专利名称：激光校准仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量直线轨迹偏差的光学装置。具体而言，本发明涉及一种光学装置，用于测量第一机器组件相对于第二机器组件的运动中的直线轨迹偏差。机器组件可以是坐标定位仪的一部分，可包括，例如机床或者坐标测量机。
背景技术：
当机器组件沿着轨迹运动时，其运动偏差通常包括围绕机器的一个或者多个轴的转动，这些轴一般被称为X，Y和Z轴，相应的偏差标称为俯仰、滚转和平摆误差。运动的直线度也有误差，它包括机器组件相对于主运动轴的横向偏差。
美国专利4939678公开了一种校准坐标测量机的方法，其中激光测量头安装在仪器的第一部分，反射组件安装在机器的第二部分。从激光测量头发射出一对光束，经过反射组件反射后射向激光测量头中的一对四象限光电池(quad cell)。这些四象限光电池上返回光束的位置实现了对反射组件的直线度和滚转的测量。一束分离光束、平面镜及探测器用来测量俯仰和平摆。这个系统只能测量18个自由度。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种用于测量第一物体相对于第二物体运动中偏差的装置，包括 可安装于第一物体上的发射器单元； 可安装于第二物体上的光学单元； 其中发射器单元至少将一束光指引向光学单元； 其中，发射器单元和光学单元的其中之一装配了两个或者多个探测器，以探测两束或多束发射到光学单元或从光学单元反射回来的光束， 其中，用于发射或者探测每束光束的光学结构基本上相同。
发射是指光束的有效开始并且可包括例如光纤末端。
优选地，探测器包括像素的二维阵列。探测器可以包括诸如电荷耦合器件(CCD)，CMOS传感器或者电荷注入器件(CID)。
优选地，光学单元安装在活动的物体上。优选地，光学单元没有可能导致不希望的运动或是影响精度的拖尾导线。优选地，此仪器还包括直线位移测量仪，例如干涉仪。这可包括发射器单元中的光源，用来产生指引向光学单元的光束，光学单元中的回射器，用来反射射向发射器单元的光，以及发射器单元中的第四探测器，用来探测返回的光束。
本发明的第二个方面提供了一种用于测量第一物体和第二物体间相对运动中偏差的装置，此装置包括 可安装于第一物体上的发射器单元和可安装于第二物体上的光学单元； 发射器单元装有一个或者多个探测器且其中发射器单元至少将一束光指引向光学单元； 该光学单元装有三个回射器以反射射向发射器单元的三束光束； 其中，一个或者多个探测器上的三束反射光束的位置被用来确定在五个自由度上运动轨迹相对于直线的偏差。
优选地，该五个自由度为俯仰、平摆、滚转和沿着两个轴的直线度，此二轴垂直于第一或者第二物体的运动轴。
本发明的第三个方面提供了用于测量机器各轴的垂直度的装置，该机器具有可彼此相对运动的第一和第二部件，该装置包括 安装于第一机器部件上的基座单元； 安装于基座单元上的发射器单元，基座单元以及发射器单元的至少一个表面设置有配合元件，以便在发射器单元的多个已知的相应朝向上确定发射器单元相对于基座单元的位置，从而确定至少一束光束的方向； 安装于第二机器部件上的光学单元； 其中，发射器单元至少将一束光束指引向光学单元； 其中，发射器单元和光学单元其中之一装配了一个或者多个探测器，以探测一束或多束发射到光学单元或从光学单元反射回来的光束； 因而通过沿着基座单元的两轴对发射器单元进行定向并测量至少一个探测器上的至少一束光束的偏差，就能够确定该两轴的垂直度。
本发明的第四方面提供了一种用于测量第一物体相对于第二物体运动中偏差的装置，包括 可安装于第一物体上的发射器单元； 可安装于第二物体上的光学单元； 其中，发射器单元至少将一束光束指引向光学元件； 其中，发射器单元和光学单元其中之一装有一个或者多个探测器，以探测一束或多束发射到光学单元或从光学单元反射回来的光束； 其中，以探测器上光束的位置作为反馈来调整发射器单元的位置或改变第二物体的运动矢量，以便在第一和第二物体的相对运动过程中将光束保持在探测器上。
