CN219390833U - 六自由度误差校正设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种六自由度误差校正设备，所述设备包括六轴校正载台、自准直测量装置、分光件、远心影像测量装置以及控制器。其中，六轴校正载台用于承载待测件，自准直测量装置沿测量光轴设于六轴校正载台上方，分光件设于测量光轴上并介于六轴校正载台与自准直测量装置之间，远心影像测量装置设于测量光轴一侧并对应于分光件。据此，可通过控制器控制六轴校正载台根据自准直测量结果校正待测件至少两个自由度的偏转误差，并控制六轴校正载台根据远心影像测量结果校正待测件至少三个自由度的位移误差及偏摆误差。

Description

六自由度误差校正设备

技术领域

本实用新型关于运用光学测量原理对产品组件的定位进行误差校正的技术，尤指一种六自由度误差校正设备。

背景技术

光学组件加工与组装的误差对光学系统的影响甚巨，特别是应用于虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)或延展现实(XR)的头戴式显示设备中的投影显示模块，此类光学组件在制作或相关系统在组装时，若出现定位上的误差将会相当显著地直接影响视觉效果。

一般而言，在物品在三维空间中所产生误差包括六个自由度误差，分别是前后(Forward/Backward)、上下(Up/Down)、左右(Left/Right)的平移误差，以及俯仰(Pitch)、偏摆(Yaw)及翻滚(Roll)的偏摆误差。换言之，为了使误差校正的结果更为精准，不但测量及校正技术也要具备六个自由度的规格，最好还能在单一校正设备上就能具备同步进行六自由度定位测量与校正的设计。

然而，现有误差校正技术虽然具备六个自由度的规格，但都是针对不同自由度分次甚至是在不同设备进行定位测量与校正，而非在单一设备同步进行。如图1所显示现有的误差校正设备9，其主要包括校正载台92、自准直测量机93、远心影像测量机94及共轭焦距离测量机97。其中，自准直测量机93用以测量俯仰/翻滚的自由度，远心影像测量机94用以测量前后/左右/偏摆的自由度，共轭焦距离测量机97用以测量上下的自由度。

承上，所述三种光学测量机台都可各自针对特定的自由度进行测量和校正，不过必须分次逐一进行。也就是说，必须将待测物d依序移载到自准直测量机93、远心影像测量机94、以及共轭焦距离测量机97下方并分别进行各自由度的校正。如此一来，产品组件移载次数过多，导致单一待测物d校正的整体运行时间过长，造成设备产能效率不佳。而且，校正载台92在移载待测物d的过程中也容易再次形成误差，导致校正效果大减。又，各测量机并排设置，也造成整体设备所占体积庞大，坪效不佳。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种六自由度误差校正设备，能整合多种光学测量机台进行六个自由度的同步测量及误差校正，进而优化误差校正的精度与效率，以及节省时间成本与机台所占体积。

为达成上述目的，本实用新型一种六自由度误差校正设备，包括六轴校正载台、自准直测量装置、分光件、远心影像测量装置、光学件、共轭焦距离测量装置以及控制器。其中，六轴校正载台用于承载待测件，自准直测量装置沿着测量光轴而设置于六轴校正载台的上方，分光件设置于测量光轴上并介于六轴校正载台与自准直测量装置之间，远心影像测量装置设置于测量光轴的一侧并对应于分光件，共轭焦距离测量装置设置于测量光轴的一侧并对应于光学件。其中，光学件设置于测量光轴上并介于六轴校正载台与自准直测量装置之间，其可用于分光反射或全反射共轭焦距离测量装置的测量光而沿着测量光轴至待测件。

据此，通过电性连接至六轴校正载台、自准直测量装置、远心影像测量装置以及共轭焦距离测量装置的控制器，可控制六轴校正载台根据自准直测量装置的测量结果校正待测件的至少两个自由度的偏转误差，也可控制六轴校正载台根据远心影像测量装置的测量结果校正待测件的至少三个自由度的位移误差及偏摆误差，以及可控制六轴校正载台根据共轭焦距离测量装置的测量结果校正待测件的至少一个自由度的位移误差。

