CN103245289A - 用于校准激光投影系统的仪器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于校准激光投影系统（120、228）的仪器。该仪器具有结构框架组件（201、301），其沿着三个相互正交轴（170）延伸。该仪器进一步具有多个不可动反射靶（108、238），其设置在结构框架组件（201、301）上。该仪器进一步具有至少三个定位台（112），其分别关于三个相互正交轴（170）的每个耦合到结构框架组件（201、301）。至少一个可动反射靶（114）被设置在每个定位台（112）上。不可动反射靶（108、238）和至少一个可动的反射靶（114）每个都被配置成反射来自激光投影系统（180、228）的激光束。

Description

用于校准激光投影系统的仪器和方法
技术领域
本公开大体涉及校准激光投影系统，并且更具体地涉及具有能够校准激光投影系统的三维测量的装置、系统和方法。
背景技术
激光投影系统用于在装配过程期间将可见图像直接记录到部件上。在一些应用中，激光投影系统可以用于在部件的制造和装配期间提供指导，例如碳纤维增强塑料(CFRP)部件的制造和装配期间。在其他应用中，激光投影系统可以用于在成批零件上创建标记和图像。这些零件的激光标记可以便于零件的后续加工和装配成粘着的上层结构/上部结构(cohesive superstructure)。通常，激光投影系统包括多个能够生成激光束的激光投影器。因此，为了指导和标记应用使用激光投影系统通常要求投影的激光束的取向关于彼此被适当校准。当前校准机构通常依靠目测激光投影系统的各种激光的取向之间的偏移，从而创建校准的最佳适合值。操作人员使用目测校准对制造苛刻的激光投影系统可能是耗时的试验和错误处理，其减少全部部件生产和装配效率。
例如美国专利号7,965,396B2(″Enhanced Laser ProjectorCalibration Wall″)中所公开的已知的用于激光投影系统的二维校准壁已经用于执行已知激光投影系统的激光投影器的二维校准，并且通过确定这种已知激光投影系统的适当的二维校准的目测校准方法改进效率。然而，仅仅这种已知的二维校准壁不能三维测量并且不能测量三维空间中限定的特征。因此，对于具有激光投影器的已知的激光投影系统，其中在制造应用中使用三维激光投影并且要求标准使能基于额外类型特征的测量，需要具有三维测量能力并使能三维激光投影系统校准的仪器、系统和方法。
发明内容
这需要满足具有三维测量能力并且使能三维激光投影系统校准的仪器、系统和方法。如下面详细说明中讨论的，改进的仪器、系统和方法的实施例可以提供超过已知装置、系统和方法的显著优点。
在本公开的实施例中，提供了用于校准激光投影系统的仪器。该仪器包含沿着三个相互正交轴延伸的结构框架组件。仪器进一步包含在结构框架组件上设置的多个的不可动反射靶。该仪器进一步包含至少三个定位台，关于三个相互正交轴的每一个分别耦合到结构框架组件。每个定位台上设置至少一个可动反射靶。不可动反射靶和至少一个可动反射靶的每个都被配置成反射来自激光投影系统的激光束。
在本公开的另一个实施例中，提供了三维增强激光投影校准量(calibration volume)系统。该系统包含沿着三个相互正交轴延伸的结构框架组件。结构框架组件包含二维校准壁和从二维校准壁部分延伸的三维结构组件。结构框架组件进一步包含设置在结构框架组件上的多个不可动反射靶。该结构框架组件进一步包含至少三个定位台，该三个定位台关于三个相互正交轴的每一个分别耦合到结构框架组件。每个定位台上设置至少一个可动反射靶。该系统进一步包含激光投影系统。该激光投影系统包含将被校准的激光投影器仪器和多个激光束，这些激光束从激光投影器仪器投影并且投影在所选择的不可动反射靶和至少一个可动反射靶。不可动反射靶和至少一个可动反射靶的每个都被配置成反射来自激光投影系统的激光投影器仪器的激光束。
在本公开的另一个实施例中，提供了用于校准激光投影系统的方法。该方法包含将多个激光束从激光投影系统投影到关于参考系统的三个相互正交轴定位的相应数目的至少三个反射靶。每个反射靶到另一个反射靶的接近度限定具有预定公差的激光投影校准系统。该方法进一步包含将来自多个激光束的一个或多于一个第一激光束的每个集中到至少三个反射靶中包括的相应的不可动反射靶上。该方法进一步包含移动至少三个反射靶中包括的一个或多于一个可动反射靶，以便来自多个激光束的一个或多于一个第二激光束的每个都集中到可动的反射靶上。该方法进一步包含获得一个或多于一个测量/测量值，这些测量指示一个或多于一个的可动反射靶的每个与相应最初位置的偏差。该方法进一步包含比较至少一个偏差和相应的预定公差，以便校准该激光投影系统。
已经讨论的特征、功能和优点能够在本公开的各种实施例中独立实现，或者可以在其他的实施例中结合，其中进一步的细节可以参考下列描述和附图。
附图说明
结合示出优选示例性的实施例的附图参考下列详细说明，能够更好理解本公开，其中附图不必按比例绘制，其中：
图1是飞机的侧面正视图图示，其包括可以使用由本公开的仪器、系统和方法的一个或多于一个有利实施例校准的激光投影系统被装配或制造的部件；
图2是飞机制造和使用方法的流程图的图示；
图3是根据图2所示的制造和使用方法生产飞机的方框图的图示；
图4A是可以用于本公开的仪器、系统和方法的实施例的已知二维校准壁的前视图的图示；
图4B是图4A的已知二维校准壁的侧视图的图示；
图4C是图4A的已知二维校准壁的仰视图的图示；
图4D是图4C的已知二维校准壁和激光投影系统的仰视图的图示；
图5A是可以用于本公开的仪器、系统和方法的实施例的两轴定位台的图示；
图5B是x-y轴的图示；
图5C是可以用于本公开的仪器、系统和方法的实施例的三轴定位台的图示；
图5D是x-y-z轴的图示；
图6A是本公开的示例性仪器的一个实施例的仰视图的图示；
图6B是图6A的仪器的前视图的图示；
图6C是图6A的仪器的侧视图的图示；
图6D是图6A的仪器和激光投影系统的仰视图的图示；
图6E是图6D的仪器和激光投影系统的仰视图的图示，其中该仪器包括不可动非反射靶；
图7A是本公开的示例性仪器的另一个实施例的仰视图的图示；
图7B是图7A的仪器和激光投影系统的仰视图的图示；
图8是本公开的方法的一个实施例的流程图的图示；
图9是示出本公开的仪器的一个实施例的方框图的图示；和，
图10是示出本公开的系统的一个实施例的方框图的图示。
具体实施方式
