CN102538679B - 图像相关位移传感器 - Google Patents

图像相关位移传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN102538679B
CN102538679B CN201110303124.3A CN201110303124A CN102538679B CN 102538679 B CN102538679 B CN 102538679B CN 201110303124 A CN201110303124 A CN 201110303124A CN 102538679 B CN102538679 B CN 102538679B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light path
target surface
displacement
along
image
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201110303124.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102538679A (zh
Inventor
约瑟夫·丹尼尔·托拜森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitutoyo Corp filed Critical Mitutoyo Corp
Publication of CN102538679A publication Critical patent/CN102538679A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102538679B publication Critical patent/CN102538679B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/30—Determination of transform parameters for the alignment of images, i.e. image registration
    • G06T7/32—Determination of transform parameters for the alignment of images, i.e. image registration using correlation-based methods
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10016—Video; Image sequence

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

一种图像相关位移传感器，其用于以简单构造测量沿着与目标表面垂直的方向的位移分量。所述传感器可以包括：照射部分(130′)，其发出照射光；成像部分，其包括至少两个光路(A和B′)和元件(110′)，所述两个光路用于捕捉由目标表面(300)产生的散斑场的多个图像，其中一个光路(A)在接近目标表面处相对于目标表面的法线倾斜，所述元件(110′)使光路(A和B′)中的至少一方偏转；以及处理部分(200)，其根据沿光路(A)和(B′)捕捉的多个图像的相关性测量沿着包括与目标表面(300)垂直的分量的方向的相对于目标表面的位移。

Description

图像相关位移传感器
技术领域
本发明涉及一种图像相关位移传感器(imagecorrelationdisplacementsensor)，更特别地，涉及捕捉散斑场以测量物体位移的图像相关位移传感器。
背景技术
已知利用多个散斑场(散斑图像)之间的相关性的图像相关位移传感器(参见美国专利Nos.6,642,506、7,295,324以及7,515,280)。通常，诸如激光源等相干光源被用于各图像相关位移传感器。散斑场通过利用相干光源照射光学粗糙表面而产生。具体地，利用相干光照射目标表面，并且通过诸如CCD相机或CMOS图像传感器等检测器检测从目标表面散射的光。由此，能够在一个或多个图像中捕捉散斑场。
首先，捕捉移位前的散斑场，并且将捕捉到的散斑场储存到存储器等中作为第一散斑图像。接着，捕捉移位后的散斑场，并且将捕捉到的散斑场储存到存储器等中作为第二散斑图像。然后，基于第一散斑图像和第二散斑图像之间的比较结果，测量具有目标表面的待测物体的位移。
然而，在通过捕捉散斑场测量位移的图像相关位移传感器中，待测量位移的方向受限。换言之，散斑场通常沿着与检测器的接收表面垂直并且与目标表面垂直的方向成像，这使得难以测量沿着与目标表面垂直的方向的位移。
期望获得精确地测量沿着包括与目标表面垂直的分量的方向的位移的经济的图像相关位移传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种图像相关位移传感器，其能够使用紧凑和经济的构造测量沿着包括与目标表面垂直的分量的方向的位移。在一些实施方式中，使用紧凑和经济的构造与沿着与目标表面大致平行的方向的位移组合地测量沿着与目标表面大致垂直的方向的位移。本发明的示例性方面是：一种图像相关位移传感器，其用于测量相对于目标表面的位置位移，所述图像相关位移传感器包括：照射部分，其向所述目标表面发出照射光以产生散斑场；成像部分，其包括第一光路和第二光路，所述第一光路用于捕捉在所述目标表面上产生的所述散斑场的多个图像并且所述第一光路在接近所述目标表面处相对于所述目标表面的法线倾斜，所述第二光路用于捕捉在所述目标表面上产生的所述散斑场的多个图像并且所述第二光路在接近所述目标表面处相对于所述第一光路倾斜，所述成像部分还包括使所述第一光路和所述第二光路中的至少一方偏转的元件；以及处理部分，其根据沿所述第一光路捕捉的所述多个图像和沿所述第二光路捕捉的所述多个图像测量沿着包括与所述目标表面垂直的分量的方向的相对于所述目标表面的位移。
根据本发明的示例性方面，可以提供一种能以简单的构造高精度地测量沿着包括与目标表面垂直的分量的方向的位移的图像相关位移传感器。
从以下给出的详细说明和仅用于图示的附图，将更充分地理解本发明的上述目的和其他目的、特征和优点，所述说明和附图不认为是对本发明的限制。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明的第一示例性实施方式的图像相关位移传感器的示例性构造的图；
图2是示出目标表面上的成像区域的一个示例性配置的平面图；
图3是示出图像相关位移传感器所用的处理装置的示例性构造的框图；
图4是图像相关位移传感器所用的偏转元件的示例的侧视图；
图5是示意性地示出根据本发明的第二示例性实施方式的图像相关位移传感器的示例性构造的图；
图6是示意性地示出根据本发明的第三示例性实施方式的图像相关位移传感器的示例性构造的图；
图7是示意性地示出根据本发明的第四示例性实施方式的图像相关位移传感器的示例性构造的图。
具体实施方式
下面将参照附图说明本发明的示例性实施方式。在下面的说明中，将说明本发明的优选示例性实施方式，但是本发明的范围不限于下面说明的实施方式。在下面的说明中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。
第一示例性实施方式
参照图1说明根据本发明的第一示例性实施方式的图像相关位移传感器。图1是示意性地示出图像相关位移传感器(在下文中简称为“位移传感器”)的整体构造的图。测量具有目标表面300的待测物体的位移的位移传感器100包括照射部分130、成像部分240以及处理部分200。位移传感器100例如被安装于测量头中。
为了清楚地说明，使用三维笛卡尔坐标系说明根据第一示例性实施方式的图像相关位移传感器。参照图1，Z方向与光学系统250(下面更详细地说明)的输入光轴平行，X轴与Z轴垂直并且与检测器160的像素阵列的行方向或列方向平行，Y方向与X方向和Z方向垂直。优选地，位移传感器100和/或目标表面300被配置为使得Y方向与检测器160的像素阵列的行方向或列方向平行，并且Z方向大致垂直于目标表面300。在下面的说明中，除非明确地说明，否则术语“垂直”指的就是与目标表面300垂直，并且还通常与光学系统250的输入光轴对应。另外，如图1所示，目标表面300上的点被定义为原点O。位移传感器100能测量沿着X方向、Y方向、Z方向、横摆方向(yawdirection)、滚动方向(rolldirection)和俯仰方向(pitchdirection)的位置位移。位移传感器100被构造为使用经济且紧凑的构造以高精度测量微小的二自由度至六自由度位移。注意，沿着横摆方向的位置位移与绕Z轴的转角对应，沿着滚动方向的位置位移与绕X轴的转角对应，沿着俯仰方向的位置位移与绕Y轴的位移对应。