本发明的实施例将通过一个实例并参照附图进行说明，附图包括 图1是安装于坐标测量机上的测量装置的示意图； 图2是发射器单元及光学单元中光学组件的俯视图； 图3是发射器单元及光学单元中光学组件的透视图； 图4是发射器单元和光学单元中直线位移测量装置的俯视图； 图5是光学单元中回射器的第一替代装置的俯视图； 图6是光学单元中回射器的第二替代装置的俯视图； 图7是根据本发明的第二实施例的发射器单元及光学单元的俯视图； 图8A-8C分别示出了一个薄平面光学元件、一个厚楔形光学元件和一个薄楔形光学元件上的双反射； 图9示出了连接激光源的光纤； 图10示出了固定在杆上的光纤末端； 图11示出了用于安装图10中光纤末端的固定夹； 图12A示出了传感器边缘上的一点； 图12B示出了扣除阈值后图12A中的该点； 图12C示出了用来计算形心的传感器边缘上一点处的等值线。
图13A和13B示出了图2的替代光学设计方案，其中分别只有一束或者两束光被发射； 图14示出了一个光学设计方案，其中将一个探测器用于两束光线； 图15是相对于行程的直线度误差图形；以及 图16A和图16B示出了与机器轴没有对准的发射器单元。
具体实施例方式 图1显示了安装于坐标测量机(CMM)上的校准仪。发射器单元10安装于坐标测量机的工作台14上。如同我们的国际专利申请WO02/04890中所描述的，发射器单元10的基座18和安装于工作台14上的基座单元20上安装了作为辅助部件的活动支撑件22，使得发射器单元10可以沿着坐标测量机的X、Y、Z、-X和-Y轴或者其任何需要的方向进行精确对齐。光学单元12安装在坐标测量机的套筒16上。国际专利申请WO02/04890还描述到，发射器单元10和光学单元12具有作为辅助部件的活动支撑件24A、24B，这样当它们相互接触的时候，可以准确地相互对准。
发射器单元10这样安装于工作台14上并与机器的X、Y、Z、-X和-Y轴中的一根或者任何其他希望的方向对齐。光学单元12与发射器单元10对齐并安装于机器的套筒16上。光学单元12和套筒16沿着发射器10对准方向的路径运动。此仪器也可用来测量光学单元12到发射器单元10之间的距离及测量光学单元12在沿此路径运动过程中的偏差。
图2-4显示了发射器单元10和光学单元12中的光学元件设置。第一组光学元件26-40被用作直线位移测量装置，例如干涉仪，用以测量光学单元到发射器单元的距离。为了图象的清晰性，图2和图3中有所省略，但省略部分在图4中单独显示出来。尽管将要描述一种具体类型的干涉仪，但它可以被其它任何合适的直线位移测量装置所取代。干涉仪装置包括发射器单元10中的用来产生光束28的光源26。分光器30分离光束28，发送第一光束32到光学单元12中的第一回射器36并发射第二光束34到发射器单元10中的第二回射器38。光束32、34都被各自的回射器36、38反射回到分光器30并到达探测单元40。此干涉仪在英国专利GB2296766中有更详细的描述。
用在直线位移测量装置中的回射器36、38可以包括光学单元中已有的回射器(即与直线度/角度偏差光学器件共用)，以减少尺寸和成本。在此情况下入射光束可以旋转移动，这样光束就不会重叠。
参照图2和图3，三个光源42A、42B和42C从发射器单元10向光学单元12发射出三束完全平行光线44、46、48。三个光源包括，例如，三个已知形式的光纤末端。或者，可以用单一光源，它利用光学器件如分光器和反射镜来产生多束平行光束，例如三束平行光束。
光学单元12安装有三个间隔开的回射器62、64、66。回射器62、64、66将光束44、46、48反射回位于发射器单元10内的三个探测器68、70、72上。这三个探测器68、70、72可包括二维像素阵列构成的CMOS传感器，以实现光束在传感器上的位置测量。或者也可以用电荷耦合器件(CCD)来代替CMOS传感器。也可以利用其它类型的像素图象传感器，包括由二维像素阵列构成的图像传感器，用来确定光束位置。位置敏感探测器(PSD)也是合适的。它们利用探测器相对两边之间的电压差来指示入射光束的位置。将位置敏感探测器调谐到一定频率下工作，从而通过将它的频率调谐到高于或者低于室内照明的频率便可以消除室内照明的影响。位置敏感探测器采用交流模式。对位置敏感探测器上的入射光线进行强度调制，同时位置敏感探测器的频率也被调到相同频率。也可应用其它类型的传感器，例如四象限光电池。
