CN109084681B - 相对接触探针校准视觉系统的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种校准固定装置，该校准固定装置能够实现例如CMM上的接触探针相对于摄像机的更精确的校准。摄像机安装成使得其光轴与探针的z轴大致或基本平行。探针和工件沿着由正交的x轴和y轴以及可选地z轴和/或绕z轴的旋转R限定的平面相对地运动。校准固定装置布置成从探针的接触表面下方经由180度棱镜结构成像以将光线从探针接触点沿着光轴传播至摄像机。替代性地，两个摄像机在对准在基准点上时分别观察相对于CMM臂和探针位置的基准位置。该装置可确定一具有光学模块和摄像机组件的整合式组件。

Description

相对接触探针校准视觉系统的系统及方法
分案申请
本申请为申请号201510705154.5、申请日2015年10月23日、题为“相对接触探针校准视觉系统的系统及方法”的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年2月3日提交的、名为“相对接触探针校准视觉系统的系统及方法”的美国临时申请62/111,644，于2014年12月31日提交的、名为“相对接触探针校准视觉系统的系统及方法”的美国临时申请62/098,894，以及于2014年10月23日提交的、名为“相对接触探针校准视觉系统的系统及方法”的美国临时申请62/067,957，上述申请均通过引用全文并入本发明。
技术领域
本发明涉及机器视觉系统，尤其是涉及在检测和制造过程中使用的视觉系统的校准。
背景技术
在制造和装配过程中，通常需要高精度地测量物体表面。一种用于执行这样的具有高精度(例如，微米级)和低噪音测量的技术是采用坐标测量机(CMM)。CMM将接触探针施加至物体的表面，物体可以安装在活动的运动平台上(或替代性地，可以移除接触探针)。当运动发生(例如，沿着平面在物理X坐标方向和物理y坐标方向上)时，探针接触沿着物体表面的许多位置，由此产生关于物体表面上的各个点的全部位移(例如，在物理Z坐标方向上)的图像。
在制造环境—例如，装配和/或质量控制中使用接触探针的挑战在于在检测过程中将接触探针定位至工件上的适当位置。例如，通过探针接触工件内的一些位置以确定功能或适当尺寸。通常，工件位于移动表面如运动平台上，或工件可以安装在检测区域的装置中。接触探针基于接触探针/CMM内坐标系统(x，y，z和旋转R)与工件坐标系统之间的绘图相对于工件移动。因此，显示相对于工件坐标系统的探针坐标系统通常需要识别和绘制工件上的一些参照点。例如，工件可以包括用作参照点或基准点的已知边缘和拐角。工件还可以包括预先设定的基准点，如十字刻印(printed crosses等)，预先设定的基准点可以用于建立接触探针运动的初始参照点。此外，这些基准点可以远离以其他方式通过接触探针检测的任何表面凹凸(例如，Z轴高度的变化)，由此专门依赖于视觉特征来寻找参照点。
使用机器视觉系统(本文中也简称为“视觉系统”)辅助围绕工件导引(定位)机器人部件—例如，末端执行器，零件搬运装置等—是本领域已知的。通常，这样的视觉系统包括一个或更多个摄像机，所述一个或更多个摄像机安装用于对包含机器人部件和工件的场景进行成像。每个摄像机包括基于CCD、CMOS或在灰度或色彩方面适合的其他成像技术的图像传感器或“成像器”。成像器通过适当的有线链路和/或无线链路的连接向处理器提供图像数据，处理器可以与摄像机主体结合和/或可以位于远程计算装置如独立PC、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。处理器包括具有各种功能的视觉系统应用/过程，例如但不限于边缘检测和斑点分析工具、总体式样识别工具、对准工具和/或检测工具。这些功能和工具使得视觉系统能够识别工件上的特征并且使工件相对于在运行操作之前的训练和校准阶段期间建立的内坐标系统对准。
视觉系统结合接触探针使用提供的一些挑战在于接触探针上的接触点的定位在运行期间可能被遮挡住，并且通常很难获得摄像机的良好视角。更普遍地，视觉系统结合接触探针使用—包括系统的校准—是具有挑战性的。在CMM于单个移动臂上采用多个接触探针的情况下，增强了这样的挑战。
发明内容
本发明通过提供一校准固定装置克服了现有技术的缺点，所述校准固定装置使得例如CMM上的接触探针相对于摄像机能够得到更精确的校准，使得手眼校准过程(下面将进一步描述)可以通过摄像机相对于探针接触的点的直接观察来进行。摄像机安装成使得其光轴与探针的z轴大致或基本平行。探针和工件沿着(至少)由正交的x轴和y轴以及可选地z轴和/或绕z轴的旋转R限定的平面相对地运动。校准固定装置布置成从探针的接触表面下方经由180度棱镜结构成像以将光从探针接触点沿着光轴传回至摄像机。在构成总体180度棱镜组件的一对直角(90度)棱镜之间可以定位有准直中继光学器件。摄像机的光轴和探针接触表面相对于彼此呈已知取向使得使用该装置执行手眼校准允许摄像机的内坐标精确地绘制于探针/CMM坐标系。由此，在工作期间，当摄像机在其视野内识别工件特征时，探针与该特征的距离和取向(基于绘图)精确地已知并且探针可以通过使CMM沿着一个或更多个轴移动已知距离来平移/移动至该特征上。
更普遍地说，本发明提供了一种用于精确校准摄像机与探针之间的偏移的系统及方法，在该系统中，摄像机“观察”一共同平面，探针“接触”此共同平面。探针可以是包括电子式或机械式的各种类型的探针。此共同平面可以例如是电路板、半导体芯片或触摸屏。摄像机和探针在机器人或平台(例如CMM装置)上刚性地安装在一起使得摄像机和探针在机器人或平台移动时保持固定偏移量。该系统和方法包括包含“接触观察表面”(TVS)和“观察窗口”(VP)的校准固定装置。校准固定装置调节成使得TVS与VP之间的位移大致匹配摄像机与接触探针之间的固定位移。TVS包括基准靶标(例如，镀在表面上的金属的十字叉丝)。
在另一实施方案中，该系统和方法采用第一(基准定位)摄像机和第二(探针定位)摄像机，第一摄像机相对于移动的机器人或平台刚性地安装，第二摄像机相对于结合照明装置和靶标的校准固定装置安装，照明装置和靶标中的每一者选择性地与分束器联接。探针定位摄像机限定(第一)对准的光学器件/摄像机轴线以经由直角的、分束器镜观察靶标，其中，照明光束透过镜子和靶标使得能够沿着基准定位摄像机(第二)光学器件/摄像机轴线将靶标的图像投射至基准定位摄像机。在操作中，探针定位摄像机用于确定一个或更多个探针稍端与基准点的对准，并且基准定位摄像机用于相对于其像素定位基准点。以这种方式确定了基准定位摄像机相对于CMM中的每个探针的偏移量，并且可以允许摄像机在运行期间使用这些偏移量使CMM臂(包含探针)移动至检查下的物体上的适当位置。
在一个示例实施方式中，本发明提供了一种引导接触探针的视觉系统。该系统包括视觉系统摄像机组件，视觉系统摄像机组件的摄像机轴线相对于具有纵向轴线的移动接触探针组件安装。本发明还提供了一种限定棱镜组件的校准固定装置，棱镜组件使光路在以偏移间距S间隔开的平行轴线之间转向180度。示例性地，偏移间距S和接触探针纵向轴线与摄像机轴线之间的间距大致相同使得接触TVS的接触探针沿着VP中的摄像机轴线是可见的。该系统可以包括该装置的光路内的中继透镜组件。示例性地，校准固定装置可以包括场透镜，场透镜通常位于VP棱镜的顶表面上，从而允许接触点的获得图像以与接触表面焦距相同的焦距显像，并且更普遍地减小了视差甚至摄像机视野中的光照。