照射部分130发出相干光以照射待测物体的目标表面300。具体地，从照射部分130发出的相干光与用于照射目标表面300的照射光134对应。照射部分130例如包括激光源。照射部分130可以包括任何型的光源，只要该光源能够发出相干光。来自照射部分130的照射光134可以沿着期望的设计方向入射到目标表面300。在图1所示的实施方式中，照射方向相对于Z轴倾斜，但这不是必须的。在图5中示出了一个可选的照射配置。当来自照射部分130的照射光134入射到目标表面300时，在目标表面300上形成照射点138。
典型地，目标表面300是光学粗糙漫射表面。因此，当利用相干光照射目标表面300时，产生散斑场。换言之，从目标表面300反射的漫射光产生散斑场。为了以期望的大小和形状形成照射点138，如果期望，照射部分130可以包括透镜等。例如，通过在照射部分130中设置柱面透镜，照射点138可以形成为椭圆形。
由目标表面300以多种方向漫射的光线彼此干涉，从而产生散斑场。在根据第一示例性实施方式的位移传感器100中，捕捉所述散斑场。由漫射光线的干涉产生的散斑场以三维的方式产生。换言之，散斑场填充了表面300上方的空间并且包括与表面300对应地移动的散斑图案。由此，散斑场的图像根据目标表面300相对于位移传感器100的成像方向和位置而变化。可以理解的是，图1所示的示意性地示出的目标表面300在实践中可以具有任何期望的大小。
关于成像部分240，其包括元件110、透镜140、光阑板150和检测器160。元件110包括至少一个用于偏转漫射光的光学元件(例如，偏转元件DefA、DefB和/或DefE，如下面进一步说明)。元件110的偏转元件为用于捕捉目标表面300所产生的散斑场图像的光路提供偏转角，使得该光路在接近目标表面处相对于目标表面300的法线以“三角形角(triangulationangle)”倾斜。作为沿着偏转光路成像的操作的简单和概略的说明，可以说，通过以该倾斜的“三角形角”使目标表面300产生的散斑图案成像，目标表面300沿着Z方向的运动导致成像的视场相对于目标表面300沿着Y方向移动。如下面更详细地说明的，这导致对应的散斑图像响应于Z方向运动在检测器160上沿着Y方向移位，使得可以基于对应的Y方向位移确定Z方向位移。
在图1所示的实施方式中，偏转角使光路在YZ平面中偏转。由元件110偏转的散斑图像光进入透镜140。透镜140例如是凸透镜并且折射和/或聚焦散斑图像光。由透镜140折射和/或聚焦的散斑图像光(例如，光束142)到达光阑板150。光阑孔152位于光阑板150的中心。
在优选实施方式中，成像部分240的透镜140和光阑板150被构造成作为远心系统(telecentricsystem)的光学系统250。即，透镜140和光阑孔152彼此相隔大约透镜140的后焦距。在一些实施方式中，透镜140可以位于距离目标表面300大约透镜140的前焦距的位置处，使得透镜对邻近目标表面300的散斑场成像。光阑孔152大致位于透镜140的光轴上。落在光阑孔152外的光束被光阑板150遮挡。因此，从特定光路进入光阑孔152的特定光束142穿过光阑孔152并且到达检测器160的特定位置(例如，如下面进一步说明的，与检测器或检测器部分DA、DB和/或DE对应的位置)，该特定位置与散斑场的特定部分和/或目标表面300的邻近部分对应。当光学系统250是远心系统时，仅大致与透镜140的光轴平行的散斑图像光束是穿过光阑孔152变成被检测光束154的光束142。由此，位于光学系统250的入射侧的元件110的特定偏转元件(例如，DefA、DefB等)用于接收沿着第一光路的一部分的输入光束然后将该输入光束偏转成与透镜140的光轴平行，使得该输入光束穿过光阑孔152到达特定检测器或检测器部分(例如，DA、DB等)，其中第一光路在接近目标表面300处相对于目标表面300的法线倾斜。当然，大致与目标表面300垂直的第二光路可以穿过元件110的不包括偏转元件的部分(如图1中由虚线所示的没有偏转元件的部分)，使得第二光路保持与透镜140的光轴平行并且穿过光阑孔152到达特定检测器或检测器部分(例如，DC、DD等)。
检测器160捕捉产生在目标表面300上的散斑场。在图1所示的实施方式中，检测器160是二维像素阵列的单个光电检测器，所述检测器是例如CCD(电荷耦合器件)相机或CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器。
另外，检测器160包括检测部分DA、检测部分DB、检测部分DC、检测部分DD和检测部分DE。这里，检测部分DA包括单个检测器160的一部分。类似地，检测部分DB、DC、DD和DE均包括检测器160的一部分。各检测部分DA至DE具有二维像素阵列。检测部分DA至DE布置于检测器160的接收表面上的不同位置。优选地，检测部分DA至DE以彼此不重叠的方式布置于检测器160的接收表面上的不同位置。检测部分DA接收来自目标表面300上的区域TA的散斑图像光以捕捉散斑图像。类似地，检测部分DB、DC、DD和DE相应地接收来自目标表面300上的区域TB、TC、TD和TE(还参见图2)的散斑图像光以捕捉散斑图像。由此，可以以多个点和/或成像角检测目标表面300的运动，所得到的图像可以用于确定目标表面的运动。特别地，可以使用紧凑且经济的构造以高分辨率和高精度确定与目标表面300垂直的运动。
在图2中更清楚地示出图1中的目标表面300上所示的成像区域TA至TE的示例性构造。图2是沿着与XY平面垂直的方向的图，其示出当目标表面300相对于位移传感器100位于标称操作间隙(nominaloperatinggap)处时区域TA至TE之间的由设计固定的位置关系。散斑场的沿着包括区域TA至TE的光路成像的部分通过目标表面300的相对运动而改变。因此，能够在获得沿着与区域TA至TE对应的光路观察的散斑图像位移的量的基础上，计算目标表面300的相对运动量或位置位移。
区域TA和TB配置于Y轴上并且关于X轴对称。区域TA相对于原点O布置于+Y侧，并且区域TB相对于原点O布置于-Y侧。区域TA和TB之间的距离由droll表示。区域TC和TD也配置成关于X轴对称。区域TC相对于原点O布置于+Y侧，并且区域TD相对于原点O布置于-Y侧。区域TC和TD的X坐标相同。区域TC和TD的X坐标均由dyawcorrection表示。换言之，区域TC和TD在X方向上与区域TA和TB间隔dyawcorrection。区域TC和TD之间的距离由dyaw表示。区域TE在+X方向上与区域TA间隔dpitch。因此，区域TE的X坐标可以是dpitch。区域TA和TE在Y方向上的位置相同。在上述说明中，当以标称操作间隙操作时，各区域的位置与各区域的中心位置或“检测位置”对应。参照图2，区域TA至TE均为方形，但是各成像区域TA至TE的操作形状可以由光学系统的设计和/或检测器信号处理选择来定并且不受特别限制。区域TA至TE可以具有不同的大小或相同的大小。照射部分130照射比包括区域TA至TE的区域充分大的区域。
成像部分240捕捉沿着包括区域TA至TE的光路成像的散斑场。沿着这些光路成像的散斑场被投影到如上所述的单个检测器160的不同位置。这里假定用于捕捉在接近区域TA处产生的散斑场的光路是光路A。来自区域TA的散斑图像光沿着光路A传输并且进入检测部分DA。类似地，假定用于捕捉在接近区域TB、TC、TD和TE处产生的散斑场的光路分别是光路B、C、D和E(参见图1)。这里说明的光路A指的是从接近区域TA的位置的散斑场传输过光阑孔152并且进入检测部分DA的光束(lightflux)的主要光线。类似地，光路B至E分别指的是从邻近目标表面300的散斑场传输过光阑孔152并且进入检测区域DB至DE的散斑图像光的主要光线。例如，经由光阑孔152的中心连接区域TC的中心和检测区域DC的中心的线与光路C对应。如后所述，各光路A至E可以由元件110偏转。
