CN109690240B - 用于将在时间上可变的光学图样投射到三维待测物体上的设备 - Google Patents

用于将在时间上可变的光学图样投射到三维待测物体上的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将在时间上可变的光学图样投射到三维待测物体上的设备，该设备包括用于光学图样的托框、具有照明光学器件的光源和成像光学器件，其中，光学图样作为幻灯片紧固在移动机构上，该移动机构将光学图样相对照明光学器件以及相对成像光学器件移动，所述移动机构促使光学图样在垂直于成像光学器件的光轴定向的幻灯片平面中移动。

Description

用于将在时间上可变的光学图样投射到三维待测物体上的 设备
技术领域
本发明涉及一种用于将在时间上可变的光学图样投射到三维待测物体上的设备。
背景技术
对此，由现有技术已知这样的设备，其中将不同的图样投射到待测物体上。对于这种三维测量，位置可变的图样和投影已证明是适宜的或者说是必要的。为此，例如经由一个摆动的反光镜使投影偏转(DE 102011101476 A1)。该设备具有许多不同缺点，其中特别例举如下：
由于摆动的反光镜位于幻灯投影仪的成像光学器件与测量对象之间，为了不对照亮区域产生限制，反光镜必须是相当地大。这就要求有大的结构空间。另外，由于反光镜质量较大，若要避免旋转时可能出现的不平衡，就需要很高的结构设计花费。
通过反光镜的摆动运动，不仅使投射的图样、而且也使照亮区域移动。因此可以有效利用的测量范围(该测量范围在摆动的反光镜的每个位置中由一图样照射)比在反光镜的单独一个位置中被照亮的区域小得多。所以，大部分的光功率并未用于对测量范围进行照明。在三维测量方法中，短的测量时间原则上是所期望的，而对于短的测量时间，最佳地利用光功率非常重要。
发明内容
本发明的目的是，消除所述的缺点并提供一种设备，利用该设备，按可动方式也能将光学图样稳定地且以最小花费投射到待测物体上。
为此，本发明提出一种用于将光学图样的在时间上可变的移动投射到三维待测物体上的设备，该设备包括用于保持具有光学图样的幻灯片的托框、与所述托框连接的移动机构、带有照明光学器件的光源和成像光学器件，其中，该移动机构将所述托框相对所述照明光学器件或相对所述成像光学器件移动，由此促使所述光学图样在垂直于所述成像光学器件的光轴定向的幻灯片平面中在圆形轨上的在时间上可变的移动。
本发明还提出一种用于将光学图样的在时间上可变的移动投射到三维待测物体上的方法，该方法包括：使用包括移动机构的装置进行移动，所述移动机构连接到用于保持具有光学图样的幻灯片的托框，该移动机构将所述托框相对包括照明光学器件的设备的光源或相对该设备的成像光学器件移动，由此促使所述光学图样在垂直于所述成像光学器件的光轴定向的幻灯片平面中在圆形轨上的在时间上的可变的移动。
用于将在时间上可变的光学图样投射到三维待测物体上的设备包括用于光学图样的托框、具有可选配的照明光学器件的光源和成像光学器件，其中，光学图样作为幻灯片紧固在移动机构上，该移动机构将光学图样相对照明光学器件和相对成像光学器件移动。在此，移动机构促使光学图样在垂直于成像光学器件的光轴定向的幻灯片平面中移动。
在一种实施方式中，移动机构包含由彼此交叉的直线导引件构成的设置组件用以对托框进行导向，其中光学图样沿着通过所述交叉的直线导引件能够实现的和叠加的平动移动。“交叉的”在此是指这样一种设置方式，其中两个直线导引件彼此不平行地设置。在此，它们特别是可相互垂直地设置。
在一种实施方式中，移动机构构造为置入托框中的支座的形式，带有在该支座中偏心旋转的、由马达(Motor，电机)驱动的成形体。
在一种实施方式中，移动机构构造为作用在托框上的线性执行器的形式，该执行器构造为压电式运动的杠杆装置的形式。
在一种有益的构造设计中，光源、照明光学器件、成像光学器件和至少一个直线导引件经由刚性基体相互连接。
在一种实施方式中，线性执行器按下述方式操控，即：使托框在圆形轨上移动。
在一种另外的实施方式中，与基体连接的直线导引件垂直于重力作用方向设置。
