CN105324628A - 用于确定检查对象的位置的系统以及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定检查对象(400)的位置的系统(100)，所述系统包括如下特征：自准直望远镜(200)，具有用于发射光束的光束源(210)，分束器(220)，检测器单元(230)和物镜(240)，以及设计为聚焦设备(110)的光学元件，其中检查对象(400)、光束源(210)和聚焦设备(110)沿着共同的光学轴(z)布置，用于控制聚焦设备的控制设备(300)，所述聚焦设备如此成使得光束可以聚焦在具有坐标(x1、y1)的检查对象(400)的第一检查面(401)的曲率中心上以及至少可以聚焦在具有坐标(x2、y2)的检查对象(400)的第二检查面(402)的曲率中心上。

Description

用于确定检查对象的位置的系统以及相关方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的、用于确定检查对象的位置的系统以及一种根据权利要求7所述的、用于借助于所述系统进行检查对象的位置确定的方法。

背景技术

由现有技术已知了用于测定透镜和透镜系统的位置变化、角度和角度变化或对中错误变化的聚焦设备和自准直望远镜(AKF)，其中借助于分束器和作为准直仪和望远镜起作用的物镜，当在待检查的平面上反射之后分析合适的投影的图像。例如，已知二维的传感器单元作为分析单元或者在典型的情况下是人眼作为分析单元。如果检查表面(球面)的曲率中心未精确地处于坐标轴上，则照明光束不是垂直地入射在待测件表面上。这样做的后果是，当在待测件表面处发生反射之后，其并不沿原路返回，而是以一与表面偏离90°得到反射角返回。这种变差直接与检查表面(球面)的定中错误成比例。

为了描述透镜或透镜部分或一组元件的位置，在此必须测量两个表面。如果想要建立与另外的表面的关系，则必须也要测量这些另外的表面。该任务等同于沿着光学轴在每个任意地点描述标记的图像的任务。为了解决该任务，由现有技术已知了，使用可更换的附加光学件或者通过内部聚焦装置改变AKF的图像距离(例如通过沿着光学轴可移动的透镜或者透镜组)，或者通过改变自准直望远镜和待检查的表面(待测件或检查对象)之间的距离(直线引导部)实现了，从自准直望远镜由待检查的表面的反射得到的图像再次显示在标记的平面中，从而检测单元可以接收该图像。

例如，DE102005013755B4公开了一种具有二维传感器单元的、用于进行对中错误测量的自准直探头。所述自准直探头除了传感器单元外还具有分束器板、被照亮的刻线板、物镜和用于聚焦的额外的透镜。二维传感器单元精确地定位在自准直器物镜的图像平面中。整个结构安装在支架上。上部测量头连同直线引导部在台子上方安装且下部测量头和直线引导部处于台子下方。两个测量头在此可以通过相应的直线引导部沿着轴引导，所述轴大致与坐标轴一致。待测件可以围绕坐标轴旋转。

发明内容

因此本发明的任务是，提供一种改进的系统供使用，所述系统尤其在没有直线引导部和替换光学件的情况下也够用且还可以提供检查对象的表面的加速地测量，以便例如由此推导出可能的对中错误。该任务通过一种根据权利要求1所述的、用于确定检查对象的位置的系统以及一种根据权利要求7所述的、用于借助于根据本发明的系统进行检查对象的位置确定的方法。通过从属权利要求进一步限定有利的改进方案。

在本发明的基本构思中，所述用于确定检查对象的位置的系统包括如下特征：自准直望远镜，具有用于发射光束的光束源，分束器，检测器单元和物镜，以及设计为聚焦设备的光学元件，其中检查对象、光束源和聚焦设备沿着共同的光学轴(z)布置，用于控制聚焦设备的控制设备，所述聚焦设备如此设计，使得光束可以聚焦在具有坐标(x1、y1)的、检查对象的第一检查面的曲率中心上以及至少可以聚焦在具有坐标(x2、y2)的、检查对象的第二检查面的曲率中心上。

检查面优选设计为球面。然而，根据本发明的考虑也适用于特殊情况“平面”和“非球面”。在平面的特殊情况下，曲率中心的等价物作为同样具有坐标x1和y1的平面的法线方向存在。在第二种特殊情况下，非球面的表面局部近似球面。利用这种局部考虑同样存在局部的曲率中心，所述局部的曲率中心对这种考虑来说和常规球面的曲率中心一样处理。