如图1所示，在目标表面300的法线和光路A的接近目标表面300的第一部分之间形成角AngA。类似地，在目标表面300的法线和光路B的接近目标表面300的第一部分之间形成角AngB，在目标表面300的法线和光路E的接近目标表面300的第一部分之间形成角AngE。注意，短语“接近目标表面300”表示目标表面300和元件110之间的空间。
光路C和D的接近目标表面300的第一部分与Z方向平行。因此，对应的角AngC和AngD为0°。在图1所示的实施方式中，光路A和B从法线以相同的角倾斜并且在同一YZ平面内沿相反方向倾斜。换言之，在接近目标表面300处，光路A和B的X方向上的位置与区域TA和TB的X方向上的位置名义上相同。包括光路A和从光路A与目标表面300之间的交点延伸的法线的平面PA与包括光路B和从光路B与目标表面300之间的交点延伸的法线的平面PB布置于相同的平面中。在接近目标表面300处，光路A与光路E平行。包括光路E和从光路E与目标表面300之间的交点延伸的法线的平面PE与平面PA平行。因此，在该特别的实施方式中，角AngA、AngB和AngE彼此相等并且由θODA表示。角θODA通常大多数落在0°至90°的角范围中。然而，在多个实施方式中，优选包括45度的较小角范围。
元件110被构造成使沿着光路A、B和E的第一部分的光线偏转以改变所述光线的方向，使得所述光线变得与透镜140的光轴平行并且以期望的方式穿过光阑孔152到达检测器160。相反，可以说，元件110被构造成选择光路A、B和E的第一部分的方向，使得在元件110处偏转之后，所述光线变得与透镜140的光轴平行并且以期望的方式穿过光阑孔152到达检测器160。这里假定元件110的使光路A偏转的部分是光学偏转元件DefA。类似地，假定元件110的使光路B偏转的部分是光学偏转元件DefB，并且元件110的使光路E偏转的部分是光学偏转元件DefE。光学偏转元件DefA、DefB和DefE均为楔形。光学偏转元件DefA、DefB和DefE相应地使光路A、B和E偏转，并且使所述光路与Z方向平行。光学偏转元件DefA、DefB和DefE可以具有相同的形状。另外，可以沿相同的方向布置光学偏转元件DefA和DefE，使得彼此平行的光路A和E以相同的偏转角偏转。例如，光学偏转元件DefE可以布置在沿X方向与光学偏转元件DefA间隔开并且平行对齐的位置。光学偏转元件DefA和DefB可以布置成彼此面对，使得接近彼此的光路A和B共面。换言之，光学偏转元件DefA和DefB可以被配置为关于Z轴或XZ平面镜面对称。
另外，元件110允许光路C和D的与Z方向平行的第一部分透过而不偏转。由此，光路C和D保持与Z方向平行。因此，光路A至E的在元件110和透镜140之间的部分与Z方向平行。换言之，元件110提供使相对于Z方向倾斜的光路A、B和E与Z方向平行的偏转角。注意，光学偏转元件DefA、DefB和DefE可以一体形成或单独形成。
穿过元件110的光路A至E进入透镜140。因此，光路A至E被透镜140折射并且朝向光阑孔152被引导。光路A至E入射到透镜140的不同部分，所述不同部分分别由140A至140E表示。例如，来自区域TE的包括光路E的光束具有穿过透镜或作为透镜140的一部分的透镜部分140E的主要光线。可以理解的是光路(例如，光路A)主要由检测器(例如，检测器DA)和光阑孔152的位置限定。与特定光路(例如，光路A)相关联的透镜部分(例如，140A)的位置是透镜140的与这些元件对齐的部分。于是，对于远心系统来说，元件110的与光路(例如，光路A)相关联的部分是沿着与透镜140的光轴平行的方向与透镜部分对齐的部分。如果特定的实施方式期望，元件110的所述部分可以包括偏转元件(例如，偏转元件DefA)。于是，偏转元件将确定所述光路的在元件110和目标表面300之间的部分的倾斜方向。沿着与光路A至E显著不同的方向传输的光束或从主要光线显著地偏离的光束被光阑板150遮挡。本领域技术人员可以根据这些设计原理构造除了这里所公开的这些实施方式之外的多种实施方式。
穿过光阑孔152的光路A至E到达相应的检测部分DA至DE。检测部分DA捕捉沿着光路A的散斑场图像。在该情况下，光路A在接近目标表面300处从目标表面300的法线以角AngA倾斜并且用于捕捉沿从目标表面300的法线以角AngA倾斜的方向的散斑场。类似地，检测部分DB至DE相应地捕捉沿着光路B至E的散斑场。光路B和E在接近目标表面300处相应地从目标表面300的法线以角AngB和AngE倾斜并且用于捕捉沿从目标表面300的法线以角AngB和AngE相应地倾斜的方向的散斑场。光路C和D在接近目标表面300处与目标表面300的法线平行。因此，光路C和D用于捕捉在接近目标表面300处沿着与目标表面300垂直的方向的散斑场。
这里，由单个检测器160捕捉沿着光路A-E(即，在区域TA-TE中)产生的散斑场。由检测器160获取的散斑场的图像数据经由信号线164传递并且输入到处理部分200。成像部分240对各光路A-E多次捕捉散斑场。于是，多个散斑场的图像数据被储存在处理部分200中。换言之，检测部分DA多次捕捉沿着光路A产生的散斑场。于是，处理部分200储存多个被捕捉的散斑场的图像数据。类似地，处理部分200储存多个沿着光路B-E产生的散斑场的图像数据项(散斑图像数据)。处理部分200基于散斑场图像数据执行相关性处理。具体地，通过获得移动前获取的散斑图像数据和移动后获取的散斑图像数据之间的相关性来测量位移。于是，对于图1所示的构造来说，如下面进一步说明的，处理部分200可以确定六自由度位移。另外，处理部分200可以经由信号线132控制照射部分130的照射光134。
处理部分200是诸如个人计算机或DSP等信息处理器并且对图像数据进行预定的计算处理。更具体地，处理部分200是包括CPU和诸如存储器等的储存区域的计算机。例如，处理部分200包括用作算术处理部分的CPU(中央处理器)、诸如ROM(只读存储器)或RAM(随机存取存储器)等储存区域以及通信接口，并且执行测量位移所需的处理。ROM储存例如各种构造数据和用于进行算术处理的算术处理程序。CPU读出储存在ROM中的算术处理程序，并且在RAM中展开(develop)该程序。于是，根据构造数据和来自检测器160的输出等执行该程序。此外，处理部分200可以包括用于显示算术处理结果的监视器等。
将参照图3说明在处理部分200中执行的示例性处理。图3是示出处理部分200的一些元件的示例性构造的框图。处理部分200包括图像数据储存部分201、相关性处理部分202、图像位移计算部分203和位置位移计算部分204。
图像数据储存部分201将目标表面300运动前后获取的散斑图像储存为图像数据。例如，在目标表面300相对运动前获取的散斑图像被设定为基准散斑图像，在目标表面300运动后获取的散斑图像被设定为测量到的散斑图像。这里假定沿着光路“i”捕捉的散斑图像是散斑图像DSi(其中i＝A、B、C、D、E)。运动前获取的散斑图像DSi被设定为基准散斑图像DSiR，并且运动后获取的散斑图像DSi被设定为测量到的散斑图像DSiC。
相关性处理部分202比较基准散斑图像DSiR与测量到的散斑图像DSiC并且进行相关性处理。具体地，相关性处理部分202将沿着位移方向的偏移量(offset)加入到测量到的散斑图像，并且计算基准散斑图像和测量到的散斑图像之间的相关性值。在该情况下，沿着配置检测器160的受光像素阵列的X方向和Y方向加入偏移量。换言之，沿着X方向的偏移量和沿着Y方向的偏移量分别被加入到测量到的散斑图像。注意，加入偏移量的方向不限于X方向和Y方向。相关性处理部分202计算对各偏移量的相关性值。至于相关性处理，例如可以采用美国专利No.6,642,506、美国专利No.7,295,324以及美国专利No.7,515,280所公开的方法或这些文献中引用的文献中公开的方法。
图像位移计算部分203基于相关性处理的结果计算图像位移。图像位移是与测量到的散斑图像相对于基准散斑图像的位置位移对应的值。例如，当相关性值最大时获得的偏移量值与图像位移对应。图像位移可以是与检测器160的受光像素对应的像素位移。散斑图像在受光表面中所移动的像素数例如可以用作图像位移。可选地，已知的设计常数可以用于将像素位移转换成用作图像位移的目标表面300的位移。例如，像素位移可以通过使用成像倍率等被转换成实际位移。以如上所述的方式，计算图像位移。
