多范围非接触探针的制作方法

专利名称：多范围非接触探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及精确测量仪，尤其涉及在坐标测量仪中使用的多范围非接触探针(multi-range non-contact probe )。
背景技术：
在一种坐标测量仪中，使用探针扫描工件表面。扫描后提供工件的三维 轮廓。在一种扫描探针(probe)中，通过使探头(probe head)的机械触头接 触工件表面的各个点来直接测量工件。在一些情况下，机械触头是球状物。在另一种坐标测量仪中，使用不与表面发生物理接触来测量工件的"非 接触，，光学探针。某一光学探针利用光点(例如三角探针)，另一种所谓的 视频内窥镜包括摄影机，其检测大部分工件表面。在一些系统中，工件几何 形状的坐标通过图像处理软件确定。这种探针通常被设计用来获得工件表面的精确测量(例如，在某一实例 中，探针甚至可用于提供微米级的精确测量)。在这样一些探针中，光学测 量系统的焦深或景深(DOF)相对有限。换句话说，探针被设计成在定位在 相对于工件表面的相对小范围内时能更好的工作，但是一旦其位于该范围外 (既不太近也不太远)，光学就会位于焦点外，很难辨别表面相对于探针的 位置。在一些实例中，探针在靠近工件移动时可能会意外的"撞击"工件表 面，而没有关于探针靠近表面的警报。非接触探针的另 一个难点在于测量探针需要频繁交替连接各种"探头" 在坐标测量仪上。目前，RenishawTM探头常用于工业中某些应用中。这些探 头由位于联合王国格洛斯特郡(Gloucestershire )的Renishaw Metrology有限 公司制造。而Renishaw型探头系统是工业中最常使用的，某些仪器可视型 技术不能轻易地包含在Renishaw型系统中。关于使用Renishaw型探头系统 的一个具体问题是现有的机器和探针之间的连接为有限数量的有线连接，其 实质是增加附加技术和/或特征到兼容探针中的"瓶颈"，这是因为缺少传输所需数量的控制和数据信号的物理连线。
本发明的目的是提供一种装置，其可以克服上述和其它缺点。 发明内容更具体地，提供一种多范围非接触探针，除了具有更精确的结构光测量 功能之外，其使坐标测量以执行特定"测距，，功能。此外，该多范围非接触 探针特别简单且设计紧凑，并且与非接触探针控制界面兼容，从而与现有探头系统(例如Renishaw型系统)、或提供有限数量线连接的探头系统一起使 用具有更多有利的测量性能和功能。因此该多范围非接触探针可以自动与现 有探头系统使用的其它类型的测量探针互换。根据本发明的一方面，为了执行特定"测距"功能，沿第一光学路径 (path )定向以提供结构光测量功能的激光束还在可选择的时间周期内沿第 二光学路径定向，以提供用于确定工件表面距离三角形参考。具有光学特性 不同的至少两个部分的单个光束修正元件可用于沿第一和第二光学^4圣定 向激光束。根据本发明的另一方面，在一实施例中，光束是在第一时间周期内沿第 一路径定向以提供结构光功能的激光束。更具体地，在一实施例中，在第一 时间周期内，激光束穿过旋转光束修正元件(rotating beam modification element)的散射部分(diffliser portion)以形成沿第 一光束路径的相对散射 照明(relatively difftise illumination )。然后该相对散射照明被空间光调制器 图案化(pattemed)，然后在结构光成像范围内投影结构光图案(structured light image range )。 然后，在第二时间周期，旋转光束修正元件转动以使偏转部 分进入激光束路径，从而使偏转的激光束成为沿测距成像范围(range finding image range)的第二光束路径的相对集中照明。在这种结构中，在第一时间 周期内，相机操作以将结构光图案成像在工件表面上，以提供相对于探针的 第一距离范围内的表面测量数据。因此在第二时间周期内，相机操作以将相 对集中照明成像在工件表面上，以提供第二距离范围内的表面测量数据，因 此提供"测距"功能，其用于确定在延伸超出结构光成像范围的范围内的工 件表面距离。


