多个检测器阵列。在该情况中，各自的部分量的像素形成各自的有效的检测器阵列。每个检测器阵列优选地具有至少一行沿线延伸的检测器像素，该线优选地为直的。 
测量光发射器13a和13b每个以它们的测量光束16a和16b的每个照射到检测器阵列14的每个上的方式朝着目标物体单元11辐射相干光。激光光源17a和17b被用作相干测量光的光源。测量光从这些光源通过光纤18a、18b，光耦合器19a、19b和进一步的光纤20a、20b被传播到相位调制器单元21，并从那里到位于光纤端部处的发射点，该发射点形成光发射器13a、13b。 
目标物体单元11包括参考光发射器23，参考光发射器23像测量光发射器13a和13b一样由位于光纤光缆24的端部的光发射点形成。通过参考光光纤光缆24，在光耦合器19a、19b中从激光光源17a、17b的光中分流的参考光被传播到参考光发射器23。从参考光发射器23，参考光束25以其照射到目标物体单元11的每个检测器阵列14a、14b上的方式辐射。 
关于测量光束16a、16b和参考光束25的叠加波前，如果满足一定条件，其将在后面更详细解释，则形成检测器阵列14a、14b的其中一个像素或多个像素在每个阵列中产生干涉信号。关于产生干涉信号的各自的检测器像素分别和测量光发射器13a或13b(且因此测量光发射器单元10)之间的距离变化的距离信息能够从这些干涉信号来确定。用于确定距离信息的干涉信号的处理以公知的方式通过也被用在激光跟踪系统中的技术 来进行。优选的，测量光束16a、16b的光通过相位调制器单元21来调制频率。测量光束16a、16b的光优选地被不同地调制以允许所产生的干涉信号的分开。该不同的调制能够是相位调制和幅度调制。通过图1中仅象征性地示出的中央单元26进行信号处理，测量数据能够通过未示的数据线或无线地发射到该中央单元26。中央单元26也产生用于系统的有效部件(激光光源17、相位调制器单元21、定位机器人7和扫描传感器5)的控制信号。 
图1示出对于二维问题的具有2个光发射器和2个检测器阵列的二维视图。通过分别确定每个阵列的(至少)一个干涉信号产生检测器像素和每个光发射器之间的距离，能够完全确定目标物体单元的位置，因此确定目标物体的位置，包括其在空间内的取向(例如，由四个空间坐标x、y、倾斜和倾向表示)。在三维问题的情况中，如上所解释的，优选地提供至少3个光发射器和3个检测器阵列。因此，能够确定所有的6个空间坐标(x，y，z，倾斜，倾向，旋转)，其全面地描述了空间中的目标物体的位置和取向。 
在所示的位置检测系统9中，从作为分束器的光耦合器19a、19b到参考光发射器23的光路非常长的事实产生技术问题。由于定位机器人7的移动，能够发生参考光纤光缆24的(较小的)动态伸长。在对所确定的距离信息的精度的要求非常高的情况中，要求这样的动态伸长所导致的参考光路的长度变化的补偿。这能够通过参考光的部分反馈来实现。 
为该目的，参考光纤光缆24以参考光的部分被反射回到光纤光缆24中的方式形成在参考光发射器23的区域中。同样，光纤光缆20a、20b也以测量光的部分被反射回到所述光纤光缆中的方式在光发射器13a、13b的区域中形成。所反射回的光部分二者通过光耦合器19a、19b到达补偿器单元27a、27b，在补偿器单元27a、27b中发生2个光部分的干涉。从所产生的干涉信号，能够确定关于与测量光路(光纤光缆20a、20b)相比参考光路(光纤光缆24)的动态长度变化的信息，该信息对于补偿是必需的。基于该信息，能够补偿由光纤光缆(特别是到参考光发射器的长光缆)的动态伸长所导致的误差。 
此后，参考图2，解释必需满足的几何条件，以即使相对于目标物体单元，因此相对于其检测器阵列，测量光束的入射角在宽的角度范围内变化，也允许在没有可移动部分的情况下产生干涉信号。 