现在参考附图在下面更完全地描述本公开的实施例，其中示出一些本公开的实施例，而没有示出全部。实际上，可以提供几个不同的实施例，并且不应该被理解为是对这里陈述的实施例的限制。更确切地，提供这些实施例以便本公开将全面和完整，并且会对本领域技术人员充分表达本公开的保护范围。
现在参考附图，图1是飞机10的侧面正视图的图示，该飞机10包括可以使用激光投影系统被装配或制造的部件，该激光投影系统由仪器200(参看图6A、9)或者仪器300(参看图7A、9)、三维增强激光投影校准量系统203(参看图6D、10)或者系统303(参看图7B、10)，和方法400(参看图8)的一个或多于一个有利实施例校准。如图1所示，飞机10包含机身12、一个或多于一个推进单元14、机翼组件16、尾翼组件18、着陆组件20、控制系统(不可见)和许多能够正确操作飞机10的其他系统和子系统。例如，至少一部分机翼组件16可以包括可以使用激光投影系统装配或制造的一个或多于一个部件，该激光投影系统由仪器200(参看图6A、9)或者仪器300(参看图7A、9)、三维增强激光投影校准量系统203(参看图6D、10)或者系统303(参看图7B、10)，和方法400(参看图8)的一个或多于一个有利实施例被校准。尽管图1中所示的飞机10通常表示商业客机，但是本公开实施例的教导也可以应用于其他客机、货机、军用飞机、直升飞机、和其他类型的飞机或飞行器，以及宇航飞行器、卫星、太空发射飞行器、火箭、及其他宇航飞行器，以及船只及其他水运工具、火车、汽车、卡车、客车、建筑物、桥梁、或者其他适合的结构。
图2是飞机制造和使用方法30的流程图的图示。图3是根据图2所示的制造和使用方法生产飞机32的方框图的图示。可以在如图2所示的飞机制造和使用方法30和图3所示的飞机32的背景中描述本公开的实施例。在预生产期间，示例性方法30可以包括飞机32的规格和设计34和材料采购36。在生产期间，发生飞机32的部件和子组件的制造38和系统整合40。其后，飞机32可以经过认证和交付42，以便处于使用44。当在客户使用中时，飞机32进行日常维护和服务46(这也可以包括修改、重构、修复等等)。
方法30的每个过程可以由系统集成商、第三方、和/或操作人员(例如，客户)执行或者实施。为了描述的目的，系统集成商可以包括任何数目的飞机制造商和主要系统分包商，但不限制于此；第三方可以包括例如任何数目的出售商、分包商、和供应商，但不限制于此；操作人员可以是航空公司、租赁公司、军事单位、服务组织等等。
如图3所示，由示例性方法30生产的飞行器可以包括具有多个系统50和内部52的机身48。高级系统的实例包括推进系统54、电气系统56、液压系统58、和环境系统60的一个或多于一个。可以包括任何数目的其他系统。尽管示出航空航天实例，但是本公开的原理可以应用到其他工业，例如汽车工业。
在该生产和使用方法30中的任何一个或多于一个阶段期间，可以采用包含于此的仪器、系统和方法。例如，可以以类似于飞机32在使用中时生产的部件或者子组件的方式，制作或者制造相应于部件和子组件制造38的部件和子组件。同时，在部件和子组件制造38和系统集成40期间，例如通过大体上加快飞机32的组装或者降低飞机32的成本，可以利用仪器实施例、系统实施例、方法实施例、或者其组合中的一个或多于一个。类似地，例如但不限于，当飞机32在使用中时可以利用仪器实施例、系统实施例、方法实施例、或其组合中的一个或多于一个，从而维修与使用46。
图4A是已知的二维校准壁100的前视图的图示，其可以用于仪器200(参看图6A、9)或者仪器300(参看图7A、9)、三维增强激光投影校准量系统203(参看图6D、10)或者系统303(参看图7B、10)，和方法400(参看图8)的实施例。该二维校准壁100(参看图4D)在本申请人共同所有的美国专利号7,965,396B2(“Enhanced Laser ProjectorCalibration Wall”)中更完全描述，其全部内容合并于此以供参考。
如图4A所示，二维校准壁100包含具有一个或多于一个直立结构构件104和一个或多于一个横向结构构件106的结构框架102，这些结构组件相交从而形成交叉框架107。如图4A中进一步所示，该二维校准壁100包含多个固定或者不可动的反射靶108、一个或多于一个定位台112、和耦合到结构框架102的一个或多于一个轮116。
图4B是图4A的已知二维校准壁100的侧视图的图示。如图4B所示，二维校准壁100包含至少一个结构支架118，其具有基座构件120和两个支撑构件122。基座构件120在连接点124被连接到该结构框架102，并且在连接点126被连接到轮116。该两个支撑构件122可以分别在连接点128和130连接到基座构件120。另外，支撑构件122可以在连接点132进一步耦合到结构框架102，从而将结构框架102保持在竖直位置。如图4B中进一步所示的，二维校准壁100可以包括一个或多于一个可调节立顶/千斤顶支架(jack stand)134。
图4C是图4A的已知二维校准壁100的仰视图的图示。如图4C所示，至少一个立顶134可以接近一个或多于一个轮116设置。该不可动反射靶108被安装在结构框架102上。二维校准壁100的各种部件102-108和112-134可以由许多技术耦合到在一起，包括但不限于磁性安装、摩擦安装、机械紧固件、粘合剂、焊接、钎焊、碳纤维叠层、和铸模、或者另一种适合的技术或装置。
图4D是图4C的已知二维校准壁100的仰视图的图示，其用于激光投影系统180的二维校准。该激光投影系统180包含激光投影器仪器182，其将多个激光束184投影到安装在结构框架102上的各种不可动反射靶108。
这里公开了仪器200(参看图6A、9)或者仪器300(参看图7A、9)、三维增强激光投影校准量系统203(参看图6D、10)或者系统303(参看图7B、10)，和方法400(参看图8)的新颖设计的示例性的实施例。图6A是本公开的示例性仪器200的一个实施例的仰视图的图示。图9是示出本公开的仪器200的方框图的图示。在本公开的实施例中，提供了仪器200(参看图6A、9)，其具有三维测量能力并且使能三维激光投影系统校准，用于校准激光投影系统228(参看图6D)。如图6A、9所示，该仪器200包含沿着三个相互正交轴170延伸的结构框架组件201(参看图9)。这三个相互正交轴170优选地包含第一轴(x轴)154(参看图5B、5D、9)、第二轴(y轴)158(参看图5B、5D、9)、和第三轴(z轴)164(参看图5B、5D、9)。