参考下面结合附图的详细说明可以更好地理解本发明的前述方面和许
多伴随的优点，其中图l是具有坐标测量仪、探针、控制器和用户接口的坐标测量系统的方框图；图2是表示根据本发明第一实施例的多范围结构光探针内部部件的视图；图3是表示图2所示结构光探针测量探针的布置视图；图4是图2和3所示测量探针的旋转光束修正元件的视图；以及图5是表示根据本发明的多范围结构光探针的操作流程的流程图。
具体实施方式
图1是坐标测量系统100的视图。该坐标测量系统100包括坐标测量 仪控制器120;计算机和用户接口 160;探针控制器170和坐标测量仪200。 控制器120包括探头控制器130;位置锁存器(position latch)140和动作控 制器150。该坐标测量仪200包括非接触结构光探针110。坐标测量仪200通过数据传输线115 (例如总线)与所有其它部件连通， 数据传输线通过连接器175 (例如"micro-D"型连接器)连接到探头电缆 215,该探头电缆为非接触结构光探针110提供信号以及从那里接收信号。 坐标测量仪200由坐标测量仪控制器120控制，而非接触结构光4冢针IIO被 探针控制器170控制。使用者可通过计算机和用户接口 160控制所有部件。图2是表示根据本发明第一实施例的多范围结构光探针110'内部部件的 视图，该多范围结构光探针110'是图1所示探针110的一个实施例。探针110' 包括探针壳体205;激光器230;镜子(mirror) 232和232';光束修正元 件电机235;根据本发明第一实施例的旋转光束修正元件240;空间光调制 器250;投影光学系统255;滤镜265、相机270;照明光学系统273;以及 探针控制界面电子件290。探头220通过探头电缆215接收和发送探针信号。 探头220固定在坐标测量仪套筒217上。探头220通过探针自连接器(probe autojoint connection)280连接在探针110'上。在一些实施例中，探头220在 水平面内旋转360度并且包含U型连接件。该探针自连接器280是电机械连 接器，其以可以与一个探针脱离和与另一个连接的方式将探头220与结构光 探针110'刚性地和机械地固定。该结构光探针110'通过自连接器280接收其控制信号。通过自连接器
280传到结构光探针110'的该信号通过连接线285传到探针控制界面电子件 290。该探针控制界面电子件290包括解码器部分225，其利用已知电路和/ 或软件技术进行信号处理操作，这在下面将要详细说明。探针控制界面电子 件290通过各种信号线、包括激光器电源和控制线233、光束修正元件电机 电源和控制线237、光电探测器电源和信号线238、空间光调制器电源和控 制线239、相机触发和控制线275a、相机电源线275b以及模拟^L频输出线 275c发送和接收信号。激光器电源和控制线233在一些实施例中可为小总线 (minibus),其为激光器230的控制和电源线。激光器230在一实施例中为固 态激光器。在一实施例中，激光器230可提供大约IOO毫瓦的光输出。如在下面结合图4的详细说明中，在一实施例中，旋转光束修正元件 240包括散射部分和相对小的偏转部分。在操作中，电才几电源和控制线237 控制光束修正元件电才几235以旋转光束修正元件240。在光束修正元件240 的大部分旋转期间，来自激光器的光束穿过散射部分并作为散射激光束231 沿着第一光束路径从光束修正元件240输出，该散射激光束提供相对散射照 明，用于在相对窄的测量范围沿着相对于探针的"Z-probe"测量方向的结构 光测量操作。然而，当偏转部分位于激光器230前方时，穿过偏转部分的激 光束作为集中激光束23l'沿第二光束路径从光束修正元件240输出，该集中 激光束提供相对集中照明，用于在相对大的范围内沿着Z-probe方向测量 ("测距，，)和/或碰撞检测。每个激光束231和231'的路径和测距操作将在下 文"^细i兌明。关于传统的结构光测量的操作，光束修正元件240的散射部分位于激光 器230的前方，散射激光束231从散射部分朝反射镜232输出。该激光束在 进入旋转光束修正元件240之前被校准。