当光学单元12沿着它的路径运动时，由于在光学元件12的运动中相对于其路径的偏差，探测器68、70、72上返回光束44、46、48的位置也将变化。利用三个回射器62、64、66及在彼此相对侧移时的图象，使得光学元件的直线度和俯仰、滚转及平摆可以被推导出来。
在此例中，光学元件的运动沿着机器的X轴，如图2所示。回射器62和64沿着Y方向分开置于光学元件12中。光学元件的运动轴(X轴)的直线度是，在探测器68、70上光束44、46在垂直于运动方向的轴向(即此例中的Y和Z轴)上的位置变化的平均位移量的一半。如下所述，如果探测器安装于探测单元12中，则光学元件运动轴的直线度是，探测器68、70上光束44、46在垂直于运动方向的轴向上的位置变化的位移量的平均值。
如果指引向光学元件12的三束光束44、46、48不平行，则必需修正探测器输出，以对此误差进行校正。如果光束44、46、48没有对准，将通过两个单元10、12进行校准来校正该测量系统。
光学单元12的滚转通过对应探测器68、70上相同光束44、46之间在Z轴方向的差异位移进行测量。如果滚转的中心处于光束44、46之间，则来自探测器68、70的信息足以计算滚转量。但是，如果滚转中心偏置，则来自探测器68、70的信息就包含直线和转动数据，因此就不能够精确计算滚转量。本发明的结构具有如下优点当回射器66垂直于回射器62移动时，来自三个探测器68、70、72的信息可以用于纯滚转的测量，而不论滚转中心位于何处。
为了提高滚转测量的精度，使用同一个探测器测量两光束的位置是有利的。图14所描述的装置使得一个探测器184可以探测两光束180、182的偏差。两光束180、182通过回射器186、188反射，直接通过镜子和/或分光器指引向探测器184。配有小孔的圆盘190处于光束180、182的光路上并以同步于探测器捕获率的频率旋转。各条来自光束180、182的光线因此交替入射到探测器184上而产生调制信号(chopped signal)。或者，为产生调制信号，对两光束180、182进行调制。
第三个回射器66实现了光学单元12的俯仰和平摆的测量。此第三个回射器66在概念上安置于光学单元12中回射器62、64其一之后。在此例中，此第三个回射器垂直地安置于第一或者第二个回射器之上。这可以通过如下方式实现，垂直移动来自发射器单元10的输出光束48中的一束，并在回射器62其中之一上放置一反射镜54，用来将光线48指引向置于另一回射器64之上的回射器66。俯仰和平摆通过探测器68、72上分别处于Z和X方向的两光束44、48之间差异位移来测量。
此装置具有可以同时测量全部6个自由度的优势。
另一结构可以从发射器单元发射一至两束光线到光学单元并在光学单元中分割形成三束光束。图13A描述了单一光源150发射一束光束152到光学单元。发射的光束152被分光器154、156分割成三束光束158、160、162。此三光束通过回射器164、166、168反射到探测器170、172、174。其优点是共用光源可以用来产生三束光束。因此，对于任何三束光束光束指示误差都是共有的并可以通过算法消除。但是其缺点是对移动光束有增益损失。在此前的实施例中，由于使用了回射器，每一光束在探测器上增益为2。但是，由于分光器154随着光学单元的运动而倾斜，在探测器上增益仅为1。例如，对于滚转角θ，探测器探测此装置中Lθ的位移，此处L是回射器之间的距离。在前例中，对于三束向外的光束，位移为2Lθ。
如图13B所示，通过使用第二个光源151可以解决此问题，光源151分开发射光束175到回射器166，此反射的光束由探测器174探测。此法保持了滚转测量中的增益，缺点是需用两个分开的光源。
尽管直线度、俯仰、滚转及平摆的测量是按照特殊的光束和回射器来描述的，但是可以用全部三束光束和三个探测器来测量任何自由度上的偏差，由此一般的公式可以表达如下 从直线偏移的轨迹＝f(S1x，S1y，S2x，S2y，S3x，S3y，IR)＝k1S1x+k2S1y+k3S2x+k4S2y+k5S3x+k6S3y+k7IR 此处k1，k2....k7是常量 S1x，S1y分别是X，Y方向上光束中心在传感器1上的位置。
