CN107709921A - 自由空间定位仪 - Google Patents

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Abstract

获得用于校准或改进计算机控制机器的定位的数据，所述计算机控制机器包括用于相对于第二机器部件的位置改变第一机器部件的位置的可移动搬运器。搬运器移动到多个搬运器位置，使得相对于第二机器部件的位置的第一机器部件的位置针对多个位置中的每一个而改变。在每个搬运器位置，用至少一个照明器照亮附接到第一机器部件的图案发生器，使得在空间中创建光的至少一个三维图案。记录与搬运器的位置相关的位置数据，并且在至少一个照明器的至少两不同光学配置中的至少一个三维图案的图像。将所记录的图像数据与参考数据库的图像数据进行比较，并且找到相似的图像对，参考数据库包括与图案发生器的空间中的三维光图案相关的相关图像和位置数据。获得每个相似图像对的图像平移偏移数据，并且基于与多个不同光学配置相关的图像平移偏移数据，获得用于校准或改进计算机控制机器的定位的平移和旋转数据。

Description

自由空间定位仪
技术领域
本发明涉及用于在诸如机床、光机测量装置、坐标测量机(CMM)、机器人和位置编码器等计算机控制的机器内找到精确平移和旋转的装置和方法的领域。更具体地，本发明涉及在多个机器部件位置处的刚体平移和旋转校准，或者在这些装置内的同时平移和旋转读取。
背景技术
参考XYZ坐标轴，下文中通过部件的平移是指该部件上的特定位置的X、Y、Z坐标。相同部件的旋转是指该部件的Rx、Ry、Rz旋转角，其中，Rx、Ry和Rz分别表示围绕给定的X、Y和Z轴的旋转角度。部件的位置在更广泛的意义上是指部件的组合平移和旋转、平移或旋转。通常，上述机器使用平移读取装置(所谓的编码器)来读取机器不同部件的精确平移。例如，如果这种机器使用三个平移自由度XYZ和一个旋转角度自由度θ构建，则线性编码器被放置在三个相应的X、Y和Z搬运器中的每一个处，并且角度编码器被放置在机器的θ搬运器的旋转轴线上。然而，这些编码器通常位于与机器的工作区域(或工作空间)相距一定距离处；否则编码器会与机器的工作区域操作相冲突。因此，为了确定所述工作空间中的特定机器部件或工具的平移，需要根据由相应编码器进行的测量来确定若干机器部件的平移和旋转。通过使用几何信息并且基于所述测量进行几何计算，获得所述特定机器部件的平移和旋转或者通常是位于机器的工作空间中的工具的平移和旋转。然而，机械不规则、间隙和/或机械运转会影响机器部件的移动。因此，编码器读取位置和工作区域操作位置之间的平移和旋转偏移引入与每个相应自由度相关联的难以测量的偏移，在所述几何计算中不考虑其偏移，并且这又导致所确定的机器部件位置的一定程度的不确定性和误差。
为了测量和校准例如机床、光机械装置和编码器的3D(三维)定位，通常使用所谓的触摸探头。触摸探头可以安装在机床工具架中，为了测量目的，可以移动，以接触仪表的校准位置，例如，钢球或棒。这是一个耗时的逐点处理，并且需要安装和使用昂贵的尺寸校准仪表。
通常，编码器测量沿着杆的1D(一维)平移，或者为了读取旋转角度，旋转轴的周边上的1D旋转。对于刚体的6个(3个平移+3个旋转)可能的机械自由度中的一些或全部，将相同的过程扩展到同时读取平移和旋转两者会复杂又昂贵。由于精度的限制，现在的编码器可能不是非常适合于读取沿着两个棒的例如平移之间的差值，并且可能将这些不同的平移推算到延伸到棒以外很远的位置的平移值。
在文献中，例如，Christopher J.Dainty ed.in Laser Speckle and RelatedPhenomena,Springer Verlag,Berlin 1974，描述了一系列所谓的斑点摄影和斑点干涉测量技术。这些技术的主要焦点是物体内部变形和表面形貌的测量。斑点摄影技术不能在3D空间中的多个部位位置处测量局部平移和旋转角度偏移。相应地，此外，干涉技术是振动敏感的，并且在许多情况下不是非常适合于工业应用。
稍后，例如，Ichirou Yamaguchi等人在Applied Optics,Vol.28,No.20,October15,1989中并且Vijay Shilpiekandula在其硕士论文，麻省理工学院，Feb.2004中，描述了如何可以使用散焦或聚焦相机来通过使用例如相机记录斑点位移来制作旋转角读取编码器。该技术还缺乏在3D空间中的多个部位位置测量局部平移和旋转偏移的能力。
欧洲专利EP1924400描述了一种用于查找机械和光机加工和质量控制系统的部件的部件位置关系以及用于识别这些部件的装置和方法。此技术尤其描述了相关技术，以找到关注表面结构的图像位移。但是这种技术缺乏在3D空间中的多个部分位置处测量平移和旋转两者偏移的能力。
因此，用于在计算机控制机器内查找平移和旋转的已知机械和光学装置和方法缺乏足够的测量能力或太敏感或容易出错。此外，通常需要耗时和/或昂贵的校准。
本发明的目的
本发明的目的是提高在计算机控制机器的工作空间内确定部件平移或旋转或部件平移和旋转的精度。本发明的另一目的是减少计算机控制机器校准所需的时间。本发明的另一目的是向计算机控制机器提供平移和/或旋转校正数据，或者提供直接用作高级平移和/或旋转编码器的解决方案。
发明内容
通过本发明的以下描述理解的这些和其他目的和优点通过根据所附独立权利要求的装置、系统和方法来实现。本发明的其他方面由所附的从属权利要求限定。
根据本发明的一个方面，一种适用于计算机控制机器的传感器装置，所述计算机控制机器具有用于相对于位于所述计算机控制机器的工作空间中的第二机器部件改变第一机器部件的位置的可移动搬运器，所述传感器装置包括：可附接到第一机器部件的图案发生器；至少一个照明器，其被配置为照亮图案发生器，用于在所述工作空间中共同创建组合的三维光衍射和干涉图案，以下称为光图案或光的图案；以及可附接到第二机器部件的至少一个相机。有利地，相机被配置为记录工作空间中的光的所述三维图案的图案图像。在一个实施例中，传感器装置进一步包括存储构件，用于接收来自所述至少一个相机的图像数据以及所述搬运器的位置数据，并且被配置为在所述至少一个照明器、所述至少一个相机和所述图案发生器的至少第一和第二不同光学配置中记录图像。第一光学配置的有效距离与第二光学配置的有效距离不同，有效距离为与图案发生器相距的照明发散中心距离、与图案发生器相距的相机物体平面距离以及有效图案发生器焦距的谐波和的反数。根据本发明的一个方面，所述至少一个照明器被配置为用至少部分相干光照亮所述图案发生器。光的相干程度越高，三维光图案在空间中延伸越宽。
根据本发明的一个方面的系统包括根据上述任一方面的传感器装置和携带参考数据库的存储装置。参考数据库包括表示参考机器部件相对于图案发生器的精确平移和旋转的搬运器位置数据和相关图像。提供参考数据库，使得可以将记录在第一计算机控制机器中的图像样本与先前或稍后记录在第二计算机控制机器中的图像样本相关联。第二机器是使用与第一机器相同的光学配置的参考机器。
根据一个方面，所述系统进一步包括处理单元，该处理单元被配置为将所述记录的图像数据与参考数据库的图像数据进行比较并找到相似图像对，获得每个相似图像对的图像平移偏移数据，并且基于与多个不同光学配置相关联的图像平移偏移数据来获得用于校准计算机控制机器的数据。处理单元使得系统能够自动比较图像并获得用于校准计算机控制机器的数据。
另一方面描述了记录与计算机控制机器的第一和第二部位的相对平移和旋转相关联的数据的方法。计算机控制机器包括用于相对于第二机器部件改变第一机器部件的位置的可移动搬运器。该方法包括将搬运器移动到多个位置的步骤。在每个位置，使用至少一个照明器来照亮附接到第一机器部件的图案发生器，使得在空间中创建至少一个三维光图案。此外，在每个位置，所述至少一个三维光图案的图像记录在所述图案发生器、所述至少一个照明器和至少一个相机的至少两个不同的光学配置中。这种方法能够快速准确地对与相对于第二机器部件的平移和旋转的第一机器部件的平移和旋转相关联的数据进行采样。因此，该方法能够在诸如机床或坐标测量机等计算机控制机器中进行平移和旋转偏移的密集采样。
根据一个方面，该方法包括在每个位置处记录所述搬运器的位置的进一步方法步骤。