光束修正元件240的散射部分用于 消除相机270在工件测量操作时捕捉的结构光工件图像上的斑点。在一实施 例中，散射部分提供可选择数值的有效数值孔径(NA)(例如NA = 0.5)。 旋转光束修正元件240的散射部分输出作为散射光的激光束231,其根据所 提供的NA发散，并且通过镜232反射进入照明光学系统273。该照明光学 系统273可校准该散射光并将使其穿过空间光调制器250传输。来自空间光 调制器250的光通常包括通过投影光学系统255投影(即成像)在工件表面 上的结构光图案，其中该工件表面近似为标称投影图案平面(nominal projection pattern plane ) 262。在一实施例中，照明光学系统273被设计用于
提供柯而勒照明(Koehler illumination),其在穿过空间光调制器250时不会被 完全校准，而是适于工件的结构光照明的充分校准。在一实施例中，投影光 学系统255的第一透镜可使来自空间光调制器250的结构光照明位于孔径 260的焦点上，从而用来控制标称投影图案平面262上的结构光图案的焦深。 在一实施例中，空间光调制器250为商业上使用的空间光调制器，例如索尼 的LCX017AL,这可以通过位于美国纽约的索尼公司获得。界面电子件290可接收包括模拟视频控制信号和其它信号(下文将要详 细说明)的输入信号。探针控制界面电子件290可包括商业上使用的兼容芯 片组(例如可以从索尼电子公司获得)，其用于将模拟视频控制信号转换为 数字控制信号，从而使空间光调制器250显示适当的象素图案。因此，空间 光调制器250通过投影光学系统255投影图案。孔径260是孔径光阑，其尺 寸大小可以提供合适的图像空间分辨率，使图像象差最小化，并且使光学系 统255具有合适的能量吞吐量。还可以控制标称投影图案平面262上的结构 光图案的投影图像的焦深，其中该标称投影图案平面还是滤镜265的标称 (nominal)聚焦平面。该焦深大约与图3所示的结构光测量范围Rl相同。 在一实施例中，投影结构光图像和滤镜265的焦深都大约为正或负6毫米。当工件表面上的结构光图像映射在相机270的成像表面上时，滤镜265 相对于结构光图案的标称投影轴的角度为三角形角，其提供Z-hdght信息。 相机270的图像可利用已知的三角形法进行分析。在一实施例中，相机270 具有控制电子件，其既不是电子件290也不是相机270本身(其可为具有控 制电路和/或软件的集成相机系统)。相机270通常包括特定计时功能等，其 控制合成时间、操作频率等。相机触发和控制线275a(在一些实施例中可为 多线路)触发相机270执行可选择的功能，并且还发送更多的控制合成时间 等的控制信号。电源线275b为相机270提供电能。如图所示，模拟视频输 出线275c包括虚线部分，其表示从相机270输出的图像数据可以通过旁路 穿过电子件290的其它部分，直接输送到外部处理装置(例如包含在非接触 探针控制器170中的帧接收器)，在这种情况下相机270的输出不需要被探 针控制界面电子件290操作。简要说明结构光测量原理，该结构光探针110'利用激光器230和空间光 调制器250投影覆盖工件表面上斑点的结构光图案(例如条紋)。从相机270 看，投影在工件表面上的每个条紋都具有偏移部分，其由工件照明特征表面
的Z-height表示。偏移部分的Z-height可根据三角形公式计算，由相机270 与标称投影图案平面262的成角方向和距离部分确定。因此每个轮廓条紋的 信息被重新组合以形成工件测量表面的三维表面图。用于前述探针控制和测 量操作以及本发明其它操作的各个部件、控制信号技术、以及信号处理技术 在代理人案号为MEIP-1-27657的名称为"Non-contact Probe Control Interface (非接触探针控制界面)"的美国专利申请中详细说明了，在这里引用其全 部内容作为参考。关于测距操作，光束修正元件240的偏转部分位于激光器230的前方， 集中激光束231'从偏转部分朝偏转镜232'输出。该激光束在进入偏转部分之 前可被校准，因此在各个实施例中除了偏转路径都没有变化。集中激光束 231'被镜子232'向下反射到相机270的视觉区域,在此处其可在工件表面上 形成少量的集中照明，其由相机270成像以提供测距图像。