在所示实施方式中，场透镜组件可以在光路中定位在棱镜组件上以减小由来自接触探针的反射光产生的视差并且平衡摄像机组件的视野中的光照。示例性地，棱镜组件具有第一直角棱镜和第二直角棱镜，第一直角棱镜具有在其上包括基准点的接触观察表面(TVS)，第二直角棱镜具有用于获得TVS的图像的观察窗口(VP)。可以提供一种照明组件，该照明组件将光传输至邻近于TVS的第一直角棱镜中，并且该照明组件可以具有分束器，分束器邻近第二直角棱镜的斜壁定位以使光透过第二直角棱镜并且透过中继透镜组件至第一直角棱镜。替代性地，分束器可以邻近第一直角棱镜的斜壁定位以使光透过分束器向上传输。根据另一替代实施方式，照明组件可以布置成经由第一直角棱镜的斜壁传输光使得能够在第一直角棱镜内产生全内反射(TIR)。在该结构中，由此，照明光线在VP中的相对于TVS上的接触探针接触的位置处投射反光。
在另一示例实施方式中，本发明提供了一种关于移动接触探针组件校准视觉系统的方法。具有摄像机轴线的摄像机相对于接触探针组件的纵向轴线定位和安装。棱镜组件使以偏移间距S间隔开的平行轴线之间的光路转向180度(以两个单独的90度转向)。间距S和接触探针纵向轴线与摄像机轴线之间的间距大致相同。棱镜组件限定其上具有基准点的接触观察表面(TVS)以及用于获得TVS的图像的观察窗口(VP)。用探针接触基准点以建立对准点，并且探针的位置通过接触探针运动控制器记录为探针对准的位置。接触探针和刚性连接的摄像机通过运动控制器平移使得摄像机对准以观察TVS上的基准点并且接触探针的位置记录为摄像机对准的位置。偏移间距计算为对准的位置摄像机与对准的位置探针之差。示例性地，计算的运行时的偏移间距用于基于摄像机识别的工件上的特征将探针移动至工件的位置。
在另一示例实施方式中，本发明提供了一种使用两个视觉系统摄像机导引接触探针组件的示例性视觉系统和方法。本发明提供了一种校准固定装置。该装置包括基准点，基准点布置成可基于接触探针组件与装置之间的运动与接触探针选择性地接触。校准固定装置包括分束器，分束器允许照明光从光源透过基准点以及转过一定角度的第一光路，观察透过基准点进入基准点上方的空间的光线，所述空间选择性地容纳接触探针组件。第一视觉系统摄像机组件相对于分束器定位，并且限定沿着第一光路定位的第一摄像机轴线。具有第二摄像机轴线的第二视觉系统摄像机组件相对于接触探针组件刚性地安装，并且当光源照射基准点时选择性地观察基准点。该结构可以示例性地包括多个接触探针组件，每个接触探针组件能够相对于装置选择性地移动以各自选择性地接触基准点。接触探针组件中的每个接触探针组件相对于第二摄像机组件刚性地附接。示例性地，场透镜组件可以定位在第一光路中以减小由来自接触探针的反射光产生的视差并且平衡摄像机组件的视野中的光照。在一个示例实施方案中，接触探针组件定位在坐标测量机(CMM)的移动臂上，并且CMM包括追踪臂的运动的控制器。第一视觉系统摄像机和第二视觉系统摄像机中的每一者在接触探针接触基准点和第二摄像机轴线与所述基准点对准时分别提供用于基于控制器记录所述臂的位置的反馈。以这种方式，每个接触探针组件与第二视觉系统摄像机轴线之间的相对偏移量可于运行操作时供计算使用。
在另一示例实施方式中，用于校准接触探针组件的视觉系统可以结合在包括安装基部、摄像机和光学模块的单个单元中，光学模块具有棱镜、场透镜、分束器、非球面透镜组件和光源。摄像机从定位在标线处的TVS接收光，并且在分束器的反射表面处反射经过直角。照明光源轴向地透过反射表面和标线投射至探针上。光学模块由壳体盖覆盖，壳体盖还覆盖摄像机组件的透镜端的至少一部分以防止光泄漏并且抵抗环境污染物的渗入。
示例性地，分束器和照明光源相对于支承第二视觉系统摄像机的安装基部安装在光学模块中，并且光学模块具有适于接触接触探针的标线。标线大体上限定基准图案以及照明光源与分束器之间的光调节透镜。光调节透镜可以包括具有凹凸透镜对的非球面透镜组件。在标线与分束器之间示意性地定位有场透镜。在光学模块和第二视觉系统摄像机的至少一部分上示意性地安装有壳体盖。光源可以包括其上安装有LED组件的电路板。电路板可以安装在光学模块的与光学模块的其中安装标线的一端相反的端部上。
在另一个示例实施方式中，本发明提供了一种用于校准第一视觉系统摄像机的整合式校准固定装置。该装置相对于工件导引移动接触探针。该装置包括安装第二视觉系统摄像机的基部和光学模块，光学模块的被照射的标线上具有基准图案。标线适于选择性地与接触探针接触，并且也通过第一视觉系统摄像机选择性地观察。在光学模块中定位有分束器，该分束器将照射标线的光源的光路与第二视觉系统摄像机的光路并合。以这种方式，第一视觉系统摄像机可以将观察的标线定位在接触探针组件的坐标空间中，并且第二视觉系统摄像机可以在其与标线对准时观察接触探针。这两类对准可以通过处理器调节以相对于第一视觉系统摄像机的视野校准接触探针。
在另一个实施方式中，本发明提供了一种具有摄像机轴线的视觉系统摄像机组件，视觉系统摄像机组件相对于具有纵向轴线的移动接触探针组件安装。校准固定装置限定棱镜组件，该棱镜组件使以偏移间距S间隔开的平行轴线之间的光路转向180度，间距S和纵向轴线与摄像机轴线之间的间距大致相同。照明组件将光线透过第一面引导至棱镜组件中的第一棱镜中。第一棱镜包括面对接触探针组件的稍端的顶面。光线通过全内反射反射两次并且透过第一面离开第一棱镜。第一棱镜构造和布置成使得当所述稍端接触顶面或在所述顶面上方在一定波长的光线中停留时，全内反射受抑并且倏逝波与稍端耦合，由此光泄漏透过顶面。泄漏的光因而从稍端散射开并且以接近垂直(90度)的入射角再次进入第一棱镜以从稍端的接触点行进通过视觉系统摄像机组件。这允许接触点相对准确的定位而无需(不存在)使探针实际接触棱镜表面。
附图说明
本发明的以下描述涉及附图，在附图中：
图1是结合根据示例实施方式的坐标测量机(CMM)接触探针组件和相关视觉系统摄像机结构的校准固定装置的示意图；
图2是根据包括场透镜的替代性实施方式的校准固定装置的示意图，其中，校准固定装置结合CMM接触探针组件和图1的相关的视觉系统摄像机布置；
图3是根据包括在基准点的固定装置下方对准的照明分束器的另一替代实施方式的校准固定装置的示意图，其中，校准固定装置结合CMM接触探针组件和图1的相关的视觉系统摄像机布置；
图4是根据包括倏逝波耦合以提供受抑的全内反射(TIR)的另一替代实施方式的校准固定装置的示意图，其中，校准固定装置结合CMM接触探针组件和图1的相关的视觉系统摄像机布置；
图5是根据使用图1至图4的任一校准实施方式的校准固定装置的示例实施方式的校准过程的流程图；
图6是根据另一替代实施方式的校准固定装置结构的示意图，校准固定装置结构包括第一视觉系统摄像机和第二视觉系统摄像机，其中，第一视觉系统摄像机布置成通过装置分束器镜观察基准点和接触探针，照明源突出透过装置分束器镜以照射基准点，第二视觉系统摄像机与CMM接触探针成刚性关系安装，以及；
图7是图6的校准固定装置相对于包括多个接触探针作为选择的CMM接触探针组件结构的示意图；
图8是图7的结构的示意图，示出了接触探针中的与基准点对准的接触探针，在该接触探针中，第一视觉系统摄像机观察探针与基准点的对准；