如图6A、9所示，结构框架组件201包含二维校准壁100。如图6A所示，该二维校准壁100包含结构框架102和一对结构支架118，其具有一个或多于一个轮116和一个或多于一个可调节立顶134。可以用于结构框架组件201的二维校准壁100的实施例在上面详细讨论，并且在美国专利号7,965,396B2(“Enhanced Laser Projector Calibration Wall”)中更完全描述，其全部内容合并于此以供参考。
如图6A所示，该结构框架组件201进一步包含三维结构组件202。在这个实施例中，如图6A所示，三维结构组件202可以包含第一三维结构组件202a和第二三维结构组件202b。第一三维结构组件202a可以包含结构构件204a、204b、和204c，当这些组件连接到并从二维校准壁100的结构框架102伸出时形成外部框配置(outer box configuration)205。如图6A中进一步示出的，结构构件204a可以在连接点206a耦合到二维校准壁100的结构框架102，并且结构构件204c能够在连接点206b耦合到二维校准壁100的结构框架102。结构构件204b可以耦合在结构构件204a、204c之间。第一三维结构组件202a包含外部部分208a和内部部分208b。在这个实施例中，三维结构组件202在后方区域410的二维校准壁100的后面延伸或者延伸到二维校准壁100的后方。
如图6A进一步示出的，第二三维结构组件202b可以进一步包含结构构件212a、212b、和212c，当这些组件连接到并从二维校准壁100的结构框架102伸出时形成内部框配置213。如图6A中进一步示出的，结构构件212a可以在连接点214a耦合到二维校准壁100的结构框架102，并且结构构件212c能够在连接点214b耦合到二维校准壁100的结构框架102。结构构件212b可以耦合在结构构件212a、212c之间。第二三维结构组件202b包含外部部分216a和内部部分216b。
如图6A、9所示，该仪器200进一步地包含多个反射靶98(参看图9)。该反射靶98优选地包含每个都具有反射面109的多个不可动的反射靶108，并且优选地包含每个都具有反射面115的一个或多于一个可动反射靶114。不可动反射靶108的每个反射面109优选地被配置成从诸如激光束232反射激光辐射(参看图6D)。例如，不可动反射靶108可以包括由密苏里州Cedar Hill的Hubbs Machine&Manufacturingan公司制作的反向反射激光靶种类。然而，其他类型和制造商的不可动激光反射靶可以在替换的实施例中实施。
不可动反射靶108优选地被设置在结构框架组件201的各个区域上。根据各种实施例，该不可动反射靶108可以被安装在二维校准壁100的结构框架102上，可以安装在第一三维结构组件202a上，和/或可以安装在第二三维结构组件202b上。该不可动反射靶108可以以这样的方式安装，以便每个不可动反射靶108的每个反射面109处于同一平面中，或者尽可能接近在同一平面中。例如，安装在二维校准壁100的结构框架102上的不可动反射靶108可以形成线性排列/线性对齐，例如由对齐线110中所示的(参看图6B)。这种安装技术可以用来促进激光投影系统228的适当的校准(参看图6D)。
如图6A中所示，不可动反射靶108可以被直接安装在第一三维结构组件202a的各个结构构件204a、204b、和204c上，和/或可以直接安装在第二三维结构组件202b的各个结构构件212a、212b、和212c上。在其他情况下，不可动反射靶108可以被安装到中间部件(未示出)，这些中间部件安装在第一三维结构组件202a的各个结构构件204a、204b、和204c上和/或第二三维结构组件202b的各个结构构件212a、212b、和212c上。
如图6A、9所示，该仪器200进一步包含分别关于三个相互正交轴170的每个耦合到结构框架组件201的至少三个定位台112(参看图9)。至少一个可动反射靶114(参看图6A、6B)优选地被设置在每个定位台112上。如这里所使用的，“可动的”表示可动的反射靶114能够相对于结构框架102和/或三维结构组件202移动，因为可动反射靶114安装在定位台112上。每个可动反射靶114具有反射面115(参看图6A、6B)。可动反射靶114的每个反射面115优选地被配置成反射来自激光投影系统228(参看图6D)的激光束232(参看图6D)。可动反射靶114可以是与不可动反射靶108相同类型的。例如，可动反射靶114可以包括由密苏里州Cedar Hill的Hubbs Machine&Manufacturingan公司制造的反向反射激光靶种类。然而，其他类型和制造商的可动激光反射靶可以在替换的实施例中实施。
如图6A中所示，一个或多于一个定位台112可以耦合到二维校准壁100的结构框架102，可以耦合到第一三维结构组件202a，和/或可以耦合到第二三维结构组件202b。在一个实施例中，定位台112可以包含双轴定位台112a(参看图5A)。在另一个实施例中，定位台112可以包含三轴定位台112b(参看图5C)。在其他实施例中，定位台112可以包含另一个适合的定位台。
图5A是双轴定位台112a的图示，其可以用于仪器200(参看图6A)或者仪器300(参看图7A)、三维增强激光投影校准量系统203(参看图6D)或者系统303(参看图7B)，和方法400(参看图8)的实施例。图5A示出反射面115安装在定位台112上的可动反射靶114，该定位台112是双轴定位台112a的形式。图5B是x-y轴155的图示，其具有例如X轴(从左到右)的第一轴154和例如y轴(从上到下)的第二轴158。
如图5A所示，以双轴定位台112a形式的定位台112安装在具有不可动反射靶108的二维校准壁100上。以双轴定位台112a的形式的定位台112可以包含台组件部分150、耦合到台组件部分150的第一横向运动部分152、和耦合到台组件部分150的第二横向运动部分156。第一横向运动部分152相对于定位台112a的基座153沿着例如x轴(从左到右)的第一轴154横向移动，并且第二横向运动部分156相对于第一横向运动部分152沿着诸如y轴(从上到下)的第二轴158横向移动。在这个实施例中，第二轴158可以垂直于第一轴154。双轴定位台112a可以进一步包含耦合到第一横向运动部分152的第一千分尺/测微计160a和耦合到第二横向运动部分156的第二千分尺160b。第一和第二千分尺160a、160b优选地被配置成测量第一和第二横向运动部分152、156分别相对于预标明开始点或者原始位置的横向位移。第一和第二千分尺160a、106b可以人工操作或者机动化，例如用动力致动器。应当理解，动力致动器可以包括但不限于电子机械致动器、液压致动器、气动致动器、或者另一种适合的动力致动器。适合用作定位台112的示例性双轴定位台112a可以包括由加利福尼亚州Irvine的Newport公司制造的460A-XY模型低剖面集成滚球轴承线性台。然而，其他类型和制造商的双轴定位台也可以在替换的实施例中实施。