测距图像可获得 并如前述结构光测量图像一样输出。可以看出由于集中光束231 '提供集中点 图像，测距图像可从远离滤镜265焦深的表面上获得。在这种情况下，测距 图像中的点可位于焦点外，但是仍分析其在图像中的标称"中心位置"(例 如通过利用已知图像处理方法找到点质心)，以提供相对精确的范围测量。 关于测距和相关操作的附加相关内容在下面详细说明。结构光图像的获取应该与光束修正元件240的散射部分提供的相对散 射的激光束231的产生同步，测距图像的获取应该光束修正元件240的偏转 部分提供的相对集中激光束231'的产生同步。图2和3所示的探针实施例包 括光电探测器236，其可通过光电探测器电源和信号线238输出同步信号到 电子件290。如图2和3所示，该光电探测器可定位在接收一部分不需要提 供结构光图案的散射激光束231的位置，并且在散射激光束231产生时输出 高值信号。当集中激光束231'产生时，光电探测器236会输出低值信号。电 子件290利用从光电探测器236输出的信号的转换来提供参考时间和/或触发 信号，以同步各个成像搡作。在各个实施例中，其还可以作为控制光束修正 元件电才几235速度的反馈信号。图3所示，相机270的近似中心可定位在距滤镜265标称平面的距离b处， 该相机可相对于垂直于滤镜265光轴的平面旋转角度P 。在各个实施例中， 角度P是可被选择的以提供标称投影平面262的Scheimpf lug结构，其还可
以是所获得的结构光图像的标称物体平面。从相机中心到其影像阵列边缘的尺寸大约为X1。因此，光轴和图像中最外光束271 (靠近图3底部示出)之 间的角度s近似为"arc一^2！^) (方程式l)图示的滤镜265光轴相对于散射激光束231的光轴成角度a 1,其在这 种情况下与结构光图案的标称投影轴和Z-probe方向的角度相同。滤镜265 的光轴与平面262相交的中心点263为主参考点，其沿着光轴与滤镜265的 标称平面相距给定距离。因此，可以相对应探针110'的元件确定最外层光束 271与平面262相交的点264。所有前述几何因素主要与探针的结构光成像功能有关，以支持其主要的 以及最精确的测量模式。在下面关于探针110'设计方法的实施例的说明中， 它们都被认为是不变的以提供所需的测距范围"R2far"。关于探针110'设计的相对灵活的一方面是偏转镜232'的位置和角度。如 图3所示，相对集中激光束231'在镜子232'上的偏转点与已知点264 (最外 层成像光束271与标称平面262相交处)在垂直于结构光投影方向(Z-probe 方向)偏离AW，在平行于Z-probe方向偏离Ah。所示的角度oc2为相对集 中激光束231'的投影方向与Z-probe方向之间的夹角。从图3中可以看出， 为了提供测距范围R2far,在范围R2far下限R2LL的表面上成像的点必须沿 垂直于Z-probe方向的方向定位在或位于已知点264的左边距离w处。表示为 'w=(R2far) tancj) (方考呈式2 )w+Aw=(R2far+Ah)*tan(cc2) (方#呈式3 )其中角度小=(ccl-￡ )。从方程式2和3可以看出，为了使测距点在所需测距范围R2far的表面 R2LL上成像，镜子232'的位置和定位方式应使Aw、厶h和a2满足下列条件 [(R2far+Ah) *tan (a 2) ]— Aw》(R2far) tancj) (方程式4 )在一实施例中，理想的结构光成像的设计值ocl = 35。 、 0=19° 、 XI =5,、 b = 60mm,因此s =4.5° 、 c)) = 30. 5。。超出标称平面262的理想 测距范围可选择为R2far-100mm。探针110〃的高度和宽度的尺寸在100mm