根据一个方面，在每个位置处，控制多个所述照明器交替地照亮图案发生器。
根据一个方面，使用被配置为在不同物体平面中记录图像的多个相机记录在每个位置处记录的图像。
根据一方面，提供了一种获得用于计算机控制机器的校准的数据的方法。计算机控制机器包括用于相对于第二机器部件改变第一机器部件的位置的可移动搬运器。该方法包括以下步骤：将所述搬运器移动到多个搬运器位置，使得所述第一机器部件相对于所述第二机器部件的位置针对每个位置而改变。在每个搬运器位置，操作至少一个照明器，以照亮附接到第一机器部件的图案发生器，使得在空间中创建至少一个三维光图案。此外，在每个搬运器位置，也记录与所述搬运器的位置相关的位置数据。此外，在每个搬运器位置，在空间中创建的所述至少一个三维光图案的图像记录在所述至少一个照明器、所述图案发生器和至少一个相机的至少两个不同的光学配置中。对于每个相应的搬运器位置，通过比较所述记录的图像数据和参考数据库的图像数据来找到相似图像对，参考数据库的所述图像数据包括相关图像和位置数据，所述相关图像和位置数据与从图案发生器反射或发送的空间中的唯一光图案相关联。分析相似的图像，以获得每个相似图像对的图像平移偏移数据。此外，基于与多个不同光学配置相关联的图像平移偏移数据，获得计算机控制机器的校准数据。
根据一个方面，用至少部分相干光照亮图案发生器。光的相干性使得可以在空间中产生三维光图案。
根据本发明的另一方面，参考光图案的记录和这些参考光图案的使用在不同的机器上进行。此外，机器也可能是以后的性能的参考。本发明的另一方面是为了查找并校准计算机控制机器的平移和旋转，本发明将光图案的不同配置的记录与编码器位置读数相关联。
附图说明
图1是示出配备有包括根据本发明的传感器装置的系统的铣床的第一示例性实施例的示意性侧视图。
图2是示出配备有包括根据本发明的传感器装置的系统的坐标测量机器的第一示例性实施例的示意性侧视图。该机器正在收集铣床使用的参考数据，如图1所示。
图3是表示图1的铣床和图2的坐标测量机器的光路和有效距离的示意性侧视图。
图4是示出示例1的铣床的示意性侧视图，但是配备有包括根据本发明的传感器装置的替代系统。使用这些传感器装置使得能够参考具有类似配置的传感器装置的坐标测量机为铣床找到在多个位置处的刚体移动的所有6个自由度(3个平移+3个旋转)。
图5是示出示例1的铣床的示意性侧视图，但是配备有包括根据本发明的传感器装置的替代系统。使用这些传感器装置，使传感器装置的机械结构实际上分为也可以分开操作的两个照明器-相机外壳。
图6是示出根据本发明的配备有包括传感器装置的系统的计算机数控机器的搬运器细节的第二示例性实施例的示意性投影视图。该解决方案使系统能够作为高级平移和旋转编码器工作。
图7是示出根据本发明的配备有包括传感器装置的系统的校准参考机器的搬运器细节的第二示例性实施例的示意性投影视图。该机器正在收集计算机数控机器使用的参考数据，如图6所示。
图8是示出根据本发明的配备有包括传感器装置的系统的计算机数控机器的搬运器细节的替代的第二示例性实施例的示意性投影视图。该解决方案使该系统能够作为表示两个独立搬运器的精确定位的高级平移和旋转编码器工作。
图9是示出根据本发明的配备有包括传感器装置的系统的机器人关节的搬运器细节的第三示例性实施例的示意性侧视图。该解决方案使系统能够作为高级平移和旋转编码器工作，从而可以找到机器人臂末端的精确平移和旋转。
优点
本发明的方法能够快速准确地对与相对于第二机器部件的平移和旋转的第一机器部件的平移和旋转相关联的数据进行采样。因此，该方法能够相对于参考机器的平移和旋转偏移对在计算机控制机器(例如，机床或坐标测量机)中的平移和旋转偏移进行密集采样。比较数据与包括与图案发生器的空间光学特性相关联的相关图像和位置数据的参考数据库，，使得可以将记录在第一计算机控制机器中的图像样本的位置与使用相同的光学配置先前或稍后记录在参考计算机控制机器(例如，坐标测量机或校准设置)中的图像样本进行比较。因此，可以快速地确定在每个采样位置处的平移和旋转偏移，并且使用偏移数据来获得用于校准第一计算机控制机器的数据。校准数据可用于控制第一计算机控制机器的移动，使得其移动通过用于记录参考数据的参考机器的移动来校正。
通过将相机和照明器的光学配置的精确位置和角度与物理部件(本文称为图案发生器)的位置和角度相关联，本发明通过将图案发生器或图案发生器的真姐妹副本从一台机器(参考)引入另一台机器中，并且通过用由相同光学配置定义的传感器装置观察所创建的光图案，使得能够找到计算机控制机器中的确切工具架平移和旋转。这产生了高度的可靠性和准确性。
图案发生器与例如商用编码器的编码器玻璃条起到非常相似的作用。因此，本发明能够在图案发生器外的自由空间中记录3D光图案的平移和旋转，并且使用该信息来找到机器部件的精确的平移和旋转偏移条件。
传感器装置可以快速准确地对相对于第二机器部件的平移和旋转的第一机器部件的平移和旋转相关联的数据进行采样。因此，该装置能够对在计算机控制机器(例如，机床或坐标测量机)中的平移和旋转偏移进行密集采样。提供两种不同的光学配置，使得可以与相对于第二部位的旋转的第一部位的旋转分开获得相对于第二部位的平移的第一部位的平移的可靠信息。此外，由于第一光学配置的有效距离与第二光学配置的有效距离不同，所以可以记录所述三维光图案的两个明确不同的图像，这两个图像在每个采样位置处共同包含足够的平移和旋转信息。因此，可以快速确定在每个采样位置处的平移和旋转偏移并且使用平移和旋转偏移数据来补偿第一计算机控制机器中的定位，使得在第一机器中的定位非常类似于用于记录参考数据的参考机器中的定位。因此，传感器装置或多或少地消除了机械不规则、轴承间隙和/或机械运转的影响，其中机械不规则、轴承间隙和/或机械运转都产生机器部件定位误差。
记录搬运器位置使得可以将所记录的图像数据与所记录的搬运器位置相关联，并且因此将参考诸如实验室机器等参考计算机控制机器的坐标系与参考另一计算机控制机器(即，正在使用的计算机控制机器)的坐标系的位置相关联。这使得还可以产生与图案发生器相关联的精确的平移和旋转数据，并且将共同用作高级编码器。
本发明有助于针对每种可用相机使用多种不同的光学配置，并且因此使得甚至可以使用单个相机。此外，更多数量的光学配置使得可以测量从更大的自由度进行的平移和旋转，并且在确定平移和旋转偏移时获得更高的精度。
具体实施方式
示例1
现在将参考图1，描述根据本发明的实施例的传感器装置1。在该示例中，传感器装置1适于铣床2的对准和校准。在图1中，铣床2包括工作区台4、工具架5、支撑部件100-1、100-2和100-3以及搬运器(carrier，托架)3-1和3-2。在本示例中，当安装了铣床2的搬运器3-1和3-2时，搬运器的轴线需要对齐成彼此正交。甚至在机械调节了搬运器3-1和3-2之后，为了尽可能地与铣床2的内部坐标系100-4最佳对准，当搬运器移动时仍然可能产生残余误差。如果需要高加工精度，则必须考虑到这些误差。传感器装置1用于找出这些误差。本实施例将这些误差表示为与通过使用如图2所示的CMM(坐标测量机)2-R分开记录的相应参考数据的平移和旋转偏移。这些误差与铣床2的移动部件的位置有关。在本示例中，铣床具有内部3D机器坐标系100-4，X、Y和Z搬运器位置参考该坐标系(注意，为了简单起见，在图1中示意性地示出X搬运器轴3-1线和Z-搬运器轴线3-2。)本实施例的目的是找到与铣床工作体积内的多个3D位置相关联的一组平移和旋转偏移数据。机器制造商使用这些偏移数据来改进安装和对准，或通过机床CNC(计算机数字控制)来补偿将工具物理放置在空间中的预定位置的实际X-Y-Z搬运器移动的误差。