图5C是三轴定位台112b的图示，其可以用于仪器200(参看图6A)或者仪器300(参看图7A)、三维增强激光投影校准量系统203(参看图6D)或者系统303(参看图7B)，和方法400(参看图8)的实施例。图5C示出每个的反射面115都安装在定位台112上的可动反射靶114，该定位台112是三轴定位台112a的形式。图5D是x-y-z轴157的图示，其具有例如x轴(从左到右)的第一轴154、例如y轴(从上到下)的第二轴158、和例如z轴(从内向外)的第三轴164。如图5C所示，以三轴定位台112b形式的定位台112可以包含台组件部分150、耦合到台组件部分150的第一横向运动部分152、耦合到台组件部分150的第二横向运动部分156、和耦合到台组件部分150的第三横向运动部分162。第一横向运动部分152相对于三轴定位台112b的基座表面153沿着例如x轴(从左到右)的第一轴154横向移动。第二横向运动部分156相对于第一横向运动部分152沿着例如y轴(从上到下)的第二轴158横向移动。第三横向运动部分162相对于第二横向运动部分156沿着例如z轴(从内到外)的第三轴164横向移动。在这个实施例中，第二轴158可以垂直于第一轴154，并且第三轴164可以垂直于第一轴154和第二轴158两者。三轴定位台112b可以进一步包含耦合到第一横向运动部分152的第一千分尺160a、耦合到第二横向运动部分162的第二千分尺160b、和耦合到第三横向运动部分162的第三千分尺160c。第一、第二和第三千分尺160a、160b、160c优选地分别被配置成测量第一、第二和第三横向运动部分152、156、162分别相对于预标明开始点或者原始位置的移动或横向位移。第一、第二和第三千分尺160a、106b、160c可以人工操作或者机动化，例如用动力致动器。应当理解，动力致动器可以包括但不限于电子机械致动器、液压致动器、气动致动器、或者另一种适合的动力致动器。适合用作定位台112的示例性三轴定位台112b可以包括由加利福尼亚州Irvine的Newport公司制造的460A-XYZ模型低剖面集成滚球轴承线性台(460A-XYZ model Low-Profile IntegratedBall Bearing Linear Stages)。然而，其他类型和制造商的三轴定位台也可以在替换的实施例中实施。
每个定位台112优选是多轴定位台113(参看图5A、5C)。更优选地，至少三个定位台112的每个都是双轴定位台112a(参看图5A)或者三轴定位台112b(参看图5C)中的一个。按照各种执行过程，例如以双轴定位台112a(参看图5A)和三轴定位台112b形式的一个或多于一个定位台112优选经由双轴定位台112a的基座153和三轴定位台112b的定位台(参看图5A、5C)耦合到结构框架102和/或三维结构组件202，由此使得双轴定位台112a的第一和第二横向部分152、156和三轴定位台112b的第一、第二、和第三横向运动部分152、156、和162分别顺畅移动。
如图6A、9所示，仪器200可以进一步包含安装元件218。该安装元件218可以包含第一安装元件218a和第二安装元件218b(参看图6A)，其每个都耦合到结构框架组件201。如图6A中所示，第一安装元件218a可以在连接点220a耦合到二维校准壁100的结构框架102，并且第二安装元件218b能够在连接点220b耦合到二维校准壁100的结构框架102。然而，如果想要额外区域的测量，则第一和第二安装元件218a、218b也可以安装到结构框架组件201的所需要的其他部分。第一和第二安装元件218a、218b每个都可以具有安装到各自第一和第二安装元件218a、218b的一个或多于一个不可动反射靶108(参看图6A)。如图6A所示，第一和第二安装元件218a、218b可以增加，以便不可动反射靶108可以被设置在将被测量区域的中心部分222。
图6B是图6A的仪器200的前视图的图示。图6B示出包含结构框架组件201的仪器200。结构框架组件201包含二维校准壁100和三维结构组件202。图6B示出第一三维结构组件202a和第二三维结构组件202b，两者都具有不可动反射靶108。图6B进一步地示出具有一个或多于一个直立结构构件104和一个或多于一个横向结构构件106的结构框架102，这些结构构件相交从而形成交叉框架107。一个或多于一个直立结构构件104、一个或多于一个横向结构构件106、和三维结构组件202可以是线性的，或者大体上是线性的。
一个或多于一个直立结构构件104、一个或多于一个横向结构构件106、和三维结构组件202可以由各种金属、复合材料、天然、或混合材料制造，例如但不限于木材、钢材、铝、聚合物、玻璃纤维、碳纤维增强塑料(CFRP)等等。在一些实施例，一个或多于一个直立结构构件104、一个或多于一个横向结构构件106、和三维结构组件202可以用表面处理包覆，该表面处理增强该一个或多于一个直立结构构件104、一个或多于一个横向结构构件106、和三维结构组件202的耐久性和寿命。例如，金属的一个或多于一个直立结构构件104、一个或多于一个横向结构构件106、和三维结构组件202可以用珐琅表面/表层瓷漆覆盖。
在结构框架102由多个直立结构构件104和多个横向结构构件106形成的实施例中，至少一些直立结构构件104和至少一些横向结构构件106可以彼此垂直设置或大体上垂直设置。例如，一个或多于一个结构构件104和一个或多于一个横向结构构件106可以被配置从而形成具有矩形配置的结构框架102。在其他实施例中，结构框架102可以由多个直立结构构件104和横向结构构件106构建，这些构件以除了垂直或大体垂直的角度彼此相交。此外，多个直立结构构件104和横向结构构件106可以进一步地包括线性的，和/或非线性的结构构件。