的量级。因此，对于按图3所示的探针部件的布置来说，在一实施例中，可将镜子232'定位成Aw^ 10mm、 Ah-110mm。因此，从方程式4以及前述值 可以得出，如果镜子232'的角度012 = 18. 2° ，则可提供R2far-lOOmm的测 距范围。可以看出前述设计值只是举例说明，没有限制作用。可以采用其它结构。 还可以看出为了清楚简明，前述分析进行了各种简化。例如，测距点在表面 R2LL上的图像是模糊的，并且部分模糊点(blurred spot)延伸到相机270 成像区域之外。因此可以通过图像处理技术精确地定位点中心。因此，探针 110'的实际测距范围小于上面所述的。对于本发明的特定纟笨针设计的实际测 距范围可通过更全面的分析和/或实验确定。关于图3所示的测距范围R2near，从图3中可以看出，探针110'整个测 距范围实际上是R2-R2far + R2near,其中R2near等于相对集中激光束231' 的^^径与另一个"最外"成像光束272在点266处相交。通常，R2near不是 主要的设计参数，在该位置探针110'比结构光成像范围Rl更靠近工件，从 而存在碰撞危险，因此在许多应用中都是不采用的。因此，在这里不再详细 说明测距范围R2near。然而，可以看出范围R2near在各种应用中是可利用 的测距范围，尤其是当结构光测量范围Rl与探针110'距离相对远时。在这 种情况下，如果需要可参考上述范围R2far根据几何原理确定范围R2near。如上面所述，集中激光束231'可在平面上提供集中光照点，例如在各个 实施例中提供直径为750微米量级的点。测距图像包括远离滤镜265焦深(例 如位于范围R1之外)的表面上的点模糊图像。测距图像中模糊点的质心仍 可确定为几象素、或很少象素、或更少，以在较大的范围内提供可用的范围 测量。在各种应用中，这种范围测量可用于近似立体测量、或作为用于引导 探针100'到位于标称结构光测量范围Rl内工件表面位置的反馈信号、或作 为可进行高速分析以预知和防止探针碰撞不希望的工件特征或其它障碍的 测量。可以看出测距点图像在相机的位置相对于对应表面沿着Z-probe方向 的坐标位置通常不是线性的。然而，测距点图像位置和沿着Z-probe方向的 表面坐标之间的关系可通过全面分析和/或实验确定，并以对照表或以校准曲 线形式、或类似形式存储。图4表示旋转光束修正元件240的一个实施例，该元件包括第一偏转部 分240A和可选4,的第二偏转部分240B，如图2和3所示其用于偏转的相对
集中激光束231'。光束修正元件240的其余部分可包括散射部分240D,如 图2和3所示其用于分散的相对散射激光束231。在一实施例中，理想的旋 转光束修正元件的偏转部分240A和240B重量轻或者动态平衡，这样元件 240适于高速旋转。如上面所述，散射部分240D的作用是局部散射用于消除相机270捕捉 的结构光工件图像斑点的激光照明。另外，在一实施例中，散射部分240D 可提供可选择值(例如NA-0.5)的数值孔径(NA),以分散照明，使其随 后照明空间光调制器250的大部分或全部区域。制造和使用这种旋转散射的 各种技术在美国专利公开No.2005/0207160Al以及美国专利No.6,081,381和 6,643,024中公开，每个文献都包含在这里作为参考。偏转部分240A和240B 可制成旋转光束修正元件240的一部分(例如通过已知衍射光学元件制造技 术或微模塑法(micro-molding)或类似方式)，或通过粘接或其它制造方法附加 在其上(例如微棱镜或类似物)。商业上光学系统的提供者，例如Physical Optics Corporation (POC) of Torrance, California,可提供适于制造图4所示旋 转光束修正元件240各个实施例的产品和/或服务，其它变形实例也一样。如图所示旋转光束修正元件240具有光束路径BP，其实际上是从激光 器230输入的光束在旋转光束修正元件240操作时的路径。在一实施例中， 光束路径BP的半径大约为13毫米，元件240的半径大约为15 - 17毫米。 在一实施例中，每个偏转部分240A和240B都覆盖大约15°的区域。然而， 如靠近偏转部分240A前和后边缘的激光束输入点LSI和LS2所示，由于需 要使整个激光束定位在偏转部分内以正确操作，所以它们的操作角度范围在 许多情况下都较小(例如为大约12° )。如下面详细说明的，当光束修正元件240旋转时，激光在激光点LSI 和激光点LS2之间移动所需的时间确定激光束被偏转部分240A偏转以提供 适于照明测距图像的相对集中激光束231'的时间量。在各个实施例中，相机 270可以提供大约33Hz帧频的输出图像。因此在一实施例中，光束修正元 件240可以大约3600rpm ( = 1Hz )的速度旋转，偏转部分240A可用于提供 12。旋转范围，从而可提供每秒大约1/30的测距照明，其足以曝光33Hz帧频 的测距图像。如果还包括可选择的偏转部分240B,则测距测量可提供2Hz 的频率。如果结构光图像在相应图像合成期间被充分曝光，则散射部分240D 可提供每秒钟大约30结构光图像的相对散射照明231。