相关性处理部分202和图像位移计算部分203对沿着光路A至E获取的散斑图像进行类似的处理。例如，相关性处理部分202对沿着光路A捕捉的基准散斑图像DSAR和测量到的散斑图像DSAC执行相关性处理。然后，图像位移计算部分203基于相关性处理结果计算图像位移。以此方式，获得沿着光路A捕捉的基准散斑图像DSAR和测量到的散斑图像DSAC之间的位移。结果，如下面进一步概括的，能够获得接近区域TA的目标表面300的X方向和Y方向上的运动量。这里，沿着光路A的散斑图像的图像位移由(XA，YA)表示，并且该图像位移(XA，YA)与接近区域TA的目标表面300的运动量对应。
类似地，相关性处理部分202可以对分别沿着光路B、C、D和E捕捉的基准散斑图像DSBR、DSCR、DSDR以及DSER和测量到的散斑图像DSBC、DSCC、DSDC以及DSEC执行相关性处理。于是，图像位移计算部分203计算分别沿着光路B、C、D和E的散斑图像的图像位移(XB，YB)、(XC，YC)、(XD，YD)以及(XE，YE)。XA、XB、XC、XD以及XE表示沿着X方向的图像位移，并且YA、YB、YC、YD以及YE表示沿着Y方向的图像位移。
位置位移计算部分204基于图像位移计算位置位移。该位置位移与目标表面300相对于位移传感器100的相对运动量对应。换言之，该位置位移与具有目标表面300的待测物体相对于位移传感器100的运动量对应。
例如，对于图1和图2所示的实施方式，如下面的公式(1)所示，使用图像位移XA、XB、XC以及XD能够获得沿着X方向的位置位移X。
X＝KX*MEAN(XA，XB，XC，XD)(1)
注意，函数MEAN表示X方向位移的平均值，其排除了横摆对个体图像位移的影响。KX是图像位移和X方向位置位移之间的比例因子。因此，能够基于沿着光路的图像位移XA、XB、XC以及XD的平均值获得沿着X方向的位置位移X。如下面的公式(2)所示，使用已知距离dyaw以及图像位移XC和XD能够获得绕Z轴的转动位置位移θyaw。
θyaw＝atan(KX*(XC-XD)/dyaw)(2)
当目标表面300绕Z轴转动时，图2所示的区域TC和TD沿X方向移动。另外，区域TC和TD相对于它们之间的中点在相反方向上移动。因此，基于图像位移XC和图像位移XD之间的差值计算转动位置位移θyaw。可以理解的是，公式(2)对于小转角来说可能足够精确。对于某些应用和/或较大转角来说，可以使用具有较少简化近似值的表达式来提供更高的精度。
如下面的公式(3)所示，使用沿着Y方向的图像位移YC和YD能够获得沿着Y方向的位置位移Y。
Y＝KY*MEAN(YC，YD)-ΔYyaw(3)
KY是Y方向上的图像位移和位置位移的比例因子。ΔYyaw表示由于绕Z轴的转动位置位移θyaw引起的沿着Y方向的图像位移，在下面进行说明。如图2所示，例如，区域TC和TD与Z轴间隔X方向尺寸dyawcorrection。因此，即使目标表面300作为整体不沿着Y方向平移，区域TC和TD也在绕Z轴转动的情况下沿相同方向移动。由此，通过以ΔYyaw的量校正图像位移YC和YD来计算沿着Y方向的位置位移Y。在目标表面300中，光路C和D被配置为关于X轴对称，这简化了与总的Y位移相关的公式。公式(3)中所用的ΔYyaw能够通过下面的关系式(4)而获得。
ΔYyaw＝θyawcos[atan(dyaw/2dyawcorrection)]·(dyawcorrection 2+dyaw 2/4)1/2(4)
而且，如下面的公式(5)所示，使用图像位移YA和YB能够计算沿着Z方向的位置位移Z。
Z≈KZ*(YA-YB)/(2*tanθODA)(5)
KZ是Y方向图像位移和Z方向位置位移之间的比例因子，并且通常取决于设计几何图形和倍率以及各个单元所呈现的生产偏差(productiondeviation)。可以通过分析和/或基于实验校准来确立KZ。公式(5)可以如下地理解。由于倾斜角AngA和AngB(例如，以角θODA)，光路A和B之间的距离从目标表面300朝向元件110逐渐减小。当目标表面300和位移传感器100之间的距离改变时，光路A和B与接近目标表面300的散斑场之间的交点位置改变，由此沿着光路A和B的散斑图像表现为沿着Y方向平移。例如，随着目标表面300和位移传感器100之间的距离增大，在与YZ平面平行的平面中相对于目标表面300的法线倾斜的各光路A和B的长度均增大。因此，接近区域TA和TB的散斑场的成像部分之间的Y方向距离增大。这意味着沿着光路A的图像沿+Y方向移动并且沿着光路B的图像沿-Y方向移动。沿着Z方向的位置位移Z可以由YA和YB之间的差值来表示。随着YA和YB之间的差值增大，例如，沿着Z方向的位置位移Z增大。对于小位移来说，沿着光路A和B的Y的变化与Z的变化的比率的合理近似值是tanθODA。
在图示的实施方式中，光路A和B在相同的平面内，并且角AngA和AngB彼此相等。在目标表面300和元件110之间，光路A和B被配置成关于Z轴对称。该对称构造使得可以通过像公式(5)的简单公式测量沿着Z方向的位置位移Z。能够通过沿着具有不同方向的光路A和B捕捉的散斑图像获得沿着Z方向的位置位移。
可以通过下面的公式(6)利用图像位移YA和YE获得绕Y轴的转动位置位移θpitch。
θpitch＝atan[(KZ*(YE-YA)/tanθODA)/(dpitch)](6)
光路A和E彼此平行并且区域TA和TE的Y坐标相同。目标表面300根据转动位置位移θpitch绕Y轴转动。由于该位移，散斑产生区域TA和TE的位置在Z方向上改变。另外，由于成像所用的倾斜角AngA和AngE(例如，以角θODA)，Z位移反映在区域TE沿着Y方向的成像位置中。由此，如公式(6)所示，能够基于YA和YE之间的差值以及它们沿着X方向的间隔来表示沿着俯仰方向的转动位置位移θpitch。可以理解的是，公式(6)对于小转角可能是足够精确的。对于某些应用和/或较大转角，可以使用具有较少简化近似值的表达式来提供更高的精度。
如上所述，使用与用于测量沿着Z方向的位置位移Z的图像位移YA和YB对应的光路A和B不同的光路E。换言之，除了两个光路A和B以外，还提供光路E用于测量沿着Z方向的位置位移Z。另外，区域TE和TA被布置在相对于Y轴不同的位置。该构造使得能测量绕Y轴的转动位置位移θpitch。而且，使光路A和E在接近目标表面300处彼此平行，由此能通过简单的公式测量沿着俯仰方向的转动位置位移θpitch。
如下面的公式(7)所示，使用沿着Y方向的位置位移Y以及图像位移YA和YB能够获得沿着滚动方向的位置位移θroll。θroll＝atan[(KZR[KROLL*(YA+YB)-2Y]/tanθODA)/(droll-2ZtanθODA)](7)
KROLL是与如下事实相关的校正因子：与可基于公式(3)的项2Y不同，项YA和YB来自于倾斜光路并且经由不同的光学元件。KZR是由于滚动引起的图像位移和滚动方向上的位置位移之间的比例因子，并且通常取决于设计几何形状和倍率以及各个单元呈现的生产偏差。KROLL和KZR可以通过分析和/或基于实验校准而确立。光路A和B沿相反方向倾斜，并且区域TA和TB的Y坐标相同。如上所述地配置光路A和B使得可以用简单的公式测量沿着滚动方向的转动位置位移θroll。目标表面300根据转动位置位移θroll绕X轴转动。由于该位移，散斑产生区域TA和TB的位置在Z方向上改变。另外，由于成像所用的倾斜角AngA和AngE(例如，以角θODA)，Z位移被反映在区域TA和TB沿着Y方向的成像位置。由此，如公式(7)所示，可以利用YA和YB之和以及它们沿着Y方向的间隔来表示沿着滚动方向的转动位置位移θroll。可以理解的是，对于小转角来说，公式(7)可能是足够精确的。对于某些应用和/或较大的转角，可以使用具有较少简化近似值的表达式来提供更高的精度。
上述构造能测量六自由度(DOF)位移。原则上，可以使用来自仅四个光路A、B、C和E的图像来推出六自由度位移。然而，这在计算上会消耗太多时间，并且由于非优测量角和/或错位等导致精度更容易劣化。增加光路D可以克服上述问题因此在一些实施方式中是有利的。如果使用较少的光路，则在一些应用中确定较少自由度位移，在一些实施方式中，组合具有“法线方向”成像的光路和具有“成角度方向”成像的光路仍是有利的。使用元件110产生具有非零成像角(例如，AngA、AngB等)的光路。元件110根据入射光路以预定的偏转角偏转光。结果，利用简单的构造能够计算沿着包括Z分量的方向的位置位移。元件110的示例将参照图4进行说明。