图9是根据使用图6至图8的校准固定装置实施方式的装置的另一示例实施方式的校准过程的流程图；
图10是根据示例实施方式的具有安装基部、摄像机组件、光学组件和壳体盖的整合式校准结构的立体图；
图11是图10的整合式校准结构的分解图，其中，省略了视觉系统摄像机组件；
图12是图10的整合式校准结构的俯视截面立体图，其中，移除了壳体盖；
图13是图10的整合式校准固定装置的剖开光学模块的侧视截面立体图，其中，移除了壳体盖；
图14是图10的整合式校准结构的俯视截面图，其中，移除了壳体盖；以及
图15是用于与图10的整合式校准结构的光学模块一起使用的示例性标线的平面图。
具体实施方式
图1描绘了制造或检测结构100的概略图。这种结构可以用于与工件有关的各种制造和/或质量控制目的，这种结构通过使用CMM接触探针110或类似装置进行检测。描绘的机构100包括视觉系统120，视觉系统120包括具有沿着光轴OA布置的透镜124(虚线所示)的摄像机组件122。在摄像机本体上的正面128中可以包含有照明组件，照明组件通常用于在运行期间对工件的表面提供照明。如下所述，可以在靶标下方定位附加的照明组件，从而将光发射穿过为结构的校准固定装置(170，下面所述)的一部分的分束器棱镜。摄像机122包括产生图像数据126的成像器。成像数据126经由有线链路、无线链路和/或内部链路133传输至具有相关视觉处理器132的处理器组件130，相关视觉处理器132可以位于摄像机本体内部或完全(或部分)远离摄像机122。在远程结构中，处理器组件130可以包含在通用或专用计算装置，如PC、笔记本电脑、平板电脑或智能手机中。在摄像机122进行板载图像处理的情况下，处理结果可以作为数据传输至另一远程处理器或装置用于下面进一步描述的CMM运动控制过程(以及其他基于视觉的过程，如对准和/或检测)。视觉处理器132通常包括相关的视觉处理如模式识别，和/或可以由多个供应商如马塞诸塞州的纳蒂克(Natick)的Cognex(康耐视)公司提供的搜寻工具。
应指出的是，本文使用的术语“处理”和/或“处理器”应广义地视为包括基于各种电子硬件和/或软件的功能和部件。另外，所述处理或处理器可以与其他处理和或处理器结合或者划分成多个子处理或子处理器。这样的子处理和/或子处理器可以基于本文的实施方式以各种方式结合。同样地，显然可以设想本文的任何功能、处理和/或处理器可以通过使用包括程序指令的非瞬时计算机可读介质的电子硬件、软件或者硬件和软件的结合实施。
处理器130还包括校准处理/处理器134和相关工具/应用。如下面进一步描述的，这些工具用于在视觉系统内执行各种校准功能。一般来说，这些功能包括对下面将进一步描述的工件和/或CMM的视觉系统坐标系统的手眼矫正。通过进一步提供机器视觉手眼矫正的背景信息，校准固定装置和相关的校准基准点通常移动至多个预定姿态，摄像机获得基准点在预定姿态时的相应图像。这样的手眼矫正的目的是确定摄像机和“运动坐标系统”中的校准固定装置(包含至少一个校准基准点)的刚性本体姿态。运动坐标系统可以以各种方式进行限定。姿态的数量(详细说明基准点和/或摄像机在空间中所在位置)应在适当坐标系中进行说明。当选择了单个统一的坐标系时，在该全局坐标系中描述/解释姿态和运动。这种选择的坐标系通常被称为“运动坐标系”。通常，“运动”通过可以提供物理运动的实体装置(例如，下面所述的CMM)如机器人臂、或运动平台如台架提供。应指出的是或者校准固定装置/基准点可以相对于一个或更多个静止摄像机移动，或者摄像机可以相对于校准固定装置/基准点移动。这样的运动提供装置的控制器采用多个值(即，姿态)以命令装置提供任何期望的运动，并且这些值在装置的本地坐标系中进行了说明。应当指出的是，尽管可以选择任何运动坐标系来提供相对于运动提供装置和摄像机的常见的全局坐标系，然而通常理想的是选择运动提供装置的本地坐标系(例如，其x轴和y轴)作为整体运动坐标系。因此，手眼矫正通过提供运动(使校准基准点移动或使摄像机移动)将坐标系校准为单个运动坐标系，并且获得了运动前后的图像以确定这样的运动对移动物体的影响。当视觉系统采用手眼矫正时，视觉系统的校准过程通过使图像中的观察运动效果与命令运动(命令运动数据已知用于命令运动)相关联解析姿态。校准的另一结果是在摄像机的图像中的每个像素位置与运动坐标系中的物理位置之间进行绘图，使得在于成像场景(也被称为图像空间，或本文称为检测体积空间)中寻找位置之后，可以平移运动坐标系中的位置并且可以命令运动提供装置(CMM)作用于该位置。
如图1中所示，结构100包括CMM140，CMM140提供沿着x、y、z和至少一个旋转轴线R(绕z轴)如描绘的坐标系箭头150的运动。CMM的结构是高度可变的。在各种已知的实施方案中，CMM包括臂组件(未示出)，臂组件在检测体积空间152内位于检测区域上方。检测区域是通常在装置中的容纳工件的实体、自由振动的表面。线性致动器使臂移动通过上述的x、y、z和R取向。每个线性致动器的运动/位置通过编码器或其他运动测量装置追踪。该运动/位置数据142传输至处理器130(或另一处理器/计算机)并且可以通过CMM控制处理/处理器144进行处理，CMM控制处理/处理器144也基于来自位置数据142的反馈和使用控制信息146的视觉系统的输入导引CMM。
CMM导引安装在移动探针基部160上的接触探针110。接触探针和基部对沿着(至少)z轴方向的接触高度敏感，并且任何位移Tz导致传输至处理器130供视觉系统和CMM运动控制器144使用的接触信号162的产生。也就是说，当接触探针绕着工件移动时，探针与工件表面接触，通常沿着z轴与工件表面接触。接触点164接触表面的坐标得到控制和记录。在该示例中，接触点通过呈反射表面的抛光金属球面限定，抛光金属球面在下面得到进一步描述。使用接触探针的运行操作的一个示例是测试触摸屏以确保触摸各种屏幕坐标平移至对这些坐标的期望输入。
视觉系统摄像机122相对于CMM探针保持器160和臂161示例性地固定(通过杆166表示)，并且由此保持相对于检测区域152的已知焦距。也就是说，摄像机在臂161的运动的情况中在z方向上沿着其光轴OA移动至与探针(在z方向上沿着其相关的纵向轴线(虚线163)移动)自身相同的程度。用于相对于CMM保持摄像机的特定安装系统是高度可变的。一般来说，摄像机安装成使得其在保持已知的偏移间距和与z方向基本平行的光轴OA的同时相对于探针保持器160和臂161移动。因此，当探针绕检测区域移动时，摄像机以一定精确度和恒定间距/偏移S跟随探针的运动。在实施方式中，摄像机轴线OA与探针的纵向轴线163的间距/偏离量S为沿着CMM运动的x和/y轴的约20至60毫米。然而，摄像机轴线相对于探针的间距和位置在其他实施方式中是高度可变的。
在示例实施方式中，结构100采用校准固定装置组件170来绘制对接触探针110的接触点和相关CMM坐标系的视觉系统摄像机视野。目的是为了确保当摄像机在工件上定位特征(例如，基准点、边缘、拐角等)时，CMM接触探针110可以相对于该特征精确地导引。因此，视觉系统处理器确定工件的姿态，并且在CMM运动控制器坐标系内建立了工件的坐标。装置组件170包括如图所示彼此相对定向的一对直角棱镜172和173，所述一对直角棱镜172和173共同限定顶表面平面174，顶表面平面174使总体上大于探针轴线至摄像机轴线间距/偏移量S的总宽度WP延伸。棱镜172和173各自包括相应且相反的斜壁176和178，每个斜壁以相等且相反的45度角AP向内延伸。这些壁176、178各自经由棱镜将光路OP转向约90度使得大体来说光路OP如图所示的那样在棱镜内行进穿过间距/偏移量S。以这种方式，探针110的接触点164沿着摄像机122的光轴OA显现。