IR是干涉仪读数。
常量k1～k7可以在校准过程中推导出且对于不同的自由度的偏差(即直线度、俯仰、滚转及平摆)可以变化。这样，在校准过程中总共推导出35个常量。(即5个自由度中每一个的7个常量k1～k7)。
公式中的项k7IR可以用来调节非平行光线。
在已知的之前测量直线度和滚转的技术系统中，利用四象限光电池探测光束位移。然而，四象限光电池有几个缺点。光束的中心必需与四象限光电池的中心近似地对齐以保证四象限光电池的精确度。为了提高它的线性范围，四象限光电池被安装在马达上且必需在系统安装过程中侍服驱动到希望的位置。此外，尽管侍服控制四象限光电池在一阶上克服了精度问题，但对于本发明系统所要求的精度而言，四象限光电池中硅的均匀性还很不好。
非侍服控制的四象限光电池的另一个缺点是当光束从单元的中心移开后，线性度下降。为了线性化关于光束中心位置输出的非线性方程，光束的大小必需是已知的。此外，如果光束整个移入四象限光电池的一个象限，就不可能在这个象限内确定它的位置。
在本发明中，使用了诸如CCD、CMOS或CID之类的像素图像传感器。相对于使用四象限光电池探测器具有几个优点。
第一个优点是光束可以在任何位置被像素图像传感器探测到。由于光束不需要和传感器的中心对齐，在系统最初的设置时就不需要将传感器侍服驱动到指定位置。此外，即使是当光束处于传感器的边缘，传感器也可以探测到光束中心，这一点将在下面更加详细的描述。
使用像素图像传感器就可以知道被探测点的直径，此外通过探测点直径相对于最大值的百分比就可以确定信号的强度。为了确定探测点是否在传感器的边缘，一阀值(例如对一个最大读数为4096的传感器读数100)被从传感器的读数中扣除。如果传感器边缘与此点间像素读数为零，则此点不在传感器的边缘上。如果此点在传感器的边缘上，阀值可以增加直到此点和边缘之间像素读数为零。然后这点的中心也就确定了。图12A描述了像素传感器142边缘上的点140a。图12B描述了阀值被减掉后的点140b。现在，整个点都在传感器142之上，它的中心也可以确定了。
形心可以用下面的方法计算。传感器探测到了两个图像，im1是有光束入射到传感器的图像，im2是无光束入射到传感器上的图像。如果需要考虑每个像素的光学响应的差别及不同区域的灵敏度，传感器被校准。此工作可以通过调节信号水平或者用非整数标定值来实现。
为了推导出信号的真实水平im，两图像im1和im2被逐像素相减，阀值t也同时减去，即 imij＝im1ij-im2ij-t 对于所有的imij<0，此值都将被设为零。
形心可以通过计算空间几何中心的方法，用简单的算法计算出来。
对于一个给定的阀值t，形心的x和y坐标如下算出 和 此处sij是信号或者是第i，j个像素点的强度读数。
对于不同的阀值不断重复此计算以算出整体的加权平均形心位置，即 和 这里W是对于具体阀值的权重。
对于很大的阀值，加权因数就会小，因为更少的像素参与到形心推导之中。对于小的阀值加权因数也会小，因为即使这些形心计算包括了绝大多数像素，仍会有在确定哪些点应该、哪些点不应该包括在计算中时产生的噪音。
对于边缘探测，可以运用如下规则，在像素传感器上，此点和边缘之间至少应该有一行像素。如果没有，那只能用那些满足此要求的阀值。
其他算法可以用于寻找一点的形心，例如曲线拟合算法，例如让一点的强度曲线满足高斯(Gaussian)或者洛伦兹(Lorentzian)分布。其它的确定形心的方法包括寻找最大梯度圆，然后找到中心。或者，形心可以用寻找最小梯度的平均位置的方法确定。
或者，如果点在传感器的边缘，则中心可以用数学方法推导出来。例如图12C中所示例子，可以确定点140c相对最大信号强度百分比(如10％，20％等)的等值线144、146、148，例如运用最小二乘法拟合或者最大半径的最小偏差法等，拟合成圆形等值线并用于推导此点的中心。即使在数据不全的情况下，这方法也能推导出形心。
运用像素图像传感器的另一个优点是容易映射出传感器上硅的变化。例如，可利用对传感器的均匀照明和因此计算出的硅中的变动作为X和Y的函数来实现。