图4是示出元件110的示例的示意性侧视图。元件110可以包括诸如玻璃或树脂等透明材料。光学偏转元件DefA和DefB位于光路A和B入射到的位置。在多种实施方式中，光学偏转元件DefA和光学偏转元件DefB均具有楔形。在一个示例性实施方式中，该楔形的光入射平面Lip和光出射平面Lep相对于XY平面在相反的方向上倾斜如下的量：该量的组合对相应的光路提供期望偏转角。另外，光学偏转元件DefA和光学偏转元件DefB被对称地布置使得楔形的前“楔形角”边缘彼此面对。相应的楔形角边缘彼此相邻的这种特别的配置在多种实施方式中可能是有利的。与使楔形元件的宽端彼此相邻的情况不同，使楔形角边缘彼此相邻可以防止被偏转的光路与不同的光路的偏转元件交叉并且允许更紧凑的设计和灵活的操作间隙。在图示的实施方式中，虽然该构造仅是示例性而非限制性的，但是光学偏转元件DefE可以具有与光学偏转元件DefA相同的构造和布局。如果期望，可以通过组合棱镜和基板来获得元件110。在与法线平行的光路C和D的入射位置处，元件110可以简单地包括具有平行侧面或孔的基板，或可以形成有增加的元件，其中增加的元件的光入射平面和光出射平面平行(例如，在一个实施方式中，与XY平面平行)。
元件110的构造不限于图4所示的构造。具有根据入射位置而变化的偏转角的光学元件可以用作元件110。例如可以使用棱镜、衍射光栅、透镜或反射镜作为光学偏转元件来形成元件110，其中光学偏转元件是基本元件。可选地，可以通过组合不同类型的光学偏转元件来形成元件110。元件110的配置有助于装置的小型化。
在第一示例性实施方式中，经由远心光学系统250捕捉散斑场，其中远心光学系统250可以被应用于在所有自由度中能以高精度进行六自由度测量的小测量头中。在多种实施方式中，元件110被配置于目标表面300和远心光学系统250之间。
而且，由单个检测器160获取沿着光路A至E的散斑图像。换言之，光路A至E在检测器160的不同部分入射。这消除了设置多个单独的元件用作检测器160的需要，导致装置的简化。在接近目标表面300处，使光路C和D垂直于目标表面300。这提高了测量与XY平面平行的位置位移的稳健性(robustness)和/或精度。
角AngA、AngB和AngE中的至少一方优选地为10度以上。更优选地，所有的角均为10度以上。另外，角AngA、AngB和AngE中的至少一方优选地被设定在30度至55度的范围中。将角AngA、AngB和AngE设定在所述角范围中使得能够在所有自由度中进行精确测量。更优选地，所有的角均被设定在30度至55度的范围中。这使得可以提高测量精度。在一些实施方式中，角AngA、AngB和AngE可以不同。
在根据第一示例性实施方式的成像部分240中，元件110被布置在远心光学系统250的入射侧。元件110允许来自各光路或成像区域的图像光以期望的角偏转，例如使光路A至E彼此平行。结果，在第一示例性实施方式中，允许图像光借助于共用光学系统传输。具体地，图像光穿过单个透镜140和光阑孔152并进入检测器160。这能够使光学系统小型化。
在远心光学系统250中，允许光路A至E穿过共用光阑孔152，由此能够共用透镜140。结果，防止了部件数的增多。
第二示例性实施方式
将参照图5说明根据本发明的第二示例性实施方式的位移传感器。图5是示出位移传感器100的第二示例性构造的图。根据第二示例性实施方式的位移传感器100包括在下面进一步说明的第二实施方式的照射部分130′。除此以外，第二实施方式是根据第一示例性实施方式的位移传感器100的简化形式，并且被构造成使用较少光路进行平移自由度用的三自由度测量。如下面进一步概括的，在一些应用中还确定横摆位移自由度(第四自由度)。为了进行三自由度测量，仅使用两个光路A和B′，由此元件110包括单个光学偏转元件DefA。检测器160包括检测部分DA和检测部分DB′。第二实施方式的照射部分130′包括光源130A(例如，激光)以及定位于元件110′和透镜140之间的分束器130B(例如，半涂银表面)。分束器130B被配置成接收来自光源130A的照射光并且将所述照射光偏转成透过元件110′作为照射光134′到达目标表面。因为照射光穿过元件110′，所以照射光可以被偏转成与各光路大致平行，以不论操作间隙如何都照射目标表面上的期望区域。可以理解的是，照射部分130′的配置可以与这里公开的任何实施方式组合使用。虽然在分束器130B处损失一些散斑图像光，但是沿着光路(例如，光路A和B′)传递的图像光的主要部分穿过分束器130B以提供期望的散斑图像。除此以外，根据第二示例性实施方式的位移传感器100的基本构造与第一示例性实施方式相同，并且通过类推可以理解相同编号和/或构造的元件。
在第二示例性实施方式中，能够测量沿着X方向、Y方向、Z方向以及横摆方向的位移。具体地，沿着两个光路A和B′捕捉散斑图像。散斑图像被多次捕捉。结果，能够获得散斑图像的图像位移(XA，YA)和(XB′，YB′)。
光路A相对于目标表面300的法线倾斜，而光路B′与所述法线平行。因此，光路B′对于Z位移相对不敏感，不能确定滚动或俯仰测量。假定没有滚动、俯仰或横摆位移。为了方便，将光路B′接近区域TB′的初始位置作为坐标原点O。于是，作为确定位移信息的一个示例，可以使用公式(8)、(9)和(10)，可以通过对前面列出的公式进行类推来理解公式(8)、(9)和(10)。
X＝KX*XB′或X＝KX*MEAN(XB′，XA)(8)
Y＝KY*YB′(9)
Z≈KZ*(YB′-KN1YA)/(tanθODA)(10)
在公式(8)-(10)中，KX、KY和KZ可以理解为类似于前面的公式中的类似标记的因子。KNI是与如下事实相关的相关性因子：与来自直的法线光路的项YB′不同，项YA来自倾斜光路并且经由不同光学元件。通过分析和/或基于实验校准可以确立各个K因子。
如果允许绕Z轴的横摆转动位置位移θyaw，则对于小横摆位移来说可以使用公式(11)：
θyaw≈asin(KX*(XB′-XA)/(dyaw-ZtanθODA)(11)
为了提供良好的Z轴测量灵敏度，通过使用元件110使两个光路A和B′中的至少一方取向为相对于法线方向倾斜。虽然在图5中光路B′在接近目标表面300处与法线方向平行，但是如果期望，光路B′也可以被偏转，只要光路B′在与光路A不同的成像方向上取向。如果两个光路A和B′都被偏转，则确定沿着XY平面的位移需要更复杂的公式。本领域普通技术人员基于本公开的示教可以确定所述公式。沿着两个光路A和B′多次捕捉散斑图像。由此，如上面所概括的，能够测量沿着X方向、Y方向、Z方向以及横摆方向(如果期望)的位移。
接着，说明与待测位置位移的方向数、即能够测量位置位移的维数相关的光路数。在图5所示的构造中，能够进行四自由度位移测量。通过对图5所示的构造增加一个光路可以进行五自由度位移测量。例如，通过增加第一示例性实施方式所示的光路E并且使用公式(6)可以测量沿着俯仰方向的转动位置位移。通过增加如图1的实施方式所示和所说明的光路可以进行六自由度位移测量。然而，该实施方式包括“冗余”光路以简化计算公式和/或增加测量稳健性。更普遍地，三个点限定一平面。因此，以一些计算复杂性为代价，如果假定或通过设计已知了转动原点，则使成像部分240具有三个以上的光路，并且三个光路相对于彼此并且相对于法线方向在接近目标表面处适当地倾斜，可以进行六自由度位移测量。此外，如果仅两个光路相对于法线方向倾斜，则将它们配置于目标表面300上的不同的X位置和Y位置。由此，能够进行六自由度位移测量。具体地，能够测量沿着X方向、Y方向、Z方向以及横摆方向的位移和沿着滚动方向或俯仰方向的位移。
第三示例性实施方式
将参照图6说明根据本发明的第三示例性实施方式的位移传感器400。第三示例性实施方式的构造与第一示例性实施方式构造的不同点在于远心光学系统的构造。位移传感器400的基本构造与第一示例性实施方式相同，所以适当地省略对它们的说明。在下文中，将主要说明成像部分440的构造。
在第三示例性实施方式中，各光路A至E均设置有单独的透镜140。因此，在元件110的后侧，布置有与光路A至E相应地对应的五个透镜。为了简化说明，假定与光路B对应的透镜是透镜140B，并且对于其他光路以此类推。透镜140B仅影响光路B。类似地，与光路A对应的透镜是仅影响光路A的透镜140A，等等。例如，透镜140A至140E可以是具有基本上相同的特性并且被布置于相同的XY平面的聚光透镜。在一个示例性实施方式中，由五个透镜140A至140E构成的透镜阵列(例如，模塑的透镜阵列)被布置于在第一示例性实施方式中布置透镜140的XY平面。各透镜140A至140E的光轴与Z方向平行。