图2示出相对于检测器阵列14的表面的法线N以α角入射的测量光束16。由于从光发射器13的距离远大于检测器阵列14的伸长的事实，测量光束16的波前29近似直地延伸。在任意情况下，它们的曲率度显著小于参考光束25的波前30的曲率，参考光束25照射在从参考光发射器23经由半透明镜32到检测器阵列14的显著较短的路径上。 
用于允许干涉信号的测量的条件为测量光束16和参考光束25的局部波前足够平行地照射到阵列14的检测器像素31上。因为干涉信号的可评估性尤其依赖于所使用的测量电子设备，所以不能提供关于与此平行要求可允许的偏差的确切信息。公式α＝λ/(2d)允许近似的估计。在波长λ＝630nm且检测器像素的直径d＝10μm的情况下，基于此公式计算可允许的角度偏差为α＝0.03rad或1.7°。 
图2中的视图示出由于波前29、30的不同的曲率，仅对于检测器阵列14的一个或少数邻近检测器像素31满足该条件。在图3中，这应用到阵列14的第8检测器像素，该像素被标识为31-8。 
因此，在没有可移动部分的情况下，通过遵照关于测量光束和参考光束从其开始的点(光发射器)的位置和关于两个束的波前的相关的曲率结合合适的检测器阵列的所解释的几何条件，明显的能够捕获较大范围入射角的测量光束16。相对于测量光束16的波前，参考光束25的波前的曲率度越高，测量光束16和检测器阵列14的法线N之间的可评估角α越大。同时，干涉相邻像素的数目减小。本发明的实验评估已经示出对于平面检测阵列(在公共的平面中布置检测器像素)的角α大约为±45°至最大±60°。这对于大多数使用情况是足够的。万一较大的范围是必要的，能够选择图3中所示检测器阵列的布置，其中阵列的不同部分14-1和14-2被取向为互相成角β，其中角β优选为至少30°。 
所述发明可以有多种变化，其中尤其要考虑以下内容： 
不同的电子部件适于制造检测器阵列，只要它们包括允许光的位置分辨检测的多个光敏元件。优选的，检测器阵列的光敏元件(像素)沿线延伸，该线优选地(但不是必需的)直地延伸。考虑到成本和功能，CCD检测器阵列尤其合适。 
在本发明的上下文中所使用的光的波长无需在可视范围内。因此，在本发明的意义中的“光”也表示邻近可视范围的电磁波(接近IR以及UV)。 
各自的光发射器处的测量光束和参考光束的波前的曲率由存在于该 处的光条件来确定。使用点光源，产生球形波前。但是，通过合适的输出光学器件，只要满足关于照射到检测器阵列的不同的曲率的所解释的条件，也能够产生适合于本发明的不同的(非球形的)弯曲的波前。 
图1中所示的配置由于实践原因是有利的，但不是必须的，在该配置中对应于多个光发射器13a、13b的(相干的且因此适于干涉的)参考光在相同(共同)的点(参考光发射器23)离开。也可以在目标物体单元为参考光提供多个离开位置(参考光发射器)。 
如所解释的，位置检测系统原则上可以在没有可移动部分的情况下运行。但是，需要测量光以足够的强度照射到目标物体单元的检测器阵列上。因此，其必须被足够宽地辐射。如果为了强度原因要求较高集中的测量光或在目标物体的非常大的移动范围的情况下，可以提供转动装置，其将测量光导引到目标物体单元上。但是，和激光跟踪器系统不同，测量光的大致取向是足够的，其可以以节省成本的方式获得。 

Claims (12)

1.用于目标物体(11)的位置的无接触干涉检测的位置检测系统，包括：
目标物体单元(11)，和
具有至少一个测量光发射器(13)的测量光发射器单元(10)，具有相干光的测量光束(16)从所述至少一个测量光发射器(13)辐射到所述目标物体单元(11)上，
其中，由于所述测量光束(16)与和所述测量光束(16)相干的参考光束(25)的干涉，使用从检测器产生的干涉信号获得的干涉测量数据来确定所述目标物体单元(11)的位置，
其特征在于：
所述目标物体单元(11)包括参考光发射器(23)，所述参考光发射器(23)以其发射具有弯曲的光波前(30)的参考光束(25)的方式来配置，
所述目标物体单元包括具有多个检测器像素(31)的至少一个检测器阵列(14)，所述检测器阵列(14)以所述参考光发射器(23)的参考光束(25)照射到其上的方式被固定到所述目标物体单元(11)，