可以看出如果在整个相机合成期间测3巨点图像被所提供的点照明过分 曝光，则当激光束穿过偏转部分时可以闸的方式打开和关闭激光束，以控制 测距图像曝光时间，并且在这种情况下偏转部分可覆盖较少的角度范围。通 常，为了确保测距图像、或结构光图像的适当曝光，需要调整各种因素，包括元件240的旋转速度、激光功率和/或激光开/关时间、相机合成周期等。在一实施例中，激光器的控制可与相机的合成时间同步，这样如果结构光图 像需要非常长的合成时间，可以在穿过偏转部分时曝光的任意时间关闭激光 器。因此如果需要，可以在整个图像曝光时只有结构光照明。图5是表示操作根据本发明的多范围结构光探针流程600的流程图。如 图5所示，在方框610中，光束修正元件的第一部分定位在激光束中。这与 在光束修正元件旋转时光束修正元件的散射部分位于激光器发射的光束路 径中相对应。在方框615,激光束从第一部分输出并且持续为沿第一光束路 径的相对散射照明。换句话说，在一实施例中，在激光束穿过光束修正元件 的散射部分后，光束被局部散射，从而其可用于在为结构光图像提供光照时 抑制斑点。在各个实施例中，第一部分还可使局部散射照明根据预定的数值 孔径分散。在一实施例中，第一光束路径可包括一个或多个偏转镜。在方框 620中，相对(局部)散射激光束照明被沿着第一光束路径定位的空间光调 制器图案化。在方框625中，图案化的散射照明投影以在结构光成像范围(例 如图3所示的结构光成像范围Rl)提供结构光图案，该范围为相对于探针 的第一距离范围。在方框630中，如果在结构光成像范围内存在一工件表面， 则在工件表面上形成结构光图案以提供在相对于探针的第一距离范围内的 表面测量数据。换句话说，从探针相机捕捉的三角形图像来看，结构光图案 (例如光条紋)根据工件表面每个部分的高度形成轮廓。分析结果数据以在 相对于探针的第一距离范围(例如在滤镜和结构光投影光学系统的焦深内) 确定精确的工件三维表面图。然后流程进行到方框640,光束修正元件的第二部分定位在激光束中。 在一实施例中，这与在光束修正元件旋转时定位在激光器发出的光束路径中 的光束修正元件的光束偏转部分对应。在方框643中，激光束从第二部分输 出并且持续作为沿第二光束路径的相对集中照明，该第二光束路径延伸穿过 作为相对于探针的第二距离范围的测距范围。换句话说，在一实施例中，激 光束是紧密相对集中光束(例如校准的集中光束)，其穿过光束修正元件的
偏转部分并且保留沿第二光束路径被偏转部分偏转的集中光束，以在测距图 像中提供集中照明区域(例如点)。在一实施例中，第二光束路径可包括一个或多个偏转镜。在方框645中，如果在测距成像范围内存在一工件表面，则在工件表面上的紧凑照明区域形成图像，以提供在相对于探针的第二距离 范围内的表面测量数据。相对于探针的第二距离范围包括比第 一距离范围离 探针远的距离。换句话说，从探针相机捕捉的三角形图像来看，偏转的集中 激光束在图像中的位置根据其照明的工件表面部分的高度确定。结果图像数 据使工件表面与探针的距离由延伸超出结构光成像范围的测距成像范围确 定。因此，根据本发明的探针可在多级测量范围内以简单、快速且通用方式 利用少量部件提供多种类型的三角形测量。如前面所述，可用于提供前述探针控制和测量操作以及根据本发明的其 它操作的各种部件、控制信号技术和信号处理技术在代理人案号为MEIP-1 -27657的名称为"Non-contact Probe Control Interface"的美国专利申请中详细说明了。根据本发明的测距图像结合所述方法可以很容易地获得。 