图1示出了与本发明的实施例一起的铣床2的示意图。传感器装置1包括两个照明器7A和7B以及一个相机9。区分两个光学配置11A和11B。在使照明装置7A用于照亮图案发生器6的配置中，应该说相机属于光学配置A，并且称之为相机9A。相应地，在使照明器7B用于照亮图案发生器6的配置中，应该说相机属于光学配置B，并称之为相机9B。在该示例中，照明器7A、7B和相机9附接到工具架5，并且图案发生器6被附接到工件保持器4。注意，可以同样很好地工作的另一可能的设置将是将第一和第二照明器7A、7B和相机9附接到工件保持器4，并将图案发生器6附接到工具架5。图案发生器6是适于朝相机9的方向反射反射照明器7A、7B发射的至少部分光的光散射面。照明器7A、7B被配置为照亮图案发生器6，以在工件保持器4和工具架5之间的空间中共同创建三维光图案8A、8B。相机被配置为在空间中捕获所述三维光图案8A、8B的2D(二维)图案图像。传感器装置1被配置为以至少第一11A和第二11B不同的光学配置捕获图像。所述第一光学配置11A限定从所述照明器7A经由所述图案发生器6到所述相机9A的路径。所述第二光学配置11B限定从所述照明器7B经由所述图案发生器6到所述相机9B的路径。因此，每个相应的光学配置由图案发生器6、相机9和照明器7A、7B的相对位置限定。因此，在分别由索引A和B识别的不同的光学配置中，由相机9捕获的图像将分别是唯一的并且直接与图案发生器6、相机9和相应的照明器7A、7B的相对位置相关。除了传感器装置1之外，根据该特定实施例的总系统还包括计算机硬盘10或类似的数据存储装置，用于存储来自铣床2的相关搬运器位置31、32以及来自相机9A、9B的图案图像30A、30B。计算机还包括处理器12，其被配置为将先前记录的搬运器参考位置数据31-R、32-R与来自铣床2的搬运器位置数据31、32进行比较，并且将单独捕获的和先前记录的参考模式图像数据30A-R、30B-R与来自相机9的捕获的图案图像数据30A、30B进行比较。在图1中，处理器12从硬盘10接收的收集数据33是相应的先前记录的搬运器参考位置数据31-R、32-R、搬运器位置数据31、32、先前记录的参考图案图像数据30A-R、30B-R和捕获的图案图像30A、30B构成的组。先前记录的搬运器参考位置数据31-R、32-R和先前记录的参考图案图像数据30A-R、30B-R已被预先记录在单独的CMM中，如图2所示，存储在硬盘10-R上，并传输到图1的硬盘10。
照明器7A、7B是能够发射适合于照亮图案发生器6的光以在空间中创建所述3D光图案8A、8B的类型。通常，能够发出基本相干光的照明器适合于所述目的。为了本发明的目的，将照明器7的相干长度定义为产生大于全相干的50％的相干程度的最大光路长度差。在该具体实施例中，照明器是具有比每个光学配置A和B内的最大路径长度差大的相干长度的激光发射二极管。从每个照明器7A、7B发射的光沿着无穷多个不同的路径。对于光学配置A，为了说明的目的，图3中示出了路径的两个示例。第一路径由与从第一照明器7A到图案发生器6的第一照明光轴16A重合的点划线表示，并且沿着与从图案发生器6到相机9A的相机光轴20A重合的点划线继续。第二路径由从第一照明器7A到图案发生器6的完整绘出的双线21A表示，并且沿着从图案发生器到相机9A的完整绘出的双线22A继续。通过考虑从第一照明器7A经由图案发生器6到相机9A的所有可能的光路径和路径长度，照明器7A的激光二极管源应发射相干长度大于在这些光路之间的最大长度差的光。涉及第二照明器7B、图案发生器6和相机9B的B配置也应当独立满足相同的相干条件。相机9通常是CCD(电荷耦合器件)或CMOS型2D摄像机，优选地具有1000×1000像素或更好的分辨率。图案发生器6由平面/扁平不锈钢板适当地设置。只要图案发生器6的反射面适合于在空间中创建预期的3D光图案8A、8B，就可以在本发明的范围内使用其他材料，例如，铝和玻璃，以提供图案发生器6。图案发生器6还可以通过反射全息图或通过在玻璃板表面上蒸发的金属表面图案或通过从主表面在另一合适表面上的压花印记来提供。然而，一个关键的要求是表面细节不应随时间变化，例如，由于腐蚀、处理或类似的情况。在本实施例中，钢板的反射面具有与照明器7A、7B发射的激光波长相当的表面粗糙度，从而产生散射角的足够角度范围和相机9检测的足够光量。在本实施例中，计算机包含硬盘10和处理器12。为了接收搬运器位置数据31、32，计算机通过以太网电缆连接到铣床CNC，并且计算机通过使用USB端口电缆连接或火线端口电缆连接，接收来自相机9的图案图像30A、30B。参考位置数据31-R、32-R和参考图案图像30A-R、30B-R通过使用USB型记忆棒或类似的便携式数据储存装置从参考硬盘10-R转移到硬盘10。
在下文中，将参考图1、图2、图3和图4，描述根据本发明的实施例的方法。使用如上所述的传感器装置1或包含相同光学配置的传感器装置1-R记录存储在图2的硬盘10-R、存储装置10-R中的参考数据。为了记录参考图案图像30A-R、30B-R和参考搬运器位置数据31-R、32-R，在本实施例中，将依赖于校准的坐标测量机，以下称为CMM 2-R。示意性地，该CMM2-R类似于铣床2，但由图2表示。该CMM被编程为在位置的固的3D矩阵中的采样/记录位置之间逐步移动。位置的数量将在很大程度上取决于用户及其应用。如果仅仅应检查铣床2的组装质量，则5x5x5位置就足够了。否则，如果需要向CNC提供详细的反馈校正数据，则可能需要高数字，例如，1000x1000x1000。在本示例中，这些位置覆盖400×400×400mm的体积。对于这些位置中的每一个，计算机硬盘10-R存储两个图像，每个光学配置11A-R、11B-R具有一个，并且储存对应的搬运器位置数据31-RA、32-RA、31-RB和32-RB。假设在图像记录期间，CMM是机械稳定的，则位置31-RA等于位置31-RB，并且搬运器位置32-RA等于搬运器位置32-RB。这些数据是随后的铣床2生产/服务对准活动的参考数据，并将在适当的时间从硬盘10-R(图2)传送到硬盘10(图1)。第一和第二照明器7A-R、7B-R是相同类型和相干特性的激光二极管，其稍后用在铣床2中。在本实施例中，如图2中示意性所示，并且也对应于在图1中的铣床的配置中，第一照明器7A-R的焦点位置位于第一照明器7A-R和图案发生器6-R之间。激光从该对焦位置17A-R向图案发生器6-R发散。也如图1中示意性所示，第二照明器7B-R包含用于产生向图案发生器6-R传播的准直光的光学元件。即，在这个示例中，其发散中心设置在无穷远处，因此不能在图2的范围内显示。图3示意性地示出了两个光学配置A和B的照明/观察几何形状，并且表示在由图1示意性地示出的铣床2以及由图2示意性地示出的CMM 2-R上使用的光学配置。为了清楚，在图3的范围内示出了这两个发散中心，尽管在本实施例中，第二照明器7B的发散中心17B设定为无穷远。也如图3所示，相机成像特征由物体平面位置和尺寸15A、15B以及以该物体平面为中心的相应景深19A、19B定义。景深从平面19A1、19B1分别延伸到平面19A2、19B2。在本示例中，物体平面位于相机9和图案发生器6之间。每个相机光轴20A、20B被定义为经过空间中的两个点，第一点是相机9A、9B的入射光瞳中心，第二点是其相应的物体平面15A、15B中心。这些相机光轴20A、20B延伸，以限定相机9光轴20A、20B与图案发生器6相交(meet)的点23。也如图3所示，照明器的光学特性由发散中心17A、17B和以这些相应的发散中心为中心的相应景深18A、18B限定。照明器7A的景深从平面18A1延伸到平面18A2。相应地，照明器7B的景深从平面18B1延伸到平面18B2。为了清晰，在本示例中，发散中心位于相应的照明器7A、7B和图案发生器6之间。每个照明器光轴16A、16B被定义为经过空间中的两个点、其相应的发散中心17A、17B到相应的相机光轴20A、20B与图案发生器6相交的点23。沿着照明器各自的光轴16A、16B从发散中心17A、17B到图案发生器6上的反射面点23，测量照明器的发散中心距离diA 40、diB 41。沿相机各自的光轴20A、20B从图案发生器6上的反射面点23到物体平面15A、15B，测量相机物体平面距离dcA42、dcB43。请注意，在CMM 2-R参考记录和铣削机2测量期间，随着CMM搬运器3-1-R、3-2-R和铣床搬运器3-1、3-2的移动，这些几何形状发生变化。在这些过程中，定义的轴、位置和距离将发生变化。第一光学配置A的有效距离由等式deA＝diA*dcA/(diA+dcA)给出，并且以相同的方式，第二光学配置B的有效距离由等式deB＝diB*dcB/(diB+dcB)给出。