CN107490347A - 用于校准光学安排的方法 - Google Patents

Abstract

披露了一种对用于确定测量对象的尺寸特性的光学安排进行校准的方法、以及一种实施所述方法的坐标测量机器。所述光学安排具有相机以及用于将第一周期性图案投影到投影区域上的投影仪。所述光学安排是沿着第一轴线相对于工件工作台可移动的。在所述工件工作台上、在相对于所述光学安排的第一位置处安排了亚光表面。在所述亚光表面上提供与所述第一周期性图案分开的第二周期性图案并且使之偏移。使用所述相机来记录所述第二图案的图像，并且使用所述第二周期性图案来确定所述相机的至少一个畸变像差。将所述第一周期性图案投影到所述亚光表面上并且确定所投影的第一周期性图案的至少一个图案点的第一和第二坐标，所述第二坐标是与同所述第一轴线相垂直的第二轴线有关的。将所述亚光表面相对于所述光学安排沿着所述第一轴线移位至第二位置，并且针对所述亚光表面沿着该第一轴线的多个相对位置重复上述步骤。

Description

用于校准光学安排的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2016年6月13日向德国专利与商标局提交的德国专利申请10 2016110 802.2的巴黎公约优先权。所述优先权申请的全部内容通过援引并入本文。

背景技术

本发明涉及用于校准包括相机和投影仪的光学安排的方法。本发明进一步涉及具有此类光学安排并且实施所述校准方法的坐标测量机器。

DE 195 36 297 A1中披露了上述类型的方法。使用投影仪来将预定图案投影到例如位于校准板的投影区域上。投影区域或所述校准板是提前引入测量体积中的。然后，针对投影图案中的图案点来确定与测量体积的坐标系中的第一轴线有关的坐标，所述第一轴线优选地垂直于所述投影区域(例如，z轴)。可以基于所确定的第一坐标相对于第一(z)轴线对所述光学安排进行校准。

从现有技术中已知的其他方法使用具有标记的平面板，这些标记是以高度精确的方式施加的。然而，这样的平面板是昂贵的。此外，通过这样的安排，全区域的畸变测量是不可能的，并且因此校准的准确性受到限制。

影响上述已知方法的另一个缺点是，这些方法要求使用不同部件的多个校准步骤，这些的空间指配需要很大的努力才有可能。

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于校准开篇提及的类型的光学安排的方法，所述方法可以容易地实施。

本发明的另一目的是提供用于校准光学安排的方法，所述方法可以更便宜且以更少的努力来实施。

本发明的又一个目的是提供具有包括相机和投影仪的光学安排的坐标测量机器，所述坐标测量机器常规地可以高准确性地进行校准。

根据本发明的第一方面提供了对用于确定测量对象的尺寸特性的光学安排进行校准的方法，所述光学安排包括被配置成用于将第一周期性图案投影到测量体积内的投影区域上的投影仪、以及用于记录所述投影区域的图像的相机，所述方法包括以下步骤：

a)相对于所述光学安排将亚光表面安排在所述测量体积中的沿第一轴线的第一位置处，

b)在所述亚光表面上提供与所述第一周期性图案分开的第二周期性图案、并且将所述第二周期性图案沿垂直于所述第一轴线的至少一个第二方向以多个相位步长来偏移，所述至少一个第二方向限定了至少一条第二轴线，

c)使用所述相机来记录所述第二图案的图像并且使用所述第二周期性图案来确定所述相机的至少一个畸变像差，

d)通过所述投影仪将所述第一周期性图案投影到所述亚光表面上，

e)使用所述相机来记录所述第一图案的图像并且确定所投影的第一周期性图案的至少一个图案点的第一坐标，所述第一坐标是与所述第一轴线有关的，

f)确定所投影的第一周期性图案的所述至少一个图案点的第二坐标，所述第二坐标是与所述第二轴线有关的，

g)使得所述亚光表面相对于所述光学安排沿着所述第一轴线移位至第二位置，并且针对所述亚光表面沿着所述第一轴线的多个相对位置，重复步骤b)至f)。

根据本发明的另一方面，在包括被配置成用于接纳测量对象的工件工作台的坐标测量机器中，所述坐标测量机器包括相对于所述工件工作台沿着第一轴线可移动的工作头部，所述第一轴线是垂直于所述工件工作台的；并且包括评估与控制单元，所述评估与控制单元被配置成使用所述工作头部和所述工件工作台来确定所述测量对象的空间坐标，所述工作头部包括具有相机和投影仪的光学安排，并且所述投影仪被配置成用于将第一周期性图案投影到所述工件工作台上的投影区域上，提供了用于校准所述光学安排的方法，所述方法包括以下步骤：

a)在所述光学安排沿这所述第一轴线相对于所述工件工作台处于第一位置处时，在所述工件工作台上安排亚光表面，

b)在所述亚光表面上提供与所述第一周期性图案分开的第二周期性图案、并且将所述第二周期性图案沿垂直于所述第一轴线的至少一个第二方向以多个相位步长来偏移，所述至少一个第二方向限定了至少一条第二轴线，