在现有的自动准直仪中，一光束聚集于PSD(位置敏感探测器)上一点。光束角度的变化会引起了位置敏感探测器上点的位移，然而光束的直线运动却不会。然而，使用位置敏感探测器的缺点是硅的非均匀性会影响精度。在此装置中，由于聚焦点的直径小于一个像素，所以无法使用位置敏感探测器。然而，在本发明中通过测量探测器68、72上的光束44、48的差异位移来测量俯仰和平摆的方法中，当光束不需要聚焦于一点时，可以用像素图像传感器。因此，此方法受益于像素图像传感器的上述优点。
在另一实施例中，第三个回射器可实际上被安装在第二个回射器的后面。图5显示了这样的装置，其中一面大的第三回射器166置于小的第二回射器162的后面。如此安排输出光线144、148，因此指引向大的第三回射器166的光束148不会被小的第二回射器162拦截。然而，此装置的缺点是增加了光学单元12额外的体积。
图6中显示了第二和第三回射器的另一种设置，其中第三回射器266置于第二回射器262之后。第二回射器262有一个置于其后表面上的分光镜261和棱镜263，它们允许一部分光通过而到达第三回射器266，同时本身也反射一部分光。此装置的缺点是相对较贵、增加了光学元件的体积并损失一部分垂直于输出和输入光束的光线265。
图2和3所示的第一种装置中第三回射器概念上置于第二回射器之后，当指引向第二和第三回射器的光束互成角度时，便向系统引入了交叉耦合。此装置的优点在于它设计结构紧凑、节省了光学元件的体积。
本发明的一个优点是除了允许沿每轴测定6个自由度之外，还允许测定垂直度(即一根轴相对于其它轴的角度误差)。
如前参照图1所描述的，安装于机器工作台14上的发射器单元10的基础18和基座单元20安装有作为辅助部件的活动支撑件22，它使得发射器单元10可以沿坐标测量机X、Y、Z、-X和-Y轴中的任何一个精确对齐。活动支撑件组之间的垂直性可以精确实现，这样发射器单元就可以精确的与每一根轴对齐。或者，伴随着任何结果精度的损失也即垂直度的误差被校准调节，活动支撑件的垂直度也可能变得不准确。例如，通过对比当发射器单元固定底板的不同方向时发射的光束角度与一台精确校准的坐标测量机已知轴，实现对其校准。
为了测量垂直度，底板与发射器单元之间的运动必需很精确，这样发射器单元的轴是垂直的或者底板的垂直度误差必需是在已知的公差范围内(即它必需是已经较准的)。
发射器单元安放于底板之上，这样它可以与第一根轴对齐。测量垂直度的同时，光轴被机器的套筒沿着此轴从发射器上移开。沿着第二根轴重复此过程。
图15描述了测定的直线度误差相对于光学单元离开发射器单元行程的曲线图。线92是沿X轴的直线度。在此情况下，发射器单元与X轴准确地对齐。线92沿着图线的X轴。线94是沿Y轴的直线度。在此情况下，由于机器的X轴与Y轴并不是精确垂直的，因此沿Y轴的直线度误差将随着光学单元的行程而增加。线92与94之间的角度96是测定出来的X轴与Y轴之间的机器垂直度。如果底板与发射器单元之间的运动是精确的，那么这个所测定的机器垂直度96就是实际机器垂直度。但是，如果由于底板垂直度误差已经对底板进行了校准，那么在确定垂直度时必须考虑这一情况。角度98是底板上的垂直度误差，从测定机器垂直度中减去该角度来确定实际的机器垂直度100。
除每根轴的6个自由度以外，通过测量三轴之间的垂直度，实现了总共21个自由度的测量。无论在测量空间的任何点上，都要求计算所有21个自由度的误差。光源(图2中42A、42B、42C)一般包括一个二极管。但是激光是一种热源，缺乏热稳定性可能造成其轻微地运动。激光的运动会引起光束指向的运动，从而引起射向传感器的形心束的运动，这将影响精确性。利用一种光纤来去除光源中的热源可以解决上述问题，如图9所示。纤维提供了光能够穿过的固定孔径。
图9显示了激光92中发射出的光经由透镜94聚焦进入光纤98的第一末端96。光纤的第二末端100发射出的光在由透镜104校准为两束完全平行的激光束之前，先穿过一个固定架102。光纤98的第二末端100相当于光束的发射源，即光束的有效发射点，它具有将发射(有效光源)(端点100)与热源(激光92)分离的效果。由于热作用而引发的激光92的运动对于光纤98中端点100发射出的光的光束指向没有影响。并且固定架102与透镜104均具有轴对称性，这样它们能够均匀膨胀，同时如果固定架发生了运动，它将包括轴的对称性膨胀或者沿着轴的膨胀，而不是发生将会影响光束指向的倾斜运动。固定架可由同种材料制成，这样全过程中的膨胀系数都是一样的。这使得光束指向实现了比微弧度具有更好的稳定性。