由棱镜172、173限定的顶表面平面174在示例实施方式中包括靶标或基准点180。基准点180位于所描绘的(例如，左侧)棱镜172的顶部上并且可以在本文中限定为“接触观察表面”(TVS)。如图所示，光从基准点180沿着光路OP经由整个装置170传播至所描绘的(例如，右侧)棱镜173透过可以限定为“观察窗口”(VP)的顶表面。基准点可以通过使用各种技术如金属沉积、丝网印刷和/或蚀刻应用在棱镜172的顶部上。可以实施任何可接受的基准图案/设计，比如所描绘的具有十字的同心圆。通常在探针放在基准点上并且辅助定向所述结构时，基准点180通过棱镜组件172、173对棱镜是可见的。显然，棱镜组件172、173还包括使图像光线188在两个透镜之间平行(准直)的一对中继透镜182。中继光学/透镜组件182的功率和形状高度可变，并且中继光学装置/透镜组件182的设计对光学领域的技术人员来说应是显而易见的。在实施方式中，中继光学装置布置为远心透镜。还应指出的是在图1等的图示中，成像光线188描绘为实线，而照明光线189(下面所述)描绘为虚线。
装置组件170包括结合的照明组件190，照明组件190由照明源(例如，LED单元192)和聚光透镜194组成。照明组件190以与光路OP同线的方式定位在通常为常规设计的分束器196后面。分束器196允许照明光如图所示的那样直接穿过(穿过摄像机光轴OA，并且与其垂直)棱镜173的斜壁178，同时使得成像光线在光轴OA上转向90度。照明光线189从分束器196透过校正中继光学装置182并且在棱镜172的壁176处呈90度转向。光接着投射出棱镜顶部，透过基准点180。在所描绘的图1的结构100中，摄像机经由观察窗口观察照明接触点164和照明基准图案180。
应指出的是为清楚起见，未示出装置组件170的附属框架。可以在整合式单元中采用任何可接受的框架或壳体来刚性地固定棱镜172、173、中继光学装置182、照明组件190以及其他元件(例如，下面描述的场透镜)。该装置和其相关的壳体或框架可以适于选择性地放置在CMM的检测体积空间152中和从其中移除作为临时附接(可移除)校准器，所述校准器通常仅在校准过程期间存在于检测体积空间中。替代性地，装置框架/壳体可以永久地安装在可移除地定位工件的检查区域下方(例如)的位置处。在永久安装情况中，装置框架/壳体可以构建成保持工件的平台或可以位于平台下方。在空间152中的装置170的z轴高度可以是广泛变化，因为当探针移动约z轴距离以接触顶表面平面174时，刚性附接的摄像机自动定位在距顶表面174已知焦距的位置处。也就是说，摄像机与探针同步地上下移动。
图2示出了具有如上文所述那样布置(参见图1)的校准固定装置270的替代实施方式的结构200，校准固定装置270具有直角棱镜272、273、中继透镜282和TVS棱镜272上的基准点280。照明组件290也如上文描述的那样(参见图1)相对于分束器296与VP棱镜272同线地布置。显然，VP棱镜273的顶表面包括用于多个目的的场透镜250。场透镜250在整个摄像机视野中产生更亮且改良的照明式样(以菲涅耳透镜的形式)，并且更普遍地使摄像机透镜124表现得类似于远心透镜。场透镜还减小了由探针的球面几何形状引起的视差误差，其中，光的反射“反光”实际上在没有透镜250的情况下显现在TVS棱镜272的顶表面上。相反地，场透镜250将反光移动至顶表面的平面(图1中的174)。一般来说，场透镜250将图像的聚焦放置在摄像机122的入射光孔处。
可以设想上述场透镜(250)可以配装至本文所示和所述的该装置实施方式中的任一者。为了使总体描述清楚起见，从所描绘的实施方式中省去了场透镜。
参照图3，结构300示出了如上文所述那样布置(参见图1)的校准固定装置370的另一替代实施方式，校准固定装置370具有直角棱镜372、373、中继透镜382和TVS棱镜327上的基准点380。在该实施方式中，照明组件390相对于与TVS棱镜372共线安装的分束器396布置。照明光线直接向上投射，沿着探针110的纵向轴线穿过斜壁376。在该实施方式和其他实施方式中，照明组件390的聚光透镜394以远心透镜的形式扩散光束以有效覆盖基准点380。因此，该实施方式中的照明光线不沿着中继光学装置行进。
图4示出了具有如上文所述那样布置(参见图1)的校准固定装置470的又一替代实施方式的结构400，校准固定装置470具有直角棱镜472、473、中继透镜482和TVS棱镜472上的基准点480。照明组件490布置有聚光透镜494，聚光透镜494具有垂直于倾斜TVS棱镜壁476的轴线IA。由此，轴线IA限定成延伸穿过照明源492并且反向穿过棱镜472的直角拐角498。因此，照明光线直接传播至棱镜472而不存在分束器，并且如图所示的那样定向成在棱镜内经历全内反射(TIR)。显然，当探针接触点164的稍端接触棱镜472的顶表面时，照明结构形成限定为倏逝波耦合受抑TIR的效果。该接触导致相对棱镜473中的观察窗口(VP)处的高反差的反光或闪亮。在所获图像中的这样的高反差点通过消除会使探针位置不精确的潜在背景噪音有利地促进了校准过程。
现在参照图5，图5描述了使用根据本文描述的实施方式中的任一者的校准固定装置的一般校准过程500。在步骤510中，使探针平移(在x-y平面中)和伸出(沿着z轴)以在基准点的中心处接触TVS表面。作为探针与基准点对准过程的一部分，摄像机通过校准固定装置中的VP进行观察以观看探针的在焦点中的底视图。接着，在步骤520中，摄像机向CMM运动控制器提供反馈以将探针导引成与基准点对准。
在步骤530中，当基准点与TVS上的基准十字叉丝的中心对准时，CMM运动控制器记录当前平台/机器人位置。这被定义为数据值“探针对准的位置”。可选地，摄像机/视觉系统可以记录对准点处的像素坐标。
接着，在步骤540中，摄像机通过CMM运动控制器平移以使摄像机在TVS上方。摄像机现在直接观察基准十字叉丝并且(在步骤550中)向运动控制器提供反馈以将记录在前述步骤530中的摄像机像素坐标导引成与基准点对准。CMM运动控制器接着以定义为对准的摄像机的位置的数据值记录当前平台/机器人位置。应指出的是图像中的任何期望参照点(例如，图像中点)可以对准至TVS基准点的中点。摄像机坐标系中的该参照点则变为原始参照点，发现的工件上的特性的运行期间相对于原始参照点的位移稍后报告。
在步骤560中，过程500接着计算摄像机与探针之间的固定偏移量(间距)，因为偏移量＝摄像机对准的位置-探针对准的位置。该计算完成了校准过程500。校准期间估算的固定偏移量存储在处理器130中，并且随后可以通过运行期间对准应用使用，在对准应用中，摄像机导引探针接触其位置由摄像机显示的部件的表面上的特定位置。