c)使用所述相机来记录所述第二图案的图像并且使用所述第二周期性图案来确定所述相机的至少一个畸变像差，

d)通过所述投影仪将所述第一周期性图案投影到所述亚光表面上，

e)使用所述相机来记录所述第一图案的图像、并且使用所述评估与控制单元确定所投影的第一周期性图案的至少一个图案点的第一坐标，所述第一坐标是与所述第一轴线有关的，

f)使用所述评估与控制单元确定所投影的第一周期性图案的所述至少一个图案点的第二坐标，所述第二坐标是与所述第二轴线有关的，

g)使得所述亚光表面相对于所述光学安排沿着所述第一轴线移位至第二相对位置，并且针对所述亚光表面沿着所述第一轴线的多个相对位置，重复步骤b)至f)。

根据本发明的另一方面，提供了用于确定测量对象的尺寸特性的坐标测量机器，包括工件工作台，包括相对于所述工件工作台可移动的光学安排，所述光学安排包括被配置成用于将第一周期性图案投影到测量体积内的投影区域上的投影仪，并且包括被配置成用于记录所述投影区域的图像的相机，包括评估与控制单元，所述评估与控制单元被配置成使用所述第一周期性图案和所述相机来确定所述测量对象的空间坐标；并且包括用于校准所述光学安排的校准装置，其中所述校准装置包括亚光表面，所述亚光表面被配置成是被安排在所述工件工作台上、沿着第一轴线相对于所述光学安排处于第一位置处，并且其中所述评估与控制单元进一步被配置成用于执行以下步骤：

i)在所述亚光表面上提供与所述第一周期性图案分开的第二周期性图案、并且将所述第二周期性图案沿垂直于所述第一轴线的至少一个第二方向以多个相位步长来偏移，所述至少一个第二方向限定了至少一条第二轴线，

ii)使用所述相机来记录所述第二图案的图像并且使用所述第二周期性图案来确定所述相机的至少一个畸变像差，

iii)通过所述投影仪将所述第一周期性图案投影到所述亚光表面上，

iv)使用所述相机来记录所述第一图案的图像并且确定所投影的第一周期性图案的至少一个图案点的第一坐标，所述第一坐标是与所述第一轴线有关的，

v)确定所投影的第一周期性图案的所述至少一个图案点的第二坐标，所述第二坐标是与所述第二轴线有关的，

vi)使得所述亚光表面相对于所述光学安排沿着所述第一轴线移位至第二相对位置，并且针对所述亚光表面沿着所述第一轴线的多个相对位置，重复步骤i)至v)。

所述光学安排相对于所述光学安排的测量体积的坐标系中的第一轴线(优选地，z轴)的校准是基于投影到所述投影区域上的第一图案来执行的。所述测量体积的坐标系优选地是已知为全局坐标系的坐标系。所述光学安排相对于与所述测量体积的坐标系的第一(z)轴线相垂直的第二轴线(优选地x或y轴)的校准是基于以相机可检测到的方式显示在显示区域上的第二图案来执行的。因此，能够在每个图案点在测量体积的坐标系中的坐标(具体而言，x、y、以及z坐标)与同所述图案点相对应的图像点在所述相机的检测平面的坐标系中的坐标(具体而言，x′、y′、以及z′坐标)之间建立关联性。以此方式，特别准确地校准了所述光学安排。

由于所述第二图案与所述第一图案的投影图案不同，所以相对于所述第一轴线的校准可以至少部分地与相对于所述第二轴线的校准解耦。在本发明的范围内，“不同”应理解为是指所述投影图案和所述第二图案是两个单独的图案。所述投影图案由于对所述第一图案进行投影而产生，而所述第二图案是不经投影直接显示在显示区域上的。然而，所述第二图案可以包括与所述投影图案相同的图案形式并且因此被实施为具有与所述投影图案相同的内容。

除了检测所述第二图案之外，所述相机还可以被配置成用于检测所述投影图案。为此，所述投影区域优选地被配置成为可朝所述相机对准。

由于上述的解耦，所述方法相对于从现有技术已知的校准方法是有利的，其中所述第一图案被投影到所述投影区域上并且在所述过程中出现的投影图案被用于相对于所述测量体积的坐标系的第一轴线进行校准并且相对于所述第二轴线进行校准两者。因此，关于所述测量体积的坐标系的两条轴线进行校准的准确性仅取决于从现有技术已知的这些方法中的投影图案的品质。这意味着对投影图案或投影仪在准确性方面的要求增大。

与现有技术相比，可以以彼此至少部分解耦的方式来执行所述光学安排相对于所述测量体积的坐标系的第一轴线和第二轴线的校准步骤。这降低了在将所述光学安排相对于所述第二轴线校准时在投影图案的传播中产生误差的风险。

此外，能够省去具有高精度标记的昂贵平面板，这些标记只能用很多的费用来施加，并且因此本方法是更加成本有效的。此外，可以通过所述方法来执行这个区域的畸变测量，从而提高校准的准确性。最后，根据本发明的方法仅需要少量的部件，因此简化了空间指配，同样对根据本发明的方法具有成本有效的影响。