因此，存在以一定间距位于检查面之前或之后的曲率中心。该点对于真实的或虚构的标记的图像或测量结果来说是有效的。因此，检查面通过其参数“曲率中心的位置”和“球体半径”描述。下面概念“检查面”也用作其标准参数的同义词。

通过聚焦设备在至少两个检查面上在时间上迅速相继地聚焦实现了，“近似同时地”可以确定两个检查面的位置或位置的变化。因此，整体实现了，确定检查对象的位置。根据本发明可以省去额外的光学装置或直线引导部。因此不仅可以加速对检查对象，例如光学构件的定位调整，还可以在质量上进行改进。此外，必要的构件优选旋转对称且小。作为另一个优点，这还导致了有限的结构空间。

缩小系统和省去旋转的可能性实现了，当检查对象例如由于其大小或由于辐射折叠(所述辐射折叠限制了AKF的外部的向内视线的可进入性)而未能安装在旋转台时，也使用对中方法。

与现有技术不同，借助于用于控制聚焦设备的控制设备不移动这种聚焦设备。相反，借助于控制设备改变光学特性，尤其是聚焦设备的折射能力，以便能够聚焦在待检查的表面的不同的曲率中心上。

根据本发明，检查对象理解为唯一的检查对象或者由多个分检查对象组成的总检查对象。例如，在第二种情况下是可以是消色差透镜，所述消色差透镜由两个、三个或多个透镜元件组成，所述透镜元件整面地彼此接合或通过插座彼此连接。

在优选的实施方案中，自准直望远镜还包括测量结构。因此可以借助于测量结构在检测器单元上形成可分析的图像。根据本发明，可以使用任意用于测量电磁辐射的构件作为检测器单元(例如CCD传感器或照相机)。如果检查对象是单个透镜，则表示：由两个图像(所述图像近似同时地或在使用两个光色用于照明的情况下也实际上同时地在照相机上观察)的位置能迅速计算出透镜中心的位置和透镜轴的斜度以及提供作为测量或控制信号供使用。

在另一个优选的实施方案中，控制单元包括计算单元和/或显示单元。因此，利用一种单元既可以控制聚焦设备也可以由得到的测量值借助于计算单元推导出检查对象的位置并在显示单元中显示检查对象的位置。

在另一个优选的实施方案中，聚焦设备设计为具有可调节的折射能力的透镜，尤其是可电改变的透镜。这种透镜的折射能力可以极迅速地通过相应的控制设备改变。

在该实施方案中，聚焦设备与已知的现有技术的区别在于，所述聚焦设备在不存在透镜或透镜系统的机械运动情况下也够用。通过优选使用具有在电路径上可直接改变的焦距的光学元件实现了各个聚焦状态之间的短暂的切换时间。

因此，所述装置能比目前为止已知的构造得更简单，其更迅速地工作，因为取消或减小了辅助时间，且可以使用其它算法用于定位调整过程，所述算法通过需要少的迭代循环实现了定位调整持续时间的进一步减小。

当检查对象处于共同的光学轴上时，产生了直接在检查面的曲率中心中的真实或虚拟的图像。只要检查对象仍未对准，则来自自准直望远镜的光束竖直地入射到检查面上。以相同的距离然而侧向与自准直望远镜的光学轴错开地产生真实或虚拟的图像。该侧向错开量(根据本发明对两个检查面来说称作d1和d2)由自准直望远镜在检测器单元上观察到且作为测量信息存在。可以为了检查目的分析该信息或者借助于该信息可以合适地影响检查面，也就是说移动或倾斜，从而检查面以其曲率中心位于共同的光学轴上。因此可以实现在随后示出的附图中示出的理想情况。通过这种方法可以最小化检查面的位置的公差。由错误的坐标(x1、y1、z1)(能够以所述坐标说明焦点(Foki)的位置或曲率中心的位置)则得到对焦点和曲率中心来说一致的坐标(0、0、z1)。

该转换描述了本发明的重要应用。然而，以不同距离近似平行地显示曲率中心的位置的可能性呈现了定位调整的新的可能性。表面的位置变化改变了看起来的，也就是说从自准直望远镜观察的、在后面看到的曲率中心的位置。因此，对典型的安装来说有利地是，从自准直望远镜的侧面开始安装。为了分析距自准直望远镜更远的表面，必须始终重新测量所有表面。测量持续时间不仅通过改变聚焦距离而延迟，尤其还通过完全测量所有表面的必要性，或重新计算定位调整目标的必要性。