发射光束相互之间不发生扭曲是很重要的，否则将会引起滚动误差。图10说明了安装在一根杆116上的三个光纤的端点110、112、114。将光纤的端点安装在杆上具有如下优势，即热梯度不会引起杆的扭曲变形，这样这种也就不会导致任何滚动误差。杆116会带有一个空心的杆体118，这样它可以凭借向空心处吹入冷空气而得到冷却，而这将减小杆的弯曲以及伸长。
光纤的每一端点110、112、114均安装在杆116上的球状部分120、122、124上。用于将光纤各个端点安装在球状部分的夹具的横截面示于图11中。棒上球状部分120插入夹具126上的孔128中。位于夹具126与球状部分120之间有三个接触点130、132、134，这些接触点使夹具126在紧固螺钉起保护作用之前向X、Y或Z轴倾斜。连在夹具上的光纤端点因此能够根据X，Y与Z轴调整，以沿理想方向指向光束。
如果使用单一纤维与镜组以及分光器来产生三束光束，光纤、反射镜以及分光器会以相似的方式安装在棒上。
其它光学元件，如探测器，会被安装在杆上。一个光学元件，如一根光纤或探测器，安装在夹具的底部而不是顶部，也许会被安装在其它面以外。
为了精确确定位于各自探测器68、70、72之上的光束44、46、48的中心，光束需要具有最小杂散反射的组件。但是在实际中除去校准透镜与回射器的干涉图案是很困难的。为减小这些影响，需要一种非相干光源，但是将一种非相干光源校准到设备所需要的水平具有一定的困难。利用一种随着时间变化调制强度以引起频率变化的相干光源可以部分地解决这个问题。强度调制相应的时间区间为探测器中给定像素的曝光时间。
探测器中给定的像素有一个最短曝光时间。例如，一个给定像素的最短曝光时间为10μs，并且强度测定的精确度在1％以内，那么不用将曝光时间强度锁定在调制信号上，光源也会被调制到10MHz以上以达到理想效果。
相干光源可以通过其它方式实现强度调制。例如，光会穿过盘绕在压电材料上的光纤。脉冲调制压电材料会使其直径发生变化，导致光纤的光程以及此后光束调制的改变，这样实现相干长度减小。
由光路上的薄镜片引起的光束自干涉在图象上产生了干涉图案。当光沿直线穿过镜片时，同时其它光被双重反射到后面与前面，便会引起这种现象。使用双光源以产生优选地具有不同波长以及/或者在不同频率下被调制的光束，能够克服这个缺点。因此导致光束处于一种产生较短相干长度的高频。这项技术还可以帮助消除图象上由灰尘与常规点缺陷引起的散斑图案。
由于上述薄镜片的双重反射造成的光束自干涉如图8A所示，使用图8B与8C所示的楔形镜片可以避免这种现象。在图8A中，一个薄板光学元件81位于传感器83前面。光束80入射到平板光学元件81上。一部分光束80沿直线穿过光学元件到达传感器，同时，另一部分光束83被光学元件双重反射，并与光束80相干涉在图象上形成大的条纹。在图8B中，具有大楔形角的楔形光学元件82位于传感器83的前面。一束光束80入射到楔形光学元件82。一部分光束86沿直线穿过光学元件到达传感器83，同时另一部分光束88被光学元件双重反射，并以一定角度穿出光学元件，而不能达到传感器83。图8C中，楔形光学元件84具有较小的楔形角度，这样双重反射光束90到达传感器83，与沿直线通过的光束86成一小角度，这样产生了许多对图象影响效果很小的窄条纹。
室内照明对检测入射到探测器上的光束的射束中心具有一定的影响。例如，背景灯会引起图象的抖动。为消除这种影响，探测器的采样周期需与室内灯光同步，如电源频率。此外，为消除室内灯光的影响，需要两图象，一个带有现场返回光束，而一个没有。两种图象的差被用于计算形心。
像素图象传感器具有饱和电平，饱和电平处强度与传感器输出的对应是非线性的。如果来自光束的探测到的光接近于传感器的饱和电平，便会产生非线性响应，在减去背景灯的时候，必须考虑这一点。
其它方法也可能降低背景灯的影响。在其中一个此类方法中，一个窄带通滤波器被安置于传感器的前面。它只传输具有光源波长的光，而过滤掉其它波长的光，即背景光。