优选的是，光学件可设置于自准直测量装置与分光件之间，也可设置于分光件与六轴校正载台之间。优选的是，光学件可为分光镜、反射镜、具有局部分光镀层的透镜、具有局部反射镀层的透镜、具有镂空光通道的分光镜或具有镂空光通道的反射镜。优选的是，分光件可为分光镜、具有局部分光镀层的透镜或具有镂空光通道的分光镜。优选的是，自准直测量装置可测量待测件于俯仰及翻滚的两个自由度的偏转误差，远心影像测量装置可测量待测件平面上两个自由度的位移误差以及平面上的一个自由度的偏摆误差，共轭焦距离测量装置可测量待测件于高度上一个自由度的位移误差。

优选的是，通过控制器，可先控制六轴校正载台根据自准直测量装置的测量结果校正待测件的偏转误差后，再控制六轴校正载台根据远心影像测量装置或共轭焦距离测量装置的测量结果校正待测件的位移误差或偏摆误差。更佳的是，通过控制器，可先控制共轭焦距离测量装置测量待测件的处于高度上一个自由度的位移误差，再控制六轴校正载台水平平移，随后控制共轭焦距离测量装置测量待测件的另一个处于高度上一个自由度的位移误差，最后根据共轭焦距离测量装置于待测件的两处的测量结果校正待测件于高度上的至少一个自由度的位移误差。

由此可知，本实用新型的六自由度误差校正设备，成功整合自准直测量装置(Autocollimation Measurement Device)、远心影像测量装置(Telecentric ImageMeasurement Device)以及共轭焦距离测量装置(Confocal Distance MeasurementDevice)，使三种光学装置可利用同一个光轴进行测量，并与六轴校正载台共同组建成具有光学共轴架构的六自由度误差校正系统，相较于现有技术本实用新型具备以下优势：一、可同步对六个自由度进行定位测量，无须异地移位测量、校正，可产生更精准的测量结果；二、由于减少移位测量及重新定位的时间，可显著提升校正效率；三、将三种测量装置整合于同一个设备上并利用同一个测量光轴进行测量，如此上下紧凑配置，故可显著缩小整体设备所占用体积。

附图说明

图1显示现有技术的系统架构图。

图2A显示本实用新型第一实施例的系统架构图。

图2B显示本实用新型第一实施例中二测量装置的配置立体图。

图3A显示本实用新型第二实施例的系统架构图。

图3B显示本实用新型第二实施例中三测量装置的配置立体图。

图4A显示本实用新型第三实施例的系统架构图。

图4B显示本实用新型第三实施例中三测量装置的配置立体图。

图5A至图5C分别显示三种不同的分光件变形态样的立体图。

图6A至图6C分别显示以反射镜作为光学件时三种不同的变形态样的立体图。

具体实施方式

本实用新型的六自由度误差校正设备在本实施例中被详细描述之前，请注意，以下的说明中，类似的组件将以相同的组件符号来表示。再者，本实用新型的附图仅作为示意说明，其未必按比例绘制，且所有细节也未必全部呈现于附图中。

请先参阅图2A及图2B，图2A显示本实用新型第一实施例的系统架构图，图2B显示本实用新型第一实施例中三测量装置的配置立体图。如图所示，本实用新型第一实施例的六自由度误差校正设备1主要包括六轴校正载台2、自准直测量装置3、分光件5、远心影像测量装置4以及控制器6。六轴校正载台2用于承载待测件D，其也可调整待测件D在三维空间中六个自由度的方位；其中，请见图2B，六个自由度包括X轴向上的前后位移、Z轴向上的上下位移、Y轴向上的左右位移，以及分别沿着X、Y、Z三个轴向转动的俯仰(Pitch)U、偏摆(Yaw)W及翻滚(Roll)V。

再者，自准直测量装置3设置于六轴校正载台2的上方，并沿着测量光轴Oa对准六轴校正载台2上所承载的待测件D，也就是，自准直测量装置3的测量光路与测量光轴Oa相互重叠或相互平行。分光件5位于测量光轴Oa上，并设置于六轴校正载台2与自准直测量装置3之间，也就是，六轴校正载台2、待测件D、分光件5及自准直测量装置3沿着测量光轴Oa共轴配置。

远心影像测量装置4设置于测量光轴Oa的一侧并对应于分光件5，且远心影像测量装置4与测量光轴Oa间隔有一段距离，且其初始测量光路与测量光轴Oa相互垂直，再经由分光件5分光折射而与测量光轴Oa相互重叠或相互平行，直至对准六轴校正载台2上承载的待测件D。

第一实施例的分光件5可为分光透镜，借由其分光特性，可让位于分光件5正上方的自准直测量装置3通过透射取得待测件D的测量影像以便进行校正；同时，也可让位于分光件5一侧的远心影像测量装置4通过反射取得待测件D的测量影像以便进行校正。