因此，完全实现了上述目的。

在优选的构型中，所述方法包括通过亚光表面提供投影区域，其中所述亚光表面形成在电子装置的显示器和/或毛玻璃屏上。

所述亚光表面作为第一图案投影的背景，这由于其低反射率而对于投影第一图案具有有利的效果。所述电子装置可以是平板电脑、智能电话、或包括屏幕的移动计算装置，并且因此它是以简单的方式可获得的。有利的是，根据本发明的方法因此而更加成本有效。可以在所述电子装置的显示器的覆盖玻璃上安排所述亚光表面。具体而言，可以通过蚀刻、通过向所述覆盖玻璃施加亚光膜、或者通过对所述覆盖玻璃的一侧亚光处理来形成所述亚光表面。可以将所述亚光表面设计成是可朝所述相机对准的。

所述亚光表面可以具有小于所述光学安排的平面度误差的平面度误差。因此，所述投影区域是足够有利的平面从而使得校准特别准确。所述覆盖玻璃可以被设计成是可在第一状态与第二状态之间切换的，在所述第一状态下所述覆盖玻璃是透明的并且在所述第二状态下所述覆盖玻璃是不透明的，其中所述覆盖玻璃的切换可以基于电致变色层或液晶的使用。这降低或避免了显示器的激活模式下的分辨率损失，在该激活模式中所述显示器被开启以便相对于第二(x和/或y)轴线进行校准。此外，所述显示区域(具体而言，显示器)优选具有自发光设计，以简化第二图案的显示。

在另一优选的构型中，所述方法进一步包括在显示区域上和/或与显示区域相反的后区域上提供亚光表面。

如果亚光表面位于显示区域上，则投影区域与显示区域重叠，或者这两个区域被安排在同一水平。这意味着在相对于测量体积的第一轴线进行校准期间所确定的投影图案的图案点的第一坐标也可以用于相对于所述测量体积的第二轴线进行的校准，从而简化对所述光学安排的校准。在亚光表面被安排成与显示区域相反的情况下，可以单独点亮显示区域，以简化相机检测第二图案。举例而言，毛玻璃屏可以在前侧上配备有亚光表面、并且在后侧上被施加第二图案(特别是正弦条纹图案)。

在另一优选的构型中，所述方法进一步包括在电子装置的显示器上和/或在毛玻璃屏上提供显示区域。

在这种构型中，显示器或毛玻璃盘可以用于相对于测量体积的所述第一轴线以及相对于所述第二轴线的校准两者，这样使得不需要用于相对于所述第一轴线或第二轴线来进行校准的额外部件。有利的是，进一步简化了用于执行所述校准方法的这些不同部件的空间指派。有利的是，电子装置的显示器或屏幕构成显示元件，使得显示区域由所述电子装置的显示表面提供。

在显示器的覆盖玻璃上形成亚光表面的情况下，可以在所述覆盖玻璃的面向显示器外侧的前侧上安排所述亚光表面，同时可以在所述覆盖玻璃的面向显示器内侧的后侧上安排显示区域。因此，所述投影区域和所述显示区域彼此相隔了所述覆盖玻璃的厚度。

所述显示器可以在相对于第一轴线的校准期间被关掉，其中优选地利用亚光表面而并不利用显示区域或显示表面，并且在相对于第二轴线的校准期间被开启，其中优选地利用显示表面而并不利用所述亚光表面，以便显示第二图案。以此方式，可以将显示器(优选地同时地)用作被动元件以照亮状态用于例如由投影仪投射第一图案从而用于相对于第一轴线(例如，z轴)进行校准、并且用作主动元件用于相对于第二轴线(例如，x轴和/或y轴)进行校准。

在另一优选的构型中，所述第一图案和/或所述第二图案包括周期性图案、优选周期性条纹图案、更优选地正弦条纹图案。

通过使用周期性图案、周期性条纹图案或正弦条纹图案，可以使用相位特性来进行相对于所述第一和/或第二轴线的校准，从而进一步提高校准的准确性。具体而言，借助于条纹图案，可以基于条纹投影的原理高准确性地进行校准，如从Liu等人，OpticsCommunications[光学通信]216(2003)65-80得知。优选地，所述光学安排为此包括条纹投影系统。

在另一优选的构型中，所述方法进一步包括在第一图案和/或第二图案的周期性图案中产生相移。

可以使用相移来确定投影图案中的图案点的第一坐标对于周期性图案中的相位的依赖性，这在投影仪的投影故障方面具有特别高的准确性和公差。替代地或额外地，可以以多个相位步长来推动所述第一和/或第二图案。

在另一优选的构型中，相移是由于显示区域的横向移动引起的。

这利于在显示表面上产生与电子产生的相移相关较简单的相移。此外，对于其上安排了显示区域的显示元件(或者毛玻璃屏)而言这尤其是备份，因为对显示元件的加热(如果将显示表面用作相移的电子显示则由于施加电流而是不可避免的)仅是微不足道或完全被去除。