在第二个方法中，一个中等密度的滤波器被安置于传感器的前面。它只传输所有入射光(即来自于光源与背景灯的光)中一定百分率的光(如10％)。通过增强光源的强度，相对于背景灯的光源强度被增强。
在第三种方法中，探测器被遮蔽起来，例如，将它们放置于孔或管子后面，以最大限度地降低背景灯的影响。这种方法同样可以应用于回射器中，如果多束光束使用一个回射器，这种方法具有减小杂散光的优点。
在另外一种方法中，选择像素传感器的积分时间来减小背景光的影响。在传感器一定的积分时间以内，如果给定统一的背景照明，背景光将显示出静态的效果。这种传感器的积分时间将取决于背景光的频率。特定背景条件下传感器的最佳积分时间，由循环传感器的不同积分时间以及观察探测光束形心来确定。引起光束形心最小失真的积分时间将被选中。这种方法的优势在于它简化了对于滤镜的需要。
在优选实施例中，光学单元仅包含光学元件，即回射器与反射镜。这确保那些影响安装在运动机械组件上的光学单元测量不受拖尾电缆的影响。在这个装置中，与拖尾导线相联的探测器与光源全部定位于一个安装在固定机械组件上的发射器单元上。此时坐标定位仪是一机床，光学单元可安装在转轴上，而发射器单元可安装在机床体上。机床体尺寸很大而且很重，这导致了发射器单元上的拖尾导线对发射器单元的运动影响效果很小。相反，位于安装在转轴上的光学单元的拖尾导线将影响光学单元的运动乃至系统的精确性。
本发明并不局限于光学单元仅包含光学元件的实施例。图7所示为位于光学单元12上的探测器68、70、72的实施例。但是这种实施例中两种单元都带有拖尾导线的缺点(即连到发射器单元中光源的导线，以及连到在光学单元中探测器的导线)。这些拖尾导线可能会影响系统的精确性。
本发明的一个优势在于它不局限于只在两单元均为静态时进行测量。逐步将光学单元运动到新位置，当处于静态时进行测量，然后在另外一个新位置上重复上述过程，这样一个逐步法缺乏时间效率。本发明允许光学单元在运动的同时获得图象。
探测器需要一定的时间去检测图象，容许图象的加工处理以及信号的创建产生。在光学单元运动的同时所探测到的图象将会变得模糊。这些图象在光学单元运动的距离上被平均。
由于空气扰动，无论单元是动态还是静态，探测器发出的信号将有噪音。通过参数拟合数据能够解决以上问题。例如，如下面的描述，读数为SX的直线度会被拟合为一束二次曲线。
Sx＝a+by+cz2 例如，由于空气扰动，由干涉仪获取读数时可能需要取时间-平均值。
尽管在优选的实施例中，需要三个探测器以及三束平行光束在所有5个自由度上探测偏差，在该仪器中仅需要两个探测器以及两束平行束来探测任一平面内的偏差。
还可以使用一个具有三束以上光束、回射器和探测器的系统。例如，可以将两个回射器并排放置，如上面的例子所示，回射器中每两个都使另外一个在概念上位于它们之后，总共四个。这种排列方式提供了更多的用于平均的数据，从而提高了精确性。
应将发射器单元方便地沿机械的一个轴向排列，这样当光学单元沿机械的一个轴向运动时，投影光束将在探测器上保持集中。但是，实现机器各轴与底板的精确对齐有时是很困难的，底板上安装有发射器单元。图16A描述了与机器轴的X轴成一定角度的发射器单元10与光学单元12。因此发射器单元发射的光束102、104、106也因此与X轴成一定角度。如图16B所示，当光学单元12沿X轴运动时，入射光束102、104、106相对于光学单元12的位置发生了变化，这将导致探测器上的光斑运动，并可能使光斑完全运动出探测器的边缘。
探测器上的光斑位置为已知时，可以利用这一信息来改变光学单元的行程矢量，使光斑停留在探测器的中心。
第一步光学单元先沿机器轴运动。这种运动可以预先确定一段距离，或者直至光斑移出探测器的边缘结束。然后，利用光斑在探测器上的位置信息，机器的套筒，其上装有光学单元，被用来修正光斑的位置，将光斑带回到探测器的中心。当已知光学单元的原始位置(x1，y1，z1)与新位置(x2，y2，z2)以及它们彼此之间的行程距离时，就可以确定能够将光斑停留在中心的光学单元所需要运动的矢量。可以驱动光学单元沿轴以平滑方式运动或者以步进方式运动。