在一种实施方式中，移动机构具有两个以固定/浮动-支承方式置入的支座。
附图说明
下文应借助示例性的实施方式详细阐述所述设备。图1至5用于进行说明。
其示出：
图1为示例性的设备的第一视图(右手坐标系的x-z-平面的视图)；
图2为图1所示设备的第二视图(右手坐标系的x-y-平面的视图)；
图3为图1和2所示设备的偏心传动的可能的实施方式；
图4为具有一个由线性执行器驱动的移动机构的实施方式；
图5为具有一个由线性执行器驱动的移动机构的另一实施方式。
具体实施方式
光学图样在圆形轨上的纯平移式移动已经表明是特别简单的。由此能够非常均匀地改变投射的图样结构。特别是，使投射的图样结构这样始终以恒定的速度移动，并且不优选任何运动方向。
图1至2示出了第一实施方式的不同示图。
图样投影仪包括一个具有可选配的照明光学器件2的光源1、一个形式上为幻灯片5的光学图样和一个成像光学器件3。照明光学器件和成像光学器件在此具有一个共同的光轴4。该共同的光轴是有益的，但不是必需的。幻灯片5由光源1借助可选配的照明光学器件2被照亮，该照明光学器件例如用于使光线均匀化和准直。成像光学器件将幻灯片投射到测量对象(未示出)上。因此幻灯片5位于照明光学器件2与成像光学器件3之间。幻灯片本身与一个机械装置连接，该机械装置将幻灯片相对光源和光学器件移动。
为了能够将光学图样始终与投影仪保持等距、清晰地投射到测量对象上，幻灯片平面6必须垂直于成像光学器件3的光轴4并且只允许幻灯片5平行于幻灯片平面6移动。
因此必须保证使幻灯片移动的机械装置的功能，即幻灯片5要尽可能平行于幻灯片平面6进行移动并且即使在外部影响(例如重力)作用下依然保持遵循该幻灯片平面6。应该尽可能均匀地使幻灯片在幻灯片平面内移动。在一圆形轨上移动是有利的。通过不同机械装置/机构的适当组合来解决固定幻灯片平面和均匀移动的需求。
形式上为幻灯片5的光学图样与一机械装置连接，其包括下列特征：
幻灯片5位于一个托框7中，该托框经由支座10与马达8连接。在此，马达轴线9与支座10的轴线彼此偏心地设置。此外，幻灯片5的托框7与两个交叉的直线导引件11、12连接，利用该直线导引件将幻灯片5连同托框7的运动限定于纯粹的平动。
为了保证幻灯片5与幻灯片平面6平行地在圆形轨上移动，两个交叉的直线导引件11、12分别平行于幻灯片平面6且分别垂直于马达轴线9设置。结果便是，马达轴9也垂直于幻灯片平面6设置。同样得出如下结果：成像光学器件3的光轴4垂直于直线导引件11、12且平行于马达轴线9设置。直线导引件11、12实际上能够彼此垂直地设置。然而这一点并不是强制性必要的。只需两个直线导引件11、12彼此不平行地设置即可。
光源1、光学器件2、3、马达8和其中一个直线导引件12经由在下文称为“基板”的刚性连接部13相互刚性连接。托框7连同幻灯片5、支座10和另一直线导引件11构成第一运动单元。两个交叉的直线导引件11、12的连接元件14构成第二运动单元。第一运动单元在幻灯片平面6中的圆形轨上移动。第二运动单元沿着所述一个直线导引件12直线往复移动。
直线导引件11、12的设置可以互换。例如，与托框7连接的直线导引件11在图2中水平地(平行于x轴)设置，与基板13连接的直线导引件12竖直地(平行于y轴)设置。然而也存在如下可能性：与基板刚性连接的直线导引件12水平地设置，而与托框7连接的直线导引件11竖直地设置。
此外，使幻灯片移动的机械装置包括下列特征：
在选择交叉直线导引件11、12的设置方式时，实际上应该要考虑重力方向。若将与基板13连接的直线导引件12设置为与重力方向垂直，那么就须由马达8使直线导引件11、12的连接元件14只垂直于重力移动。因此，马达8不必施加额外的力，用以使连接元件14平行于重力移动。与托框7连接的直线导引件11必须相应地平行于重力方向设置。
例如可以通过一个销栓与一个配合滑动支座、或者一个销栓与一个配合线性支座、或者一个线性导轨与一个相应滑座的组合来实现所述直线导引件11、12。
可以按照下列如图3所示的那种方式实现马达轴9与偏心设置的支座10的组合。
马达8轴9与第二轴15连接，该第二轴平行于马达轴线9定向，然而垂直于该马达轴线移动。两轴经由一个机械装置16相互刚性连接。