现在参照图6至图9，描绘了根据替代实施方式的结构600，结构600具有校准固定装置(虚线框610)和相关联的CMM接触探针组件620。在该结构600中，采用一对视觉系统摄像机630和640来实现一个或更多个接触探针的校准，所述一个或更多个接触探针以限定间距刚性地附接于CMM臂组件(下面描述的)上。装置610省略了相对于TVS和实现该结构的相关联的光学器件的分开的VP。通过特别参照图6，结构600包括结构和功能上与上面描述的分束器(参照图1至图4)类似的分束器650。分束器基于镜面652如图所示的那样使光学装置/摄像机轴OA1以直角转向。这允许第一摄像机(也称为探针定位摄像机)如图所述的相对于探针/CMM的z轴呈直角那样安装在TVS下方。分束器650允许照明光源(例如，如上所述的LED组件或其他源)660沿着光轴OA2经过基准点670(定位在TVS平面上)传播至第二摄像机(也被称为基准定位摄像机)640。常规设计和功能的聚光透镜662可以定位在照明源660前方以散布和/或校正光使得光以远心透镜结构的形式更均匀地覆盖基准点。第二摄像机640以与上述单个摄像机(参照图1至图4)类似的方式安装。第二摄像机640的光轴OA2如图所示的那样竖向/沿着z轴对准。装置610可以包括沿着光路(例如，在分束器650与基准点670之间)布置的场透镜680，并且起与上面参照图1至图4描述的装置类似的作用。透镜670特别对从接触探针组件620的球684的角度观察可见的“反光”(突然反射)的任何z轴偏移进行了补偿。
参照图7，示出了CMM710和接触探针组件720以及两个摄像机校准固定装置结构610的整个结构700。示出了CMM710的相对运动坐标系150(x，y，z和R)并且相对运动坐标系150与上文描述的类似。(可选的)多个探针结构在该示例中包括三个单独的接触探针组件，每个接触探针组件具有位于共同平面(虚线724)中的接触探针球(或其他稍端)722。探针相对于x和y的具体取向像探针的总数量(从1至N)一样是高度可变的。探针如图所示的那样均相对于彼此刚性地附接在移动CMM臂730上。类似地，第二基准定位摄像机640刚性地附接在臂730上。因此，探针和摄像机相对于彼此呈固定取向并且全局校准将参照相对于CMM运动坐标系的每个探针和摄像机轴线OA2。这通过使用可以永久地或临时地安装在CMM710内的装置610完成。每个摄像机630、640将图像数据740传输至处理器750。类似于上面的处理器130，处理器可以作为独立计算装置(例如，PC、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、服务器或目的为建立加工的电路。替代性地，处理(例如，图像处理)中的一些或全部处理可以在一个或两个摄像机的壳体内执行。例如，所谓的“智能”摄像机如来自Cognex Corporation(康耐视公司)的
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系列可以在摄像机组件的壳体内执行图像处理和视觉系统任务，然后将处理过的图像数据输送至远程装置。如上所述，处理器组件750包括一个或更多个视觉处理器752以及相关联的校准处理器754。处理器组件750如上所述的那样与CMM控制处理器/处理756结合或通信。CMM臂位置数据760和臂控制数据762经由CMM控制器756在处理器750与CMM臂730的操纵器之间传送。来自每个探针组件720的接触数据764也传送至处理器组件750以指示探针接触(经由z轴运动)TVS(或工作时期的物体)表面的时间。在该示例实施方式中，在探针定位摄像机630与分束器650之间设置了附加透镜780。该透镜对焦距进行了校正使得摄像机630可以相对于装置610以适合的结构放置。
探针相对于CMM坐标系的校准与图1至图4中采用的校准类似，不同的是每个摄像机630、640的数据适当用于过程的每个相应级，即探针位置和基准点位置。因此，参照图8，探针组件(在该示例中，四探针结构的一部分)820中的一个探针组件定位成使得探针组件的接触球/稍端822与基准点对准。基准定位摄像机640的光学装置/摄像机轴线OA2离开基准点移动，并且探针定位摄像机630基于反射反光或其他指示观察到探针球/稍端822与基准点670的对准。应指出的是针对替代实施方式中的设想的两个摄像机校准结构，可以采用上述物理作用(例如，受抑TIR等)或照明装置和分束器的结构。作为稍端822，每个探针组件820移动成与基准点670对准，CMM臂的相对位置记录在处理器组件850中并且确定了探针在(例如x，y，z，R)运动坐标系内并且相对于基准定位摄像机轴线(OA2)的整个关系。
上面图6至图8的两个摄像机结构特别有利于在校准多个探针的相对位置方面使用。这是由于在使用探针定位摄像机630与基准点670对准时每个探针(在多个探针结构中的)可以通过操作员(或自动处理)依次容易地在视觉上定位。
参照图9，示出并描述了用于相对于基准定位摄像机轴线和CMM坐标系校准一个或更多个探针的程序900。在步骤910中，探针在x轴和y轴(以及可选地R旋转)方向上沿着相关的x-y平面平移，并且在适当时沿z轴方向伸出以接触基准区域中的TVS。当z轴运动触发了探针系统中的转换时(如上文所述)，接触通过处理器感测到。在步骤920中使用由探针定位摄像机提供的视觉反馈来将探针组件的球/稍部(当其接触或靠近TVS时)导引成与基准中心点(例如，十字叉丝或其他标记)对准。在步骤930中，CMM运动控制器将对准点处的臂(或平台/机器人)位置记录为探针P对准的可变位置，其中，P是探针1至N的组件中的对准的特定探针的数字)。对在步骤940中，对每个探针1至N重复进行上述探针对准步骤910、920以及930。确定和记录了探针1对准的位置到探针N对准的位置的合适的值。
在程序的步骤950中，臂(平台/机器人)接着平移以使基准定位摄像机和其相关轴线移动至TVS上方来观察基准点。在步骤960中使用来自基准定位摄像机的反馈来导引CMM臂(平台/机器人)使得摄像机的像素与基准点大致对准。臂(平台/机器人)的当前位置接着将通过处理器组件和运动控制器记录为摄像机对准的可变位置。接着，在步骤970中，程序900计算基准点定位(安装在臂上/移动的)摄像机与每个相应探针1至N之间的相对偏移量，因为偏移量p的值(x和y轴)＝摄像机对准的位置-探针P对准的位置。在随后的工作时间操作(如上文所述)中使用这些计算的偏移值来控制每个探针相对于物体表面的运动。
现在将参照图10，图10与图11至图14一起描绘了整合式(由多个部件整合构成单个单元)校准结构1000，该整合式校准结构1000包括板载视觉系统摄像机。该结构1000安装在基部(安装基部)1010上，基部1010在该实施方式中定位板，但可以具有适于暂时或永久安装在CMM(或类似装置)的工作区域中的任何形状。安装基部1010支承根据本文的实施方式中的任一者的视觉系统摄像机组件1020。因此，摄像机组件1020可以包括板载处理器或可以将图像数据如上面大体参照图1和图7描述的那样传输至远程处理结构。摄像机组件1020的透镜端部由可移除壳体盖1030覆盖，可移除壳体盖1030也封闭和密封了结构1000的光学模块1040。
安装基部1010和壳体盖1030可以通过使用各种制造技术由各种材料制成。例如，这些部件可以由铝合金(或其他金属)、聚合物(例如，聚碳酸酯、丙烯酸、ABS、PET等)、复合材料(例如，碳纤维、填充玻璃纤维的尼龙等)制成。此部件适于在摄像机组件1020与光学模块1030之间保持刚性对准使得校准可靠且可重复地保持。光学模块也可以由刚性坚固的材料如铝合金或耐久聚合物制成.
