CN115511927A - 一种用于光学仪器入瞳六轴空间分配的集成校准工具 - Google Patents

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CN115511927A CN202211126141.9A CN202211126141A CN115511927A CN 115511927 A CN115511927 A CN 115511927A CN 202211126141 A CN202211126141 A CN 202211126141A CN 115511927 A CN115511927 A CN 115511927A
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Abstract

本发明公开了一种校准某一设备的系统，该系统包括一个分束器；被配置为可移除地附接到所述设备的第一分划板；以及一个包括图像平面的图像捕获设备，其中第一分划板的图像被配置为通过分束器沿着分束器的光轴在图像平面处被接收，其中由第一分划板指示的方向与图像平面的方向相比较，并且如果由第一分划板指示的方向不同于图像平面的方向，该设备围绕分束器的光轴旋转，使得由第一分划板指示的方向与图像平面的方向匹配。

Description

一种用于光学仪器入瞳六轴空间分配的集成校准工具
技术领域
本发明涉及一种具有六轴空间分配成像能力的校准工具；具体而言，本发明涉及一种具有六轴分配成像能力的仪器入瞳校准工具。
背景技术
在某一应用中，需要校准工具来测量Z方向上的深度或距离，其中Z方向是校准工具的光路方向。例如，传统彩色共焦传感器的输出可基于Z方向测量值生成设备的位置测量值。传统的彩色共焦传感器可以布置在X-Y坐标平面中的各种X-Y位置，以获得Z方向数据，从而扩展其用于填充某一设备的位置数据，该设备的位置以距X-Y平面的距离测量，以产生以(X，Y，Z)坐标系统，或以分别围绕X轴、Y轴和Z轴的旋转角度指定的方向来表示位置数据。然而，传统的彩色共焦传感器只能产生三维位置，该三维位置可以用(X，Y，Z)坐标系或方向(RX，RY，RZ)来指定，其中，RX表示围绕X轴或倾斜的角度，RY表示围绕Y轴或倾斜的角度，而RZ表示围绕Z轴或旋转的角度，如果要检测的设备的特征围绕Z轴对称，即与彩色共焦传感器的光轴共轴的轴，则该三维位置被指定为围绕基础坐标三个轴中两个轴的旋转值。因此，在例如具有与传统彩色共焦传感器同轴对准的入射光瞳的设备结合使用传统彩色共焦传感器中，由于入射光瞳的特征或围绕入口的其他特征是围绕传感器光轴对称的，因此没有可用的RZ或旋转数据。此外，彩色共焦传感器的采购成本相对较高。
因此，需要一种能够提供关于所有X、Y和Z轴所有旋转角度的校准工具，并且能够提供X、Y和Z轴坐标空间中的位置信息，其中校准工具的采购成本在光学设备制造商相对可承受的范围内。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种能够提供指示器的工具，从而可以获得或指示某一设备围绕该工具光轴的旋转方向；本发明的另一个目的是提供一种工具，该工具能够提供位置数据和旋转数据，包括关于所有X、Y和Z轴的旋转角度的指示。
技术方案：本发明所述的一种用于校准设备的系统，该系统包括：一个分束器；第一分划板，被配置为可拆卸地附接到所述设备；和一个包括图像平面的图像捕获设备，其中第一分划板的图像被配置为通过该分束器沿着该分束器的光轴在该图像平面处被接收，其中将由该第一分划板指示的方向与图像平面的方向进行比较，并且如果由该第一分划板指示的方向不同于该图像平面的方向，则该设备绕该分束器光轴旋转，从而该第一分划板指示的方向与该图像平面的方向匹配。
在一个实施例中，该系统还包括第二分划板，其中第二分划板被配置为可移除地附接到该分束器，并且第二分划板的图像被配置为通过分束器在沿着分束器光轴的图像平面处被接收，其中将第二分划板指示的方向与该图像平面的方向进行比较，并且如果第二分划板指示的方向不同于该图像平面的方向，则调整图像捕获设备的位置和方向中的至少一个，使得第二分划板指示的方向与该图像平面的方向匹配。