例如在一简单实施例中，非接触探针控制器170和/或计算机和用户接口 160 可简单地周期发送一组探针部件控制信号，其适于获取探针控制界面电子件 290的测距图像。这可利用所述相同方法发送各个结构光图像探针部件控制 信号到探针来实现。在这种实施例中，探针控制界面电子件290可包括简单 的"抑制"逻辑电路或程序，其通过包含在周期发送的测距图像控制信号中 的编码或信号实现。当这种信号被探针控制界面电子件290接收后，该抑制 逻辑电路可限制相机触发信号，例如直到它们接收到光电探测器236输出的 "缺少散射照明"同步信号为止，如前面所述。因此，可以确保在相对集中 照明沿其相应光束路径产生时获得测距图像。类似地，探针控制界面电子件290可包括由包含在周期发送的测距图像 控制信号中的编码或信号实现的其它"抑制"逻辑电路或程序。当这种信号 探针控制界面电子件290接收后，相关抑制逻辑电路可限制相机触发信号， 除非它们接受到光电探测器236输出的"缺少散射照明，，同步信号为止。因 此可以确保在相对集中照明沿其相应光束路径产生时获得测距图像。本领域 技术人员根据前面所述内容可以得出各种其它控制和同步方法。本领域技术人员根据公开内容可以看出所示和所述的特征布置和操作 的各种变形。例如，在一些实施例中光束修正元件的输出相对集中激光束的
部分可用于输出条紋、或关系已知的三点等。因此，范围测量可由表面上的 有限个点确定，例如确定表面方向或类似方面。此外，虽然前述实施例已经 说明了作为相对集中光束的偏转光束，但应理解，在一些实施例中，光束修 正元件和探针可设计成使相对集中光束不被光束修正元件偏转，局部散射光 束是偏转到合适光学路径上的光束。在这种实施例中，光束修正元件的输出 相对集中光束的部分可包括简单的透明部分、或打开部分(例如穿过光束修 正元件的孔)、或类似物。此外，在一些实施例中，优选构成的"线性"光 束修正元件可用于线性往复移动，作为这里所述的;J走转光束修正元件的一个 可替代方式。因此，虽然已经表示和说明了本发明的优选实施例，但是可以 看出没有超出本发明构思和范围的各种变形。
权利要求
1.一种用于测量工件尺寸的测量探针，该探针包括至少一个相机；结构光投影部分；产生光束的光束产生元件；包括第一部分和第二部分的光束修正元件，以及光束修正元件移动器，其用于移动所述光束修正元件，从而使光束可输入到所述第一和第二部分；其中该光束修正元件移动器部分可操作，以在第一时间周期使所述光束修正元件的第一部分定位而输入光束；在所述第一时间周期内，光束从第一部分输出作为沿第一光束路径的相对散射照明，并且被空间光调制器图案化以及在结构光成像范围内投影出结构光图案，其中所述结构光成像范围是相对于测量探针的第一距离范围；该光束修正元件移动器部分可操作，以在第二时间周期使所述光束修正元件的第二部分定位而输入光束；在所述第二时间周期内，光束从第二部分输出作为沿延伸穿过测距成像范围的第二光束路径的相对集中照明，其中测距成像范围是相对于测量探针的第二距离范围；在所述第一时间周期内，至少一个相机操作以将结构光图案成像在结构光成像范围内的工件表面上，以提供所述相对于探针的第一距离范围内的表面测量数据；以及在所述第二时间周期内，至少一个相机操作以将相对集中照明成像在测距成像范围内的表面上，以提供所述相对于探针的第二距离范围内的表面测量数据，其中第二距离范围包括离探针比所述第一距离范围远的距离。
2. 根据权利要求1的探针，其中，所述第一部分包括输出局部散射 照明的散射部分。
3. 根据权利要求2的探针，其中，所述第一部分输出局部分散的散 射照明。
4. 根据权利要求2的探针，其中，所迷第二部分包括偏转部分。
5. 根据权利要求4的探针，其中，所述光束修正元件包括旋转光束 修正元件，所述偏转部分绕着旋转光束修正元件的标称光束路径覆盖至多30 度的角度范围。
6. 根据权利要求5的探针，其中，所述偏转部分覆盖至多15度的角 度范围。
7. 根据权利要求1的探针，其中，所述至少一个相机由单个相机组 成，并且可操作以将所述结构光图案成像在结构光成像范围内的工件表面上 的所述至少一个相机和可操作以将所述相对集中照明成像在所述测距成像 范围内表面上的所述至少一个相机为同一相机。