如图11中所示，基部1010包括一系列通孔1110，所述通孔1110用于通过例如带螺纹的紧固件(未示出)将光学模块1040、盖1030以及摄像机组件1020固定至基部。在替代结构中，部件中的一些或所有部件可以一体地形成有基部(例如，光学模块)和/或可以通过使用另一紧固机构如粘合剂、夹子、夹具、卡扣等进行固定。作为非限制性的示例，并且适当参照尺寸/规模，基部1010的总宽度WB在约45毫米至约65毫米之间(并且示例性地为55.9毫米)。基部1010的总长度LB在约110毫米至约150毫米之间(并且示例性地为120毫米)。基部1010(在例如6061-T6铝合金或类似物中)的厚度TB(图13)在约0.3毫米与约10.0毫米之间(并且示例性地为5.0毫米)。这些尺寸在替代实施方式中和/或当采用替代材料或制造技术(例如，单一部件vs整体部件)时是高度可变的。
基部1010还可以包括通过使用合适的基部、支架和/或其他安装机构允许基部1010安装在CMM(或类似量度装置)的工作区域中的安装孔和/或其他结构。部件可以通过对结构100提供期望精确度和结构完整性的模制、铸造、机加工、3D打印和/或任何其他可接受的技术制成。
结构1000的光学装置、功能和用途与上面参照图6至图9的实施方式描述的类似。简单地说，来自照明源1210的光沿着照明轴线OA1穿过非球面透镜组件1220并且进入分束器组件1230中。光经由45度角的反射面(虚线1232)轴向地穿出分束器至并合的光轴OAM。来自目标(即，接触探针的稍端)的光沿着光轴OAM引导回结构1000，引导至反射表面1232上。光改变90度的方向至摄像机光轴OAC上，并且进入摄像机组件1020的透镜组件1250。透镜组件可以限定任何合适的透镜光学能力和焦距设定。在该示例中，透镜组件1250包括根据常规结构的M12安装基部。在该实施方式中，摄像机组件1020是具有传感器1252和处理器电路板1254的视觉系统摄像机。然而，在替代实施方式中可以采用任何可接受的摄像机机构(具有或不具有(不存在)板载图像处理和视觉系统处理能力)。并合的光轴OAM穿过场透镜1260和透明的标线1270，其中，场透镜1260的功能在上面进行了描述，透明的标线1270可以包括定制的基准图案或(所述的)市场上可购得的基准图案。
光学模块1040内的光学部件1210、1220、1230、1260和1270的间距以及传感器1252距分束器的距离可以基于标线的尺寸和其他系统参数而变化。在该实施方式中，在图15中更详细地示出了标线1270。标线限定约21毫米的外径RD和约2.2毫米至2.5毫米的厚度。在实施方式中，并且作为非限定性示例，标线1270是在市场上从新泽西Barrington的EdmondOptics Inc购得的零件号为39454的标线。标线基准图案限定垂直的十字叉丝1510和一系列的同心圆1520，所述同心圆1520以1毫米的径向增量与交叉点1530间隔开。每个圆通过相关联的指示数字1540标记。视觉系统能够适于根据情况识别圆、十字叉丝和/或指示标记以辅助对准接触探针。这些特征也通过与结构内的摄像机组件(并且安装在接触探针臂上)相互连接的显示器(上文所述)对人类使用者清晰可见。标线基准图案蚀刻在玻璃基板(例如，有低反射涂层的钠玻璃)上，并且为了便于看见，可以进行着色或以其他方式突出显示。这是根据各个实施方式的标线的各种不同的形状、尺寸和(图样)patters的示例。
标线1270以与周围表面齐平或略超出周围表面的方式安装在光学模块1040的顶端处。凹部1120(图11)设置用于接纳标线1270。类似于其他光学部件，标线可以通过合适的市场上可购得的粘合剂(例如，氰基丙烯酸酯、环氧树脂等)在光学模块1040中固定就位，或通过本领域技术人员清楚的另一机构如螺纹环、夹具、间隔件等在光学模块1040中固定就位。标线用作结构的TVS和VP(如上所述)。也就是说，安装在臂上的摄像机(例如，上述的摄像机640)观察被照射的标线1270，并且与标线1270对准，并且接触探针稍端(例如，上述的探针稍端722)通过结构的摄像机1020观察和对准。显然，结构1000的摄像机1020和其他元件定位在标线1270的平面下方以在保持摄像机1020和其他元件不与安装在CMM中的接触探针或工件产生干涉关系。标线1270的平面通常也定位在与工件的主表面类似的水平处。
光学模块1040还包括场透镜1260的内凹部1130。在该实施方式中，场透镜是直径为约12毫米并且凸面直径为约51至52毫米的平凸透镜。有效焦距为约100毫米。作为非限定性示例，透镜是市场上从Edmond Optics可购得的、零件号为47-341的透镜。可以采用宽范围的替代场透镜和/或在替代实施方式中可以省去透镜。类似地，在各个实施方式中，场透镜光学器件可以与标线结合。
光学模块1040在该实施方式中包括敞开槽(open well)1280，分束器1230位于敞开槽1280中。在实施方式中，为保持适当对准并且为了更加安全，分束器1230安装在方形安装槽1140中。在该实施方式中，分束器1230是10毫米的立方体。作为非限定性示例，一种分束器1230是市场上从Edmond optics处可购得的、零件号为47-121的分束器。然而，显然可设想的是可以在替代实施方式中使用各种形状、尺寸以及采用操作原理的宽范围的分束器结构。应指出的是，敞开槽1280包括分别沿着摄像机轴线OAC和并合的轴线OAM对准的半圆通道1282和1284。这些通道足以通过系统实现期望视野的全部传输。尽管在替代实施方式中通道1282、1284限定为半圆柱形，然而，通道1282、1284在替代实施方式中可以是半截头圆锥形。
光学模块1040中的敞开槽1280的相对侧部容置非球面透镜组件，非球面透镜组件允许来自光源1219的照明光束期望地散开。作为非限定性示例，在该实施方式中，非球面透镜组件位于凹部1290中并且以如上所述的任何可接受的方式进行固定。在该实施方式中，透镜组件包括凸元件1292和凹元件1294，其中，凸元件1292定位成距照明源1210比凹元件1294更远。在该实施方式中，示例性透镜的直径为约12.5毫米。凸元件1292限定约8.15的前半径和约12.80的后半径。凹元件1294具有约-24.90毫米的后半径。在该示例中，透镜组件在约0.425微米至约0.675微米之间的工作波长范围内是消色差的。有效焦距为14毫米。作为非限定性示例，该透镜组件在市场上可从Edmond Optics处购得的、零件号为49-658的透镜组件。然而，如本领域技术人员应清楚的，在替代实施方式中，可以使用宽范围的可能透镜、棱镜和其他光学结构来提供对照明源1210的光的期望的调节。
照明源1210安装在光学装置块1040的底部中并且限定电路板1150，电路板1150具有安装在板上并且面向块1040的高输出LED(或类似光源)1152。在该实施方式中，光源1152传输白光，但在替代实施方式中，可以应用任何波长/颜色如红色。电路板1150可以通过紧固件(例如，机加工螺钉)、夹子、夹具、卡扣、粘合剂或机构的组合固定值块1040。照明源1210可以通过单独的电源(例如，变压器和壁电流)或通过与摄像机组件1020的电连接、或通过另一电源供电。在实施方式中，光源1210可以在校准固定装置工作时基于来自视觉系统处理器/处理的信号选择性地照明。例如，摄像机的板载照明装置可以设置旁路，替代地，电力可以通过使用合适的相互连接的线缆或其他电力引导装置经由电路板1150提供至光源1210。
光学模块1040可以在基部1010上可移除地安装在示例凹部1170内。示例性地，凹部或其他安装结构可以用于接纳适于特定CMM参数的各种光学组件(或与其他视觉系统应用一起使用)。
显然，用于使用视觉系统校准接触探针的上述系统和方法提供了相对简单的校准技术和精确的校准结果。有利地，这种技术依赖于直接观察探针相对于在校准固定装置的共同表面上靶标/基准点接触的点，确保了接触探针的接触点与摄像机视野之间的坐标的绘制尽可能地精确。在校准固定装置内的各种整合式照明组件/结构提供增强的对比以识别接触探针接触点并且相对于基准点将接触探针接触点定位在获取图像中。另外，上述系统和方法有效校准了移动臂、平台或机器人组件上的多个接触探针。系统可以以整体或模块化封装的形式实施，模块化封装是独立的和密封的防止了污染物的渗入。封装可以适于更换关键部件如摄像机或光学器件以适应各种任务和情形。
前述内容为本发明的示例实施方式的详细说明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改型和补充。上述的各种实施方式中的每一者的特征可以与其他所述实施方式的特征适当结合以提供与新实施方式相关联的多个特征组合。此外，尽管前面内容描述了本发明的设备和方法的多个独立的实施方式，然而，本文描述的实施方式仅为本发明的原理的示例性应用。例如，本文中所示的各种方向和取向术语如“竖向”、“水平”、“上”、“下”、“底部”、“顶部”、“侧”、“前”、“后”、“左”、“右”等仅用作相对规则并且不用作相对于固定坐标系如重力的绝对取向。另外，术语“棱镜”应广义地视为包括可以放入工作区域下的其他结构。例如，可以采用大体上限定描绘的光路OP的镜子结构。在各个实施方式中也可以采用棱镜和反射(镜式)结构的组合。因此，本说明书仅用作示例，并非以其他方式限制本发明的范围。