透镜140B被布置于光学偏转元件DefB的紧上方。换言之，透镜140B的光轴穿过光学偏转元件DefB。类似地，透镜140A、140C、140D和140E被相应地布置于光学偏转元件DefA、DefC、DefD和DefE的紧上方。
在光阑板150中，形成与光路A至E对应的开口。即，光阑板150具有五个开口。为了简化说明，假定与光路B对应的开口是光阑孔152B，并且对于其他光路也以此类推。光阑孔152B被布置在透镜140B的光轴上，并且对于其他光路也以此类推。通过光学偏转元件DefB使光路B与Z方向平行并且进入透镜140B。包括作为主要光线的光路B的光束由透镜140B会聚并且穿过光阑孔152B。在此情况下，透镜140B和光阑板150之间的距离大致与透镜140B的焦距相当。因此，透镜140B和光阑板150的光阑孔152B构成远心光学系统450B，并且对于其他光路A和C-E也以此类推。光路B穿过远心光学系统450B并且进入检测部分DB。以类似方式配置其他光路。由此，成像部分440具有五个远心光学系统。换言之，为各光路单独设置远心光学系统。该构造能够精确地调整光路。
第四示例性实施方式
将参照图7说明根据本发明的第四示例性实施方式的位移传感器500。第四示例性实施方式的构造与第三示例性实施方式的构造的不同点仅在于远心光学系统的构造所包括的光阑孔的形状和相关效果方面。位移传感器500的基本构造与第三示例性实施方式类似，所以适当地省略多余的说明。在下文中，将主要说明成像部分540的构造。
在第四示例性实施方式中，形成于光阑板150的各开口均为缝状。与第一至第三示例性实施方式中的开口不同，其中，所述开口在一个示例性实施方式中为圆形，第四示例性实施方式中的各开口为直线状或细长状。在第四示例性实施方式中，如第三示例性实施方式那样，还为各光路设置开口。这里假定与光路B对应的开口是缝状孔552B，并且对其他光路A和C-E也以此类推。类似地，与光路A和C-E对应的开口是缝状孔。
为光阑板150和元件110之间的光路分别设置的透镜可以是均具有与对应的缝状孔平行地对齐的柱轴线的柱面透镜。穿过光学偏转元件DefB的光路B进入作为柱面透镜的透镜140B。于是，沿着光路B传输的光束142被透镜140B折射并且进入光阑板150。穿过光阑板150的缝状孔552B的光束142是进入偏转部分DB的光束154，并且对于其他光路A和C-E也以此类推。入射到光阑板150的缝状开口552B外侧的光被遮挡。
柱面透镜名义上仅沿X方向和Y方向中的一个方向折射光。因此，沿着光阑板150上的光路B传输的光包括图像在一个方向上的直线状扩散(例如，图像中的散斑)。缝状孔与直线状扩散平行。这允许具有直线状扩散的光有效地穿过缝状孔。
而且，在第四示例性实施方式中，各检测部分DA至DE可以是一维直线传感器。具体地，检测部分DA至DE均包括沿着检测部分要检测的图像运动的各轴线排列的多个像素，各细长的像素与所述轴线横切(例如，与缝状开口的纵长方向平行)。于是，基于一维图像执行相关性处理。对于基于一维图像的相关性处理来说，可以采用例如美国专利No.6,256,016和美国专利No.6,642,506中公开的方法。例如，在美国专利No.6,642,506的第18栏中的公式(2)中通过设定M＝1能够获得一维图像用的相关性值。另外，处理部分200以第一示例性实施方式中说明的方式计算六自由度位移。
在第四示例性实施方式中，使用柱面透镜和缝状开口获取一维散斑图像。基于一维散斑图像的相关性处理减少了计算时间。
其他示例性实施方式
在上述示例性实施方式中，基于三维笛卡尔坐标系确定待测位移的方向，但是可以以多种途径确定所述方向。具体地，可以测量沿着除了X方向、Y方向、Z方向、横摆方向、俯仰方向和滚动方向以外的方向的位移。例如，可以测量沿着包括Z分量的方向的位移来替代测量明确地沿着Z方向的位移。使用具有不同角的两个光路也能够测量沿着包括Z分量的方向的位移。上述位移不限于基于待测物体和测量头的相对运动的位移，而是包括待测物体的多种变型。
可以通过硬件实施处理部分200的任何处理，或者可以通过使CPU(中央处理器)执行计算机程序来实施处理部分200的任何处理。使用任何类型的非临时性计算机可读介质能够存储程序并将程序提供给计算机。非临时性计算机可读介质包括任何类型的实体存储介质。非临时性计算机可读介质的示例包括磁性存储介质(诸如软盘、磁带、硬盘驱动等)、光学磁性存储介质(例如，磁光盘)、CD-ROM(光盘只读存储器)、CD-R(单写式光盘)、CD-R/W(可重写式光盘)以及半导体存储器(诸如掩模ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦PROM)、快闪ROM、RAM(随机存取存储器)等)。可以使用任何类型的临时计算机可读介质将程序提供给计算机。临时计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波。临时计算机可读介质能够经由有线通信线路(例如，电线和光纤)或无线通信线路将程序提供给计算机。
上述示例性实施方式中说明的位移传感器能够应用到各种用途中。虽然已经参照示例性实施方式说明了本发明，但是本发明不限于上述示例性实施方式。本领域技术人员容易理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够以多种途径对本发明的模式和细节进行变型。如果期望，本领域普通技术人员可以组合第一、第二、第三和第四示例性实施方式。
由所述的本发明可见，本发明的实施方式能够以很多途径进行改变。所述改变不认为是脱离本发明的精神和范围，并且对本领域技术人员来说明显的是，所有变型意欲涵盖于所附的权利要求书的范围内。
通过引用的合并
2000年6月1日提交的美国专利No.6,642,506、2004年7月13日提交的美国专利No.7,295,324以及2004年5月12日提交的美国专利No.7,515,280的全部内容均通过引用合并于此。

Claims (23)

1.一种图像相关位移传感器，其用于测量相对于目标表面的位置位移，所述图像相关位移传感器包括：
照射部分，其向所述目标表面发出照射光以产生散斑场；
成像部分，其包括第一光路和第二光路，所述第一光路用于捕捉在所述目标表面上产生的所述散斑场的多个图像并且所述第一光路在接近所述目标表面处相对于所述目标表面的法线倾斜，所述第二光路用于捕捉在所述目标表面上产生的所述散斑场的多个图像并且所述第二光路在接近所述目标表面处相对于所述第一光路倾斜，所述成像部分还包括使所述第一光路和所述第二光路中的至少一方偏转的元件；以及
处理部分，其根据沿所述第一光路捕捉的所述多个图像和沿所述第二光路捕捉的所述多个图像测量沿着包括与所述目标表面垂直的分量的方向的相对于所述目标表面的位移，
所述第一光路和所述第二光路包括远心光学系统；以及
所述元件位于所述远心光学系统的输入侧和所述目标表面之间。
2.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述处理部分测量沿着与所述目标表面垂直的方向的相对于所述目标表面的位移。
3.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，
所述成像部分还具有第三光路，所述第三光路用于捕捉所述散斑场的与沿所述第一光路捕捉的部分不同的部分的多个图像，并且所述第三光路在接近所述目标表面处相对于所述目标表面的法线倾斜；以及
所述处理部分根据沿所述第一光路捕捉的所述多个图像、沿所述第二光路捕捉的所述多个图像以及沿所述第三光路捕捉的所述多个图像测量绕与所述目标表面平行的轴线的相对于所述目标表面的位移。
4.根据权利要求3所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一光路和所述目标表面的法线之间的第一角等于所述第三光路和所述目标表面的法线之间的第三角。
5.根据权利要求3所述的图像相关位移传感器，其特征在于，
所述成像部分还包括第四光路，所述第四光路用于捕捉所述散斑场的与沿所述第一光路捕捉的部分和沿所述第三光路捕捉的部分不同的部分的多个图像，并且所述第四光路在接近所述目标表面处相对于所述目标表面的法线倾斜；以及