如图6B、9进一步所示，仪器200包含在结构框架组件201上设置的多个不可动反射靶108、耦合到结构框架组件201的至少三个定位台112、和在每个定位台112上设置的至少一个可动反射靶114。图6B进一步示出连接到结构框架组件201的轮116。
图6C是图6A的仪器200的侧视图的图示。图6C示出包含结构框架组件201的仪器200。结构框架组件201包含二维校准壁100和三维结构组件202。该二维校准壁100示出可以经由至少一个结构支架118连接到结构框架102的又一个轮116。该至少一个结构支架118可以包含基座构件120和两个支撑构件122。该基座构件120优选被配置成提供用于结构框架102的连接点124以及用于一个或多于一个轮116的连接点126。该两个支撑构件122可以分别在连接点128和130连接到基座构件120。另外，支撑构件122可以在连接点132进一步耦合到结构框架102，从而将结构框架102保持在竖直位置。
一个或多于一个轮116和至少一个结构支架118的组合可以被配置成将结构框架102保持在竖直位置，以便不可动反射靶108的反射面109(参看图6B、6C)和可动反射靶114(参看6B)的反射面115(参看6B)垂直于水平面119或者大体上垂直水平面119(参看图6B)。以这种方式，当二维校准壁100处于竖直位置时，一个或多于一个轮116可以促进二维校准壁100在位置之间的移动。
如图6C中进一步示出的，二维校准壁100可以包括一个或多于一个可调节立顶134，其耦合到二维校准壁100。根据一些实施例，可调节立顶134可以耦合到结构支架118，结构支架118耦合到结构框架102。在其他实施例中，可调节立顶134可以直接耦合到结构框架102。该可调节立顶134可以被调节从而靠着二维校准壁100下面的表面偏移二维校准壁100，以便至少两个不可动反射靶108近似在平行于水平面119(图6B)的直线上对齐，例如对齐线110(参看图6B)。
图6C进一步示出第一三维结构组件202a和第二三维结构组件202b，两者都从二维校准壁100延伸。每个都具有反射面109的不可动反射靶108优选地安装在第一三维结构组件202a和第二三维结构组件202b上。
图6D是图6A的仪器200并且配用激光投影系统228的仰视图的图示。如图6D所示，在本公开的另一个实施例中，提供了三维增强激光投影校准量系统203。图10是示出本公开的三维增强激光投影校准量系统203的方框图的图示。如图10所示，三维增强激光投影校准量系统203包含结构框架组件201，其沿着三个相互正交轴170延伸。结构框架组件201包含二维校准壁100和从二维校准壁100延伸的三维结构组件202。如图6D所示，三维结构组件202包含第一三维结构组件202a和第二三维结构组件202b。图6D进一步示出结构构件204a、204b、和204c，当这些构件连接到二维校准壁100的结构框架102并从其延伸时形成外部框配置205，并且进一步示出结构构件212a、212b、和212c，当这些构件连接到二维校准壁100的结构框架102并从其延伸时形成内部框配置213。
如图6D、10所示，三维增强激光投影校准量系统203进一步包含设置在结构框架组件201上的多个不可动反射靶108，每个都具有反射面109(参看图10)。结构框架组件201进一步包含至少三个定位台112(参看图6D、10)和在每个定位台112上设置的至少一个可动反射靶114(参看图10)，定位台112关于三个相互正交轴170的每个分别耦合到结构框架组件201，并且可动反射靶114具有反射面115(参看图10)。
如图6D、10所示，三维增强激光投影校准量系统203进一步包含激光投影系统228。激光投影系统228包含将被校准的激光投影器仪器230。优选地，将被校准的激光投影器仪器230包含将被校准的三维激光投影器仪器234。该激光投影系统228进一步地包含多个激光束232，这些激光束232从激光投影器仪器230投影并且投影在所选择的不可动反射靶108和至少一个可动反射靶114(参看图6D)。不可动反射靶108和至少一个可动的反射靶114每个都被配置成反射来自激光投影系统228的激光投影器仪器230的激光束232。三维增强激光投影校准量系统203可以进一步包含一个或多于一个安装元件218，例如第一安装元件218a和第二安装元件218b。如图6D中所示，第一安装元件218a可以在连接点220a耦合到结构框架102，并且第二安装元件218b能够在连接点220b耦合到结构框架102。
图6E是图6D的仪器200和激光投影系统228的仰视图的图示，其中该仪器200可以包括不可动非反射靶238。如图6E、9、10所示，该仪器200可以进一步包含在结构框架组件201上设置的至少一个不可动的非反射靶238。在一个实施例中，至少一个不可动非反射靶238可以包含第一靶面240(参看图6E、9)，例如一个或多于一个平立方体表面242(参看图9)。如图6E所示，例如一个或多于一个平立方体表面242的第一靶面240可以被设置在结构框架组件201的第一部分246上。例如一个或多于一个平立方体表面242的第一靶面240可以包含第一基于特征的图形244(参看图6E)和/或第二基于特征的图形248(参看图6E)。在另一个实施例中，至少一个不可动非反射靶238可以包含第二靶面250(参看图6E、9)，例如弯曲球面252(参看图6E)。如图6E所示，例如弯曲球面252的第二靶面250可以被设置在结构框架组件201的第二部分256上。例如弯曲球面252的第二靶面250可以包括经线图形254(参看图6E)和纬线图形258(参看图6E)。在其他实施例中，至少一个不可动非反射靶238可以包含其他适合的靶面或者成型表面。
该不可动非反射靶238优选地以例如一个或多于一个平立方体表面242的第一靶面240和例如弯曲球面252的第二靶面250的形式，表示在三维增强激光投影校准量系统203中固定的表面的实施例，以便验证激光投影系统228的三维投影性能并且以便说明激光投影器仪器230(参看图6E)将图形或特征/部件投影到不同类型表面的能力，该图形或特征例如经线图形254和纬线图形258，该表面例如曲面、平面或者其他形状表面。例如经线图形254和纬线图形258的这些图形或者特征可以被投影到将被测量的对象或部件(未示出)上，以便验证三维投影性能。此外，该不可动非反射靶238可以作为用于能够基于特征测量的激光投影系统228的靶。如图6E所示，激光束232a是在例如以平立方体表面242的形式的第一靶面240从激光投影器仪器230投影的，该激光投影器仪器230例如是三维激光投影器仪器234的形式。进一步地，如图6E所示，激光束232b是在例如以弯曲球面252的形式的第二靶面250从激光投影器仪器230投影的，该激光投影器仪器230例如是三维激光投影器仪器234的形式。