如果图案发生器6是弯曲的或在透射中包含透镜效应，则上述等式中的diA和diB应由相应的等式diA*f/(diA+f)和diB*f/(diB+f)代替，其中，f表示等效图案发生器的等效焦距，其中，图案发生器6的表面被没有粗糙度的光学平滑表面代替。如果例如图案发生器6以带符号的曲率半径R弯曲，则焦距f将等于R/2。对于这些光学配置中的每一个，景深限定物体被认为焦点对准的范围。这些范围在本示例中从相应的场平面19A1、19B1延伸到场平面19A2、19B2，使物体平面距离dcA42、dcB43的范围分别从dcA1＝dcB1至dcA2＝dcB2。因此，照明器可以覆盖从相应的发散平面18A1到18A2以及从18B1到18B2的不同距离，使发散中心距离diA40、diB 41分别在从diAl到diA2和diB1到diB2的范围内。将dcA1、diAl、dcA2和diA2插入到第一有效距离deA的等式中，得到从deA1延伸到deA2的有效距离的范围。因此，如果将dcB1、diB1、dcB2和diB2插入到第二有效距离deB的等式中，得到从deB1延伸到deB2的有效距离的范围。通常，所涉及的相机和照明器的景深是+/-(2*lambda*F*F)，其中，λ是光学波长，F是有效的光学F数，参考图案发生器6侧。有效的F数是指通过等式F＝l/[2*sin(v/2)]定义照明器出射瞳孔和相机入射瞳孔的角度延伸的F数，其中，v是从发散中心和物体平面观察到的那些瞳孔的角度范围。但是请注意，照明器和相机可能配置有不同的F数。还要注意，在替代的光学配置中，照明器7A、7B可以包含散光焦点，使得当在一横向方向上(平行于X)轴观察时，发散中心17A、17B处于与在正交于横向方向观察时对应的发散中心距离不同的照明距离diA(图3中的40)和diB(图3中的41)。在其他替代的光学配置中，与相机成像特性的情况相同，使得当关注在两个正交于横向上的特征上时，使物体平面位置15A和15B放置在不同的相机物体平面距离dcA(图3中的42)和dcB(图3中的43)。通常，通过在照明和/或观察路径中包括圆柱形光学元件来获得散光性能。光学配置A、B被配置为使得其有效距离不重叠，即对于每个传感器装置1位置，从deA1到deA2的任何有效距离不应等于从deB1到deB2的任何有效距离。如果替代的光学配置包含散光发散中心17A、17B或散光物体平面位置15A、15B，则要求光学配置A、B的有效距离不应该对于分别评估的每个横向方向重叠。为了更好的图像分析性能，应分离有效距离的范围。增加有效距离之间的距离使得更容易区分平移和旋转偏移，从而降低了测量误差的影响。
由于图案发生器6被激光照亮，因此在图案发生器6上方的3D空间中产生了结构稳定的光图案8。通过相机9观察该光图案8。光学配置A和B中的每一个产生与另一个不同的光图案。通常，这些光图案对于所有不同的记录位置是唯一的。如果搬运器3-1、3-2和3-1-R、3-2-R被控制为在第一时刻T1在第一记录位置记录，然后被移动以在随后的记录位置记录，最后在第二时刻T2返回移动，以在第一位置准确记录，则在时刻T1记录的图案图像将在时刻T2精确地再现。但是，在记录的第一和第二时刻之间的甚至非常小的位置偏移(例如，0.1μm)可能影响图案图像位置，因此可以检测。
在完成CMM参考记录之后，使用根据本实施例的传感器装置1-R或类似的光学配置的传感器装置1，记录在硬盘10-R上的收集的参考数据33-R用于在组装、使用或维修铣床2时量化未对准。一旦量化，则使用未对准来改进机器对准和/或控制铣床2的后续CNC移动。与在铣床2中的任何机械平移和旋转不规则性无关，这实现更好的定位，不可能使用常规校准和对准方法进行校正。使用包含用于记录CMM 2-R参考数据的相同光学配置A、B的传感器装置1。图1示出了铣床2的示意图。在本实施例中，图案发生器6-R被移动到铣床并被称为图案发生器6。但是，如果图案发生器6-R和图案发生器6是同一主机的精确副本，则本实施例同样有效。照明器-相机组件7A、9、7B相对于图案发生器6的新位置应该紧密地再现CMM机器的位置。为了实现这一点，照明器-相机组件7A、9、7b和图案发生器6需要预先对准。为此，要执行使用预定位的机械定位器或图案发生器6位置的迭代机械对准。然后，使用铣床2CNC控制来将照明器-相机组件7A、9、7B移动到相对于图案发生器6的一个先前CMM2-R记录位置的邻域中，然后光学地观察/测量偏移，然后机械地移动图案发生器6，然后重复对齐过程，直到位置稍微匹配。或者，仅通过手动使用标尺/卡钳或诸如触摸探头的其他对准工具就可以相对于图案发生器6机械地对准照明器-相机组件7A、9、7B。
在预对准后，铣床2设置准备好找到其相对于CMM 2-R参考记录测量的精确对准。由对应的参考搬运器位置数据31-R、32-R和参考图案图像数据30A-R、30B-R的系列表示的收集的参考数据33-R被复制到硬盘10。然后指导铣床2在先前的标称位置之间标称地运行，与由参考CMM2-R记录的位置对应的位置。对于这些位置中的每个位置，计算机硬盘10从相机9接收分别在两个光学配置A和B的条件中记录的两个图案图像30A、30B和对应的搬运器位置31、32。照明器-相机组件7A、9和7B的平移和旋转相对于图案发生器6的平移和旋转应该标称地等于在CMM2-R参考记录期间使用的对应的平移和旋转。因此，对于所有位置，在光学配置A中记录在铣床2中的新图案图像30A将类似于在对应的光学配置A中记录的对应的CMM 2-R参考图案图像30A-R。相应的B记录的情况也是如此。更具体地，这些图像足够相似以至于被认为是相同的图案，但具有一定的偏移和可能的轻微去相关。然而，参考相机9的感光表面，这些图像通常以较少的量移位。参考感光表面，这些2D图像平移偏移分别称为(DAX、DAY)和(DBX、DBY)。为了计算这些偏移，每个参考图案图像30A-R、30B-R在数学上与相应的铣床2图案图像30A、30B二维互相关(用于互相关计算，例如，参见AthanasiosPapoulis的书，称为Systems and Transforms with Applications in Optics,1968,McGraw-Hill Book Company,New York)。对于每个搬运器位置31、32，最大互相关的位置确定两个光学配置A和B的图像偏移(DAX、DAY)和(DBX、DBY)。由于参考CMM 2-R搬运器3-1-R、3-2-R的编码器可以从机器2搬运器3-1、3-2的指示搬运器位置31、32返回稍微不同的搬运器位置31-R、32-R，甚至对于相同标称搬运器位置，所以搬运器位置或测量图像平移偏移应通过这些可能的差异进行校正。在本示例中，将这些校正应用于图像平移偏移上，并调用(dAx、dAy)和(dBx、dBy)的对应校正图像平移偏移量。这些校正的图像平移偏移由照明器-相机组件7A、9、7B相对于图案发生器6的平移偏移(Dx、Dy)和旋转角度偏移(Tx、Ty)的组合引起。即，校正后的图像平移偏移由铣床2工件支架4相对于工具架5的平移偏移(Dx、Dy)和旋转角度偏移(Tx，Ty)引起，使用CMM 2-R第一部位4-R相对于第二部位5-R位置作为参考。Dx和Dy分别表示x和y方向的平移偏移，而Tx和Ty表示围绕x轴和y轴的旋转角度偏移。这些偏移参考图1的铣床坐标轴100-4。参考搬运器位置31-R、32-R参考CMM 2-R坐标轴100-4-R。
在线性近似中，图像平移偏移(dAx、dAy)与(dBx、dBy)和相关部件平移偏移(Dx、Dy)与旋转角度偏移(Tx、Ty)之间的关系由四个等式