8. 根据权利要求1的探针，其中，所述相对集中照明在测距成像范 围内的表面上的图像包括模糊点。
9. 根据权利要求8的探针，其中，在坐标测量系统中分析所述图像 中模糊点的位置，以确定相对于探针的第二距离范围内的表面的照明部分的 大致位置。
10. 根据权利要求1的探针，其中，标称结构光成像范围跨距最多为 10mm,标称测距成像范围的跨距至少为50mm。
11. 根据权利要求10的探针，其中，所述至少一个相机由单个相机组 成，并且可操作以将所述结构光图案成像在结构光成像范围内的工件表面上 的所述至少 一个相机和可操作以将所述相对集中照明成像在测距成像范围 内表面上的所述至少一个相机为同 一相机。
12. 根据权利要求10的探针，其中，所述标称测距成像范围的跨距至 少为75mm,并且包括所述标称结构光成像范围。
13. 根据权利要求12的探针，其中，所述第二距离范围包括离探针比 包含在所述第 一距离范围内的离探针最大距离远至少75mm的距离。
14. 根据权利要求1的探针，其中，所述探针包括至少一个沿至少所 述第一和第二路径之一定位的反射表面，所述探针的结构使所述结构光图案从所述探针以相对于相机光学系统的光轴成第一角度地投影，并且所述相对 集中照明从探针以相对于所述光学系统的光轴成第二角度地投影。
15. 根据权利要求14的探针，其中，所述第二角度小于第一角度。
16. 根据权利要求1的探针，其中，所述探针包括坐标测量仪自动连 接器，并且所有绝缘体电源、接地和为结构光测量探针发送信号以及从那接 收信号的信号连接器都通过包含在所述坐标测量仪自动连接器中的连接器 插头形成。
17. 根据权利要求16的探针，其中，所述坐标测量仪自动连接器是RenishawTM型仪器的标准结构。
18. 根据权利要求16的探针，其中，所述探针包括探针接口电路，所 述结构光投影部分包括可控的阵列型空间光调制器。
19. 根据权利要求11的探针，其中，所述光束产生元件包括半导体激光器。
20. —种操作测量探针的方法，所述测量探针包括相机、结构光投影 部分、产生光束的光束产生元件、包括第一部分和第二部分的光束修正元件、 以及用于移动光束修正元件从而使光束可输入到第一和第二部分的光束修 正元件移动器，所迷方法包括操作该光束修正元件移动器部分，以在第一时间周期使光束修正元件的 第一部分定位而输入光束；在第 一时间周期内，从第 一部分输出光束作为沿第 一光束路径的相对散 射照明，使用空间光调制器图案化该相对散射照明，并且在结构光成像范围 内投影该图案化的相对散射照明作为结构光图案，其中所述结构光成像范围 是相对于测量探针的第 一距离范围；操作该光束修正元件移动器部分，以在第二时间周期使光束修正元件的 第二部分定位而输入光束；在第二时间周期内，从第二部分输出光束作为沿延伸穿过测距成像范围 的第二光束路径的相对集中照明，其中所述测距成像范围是相对于测量探针 的第二距离范围；在第一时间周期内，如果在结构光成像范围内存在一工件表面，那么操 作相机以将结构光图案成像在结构光成像范围内的所述工件表面上，以提供相对于探针的第一距离范围内的表面测量数据；以及在第二时间周期内，如果在测距成像范围内存在一表面，那么操作相机 以将相对集中照明成像在测距成像范围内的所述表面上，以提供相对于探针 的第二距离范围内的表面测量数据，其中第二距离范围包括离探针比第 一距 离范围远的距离。
全文摘要
一种多范围非接触探针，除了具有更精确的结构光测量功能之外还能执行测距测量功能。该探针与探针控制界面兼容，从而使有限数量的线连接的探头系统具有先进测量性能和功能。探针的激光束在第一时间周期内沿第一光学路径定向以提供结构光功能，在第二时间周期沿第二光学路径定向以提供测距功能。具有光学特性不同的至少第一和第二部分的单个光束修正元件移动以从第一部分沿第一光学路径输出激光束，然后从第二部分沿第二光学路径输出激光束。
文档编号G01C3/08GK101118153SQ20071013823
公开日2008年2月6日 申请日期2007年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者保罗·格拉德尼克, 斯科特·哈西拉 申请人:三丰株式会社