一旦确定了一根轴上的矢量，那么其它轴可以使用相同的矢量。如果每根轴的矢量是单独确定的，那么为了确定矢量的垂直度，必须知道底板的垂直度偏差以及测量误差。
与机器轴线相关的发射器单元偏移的问题，有可以通过对底板的调整来解决。安装了发射器单元的底板预先就配备了调整机制，以调整发射器单元位置的俯仰、滚转和平摆误差。能够进行调整底板的一种可能机制在PCT专利申请PCT/GB03/000175中有所描述。
如前面的方法所提到的，光学单元沿机器轴线运动。这种运动可以预先确定一段距离，或者直至光斑移出探测器的边缘结束。位于探测器上的光斑位置已知，并且利用这一信息，对底板的角度进行调整，直至光斑回到探测器的中心，从而用机器轴线对探测器进行矫正。用户可根据探测器反馈回的信息来了解底板应沿哪根轴线调整，调整多少。既可以用手动方式完成，也可以利用摄像机中的反馈信息，马达驱动底板的调整机构，以实现底板的自动调整。在后一种情况下，对齐过程使用马达，过程结束后关闭马达。
权利要求
1.一种用于测量第一物体与第二物体之间相对运动中的偏差的装置，包括
能够安装于第一物体上的发射器单元和能够安装于第二物体上的光学单元；
该发射器单元装有一个或多个探测器，且其中该发射器单元将至少一束光束指引向光学单元；
该光学单元装有三个回射器，以向发射器单元反射三束光束；
其中，该一个或多个探测器上的三束反射光束的位置被用于在5个自由度上确定运动轨迹相对于一直线的偏差。
2.根据权利要求1的装置，其中，在光学单元中装有光学元件，以将该至少一束光束分离成三束光束。
3.根据权利要求1的装置，其中，该至少一束光束包括三束光束。
4.根据权利要求1的装置，其中，该一个或多个探测器包括三个探测器。
5.一种用于测量机器各轴线的垂直度的装置，该机器具有能够彼此相对运动的第一和第二部件，该装置包括
能够安装于第一机器部件上的基座单元；
能够安装于基座单元上的发射器单元，基座单元以及发射器单元的至少一个表面设置有配合元件，以便在发射器单元的多个已知的相应朝向上确定发射器单元相对于基座单元的位置，从而确定至少一束光束的方向；
能够安装于第二机器部件上的光学单元；
其中，发射器单元将至少一束光束指引向光学单元；
发射器单元和光学单元其中之一装有一个或多个探测器，以探测发射到光学单元或从光学单元反射回来的一束或多束光束；
从而通过沿着基座单元的两轴线对发射器单元进行定向并测量该至少一个探测器上的所述至少一束光束的偏差，就能够确定所述两轴线的垂直度。
6.一种用于测量第一物体相对于第二物体运动偏差的装置，包括
能够安装于第一物体上的发射器单元；
能够安装于第二物体上的光学单元；
其中，发射器单元将至少一束光束指引向光学元件；
发射器单元和光学单元之一装有一个或多个探测器，以探测发射到光学单元或从光学单元反射回来的一束或多束光束；
探测器上光束的位置被作为反馈来调整发射器单元的位置或改变第二物体的运动矢量，以便在第一和第二物体的相对运动过程中将光束保持在探测器上。
7.根据权利要求6装置，其中，对发射器单元的位置或第二物体的运动矢量进行调整，以便将光束保持在探测器上的基本相同的位置。
8.根据权利要求6或7的装置，其中，发射器单元安装在一个装在第一物体上的可调基座单元上，并且通过调整该可调基座单元来调整发射器单元的位置。
全文摘要
本发明涉及一种激光校准仪。一种用于测量第一物体与第二物体间相对运动中运动轨迹偏离直线的偏差的装置，包括安装于一个物体上的发射器单元；安装于另一物体上的光学单元。其中，该发射器单元将至少一束光束指引向该光学元件，使两束或多束光束进入光学元件。发射器单元和光学单元的其中之一装有两个或多个探测器，以探测两束或多束发射到光学单元或从光学单元反射回来的光束。探测器上的光束的位置用于在至少一个自由度上计算一个物体相对于另一物体的运动轨迹与直线的偏差。这使得能够测量直线度、俯仰、滚转、平摆和垂直度。
文档编号G01B11/00GK101476883SQ20081013270
公开日2009年7月8日 申请日期2003年7月7日 优先权日2002年7月5日
发明者大卫·罗伯茨·麦克默特里, 雷蒙·约翰·钱尼, 马克·阿德里安·文森特·查普曼, 史蒂芬·马克·安古德 申请人:瑞尼斯豪公司