在另一优选的构型中，所述方法进一步包括将所述相机图像的图像点在检测平面的第二坐标系中的坐标指配给与所述相机的图像点相对应的第二图案的图案点的第二坐标，其中所述第二坐标是与所述第一坐标系的第二轴线相关的。

以此方式，相对于测量体积的坐标系的第二轴线的校准是特别有效的。具体而言，通过坐标的指配，可以获得针对所记录的相机图像中的每个图像点、优选地针对所述相机的检测平面的每个像素的精确校准。

在另一优选的构型中，所述方法进一步包括将所述相机图像的图像点在检测平面的第二坐标系中的坐标指配给与所述相机的图像点相对应的第二图案的图案点的第三坐标，其中所述第三坐标与所述第一坐标系的第三轴线相关的，所述第三轴线垂直于所述第一轴线和所述第二轴线。

这利于相对于测量体积的坐标系中的所有三条空间轴线的校准，并且因此获得对所述光学安排的全区域校准。

在另一优选的构型中，是在优选地通过平台来对投影区域的位置进行测量的基础上确定投影图案中的图案点的第一坐标的。

以此方式，可以以特别简单的方式来确定投影图案中的图案点的第一坐标。平台或工作台优选地被设计成用于使投影区域、优选地使电子装置的显示器和/或紧固至所述平台上的毛玻璃屏沿着第一轴线移位。与所述光学安排一起，所述平台可以连接至控制器上，以便使显示器相对于相机对准。更优选地，可以使用辅助标记来将显示器对准。

在另一优选的构型中，在确定投影图案中的图案点的第一坐标之前，更优选在投影第一图案之前，执行第二图案的检测和/或显示。

因此，所述光学安排相对于第二轴线的校准在相对于第一轴线的校准之前执行，并且因此在第二校准(相对于第一轴线)期间，可以考虑来自第一校准(相对于第二轴线)的校准结果。在指配相机图像的图像点的坐标之后并且在第一图案的投影之前，可以关掉电子装置的显示器，并且因此根据本发明的方法有利于节能。

在另一优选的构型中，所述方法进一步包括测量相机图像的至少一个畸变像差。

举例而言，由于显示区域、具体而言电子装置的显示表面相对于相机的光轴倾斜而出现畸变像差，其中这被称为透视畸变，但是所显示的(第二)图案中的直线条纹保持笔直。畸变像差导致在(第二)图案中显示的条纹出现曲率、并且因此应被去除。这可以通过优选地与有源显示器相组合来测量畸变像差、例如通过相位评估来实现。因此，可以针对相机图像中的每个独立的图像点、具体而言针对每个独立的像素，准确地评估由畸变像差造成的图像曲率。畸变测量优选地在相机图像的图像点的坐标指配之前执行，以便在校准期间更好地考虑可能的畸变像差。

在另一优选的构型中，第一坐标系的第一轴线垂直于投影表面和/或显示表面而对准。

因此，第二轴线平行于所述投影区域和/或显示区域，其中所述测量体积的第一坐标系是通过所述投影区域或所述显示区域来设定的。替代地或额外地，第一轴线可以平行于相机的光轴而对准。

在进一步优选的配置中，所述方法进一步包括基于第一图案来确定属于投影图案中的图案点的所确定的第一坐标的相位。

由此，能够获得在相对于第一轴线(具体而言，z轴)的校准期间所确定的第一坐标的相位依赖性，这提高了校准的准确性。

在另一优选的构型中，所述方法包括在测量体积中以第一取向来安排投影区域，其中在所述投影区域的第一取向情况下，执行校准循环并且在投影区域于测量体积中的一个或多个第二取向下进行重复，所述校准循环包括所述光学安排相对于测量体积的坐标系的第一轴线和第二轴线的校准，其中选择所述多个第二取向的其方式为使得利于所述投影图案的所述图案点在所述第一坐标系中有多个第一坐标，其中相邻的第一坐标之间的距离优选地是恒定的。

因此，可以在不同的第一坐标下执行所述校准循环。优选地，针对显示器投影区域和/或毛玻璃屏的对应取向，在每个校准循环期间，可以将所述光学安排首先相对于第二(x和/或y)轴线校准、并且在此之后相对于第一(z)轴线校准，其中，将所述显示器投影区域和/或毛玻璃屏在每个校准循环之后沿着第一(z)轴线移位预定(优选地恒定)距离，并且以新的取向执行下一个校准循环。