在一个实施例中，将第一分划板指示的方向与图像平面的方向相比较，并且如果第一分划板指示的方向不同于图像平面的方向，则设该备围绕分束器的光轴旋转，使得第一分划板指示的方向与该图像平面的方向相匹配。
在一个实施例中，第一分划板的图像聚焦在图像平面上，并且通过比较第一分划板的图像的尺寸与第一分划板的相应尺寸以获得第一分划板的图像的第一放大率，第二分划板还包括已知位置，第二分划板的图像聚焦在图像平面上，并且通过比较第二分划板的图像的尺寸与第二分划板的相应尺寸来获得第二分划板的图像的第二放大率，部分地基于第一放大率和第二放大率来计算第一分划板相对于第二分划板的位置。
在一个实施例中，该系统还包括定向光源，该定向光源被配置为由分束器透射并在第一点投射到该图像平面上，并被配置为由分束器反射并被引导到该设备，由设备反射的光源被分束器引导到第二点的图像平面上，其中如果第二点没有入射到第一点上，则该设备被称为布置在不垂直于分束器光轴的方向上。
在一个实施例中，定向光源包括激光束。
在一个实施例中，第一分划板包括一个光圈，以使光源能够对第一分划板内的设备区域成像。
在一个实施例中，该设备是具有外部光圈的光学成像系统、具有旋转对准要求的光学成像系统或其组合。
在一个实施例中，图像捕获设备是电荷耦合器件(CCD)相机。
有益效果：本发明系统不仅可用于确定设备在X、Y和Z轴上的位置，其中这些轴相互正交，还可用于确定围绕这些轴的旋转角度；本发明系统可用于确定待测量设备的一部分是否相对于本发明系统的光轴正交布置，如果没有正交布置，可以调整待测量设备的方向，从而可以使用简单的正交指示器来确保方向在目标位置。
附图说明
图1是描绘用于校准具有外部入射光瞳的设备的本发明系统的示意图；
图2是描绘图1的本发明系统的示意图，该系统用于本系统围绕其光轴的方向的自校准，并用于获得相机的光学透镜组和第二分划板之间的距离；
图3是这里使用的分划板的俯视图；
图4是描述图1的本发明系统的示意图，该系统用于获得相机的光学透镜组和第一分划板之间的距离；
图5是描绘图1的本发明系统的示意图，该系统用于获得该设备围绕垂直于分束器光轴的轴的方向；
其中，光源2；分束器4；图像捕捉设备或相机6；待测量或校准的仪器或设备8；光学透镜组10；图像平面12；待测量或校准的设备表面14；设备的入射光瞳16；分划板A的投射图像18；分划板B的投射图像20；透射光束图象被投射的点22；由分束器反射的光束图像被投射的点24；分束器光轴26；图像平面的中心28；光圈30；光学反射表面32；十字准线34。
具体实施方式
此处使用的术语“大约”是近似、大致、大约或在…的范围内。当术语“大约”与数值范围结合使用时，它通过扩展设定数值的上下边界来修改该数值范围。一般来说，此处使用的术语“大约”用高于或低于规定值的20％的方差来修改所述值。
图1是描述用于校准具有外部入射光瞳16的设备8的本发明系统的示意图。在一个示例中，设备8是具有外部光圈16(例如入射光瞳)的光学成像系统。在另一个例子中，该设备是具有旋转对准要求的光学成像系统。图2是描绘图1的本发明系统的示意图，用于本发明系统围绕其光轴26的方向的自校准，并用于获得相机6的光学透镜组10和第二分划板或分划板B之间的距离或分划板B的物距，以及该成像距离或该成像平面12到相机6的光学镜头组10之间的距离。这里，分划板B的图像20投射在图像平面12上。图4是描述图1的本发明系统的示意图，该系统用于获得相机6的光学透镜组10和第一分划板之间的距离或物距。这里，分划板A的图像18投射在图像平面12上。在图1所示的实施例中，分束器4与相机6在中心对准，使得与分束器光轴26对准的物体的图像可以投射在照相机6的图像平面12上。在未显示的另一个实施例中，相机可以选择地与其光轴与Z轴对齐。然而，如将在本文其他地方展示的，分束器被用于允许使用另一个输入，而不需要重新排布本系统的组件。这里还显示了两个分划板，即分划板A和分划板B。分划板B的目的是双重的。首先，如果必要的话，相机6的对准可以使用该分划板自校准。分划板B被配置为可移除地附接到所述分束器4，并且分划板B的图像被配置为通过该分束器4在沿着该分束器光轴26的该图像平面12处被接收，将分划板B指示的方向与图像平面12的方向进行比较，并且如果分划板B指示的方向不同于图像平面12的方向，则调整该相机或图像捕获设备6的位置或方向，例如一个电荷耦合器件(CCD)相机，使得分划板B指示的方向与图像平面12的方向匹配。