另外，控制器6电性连接至六轴校正载台2、自准直测量装置3以及远心影像测量装置4。关于本实施例的校正步骤，先通过控制器6控制自准直测量装置3测量待测件D的俯仰U及翻滚V的偏转误差，并控制六轴校正载台2根据测量结果校正此两个自由度的偏转误差。接着，控制器6控制远心影像测量装置4测量待测件D的四个自由度的位移误差及偏摆误差，即包括平面上的前后和左右的位移误差及偏摆(Yaw)W误差，以及高度上(Z轴)的位移误差；且控制六轴校正载台2根据测量结果，以校正上述四个自由度的误差。

特别说明，关于校正步骤中先校正俯仰U及翻滚V的偏转误差，之后才校正平面上位移误差及偏摆W误差及高度上的位移误差等四个自由度误差的原因在于，后续的四个自由度误差校正必须建立在已经没有俯仰U及翻滚V的偏转误差的前提下。因为俯仰U及翻滚V的偏转误差将会影响到后续的四个自由度误差的测量结果。

请同时参阅图5A至图5C，其分别显示三种不同的分光件5变形态样的立体图。由于一般分光透镜会将光束分成穿透光及反射光，本实施例预设将入射光通量分光成穿透光及反射光各50％，故在预设的光路上每经过一次分光镜就减损约50％的光通量。然而，为了降低光源因分光而被衰减，进而影响自准直测量装置3的测量结果，本实施例的分光件5可为具有局部分光镀层511的透镜51，如图5A所示。其中，局部分光镀层511对应于远心影像测量装置4，并使其取得测量影像。由于透镜51本身为透光材质，除局部分光镀层511外的其余部分可使自准直测量装置3的光源直接通过，故可充分避免其光源被分光衰减而影响判读。

此外，在其他的替代方案中，分光件5也可为具有镂空光通道的分光镜53；由于分光镜53本身具有分光镀层，可反射影像而使远心影像测量装置4取得测量影像，而镂空光通道则可使自准直测量装置3的光源直接通过，同样可避免其光源被分光衰减而影响判读。其中，镂空光通道可为钻孔531(如图5B所示)或贯通槽532(如图5C所示)。

请再参阅图3A及图3B，图3A显示本实用新型第二实施例的系统架构图，图3B显示本实用新型第二实施例中三测量装置的配置立体图。如图所示，第二实施例与第一实施例主要不同之处在于，第二实施例其还包括共轭焦距离测量装置7及光学件8。其中，光学件8位于测量光轴Oa上，并设置于自准直测量装置3与分光件5之间，也就是，六轴校正载台2、待测件D、分光件5、光学件8以及自准直测量装置3沿着测量光轴Oa共轴配置。

共轭焦距离测量装置7设置于测量光轴Oa的一侧，并对应于光学件8；其中，自准直测量装置3、远心影像测量装置4及共轭焦距离测量装置7分别沿着X、Y、Z三个轴设置，且在Z轴高度上分别间隔特定距离。而且，共轭焦距离测量装置7也与测量光轴Oa间隔一段距离，且其初始测量光路与测量光轴Oa相互垂直，并经由光学件8分光折射或反射而与测量光轴Oa相互重叠或相互平行，直至对准六轴校正载台2上承载的待测件D。

据此，由于光学件8设置于自准直测量装置3与分光件5之间，共轭焦距离测量装置7的测量光将先经由光学件8分光反射或直接反射之后，又通过分光件5才能抵达待测件D，以进行测量。此外，如图3A所示，控制器6电性连接至六轴校正载台2、自准直测量装置3、远心影像测量装置4以及共轭焦距离测量装置7。

关于本实施例的实施步骤，如同前述第一实施例，先通过控制器6控制六轴校正载台2根据自准直测量装置3的测量结果，以校正待测件D的俯仰U及翻滚V的偏转误差；接着，控制器6控制根据远心影像测量装置4的测量结果，以校正待测件D的前后及左右的位移误差以及于偏摆W的偏转误差；同时，控制器6控制根据共轭焦距离测量装置7的测量结果，以校正待测件D在高度上(Z轴)的位移误差。至于，远心影像测量装置4和共轭焦距离测量装置7的测量顺序和其对应的校正顺序就不受限制，可彼此调换或甚至同时间进行。