如图10所示，三维增强激光投影校准量系统203包含结构框架组件201，其沿着三个相互正交轴170延伸。该结构框架组件201包含二维校准壁100(参看图6E、10)和从二维校准壁100延伸的三维结构组件202(参看图10)。如图6E所示，三维结构组件202在二维校准壁100后面延伸。该结构框架组件201进一步包含在结构框架组件201上设置的多个不可动反射靶108(参看图6E、10)，每个反射靶108都具有反射面109(参看图6E、10)。结构框架组件201进一步包含至少三个定位台112(参看图6E、10)和在每个定位台112上设置的至少一个可动反射靶114(参看图6E、10)，定位台112关于三个相互正交轴170的每个分别耦合到结构框架组件201，并且可动反射靶114具有反射面115(参看图6E、10)。定位台112可以包含双轴定位台(参看图10)或者三轴定位台(参看图10)。该三维增强激光投影校准量系统203可以进一步包含不可动非反射靶238(参看图6E、10)，其包含设置在结构框架组件201上的第一靶面240(参看图6E、10)和/或第二靶面250(参看图6E、10)。该三维增强激光投影校准量系统203可以进一步包含在结构框架组件201上安装的一个或多于一个安装元件218(参看图6E、10)。
如图10所示，三维增强激光投影校准量系统203进一步包含激光投影系统228。该激光投影系统228包含将被校准的激光投影器仪器230和多个激光束232，这些激光束从激光投影器仪器230投影并且投影在所选择的不可动反射靶108和至少一个可动反射靶114上。不可动反射靶108和至少一个可动的反射靶114每个都被配置成反射来自激光投影系统228的激光投影器仪器230的激光束232。
图7A是本公开的示例性仪器300的另一个实施例的仰视图的图示。图7B是图7A的仪器300并且配用激光投影系统228的仰视图的图示。图9是示出本公开的仪器300的实施例的方框图的图示。图10是示出三维增强激光投影校准量系统303的实施例的方框图的图示。
如图7A、9所示，该仪器300包含沿着三个相互正交轴170延伸的结构框架组件301(参看图9)。这三个相互正交轴170优选地包含第一轴(x轴)154(参看图5B、5D、9)、第二轴(y轴)158(参看图5B、5D、9)、和第三轴(z轴)164(参看图5B、5D、9)。
如图7A、9所示，结构框架组件301包含二维校准壁100。如图7A所示，该二维校准壁100包含结构框架102和一对结构支架118，其具有一个或多于一个轮116和一个或多于一个可调节立顶134。可以用于结构框架组件201的二维校准壁100的实施例在上面详细讨论，并且在美国专利号7,965,396B2(“Enhanced Laser Projector Calibration Wall”)中更完全描述，其全部内容合并于此以供参考。
如图7A、9所示，结构框架组件301进一步地包含三维结构组件302。在这个实施例中，如图7A所示，三维结构组件302可以包含结构构件303a、303b，其可以分别在连接点304a304b耦合到二维校准壁100的结构框架102。三维结构组件302可以包含结构构件306a、306b，其可以分别在连接点308a、308b耦合到二维校准壁100的结构框架102。该三维结构组件302可以进一步包含一个或多于一个安装元件310(参看图7A、9)，例如第一安装元件310a和第二安装元件310b(参看图7A)，这些元件可以分别在连接点312a、312b耦合到二维校准壁100的结构框架102。然而，如果想要测量额外的区域，则第一和第二安装元件310a、310b也可以安装到结构框架组件301的所需要的其他部分。第一和第二安装元件310a、310b可以增加，以便不可动反射靶108可以被设置在将被测量区域的中心部分222。在这个实施例中，三维结构组件302优选地在前方区域314的二维校准壁100的前面延伸。
如图7A、9所示，该仪器300进一步地包含多个反射靶98(参看图9)。该反射靶98优选地包含多个不可动反射靶108(参看图7A、9)，其每个都具有反射面109(参看图7A、9)，并且反射靶98优选地包含一个或多于一个可动反射靶114(参看图7A、9)，其每个都具有反射面115(参看图7A、9)。不可动反射靶108的每个反射面109优选地被配置成反射例如来自激光束232的激光辐射(参看图7B)。
不可动反射靶108优选地被设置在结构框架组件301的各个区域上。根据各种实施例，该不可动反射靶108可以被安装在二维校准壁100的结构框架102上，并且可以被安装在三维结构组件302上。如图7A所示，该不可动反射靶108可以直接安装在三维结构组件302的各个结构构件303a、303b、306a和306b上。该不可动反射靶108可以以这样的方式安装，以便每个不可动反射靶108的每个反射面109处于同一平面中，或者尽可能接近在同一平面中。
如图7A、9所示，该仪器300进一步包含分别关于三个相互正交轴170的每个耦合到结构框架组件301的至少三个定位台112(参看图9)。至少一个可动反射靶114(参看图7A、9)优选地被设置在每个定位台112上。每个可动反射靶114具有反射面115(参看图7A、9)。
如图7A中所示，一个或多于一个定位台112可以耦合到二维校准壁100的结构框架102，和/或可以耦合到三维结构组件302。在一个实施例中，定位台112可以包含双轴定位台112a(参看图9)。在另一个实施例中，定位台112可以包含三轴定位台112b(参看图9)。在其他实施例中，定位台112可以包含另一个适合的定位台。
图7B是图7A的仪器300与激光投影系统228一起使用的仰视图的图示。激光投影系统228包含将被校准的激光投影器仪器230(参看图7B)。优选地，将被校准的激光投影器仪器230包含将被校准的三维激光投影器仪器234(参看图7B)。该激光投影系统228进一步地包含多个激光束232，这些激光束232从激光投影器仪器230投影并且投影在所选择的不可动反射靶108和至少一个可动反射靶114上(参看图7B)。不可动反射靶108和至少一个可动的反射靶114每个都被配置成反射来自激光投影系统228的激光投影器仪器230的激光束232。