dAx＝mll*Dx+m12*Dy+ml3*Tx+ml4*Ty、dAy＝m21*Dx+m22*Dy+m23*Tx+m24*Ty、dBx＝m31*Dx+m32*Dy+m33*Tx+m34*Ty、dBy＝m41*Dx+m42*Dy+m43*Tx+m44*Ty表示。在这些等式中、相应因子(m11、m12、ml3、ml4、m21、m22、m23、m24、m31、m32、m33、m34、m41、m42、m43、m44)分别由第一和第二光学配置A、B的精确照明观察几何给出。只要用于创建光学配置A的图案图像30A、30A-R的有效距离deA与用于创建光学配置B的图案图像30B、30B-R的有效距离deB不同，则上述等式反转，以找出平移偏移(Dx、Dy)和旋转角度偏移(Tx、Ty)值表示的相对于工具架5的工件支架4的平移和旋转角度偏移。作为数值示例，假设照明距离diA40等于60mm，相机距离deA42等于100mm，照明距离diB 41处于无限远，相机距离dcB 43也等于100mm，坐标轴XYZ平行于铣床2的相应的XYZ坐标轴100-4(图1)，并且原点放置在相机9光轴20A、20B与图案发生器6相交的点23(图3)处。对于表示距离的数字，参见图3。还假设照明器光轴16A、16B与相机光轴20A、20B同轴，相机倍率等于-1/3，并且相机感光表面的X轴和Y轴平行于相应的机器X和Y轴，如铣床坐标轴100-4(图1)和CMM坐标轴100-4-R(图2)所示。在线性近似中，对于因子(m11、m12、ml3、ml4、m21、m22、m23、m24、m31、m32、m33、m34、m41、m42、m43、m44)，这些配置参数将给出相应的值(-0.8889、0.0、0.0mm、-66.667mm、0、-0.8889、66.6667mm、0.0mm、-0.3333、0.0、0.0mm、-66.6667mm、0.0、-0.3333、66.6667mm、0.0mm)。还假设没有由于相应的搬运器位置31、32和参考搬运器位置31-R、32-R之间的差异而校正。然后，发现校正后的图像平移偏移(dAx、dAy、dBx、dBy)分别等于(-59.6、-4.0、-30.7、+2.7)μm。然后，可以将这些表达式反转，将相应平移偏移(Dx、Dy)的搜索值作为(52.0、12.0)μm和旋转角度偏移(Tx、Ty)作为(100、200)微弧度。上述线性表达式描述了光学照明、衍射和观察过程。在实际应用中，上述m因子可能需要考虑添加的非线性偏差。或者，迭代完整的非线性等式，来找到精确的解。
由搬运器位置31、32表示的平移和旋转数据34、相关联的部分平移偏移(Dx、Dy)和相关联的旋转角度偏移(Tx、Ty)成为后续铣床生产、服务或对齐活动的校准数据。或者，铣床2的CNC使用这些数据来在铣削期间补偿组合搬运器3-1、3-2误差运动。
通常，需要两个光学配置A、B来分别同时找到平移和旋转分量。但是，尽管在本实施例中提供了两种不同的光学配置，但是在其他实施例中可以提供更多数量的光学配置。更多的光学配置提供更多的信息并提供更多数量的空间参考，但是还需要更大的计算能力来分析所记录的数据。光学配置的精确设置在本发明的范围内是变化的，只要光图案是可重复的，使得反复再现。图4中示意性地示出了使得能够为应用的所有搬运器位置31、32找到刚体运动的所有6个自由度(3次平移+3次旋转)。此外，根据提供两种不同的光学配置A和B的实施例，两个单独的相机9A-1、9B-1与一个照明器7组合使用。参见图4中与称为7A-1和7B-1的一个照明器7光学配置在一起的分置相机9A-1、9B-1。在另一示例中，根据实施例，两个分开的照明器与两个相机组合使用，以提供两个不同的光学配置A和B。参见在图5中的示例，其中，照明器7A、图案发生器6和相机9A属于A配置，照明器7A、图案发生器6和相机9A属于B配置。在这种情况下，可能被分组为两个不同的传感器头，每个具有一个照明器和相机。如果不止一个照明器与同一相机组合使用，则照明器优选地操作，以交替地照亮图案发生器6，使得基于发出的光的原点产生多个不同的光学照明图案，如果不止一个照明器同时发光，也基于发射的光波的干扰。在其他实施例中，至少一个照明器相对于也附接到部件4的图案发生器6不可移动地附接到部件4，其中，相机附接到另一机器部件5，使得它们相对于图案发生器6和照明器可移动。在另外的实施例中，提供多个图案发生器，并与相机和照明器的各种光学配置A、B组合。在其他实施例中，由于大多数CNC控制的机器的定位是非常可重复的，所以也可以首先收集光学配置A的所有图案图像30A，然后收集光学配置B的所有图案图像30B。在这种情况下，计算机控制机器的重复性误差将加入最终结果。然而，在记录方面一次一个光学配置的灵活性可能会比这个缺点重要。
并非使用该示例的CMM作为参考机器，其他替代方案是使用实验室机器作为参考，或以生产系列中的最佳机器作为参考，或者记录机器的初始状态，以在后续服务中供随后参考。
由于低成本图案发生器6的特性取决于诸如铣削或电蚀工艺等生产工艺，因此图案的表面结构细节是随机的，而对于每个图案发生器是唯一的。然而，例如通过使用全息复制技术可以复制图案发生器的光学特性，使得可以批量生产足够相同的图案发生器。也可以使用摄影技术或冲压方法来创建掩模，这可以制造主体的几个相同副本。这些掩模可能会反映传输。
示例2
该实施例用作能够校准平移和旋转偏移的绝对位置编码器。在本上下文中，绝对编码器是正在读取和知道搬运器位置的编码器，而不一定必须跟踪其相对于起始(原点)位置的位置。图6、图7和图8示出了该实施例的变化。图6示意性地示出了高级单搬运器编码器的一些部分。在该图中，图案发生器6固定到机器部件4，并且照明器7A、7B和相机9固定到机器部件5，其中，相机9A与相机9B相同，但分别属于不同的光学配置A和B。为了获得高采样率，相机9是CMOS型的2D摄像机，具有仅50×50像素的分辨率，但每秒采样率为10000。参见图6，具有两个平行搬运器滑块的搬运器3-1使得机器能够在平行于Y轴的方向上相对于部件4移动部件5。还示出了读取搬运器Y位置31的传统编码器传感器头101。对于每个搬运器位置31，该实施例能够找到部件5相对于部件4的平移(Dy、Dz)和旋转角(Ty、Tz)偏移。由搬运器位置31表示的平移和旋转数据34、关联部件平移偏移(Dx、Dy)和关联旋转角度偏移(Tx、Ty)成为要安装该高级单搬运器编码器的机器要使用的编码器数据。
在本实施例中，精心准备的校准参考机器(图7中示意性地示出)用于创建收集的参考数据33-R。该校准参考机器被光学配置成尽可能与图6的高级单搬运器编码器相似，但为了获得高旋转偏移精度，其机械学包括都在Z方向和Y方向上的两个精密搬运器3-1-R之间以及搬运器3-1-R与移动部件5-R之间的更大距离。该校准参考机器提供由参考搬运器位置31-R和参考图案图像数据30A-R、30B-R表示的收集的参考数据33-R，表征部件5-R相对于部件4-R的精确平移和旋转。小型嵌入式计算机包含处理器12(图6)。收集的参考数据33-R被复制到USB存储键。USB存储键被放置到嵌入式计算机中并被复制到该嵌入式计算机内的内部存储器10中。如图6所示，搬运器位置数据31和图案图像数据30A、30B也被复制到内部存储器10。通过相同的计算，如示例1所述，知道均用于每个搬运器3-1位置的所收集的数据33、相应的参考搬运器位置31-R和搬运器位置31、以及相应的参考图案图像数据30A-R、30B-R和图案图像数据30A、30B，处理器12实时计算部件5相对于部件4的(Dy、Dz)平移偏移和(Ty、Tz)旋转角度偏移。在本上下文中，实时意味着安装单搬运器编码器的该实施例的CNC机器所需的更新速率使得其CNC以适当的速度运行。
或者，当仅需要围绕Z轴的Y平移和旋转角度偏移时，该实施例代替2D相机，配备有分辨率为500像素的1D线阵相机，其中，像素线平行于Y轴，采样率为10000/秒。对于每个搬运器位置31，如果线阵相机的感光线表面平行于y轴，则该实施例能够找到部件5相对于部件4的(Dy)平移偏移和(Tz)旋转角度偏移，或者如果线阵相机的感光线表面平行于z轴，则能够找到部件5相对于部件4的(Dz)平移偏移和(Ty)旋转偏移。
在1D线阵相机情况下的第一种情况下，对于图像平移偏移(dAy)和(dBy)和相对部件平移偏移(Dy)和旋转角度偏移(Tz)之间的关系的线性近似由两个等式dAy＝mll*Dy+m12*Tz、dBy＝m21*Dy+m42*Dy+m22*Tz表示。在这些等式中，分别由第一和第二光学配置A、B的精确照明-观察几何体给出相应的四个因子(m11、m12、m21、m22)。