借助于近似同时地显示不同曲率中心的位置不仅加速了测量过程或安装过程。可以合理地使用其它顺序并进而实现过程的进一步简化。实际上同时“看到”变化对曲率中心的看起来的位置的影响。表面位置的计算不是绝对必要的。例如，可以使用简单的算法，其目标在于，“所有图像和测量结构彼此接近”。为此不需要通过了解检查对象的结构而进行准确的计算。

在另一个优选的实施方案中，沿着光学轴(z)设置了另一个附加透镜，所述附加透镜布置在物镜和聚焦设备之间。尤其在聚焦设备的最小折射能力不是0时，使用该附加透镜。因此，利用附加透镜可以预先设定聚集区域。在另一个实施方案中，附加透镜优选沿着光学轴(z)可移动地布置。

备选地也可以设想，至少两个附加透镜布置在替换单元中，以及根据使用情况使用第一或第二附加透镜，其中第一和第二附加透镜具有不同的折射能力。

在另一个优选的实施方案中，检查对象布置在旋转台上，其中旋转台围绕光学轴(z)可旋转地支承。如果检查对象完美地对准坐标轴，例如光学轴(z)，则光束的各个光线始终以相同角度入射至检查对象的表面上。也就是说，即使在检查对象围绕坐标轴旋转时图像也在检测器单元上，例如CCD传感器上显示在相同的位置上。

在另一个优选的实施方案中，聚焦设备和自准直望远镜设计为结构单元。因此可以节省额外的结构空间。

在另一个优选的实施方案中光束源具有第一发光二极管和第二发光二极管，所述第一发光二极管射出具有第一颜色的光，而所述第二发光二极管射出具有和第一颜色不同的第二颜色的光。使用具有其它颜色的其它发光二极管优选可以对测量多个具有多个界面的检查对象来说是有利的。

优选在第一和第二检查面上光束的聚焦在视频周期中以在1Hz和50Hz范围内的频率，优选在20Hz和30Hz范围内的频率，特别优选以25Hz的频率进行。通过迅速地切换由控制设备控制的聚焦设备可以近似“实时地”以其它顺序通过显示单元示出检查对象的位置。

在使用多色光源时，可以利用匹配的电路图实际上同时实现多个检查面的位置。以具有两个检查面的单个透镜为例，如此描述该电路图：随着视频图像曝光时间的开始首先接通照明颜色之一，例如绿色，并调节聚焦在检查面之一上。在曝光时间的一半之后，调节照明到第二光色，例如红色，并且同时接通用于第二检查面的聚焦。因此在读取颜色照相机的照相机图像时，在两个颜色通道中准备了两个不同的测量图像，两个不同的测量图像可以被并行地分析。因此，一个视频图像足够用于完成透镜的位置测量。对于多个检查面的情况，该过程做适应性调整。

此外，本发明还涉及一种用于借助于根据本发明的系统进行检查对象的位置确定的方法，具有如下特征：提供检查对象；借助于聚焦设备把光束聚焦在第一检查面的曲率中心上；产生第一测量值；借助于聚焦设备把光束聚焦在第二检查面的曲率中心上；产生第二测量值；借助于计算单元分析第一和第二测量值。

在优选的实施方案中，根据本发明利用第一发光二极管照射第一检查面，以及利用第二发光二极管照射第二检查面。在此优选规定了，借助于聚焦设备把光束聚焦在第一检查面上和第二检查面上以及同步进行从第一至第二发光二极管的切换。因此实现了，测量结构的图像以不同的颜色显示在检测器单元上且进而整体在人体工程学上改进了显示。

根据本发明，所述产生第一和第二测量值的步骤包括如下特征：借助于检测器单元拍摄第一图像，其中图像对应于第一检查面(x1、y1)处的测量结构的反射；借助于检测器单元拍摄第二图像，其中图像对应于第一检查面(x2、y2)处的测量结构的反射。

根据本发明，所述分析步骤还包括如下特征：借助于计算单元根据通过检测器单元确定和测得的距离(d1、d2)推导出检查对象的位置(xL、yL)。对本领域计算人员来说已知这种由确定的距离(d1、d2)或偏差推导检查对象的位置。