另外，特别说明，前述第一实施例利用远心影像测量装置4来进行高度上(Z轴)的位移误差，不过在精确度和检测速度上可能会略显不足；因此本实施例才特别增设共轭焦距离测量装置7来测量高度上(Z轴)的位移误差，而本实施例的共轭焦距离测量装置7采用激光点测距的方式进行测量，故相当快速且准确。

另一方面，由于本实施例的共轭焦距离测量装置7采用激光点测距的方式进行测量，故在其他的实施态样中，也可先后测量待测件D上两个不同测量点的高度值，借此除了可获取高度上(Z轴)的位移误差外，也可同时确认待测件D是否还存在有俯仰及翻滚的偏转误差。因为一旦发现待测件D上两个测量点的高度值不一致时，即表示自准直测量装置3测量结果所执行的俯仰U及翻滚V的偏转误差校正出现错误，应重新执行之。

关于本实施例的分光件5和光学件8的态样，由于一般分光镜会将光束分成穿透光及反射光，故在预设光路上每经过一次分光镜就减损约50％的光通量。以本实施例而言，如果分光件5和光学件8都采用一般分光透镜，共轭焦距离测量装置7所发出的测量光将经过四次分光后才会回到装置内，导致最后接收到的光通量将衰减至原本的6.25％，恐将影响到测量结果。

为此，为了减少分光的次数，本实施例可采用以下两种手段，一种是光学件8采用一般分光透镜，而对分光件5进行改造，即如图5A至图5C所示三种不同的分光镜变形态样的立体图；另一种是，分光件5采用一般分光透镜，而光学件8则采用特殊反射镜，即如图6A至图6C所示三种不同的反射镜变形态样的立体图。

承上，若分光件5采用了局部分光镀层511，如图5A所示，可让远心影像测量装置4通过局部分光镀层511顺利取得测量影像，而自准直测量装置3的光源和共轭焦距离测量装置7的激光测量光则直接穿越透镜，不会遭遇分光。据此，就只有单一光学件8形成分光效果，故光通量衰减有限。

另外，如图5B及图5C所示，分光件5所具备的镂空光通道的钻孔531和贯通槽532，也可使自准直测量装置3的光源和共轭焦距离测量装置7的激光测量光则直接通行，不经过分光，借此也可以避免因多次分光而影响测量结果。

又，请参阅图6A至图6C，若分光件5采用一般分光透镜，而光学件8则采用图中所示的特殊反射镜也可。因为反射镜的特性是直接反射，不会造成光衰减，所以共轭焦距离测量装置7的激光测量光也只会经过分光件5来回两次分光。

不过，考虑到反射镜会阻挡到自准直测量装置3的测量，光学件8可采用具有局部反射镀层821的透镜82，如图6A所示。其中，局部反射镀层821可使共轭焦距离测量装置7的激光测量光直接反射，而自准直测量装置3则可通过透镜82的其他部分进行测量。

关于其他的可行的替代方案，例如光学件8也可为具有镂空光通道的反射镜84，由于反射镜84本身可使共轭焦距离测量装置7的测量光反射，而镂空光通道则可使自准直测量装置3的光源通过而直接进行测量，借此反射镜84将不会阻挡自准直测量装置3进行测量。同样地，镂空光通道可为钻孔841(如图6B所示)、贯通槽842(如图6C所示)或其他等效的镂空结构，在此并不局限。

更进一步，为了获取绝佳的测量效果，本实施例的分光件5可采用如图5A至图5C所示分光镜变形态样，而光学件8可采用如图6A至图6C所示反射镜变形态样。例如，图5A的分光镜搭配图6A的反射镜，而局部分光镀层511和局部反射镀层821彼此错开。据此，共轭焦距离测量装置7的测量光只经过局部反射镀层821反射，而自准直测量装置3的光源则直接通过两个透镜，二者都不会遭遇分光。

再且，本实施例也可以采图5B的分光镜搭配图6B的反射镜，而反射镜84的钻孔841对应于分光镜53的钻孔531；抑或，也可以采图5C的分光镜搭配图6C的反射镜，而反射镜84的贯通槽532对应于分光镜53的贯通槽842。经此配置，自准直测量装置3的光源就可直接穿过钻孔531、841或贯通槽532、842，不会遭遇分光；而共轭焦距离测量装置7的测量光也只经过一次分光。