图8示出了一种替代编码器，称之为高级双搬运器编码器，该编码器安装在计算机控制机器内，搬运器3-1、3-2在Y方向和Z方向上相对于部件4移动部件5。此外，该实施例能够找到部件5相对于部件4的(Dy、Dz)平移偏移和(Ty、Tz)旋转角度偏移。该实施例的进一步用途是安装到示例1中描述的机床中，例如，铣床2。然后，在加工、同时测量刀具负载和速度的影响或同时测量热变化期间，执行平移和旋转的同时测量。
在本示例2所述的实施方式中，来自编码器传感器头101的搬运器位置数据31有助于加速正确图案图像数据30A、30B的检索，因为参考搬运器位置31-R以及32-R(当适用时)帮助选择指向匹配图案图像数据30A、30B。虽然需要参考编码器传感器头101-R以将参考图案数据30A-R、30B-R与诸如31-R和31-R等参考搬运器位置相关联，但是根据本发明的所有装置可以同样适用，而不进入搬运器位置31、32。在这种情况下，在执行找到部分平移和旋转的详细图像相关之前，处理器12需要首先搜索与参考图案图像30A-R、30B-R匹配的图案图像30A、30B。然而，在本示例2的实施例中，编码器的速度可能是至关重要的，但是示例1的实施例将几乎一样准确，而不使用搬运器位置31或搬运器位置31、32。不能准确地工作的原因是由于在这些情况下，处理器12不能访问指导的CNC和实际读取的搬运器位置31、32之间的小校正(参见示例1的校正的图像平移偏移的补偿的描述)。
示例3
该实施例用作机器人关节的绝对角度编码器。该编码器能够校准平移和旋转偏移。这在图9中示意性地示出。图9示出了机器人关节的一些机械部件以及本发明的实施例。在该图中，图案发生器6固定到机器部件4，照明器7和相机9A、9B固定到机器部件5。此处7A表示照明器7属于光学配置A，并且7B属于光学配置B。图案发生器6是具有在其表面上蒸发的详细镜面图案的平面和抛光玻璃板。如果图案随机化，则所有图案图像30A、30B将不同。如果图案是周期性的，则图案可以在不同的搬运器位置31重复，并且处理器12需要访问搬运器位置31以区分图案。该图案发生器6已经在图中创建，使得可以创建多个光学上相同的副本。这使得可以从主图中制作在参考机器人关节中使用的不同的副本参考图案6-R。然而，该图案需要足够详细，以将光从照明器7A衍射到相机9A并且从照明器7B衍射到相机9B。参考机器人关节未在附图中示出，但是除了处理器12和平移和旋转数据34之外，可以由图9表示，其中，所有数字和字符组合以-R结束(关于类似的符号约定，参见图2和图7)。搬运器3-1、如图9所示的轴承使机器能够围绕X轴相对于部件4旋转部件5。
还示出了传统角度编码器传感器头101，其也从也绕X轴转动的分段玻璃线图案102读取搬运器旋转角度。对于绕X轴的每个旋转角度，本示例的实施例能够找到部件5相对于部件4的局部(Dy、Dz)平移偏移和(Ty、Tz)旋转角度偏移。由于高精度地发现机器人关节处的平移偏移(Dy、Dz)和旋转角度偏移(Ty、Tz)，所以通过外推，高精度地发现机器人臂末端的平移和旋转。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种传感器装置(1)，用于计算机控制机器(2)，所述计算机控制机器具有用于相对于第二机器部件(5)的位置改变第一机器部件(4)的位置的可移动搬运器(3)，
其中，所述传感器装置(1)包括：
图案发生器(6)，能够附接到所述第一机器部件(4)，
相干光照明器(7)中的第一照明器(7-1)，能够附接到所述第一机器部件(4)或所述第二机器部件(5)，并被光学配置为用相关光照亮所述图案发生器(6)，用于共同创建空间中的光的三维图案(8)，
相机(9)中的第一相机(9-1)，能够附接到所述第二机器部件(5)，并且被光学配置为记录空间中的光的所述三维图案(8)的图案图像，
其中，所述传感器装置(1)进一步包括：
a)所述相机(9)中的第二相机(9-2)和传感器装置配置单元用于将传感器装置(1)配置为使用相干光照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第一相机(9-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第一图像，并且使用相干光照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第二相机(9-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第二图像，其中，第一光学配置(11A)的有效光学距离的范围与第二光学配置(11B)的有效光学距离的范围不重叠，在所述第一光学配置(11A)中，光沿着从所述第一照明器(7-1)经由所述图案发生器(6)到所述第一相机的光路传播，用于捕获所述第一图像，在所述第二光学配置(11B)中，光沿着从所述第一照明器(7-1)经由所述图案发生器(6)到所述第二相机的光路传播，用于捕获所述第二图像，并且所述第一照明器被配置为利用相干长度大于每个光学配置(11A、11B)内的最大光路长度差的光照亮所述图案发生器(6)，或者
b)相干光照明器(7)中的第二照明器(7-2)和传感器装置配置单元用于将传感器装置(1)配置为使用相机中的所述第一相机(9-1)和相干光照明器中的所述第一照明器(7-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第一图像，并且使用相机中的所述第一相机(9-1)和相干光照明器中的所述第二照明器(7-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第二图像，其中，第一光学配置(11A)的有效光学距离的范围与第二光学配置(11B)的有效光学距离的范围不重叠，在所述第一光学配置(11A)中，光沿着从所述第一照明器(7-1)经由所述图案发生器(6)到所述第一相机的光路传播，用于捕获所述第一图像，在所述第二光学配置(11B)中，光沿着从所述第二照明器(7-2)经由所述图案发生器(6)到所述第二相机的光路传播，用于捕获所述第二图像，并且所述第一照明器(7-1)或所述第二照明器(7-2)中的每一个被配置为利用相干长度大于每个光学配置(11A、11B)内的最大光路长度差的光照亮所述图案发生器(6)，或者
c)相机(9)中的第二相机(9-2)和相干光照明器(7)中的第二照明器(7-2)以及传感器装置配置单元用于将传感器装置(1)配置为使用相干光照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第一相机(9-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第一图像，并且使用相干光照明器中的所述第二照明器(7-2)和相机中的所述第二相机(9-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第二图像，其中，第一光学配置(11A)的有效光学距离的范围与第二光学配置(11B)的有效光学距离的范围不重叠，在所述第一光学配置(11A)中，光沿着从所述第一照明器(7-1)经由所述图案发生器(6)到所述第一相机的光路传播，用于捕获所述第一图像，在所述第二光学配置(11B)中，光沿着从所述第二照明器(7-2)经由所述图案发生器(6)到所述第二相机的光路传播，用于捕获所述第二图像，并且所述第一照明器(7-1)和所述第二照明器(7-2)中的每一个被配置为利用相干长度大于每个光学配置(11A、11B)内的最大光路长度差的光照亮所述图案发生器(6)。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，至少一个所述相干光照明器(7)适于产生多个不同的发散中心。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机(9)的感光部分是一维1D线阵相机传感器。
4.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机(9)的感光部分是二维2D面阵相机传感器。