所述处理部分根据沿所述第一光路捕捉的所述多个图像、沿所述第二光路捕捉的所述多个图像、沿所述第三光路捕捉的所述多个图像以及沿所述第四光路捕捉的所述多个图像，测量绕与所述目标表面平行的滚动轴线的相对于所述目标表面的位移和绕与所述目标表面平行的俯仰轴线的相对于所述目标表面的位移。
6.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一光路和所述第二光路在所述远心光学系统中平行。
7.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，
所述远心光学系统具有透镜和光阑；以及
所述第一光路和所述第二光路穿过所述透镜的不同部分并且穿过所述光阑的开口。
8.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，
所述成像部分包括第一透镜、第二透镜和光阑；
所述第一光路穿过所述第一透镜和所述光阑的第一开口；以及
所述第二光路穿过所述第二透镜和所述光阑的第二开口。
9.根据权利要求8所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜均为柱面透镜。
10.根据权利要求8所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一开口和所述第二开口均为缝状开口。
11.根据权利要求8所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述成像部分使用一维检测器阵列捕捉所述散斑场。
12.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，
所述成像部分包括单个检测器，所述检测器具有像素阵列；以及
所述第一光路和所述第二光路进入所述单个检测器的不同部分。
13.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第二光路在接近所述目标表面处垂直于所述目标表面。
14.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一光路和所述第二光路共面于第一平面。
15.根据权利要求14所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一平面垂直于所述目标表面。
16.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，
所述第一光路穿过所述元件的第一光学偏转元件；以及
所述第二光路穿过所述元件的第二光学偏转元件。
17.根据权利要求16所述的图像相关位移传感器，其特征在于，在接近所述目标表面处所述第一光路和所述目标表面的法线之间的第一角等于在接近所述目标表面处所述第二光路和所述目标表面的法线之间的第二角。
18.根据权利要求16所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一光路和所述第二光路朝向所述目标表面会集。
19.根据权利要求16所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一光路和所述第二光路朝向所述目标表面发散。
20.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，在接近所述目标表面处所述第一光路和所述目标表面的法线之间的第一角以及在接近所述目标表面处所述第二光路和所述目标表面的法线之间的第二角中的至少一个角等于或大于10度。
21.根据权利要求20所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一角和所述第二角均等于或大于10度。
22.根据权利要求20所述的图像相关位移传感器，其特征在于，所述第一角和所述第二角中的至少一个角在30度和55度之间。
23.根据权利要求1所述的图像相关位移传感器，其特征在于，
所述成像部分包括定位成供所述第一光路和所述第二光路穿过的至少一个透镜；
所述元件位于所述至少一个透镜的输入侧和所述目标表面之间；以及
所述照射部分包括光源和定位于所述至少一个透镜的输入侧和所述元件之间的分束器，并且所述分束器定位成接收来自所述光源的照射光并且将所述照射光偏转成使得所述照射光透过所述元件到达所述目标表面。
CN201110303124.3A 2010-10-05 2011-09-29 图像相关位移传感器 Active CN102538679B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/898,642 2010-10-05
US12/898,642 US8692880B2 (en) 2010-10-05 2010-10-05 Image correlation displacement sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102538679A CN102538679A (zh) 2012-07-04
CN102538679B true CN102538679B (zh) 2015-12-02

Family

ID=44799706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110303124.3A Active CN102538679B (zh) 2010-10-05 2011-09-29 图像相关位移传感器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8692880B2 (zh)
EP (1) EP2439486B1 (zh)
JP (1) JP5798810B2 (zh)
CN (1) CN102538679B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103196376B (zh) * 2013-04-07 2016-12-28 安徽省城建设计研究总院有限公司 基于数字图像快速匹配算法的位移传感器
JP5764189B2 (ja) * 2013-12-13 2015-08-12 國防部軍備局中山科學研究院 精密角度位置決め装置
JP6350923B2 (ja) * 2016-02-24 2018-07-04 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 変位検出装置および変位検出方法
US10365370B2 (en) 2016-10-31 2019-07-30 Timothy Webster Wear tolerant hydraulic / pneumatic piston position sensing using optical sensors
JP6928088B2 (ja) * 2016-12-01 2021-09-01 ルーミンコード エーエス 光学的投影基準を使用する位置探知装置及び方法
US10152798B2 (en) * 2017-04-10 2018-12-11 Wisconsin Alumni Research Foundation Systems, methods and, media for determining object motion in three dimensions using speckle images
IL309523A (en) 2017-04-24 2024-02-01 Magic Leap Inc Optical flow tracking of backscattered laser speckle samples
JP6668321B2 (ja) * 2017-12-28 2020-03-18 國家中山科學研究院 誤差補償装置および方法
JPWO2021181441A1 (zh) * 2020-03-09 2021-09-16
WO2023154049A1 (en) * 2022-02-10 2023-08-17 Sarcos Corp. High resolution optical displacement measurement