Claims (13)

1.一种引导接触探针组件的视觉系统，包括：
具有基准点的校准固定装置，所述基准点被布置成，基于所述接触探针组件与所述校准固定装置之间的运动，选择性地接触接触探针，所述校准固定装置包括分束器，所述分束器允许照明光从光源穿过所述基准点以及转过一定角度的第一光路，以观察穿过所述基准点进入基准点上方空间的光线，所述空间选择性地容纳所述接触探针组件；
相对于所述分束器定位的第一视觉系统摄像机组件，具有沿着所述第一光路定位的第一摄像机轴线；
相对于所述接触探针组件刚性地安装的第二视觉系统摄像机组件，具有第二摄像机轴线，当所述光源照射所述基准点时选择性地观察所述基准点。
2.根据权利要求1所述的视觉系统，还包括多个接触探针组件，每个接触探针组件分别相对于所述校准固定装置选择性地移动，以分别选择性地接触所述基准点，并且所述接触探针组件中的每个接触探针组件相对于所述第二摄像机组件刚性地连接。
3.根据权利要求1所述的视觉系统，还包括位于所述第一光路中的场透镜组件，以减小由来自所述接触探针的反射光产生的视差并且平衡穿过摄像机组件的视野的光照。
4.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述接触探针组件位于坐标测量机CMM的移动的臂上。
5.根据权利要求4所述的视觉系统，其中，所述CMM包括追踪所述臂的运动的控制器，并且第一视觉系统摄像机和第二视觉系统摄像机中的每一者，基于所述控制器，分别在所述接触探针接触所述基准点和所述第二摄像机轴线与所述基准点对准时，提供用于记录所述臂的位置的反馈。
6.根据权利要求5所述的视觉系统，其中，所述位置用于计算所述第二摄像机轴线与所述接触探针之间的偏移，并且所述位置得以存储以在运行时用于帮助相对于运行中的物体引导所述臂。
7.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述分束器和光源相对于支承第二视觉系统摄像机的安装基部安装在一光学模块中。
8.根据权利要求7所述的视觉系统，其中，所述光学模块具有适用于接触所述接触探针的标线，所述标线具有基准图案，所述光学模块还具有位于所述光源与分束器之间的光调节透镜。
9.根据权利要求8所述的视觉系统，其中，所述光调节透镜包括具有凹凸透镜对的非球面透镜组件。
10.根据权利要求8所述的视觉系统，还包括位于所述标线与分束器之间的场透镜。
11.根据权利要求8所述的视觉系统，还包括壳体盖，所述壳体盖安装覆盖在所述光学模块上以及在第二视觉系统摄像机的至少一部分上。
12.根据权利要求8所述的视觉系统，其中，所述光源为其中安装有LED组件的电路板，所述电路板安装在所述光学模块与其上安装有所述标线的端部相反的端部上。
13.一种校准第一视觉系统摄像机的整合式校准结构，所述第一视觉系统摄像机相对于工件导引移动的接触探针，所述整合式校准结构包括：
安装第二视觉系统摄像机和光学模块的基部，所述光学模块被照射的标线上具有基准图案，所述标线适用于选择性地接触所述接触探针并且被所述第一视觉系统摄像机选择性地观察；
位于所述光学模块中的分束器，所述分束器将照射所述标线的光源的光路与第二视觉系统摄像机的光路合并。
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3054265B1 (en) * 2015-02-04 2022-04-20 Hexagon Technology Center GmbH Coordinate measuring machine
WO2017096241A1 (en) 2015-12-02 2017-06-08 Augmenteum, Inc. System for and method of projecting augmentation imagery in a head-mounted display
CN109952488B (zh) * 2016-09-09 2021-02-02 优质视觉技术国际公司 用于测量机器的具有多个传感器的铰接头
JP6955893B2 (ja) * 2017-04-25 2021-10-27 株式会社ディスコ レーザー加工装置の高さ位置検出ユニットの評価用治具及びレーザー加工装置の高さ位置検出ユニットの評価方法
CA3081326A1 (en) * 2017-10-31 2019-05-09 Schlumberger Canada Limited In process screen parameter measurement and control
JP7134477B2 (ja) 2018-10-16 2022-09-12 柳沢管楽器株式会社 サクソフォン
TWI674413B (zh) * 2018-10-31 2019-10-11 致茂電子股份有限公司 探針對準設備
CN111122924B (zh) * 2018-10-31 2022-05-17 致茂电子(苏州)有限公司 探针对准设备
CN109341632B (zh) * 2018-11-29 2021-06-18 中国航发南方工业有限公司 用于涡轮叶片叶型测量的测头及三坐标测量仪
JP7249846B2 (ja) * 2019-03-28 2023-03-31 ヘキサゴン・メトロジー株式会社 Ｃｎｃ加工装置のキャリブレーション方法
CN109916596B (zh) * 2019-04-01 2020-12-08 歌尔光学科技有限公司 光路校准方法及校准装置
US10764571B1 (en) * 2019-04-22 2020-09-01 Snap Inc. Camera holder for economical and simplified test alignment
US11487269B2 (en) * 2019-12-11 2022-11-01 GM Global Technology Operations LLC System and method to derive and apply computer numerical control global offsets during part measurement on coordinate measuring machine
US20210291376A1 (en) * 2020-03-18 2021-09-23 Cognex Corporation System and method for three-dimensional calibration of a vision system
US11326865B2 (en) * 2020-04-28 2022-05-10 Mitutoyo Corporation Rotating chromatic range sensor system with calibration objects and method
US11499817B2 (en) * 2020-05-29 2022-11-15 Mitutoyo Corporation Coordinate measuring machine with vision probe for performing points-from-focus type measurement operations
CN111687002A (zh) * 2020-06-29 2020-09-22 常熟品智自动化科技有限公司 一种基于机器视觉的点胶机对针校准控制方法
CN112325775B (zh) * 2020-11-03 2021-07-06 北京卫星环境工程研究所 一种飞行器异形曲面几何测量装置及方法
DE102021105293A1 (de) 2021-03-04 2022-09-08 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Koordinatenmessgerät und Verfahren zum Kalibrieren eines Koordinatenmessgeräts
CN113405511B (zh) * 2021-05-24 2022-07-05 杭州电子科技大学 一种基于ipde算法的关节式坐标测量机标定方法
CN113409262A (zh) * 2021-06-15 2021-09-17 苏州芯迈智能科技有限公司 Pcb探针定位方法、装置、图形处理器及存储介质