5.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机(9)适于以每秒至少1000的图像采样率捕获高速一维1D线阵图像或二维2D面阵图像。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，在光学配置(11)中，所述照明器(7)的光轴与同一所述光学配置(11)的所述相机(9)的光轴同轴。
7.一种系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置(1)和存储单元(10)，所述存储单元(10)携带参考数据库，所述参考数据库包括与图案发生器(6-R)相关联的空间中的光的三维图案(8)的相关图像和相应的搬运器(3-1-R、3-2-R)位置数据(31-R、32-R)。
8.根据权利要求8所述的系统，进一步包括处理单元(12)，所述处理单元被配置为将所记录的图像数据对与所述参考数据库的图像数据对进行比较，并且找到相似图像对，以获得每个相似图像对的图像平移偏移数据，并且基于与多个不同光学配置(11)相关的图像平移偏移数据，获得用于所述计算机控制机器(2)的位置校准的平移和旋转数据。
9.一种用于获得相对于计算机控制机器的第二部件的平移和旋转的所述计算机控制机器的第一部位的平移和旋转的方法，所述计算机控制机器具有至少一个可移动搬运器(3)，所述至少一个可移动搬运器用于相对于第二机器部件的位置改变第一机器部件的位置，所述方法包括：
提供能够附接到所述第一机器部件(4)的图案发生器(6)，
提供照明器(7)中的第一照明器(7-1)，所述第一照明器能够附接到所述第一机器部件(4)或所述第二机器部件(5)，并被光学配置为照亮所述图案发生器(6)，用于共同创建空间中的光的三维图案(8)，
提供相机(9)中的第一相机(9-1)，所述第一相机能够附接到所述第二机器部件(5)，并且被光学配置为记录空间中的光的所述三维图案(8)的图案图像，
提供所述照明器(7)中的第二照明器(7-2)或所述相机(9)中的第二相机(9-2)，
提供第一光学配置(11A)的有效光学距离的范围与第二光学配置(11B)的有效光学距离的范围不重叠，在所述第一光学配置(11A)中，光沿着从所述第一照明器或所述第二照明器中的一个经由所述图案发生器(6)到所述第一相机或所述第二相机中的一个的光路传播，用于捕获空间中的光的三维图案(8)的第一图像，在所述第二光学配置(11B)中，光沿着从所述第一照明器或所述第二照明器中的一个经由所述图案发生器(6)到所述第一相机或所述第二相机中的一个的光路传播，用于捕获空间中的光的三维图案(8)的第二图像，将所述第一照明器或所述第二照明器中的每一个配置为利用相干长度大于每个光学配置(11A、11B)内的最大光路长度差的光照亮所述图案发生器(6)，并且操作传感器装置配置单元，用于将传感器装置(1)配置为
a)使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第一相机(9-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第一图像，并且使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第二相机(9-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第二图像，或者
b)使用相机中的所述第一相机(9-1)和照明器中的所述第一照明器(7-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第一图像，并且使用相机中的所述第一相机(9-1)和照明器中的所述第二照明器(7-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第二图像，或者
c)使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第一相机(9-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第一图像，并且使用照明器中的所述第二照明器(7-2)和相机中的所述第二相机(9-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第二图像。
10.根据权利要求10所述的方法，进一步包括将所述可移动搬运器移动到多个位置，并且在每个位置记录与所述搬运器的位置相关的搬运器位置数据(31、32)，结合所述操作传感器装置配置单元。
11.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，在搬运器的每个位置处，控制所述照明器(7)中的所述第一照明器和所述第二照明器或所述相机中的所述第一相机和所述第二相机交替操作，以便不同时地并且仅在相应的不同光学配置中捕获所述第一图像和所述第二图像。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，使用被配置为在相应不同物体平面中记录图像的多个所述相机(9)，在所述搬运器的每个位置处记录图像。
13.一种获得用于校准或改进计算机控制机器的定位的数据的方法，所述计算机控制机器包括用于相对于第二机器部件的位置改变第一机器部件的位置的可移动搬运器，其中，所述方法包括提供根据权利要求1所述的传感器装置，
将搬运器移动到多个搬运器位置，使得相对于所述第二机器部件的位置的所述第一机器部件的位置针对所述多个位置中的每一个位置而改变，以及在每个搬运器位置，记录与所述搬运器的位置相关的位置数据，并且操作传感器用于记录在第一光学配置和第二光学配置中相应配置中的空间中的三维光图案的第一图像和第二图像对，将所记录的图像数据与参考数据库的图像数据进行比较，并且找到相似的图像对，所述参考数据库包括与图案发生器的空间中的光的三维图案相关的相关图像和位置数据，
获得每对相似图像的图像平移偏移数据，并且
基于与光学配置相关的图像平移偏移数据，获得用于校准或改进所述计算机控制机器的定位的平移和旋转数据。

Claims (14)

1.一种传感器装置(1)，用于计算机控制机器(2)，所述计算机控制机器具有用于相对于第二机器部件(5)的位置改变第一机器部件(4)的位置的可移动搬运器(3)，
其中，所述传感器装置(1)包括：
图案发生器(6)，能够附接到所述第一机器部件(4)，
照明器(7)中的第一照明器(7-1)，能够附接到所述第一机器部件(4)或所述第二机器部件(5)，并被光学配置为用光照亮所述图案发生器(6)，用于共同创建空间中的光的三维图案(8)，
相机(9)中的第一相机(9-1)，能够附接到所述第二机器部件(5)，并且被光学配置为记录空间中的光的所述三维图案(8)的图案图像，
其中，所述传感器装置(1)进一步包括：
所述照明器(7)中的第二照明器(7-2)或所述相机(9)中的第二相机(9-2)，
传感器装置配置单元，用于将传感器装置(1)配置为
a)使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第一相机(9-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第一图像，并且使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第二相机(9-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第二图像，或者
b)使用相机中的所述第一相机(9-1)和照明器中的所述第一照明器(7-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第一图像，并且使用相机中的所述第一相机(9-1)和照明器中的所述第二照明器(7-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第二图像，或者
c)使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第一相机(9-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第一图像，并且使用照明器中的所述第二照明器(7-2)和相机中的所述第二相机(9-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的第二图像，以及