可以使用布置在图像平面12上的任何网格线来建立图像平面12的方向。第二，分划板B可用于获得其位置与光学透镜组10之间的距离，即由Lo-B-1和Lo-B-2之和表示的距离，或图2中的物距和由Li-B表示的距离或像距。这里需要指出的是，通过这些距离，可以得到分划板A和B之间的距离。此距离很重要，因为当Z轴上的位置信息可用时，可以建立该信息。在使用时，分划板B可以被移除，使得它不会遮挡来自设备表面14的其他部分的光束，并且可以投射到图像平面12。然而，如果需要的话，在不再需要使用分划板A之后，分划板B可以在校准过程的整个剩余时间内留在原位，因为分划板B也具有允许执行整个校准过程的光圈30。
图3是这里使用的分划板的俯视图。分划板A被配置成可移除地附接到待测量或测试的设备的表面14。它的功能也是双重的。首先，分划板A相对于设备的入射光瞳16同轴布置。分划板A包括光圈30，以允许对设备的入射光瞳的内部部分成像。分划板A或分划板B中的任一个包括反射表面32，反射表面32具有两对外围十字准线34。这样，每个分划板所代表的方向就可以很容易地辨别出来。其次，可以计算出分划板A和图像平面12之间的距离。这个距离是Lo-A-1、Lo-A-2和Li-A-2的总和。
在获得设备的方位时，分划板A的图像被配置为通过分束器4沿着分束器4的光轴在图像平面处被接收。调节相机聚焦功能，以在图像平面12上获得分划板A的聚焦图像。然后将该方向与图像平面12的方向进行比较。该方向可以是基于分划板B调整的方向，也可以是未基于分划板B调整的方向。将分划板A指示的方向与图像平面12的方向进行比较，如果分划板A指示的方向不同于图像平面的方向，则设备围绕分束器光轴26或Z轴旋转，使得分划板A指示的方向与图像平面12的方向相匹配。
光学方程可用于求解两个分划板之间的距离，即分划板A和B。物体(例如分划板A或B)与光学透镜组10，或Lo或物体之间的距离及其投射图像18与光学透镜组10或Li之间的距离或图像距离使用方程1/Lo+1/Li＝1/EFL相关，其中EFL表示有效焦距。Lo和Li也通过方程M＝Lo/Li相关，其中M表示放大率。EFL是光学透镜组的常数值，M可通过比较投射在图像平面上的图像的尺寸和具有投射在图像平面上的图像的分划板的已知物理尺寸来获得。虽然对于分划板A，Lo＝Lo-A-1+Lo-A-2和Li＝Li-A，对于分划板B，Lo＝Lo-B-1+Lo-B-2和Li＝Li-B，但是没有必要求解这些关系的所有部分来得到两个分划板之间的距离。将方程1/Lo+1/Li＝1/EFL中的Li＝(1/M)*Lo代入，Lo＝(1+M)*EFL。由于M可以计算，且EFL已经是一个已知量，因此可以得到Lo。由此也可由方程M＝Lo/Li得到Li。具有每个分划板和图像平面之间的总距离，这些距离之间的差产生两个分划板之间的距离或设备和分划板B的顶面之间的距离或Z方向上的量。
图5是描绘图1的本发明系统的示意图，该系统用于获得该设备围绕垂直于分束器光轴26的轴的方向。在一个实施例中，该系统还包括定向光源2，被配置为由分束器4透射并在第一点22投射到该图像平面12上，并被配置为由分束器4反射并被引导到该设备，由该设备反射的光源被分束器引导到第二点24的图像平面上，其中如果第二点24没有入射到第一点22上，则该设备被称为布置在不垂直于分束器4光轴的方向上。这里确定了一个绕Y轴旋转的角度，并可以对这个角度进行调整。可以看出，尽管没有显示，绕X轴旋转的角度也可以类似地确定。在一个实施例中，定向光源包括用于产生具有小覆盖区的光源的激光束。
在一个实施例中，在执行设备的校准时，首先相对于本发明系统调整设备的位置。相机6首先被供电，使得入射光瞳16可以首先被定位和定向。应移动待测量、校准或测试的设备，直至分划板A出现在像面12的中心。如果需要校准本发明系统，该步骤应该在包括入射光瞳16的定位和定向的其他步骤之前执行。在校准本系统时，当分划板B沿着光轴26附着到分束器4的顶面时，将获得分划板B的图像。图像应在中心28处的图像平面上居中，并且该图像平面应相对于分划板B的方向指示器定向，例如，通过将该图像平面的网格线与分划板B的十字准线对准。应调整任一组件(即分束器4和相机6)的定位和/或方向。然后可以使用分划板A来校准设备围绕Z轴的方向或围绕Z轴或RZ的旋转角度。设备的倾斜可以使用与图5相关联的策略来校准。如果需要，设备的其他表面特征的位置可以用识别标线的相同方式来识别。