其他优点和特征将从以下描述和附图中显现。

应理解的是，上述特征和下面将要解释的特征不仅可以以分别指明的组合方式使用、还可以以其他组合方式或独自地使用而不脱离本发明的范围。

附图说明

在附图中展示出了本发明的示例性实施例并且参照这些附图在下文中进行描述。在附图中：

图1示出了根据示例性实施例的校准系统的示意性设置；

图2示出了用于图1的校准系统的显示器的示意性截面视图；

图3示出了用于图1的校准系统的毛玻璃屏的示意性截面视图；

图4示出了根据示例性实施例的校准方法的示意性框图；

图5示出了通过图1的校准系统进行的畸变测量的展示性描绘；

图6示出了通过图1的校准系统相对于z轴进行校准的展示性描绘；并且

图7示出了根据示例性实施例的包括校准系统的坐标测量机器的示意性透视展示。

具体实施方式

图1示出了根据示例性实施例的、以总体参考号10提供的校准系统的示意性设置。校准系统10包括光学安排12，所述光学安排包括投影仪14和相机16。

投影仪14被设计成用于将第一图案投影到被安排在测量体积18中的投影区域24上。如图1所示，投影区域24被实施为电子装置(例如蜂窝电话或计算机)的显示器22上的亚光表面。

相机16被设计成用于检测在显示元件的显示区域26上所显示的第二图案。如图1中以示例性方式示出的，所述显示元件是显示器22，其中显示区域26被精确地安排在显示器22的与亚光投影区域24相同的一侧上，其方式为使得显示区域26朝相机16对准。优选地，显示区域26是显示器22的显示表面。

相机16进一步包括检测平面28(图5)，图2中更详细地描述了所述检测平面。显示区域26所显示的第二图案在相机16的检测平面28上成像，使得所述第二图案的相机图像出现在检测平面28上。

显示器22优选地被定位在可移位地位于测量体积18中的测量工作台20上。如图1中以示例性方式示出的，显示器22是沿着垂直于投影区域24和显示区域26定向的z轴可移位的，显示器22的位置优选地是使用所述测量工作台直接可读取的。因此，可以通过读取所述移位之前的初始位置和所述移位之后的新位置以简单的方式来确定显示器22的移位。因此，通过将显示器22移位，显示器22可以被定位在沿着z轴的多个位置中以便校准所述光学安排。为了相对于z轴来校准所述光学安排12，可以在第一图案的投影图案中的图案点或所显示的第二图案中的图像点的这些位置中的每一个位置处确定对应的z坐标。

如图1中以示例性方式示出的，投影区域24或显示区域26基本上位于x轴和y轴所跨的平面(xy平面)中。因此，显示在显示区域26上、优选地在显示器22的显示表面上的第二图案基本上位于所述xy平面中。通过检测第二图案来生成相机图像，以便相对于测量体积18的坐标系中的x轴和/或y轴来校准所述光学安排。

第二图案与第一图案的投影图案是分开的。这意味着投影图案和第二图案是两个单独的图案。投影图案是由于对第一图案进行投影而出现，而第二图案是不经投影直接显示在显示区域26上的。第二图案可以包括与投影图案或第一图案相同的图案形式并且因此具有与所述投影图案或第一图案相同的内容。

相机16可以被设计成用于检测第一图案的投影图案。此外，亚光表面可以具有小于光学安排12或投影仪14的平面度误差的平面度误差。

图2以示意性截面视图示出了图1的显示器22。显示器22包括亚光表面作为投影区域24，所述亚光表面被安排在覆盖玻璃30的、面向相机16的前侧上。显示表面作为显示区域26被安排在覆盖玻璃30的、与所述前侧相反并且背离相机16定位的后侧上，第二图案能够通过控制电子器件(没有更详细地示出)被显示在所述显示区域上，这些电子器件位于显示器22的壳体32中。应理解的是，图2中的显示器22不是按实际比例示出的，其中为了清楚起见，所述亚光表面是通过以夸张的方式绘制的厚度的黑线来描绘的。具体而言，投影区域24和显示区域26在图1中基本上被展示为一个区域，因为其间的空间(即，覆盖玻璃30的厚度)很小以至于相对于校准系统10的其他尺寸而言、例如关于光学安排12与显示器22之间的距离而言可以忽略不计。

所述亚光表面可以通过蚀刻所述覆盖玻璃30来形成。替代地，可以向光滑的覆盖玻璃30施加亚光膜，或者所述光滑的覆盖玻璃30可以被移除并且替换成一侧上是亚光的覆盖玻璃。显示器22可以包括能够显示计算机生成的图像/图案(具体而言，正弦图案或条纹图案)的高分辨率自发光显示器。

所述覆盖玻璃32可以被设计成是可在第一状态与第二状态之间切换的，在所述第一状态下所述覆盖玻璃32是透明的并且在所述第二状态下所述覆盖玻璃32是不透明的，具体而言，所述覆盖玻璃32的切换可以基于电致变色层或液晶的使用。

图3以示意性截面视图示出了毛玻璃屏33，以作为图1所示的校准系统10的显示器22的替代方案。毛玻璃屏33包括亚光表面作为投影区域34。在所述亚光表面的后侧上安排了用于显示图案的显示区域36。同样为了清晰起见，投影区域34和显示区域36不是按实际比例描绘的。

图4示出了用于校准图1所示的光学安排12的校准方法的示意性框图。在校准之前，显示器22被引入测量体积18的第一位置处，在所述第一位置处，显示区域26和投影区域24具有z坐标。

在所述第一位置或在显示区域26的z坐标处，在第一步骤101中，在显示器22的显示区域26(优选地，显示面)上显示出优选地是正弦条纹图案的(第二)图案，其方式为使得所显示的图案可以被相机16检测到。在