其中，第一光学配置(11A)的有效光学距离的范围与第二光学配置(11B)的有效光学距离的范围不重叠(相等)，在所述第一光学配置(11A)中，光沿着从所述第一照明器或所述第二照明器中的一者经由所述图案发生器(6)到所述第一相机或所述第二相机中的一者的光路传播，用于捕获所述第一图像，在所述第二光学配置(11B)中，光沿着从所述第一照明器或所述第二照明器中的一个经由所述图案发生器(6)到所述第一相机或所述第二相机中的一个的光路传播，用于捕获所述第二图像，并且
所述第一照明器或所述第二照明器中的每一个被配置为利用相干长度大于每个光学配置(11A、11B)内的最大光路长度差的光照亮所述图案发生器(6)。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，至少一个所述照明器(7)适于产生多个不同的发散中心。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，包括光学相干光源，所述光学相干光源被设置成提供相干光，以由所述第一照明器和所述第二照明器两者(7)发射，并且在从所述图案发生器(6)反射之后，在相机(9)相干干涉。
4.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机(9)的感光部分是一维1D线阵相机传感器。
5.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机(9)的感光部分是二维2D面阵相机传感器。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机适于以每秒至少1000的图像采样率捕获高速一维1D线阵图像或二维2D面阵图像。
7.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，在光学配置(11)中，所述照明器(7)的光轴与同一所述光学配置(11)的所述相机(9)的光轴同轴。
8.一种系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置(1)和存储单元(10)，所述存储单元(10)携带参考数据库，所述参考数据库包括与图案发生器(6-R)相关联的空间中的光的三维图案(8)的相关图像和相应的搬运器(3-1-R、3-2-R)位置数据(31-R、32-R)。
9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括处理单元(12)，所述处理单元被配置为将所记录的图像数据对与所述参考数据库的图像数据对进行比较，并且找到相似图像对，以获得每个相似图像对的图像平移偏移数据，并且基于与多个不同光学配置(11)相关的图像平移偏移数据，获得用于所述计算机控制机器(2)的位置校准的平移和旋转数据。
10.一种用于获得相对于计算机控制机器的第二部件的平移和旋转的所述计算机控制机器的第一部位的平移和旋转的方法，所述计算机控制机器具有至少一个可移动搬运器(3)，所述至少一个可移动搬运器用于相对于第二机器部件的位置改变第一机器部件的位置，所述方法包括：
提供能够附接到所述第一机器部件(4)的图案发生器(6)，
提供照明器(7)中的第一照明器(7-1)，所述第一照明器能够附接到所述第一机器部件(4)或所述第二机器部件(5)，并被光学配置为照亮所述图案发生器(6)，用于共同创建空间中的光的三维图案(8)，
提供相机(9)中的第一相机(9-1)，所述第一相机能够附接到所述第二机器部件(5)，并且被光学配置为记录空间中的光的所述三维图案(8)的图案图像，
提供所述照明器(7)中的第二照明器(7-2)或所述相机(9)中的第二相机(9-2)，
提供第一光学配置(11A)的有效光学距离的范围与第二光学配置(11B)的有效光学距离的范围不重叠，在所述第一光学配置(11A)中，光沿着从所述第一照明器或所述第二照明器中的一个经由所述图案发生器(6)到所述第一相机或所述第二相机中的一个的光路传播，用于捕获空间中的光的三维图案(8)的第一图像，在所述第二光学配置(11B)中，光沿着从所述第一照明器或所述第二照明器中的一个经由所述图案发生器(6)到所述第一相机或所述第二相机中的一个的光路传播，用于捕获空间中的光的三维图案(8)的第二图像，将所述第一照明器或所述第二照明器中的每一个配置为利用相干长度大于每个光学配置(11A、11B)内的最大光路长度差的光照亮所述图案发生器(6)，并且操作传感器装置配置单元，用于将传感器装置(1)配置为
a)使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第一相机(9-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第一图像，并且使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第二相机(9-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第二图像，或者
b)使用相机中的所述第一相机(9-1)和照明器中的所述第一照明器(7-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第一图像，并且使用相机中的所述第一相机(9-1)和照明器中的所述第二照明器(7-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第二图像，或者
c)使用照明器中的所述第一照明器(7-1)和相机中的所述第一相机(9-1)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第一图像，并且使用照明器中的所述第二照明器(7-2)和相机中的所述第二相机(9-2)的组合，捕获空间中的光的三维图案(8)的所述第二图像。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括将所述可移动搬运器移动到多个位置，并且在每个位置记录与所述搬运器的位置相关的搬运器位置数据(31、32)，结合所述操作传感器装置配置单元。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，在搬运器的每个位置处，控制所述照明器(7)中的所述第一照明器和所述第二照明器或所述相机中的所述第一相机和所述第二相机交替操作，以便不同时地并且仅在相应的不同光学配置中捕获所述第一图像和所述第二图像。
13.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，使用被配置为在相应不同物体平面中记录图像的多个所述相机(9)，在所述搬运器的每个位置处记录图像。
14.一种获得用于校准或改进计算机控制机器的定位的数据的方法，所述计算机控制机器包括用于相对于第二机器部件的位置改变第一机器部件的位置的可移动搬运器，其中，所述方法包括将搬运器移动到多个搬运器位置，使得相对于所述第二机器部件的位置的所述第一机器部件的位置针对所述多个位置中的每一个位置而改变，
在每个搬运器位置，用至少一个照明器照亮附接到所述第一机器部件的图案发生器，使得在空间中创建光的至少一个三维图案，记录与所述搬运器的位置相关的位置数据，并且记录在所述至少一个照明器的至少两不同光学配置中的所述至少一个三维图案的图像，将所记录的图像数据与参考数据库的图像数据进行比较，并且找到相似的图像对，所述参考数据库包括与图案发生器的空间中的光的三维图案相关的相关图像和位置数据，
获得每对相似图像的图像平移偏移数据，并且
基于与多个不同光学配置相关的图像平移偏移数据，获得用于校准或改进所述计算机控制机器的定位的平移和旋转数据。
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