在本公开的另一个实施例中，如图7B、10所示，提供了三维增强激光投影校准量系统303。图10是示出本公开的三维增强激光投影校准量系统303的方框图的图示。如图10所示，三维增强激光投影校准量系统303包含结构框架组件301，其沿着三个相互正交轴170延伸。结构框架组件301包含二维校准壁100和从二维校准壁100延伸的三维结构组件302。如图10所示，该三维增强激光投影校准量系统303包含含有不可动反射靶108和可动反射靶114的反射靶98、定位台112、如上讨论的可选不可动非反射靶238、和可选安装元件310。如7B、10所示，该三维增强激光投影校准量系统303进一步包含具有激光投影器仪器230的激光投影系统228和多个激光束232。
在本公开的另一个实施例中，提供了用于校准激光投影系统228的方法400。图8是本公开的方法400的一个实施例的流程图的图示。如图8所示，方法400包含步骤402，该步骤402将多个激光束232(参看图6D、7B、10)从激光投影系统228(参看图6D、7B)投影到关于参考系统140(参看图10)的三个相互正交轴170(参看图10)定位的相应数目的至少三个反射靶98(参看图10)。每个反射靶98到另一个反射靶98的接近度限定了具有预定公差226(参看图10)的激光投影校准系统229(参看图10)。
该方法400进一步包含步骤404，步骤404将来自多个激光束232(参看图10)的一个或多于一个第一激光束336的每个(参看图10)集中到至少三个反射靶98中包括的相应的不可动反射靶108(参看图6D、7B、10)。该方法400进一步包含步骤406，步骤406移动至少三个反射靶98中包括的一个或多于一个可动反射靶114(参看图6D、7B、10)，以便来自多个激光束232的一个或多于一个第二激光束337(参看图10)的每个都集中到可动反射靶114。
该方法400进一步包含步骤408，步骤408获得一个或多于一个测量142(参看图10)，这些测量指示一个或多于一个可动反射靶114的每个与可动反射靶114的相应原始位置146(参看图10)的偏差144(参看图10)。该方法400进一步包含步骤410，步骤410比较至少一个偏差144(参看图10)与相应的预定公差226a(参看图10)，以便校准激光投影系统228(参看图10)。
该方法400可以进一步包含提供一个或多于一个不可动非反射靶238(参看图6E、10)，从而验证到一个或多于一个不可动非反射靶238上的三维投影能力。该方法400可以进一步包含确定如果偏差144在相应预定公差226a内激光投影系统228可使用，和确定如果至少一个偏差144在一个或多于一个相应预定公差226a之外激光投影系统228不可使用。移动一个或多于一个可动反射靶114包括沿着第一轴154(参看图5B)并且沿着垂直于第一轴154的第二轴158(参看图5B)横向移动每个可动反射靶114。移动一个或多于一个可动反射靶114进一步地包括沿着第三轴164(参看图5D)横向移动每个可动反射靶114，第三轴164垂直于第一轴154并且垂直于第二轴158。该不可动反射靶108优选地建立参考，并且提供激光投影系统228的对齐，并且可动反射靶114优选地确定激光投影系统228的投影精确度测量。
本公开的仪器200、300、三维增强激光投影校准量系统203、303、和方法400的实施例提供了三维测量能力并使得三维激光投影系统校准能够校准激光投影系统；提供三维校准，通过使得基本校准远离已知二维校准壁方法并且靠近某些制造商可以用于制造应用的三维投影，其更加代表具有增加的精确度和速度并且能够执行基于特征的测量的某些三维激光投影器怎样用于实践，并且含有使能额外类型的基于特征的测量的标准；提供分析具有三维激光投影器的激光投影系统的不同的制造商的性能的常见方式；提供改进的能力以与激光投影器用于制造相同的方式校准激光投影器；允许实体执行激光投影器的校准和激光投影器制造商希望在设计和/或校准期间，按其使用意图，准确测量其产品；和提供了这样的仪器、系统和方法，其包含具有额外结构框架组件201或者301的已知二维校准壁100从而创建三维效果，并且包括在各自的定位台112上的可动反射靶114从而测量偏差144或误差，并且可选地包括不可动非反射靶238，其作为用于激光投影器的表面说明其投影例如经纬线的特征的能力，或者作为用于能够基于特征测量的激光投影系统的靶。
下面是以上述文本和附图中公开的图示的方面、变体、实例、和示例。在一个方面，公开了用于校准激光投影系统180、228的仪器，该仪器包括沿着三个相互正交轴170延伸的结构框架组件201、301、设置在结构框架组件201、301上的多个不可动反射靶108、238，分别关于三个相互正交轴170的每个耦合到结构框架组件201、301的至少三个定位台112、和设置在每个定位台112上的至少一个可动反射靶114，其中不可动反射靶108、238和至少一个可动反射靶114每个都被配置成反射来自激光投影系统180、228的激光束。在一个变体中，该仪器进一步包括设置在结构框架组件201、301上的至少一个不可动非反射靶108。在另一个变体中，该仪器进一步包括耦合到结构框架组件201、301的一个或多于一个安装元件。在还另一个变体中，仪器包括，其中结构框架组件201、301包括二维校准壁100和在二维校准壁100后面延伸的三维结构组件202、302。
在一个实例中，仪器包括，其中结构框架组件201、301包括二维校准壁100和在二维校准壁100前面延伸的三维结构组件202、302。在另一个实例中，仪器包括，其中至少三个定位台112的每个都是双轴定位台112a或者三轴定位台112b中的一个。在又一种实例中，该仪器包括，其中激光投影系统180、228包括将由该仪器校准的三维激光投影器仪器234。
在又一个方面，公开了三维增强激光投影校准量系统，该系统包括：沿着三个相互正交轴170延伸的结构框架组件201、301，该结构框架组件201、301包括：二维校准壁100；和从二维校准壁100延伸的三维结构组件202302；多个不可动反射靶108、238，其设置在结构框架组件201、301上；至少三个定位台112，其分别关于三个相互正交轴170的每个耦合到结构框架组件201、301；至少一个可动反射靶114，其设置在每个定位台112上；激光投影校准系统229，包括：将被校准的激光投影器仪器230；和多个激光束，其从激光投影器仪器230投影并且投影在所选择的不可动反射靶108、238和至少一个可动反射靶114上；其中不可动反射靶108、238和至少一个可动反射靶108每个都被配置成反射来自激光投影校准系统229的激光投影器仪器230的激光束。在一个变体中，该系统进一步包括设置在结构框架组件201、301上的至少一个不可动非反射靶108。在另一个体中，该系统进一步包括耦合到结构框架组件201、301的一个或多于一个安装元件。在又一个变体中，该系统包括，其中三维结构组件202、302在二维校准壁100后面延伸。在又一个变体中，该系统包括，其中三维结构组件202、302在二维校准壁100前面延伸。在一个实例中，系统包括，其中至少三个定位台112的每个都是双轴定位台112a或者三轴定位台112b中的一个。在另一个实例中，该系统包括，其中将被校准的激光投影器仪器230是将被校准的三维激光投影器仪器234。
