CN110226076B - 使用光学投影参考的定位仪设备和方法 - Google Patents

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Abstract

导出用于校准或改善计算机控制的机器的定位的数据，该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托架。该托架移动到多个托架位置，使得对于多个位置中的每个位置，第一机器部件相对于第二机器部件的位置改变。在每个托架位置，附接到第一机器部件的图案生成器用至少两个照明器照明，使得在空间中产生至少一个空间光图案。记录与所述托架的位置相关的位置数据，并且所述至少一个空间光图案的合成图像记录在所述至少两个照明器、所述图案生成器和至少一个相机的至少两种不同光学配置中。将所述记录的合成图像的图像数据与参考数据库的参考图像数据进行比较，该参考数据库包括与图案生成器的空间光图案相关的相关图像和位置数据，并且找到相似图像对。为每对相似图像导出图像平移偏移数据，并且基于与多个不同光学配置相关的图像平移偏移数据，导出平移和旋转数据，用于校准或改善计算机控制的机器的定位。

Description

使用光学投影参考的定位仪设备和方法
技术领域
本发明涉及用于在计算机控制的机器内寻找精确平移和旋转的装置和方法的领域，该计算机控制的机器例如是机床、光机械测量装置、坐标测量机(CMM)、机器人以及位置编码器。更具体地，本发明涉及在多个机器部件位置的刚体平移和旋转校准或者这种装置内的同时平移和旋转读数。
背景技术
参考XYZ坐标轴，部件的平移在下文中是指该部件上特定位置的X、Y、Z坐标。同一部件的旋转是指该部件的Rx、Ry、Rz旋转角度，其中，Rx、Ry和Rz分别指围绕给定的X、Y和Z轴的旋转角度。从更广的意义上说，部件的位置是指部件的平移和旋转的组合、平移或旋转。通常，上述机器使用平移读取装置，即所谓的编码器，来读取机器的不同部件的准确平移。例如，如果这种机器被构造成具有三个平移自由度XYZ和一个旋转自由度θ，则线性编码器被放置在三个相应的X、Y和Z托架的每一个上，并且角度编码器被放置在机器的θ托架的旋转轴上。然而，这些编码器通常位于远离机器的工作区域(或工作空间)的位置；否则编码器会与机器的工作区域操作发生冲突。因此，为了确定特定机器部件或工具在所述工作空间中的平移，需要根据相应编码器进行的测量来确定几个机器部件的平移和旋转。通过使用几何信息并基于所述测量进行几何计算，导出所述特定机器部件的平移和旋转，或者通常导出位于机器的工作空间中的工具的平移和旋转。然而，机械不规则性、间隙和/或机械游隙会影响机器部件的运动。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了与每个相应自由度相关联的难以测量的偏移，在所述几何计算中没有考虑其偏移，并且这又导致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刀架上，并且为了测量的目的，可以移动触摸类似钢球或钢棒的量规的校准位置。这是一个耗时的逐点过程，并且需要安装和使用昂贵的尺寸校准量规。
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，测量旋转轴外围的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，扩展相同的过程来同时读取平移和旋转两者可能是复杂和昂贵的。目前的编码器也由于精度限制，可能不太适合于读取例如沿着两个杆的平移之间的差异，并且可能将这些差异平移外推为到达远在杆之外的位置的平移值。
在文献中，例如，Christopher J.Dainty编辑在Laser Speckle and RelatedPhenomena,Springer Verlag,Berlin 1974中，描述了一系列所谓的散斑摄影和散斑干涉技术。这些技术的主要焦点是物体内部变形和表面形貌的测量。散斑摄影技术不能测量3D空间中多个部件位置的局部平移和旋转角度偏移。相应地，并且此外，干涉测量技术对振动敏感，并且在许多情况下不太适合工业应用。
稍后，例如，Ichirou Yamaguchi等人在应用光学，第28卷，第20期，1989年10月15日和Vijay Shilpiekandula在他的硕士论文，麻省理工学院，2004年2月中，描述了如何使用散焦或聚焦的相机通过使用例如相机记录散斑位移来制作旋转角度读取编码器。该技术还缺乏在3D空间中多个部件位置处测量局部平移和旋转偏移的能力。
欧洲专利EP1924400描述了一种用于寻找机械和光机械加工和质量控制系统的部件的部件位置关系并识别这些部件的设备和方法。这种技术尤其描述了寻找聚焦表面结构的图像位移的相关技术。但是这种技术缺乏在3D空间的多个部件位置处测量平移和旋转偏移的能力。
因此，已知的用于在计算机控制的机器中寻找平移和旋转的机械和光学装置和方法缺乏足够的测量能力、精度或速度，或者过于敏感或容易出错。此外，通常需要耗时和/或昂贵的校准。
在专利申请PCT/NO2015/050102中，Gudmund Slettemoen描述了如何组合在至少两种配置A和B中的至少两个图像之间的平移偏移(dAx，dAy)和(dBx，dBy)，以找到两个机器部件之间的平移偏移(Dx，Dy)和旋转角度偏移(Tx，Ty)值。这种技术能够测量3D空间中多个部件位置处的平移和旋转偏移两者，但是由于单独捕获图像，因此可能对光源波长的漂移或者相机或其他光学分量的机械漂移敏感。
发明目的
本发明的一个目的是提高在计算机控制的机器的工作空间内确定部件平移或旋转或者部件平移和旋转的精确度。本发明的另一目的是减少校准计算机控制的机器所需的时间。本发明的另一目的是为机器的计算机控制提供平移和/或旋转校正数据的改进速度和精度，或者提供直接作为高级平移和/或旋转编码器的解决方案。
发明内容
通过根据所附独立权利要求的装置、系统和方法，可以实现从本发明的以下描述中可以理解的这些和其他目的和优点。本发明的其他方面由所附从属权利要求限定。
根据一个方面，本发明提供了一种适用于计算机控制的机器的传感器装置，该计算机控制的机器具有用于相对于位于所述计算机控制的机器的工作空间中的第二机器部件的位置改变第一机器部件的位置的可移动托架，该传感器装置包括：第一图案生成器，其可附接到第一机器部件；至少第一照明器和第二照明器，其可附接至第二机器部件，并被配置为照明第一图案生成器，用于从由第一图案生成器散射的光在所述工作空间中共同创建三维光衍射和干涉图案，在下文中称为空间光图案或称为光的空间图案或简称为光图案；以及相机，其可附接至第二机器部件。传感器装置可配置为使得相机能够捕获在所述工作空间中的空间光图案的合成图像，该合成图像以至少两种不同的光学配置形成，包括每个相机以及第一照明器和第二照明器中相应的一个，并且该合成图像是在空间光图案的一个且同一个相机曝光中捕获的图像，该空间光图案由在相应的不同光学配置中生成的空间光图案分量构成。不同的光学配置的不同之处在于，第一光学配置的有效光学距离范围与第二光学配置的有效光学距离范围不重叠，在第一光学配置中，光沿着光路从第一照明器经由第一图案生成器传播到相机，以创建空间光图案的第一空间光图案分量，在第二光学配置中，光沿着光路从第二照明器经由第一图案生成器传播到相机，以创建空间光图案的第二空间光图案分量。因此，在根据本发明的传感器装置中，一种光学配置的有效距离d-e不同于另一种光学配置的有效距离d-e，其中，(1/d-e)＝(1/d-i)+(1/d-c)+(1/f)，该有效距离d-e是从照明发散中心到图案生成器d-i的距离、从相机物平面到图案生成器d-c的距离和有效图案生成器焦距f的谐波和的倒数。
在一个实施例中，本发明的传感器装置有利地包括用于避免在合成图像中出现以不同光学配置形成的不同空间光图案分量的光之间的交叉干涉的装置。用于避免这种交叉干涉的设备的示例是在一个相干光照明器中使用的激光器，其波长不同于在另一相干光照明器中使用的激光器的波长，不同光学配置的光路中的偏振光学器件使得一个光图案分量的光偏振态与另一光图案分量的光偏振态正交，快门、偏转器、或幅度调制器被设置在光学配置的光路中，以使得在不同光学配置的光路中传播的光在同一合成图像曝光时间段内的不同时间曝光相机光敏表面，并且光学分量的设置确保从相机光敏表面测量的空间光图案分量之间的最小角距离大于由相机像素尺寸和所涉及的光的波长确定的角距离。
在一个实施例中，传感器装置还包括用于从所述至少一个相机接收合成图像数据和所述托架的位置数据的存储设备，并且被配置为在所述至少第一照明器和第二照明器、所述相机和所述图案生成器的至少第一光学配置和第二不同光学配置中接收空间光图案的合成图像。
根据本发明的一个方面，至少第一照明器和第二照明器被配置为用至少部分相干光照明图案生成器。有利地，光的相干程度越高，空间光图案在空间中延伸得越宽。
根据另一方面，本发明的传感器装置有利地包括可附接到第二机器部件的第二图案生成器，并且被配置为除了在所述第一和第二光学配置中的所述第一图案生成器之外，还利用相机捕获在第三光学配置中使用第二图案生成器形成的空间光图案的合成图像。在这种情况下，至少一个照明器被设置成也照明第二图案生成器，用于创建空间光图案的第三空间光图案分量。
根据本发明的另一方面，为了创建参考图像，传感器装置配置设备可操作，以使得相机能够捕获在所涉及的不同光学配置中的相应光学配置中分别形成的光图案的参考图像。
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以及携带参考数据库的存储设备。参考数据库包括相关的参考图像和托架位置数据，表示参考机器部件相对于图案生成器的精确平移和旋转。参考数据库的提供使得可以将在第一计算机控制的机器中记录的合成图像与之前或之后在第二计算机控制的机器或第一计算机控制的机器中记录的参考图像相关联。第二机器是参考机器，其中，在记录参考图像时，使用与第一机器相同的光学配置。
根据一个方面，该系统还包括处理设备，该处理设备被配置为处理所述记录的合成图像数据以及参考图像数据，用于找到对应图像组，导出每组对应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联的图像平移偏移数据导出用于校准计算机控制的机器的位置数据。该处理通常包括比较记录的合成图像数据和参考图像数据，并且该组对应图像通常是一对对应图像。处理设备使得系统能够自动确定合成图像与参考图像的对应关系，并且基于所确定的对应关系导出用于校准计算机控制的机器的位置数据。
另一方面描述了一种记录与计算机控制的机器的第一部件和第二部件的相对平移和旋转相关联的数据的方法。计算机控制的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托架。该方法包括将托架移动到多个位置的步骤。在每个位置，照明器用于照明附接到第一机器部件的图案生成器，从而创建空间光图案。同样在每个位置，使用所述照明器和至少一个相机记录以至少两种不同光学配置形成的所述空间光图案的合成图像。这种方法能够快速准确地捕获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。因此，该方法能够在计算机控制的机器(例如，机床或坐标测量机)中对平移和旋转偏移进行密集采样。因此，通过记录合成图像，该方法对光源波长的漂移、计算机控制的机器的部件的机械漂移以及光学分量和相机的机械漂移不太敏感。
根据一个方面，该方法包括在每个位置处记录所述托架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，以同时或交替照明图案生成器。
根据一个方面，提供了一种导出用于校准计算机控制的机器的数据的方法。计算机控制的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托架。该方法包括以下步骤：为计算机控制的机器的第一机器部件和第二机器部件提供本发明的传感器装置的相应元件；将托架移动到多个托架位置，使得对于每个位置，第一机器部件相对于第二机器部件的位置改变；在每个托架位置处，操作本发明的传感器装置，其中，操作照明器，用于照明附接到第一机器部件的图案生成器，从而创建空间光图案；在每个托架位置处，还记录与所述托架的位置相关的位置数据；在每个托架位置处，在所述至少两个照明器、所述第一图案生成器和至少一个相机的至少两种不同光学配置中捕获并记录空间光图案的合成图像；对于每个相应的托架位置，通过将所述记录的合成图像数据与参考数据库的参考图像数据进行比较，找到相似的光图案数据对，所述光图案数据包括相关的光图案和位置数据，这些光图案和位置数据与从包括内部图案生成器的图案生成器反射或透射的唯一空间光图案相关联；并且分析相似的光图案数据，以导出每对相似光图案的光图案平移偏移数据。此外，基于与多个不同光学配置相关联的光图案平移偏移数据，导出用于校准或补偿计算机控制的机器的数据。
根据一个方面，图案生成器用至少部分相干光照明。光的相干性使得可以产生空间光图案。
本发明的一个优点是在不同的机器上进行光图案的参考图像的记录和这些参考图像的使用。有利地，机器也可能是其以后性能的参考。本发明的另一优点是可应用于寻找和校准计算机控制的机器的平移和旋转，因为本发明有利地被设置成将不同配置的光图案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是示出坐标测量机的第一示例性实施例的示意性侧视图，该坐标测量机配备有包括根据本发明的传感器装置的系统。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的坐标测量机的光路和有效距离的示意性侧视图；
图4是示例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；该传感器装置的使用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的刚体移动的所有6个自由度(3平移+3旋转)；
图5是表示图4的铣床中所示的并用于相应的参考图像记录机器中的传感器装置的光路和有效距离的示意性侧视图；
图6是配备有根据本发明的传感器装置的立式铣床的示意性投影视图，其中，传感器装置配备有适合于补偿光源波长漂移、或机械和光学分量的位置漂移、或相机的机械或热漂移的额外参考配置；
图7是表示图6的垂直铣床中所示的并用于相应的参考图像记录机器中的传感器装置的光路和有效距离的示意性侧视图。
具体实施方式
优点
本发明的方法能够快速准确地捕获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。因此，该方法能够在计算机控制的机器(例如，机床或坐标测量机)中相对于参考机器的平移和旋转偏移进行密集采样。这是通过将由至少两种光学配置形成的空间光图案的合成图像与参考数据库中的图像进行比较来实现的，其中，参考数据库中的图像是通过不同配置分别形成的参考空间光图案的图像。依赖于相关的空间光图案和与图案生成器的空间光学特性相关联的位置数据的比较使得可以使用相同的光学配置将在第一计算机控制的机器中捕获和记录的空间光图案的位置与之前或之后在参考计算机控制的机器(例如坐标测量机或校准机构)中捕获和记录的参考空间光图案进行比较。因此，可以精确地确定每个样本位置处的平移和旋转偏移，并且使用偏移数据来导出用于第一计算机控制的机器的位置校准或补偿的数据。校准数据可用于读取或控制第一计算机控制的机器的运动，从而通过用于记录参考数据的参考机器的运动来校正其运动。通过简化图像捕获，本发明还扩展了可从专利申请PCT/NO2015/050102导出的应用范围。
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(本文称为图案生成器)的位置和角度相关联，本发明能够通过将图案生成器或图案生成器的真实同类型复制品从一台机器(参考)带到另一台机器，并且通过用由相同的光学配置定义的传感器装置观察所创建的光图案，来找到计算机控制的机器中的精确刀架平移和旋转。通过捕获合成图像，本发明能够同时提高速度和精度两者，因为在捕获图像时，每个合成图像包含关于计算机控制的机器的所有必要的位置和旋转信息。这创造了高度的可靠性和准确性。
图案生成器的作用与商业编码器的编码器玻璃棒非常相似。通过捕获合成图像，本发明能够记录图案生成器外部的自由空间中的空间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平移和旋转偏移条件。
传感器装置能够快速准确地捕获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图像。因此，该装置能够在计算机控制的机器(例如，机床或坐标测量机)中对平移和旋转偏移进行密集采样。提供至少两种不同的光学配置，使得可以分别从相对于第二部件的旋转的第一部件的旋转导出相对于第二部件的平移的第一部件的平移的可靠信息。此外，由于第一光学配置的有效距离不同于第二光学配置的有效距离，所以可以记录所述空间光图案的一个合成图像，该合成图像在每个样本位置处包含足够的平移和旋转信息。因此，可以快速确定每个样本位置处的平移和旋转偏移，并使用平移和旋转偏移数据来补偿第一计算机控制的机器中的定位，使得第一机器中的定位与用于记录参考数据的参考机器中的定位非常相似。因此，传感器装置或多或少消除了机械不规则性、轴承间隙和/或机械游隙的影响，所有这些都会产生机器部件定位误差。
记录托架位置，使得可以将光图案的记录图像与记录的托架位置相关联，并且因此将参考一台参考计算机控制的机器(例如，实验室机器)的坐标系的位置与参考另一计算机控制的机器(即，正在使用的计算机控制的机器)的坐标系的位置相关联。这也使得可以产生与图案生成器相关联的并且共同作为高级编码器工作的精确的平移和旋转数据。
本发明针对每个可用的相机利用了多种不同的光学配置，并且从而使得甚至可以使用单个相机来捕获同时表示多个机械自由度和多个机器部件的机械状态的合成图像。此外，随着更多数量的光学配置对由合成图像成像的空间光图案做出贡献，同时测量来自更多自由度的更多平移和旋转，或者在确定平移和旋转偏移时获得更高的精度。
本发明的详细说明
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包括工作区域台4、刀架5、支撑部件100-1、100-2和100-3以及托架3-1和3-2。在本示例中，当安装铣床2的托架3-1和3-2时，其轴线需要对准，以彼此正交。即使在已经机械调整托架3-1和3-2之后，为了尽可能好地与铣床2的内部坐标系100-4对准，当托架移动时，仍然会出现残余误差。如果需要高加工精度，则必须考虑这些误差。传感器装置1用于找出这些误差。如图2所示，本实施例提供这些误差，作为相应参考数据的平移和旋转偏移，通过使用CMM(坐标测量机)2-R单独记录这些参考数据。这些误差与铣床2的运动部件的位置有关。在本示例中，铣床具有内部3D机器坐标系100-4，其中，参考了X、Y和Z托架位置(注意，为了简单起见，图1中仅示意性地示出了X托架轴3-1和Z托架轴3-2)。本实施例的目的是找到一组平移和旋转偏移数据，该数据与铣床工作容积内的一组3D位置的相应位置相关联。这些偏移数据被机器制造商用来改进安装和对准，或者被机器CBC(计算机数控)用来补偿将工具物理地放置在空间中的预期位置的实际X-Y-Z托架运动的误差。
图1示出了铣床2以及本发明实施例的示意图。传感器装置1包括两个照明器7A和7B以及一个相机9。我们区分两种光学配置，即，配置11A和配置11B。在照明器7A可操作用于照明图案生成器6的配置中，我们将说相机9属于光学配置A。相应地，在照明器7B可操作用于照明图案生成器6的配置中，我们将说相机属于光学配置B。术语“照明器”是指光源和照明光学器件的某种组合。因此，来自相同光源但在到达图案生成器6之前或之后沿着不同光路或通过不同光学器件的光也被称为属于不同的“照明器”。在该示例中，照明器7A和7B以及相机9附接到刀架5，并且图案生成器6附接到工件保持器4。注意，另一种同样工作良好的可能设置是第一照明器7A和第二照明器7B以及相机9附接到工件保持器4，并且图案生成器6附接到刀架5。图案生成器6是光散射器，例如，具有光散射表面的一块材料，其适于在朝向相机9的方向上返回或透射由照明器7A和7B在朝向相机9的方向上朝向图案生成器发射的至少一部分光。在本文件中，我们将把当光被图案生成器6反射或透射时发生的光衍射称为衍射、反射、透射或散射。照明器7A和7B被配置为照亮图案生成器6，用于在工件保持器4和刀架5之间的空间中的某处共同创建空间光图案8，从而允许所述空间中的空间光图案8被相机看到并在相机9的图像平面中成像，并且捕获合成图像。根据光学教科书的定义，通常，工件保持器4和刀架5之间的所述空间被称为物体空间，并且可以从物平面15测量，从负无穷大延伸到正无穷大。因此，在该示例中，空间光图案8包括：在所述空间中的第一光图案分量8A，其由来自第一照明器7A的被图案生成器散射到所述空间中的光创建；以及在所述空间中的第二光图案分量8B，其由来自第二照明器7B的被图案生成器散射到相同的所述空间中的光创建，并且在空间光图案8的单次相机拍摄中捕获的合成图像由分量8A和8B形成。因此，分量8A和8B可以通过光颜色、偏振、从相机光敏表面看到的角度或其他参数在时间上分离，只要它们都在相同的相机拍摄中由相同的相机成像。如果分量8A和8B以角度分开，则在分量8A的光和分量8B的光之间的从相机的相机光敏表面测量的最小角距离应该大于2×arcsin(λ/(4×p))，其中，arcsin()是三角函数，λ是所涉及的光的波长，并且p是相机像素大小。术语“相机拍摄”、“相机曝光”和“相机捕获”在本文可互换使用，用于相机拍摄一系列视频图像中的一个静止图片或一个静止图像。相机有利地被配置为捕获所述空间光图案8的2D(二维)合成图像。传感器装置1被配置为在至少第一11A和第二11B不同的光学配置中捕获合成图像。所述第一光学配置11A限定了从所述第一照明器7A经由所述图案生成器6到所述相机9的路径，在该配置中，所述相机9被称为相机9A。所述第二光学配置11B限定了从所述第二照明器7B经由所述图案生成器6到所述相机9的路径，在该配置中，所述相机9被称为相机9B。因此，每个相应的光学配置由图案生成器6、相机9以及照明器7A和7B的相对位置限定。因此，在分别由索引A和索引B识别的不同光学配置的相应组中，由相机9捕获的每个合成图像将是单独唯一的，并且与图案生成器6、相机9和相应照明器7A和7B的相对位置直接相关。
在采用上述传感器装置1的整个系统实施例中，除了传感器装置1之外，该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的相关托架位置31和32以及从相机9捕获的合成图像30。在本实施例中，在光学配置11A中创建的光图案与在光学配置11B中创建的光图案同时曝光相机9。即，捕获的合成图像30是由相机在单次相机拍摄中成像和捕获的光图案分量8A和8B形成的图像。计算机还包含处理器12，处理器12被配置为将先前记录的托架参考位置数据31-R和32-R与来自铣床2的托架位置数据31、32进行比较，并且将在不同的第一和第二光学配置中的相应光学配置中拍摄的单独相机拍摄中已经捕获的相应先前记录的第一参考光图案8A-R的第一图像数据和第二参考光图案8B-R的第二图像数据与相机9捕获的合成图像数据30进行比较。
先前记录的托架参考位置数据31-R和32-R以及先前记录的第一参考光图案8A-R和第二参考光图案8B-R图像数据已经预先记录在单独的CMM中，如图2所示，存储在硬盘10-R上，并传送到图1的硬盘10。在图2中，这些数据是收集的参考数据33-R。在图1中，由处理器12从硬盘10接收的收集的数据33是收集的参考数据33-R、托架位置数据31和32以及捕获的合成图像30数据。
第一照明器7A和第二照明器77B分别是能够发射适于照亮图案生成器6的光的类型，以创建所述第一空间光图案分量8A和所述第二空间光图案分量8B。通常，能够发射基本相干光的照明器适用于所述目的。为了本发明的目的，我们将照明器7的相干长度定义为创建大于10％的相干度的最大光程长度差。在该特定实施例中，照明器是激光发射二极管，其相干长度大于每个光学配置A和B内的路径长度差中最大的一个。从每个照明器7A和7B发射的光沿着无限多种不同的相应路径。为了说明的目的，对于光学配置A，在图3中示出了路径的两个示例。第一路径由点划线表示，该点划线与从第一照明器7A到图案生成器6的第一照明器光轴16A重合，并且沿着与从图案生成器6到相机9的相机光轴20重合的点划线继续。第二路径由从第一照明器7A到图案生成器6的完全绘制的双线21A指示，并且沿着从图案生成器到相机9的完全绘制的双线22A继续。通过考虑从第一照明器7A经由图案生成器6到相机9的所有可能的光路和路径长度，照明器7A的激光二极管源应该发射相干长度大于这些光路之间的最大长度差的光。同样的相干条件也应该分别由包括第二照明器7B、图案生成器6和相机9的B配置来满足。然而，照明器7A的光波长应当与照明器7B的光波长充分不同，以避免光图案分量8A和8B之间的交叉干涉不会出现在合成图像30中。相机9通常是2D电子相机，其类型为CCD(电荷耦合器件)或CMOS，优选地具有1000×1000像素或更高的分辨率。图案生成器6适当地由平面/扁平不锈钢板提供。在本发明的范围内，可以使用其他材料，例如，铝和玻璃，来提供图案生成器6，只要图案生成器6的反射表面适合于创建预期的空间光图案分量8A、8B。图案生成器6也可以由反射全息图提供，或者由在玻璃板表面上蒸发的金属表面光图案复制品提供，或者由从主表面到另一合适表面上的浮雕压印提供。然而，一个关键要求是表面细节不随时间变化，例如，由于腐蚀、搬运或类似原因。在本实施例中，钢板的反射表面具有与照明器7A、7B发射的激光波长相当的表面粗糙度，从而产生足够角度范围的散射角和足够的光量，以被相机9检测。在该实施例中，计算机包含硬盘10和处理器12。为了分别接收托架位置数据31和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从相机9接收合成图像30。参考位置数据31-R和32-R以及单独的参考光图案8A-R和8B-R的图像分别通过使用USB型记忆棒或类似的便携式数据存储装置方便地从参考数据硬盘10-R传送到硬盘10。
下面将参考图1、图2和图3描述根据本发明的实施例的方法。上述传感器装置1或具有相同光学配置的传感器装置1-R用于记录存储在硬盘10-R(图2的存储设备10-R)中的参考数据。为了分别记录参考光图案8A-R和8B-R的图像以及分别记录参考托架位置数据31-R和32-R，在本实施例中，我们将依赖于校准的坐标测量机，在下文中称为CMM 2-R。示意性地，该CMM 2-R类似于铣床2，但是由图2表示。在本实施例中，该CMM被编程为在固定3D矩阵位置中的采样位置之间逐步移动。位置的数量在很大程度上取决于用户及其应用。如果仅检查铣床2的配备质量，则5×5×5位置可能就足够了。否则，如果需要向CNC提供详细的反馈校正数据，可能需要例如1000×1000×1000这样的高数值。在本示例中，这些位置覆盖400×400×400mm的体积。通常，采样位置的分布可以是从线性1D阵列、2D矩阵到上述3D矩阵的任何分布，其中，在某些情况下，位置也有利地不均匀分布。对于这些位置中的每一个，计算机硬盘10-R存储两个图像8(49A-R、49B-R)(每个光学配置11A-R、11B-R具有一个图像)以及相应的托架位置数据31-RA、32-RA、31-RB和32-RB。假设CMM在图像记录期间机械稳定，则托架位置31-RA等于托架位置31-RB，并且托架位置32-RA等于托架位置32-RB。这些数据是后续铣床2生产/服务对准活动的参考数据，并将在适当的时候从硬盘10-R(图2)传输到硬盘10(图1)。第一照明器7A-R和第二照明器7B-R的光源(图中未示出)是稍后将在铣床2中使用的相同类型和相干特性的激光二极管。在本实施例中，如图2示意性所示，也对应于图1中铣床的配置，第一照明器7A-R提供聚焦光，其聚焦位置也是其发散中心17A-R，位于第一照明器7A-R和图案生成器6-R之间。激光从该发散中心17A-R向图案生成器6-R发散。也如图1示意性所示，第二照明器7B-R包含光学器件，以提供向图案生成器6-R传播的准直光，即，其发散中心17B-R在该示例中设置为无穷大，并且因此不能在图2绘制的范围内示出。图3示意性地示出了两种光学配置A和B的照明/观察几何形状，并且表示在铣床2(由图1示意性地表示)以及CMM 2-R(由图2示意性地表示)上使用的光学配置。为了清楚起见，对应于发散中心17A和17B的发散中心17A-R和17B-R都在图3的范围内显示，尽管在本实施例中，第二照明器7B的发散中心17B被设置为无穷大。同样如图3所示，相机成像特性由物平面位置和尺寸15以及以该物平面为中心的相应景深19来定义。景深分别从平面19-1延伸到平面19-2。在本示例中，物平面位于相机9和图案生成器6之间。相机光轴20被定义为穿过空间中的两点，第一点是相机9的入射光瞳中心，并且第二点是物平面15中心。相机光轴20延伸，以限定相机9光轴20与图案生成器6相遇的点23。同样如图3所示，照明器的光学特性由相应的发散中心17A和17B以及以这些相应的发散中心为中心的各自相应的景深18A和18B来定义。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。为了清楚起见，在本示例中，发散中心位于相应的照明器7A、7B和图案生成器6之间。照明器光轴16A、16B中的每一个被定义为穿过空间中的两个点、其相应的发散中心17A、17B，到达相机光轴20与图案生成器6相遇的点23。照明器的发散中心距离diA40、diB41沿着从发散中心17A、17B到图案生成器6上的反射表面点23的其相应的光轴16A、16B进行测量。在本示例中，相机物平面距离dcA42、dcB43相等，并且沿着从图案生成器6上的反射表面点23到物平面15的光轴20测量。注意，在CMM2-R参考记录和铣床2测量期间，随着CMM托架3-1-R、3-2-R和铣床托架3-1、3-2的移动，这些几何形状会发生变化。在这些过程期间，定义的轴、位置和距离将发生变化。第一光学配置A的有效距离由公式deA＝diA×dcA/(diA+dcA)给出，并且同样地，第二光学配置B的有效距离由公式deB＝diB×dcB/(diB+dcB)给出。如果图案生成器6是曲面反射器，或者在透射中包含透镜效应，则上述方程中的diA和diB应该由相应的方程diA×f/(diA+f)和diB×f/(diB+f)代替，其中，f表示等效图案生成器的等效焦距，其中，图案生成器6的表面由没有粗糙度的光学光滑表面代替。例如，如果图案生成器6被弯曲成符号曲率半径R，则焦距f将等于R/2。对于这些光学配置中的每一种，景深定义了物体被认为聚焦的范围。在本示例中，这些范围从场平面19-1延伸到场平面19-2，使得物平面距离dcA42、dcB43的范围分别为dcA1＝dcB1至dcA2＝dcB2。相应地，照明器可以覆盖从相应的发散平面18A1到18A2以及从18B1到18B2的范围的不同距离，使得发散中心距离diA40、diB41的范围分别从diA1到diA2以及diB1到diB2。将dcA1、diA1、dcA2和diA2插入第一有效距离deA的公式中，我们得到了从deA1到deA2的有效距离范围。相应地，如果我们将dcB1、diB1、dcB2和diB2插入到第二有效距离deB的公式中，我们得到从deB1延伸到deB2的有效距离范围。通常，所涉及的相机和照明器的景深是+/-(2×λ×F×F)，其中，λ是光学波长，并且F是有效光学焦距比数，参考图案生成器6侧。我们所指的有效焦距比数是指通过公式F＝1/[2×sin(v/2)]定义照明器出射光瞳和相机入射光瞳的角度范围的焦距比数，其中，v是从发散中心和物平面观察到的这些光瞳的角度范围。然而，注意，照明器和相机可以配置有不同的焦距比数。此外，注意，在替代的光学配置中，照明器7A、7B可以包含像散焦点，使得当在一个横向方向上(例如，平行于X轴)观察时，发散中心17A、17B处于不同的照明距离diA(图3中的40)和diB(图3中的41)，当在正交横向方向上观察时，发散中心17A、17B处于相应的发散中心距离。在其他替代的光学配置中，相机成像特性的情况也是如此，当聚焦在两个正交横向方向上的特征上时，通常使物平面位置15A和15B放置在不同的相机物平面距离dcA(图3中的42)和dcB(图3中的43)处。通常通过在照明和/或观察路径中包括圆柱形光学器件来获得散光性能。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的范围的任何有效距离都不应该等于从deB1到deB2的范围的任何有效距离。如果替代的光学配置包含像散发散中心17A、17B或像散物平面位置15A、15B，则要求光学配置A、B的有效距离对于单独评估的每个横向方向不应该重叠。为了获得更好的图像分析性能，有效距离的范围应该分开，因为增加有效距离的间隔，使得更容易区分平移和旋转偏移，从而减少了来自测量误差的影响。
因为图案生成器6被相干激光照射，所以在图案生成器6上方的3D空间中创建了结构稳定的空间光图案8。通过相机9观察该空间光图案8。光学配置A和B中的每一个都创建不同于另一个的光图案。通常，这些光图案对于所有不同的记录位置都是独特的。如果控制托架3-1、3-2和3-1-R、3-2-R，以在第一时间T1在第一记录位置处记录图像，然后移动，以在随后的记录位置记录图像，并且最后移动回来，以在第二时间T2精确地在第一位置处记录图像，则将在时间T2精确地再现在时间T1记录的光图案的图像。然而，即使在第一次和第二次记录之间非常小的位置偏移(例如，0.01μm)也可能影响光图案的位置，并且因此是可检测的。
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或类似光学配置的传感器装置1，在硬盘10-R上记录的收集的参考数据33-R用于量化组装、使用或维修铣床2时的未对准。一旦量化，未对准用于改善机器对准和/或控制铣床2的后续CNC运动。这实现了更好的定位，而不管铣床2中的任何机械平移和旋转不规则性，使用常规的校准和对准方法是不可能校正的。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显示了铣床2的示意图。在本实施例中，图案生成器6-R移动到铣床，并被称为图案生成器6。但是如果图案生成器6-R和图案生成器6刚好是同一主装置的精确副本，则本实施例将同样工作良好。照明器-相机组件7A、9、7B相对于图案生成器6的新位置应该紧密再现CMM的位置。为了实现这一点，照明器-相机组件7A、9、7B和图案生成器6需要预先对准。为此，将使用预先设定的机械定位器或图案生成器6位置的迭代机械对准。铣床2CNC控制然后用于将照明器-相机组件7A、9、7B移动到一个先前CMM 2-R记录的位置相对于图案生成器6的邻域中，然后光学观察/测量偏移，然后机械移动图案生成器6，并且然后重复对准过程，直到位置稍微匹配。可选地，仅通过手动使用标尺/卡尺或诸如触摸探头或类似的其他对准工具，就可以相对于图案生成器6机械地对准照明器-相机组件7A、9、7B。
在预对准之后，该铣床2设置准备好找到其精确对准，这是相对于CMM 2-R参考记录测量的。由一系列相应的参考托架位置数据31-R、32-R和表示参考光图案数据8A-R、8B-R的图像49A-R、49B-R表示的收集的参考数据33-R复制到硬盘10。然后指示铣床2在先前的标称位置之间标称步进，这些标称位置对应于由参考CMM 2-R记录的那些位置。对于这些位置中的每一个，计算机硬盘10从相机9接收空间光图案8的合成图像30以及与每个合成图像30同时记录的相应托架位置31、32。对于这些合成图像中的每一个，在不同的配置11A、11B中形成空间光图案8。相对于图案生成器6的平移和旋转的照明器-相机组件7A、9、7B的平移和旋转名义上应该等于在CMM 2-R参考记录期间使用的相应平移和旋转。结果，对于所有位置，在铣床2中记录的空间光图案8的新合成图像将分别是光图案分量8A和8B的组合图像。每个光图案分量8A和8B将分别类似于相应的CMM 2-R参考光图案8A-R 8B-R。更具体地，光图案图像表示包含足够相似的数据，以使它们被识别为相同的光图案表示，但是具有一定的偏移和可能的轻微去相关。然而，参考相机9的光敏表面，与相应的参考光图案8A-R和8B-R的图像相比，光图案分量8A和8B的图像通常将以较小的量位移。参考光敏表面，我们将这些2D光图案平移偏移分别称为(DAX，DAY)和(DBX，DBY)。为了计算这些偏移数据，参考光图案8A-R和8B-R中相应一个的每个捕获的参考图像49A-R和49B-R在数学上与相应的铣床2合成图像30 2D互相关(关于图像的互相关计算，参见例如Athanasios Papoulis的书Systemsand Transforms with Applications in Optics,1968,McGraw-Hill Book Company,NewYork)。通过这种设置，其中，空间光图案8的合成图像30由空间光图案分量8A和8B组成，其中，在光学配置11A和11B中形成合成图像数据，由激光波长和机械漂移引起的误差减小到最小。对于托架位置31和32中的每一个，导致2D互相关最大值的位置决定了两个光学配置A和B的图像偏移(DAX，DAY)和(DBX，DBY)。因为参考CMM 2-R托架3-1-R、3-2-R的编码器可以返回与机器2托架3-1、3-2指示的托架位置31、32稍微不同的托架位置31-R、32-R，所以即使对于相同的标称托架位置，托架位置或测量的光图案平移应当由这些可能的差异校正。在本示例中，我们将这些校正应用于表示光图案平移偏移的数据，并调用(dAx，dAy)和(dBx，dBy)的相应校正图像平移偏移。这些校正的图像平移偏移是由照明器-相机组件7A、9、7B相对于图案生成器6的平移偏移(Dx、Dy)和旋转角度偏移(Tx、Ty)的组合引起的。即，使用CMM2-R第一部件4-R相对于作为参考的第二部件5-R位置，校正的图像平移偏移由铣床2工件保持器4相对于刀架5的平移偏移(Dx，Dy)和旋转角度偏移(Tx，Ty)引起。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和y轴的旋转角度偏移。这些偏移是指图1的铣床坐标轴100-4。参考托架位置31-R、32-R是指CMM 2-R坐标轴100-4-R。
在线性近似中，图像平移偏移(dAx，dAy)和(dBx，dBy)与相对部件平移偏移(Dx，Dy)和旋转角度偏移(Tx，Ty)之间的关系由四个公式表示：DAx＝m11×Dx+M12×Dy+M13×Tx+m14×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。在这些公式中，相应因子(m11、m12、m13、m14、m21、m22、m23、m24、m31、m32、m33、m34、m41、m42、m43、m44)分别由第一光学配置A和第二光学配置B的精确照明观察几何形状给出。在光学教科书中，通过使用衍射公式，计算这些因素，其中，特定反射/透射物体的给定空间频率由观察和入射波矢量之间的差值给出，该给定空间频率将光从给定的照明方向重定向到给定的观察方向。这些公式的变化在许多情况下也被称为光栅方程。只要用于创建光学配置A的光图案8A、8A-R的有效距离deA不同于用于创建光学配置B的光图案8B、8B-R的有效距离deB，则上述公式反转，以找到工件保持器4相对于刀具保持器5的平移和旋转偏移，如平移偏移(Dx，Dy)和旋转角度偏移(Tx，Ty)值所表示的。作为一个数值示例，我们将假设照明距离diA 40等于60mm，相机距离dcA42等于100mm，照明距离diB 41在无穷远处，相机距离dcB 43也等于100mm，坐标轴XYZ平行于铣床2的相应XYZ坐标轴100-4(图1)，并且原点放置在相机9光轴20与图形生成器6相遇的点23(图3)。有关表示距离的数字，参见图3。我们还将假设照明器光轴16A、16B与相机光轴20同轴，相机放大率等于-1/3，并且相机光敏表面的X轴和Y轴平行于相应的机器X轴和Y轴，如铣床坐标轴100-4(图1)和CMM坐标轴100-4-R(图2)所示。同轴轴我们是指所涉及的轴是平行的。在本例中，照明方向指向与观察方向相反的方向。由透射同轴轴照明的图案生成器表示照明方向与观察方向相同。在线性近似中，这些配置参数将针对因子(m11、m12、m13、m14、m21、m22、m23、m24、m31、m32、m33、m34、m41、m42、m43、m44)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)。我们还将假设由于相应的托架位置31、32和参考托架位置31-R、32-R之间的差异而没有校正。然后，校正的图像平移偏移(dAx、dAy、dBx、dBy)被发现分别等于(-59.6、-4.0、-30.7、+2.7)μm。然后这些表达式可以反转，以给出相应平移偏移(Dx，Dy)的搜索值为(52.0、12.0)μm，以及旋转角度偏移(Tx，Ty)为(100、200)μ弧度。上述线性表达式描述了光学照明、衍射和观察过程。在平移和旋转偏移较大的实际应用中，如上所述，m因子可能必须考虑添加的非线性偏差。可选地，迭代完整的非线性方程，以找到精确的解。
由托架位置31、32表示的平移和旋转数据34、相关联的部件平移偏移(Dx、Dy)和相关联的旋转角度偏移(Tx、Ty)成为后续铣床生产、服务或对准活动的校准数据。可选地，铣床2的CNC使用这些数据来补偿铣削期间托架3-1、3-2的误差运动。
示例2
现在将参考图4和图5描述根据本发明实施例的传感器装置1。通常，同时单独找到平移和旋转分量至少需要两种光学配置A、B。然而，尽管在示例1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。更多数量的光学配置提供了更多的信息并提供了更多数量的空间参考，但也需要更大的计算能力来分析记录的数据。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，则使得一遍又一遍地再现。图4和图5中示意性地示出了一个示例，该示例能够为所应用的所有托架位置31、32找到刚体运动的所有6个自由度(3平移+3旋转)。图5示出了组件60的细节，组件60在图4中(虚线)紧固到机器部件5。图5示意性地示出了具有四个光学配置11A、11B、11C、11D的设置，这四个光学配置一起形成四个光图案分量8A、8B、8C、8D，这些光图案分量由相机9在合成图像30中捕获。为了清楚起见，该实施例的不同照明器7的轮廓/边界没有在图5中示出，但是其分量可以通过沿着相应配置11的路径来列出，包括其公共光源52。在本示例中，配置11A的光沿着从光源52经由分束器50-1、分束器50-2、反射镜51-1、图案生成器6、反射镜51-4到相机9的路径。配置11B的光沿着从光源52经由分束器50-1、分束器50-2、图案生成器6、反射镜51-4到相机9的路径。配置11C的光沿着从光源52经由分束器50-1、反射镜51-2、分束器50-3、图案生成器6到相机9的路径。配置11D的光沿着从光源52经由分束器50-1、反射镜51-2、分束器50-3、反射镜51-3、图案生成器6到相机9的路径。在本示例中，分束器50-1相对于偏振状态中性地分割光50-50％，而分束器50-2和50-3是能够将光分割成正交线性偏振光的偏振立方体分束器。假设图案生成器6充当保偏反射器，通过这种设置，与在配置11B中到达相机的光相比，在配置11A中到达相机9的光可以被配置为正交偏振。同样，与沿着配置11D的路径的光相比，经由配置11C的路径到达相机6的光被设置成正交偏振。通过这种设置，沿着配置11A路径的光相对于沿着配置11B路径的光之间的交叉干涉将减小到最小，并且不会出现在合成图像30中。同样，通过这种设置，沿着配置11A和11B路径的光相对于沿着配置11C和11D路径的光之间的交叉干涉将减小到最小，并且不会出现在合成图像30中。由于沿着配置(11A、11B)路径的光相对于沿着配置(11C、11D)路径的光之间的角度61，相机9没有解决光图案分量8A和光图案分量8C和8D中的任一个之间的交叉干涉以及光图案分量8B和光图案分量8C和8D中的任一个之间的交叉干涉。即，转换到相机光敏表面侧，对于相对于沿着配置(11C、11D)的路径的光，沿着配置(11A、11B)的路径的所有光，转换的角度61应该大于2×arcsin(λ/(4×p))，其中，arcsin()是三角函数，λ是所涉及的光的波长，并且p是相机像素尺寸。由于图5中未示出的相机9的内部光学器件，分割物平面位置15，并且在图5中被指示为15-1和15-2，其中，物平面15-1是配置11A和11B的物平面，并且物平面15-2是配置11C和11D的物平面。为了记录参考托架位置31-R和32-R以及参考光图案8A-R、8B-R、8C-R和8D-R的图像，图5的设置应该与图案生成器6一起放置在具有类似于图4中示意性示出的托架的机器中。在参考记录阶段期间，分别连续捕获参考光图案8A-R、8B-R、8C-R和8D-R的图像。这是通过使用快门(图5中未示出)来实现的，以使相机能够捕获作为独立图像49A-R、49B-R、49C-R和49D-R的那些图像。通过由示例1描述的计算，使用参考托架位置31-R、32-R、参考光图案8A-R和8B-R的图像、合成图像30，以及托架位置31和32，使得能够找到机器部件4相对于机器部件5并参考坐标轴(X1，Y1，Z1)的总共6个刚体运动的两个平移分量和两个旋转分量。通过由示例1描述的计算，使用参考托架位置31-R、32-R、参考光图案49C-R和49D-R的图像、合成图像30以及托架位置31和32，使得能够找到机器部件4相对于机器部件5但是现在参考坐标轴(X2、Y2、Z2)的总共6个运动自由度的两个其他平移分量和两个其他旋转分量。在计算机器部件4和5之间的刚体运动的6个自由度时，这总共给出了8个分量，其中2个是冗余的。
示例3
现在将参考图6和图7描述根据本发明实施例的传感器装置1。图6示出了一种设置，其中，在图7中更详细地示出照明器(7)的细节。在该实施例中，也如示例1和2中所述，空间光图案(8)由源自照明器(7)、从图案生成器(6)反射并到达相机(9)的光创建。此外，在相应照明器(7A，7B)内部添加了另外的“内部”图案生成器(54C、54D)。这一起创建了四种配置(11A、11B、11C、11D)，我们称之为内部配置(11C、11D)。从这些内部图案生成器(54C、54D)反射的光用于创建不受机器部件(4)和(5)之间的相对平移/旋转影响的光图案分量(57C、57D)。但是它们将受到由光源(52A，52B)的相应波长漂移和相机光敏表面的位置漂移引起的照明器(7)和相机(9)的内部变化的影响。在这个示例中，光源(52A，52B)是二极管激光器。特别是由于温度漂移和激光图案转换，二极管激光器的波长可能轻微漂移，通常在纳米和亚纳米范围内。如示例1和2所述，该波长漂移降低了本传感器装置1的总精度。本发明的一个关键特征是能够单独捕获参考光图案的图像，存储这些图像，以便以后与合成图像进行比较，其中，一些或全部光图案曝光相机光敏表面，以创建合成图像。在本示例中，如图6和图7所示配置的传感器装置1被放置在实验室参考机器中。这台实验室机器包含温度稳定的激光二极管，并且特别是坚固的机械和位置编码器。该机器在体积x-y-z中相对于机器部件(5-R)逐步移动机器部件(4-R)，并且分别捕获参考光图案(8A-R)、参考光图案(8B-R)、光图案(57C-R)和光图案(57D-R)的图像。对于每个相对的机器部件位置，为了避免漂移，实验室参考机器被配置为尽可能快地连续捕获四幅图像。这些图像存储在参考硬盘(10-R)中。参考光图案(8A-R)由沿着从光源(52A)并且经由分束器(50-1)、图案生成器(6)、分束器(50-4)、分束器(50-2)和相机(9)的路径的光产生。参考光图案(8B-R)由沿着从光源(52B)并且经由分束器(50-3)、图案生成器(6)、分束器(50-4)、分束器(50-2)和相机(9)的路径的光产生。参考光图案(57C-R)由沿着从光源(52A)并且经由分束器(50-1)、图案生成器(54-C)、分束器(50-2)和相机(9)的路径的光产生。参考光图案(57D-R)由沿着从光源(52B)并且经由分束器(50-3)、图案生成器(54D)、分束器(50-4)、分束器(50-2)和相机(9)的路径的光产生。图7中的圆圈(50-1、50-2、50-3、50-4)表示分束器。为了避免在随后的操作期间，在捕获总空间光图案(8)的合成图像的情况下，任何不同的光图案分量(8A，8B)和光图案分量(57C、57D)之间的交叉干涉出现在合成图像(30)中，两个激光二极管(52A)和(52B)在稍微不同的波长下操作，并且分束器(50-1)和(50-3)是线性偏振分束器。另外，图案生成器(6)和内部图案生成器(54C、54D)是保持线偏振状态的金属反射器。分束器(50-2，50-4)相对于偏振方向是中性的，独立于不同的偏振方向均等地分割光。在图7中，还示出了相机(9)的四个不同的物平面(15A、15B、15C、15D)。如示例1中更详细描述的，并且表示为“dc”，从这些物平面到相应的图案生成器(6)和内部图案生成器(54C、54D)的距离进入有效距离的相应计算。同样，从四个不同的照明发散中心到相应的图案生成器(6)和内部图案生成器(54C、54D)的距离表示为“di”，进入有效距离的相应计算。为简单起见，在本实施例中，我们假设对于照明器(7A)和相机(9)，到图案生成器(6)的相对照明和观察方向、距离和有效距离与到图案生成器(54C)的相对照明和观察方向、距离和有效距离相同。同样，我们假设对于照明器(7B)和相机(9)，到图案生成器(6)的相对照明和观察方向、距离和有效距离与到内部图案生成器(54D)的相对照明和观察方向、距离和有效距离相同。为了补偿激光二极管(52A)的波长漂移，这使得在如示例1中所述，计算(dAx，dAy)和(dBx，dBy)的校正图像平移偏移之前，可以稍后简单地从光图案分量(8A)位置相对于参考光图案(8A-R)位置的相应平移偏移中减去光图案分量(57C)位置相对于光图案(57C-R)位置的平移偏移，并且相应地从配置B位置中减去配置D位置。
根据本实施例的传感器装置1可以用于不同的应用，例如，机械平移台或机械臂中的编码器。在本示例中，我们假设传感器装置用于EDM(放电加工机)，如图6所示。为了有效地操作传感器装置，使EDM将传感器装置1移动到机器部件(4)和(5)之间的大致相同的相对位置，如在参考记录期间所记录的，以找到由平移偏移(Dx，Dy)和旋转角度偏移(Tx，Ty)值表示的其精确的新偏移。但是，与参考记录期间捕获的图像相反，空间光图案(8)的合成图像(30)现在由相机(9)捕获。空间光图案(8)由两个外部配置(11A、11B)和两个内部配置(11C、11D)形成。这确保，当同时捕获作为两个配置(11A)和(11B)的状态以及通过引入配置(11C、11D)的两个路径的精确激光波长和相机(9)位置的状态时，消除可能的机械和激光漂移。由于捕获相应的参考光图案(8A-R，8B-R)和内部参考光图案(8C-R，8D-R)，作为单独的图像，通过将这四个图像中的每一个与由所有四个配置(11A、11B，11C、11D)形成的合成图像(30)分别相关联，我们找到了用于寻找机器部件(4)和(5)之间的平移偏移(Dx，Dy)和旋转角度偏移(Tx，Ty)值所需的(dAx，dAy)和(dBx，dBy)的校正图像平移偏移。有关如何根据值(dAx、dAy、dBx、dBy)计算(Dx、Dy、Tx、Ty)的说明，参见示例1。
该示例描述了如何通过添加内部配置以形成光图案，并且通过确保相机(9)捕获空间光图案(8)的合成图像(30)，来补偿光源波长的微小漂移、内部光学分量的微小位置变化或相机的微小位置位移。在另一专利申请PCT/NO2015/050102中，Gudmun Slettemoen还描述了如何组合在至少两个配置A和B中的至少两个图像之间的平移偏移(dAx，dAy)和(dBx，dBy)，以找到两个机器部件(4)和(5)之间的平移偏移(Dx，Dy)和旋转角度偏移(Tx，Ty)值。通过将创建内部参考路径的配置添加到专利申请PCT/NO2015/050102中描述的任何配置，根据本示例中描述的实施例，在这些配置中还可以补偿光源波长的微小漂移、内部光学分量的微小位置变化或相机光敏表面的微小位置位移。

Claims (16)

1.一种用于计算机控制的机器(2)的传感器装置(1)，所述计算机控制的机器(2)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)的位置的可移动托架(3)，
其中，所述传感器装置(1)包括
图案生成器(6)，附接到所述第一机器部件(4)，
第一相干光照明器(7A)和第二相干光照明器(7B)，均附接至所述第二机器部件(5)并且被光学配置为用相干光照明所述图案生成器(6)，以创建空间光图案(8)，
相机(9)，附接到所述第二机器部件(5)并且被光学配置为捕获所述空间光图案(8)的合成图像(30)，所述合成图像(30)用于读取所述计算机控制的机器(2)的平移和旋转数据；
其中，所述传感器装置(1)被配置为使得所述相机(9)使用所述相机和所述第一相干光照明器(7A)和所述第二相干光照明器(7B)的组合在相机第一拍摄中捕获所述空间光图案(8)的第一合成图像，其中，光沿着光路从所述第一相干光照明器(7A)经由所述图案生成器(6)传播到所述相机以用于创建所述空间光图案(8)的第一空间光图案分量(8A)的第一光学配置(11A)的有效光学距离范围不与光沿着光路从所述第二相干光照明器(7B)经由所述图案生成器(6)传播到所述相机以用于创建所述空间光图案(8)的第二空间光图案分量(8B)的第二光学配置(11B)的有效光学距离范围重叠，并且所述第一相干光照明器(7A)和所述第二相干光照明器(7B)中的每一个被配置为用相干长度大于所述第一光学配置(11A)和所述第二光学配置(11B)中的每一个内的光路长度的最大差值的相干光照明所述图案生成器(6)。
2.根据权利要求1所述的传感器装置(1)，包括在所述第一光学配置(11A)和所述第二光学配置(11B)中的至少一个光学配置中的用于避免在所述合成图像(30)中出现所述第一空间光图案分量(8A)和所述第二空间光图案分量(8B)之间的光学交叉干涉的设备，所述设备是以下中的至少一个：
a)所述第一相干光照明器(7A)中的激光器，具有波长不同于所述第二相干光照明器(7B)中使用的激光器的波长，
b)在所述第一光学配置(11A)和所述第二光学配置(11B)两者的光路中的偏振光学器件，以便使所述第一空间光图案分量(8A)的光偏振态与所述第二空间光图案分量(8B)的光偏振态正交，
c)光学分量设置，使得所述第一光学配置(11A)的光以与所述第二光学配置(11B)的光充分不同的角度进入所述相机(9)的光敏表面，使得避免所述第一空间光图案分量(8A)和所述第二空间光图案分量(8B)之间的光学交叉干涉，以及
d)所述第一光学配置(11A)和所述第二光学配置(11B)的光路中的快门、偏转器或振幅调制器，以与所述第二相干光照明器(7B)相比，使得所述第一相干光照明器(7A)在所述合成图像的曝光时间内在不同时间创建曝光相机光敏表面的光。
3.根据权利要求2所述的传感器装置(1)，所述偏振光学器件包括偏振器、波片、双折射棱镜和偏振立方分束器。
4.根据权利要求1所述的传感器装置(1)，其中，所述传感器装置配置为使得所述相机在相机第二拍摄中捕获所述空间光图案(8)的所述第一空间光图案分量(8A)的第二图像以及在相机第三拍摄中捕获所述空间光图案(8)的所述第二空间光图案分量(8B)的第三图像。
5.根据权利要求1所述的传感器装置(1)，其中，所述第一相干光照明器(7A)和所述第二相干光照明器(7B)的至少一个照明器包括内部图案生成器(54)，所述内部图案生成器(54)被设置为使得光沿着从所述至少一个照明器的光源(52)经由所述内部图案生成器(54)到所述相机(9)的路径，并且从而创建所述空间光图案(8)的第三空间光图案分量(57)，并且其中，所述相机在第一单次相机拍摄中捕获所述空间光图案(8)的所述合成图像(30)，所述合成图像(30)还包括第三空间光图案分量(57)。
6.根据权利要求1所述的传感器装置(1)，其中，所述相机被设置成在单次相机拍摄中捕获通过将多个空间光图案(8)一起成像而构成的所述合成图像(30)。
7.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机(9)的光敏部件是一维1D线相机传感器阵列。
8.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机(9)的光敏部件是二维2D区域相机传感器阵列。
9.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述相机(9)适于以至少每秒1000次的图像捕获速率捕获高速一维1D线图像或二维2D区域图像。
10.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，在所述第一光学配置(11A)和所述第二光学配置(11B)中，所述第一相干光照明器(7A)和所述第二相干光照明器(7B)中的每一个的光轴与所述第一光学配置(11A)和所述第二光学配置(11B)的所述相机(9)的光轴同轴。
11.一种用于确定计算机控制的机器(2)中的机器部件的位置的系统，所述机器(2)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)的位置的可移动托架(3)，所述系统包括
根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置(1)，
数据存储设备(10)，适于存储
a)在参考机器中利用所述传感器装置(1)分开捕获的第一空间光图案分量(8A)和第二空间光图案分量(8B)的图像的参考图像数据，其中，所述可移动托架是相应的可移动参考托架(3-1-R、3-2-R)，以及
b)与所述参考图像数据相关联的参考托架的参考位置数据(31-R、32-R)，以及
处理设备(12)，与所述传感器装置和所述数据存储设备通信，并且被配置为确定从所述传感器装置传送的合成图像数据与从所述数据存储设备传送的参考图像数据的对应关系，为一对对应的合成图像数据和参考图像数据导出光图案平移偏移数据，并且基于与第一光学配置(11A)和第二光学配置(11B)相关的光图案平移偏移数据，导出用于所述计算机控制的机器(2)的位置读取或校准的平移和旋转数据。
12.一种用于获取计算机控制的机器的第一机器部件相对于第二机器部件的平移和旋转的方法，所述计算机控制的机器具有用于相对于所述第二机器部件的位置改变所述第一机器部件的位置的至少一个可移动托架(3)，所述方法包括
提供图案生成器(6)，所述图案生成器附接到所述第一机器部件(4)，
提供第一相干光照明器(7A)和第二相干光照明器(7B)，所述第一相干光照明器(7A)和所述第二相干光照明器(7B)均附接至所述第二机器部件(5)并且被光学配置为用相干光照明所述图案生成器(6)，以创建空间光图案(8)，
提供相机(9)，所述相机(9)附接到所述第二机器部件(5)并且被光学配置为捕获所述空间光图案(8)的合成图像(30)，并且
使得所述相机(9)在使用所述相机和所述第一相干光照明器(7A)和所述第二相干光照明器(7B)的组合在第一单次相机拍摄中捕获所述空间光图案(8)的第一合成图像，其中，光沿着光路从第一相干光照明器(7A)经由所述图案生成器(6)传播到所述相机以用于创建所述空间光图案(8)的第一空间光图案分量(8A)的第一光学配置(11A)的有效光学距离范围不与光沿着光路从第二相干光照明器(7B)经由所述图案生成器(6)传播到所述相机以用于创建所述空间光图案(8)的第二空间光图案分量(8B)的第二光学配置(11B)的有效光学距离范围重叠，并且所述第一相干光照明器(7A)和所述第二相干光照明器(7B)中的每一个被配置为用相干长度大于所述第一光学配置(11A)和所述第二光学配置(11B)中的每一个内的光路长度的最大差值的相干光照明所述图案生成器(6)。
13.一种用于在多个机器部件位置处获取相对于计算机控制的机器的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的方法，所述计算机控制的机器具有用于相对于所述第二机器部件的位置改变所述第一机器部件的位置的至少一个可移动托架(3)，所述方法包括将所述可移动托架移动至多个位置，并且在每个位置处，执行权利要求11的方法，并将捕获的合成图像(30)和与所述托架位置相关的相关联的托架位置数据(31、32)记录在数据存储设备(10)中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述托架的每个位置处，第一相干光照明器(7A)和第二相干光照明器(7B)被控制为交替操作，以便分别且非同时地并且仅在第一光学配置(11A)和不同的第二光学配置(11B)中的相应配置中捕获第一空间光图案分量(8A)和第二空间光图案分量(8B)的图像。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，使用多个相机(9)在所述托架的每个位置处记录合成图像(30)，所述相机(9)被配置为在相应不同的物平面中记录图像。
16.一种导出用于校准或改善计算机控制的机器的相对定位的数据的方法，所述计算机控制的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托架，其中，所述方法包括
在所述计算机控制的机器中提供根据权利要求1所述的传感器装置，
将所述托架移动到多个托架位置，使得对于所述多个位置中的每个位置，所述第一机器部件相对于所述第二机器部件的位置改变，并且在每个托架位置处，记录与所述托架的位置相关的位置数据，并操作所述传感器装置以用于捕获和记录空间光图案(8)的合成图像(30)的合成图像数据，所述空间光图案(8)由第一光学配置(11A)和第二光学配置(11B)中的相应配置中的至少第一空间光图案分量(8A)和第二空间光图案分量(8B)构成，并且利用参考数据库的参考图像数据处理记录的合成图像数据，所述参考数据库包括相互关联的、分别记录的参考图像和与使用参考机器中的传感器装置(1)成像和捕获的第一空间光图案分量和第二空间光图案分量相关的位置数据，并找到几对对应的合成图像数据和参考图像数据，
导出每对对应的合成图像数据和参考图像数据的图像平移偏移数据，并且
基于与第一光学配置和第二光学配置相关的光图案平移偏移数据，导出用于校准或改善计算机控制的机器的部件的相对定位的平移和旋转数据。
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