采用混合循环二进制码结构光的非接触式坐标测量机的制作方法
本公开涉及一种非接触式坐标测量机(cmm)，其包括使用新的结构光代码的电光传感器。一些过去的cmm已经使用了机械触针探针，它们在单个点上接触测量表面。这种机器可以测量精密制造零件上的几个选定坐标，精度级为1-5微米(0.00004到0.0002英寸)。然而，人们越来越关注用相当的或更好的精度、更快速的测量和更密集的测量点间距的非接触式光学传感器来代替机械触针的可能性。
背景技术：
使用单个扫描投影激光线的非接触式三维(3d)光学传感器现在可商购获得。一个或两个数码相机以与激光方向不同的角度观察来自物体表面的反射光，使得能够通过三角测量来测量到表面上的点的距离。尽管这种布置增加了超过使用触针探针可能的区域扫描速率，但是目前可用的这种类型的传感器的报告精度似乎还不匹配传统触针式cmm的精度。
在测量表面上覆盖比单个激光线更多区域的结构光图案的顺序投影已被认为是增加区域扫描速率和精度的潜在手段。最近接受讨论和实验的一种类型的结构光基于二进制格雷码的光学实现。参见例如"accuratepointcloudgenerationfor3dmachinevisionapplicationsusing
投影的格雷码图案是二维的透明和不透明光栅图案，替代地称为条形图案，有时称为条纹图案。格雷码序列中有几个独特的条形图案，每个条形图案具有不同的周期性。编码尺寸垂直于条的长边，而条的长度可根据需要改变以改变区域覆盖。由于其区域覆盖，格雷码结构光与单个投影激光线系统相比具有潜在的扫描速率优势。
关于格雷码的更多背景由参考文献"originsofthebinarycode",f.g.heath,scientificamerican,august1972提供。在该参考文献中，作者指出，现在所谓的格雷码在19世纪中后期由emilebaudot在法国首次使用，以消除电报信号的编码和打印输出中的歧义。baudot的代码名称被报道为“循环置换码”。
1953年3月17日，贝尔电话实验室的frankgray获得了美国专利2,632,058，其中他请求保护了“反射二进制码”，现在通常称为“格雷码”。应当注意，“反射”一词的这种使用是指代码图案几何结构中的偶对称，而不是任何反射光的物理能力。尽管gray没有将他的代码描述为循环或周期性的，但是可以在us2,632,058的图2中看出它是周期性的，并且因此也是循环的。除了最重要的图案之外，所有图案都会被“反射”，该最重要的图案具有从黑色到白色的单刀刃转换，并被gray指定为符号位。
从us2,632,058的图2也可以看出，用于任何目的的循环格雷码的最短周期等于四个数字分辨率元素的宽度。当该代码用于创建结构光时，最小周期图案的理想空间波形是具有完全照明的恰好半周期以及零照明的恰好半周期的方波。
尽管已经开发了许多cmm并且它们是有用的，但是存在对于具有减小的测量误差的新cmm技术的兴趣。
附图说明
图1是示出了与本公开的各种实施例一致的一个非限制性示例中的示例非接触式坐标测量机的主要部件的系统框图。
图1a是根据本公开的实施例，使用图1中所示的系统硬件测量物体的表面轮廓的按时间排序的过程的示例操作的流程图。
图2是根据本公开的实施例的示例混合循环二进制码(hcbc)光学组件的所选部件的yz平面中的3d布局图，示出了两个光学传感器和具有空气轴承主轴电机和旋转圆柱形代码筒的中央结构光和非结构光投影仪。
图3是根据本公开的实施例的结构光和非结构光投影仪的成像光学器件和一个代表性光学传感器(相机)的yz平面中的3d布局图，示出了投影仪的透明圆柱形代码筒的局部视图。
图4是根据本公开的实施例的结构化和非结构光投影仪代码筒的xz平面中的横截面图，示出了嵌入式光学透射参考特征、内筒表面上的幻灯片图案的边缘视图和投影仪的光学成像透镜。
图5是根据本公开的代码筒的内表面的一部分的平坦表面上的展开印记的图，示出了在投影仪的编码表面上的三个示例格雷码幻灯片图案的印记和在定时轨道区域上的三个示例定时标记。
图6是根据本公开的实施例的在投影仪的编码表面上进入和离开投影仪的照明窗口的移动幻灯片图案的展开印记的图，其中，对于所有相机像素存在相等的图案曝光时间。