CN116953590B (zh) * 2023-09-21 2023-12-05 上海泽丰半导体科技有限公司 一种探针全方位测量装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09193066A (ja) * 1996-01-24 1997-07-29 Hitachi Ltd 遠隔作業装置
CN101403785A (zh) * 2007-09-28 2009-04-08 东京毅力科创株式会社 探测装置以及探测方法
CN101551231A (zh) * 2008-04-02 2009-10-07 东京毅力科创株式会社 校准方法、针尖位置检测装置和探针装置
JP2011027605A (ja) * 2009-07-28 2011-02-10 Nikon Corp 形状測定装置

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4327250C5 (de) 1992-09-25 2008-11-20 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Verfahren zur Koordinatenmessung an Werkstücken
US5581413A (en) * 1994-11-30 1996-12-03 Texas Instruments Incorporated Optical guide for increasing printer image width
US5825666A (en) * 1995-06-07 1998-10-20 Freifeld; Daniel Optical coordinate measuring machines and optical touch probes
US6112905A (en) 1996-07-31 2000-09-05 Aseco Corporation Automatic semiconductor part handler
US6321137B1 (en) 1997-09-04 2001-11-20 Dynalog, Inc. Method for calibration of a robot inspection system
US6615072B1 (en) 1999-02-04 2003-09-02 Olympus Optical Co., Ltd. Optical imaging device
US6419500B1 (en) 1999-03-08 2002-07-16 Kulicke & Soffa Investment, Inc. Probe assembly having floatable buckling beam probes and apparatus for abrading the same
JP3905771B2 (ja) * 2001-03-02 2007-04-18 株式会社ミツトヨ 測定機の校正方法及び装置
GB0126232D0 (en) 2001-11-01 2002-01-02 Renishaw Plc Calibration of an analogue probe
JP2006267032A (ja) * 2005-03-25 2006-10-05 Nsk Ltd 保持ヘッドの角度測定方法および保持ヘッドの角度測定装置
DE102005026022A1 (de) 2005-06-03 2006-12-07 Werth Messtechnik Gmbh Koordinatenmessgerät sowie Verfahren zum Messen eines Objektes mit einem Koordinatenmessgerät
WO2007025362A1 (en) 2005-09-02 2007-03-08 Neptec Imaging system and method
DE102006001531A1 (de) 2005-09-20 2007-03-22 Werth Messtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts
US8311758B2 (en) * 2006-01-18 2012-11-13 Formfactor, Inc. Methods and apparatuses for dynamic probe adjustment
JP5017572B2 (ja) * 2006-07-06 2012-09-05 本多電子株式会社 超音波画像検査方法、及び超音波画像検査装置
CN101842188B (zh) * 2007-09-17 2013-12-11 科诺普提卡股份有限公司 旋转零件的位置和变化的探测方法及设备
KR100945206B1 (ko) * 2008-04-10 2010-03-03 주식회사 에이치앤씨 광학측정장치 및 이를 포함하는 검사장치
CN100582384C (zh) * 2008-05-23 2010-01-20 三峡大学 新型生态护坡基材构筑方法
CN101520314B (zh) * 2009-03-24 2010-09-29 哈尔滨工业大学 基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置
JP5350169B2 (ja) * 2009-10-13 2013-11-27 株式会社ミツトヨ オフセット量校正方法および表面性状測定機
US20110178762A1 (en) * 2010-01-20 2011-07-21 Faro Technologies, Inc. Portable Articulated Arm Coordinate Measuring Machine with Multiple Communication Channels
DE112010005275B4 (de) 2010-02-17 2018-10-25 Mitsubishi Electric Corporation Berührungsfeld-Vorrichtung
US20140300729A1 (en) * 2010-05-03 2014-10-09 United Technologies Corporation Probe for Inspection System
GB201013938D0 (en) * 2010-08-20 2010-10-06 Renishaw Plc Method for recalibrating coordinate positioning apparatus
JP5260703B2 (ja) 2011-06-10 2013-08-14 パナソニック株式会社 ３次元測定方法
CN102901473B (zh) 2011-07-27 2016-05-11 赛恩倍吉科技顾问（深圳）有限公司 量测坐标校正系统及方法
CN102353950B (zh) * 2011-10-18 2013-08-28 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种具有光轴校准功能的激光雷达光学系统及光轴校准方法
CN203484311U (zh) 2013-09-22 2014-03-19 昆山杰士德精密工业有限公司 对针机构
CN203643473U (zh) * 2013-10-28 2014-06-11 天津大学 具有二维扫描功能的原子力显微镜测头
EP2930462B1 (en) * 2014-04-08 2017-09-13 Hexagon Technology Center GmbH Method for generating information about a sensor chain of a coordinate measuring machine (CMM)
CN104897068A (zh) 2015-06-24 2015-09-09 上海帆声图像科技有限公司 垂直高度非接触检测方法及装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09193066A (ja) * 1996-01-24 1997-07-29 Hitachi Ltd 遠隔作業装置
CN101403785A (zh) * 2007-09-28 2009-04-08 东京毅力科创株式会社 探测装置以及探测方法
CN101551231A (zh) * 2008-04-02 2009-10-07 东京毅力科创株式会社 校准方法、针尖位置检测装置和探针装置
JP2011027605A (ja) * 2009-07-28 2011-02-10 Nikon Corp 形状測定装置

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