为此，针对所显示的(第二)图案的相机图像中的每个图像点(像素)来确定在检测平面的坐标系中的坐标x′和y′。此外，针对显示在显示区域上的(第二)图案的、与所考虑的图像点相对应的图案点，确定在测量体积的坐标系中的坐标x和y。使坐标对(x′，y′)和(x，y)相对于彼此相关联实现所述光学安排相对于测量体积的x轴和y轴的校准。

在完美相机16的情况下，显示器22上的第二图案的直条纹将被再现为所述第二图案的相机图像中的直条纹。如果显示器22相对于相机16的光轴17倾斜，则存在透视畸变，其中所显示图案中的直条纹在相机图像中成像之后保持直线。然而，在具有轻微曲率的条纹的情况下，这样的畸变导致出现在所述相机图像中的条纹具有强烈曲率。

借助于相位评估，可以非常精确地评估所述相机图像的每个独立图像点(像素)的此类畸变。图5示出了用于解释示例性畸变测量的说明性描绘。借助于相机16，显示在显示器22的显示区域26上的条纹图案被成像到所述相机16的检测平面28上，以产生所述条纹图案的相机图像。如图5所示，在相机图像的左和右边缘处可见可能由畸变像差导致的强烈弯曲条纹。在通过光刻方法产生的显示的情况下，可以假设显示器的像素网格表示几乎完美的图案。通过使用有源显示器，例如如Schmalz等人，Optical Engineering[光学工程]50(11)，113601(2011年11月)中更详细地描述的，就能够与相位评估相结合来准确测量畸变。相应地，此公开文献通过援引并入本文。

在相对于x轴和y轴(第二轴线)校准所述光学安排12之后，现在能够执行相对于z轴的校准。为此，优选地初始地关掉显示器22。如图4所示，在第三步骤103内，用投影仪14以多个相步长将(第一)图案(优选地，正弦条纹图案)投影到显示器22的、用作投影区域24的亚光表面上。由此，出现投影图案，在第四步骤104中，针对所投影图案的每个图案点，在测量体积18的坐标系中确定相对于z轴的坐标z₀，并且确定与坐标z₀相关联的相位。可以通过使用测量工作台20读取显示器22的位置来确定坐标z₀。

因此，可以针对相机16的检测平面28的每个像素来确定测量体积18的坐标系中的相关联x坐标和y坐标以及与坐标z₀相关联的相位。以此方式，针对显示器22的、对应于坐标z₀的第一位置来执行第一校准循环，在所示校准循环期间，将光学安排12相对于测量体积18的x轴、y轴、和z轴校准。

在第一校准循环之后，显示器22沿着z轴移位至新位置以便进行下一个校准循环。在此，投影到投影区域24上的图案的图案点相对于z轴移位了差值Δz，即z₀+Δz，如在图6中以示例性的方式示出的。

像在第一校准循环中一样，在显示器22的新位置处执行步骤101至104。对于z坐标z₀+2Δz，z₀+3Δz，z₀+4Δz，…处的多个校准循环而言，针对测量体积18的坐标系中的所选z坐标中的每一个坐标由正弦条纹图案推导出相位。由此，能够确定投影到投影区域24上的(第一)图案的每个图案点的z坐标的相位依赖性。以此方式，同时还确定了显示在显示区域26上的(第二)图案的图案点的z坐标的相位依赖性。

光学安排12相对于x轴和y轴的校准可以通过在相对于z轴校准期间确定的z坐标的相位依赖性来进一步优化。在上述多个校准循环之后，就可能存在对光学装置12进行完整的校准。举例而言，可以使用H.Liu等人，Optics Communications[光学通信]216(2003)65-80中描述的方法来达到此目的。相应地，此公开文献通过援引并入本文。

有利地，显示器22既可以用作“被动”元件(即，显示器22并不显示基于电子图形控制器的图案)来以被照亮的状态(优选地，被投影仪14照亮)用于相对于z轴进行校准；又可以用作“主动”元件(即，显示器22显示基于电子图形控制器的图案)来用于相对于x轴和y轴进行校准。因此，可以仅使用一个校准区域(显示器22的投影区域24和显示区域26，如图1所示)按自动序列执行用于校准所述光学安排、尤其校准条纹投影系统和/或不同的基于图案的投影系统的多种不同系列的方法。

代替显示器22，在图4所示的校准方法中可以使用来自图3的毛玻璃屏33。为此，可以将正弦条纹图案施加到亚光投影区域34的后侧上的显示区域36上，其中在相对于x轴和y轴的校准期间可以点亮显示区域36。出于产生相移的目的可以将毛玻璃盘横向移动或移位。

可以使用与图1的校准系统10相结合的计算机程序产品来执行图4所示的校准方法。所述计算机程序产品包括存储介质和有待在校准系统10的处理单元中运行的计算机指令，所述计算机指令存储在所述存储介质中，其中这些计算机指令在所述处理单元中运行时提供所述校准方法。