最后进行检查对象的定位调整的步骤，所述步骤把具有坐标(x1、y1)和(x2、y2)的曲率中心转变为z轴上的曲率中心。

在本发明的特别优选的实施方案中以及尤其在由多个相继布置的分检查对象组成的检查对象中，使用如下补充方法。在第一方法步骤中，确定第一检查面(x1、y1)的对中错误。在随后的第二方法步骤中，在考虑第一检查面的对中错误的情况下确定位于其后的第二检查面的对中错误。尤其额外地计算一次，如果必须聚焦在位于内部的第二检查面的话，必须考虑在在先面处的折射。

其它额外的实施例是相应从属权利要求的主题。显而易见，可以单独或彼此组合地示出前述实施方案。

附图说明

下面参照附图对本发明的有利实施例进行详细说明。附图示出：

图1示意性示出根据本发明的用于确定检查对象的位置的系统的结构；

图2示意性示出根据本发明的用于检查对象的位置确定的系统的另一个实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的用于确定检查对象400的位置的系统100。该系统包括至少一个传统的自准直望远镜200，像由现有技术充分已知的那样。这种自准直望远镜200具有至少一个光束源210、分束器220、检测器单元230和物镜240。

物镜240在此作为准直器物镜，也作为望远镜物镜起作用。在物镜240的焦距内布置了分束器。该分束器把光路分为准直器光路和望远镜光路，具有准直器焦平面和在此可变化的望远镜焦平面。在准直器焦平面中布置了具有测量结构260的板，所述测量结构通过光源210的照射光束通过聚光器250均匀地照亮。测量结构通过物镜投射到无穷远，在检查对象400的布置在自准直望远镜前方的检查面上被反射并返回通过物镜240至望远镜平面上成像。如果检查面相对于自准直望远镜的光学轴不倾斜，也就是说其面法线沿轴向延伸，则测量结构260近似本身在检测器单元230上成像。测量结构260的成像基于倾斜角α在检测器单元230上移动。根据本发明，测量结构的位置变化称为距离d。

本发明的核心是聚集设备110，其像从图1中可清楚得知的那样布置在自准直望远镜前方。聚集设备110、检查对象400和光束源在此沿着共同的光学轴(z)布置。该轴通常位于xy平面上。

聚集设备110具有设计为光学元件的电透镜110。因此，该透镜具有可变的折射能力。通过该透镜实现了，光束借助于控制单元聚焦在具有坐标(x1、y1)的第一检查面401的曲率中心上以及在时间上随后聚焦在具有坐标(x2、y2)的、检查对象400的第二检查面402的曲率中心上。要指出，图1示出了已经处于定位调整状态中的检查对象。因此，两个曲率中心401a和402a的位置处于z轴上。为了清楚，具有坐标(x1、y1)和(x2、y2)的初始曲率中心的位置在图1和图2中未示出。

借助于控制单元300可以迅速地在两个检查面之间切换。这种在两个检查面之间的切换在视频周期中以25Hz的频率进行。因此利用这种系统实现了，近似同时地测量相应的检查面401和402的两个曲率中心的位置，以及由测量值确定检查对象400的位置。所述位置通过计算单元300确定，计算单元分析第一和第二检查面的曲率中心的测量值并由此推导出检查对象400的位置。例如，检查对象的实际位置能通过设计为显示单元的监视器显示。借助于该信息能使检查对象移动或倾斜，从而检查面能以其曲率中心贴靠在共同的光学轴上，像图1示出的那样。

因为电透镜通常仅具有与0不同的最小折射能力，则在系统100中额外地设置了附加透镜120，所述附加透镜布置在替换单元125中。借助于该附加透镜能把光束“粗略地”预调节至检查对象上。根据实施例，附加透镜120沿着光学轴可移动地布置，以便覆盖仍较大的聚焦区域。

根据图2的第二实施例与第一实施例的区别一方面在于，检查对象布置在旋转台500上，所述旋转台围绕光学轴(z)可旋转地支承。因此实现了，在检查对象围绕光学轴旋转时产生多个测量值，以及因此涉及检查对象的位置确定。例如，如果检查对象完美地相对于坐标轴，例如光学轴(z)对准，则光束的各个光线始终在相同的角度下入射至检查对象的表面上。也就是说，即使检查对象围绕坐标轴旋转时图像在同一个位置显示在检测器单元300上。此外，根据图2的实施例与根据图1的第一实施例的区别在于，控制单元还额外地控制光源210和测量结构260。