第二轴15与一个滚珠轴承17在中心连接，该滚珠轴承的外环则又与幻灯片5的托框7连接。滚珠轴承通常还能在一定程度上允许有与围绕滚珠轴承轴线之纯粹旋转不同的旋转。这个间隙允许：经由托框7与滚珠轴承17连接的幻灯片5垂直于所期望的幻灯片平面6运动。为了抑制这个间隙，以“固定/浮动-支承”的形式使用两个前后相继设置在轴15上的滚珠轴承，来替代一个滚珠轴承17。通过这种方式能够将幻灯片5的圆周运动准确地限制于所期望的幻灯片平面6。这样就能够将幻灯片5利用成像光学器件3稳定清晰地投射到此处未示出的测量对象上。
图4和图5示出了备选的设备，其用于在使用线性执行机构(例如压电式、电磁式、气动式或者液压式执行器)的情况下实现使幻灯片移动的机械装置。
幻灯片与一托框18固定连接。托框18与一线性执行器19(例如压电执行器或者音圈执行器(Voice-Coil-Actuator))固定连接，该执行器能够使托框沿着x轴移动。线性执行器19经由一个连接元件20与运动方向优选交叉的另一线性执行器21连接。该执行器使部件19和20以及由此使框架18沿着优选交叉的方向移动。
此外，使幻灯片移动的机械装置在这个实施例中还包括下述特征：
线性执行器19和21能够附加地经由一个用于放大最大移动行程的杠杆设备与构件18和20连接。所述线性执行器19和21可以分别按下述方式进行操控，即：使伸展长度在时间上的变化历程/曲线符合于余弦函数。若在相应变化历程/曲线之间的相移为90°并且频率相同，那么就实现了托框的圆周运动。
图5对此示出了另一构造设计。在该实施方式中，幻灯片与托框22固定连接。交叉的直线导引件23、24安装在托框上，分别有一个滑座25、26可以在所述直线导引件上移动。滑座25、26分别与一个线性执行器19、21(例如压电执行器或者音圈执行器)固定连接。同样优选交叉设置的线性执行器使所述滑座和与之连接的托框22在一个平面内运动。
此外，使幻灯片移动的机械装置在这个实施例中还包括下述特征：
线性执行器19、21能够附加地经由一个用于放大最大移动行程的杠杆设备与第一滑座25和/或第二滑座26连接。所述线性执行器19、21可以分别按下述方式进行操控，即：使伸展长度在时间上的变化历程/曲线分别符合于余弦函数，在此不同的相位差、频率和振幅都是可能的。若在频率和振幅相同的情况下，相应变化过程/曲线之间的相移为90°，那么就实现了托框的圆周运动。在此当然也可以运行本身任意的闭合利萨如图形亦或非闭合利萨如图形。
借助实施例对所述设备进行了阐述。由本领域专业技术手段可获得其他一些实施方式。
附图标记列表
1 光源
2 照明光学器件
3 成像光学器件
4 光轴
5 幻灯片
6 幻灯片平面
7 托框
8 马达
9 马达轴
10 支座
11 第一直线导引件
12 第二直线导引件
13 基板
14 连接元件
15 轴
16 机械装置
17 滚珠轴承
18 托框
19 第一线性执行器
20 连接元件
21 第二线性执行器
22 托框
23 第一直线导引件
24 第二直线导引件
25 第一滑座
26 第二滑座

Claims (18)

1.用于将光学图样的在时间上可变的移动投射到三维待测物体上的设备，
该设备包括用于保持具有光学图样(5)的幻灯片的托框(7)、与所述托框连接的移动机构、带有照明光学器件(2)的光源(1)和成像光学器件(3)，
其中，该移动机构将所述托框相对所述照明光学器件或相对所述成像光学器件移动，由此促使所述光学图样在垂直于所述成像光学器件的光轴(4)定向的幻灯片平面(6)中在圆形轨上的在时间上可变的移动。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述移动机构包含一组直线导引件(11，12)，其设置用以对所述托框(7)进行导向，其中所述一组直线导引件中的每个直线引导件能操纵用于所述光学图样沿着相关方向的移动，以便实现所述光学图样的在圆形轨上的在时间上可变的移动。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述移动机构包括置入托框(7)中的支座(10)，所述支座带有设置为偏心旋转的、由马达驱动的成形体。