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5783752A (en) * 1997-02-20 1998-07-21 Microe Diffuse surface interference position sensor
CN1334439A (zh) * 2000-06-01 2002-02-06 株式会社三丰 一种斑点图像相关的光学位置传感器
CN1643338A (zh) * 2002-02-14 2005-07-20 里索国家实验室 光位移传感器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5434632A (en) * 1993-03-22 1995-07-18 U.S. Philips Corporation Image projection apparatus with a autofocusing system
US6256016B1 (en) 1997-06-05 2001-07-03 Logitech, Inc. Optical detection system, device, and method utilizing optical matching
US6352508B1 (en) 1998-11-20 2002-03-05 Acuson Corporation Transducer motion compensation in medical diagnostic ultrasound extended field of view imaging
JP3472249B2 (ja) * 2000-08-25 2003-12-02 キヤノン株式会社 複数の光源を使用する照明装置、照明制御装置及び方法、並びに、露光装置
US7065258B2 (en) 2001-05-21 2006-06-20 Mitutoyo Corporation Systems and methods for reducing accumulated systematic errors in image correlation displacement sensing systems
JP2003139515A (ja) * 2001-11-02 2003-05-14 Fukuoka Prefecture スペックルを利用した変形量の絶対値計測方法
US20040190749A1 (en) 2003-03-28 2004-09-30 Peng Xu Method for countering rotation attacks in a video watermark system
US7777895B2 (en) * 2003-08-28 2010-08-17 4D Technology Corporation Linear-carrier phase-mask interferometer
US7075097B2 (en) * 2004-03-25 2006-07-11 Mitutoyo Corporation Optical path array and angular filter for translation and orientation sensing
US7307736B2 (en) * 2004-03-31 2007-12-11 Mitutoyo Corporation Scale for use with a translation and orientation sensing system
US7515280B2 (en) 2004-05-12 2009-04-07 Mitutoyo Corporation Displacement transducer with selectable detector area
US7295324B2 (en) * 2004-07-13 2007-11-13 Mitutoyo Corporation System and method for improving accuracy in a speckle-based image correlation displacement sensor
JP2010210571A (ja) * 2009-03-12 2010-09-24 Mitsutoyo Corp 画像相関変位計、及び変位測定方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5783752A (en) * 1997-02-20 1998-07-21 Microe Diffuse surface interference position sensor
CN1334439A (zh) * 2000-06-01 2002-02-06 株式会社三丰 一种斑点图像相关的光学位置传感器
CN1643338A (zh) * 2002-02-14 2005-07-20 里索国家实验室 光位移传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN102538679A (zh) 2012-07-04
US8692880B2 (en) 2014-04-08
EP2439486A1 (en) 2012-04-11
JP2012078342A (ja) 2012-04-19
EP2439486B1 (en) 2014-08-06
US20120081543A1 (en) 2012-04-05
JP5798810B2 (ja) 2015-10-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102538679B (zh) 图像相关位移传感器
JP5016245B2 (ja) 物体の六つの自由度を求めるための測定システム
CN105974427B (zh) 结构光测距装置及方法
US6862097B2 (en) Three-dimensional shape measuring method, and three-dimensional shape measuring apparatus
EP2613121A1 (en) Image sensor, attitude detector, contact probe, and multi-sensing probe
JP3647608B2 (ja) 測量機の自動追尾装置
JP2006189389A (ja) 光学式厚さ測定方法および装置
JP2008241643A (ja) ３次元形状測定装置
JP2007093412A (ja) ３次元形状測定装置
CN103676487A (zh) 一种工件高度测量装置及其校正方法
JP2009198241A (ja) 計測器
CN106840030B (zh) 一种二维长程面形检测装置及检测方法
US10091493B2 (en) Device and method for scanning object outline image
JP2010085395A (ja) 光学式位置角度検出装置
US7212294B2 (en) Method for determination of the level of two or more measurement points, and an arrangement for this purpose
JPH024843B2 (zh)
JP2006308452A (ja) ３次元形状計測方法および装置
US8605291B2 (en) Image correlation displacement sensor
JP2012026816A (ja) 寸法測定方法および装置
JPH10267624A (ja) 三次元形状測定装置
WO2023089788A1 (ja) 三次元計測装置
JP3976054B2 (ja) 位置計測システム
JP2001183120A (ja) ３次元入力方法及び３次元入力装置
JP4032556B2 (ja) ３次元入力装置
WO2022113877A1 (ja) 三次元計測装置及び三次元計測プログラム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant