CN110785624A - 多个取向的成像传感器的对准系统 - Google Patents

Abstract

用于坐标测量机器的成像传感器的对准系统包括与测量机器的工作台相关联的参考表面，但是代替将参考表面成像为位置标记，参考表面与成像传感器一起被结合到组合成像系统中以用于对与成像传感器相关联的特征进行成像。成像的特征可以是成像传感器的内部的部分（例如内部孔径）或者与成像传感器具有固定关系的外部特征（例如镜头罩）。

Description

多个取向的成像传感器的对准系统

技术领域

本发明涉及坐标测量机器，并且尤其涉及使用多个传感器收集来自测试对象的测量数据的此类机器，所述多个传感器包括通过对测试对象进行成像来收集数据的传感器。

背景技术

具有用于测量测试对象的多个传感器的坐标测量机器通常参考在公共坐标系或参考系内由不同传感器收集的数据以便收集关于测试对象的相关数据。这样，确定了传感器的相对位置和取向。在成像传感器的情况下，确定关于放大率，焦平面，坐标位置，相机像素的旋转取向以及相应传感器的光轴的信息。

一种方法是使用各种传感器从多个取向收集参考制品（artifact）（例如参考球）的测量结果，同时监视传感器沿着或围绕机器的坐标测量轴的相对运动。例如，参考球的中心可以被定义为坐标参考系内的中心或其他给定位置。当每个不同的测量传感器收集到足够的信息以确定参考球的中心时，从每个传感器测得的中心位置可以彼此等同。

成像传感器通常通过识别从制品收集的图像内的图像对比度边界来测量测试对象和其他制品的特征。不同类型的照明会产生不同类型的图像对比度。例如，可以通过照亮球体而与较暗的背景形成对比，或者通过照亮背景而与球体的较暗视图形成对比，来在收集的图像内检测参考球的赤道。可以通过背光或通过有利于从背景反射光以球体为代价来照亮背景。例如，同轴照明器可以通过回射来自参考球体下面或后面的表面的光来产生图像对比度。倾斜照明往往会通过在边缘上投射阴影或允许离轴光线从正好打算被检测到的赤道上方或下方的表面进入成像系统而产生不太准确的结果。

由于制品边界的检测对所使用的照明类型敏感，因此成像传感器的不同位置和取向可能难以相互校准，这给所需的校准增加了一些不确定性。

发明内容

代替对参考球进行成像以确定其边界，可以根据本文公开的某些实施例来布置反射参考球或其他凸反射表面形状，以操作为成像传感器的组件，从而成像传感器收集作为成像传感器本身一部分的特征或与成像传感器具有其他经定义的关系的特征的图像（例如，表现出与成像传感器的刚体运动）。凸反射参考表面允许对其视线内的特征成像，所述特征可以包括围绕成像传感器光轴的特征。例如，通过成像传感器的成像光学器件传送的照明可以照亮成像光学器件中的内部特征（例如孔径光阑），并且内部特征的图像可以被参考表面反射以在成像传感器的像平面上产生内部特征的图像。可替代地，传送到成像传感器的成像光学器件外部的照明可以照亮成像传感器的外部特征（例如镜头罩（lenshood）），并且外部特征的图像可以被参考表面反射以在成像传感器像平面上产生外部特征的图像。

设想了一种用于坐标测量机器的对准系统，其中将凸反射参考表面（例如球形反射器）安装在测试对象安装台（例如工作台）上，并将一个或多个传感器（包括成像传感器）安装在能够相对运动的传感器台（例如关节臂）上。可以移动测试对象和传感器台之一或两者，以实现测试对象和传感器之间所需的平移和旋转运动的范围，以从各种测试对象获取所需的测量数据。

为了在坐标测量机器的参考系内对准并以其他方式校准成像传感器，选择与成像传感器具有预定关系的成像传感器的特征作为基准标记。优选地，该特征以同心的方式围绕成像传感器的光轴，并且可以位于成像传感器的成像光学器件的内部或外部。诸如球形反射器之类的凸反射参考表面被安装在测试对象安装台上。出于两个原因，凸反射参考表面优选地具有面向成像传感器的凸形。首先，基准标记的图像可以由成像传感器在成像传感器与凸反射参考表面之间的相对位置的较宽范围内捕获，并且凸反射参考表面可以有助于测量光功率，其可以被用来更改成像传感器的有效焦距。当这样布置以通过凸反射参考表面收集图像时，基准标记而不是凸反射参考表面位于由成像传感器和凸反射参考表面限定的组合光学器件的物平面处。

基准标记作为影响光通过成像光学器件的组件，可以从填充成像传感器孔径的内部源直接照射。基准标记作为不会类似地影响光通过成像光学器件的组件可以直接从外部光源（例如从围绕成像传感器的环形光）照射，或者可以是自发光的。不管基准标记被照亮的方式如何，成像传感器和凸反射参考表面都充分对准，以使得基准标记在由凸反射参考表面反射的成像传感器的视线内可见。

基准标记的形式和放置可以与其照明的形式匹配。例如，作为孔径，基准标记优选地包含一个尖锐的边缘作为明确定义的障碍物，从而通过衍射产生辅助照明源。作为成像传感器的外部特征，基准标记也可以被认为是对准工具，其可以采取各种形式，只要对准工具可以被充分照明以提供具有足够的对比度以允许使用成像传感器的图像处理对其进行测量的特征（诸如圆形）即可。

特别地，当坐标测量机器采用多个传感器来测量测试对象的相同或不同特征时，传感器优选与坐标测量机器的公共参考系相关，通常相对于测试对象安装台和机器运动的所选轴来定义该公共参考系。作为坐标测量机器的传感器，通过固定在坐标测量机器的测试对象安装台上的凸反射参考表面对成像传感器的基准标记成像的能力允许将成像传感器与其坐标测量机器的参考系相关联。例如，可以相对于坐标测量机器的位置和取向已知的另一个传感器直接或间接地确定成像传感器在参考系内的光轴的位置和取向。此外，可以确定有关相机像素的放大率，焦平面以及旋转取向和比例的信息。

例如，假定凸反射参考表面是球形反射器，并且基准标记具有围绕成像传感器的光轴的环形形状，则由成像传感器捕获的基准标记的图像的中心产生关于图像传感器的光轴相对于球形反射器中心的位置的信息。尽管成像传感器和基准标记物作为单个刚体运动，但是成像传感器相对于球形反射器的相对平移在成像传感器的成像视场内移动基准标记物的图像。基准标记在成像视场内的相对位移会产生有关成像传感器像素相对于运动轴的间距和取向的信息。相对于球形反射器，可以在成像传感器的不同角位置处进行类似类型的测量，在该球形反射器处，成像传感器的基准标记被平移到成像传感器的成像视场。基准标记在成像视野内沿预定义运动轴的相对偏移会产生有关图像放大率和旋转对准的信息。

通过将通过球形反射器成像的基准标记的测量结果与涉及触觉探头和球形反射器之间直接接触的测量结果进行比较，可以建立与其他传感器（例如与同一关节臂上的成像传感器安装在固定位置的触觉传感器）的比较测量。例如，一旦通过常规手段相对于触觉中心确定了球形反射器的中心，则可以通过将基准标记的中心类似地定位在成像传感器的成像视场内所需的相对运动量来测量从该位置的偏移。用于使基准标记物在成像传感器的成像视场上移动的进一步运动可以用于相对定向和缩放由成像传感器产生的图像。

附图说明

参考以下详细描述以及所附的说明性附图，可以更好地理解本发明，在附图中，相同的元件被标为相同的数字。

图1是坐标测量机器的前透视图，该坐标测量机器具有从具有球形反射器作为凸反射参考表面的关节臂安装的通用传感器，该关节臂与测试对象一起安装在坐标测量机器的工作台上。

图2是多传感器头的放大透视图，该多传感器头包括成像传感器，该成像传感器是从坐标测量机器的关节臂安装在一起的多个传感器之一。

图3是以成像传感器的镜头罩形式与从球形反射器反射时来自环形光的照明形成对比而成像的基准标记的示意图。

图4A至图4C呈现了在沿着坐标测量机器的运动轴的相对于球形反射器的成像传感器的三个不同的相对位移位置处的基准标记的一系列示意性图像。

图5是被布置用于通过从凸反射表面进行反射来对基准标记物成像的基准标记物照明系统和成像传感器的示图。

图6是被布置用于通过来自凸反射表面的反射来对成像传感器的内部孔径成像的通过透镜的（through-the-lens）照明系统和成像传感器的图。

具体实施方式

坐标测量机器10以用于测量安装在工作台14上的测试对象12的许多可能的配置中的一种描绘出。关节臂16支撑通用传感器20以便围绕在各自的垂直和水平平面内延伸的两个正交轴的复合旋转，该通用传感器20可以被布置为成像传感器。例如，关节臂16支撑传感器20围绕竖直Z轴以及围绕水平轴H的旋转，取决于传感器20围绕竖直Z的角位置，水平轴H可以在水平面内的任何方向上定向。在所示的位置，水平H轴与水平Y轴对准延伸出页面，并且传感器20围绕水平H轴倾斜大约30度的角度α。相对于Z轴测量传感器20围绕水平H轴旋转通过的角度α，并且相对于水平的X轴测量传感器20围绕Z轴（未示出）旋转通过的角度β（未示出）。 因此，在图1中角度β等于90度。

关节臂16由撞锤（ram）22承载，该撞锤可沿Z轴平移通过支撑鞍座24。桥26支撑鞍座24与撞锤22一起沿水平X轴的平移。至少一个支柱28在可沿水平Y轴平移的滑架30上将桥26支撑在工作台14上方。因此，传感器20可沿着三个线性轴X，Y和Z相对于测试对象12平移，并且可围绕两个旋转轴Z和H相对于测试对象12旋转，其中，H轴本身可围绕Z轴旋转，以便在所支持的行程范围内将传感器20指向任何期望的方向。可以提供更多，更少或不同的运动轴以用于利用传感器20测量测试对象12，并且这些运动轴可以以任何方便的方式将期望的运动赋予测试对象12或传感器20中的一个或两者。

优选地，光学编码器或其他测量仪器（更一般地沿着三个线性轴X，Y，Z和两个旋转轴Z和H）监测传感器20相对于测试对象12或工作台14的相对位移。每个运动轴优选地在计算机的控制下由电动机驱动，该计算机从编码器获得反馈。监视的位移也可以并入为在公共参考系内使不同测量彼此相关而进行的测量中。

布置为成像传感器的传感器20可以提供用于捕获测试对象12的二维图像，由此可以在其视场内对测试对象12的特征进行精确测量。然而，为了使由这种成像传感器进行的相对位移的测量相互关联并且与由坐标测量机器10的其他传感器进行的测量相关联，由成像传感器捕获的图像必须与更广泛的参考系相关，所述更广泛的参考系可包括坐标测量机器10的运动轴以及传感器彼此的关系。例如，作为成像传感器的传感器20通常包括沿其捕获图像的光轴34，其在公共参考系内的位置和取向可用于将成像传感器的测量结果与其中捕获其他测量数据的更广泛参考系相关联。与更广泛的参考系也有关的是图像围绕光轴34的取向，图像的放大率或比例以及从中提取图像的焦平面沿光轴34的位置。

虽然在工作台14上的给定位置处捕获已知制品的图像可以提供可以与成像传感器的相关特性相关联的公共参考，但是与将已知制品的相似照明保持在成像传感器的不同位置和取向上相关的困难可能导致不一致的结果或不希望的并发症。为了避免这些缺点，坐标测量机器10被布置为以不同的方式将作为成像传感器的传感器20与以球形反射器36的形式示出的制品相关联。

在图2中示出了替代通用传感器20的多传感器头38的放大示图。包括三个不同传感器模块的多传感器头38旨在由工作台14上方的同一关节臂16支撑。传感器模块中的第一个是具有光轴42的成像传感器40，传感器模块中的第二个是具有扩展笔46的接触探头44，传感器模块中的第三个是深度感测激光器48。

成像传感器40包括环形灯50，其通常用于照亮诸如测试对象12之类的测试对象，但是也用于照亮以不透明的镜头罩52形式的基准标记，其也以光轴42为中心。在所示位置，成像传感器40与支撑在工作台14上方的球形反射器36对准。类似于常规的凸面镜，球形反射器36具有能够为成像传感器40沿着各种视线产生虚像的镜面。沿着与成像传感器40的光轴42重合的视线，球形反射器36产生被照亮的镜头罩52的虚像。成像传感器40聚焦在球形反射器36后面的虚像的位置处，用于将从球形反射器36的像平面显而易见的虚像中继到成像传感器40的像平面，镜头罩52的实像在该像平面处被捕获。即，成像传感器40的物平面被定位成与球形反射器36的像平面重合，使得镜头罩52一起位于包括成像传感器40和球形反射器36两者的组合光学系统的物平面中。

图3中示出了由成像传感器40捕获的镜头罩52的示意图。在图3中，仅镜头罩52的外周边缘56明显作为边界来阻挡来自周围环形灯50的光。在成像的镜头罩52的边缘56处的光对比度允许识别图像中沿着边缘的点。从这些点可以确定成像的镜头罩52的中心58，并将其与成像视场的中心60进行比较以作为成像传感器40的光轴42与球形反射器36d 中心的偏移的指示。

通过坐标测量机器的运动轴施加的所记录的运动，基准标记（例如，镜头罩52）的图像的相对位移允许确定成像传感器40的成像视场相对于机器轴的角取向以及成像视场内位移的缩放或放大率。例如，图4A至图4C描绘了反射的镜头罩52的示意图，该反射的镜头罩52由其外周边缘56在成像传感器40沿坐标测量机器10的X轴的三个相对位移的位置处被识别。在此，成像传感器40的光轴42与坐标测量机器的Z轴对准（即，角度α和β设置为零度）。

在图4A的视图中，镜头罩52的外围边缘56位于在通过球形反射器36的中心使成像传感器40的光轴42对准的位置处的成像视场内的中心——称为X和Y坐标值等于零的位置。图4B表示成像传感器40沿着机器10的X轴在负方向上位移了量aX，例如通过鞍座34沿着坐标测量机器的桥26平移。该平移出现在成像传感器40的成像视场内，作为成像的镜头罩52的所计算出的中心58通过正交检测器平面测量结果bX和bY的位移。类似地，图4C表示成像传感器40沿着机器10的X轴在正方向上位移了量cX，这导致成像的镜头罩52的计算出的中心58通过正交检测器平面测量结果dX和dY的位移。通过这些措施，可以根据表达式（dY-bY）/（aX-cX）来计算成像传感器40的成像视场相对于坐标测量机器的X轴的相对旋转（以弧度为单位）。类似地，可以根据表达式（（dX-bX）/（aX -cX））/ 100计算成像视野内预期像素间距的任何百分比误差，例如放大率的变化。即，为了使成像视场内的位移与成像传感器的实际位移匹配，可以将所期望的像素间隔减小达所计算的百分比。

在图5的示图中，成像传感器40的用作照明器的环形光50发出一定范围的散射光线62，并且这些光线62中的一些照亮镜头罩52的外周边缘56。在功能上被描述为凸面镜的球形反射器36沿着成像传感器40的光轴42以面向成像传感器40的取向定位。因此，球形反射器36处于用于接收从镜头罩52的外周边缘56散射的光的位置。光线64表示在朝向球形反射器36的方向上从外周边缘56上的物体点66散射的两条光线。散射的光线64随着在朝向成像传感器40的检测器76的方向进一步发散光线68而从球形反射器36的凸反射面反射。给定球形反射器36的反射光功率，反射光线68看起来从位于球形反射器36的凸反射表面后面的虚点70发散。可以在沿着镜头罩52的整个外周边缘56的对象点的虚平面72中形成类似的虚点。虚平面72位于由球形反射器36距镜头罩52的外周边缘56的距离和球形反射器36的曲率半径所确定的位置，如对于凸面镜所常见的。镜头罩52的外周边缘56的图像的尺寸根据从虚平面72到球形反射器36的前方的像距（沿着光轴）与从球形反射器36的前面到镜头罩52的外周边缘56的物距（沿着光轴）的比率而减小。

为了将球形反射器36作为扩大的成像系统的一部分与成像传感器40结合在一起，成像传感器40关于球形反射器36相对定位，使得在成像传感器40的视场内，球形反射器36的虚平面72基本上对应于成像传感器40的物平面74。平面72和74的最终对准允许将镜头罩52的外周边缘56成像到成像传感器40的检测器76上。例如，首先通过球形反射器36成像到虚点70的外周边缘56上的物点66被反射的光线68中继通过成像传感器40的透镜78，其中光线68被转换成会聚光线80，其在像点82处聚焦到检测器76上。因此，结合了球形反射器36和成像传感器40的折叠成像系统的物平面位于被成像到检测器76上的镜头罩52的外周边缘56处。图3和4A-4C描绘了这种成像的示例。

图6的示图还描绘了结合了成像传感器40A和球形反射器36的成像系统，但是其特征在于用于照亮位于成像传感器40A的成像光学器件之间的基准标记的不同的照明系统。通过透镜的照明器86包括光源88，光束整形光学器件90和分束器92，以便用发散光束96用于填充内部孔径94（例如孔径光阑）。这些光中的一些从内部孔径94的外围边缘散射。例如，光线102从内部孔径94的外围边缘上的目标点100散射。散射光线102在到达球形反射器36的途中被透镜78折射。这样，接近球形反射器36的光线102看起来从光瞳108上的对应点110发散，该光瞳是通过透镜78看到的孔径94的光学图像。

光线102作为进一步发散的光线104从球形反射器36的凸反射表面反射，它们看起来从球形反射器36的凸反射表面后面的虚点106发散。可以在沿着内部孔径94的整个外围边缘的对象点的虚平面112中形成类似的虚点。虚平面112位于球形反射器36的凸反射表面的后面，位置由球形反射器36距内部孔径94（如在光瞳108中显现出的）的距离和球形反射器36的曲率半径确定。

类似于图5的成像系统，成像传感器40A关于球形反射器36相对定位，使得在成像传感器40A的视场内，球形反射器36的虚平面112基本上对应于成像传感器40A的物平面114。平面112和114的最终对准允许内部孔径94的外围边缘被成像到成像传感器40A的检测器76上。例如，球形反射器36将对象点100的光瞳在内部孔径94的外围边缘上成像到虚点106。看起来从虚点106发散的反射光线104被引导回穿过成像传感器40A的透镜78，在那里光线104被转换为会聚光线116，会聚光线116在像点120处聚焦到检测器76上。

成像传感器40A和球形反射器36的各种操作参数被设置为使得至少一些反射光线104及其后继者116能够在到达检测器76的途中通过内部孔径94。尽管光瞳108被示出为在表示照相机的成像系统的简化版本的孔径94和透镜78之后，但是光瞳的尺寸和位置可以根据成像系统的布局和设计而变化。

优选地，将整个孔径或其他基准标记物成像到检测器76上，以便定位成像的基准标记物的中心。但是，仍然可以通过识别圆形基准标记的成像边界上的至少三个不同点来找到中心。因此，即使基准标记的部分图像也可以用于确定所成像的基准标记的中心，并且基准标记本身可以包括最小程度地能够在三个不同的点成像以定位基准标记的预期中心的结构。

所公开的示例和这些示例的特征说明了根据本公开的整体教导对于本领域技术人员而言将是显而易见的各种组合，变型，修改和替代，包括随后在本领域中进行的未预见到的发展。

Claims (14)

1.一种在坐标测量机器的参考系内对准成像传感器的方法，包括以下步骤：

照亮与成像传感器具有经定义的关系的基准标记；

相对于与坐标测量机器的测试对象安装台具有经定义的关系的凸反射参考表面相对地移动成像传感器，使得由凸反射参考表面反射的基准标记的图像位于成像传感器的成像视场内；

相对于凸反射参考表面进一步相对地移动成像传感器，以便在成像传感器的成像视场的一部分上平移基准标记的图像；以及

将基准标记在成像传感器的成像视场上的位移与以下各项中的至少一项相关联：（a）成像传感器连同凸反射参考表面对基准标记的放大率，以及（b）坐标测量机器的参考系中的成像传感器的取向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基准标记位于所述成像传感器的成像光学器件之间，并且所述照亮步骤包括沿着穿过所述成像光学器件的路径传送光，以照亮所述基准标记。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述基准标记是所述成像传感器的孔径光阑。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，照亮所述基准标记的步骤包括利用通过成像光学器件的光路外部的外部光源来照亮所述基准标记。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基准标记被布置为利用所述成像传感器进行刚体运动。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述基准标记是由所述成像传感器携带的镜头罩。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，照亮基准标记的步骤包括使来自所述基准标记的边缘的光衍射。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成像传感器包括用于传送所述基准标记的图像的成像光学器件，所述成像光学器件限定所述成像传感器的光轴，并且所述基准标记以所述成像传感器的光轴为中心。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，相对地移动所述成像传感器的步骤包括将所述基准标记相对地定位在物平面上，从所述物平面照射所述基准标记的光被所述凸反射参考表面反射，并且然后由所述成像传感器的成像光学器件传送到成像传感器的像平面。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述凸反射参考表面具有面向所述成像传感器的凸形。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述凸反射参考表面具有球形形状。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，相对于所述凸反射参考表面进一步相对地移动所述成像传感器的步骤包括测量所述成像传感器相对移动的一个或多个距离，以及测量基准标记的图像在所述成像传感器的成像视场的一部分上移动的一个或多个距离。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，使所述基准标记在所述成像传感器的成像视场的上的位移相关联的步骤包括将基准标记的图像在成像视场的一部分上移动的一个或多个距离与成像传感器相对移动的一个或多个距离相关联，以便测量成像传感器连同凸反射参考表面的放大率。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述基准标记的图像在所述成像视场的一部分上移动的一个或多个距离的测量包括二个维度上的坐标测量，以及将所述基准标记在所述成像传感器的成像视场上的位移相关联的步骤包括将在二个维度上的坐标测量与成像传感器在坐标测量机器的参考系内的取向相关联。

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