Claims (20)

1.一种用于校准设备的系统，其特征在于，所述系统包括：一个分束器；第一分划板，被配置为附接到所述设备；和一个包括图像平面的图像捕获设备，其中所述第一分划板的图像被配置为通过所述分束器沿着所述分束器的光轴在所述图像平面处被接收，其中将由所述第一分划板指示的方向与图像平面的方向进行比较，并且如果由所述第一分划板指示的方向不同于该图像平面的所述方向，则该设备绕所述分束器的所述光轴旋转，从而所述第一分划板指示的方向与图像平面的所述方向匹配。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二分划板，其中所述第二分划板被配置为附接到所述分束器，并且所述第二分划板的图像被配置为通过所述分束器沿着所述分束器的光轴在所述图像平面处被接收，其中将所述第二分划板指示的方向与图像平面的所述方向进行比较，并且如果所述第二分划板指示的方向不同于图像平面的所述方向，则调整该图像捕获设备的位置和方向中的至少一个，使得所述第二分划板指示的方向与该图像平面的所述方向匹配。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，将由所述第一分划板指示的方向与该图像平面的所述方向进行比较，并且如果由所述第一分划板指示的方向不同于图像平面的所述方向，则所述设备围绕所述分束器的所述光轴旋转，使得由所述第一分划板指示的方向与图像平面的所述方向匹配。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，其中所述第一分划板的所述图像聚焦在所述图像平面上，并且通过比较所述第一分划板的所述图像的尺寸与所述第一分划板的相应尺寸来获得所述第一分划板的所述图像的第一放大率，所述第二分划板还包括一个已知位置，所述第二分划板的所述图像聚焦在所述图像平面上，并且通过比较所述第二分划板的所述图像的尺寸与所述第二分划板的相应尺寸来获得所述第二分划板的所述图像的第二放大率，部分基于所述第一放大率和所述第二放大率来计算第一分划板相对于所述第二分划板的位置。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括定向光源，其被配置为由所述分束器透射并在第一点投射到所述图像平面上，并且被配置为由所述分束器反射并被导向该设备，所述设备对光源的反射被所述分束器在第二点导向所述图像平面，其中如果所述第二点没有入射到所述第一点上，则该设备被布置在不垂直于所述分束器的所述光轴的方向上。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一分划板包括一个光圈，以使所述光源能够对所述第一分划板内的设备区域成像。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述定向光源包括一束激光束。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该设备是从包括具有外部光圈的光学成像系统、具有旋转对准要求的光学成像系统及其组合的设备组中选择的一种设备。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像捕获设备是电荷耦合器件相机。