即如果通过控制单元300极迅速地在两个检查面之间来回切换，则会产生问题，即不能再区分在两个检查面处反射的测量结构的图像。根据本发明如下地解决该问题，即光束源210包括具有红色颜色的第一发光二极管和具有蓝色颜色的第二发光二极管，所述发光二极管同步切换。因此，得到两个测量结构之间的颜色区分。

当在自准直望远镜处使用目镜观察或当使用彩色照相机或彩色监视器作为显示单元300时，起到了视觉上改进关于切换的不同颜色的光源的显示的作用。因此，克服了在直接覆盖面的附近例如相同的测量结构的差的可区分性。然而该任务也可以借助于在作为显示单元300的计算器监视器上的组合显示完成。在这种情况下，可以使用单色光源和单色照相机作为检测器单元300。在该实施例中，通过软件借助于计算单元300根据其时间上的出现区分测量结构260。

在借助于计算单元300进行直接分析时的另一个优点是，不仅可以示出(至少)两个测量结构260的位置，等同于两个检查面的(至少)两个曲率中心的位置。也可以通过检查对象的位置的已知的计算输出在视频周期中检查对象的已知的特性“偏心”和“斜度”。

可选地，在另一个实施方案中，用于两个检查面的测量结构260也可以具有不同形式，以及同样同步切换。优选通过图像发生器提供不同的测量结构。

Claims (15)

1.一种用于确定检查对象(400)的位置的系统(100)，所述系统包括如下特征：

自准直望远镜(200)，其具有

用于发射光束的光束源(210)；

分束器(220)；

检测器单元(230)和

物镜(240)；

以及设计为聚焦设备(110)的光学元件，其中检查对象(400)、光束源(210)和聚焦设备(110)沿着共同的光学轴(z)布置；以及，用于控制聚焦设备的控制设备(300)，所述聚焦设备设计成使得光束能够聚焦在具有坐标(x1、y1)的检查对象(400)的第一检查面(401)的曲率中心上以及至少能够聚焦在具有坐标(x2、y2)的检查对象(400)的第二检查面(402)的曲率中心上。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述自准直望远镜(200)还包括测量结构(260)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述聚焦设备(110)设计为具有可调节的折射能力的透镜，尤其是设计为电透镜。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，沿着光学轴(z)布置另一个附加透镜(120)，所述另一个附加透镜布置在物镜(240)和聚焦设备(110)之间。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，附加透镜(120)布置在替换单元(125)中且替换单元(125)包括至少另一个第二附加透镜，其中第一附加透镜和第二附加透镜具有不同的折射能力。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，光束源(210)包括第一发光二极管和第二发光二极管，所述第一发光二极管发出具有第一颜色的光并且第二发光二极管发出具有与第一颜色不同的、第二颜色的光。

7.一种用于利用根据权利要求1至6中任一项所述的系统(100)进行检查对象(400)的位置确定的方法，所述方法包括如下特征：

a)提供检查对象(400)；

b)借助于聚焦设备(110)把光束聚焦在第一检查面(401)的曲率中心上；

c)产生第一测量值；

d)借助于聚焦设备(110)把光束聚焦在第二检查面(402)的曲率中心上；

e)产生第二测量值；

f)借助于计算单元(300)分析第一和第二测量值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤a)和步骤b)之间借助于至少一个附加透镜(120)进行预聚焦。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，利用第一发光二极管照射第一检查面以及利用第二发光二极管照射第二检查面。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b)和步骤d)以及第一发光二极管切换至第二发光二极管同步进行。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，在第一和第二检查面上光束的聚焦在视频周期中以在1和50Hz范围内的频率，优选在20和30Hz范围内的频率，特别优选以25Hz的频率进行。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述产生第一和第二测量值的步骤c)和e)包括如下特征：

c1)借助于检测器单元(230)拍摄第一图像，其中图像对应于第一检查面(x1、y1)处的测量结构(260)的反射；

e1)借助于检测器单元(230)拍摄第二图像，其中图像对应于第二检查面(x2、y2)处的测量结构(260)的反射。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述分析步骤f)还包括如下特征：

f1)借助于计算单元(300)根据通过检测器单元确定的距离(d1、d2)推导出检查对象的位置(xL、yL)；

f2)借助于显示单元(300)显示检查对象的位置。

14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法，其特征在于，对第一检查面来说使用第一测量结构(260)，以及对第二检查面来说使用与第一测量结构不同的第二测量结构(260)，并且步骤b)和步骤d)以及从第一测量结构切换至第二测量结构同步进行。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，第一和第二测量结构(260)通过图像发生器提供。