图7以示意性透视图示出了在坐标测量机器70的背景下的本发明的示例性实施例。坐标测量机器70在此被选择为多种适合的设备的实例，这些设备不限于所述术语的狭义含义内的坐标测量机器，例如具有门架或柱构造的那些设备。此外，新颖的方法和对应的设备也有利地适用于对象的处理。

此外，新颖的方法和对应的设备不限于具有串行运动学特征的系统。举例而言，可以将相对于对象可移动的工作头部安排在并行运动学特征构造上或多轴机器人臂上。同样可能的是使所述工作头部本身固定，同时可以通过包括一个或多个机器人的适合的运动学构造将对象相对于工作头部定位。

坐标测量机器70具有工作头部72，所述工作头部在当前情况下被安排在工件工作台74上方的支柱上。工件工作台74被实施为用于接收使用工作头部72来测量的对象(这里未示出)。典型地，使用坐标测量机器来确定对象的尺寸特性，特别是作为品质保证和/或原型设计的一部分。

举例而言，工件工作台74是所谓的十字工作台，其可以通过适合的驱动器76(在此不可见)沿两个相互正交的空间方向移位。这两个空间方向通常被称为x轴和y轴，并且它们与第三正交轴(z轴)一起限定了机器坐标系，所述机器坐标系在此用参考号77展示。工件工作台74在此具有准许沿着坐标轴进行线性移动的线性引导件78。

典型地，沿每个坐标方向，在这些引导件78中的至少一者的区域中安排了线性标度80，所述线性标度与读取头(在此未单独示出)形成编码器安排82。编码器安排82以本身已知的方式提供第一位置信息，所述第一位置信息用坐标系77的绝对坐标来表示至少在对应的评估之后所述工作头部72和工件工作台74的相应工作位置。以简化的方式，在图1中仅指定了沿着y轴的编码器安排。然而，坐标测量机器70有利地具有多维编码器安排，所述多维编码器安排提供沿着三个坐标轴的绝对位置信息。因此，工作头部72是通过集成在支柱中的驱动系统(未示出)而可在引导件上沿着z轴移位的。

在工作头部72上安排了具有优选地集成的图像传感器84的光学传感器。图像传感器84用于记录被定位在工件工作台74上的对象的图像。优选地，图像传感器84被配置成为相机，所述相机适合用于记录被投影到可移位地固定在工件工作台74上的投影区域上的图案的图像。为此，可以将投影仪集成在坐标测量机器70中。替代地，可以利用外部投影仪。

为了应用本发明，可以以沿坐标系77的坐标轴可移位的方式、以与图1所示的光学安排12与平台24一起相类似的方式，在工件工作台74上安排显示器(未示出)和/或毛玻璃屏(参见图1-2)。因此，坐标测量机器70可以根据上文解释的校准方法、特别是根据结合图4所描述的方法进行校准。

可以使用评估与控制单元88来控制工作头部72相对于工件工作台74的移动，并且确定工作头部72在机器坐标系77中的相应工作位置。此外，在一些示例性实施例中，所述评估与控制单元88被配置成用于确定有待测量的对象的空间坐标，其中它使用了由编码器安排82提供的沿着这些坐标轴的位置信息。此外，出于确定空间坐标目的，所述评估与控制单元88使用由图像传感器84提供的信息。

Claims (16)

1.对用于确定测量对象的尺寸特性的光学安排进行校准的方法，所述光学安排包括被配置成用于将第一周期性图案投影到测量体积内的投影区域上的投影仪、以及用于记录所述投影区域的图像的相机，所述方法包括以下步骤：

a)相对于所述光学安排将亚光表面安排在所述测量体积中的沿第一轴线的第一位置处，

b)在所述亚光表面上提供与所述第一周期性图案分开的第二周期性图案、并且将所述第二周期性图案沿垂直于所述第一轴线的至少一个第二方向以多个相位步长来偏移，所述至少一个第二方向限定了至少一条第二轴线，

c)使用所述相机来记录所述第二图案的图像并且使用所述第二周期性图案来确定所述相机的至少一个畸变像差，

d)通过所述投影仪将所述第一周期性图案投影到所述亚光表面上，

e)使用所述相机来记录所述第一图案的图像并且确定所投影的第一周期性图案的至少一个图案点的第一坐标，所述第一坐标是与所述第一轴线有关的，

f)确定所投影的第一周期性图案的所述至少一个图案点的第二坐标，所述第二坐标是与所述第二轴线有关的，

g)使得所述亚光表面相对于所述光学安排沿着所述第一轴线移位至第二位置，并且针对所述亚光表面沿着所述第一轴线的多个相对位置，重复步骤b)至f)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述亚光表面安排在具有显示控制电子器件的电子装置的显示器上，并且其中使用这些显示控制电子器件来显示所述第二周期性图案。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在步骤d)至e)期间关掉所述电子装置。