在一个方面，公开了用于校准激光投影系统180、228的方法，该方法包括：将多个激光束从激光投影系统180、228投影到关于参考系统的三个相互正交轴170设置的相应数目的至少三个反射靶，其中每个反射靶到另一个反射靶的接近度限定了具有预定公差的激光投影校准系统229；将来自多个激光束的一个或多于一个第一激光束的每个都集中到至少三个反射靶中包括的相应不可动反射靶108上；移动至少三个反射靶中包括的一个或多于一个可动反射靶108，以便来自多个激光束的一个或多于一个激光束的每个都集中在可动反射靶114上；获得一个或多于一个测量，这些测量指示一个或多于一个可动反射靶114的每个与相应原始位置的偏差；和比较至少一个偏差和相应的预定公差，以便校准激光投影系统180、228。在一个变体中，该方法进一步包括提供一个或多于一个不可动非反射靶108，从而验证到一个或多于一个不可动非反射靶108上的三维投影能力。在另一个变体中，该方法可以进一步包括确定如果偏差在相应预定公差内激光投影系统180、228可使用，和确定如果至少一个偏差在一个或多于一个相应预定公差之外激光投影系统180、228不可使用。在一个实例中，该方法包括，其中移动一个或多于一个可动反射靶108包括沿着第一轴横向移动每个可动反射靶114并沿着垂直于第一轴的第二轴横向移动。在另一个实例中，该方法包括，其中移动一个或多于一个可动反射靶114进一步包括沿着第三个轴横向移动每个可动反射靶114，其中第三轴垂直于第一轴并且垂直于第二轴。在还另一个实例中，该方法包括，其中不可动反射靶108、238建立参考系，并且提供激光投影系统180、228的对齐，并且该可动反射靶114确定激光投影系统180、228的投影精确度测量。
对于本公开所属本领域技术人员，将想到本公开的许多变体及其他实施例，其具有上文描述和关联附图中存在的教导的优点。这里所述的示例性实施例意图是说明性的，而不是意指限制或者完全的。尽管这里采用专用名词，但是其只用于一般描述性的意义，而不用于限制的目的。

Claims (10)

1.一种用于校准激光投影系统(180、228)的仪器，所述仪器包含：
结构框架组件(201、301)，其沿着三个相互正交轴(170)延伸；
多个不可动反射靶(108、238)，其设置在所述结构框架组件(201、301)上；
至少三个定位台(112)，其分别关于所述三个相互正交轴(170)的每个耦合到所述结构框架组件(201、301)；和
至少一个可动反射靶(114)，其设置在每个定位台(112)上，
其中所述不可动反射靶(108、238)和所述至少一个可动反射靶(114)每个都被配置成反射来自激光投影系统(180、228)的激光束。
2.根据权利要求1所述的仪器，进一步包含设置在所述结构框架组件(201、301)上的至少一个不可动非反射靶(108)。
3.根据权利要求1或者2所述的仪器，进一步地包含耦合到所述结构框架组件(201、301)的一个或多于一个安装元件。
4.根据权利要求1-3的任何一项所述的仪器，其中所述结构框架组件(201、301)包含二维校准壁(100)和在所述二维校准壁(100)后面延伸的三维结构组件(202、302)。
5.根据权利要求1-3的任何一项所述的仪器，其中所述结构框架组件(201、301)包含二维校准壁(100)和在所述二维校准壁(100)前面延伸的三维结构组件(202、302)。
6.根据权利要求1-5的任何一项所述的仪器，其中所述至少三个定位台(112)的每个都是双轴定位台(112a)或者三轴定位台(112b)的一个；并且其中所述激光投影系统(180、228)包含将由所述仪器校准的三维激光投影器仪器(234)。
7.一种用于校准激光投影系统(180、228)的方法，所述方法包含：
将来自激光投影系统(180、228)的多个激光束投影到关于参考系统的三个相互正交轴(170)定位的相应数目的至少三个反射靶，其中每个反射靶到另一个反射靶的接近度限定具有预定公差的激光投影校准系统(229)；
将来自所述多个激光束的一个或多于一个第一激光束的每个集中到所述至少三个反射靶中包括的相应的不可动反射靶(108)上；
移动所述至少三个反射靶中包括的一个或多于一个可动反射靶(108)，以便来自所述多个激光束的一个或多于一个第二激光束的每个都集中到可动反射靶(114)上；
获得一个或多于一个测量，这些测量指示所述一个或多于一个的可动反射靶(114)的每个与相应原始位置的偏差；和，
比较至少一个偏差和相应的预定公差，以便校准所述激光投影系统(180、228)。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包含提供一个或多于一个不可动非反射靶(108)，从而验证到所述一个或多于一个不可动非反射靶(108)上的三维投影能力。
9.根据权利要求7或者8的任何一项所述的方法，进一步包含确定如果所述偏差在所述相应预定公差内则所述激光投影系统(180、228)可使用，和确定如果至少一个偏差在一个或多于一个相应预定公差之外则所述激光投影系统(180、228)不可使用。
10.根据权利要求7-9的任何一项所述的方法，其中移动所述一个或多于一个可动反射靶(108)包括沿着第一轴并沿着垂直于所述第一轴的第二轴横向移动每个可动反射靶(114)，或者沿着第三轴横向移动每个可动反射靶(114)，所述第三轴垂直于所述第一轴并垂直于所述第二轴；其中所述不可动反射靶(108、238)建立参考系，并且提供所述激光投影系统(180、228)的对齐，并且所述可动反射靶(114)确定所述激光投影系统(180、228)的投影精确度测量。
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