整体而言，于避免多次分光所造成的光通量过度减损的原则下，本实施例的分光件5和光学件8可以任意搭配使用如图5A至图5C的分光透镜以及图6A至图6C所示的反射镜，而且光学件8也可以采用图5A至图5C的分光透镜。

请再参阅图4A及图4B，图4A显示本实用新型第三实施例的系统架构图，图4B显示本实用新型第三实施例中三测量装置的配置立体图。第三实施例与第二实施例不同之处在于，光学件8设置于分光件5与六轴校正载台2之间，也就是，六轴校正载台2、待测件D、光学件8、分光件5以及自准直测量装置3沿着测量光轴Oa共轴配置。

应特别注意的是，由于光学件8位于分光件5与六轴校正载台2之间，共轭焦距离测量装置7的测量光在经由光学件8分光折射或直接反射之后，即可直接抵达六轴校正载台2上承载的待测件D。反之，远心影像测量装置4则必须先后经过分光件5和光学件8才能对六轴校正载台2上的待测件D进行测量。于此情况下，远心影像测量装置4所测量到的影像灰阶值可能会下降，而影响测量结果。

为解决上述问题，本实施例的光学件8和分光件5除了采用一般分光透镜外，也可采用如图5A至图5C所示分光镜变形态样。而且，本实施例的光学件8也可采用如图6A至图6C所示反射镜变形态样。至于，本实施例运用此等特殊光学构件的原则如前述第二实施例，都避免测量光、测量影像及光源因为遭遇多次分光，所造成光通量或影像呈现的衰减。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本实用新型所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

附图标记说明

1:六自由度误差校正设备

2:六轴校正载台

3:自准直测量装置

4:远心影像测量装置

5:分光件

6:控制器

7:共轭焦距离测量装置

8:光学件

9:误差校正设备

51:透镜

53:分光镜

82:透镜

84:反射镜

92:校正载台

93:自准直测量机

94:远心影像测量机

97:共轭焦距离测量机

511:局部分光镀层

531:钻孔

532:贯通槽

821:局部反射镀层

841:钻孔

842:贯通槽

d:待测物

D:待测件

Oa:测量光轴。

Claims (5)

1.一种六自由度误差校正设备，其特征是，包括：

六轴校正载台，用于承载待测件；

自准直测量装置，沿着测量光轴而设置于该六轴校正载台的上方；

分光件，设置于该测量光轴上，并介于该六轴校正载台与该自准直测量装置之间；

远心影像测量装置，设置于该测量光轴的一侧并对应于该分光件；以及

控制器，其电性连接至该六轴校正载台、该自准直测量装置以及该远心影像测量装置；

其中，该控制器控制该六轴校正载台根据该自准直测量装置的测量结果校正该待测件的至少两个自由度的偏转误差，并控制该六轴校正载台根据该远心影像测量装置的测量结果校正该待测件的至少三个自由度的位移误差及偏摆误差。

2.根据权利要求1所述的六自由度误差校正设备，其特征是，还包括共轭焦距离测量装置及光学件；该光学件设置于该测量光轴上，并介于该六轴校正载台与该自准直测量装置之间；该共轭焦距离测量装置设置于该测量光轴的一侧并对应于该光学件且电性连接至该控制器；其中，该光学件分光反射或全反射该共轭焦距离测量装置的测量光而沿着该测量光轴至该待测件；该控制器控制该六轴校正载台根据该共轭焦距离测量装置的测量结果校正该待测件的至少一个自由度的位移误差。

3.根据权利要求2所述的六自由度误差校正设备，其特征是，该光学件设置于该自准直测量装置与该分光件之间；该光学件为分光镜、反射镜、具有局部分光镀层的透镜、具有局部反射镀层的透镜、具有镂空光通道的分光镜或具有镂空光通道的反射镜；该分光件为分光镜、具有局部分光镀层的透镜或具有镂空光通道的分光镜。

4.根据权利要求2所述的六自由度误差校正设备，其特征是，该光学件设置于该分光件与该六轴校正载台之间；该光学件为分光镜、反射镜、具有局部分光镀层的透镜、具有局部反射镀层的透镜、具有镂空光通道的分光镜或具有镂空光通道的反射镜。

5.根据权利要求2所述的六自由度误差校正设备，其特征是，该自准直测量装置测量该待测件于俯仰及翻滚的两个自由度的偏转误差；该远心影像测量装置测量该待测件平面上两个自由度的位移误差以及平面上的一个自由度的偏摆误差；该共轭焦距离测量装置测量该待测件于高度上一个自由度的位移误差。