10.一种用于校准设备的系统，其特征在于，所述系统包括：一个分束器；第一分划板，被配置为附接到该设备；一个包括图像平面的图像捕获设备，其中所述第一分划板的图像被配置为通过所述分束器沿着所述分束器的光轴在所述图像平面处被接收，和一个定向光源，其中将由所述第一分划板指示的方向与图像平面的方向进行比较，并且如果由所述第一分划板指示的方向不同于图像平面的所述方向，该设备围绕所述分束器的所述光轴旋转，使得由所述第一分划板指示的方向与图像平面的所述方向相匹配，并且所述定向光源被配置为由所述分束器透射并在第一点投射到所述图像平面上，并且被配置为由所述分束器反射并被导向该设备，所述设备对光源的反射被所述分束器在第二点处引导到所述像平面，其中如果第二点没有入射到所述第一点上，则所述设备被设置在不垂直于所述分束器的所述光轴的方向上。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二分划板，其中所述第二分划板被配置为附接到所述分束器，并且所述第二分划板的图像被配置为通过所述分束器沿着所述分束器的光轴在所述图像平面处被接收，其中将所述第二分划板指示的方向与图像平面的所述方向进行比较，并且如果所述第二分划板指示的方向不同于图像平面的所述方向，则调整该图像捕获设备的位置和方向中的至少一个，使得所述第二分划板指示的方向与该图像平面的所述方向匹配。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，将由所述第一分划板指示的取向与该图像平面的所述方向进行比较，并且如果由所述第一分划板指示的方向不同于图像平面的所述方向，则所述设备围绕所述分束器的所述光轴旋转，使得由所述第一分划板指示的方向与图像平面的所述方向匹配。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第一分划板的所述图像聚焦在所述图像平面上，并且通过比较所述第一分划板的所述图像的尺寸与所述第一分划板的相应尺寸进行来获得所述第一分划板的所述图像的第一放大率，所述第二分划板还包括一个已知位置，所述第二分划板的所述图像聚焦在所述图像平面上，并且通过比较所述第二分划板的所述图像的尺寸与所述第二分划板的相应尺寸来获得所述第二分划板的所述图像的第二放大率，部分基于所述第一放大率和所述第二放大率来计算第一分划板相对于所述第二分划板的位置。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一分划板包括一个光圈，以使所述光源能够对所述第一分划板内的设备区域成像。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述定向光源包括一束激光束。
16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，该设备是从包括具有外部光圈的光学成像系统、具有旋转对准要求的光学成像系统及其组合的设备组中选择的一种设备。
17.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述图像捕获设备是电荷耦合器件相机。
18.一种用于校准设备的系统，其特征在于，所述系统包括：一个分束器；第一分划板，被配置为附接到该设备；一个包括图像平面的图像捕获设备，其中所述第一分划板的图像被配置为通过所述分束器沿着所述分束器的光轴在所述图像平面处被接收，和第二分划板被配置为附接到所述分束器，并且所述第二分划板的图像被配置为通过所述分束器在沿着所述分束器的光轴的所述图像平面处被接收，其中将由所述第二分划板指示的方向与图像平面的所述方向进行比较，并且如果由所述第二分划板指示的方向不同于图像平面的所述方向，图像捕获设备的位置和方向中的至少一个被调整，使得由所述第二分划板指示的方向匹配图像平面的所述方向，并且将由所述第一分划板指示的方向与图像平面的方向进行比较，并且如果由所述第一分划板指示的方向不同于图像平面的所述方向，则设备围绕所述分束器的所述光轴旋转，使得由所述第一分划板指示的方向匹配图像平面的所述方向。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述系统还包括，其中将由所述第二分划板指示的方向与图像平面的所述方向进行比较，并且如果由所述第二分划板指示的方向不同于图像平面的所述方向，则调整图像捕获设备的位置，使得由所述第二分划板指示的方向与图像平面的所述方向匹配。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述图像捕获设备是电荷耦合器件相机。
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