其中
所述测量光束(16)的波前(29)照射到所述目标物体单元(11)的所述检测器阵列(14)上，所述测量光束(16)的波前(29)的曲率小于所述参考光束(25)的波前(30)的曲率，
所述测量光束(16)的波前(29)和所述参考光束(25)的波前(30)以充分平行的取向仅照射在所述检测器阵列(14)的检测器像素的部分(31-8)上，以允许在所述检测器像素(31-8)中产生干涉信号，
评估所述检测器阵列(14)的至少一个产生干涉信号的检测器像素(31-8)的干涉信号以确定关于所述各自的检测器像素(31-8)和所述测量光发射器之间的距离变化的距离信息，且
使用该距离信息来确定所述目标物体相对于所述测量光发射器单元(10)的位置。
2.根据权利要求1所述的位置检测系统，其特征在于，所述检测器阵列(14)包括一行检测器像素(31)，其沿线延伸。
3.根据述权利要求2所述的位置检测系统，所述线为直的。
4.根据前述权利要求的任意一项所述的位置检测系统，其特征在于，所述位置检测系统包括用于调制所述测量光束(16)的相位调制器(21)。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的位置检测系统，其特征在于，
所述目标物体单元(11)包括多个检测器阵列(14a，14b)，至少为2个，所述多个检测器阵列(14a，14b)的每个具有多个检测器像素(31)，所述多个检测器阵列(14a，14b)以所述参考光发射器(23)的所述参考光束(25)照射到其上的方式被固定到所述目标物体单元(11)，其中所述至少一个测量光束(16)的波前(29)和所述参考光束(25)的波前以充分平行的取向仅照射在每个检测器阵列(14a，14b)的检测器像素(31)的部分上，以允许在所述检测器像素(31-8)中产生干涉信号，且
使用通过评估所述多个检测器阵列(14a，14b)的每个的至少一个产生干涉信号的检测器像素(31-8)的干涉信号所获得的距离信息来确定所述目标物体相对于所述测量光发射器单元(10)的位置。
6.根据权利要求5所述的位置检测系统，其中所述检测器阵列(14a，14b)的数目为至少3个。
7.根据权利要求1-3所述的位置检测系统，其特征在于，所述测量光发射器单元(10)具有多个测量光发射器(13a，13b)，至少为2个，所述多个测量光发射器(13a，13b)的每个适于辐射测量光束(16a，16b)到所述目标物体单元上。
8.根据权利要求7所述的位置检测系统，其中所述测量光发射器(13a，13b)的数目为至少3个。
9.根据权利要求7所述的位置检测系统，其特征在于，其包括调制器，通过所述调制器，所述多个测量光发射器(13a，13b)的所述多个测量光束(16a，16b)被不同地调制。
10.用于扫描将被扫描的物体(3)的表面(2)的扫描系统，包括：扫描传感器(5)，和
定位装置，通过所述定位装置，被固定到所述定位装置的扫描传感器(5)能够相对于所述将被扫描的物体移动到不同的期望位置，
其特征在于，
其包括根据前述权利要求的任意一项所述的用于检测位置的位置检测系统(9)，其中所述目标物体单元被定位在相对于所述扫描传感器的限定的位置，使得通过所述目标物体单元(11)的位置的检测来确定所述扫描传感器(5)的位置，和
通过所述定位系统确定的所述传感器(5)位置信息和所述传感器扫描信息一起被处理来产生期望的表面扫描信息。
11.根据权利要求10所述的扫描系统，其特征在于，所述定位装置包括具有多维可移动机器人臂(8)的定位机器人(7)，其中所述扫描传感器(5)和所述目标物体单元(11)被固定到所述机器人臂(8)。
12.根据权利要求10或11的任意一项所述的扫描系统，其特征在于，所述扫描传感器(5)无接触地操作。
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