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述托框(7)以均匀的轨道速度在圆形轨上环绕运行。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述移动机构包括连接在托框上的一组压电式线性执行器，所述一组压电式线性执行器中的每个压电式线性执行器能操纵用于沿着相关方向地移动所述托框，以便实现所述光学图样的在圆形轨上的在时间上可变的移动。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光源(1)、所述照明光学器件(2)、所述成像光学器件(3)和所述移动机构的至少一个直线导引件(11，12)经由刚性基体相互保持就位。
7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述一组压电式线性执行器按下述方式操控，即：使托框在圆形轨上移动。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，与所述刚性基体连接的所述至少一个直线导引件(12)垂直于重力作用方向设置。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述移动机构具有两个各自以固定/浮动-支承方式置入的支座。
10.用于将光学图样的在时间上可变的移动投射到三维待测物体上的方法，该方法包括：
使用包括移动机构的装置进行移动，所述移动机构连接到用于保持具有光学图样(5)的幻灯片的托框(7)，该移动机构将所述托框相对包括照明光学器件的设备的光源或相对该设备的成像光学器件移动，由此促使所述光学图样在垂直于所述成像光学器件的光轴(4)定向的幻灯片平面(6)中在圆形轨上的在时间上的可变的移动。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述移动机构包含一组直线导引件(11，12)设置用以对所述托框(7)进行导向，其中所述一组直线导引件中的每个直线引导件将所述光学图样沿着相关方向移动，以便实现所述光学图样的在圆形轨上的在时间上可变的移动。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述移动机构包括置入托框(7)中的支座(10)，所述支座带有设置为偏心旋转的、由马达驱动的成形体。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述托框(7)以均匀的轨道速度在圆形轨上环绕运行。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述移动机构包括连接在托框上的一组压电式线性执行器，所述一组压电式线性执行器中的每个压电式线性执行器沿着相关方向地移动所述托框，以便实现所述光学图样的在圆形轨上的在时间上可变的移动。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光源(1)、所述照明光学器件(2)、所述成像光学器件(3)和所述移动机构的至少一个直线导引件(11，12)经由刚性基体相互保持就位。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述一组压电式线性执行器按下述方式操控，即：使托框在圆形轨上移动。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，与所述刚性基体连接的所述至少一个直线导引件(12)垂直于重力作用方向设置。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述移动机构具有两个各自以固定/浮动-支承方式置入的支座。
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