4.如权利要求2所述的方法，其中，所述电子装置是平板计算机、智能电话、或移动计算装置。

5.如权利要求2所述的方法，其中，所述电子装置具有覆盖玻璃，并且其中所述亚光表面是通过蚀刻所述覆盖玻璃或者通过向所述覆盖玻璃施加亚光膜来在所述覆盖玻璃上来安排的。

6.如权利要求1所述的方法，其中，通过毛玻璃屏来提供所述亚光表面，所述毛玻璃屏具有面向所述相机的覆盖玻璃并且具有后侧，其中在所述后侧上安排了所述第二周期性图案。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述覆盖玻璃被设计成是可在第一状态与第二状态之间切换的，在所述第一状态下所述覆盖玻璃是透明的并且在所述第二状态下所述覆盖玻璃是不透明的。

8.如权利要求1所述的方法，其中，通过将所述光学安排相对于所述亚光表面沿着所述至少一条第二轴线移动来使所述第二周期性图案沿所述至少一条第二方向偏移。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个第二方向包括各自垂直于所述第一轴线并且相对于彼此垂直的两个第二方向。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一周期性图案和所述第二周期性图案包括相同的图案形式。

11.如权利要求1所述的方法，其中，选择所述多个相对位置的方式为，使得相邻的相对位置之间的距离是恒定的。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一周期性图案和所述第二周期性图案中的至少一者是正弦条纹图案。

13.如权利要求1所述的方法，其中，所述相机具有多个独立像素，并且其中针对每个独立像素确定畸变像差。

14.如权利要求1所述的方法，其中，所述相机具有限定相机坐标系的多个像素，并且其中所述第一和第二坐标指配给所述多个独立像素的坐标。

15.在包括被配置成用于接纳测量对象的工件工作台的坐标测量机器中，所述坐标测量机器包括相对于所述工件工作台沿着第一轴线可移动的工作头部，所述第一轴线是垂直于所述工件工作台的；并且包括评估与控制单元，所述评估与控制单元被配置成使用所述工作头部和所述工件工作台来确定所述测量对象的空间坐标，所述工作头部包括具有相机和投影仪的光学安排，并且所述投影仪被配置成用于将第一周期性图案投影到所述工件工作台上的投影区域上，用于校准所述光学安排的方法，所述方法包括以下步骤：

a)在所述光学安排沿这所述第一轴线相对于所述工件工作台处于第一位置处时，在所述工件工作台上安排亚光表面，

b)在所述亚光表面上提供与所述第一周期性图案分开的第二周期性图案、并且将所述第二周期性图案沿垂直于所述第一轴线的至少一个第二方向以多个相位步长来偏移，所述至少一个第二方向限定了至少一条第二轴线，

c)使用所述相机来记录所述第二图案的图像并且使用所述第二周期性图案来确定所述相机的至少一个畸变像差，

d)通过所述投影仪将所述第一周期性图案投影到所述亚光表面上，

e)使用所述相机来记录所述第一图案的图像、并且使用所述评估与控制单元确定所投影的第一周期性图案的至少一个图案点的第一坐标，所述第一坐标是与所述第一轴线有关的，

f)使用所述评估与控制单元确定所投影的第一周期性图案的所述至少一个图案点的第二坐标，所述第二坐标是与所述第二轴线有关的，

g)使得所述亚光表面相对于所述光学安排沿着所述第一轴线移位至第二相对位置，并且针对所述亚光表面沿着所述第一轴线的多个相对位置，重复步骤b)至f)。

16.用于确定测量对象的尺寸特性的坐标测量机器，包括：

工件工作台，

相对于所述工件工作台可移动的光学安排，所述光学安排包括被配置成用于将第一周期性图案投影到测量体积内的投影区域上的投影仪，并且包括被配置成用于记录所述投影区域的图像的相机，

评估与控制单元，所述评估与控制单元被配置成使用所述第一周期性图案和所述相机来确定所述测量对象的空间坐标，以及

用于校准所述光学安排的校准装置，

其中所述校准装置包括亚光表面，所述亚光表面被配置成是被安排在所述工件工作台上、沿着第一轴线相对于所述光学安排处于第一位置处，并且

其中所述评估与控制单元进一步被配置成用于执行以下步骤：

i)在所述亚光表面上提供与所述第一周期性图案分开的第二周期性图案、并且将所述第二周期性图案沿垂直于所述第一轴线的至少一个第二方向以多个相位步长来偏移，所述至少一个第二方向限定了至少一条第二轴线，

ii)使用所述相机来记录所述第二图案的图像并且使用所述第二周期性图案来确定所述相机的至少一个畸变像差，

iii)通过所述投影仪将所述第一周期性图案投影到所述亚光表面上，

iv)使用所述相机来记录所述第一图案的图像并且确定所投影的第一周期性图案的至少一个图案点的第一坐标，所述第一坐标是与所述第一轴线有关的，

v)确定所投影的第一周期性图案的所述至少一个图案点的第二坐标，所述第二坐标是与所述第二轴线有关的，

vi)使得所述亚光表面相对于所述光学安排沿着所述第一轴线移位至第二相对位置，并且针对所述亚光表面沿着所述第一轴线的多个相对位置，重复步骤i)至v)。