图7是根据本公开的实施例的在投影仪的编码表面上进入和离开投影仪的照明窗口的移动幻灯片图案的展开印记的图，其中所选择的相机像素子集可以具有增加的曝光时间。
图8是与本公开的各种实施例一致的一个非限制性示例中的混合循环二进制码(hcbc)结构光和非结构光投影仪的xz视图的3d布局图，示出了投影仪的光学成像透镜和代码筒/圆柱形壳，以及向光管组件提供照明的柔性光纤。
图9是根据本公开的实施例的图8的一部分的xz视图的放大3d布局图，示出了投影仪的光学成像透镜、光管组件和保护罩内的旋转圆柱形壳的一部分的侧视图。
图10是根据本公开的实施例的yz视图中的3d光学布局和光线轨迹横截面，示出了示例投影仪照明透镜组和光学成像透镜组。
图10a是根据本公开的实施例的图10的一部分的放大图，示出了来自光管端部处的两个点的照明光线如何会聚到投影仪的光学成像透镜组内的两个点图像。
图11a是根据本公开的实施例的x-z视图中的投影仪的光学成像透镜组的3d布局，示出了穿过吸收柱面透镜的三个示例性主光线。
图11b是根据本公开的实施例的图11a中的3d布局的y-z视图。
图12a是根据本公开的实施例的用于在没有吸收透镜的最佳聚焦处的示例投影仪成像透镜组的计算机计算的点扩散函数的3d图。
图12b是根据本公开的实施例的用于没有吸收透镜的示例投影仪成像透镜组的计算机计算的过焦光斑图。
图13是根据本公开的实施例的示例倾斜光学传感器/相机透镜设计的yz视图3d布局。
图14a是根据本公开的实施例的用于在最佳聚焦处的示例倾斜相机透镜设计的计算机计算的点扩散函数的3d图。
图14b是根据本公开的实施例的由相机透镜设计的计算机光线轨迹产生的过焦光斑图。
图15示出了与现有技术一致的各个光学传感器元件(例如像素)的示例光学传感器/相机焦平面阵列中的行和列几何结构。
图16是根据本公开的实施例的投影仪条纹的解码阵列的示意图。
图17是在yz视图中看到的三角测量几何结构的3d布局图，表示中央结构光投影仪和单个光学传感器/相机。
图18是在xz视图中看到的三角测量几何结构的3d布局图。
图19a示出了与现有技术一致的利用格雷码结构光按顺序投影以编码32个分辨率元素的五个二维幻灯片的示例序列。
图19b示出了与现有技术一致的使用特征方波定义现有技术的格雷码序列的图形手段。
图20是根据本公开的实施例的图19b的格雷码特征方波的一组注释图，示出了附加数学特征。
图21示出了根据本公开的实施例的从图12a和图14a中的点扩散函数计算的在示例参考表面上最佳聚焦处的示例投影仪和光学传感器/相机线扩散函数的计算机生成图。
图22示出了根据本公开的实施例的计算机计算的单个像素被投影仪和光学传感器/相机线扩散函数模糊时，对四个不同周期的光学辐照方波的响应。
图23是根据本公开实施例的计算机计算的单个像素被投影仪和光学传感器/相机线扩散函数模糊时，对三个不同周期的光学辐照方波和两个不同周期的光学辐照正弦波的响应的放大视图。
图24是根据本公开的实施例的在条纹距离从0到大于1024的的编码区域上的32条纹最小周期hcbc的高级黑白视觉图示。
图25是根据本公开的实施例的在条纹距离从1024至2048的编码区域上的32条纹最小周期hcbc的高级黑白视觉图示。
图26是根据本公开的实施例的在32条纹最小周期hcbc中的各个位值的
图27是根据本公开的实施例的32条纹最小周期hcbc中的各个位值的
图28a是根据本公开的实施例的表示32条纹最小周期hcbc的hcbc特征波形的计算机计算图示，其中条纹距离s从0变化到544，示出了加权和未加权编号系统代码之间的差异。
图28b是根据本公开的实施例的在0到64的减小的条纹距离上的图28a中的hcbc波形的更详细视图。
图28c是根据本公开的实施例的作为所选择的条纹总数和所选择的最小波形周期的函数的所需hcbc图案的数量的数值表。
图29a是根据本公开的实施例的用于创建hcbc结构光代码的逻辑方法的示例操作的流程图的第一部分。
图29b是根据本公开的实施例的用于创建hcbc结构光代码的逻辑方法的示例操作的流程图的继续。
图29c是示出根据本公开的实施例的特征波形和
图30是在根据本公开的实施例的一个非限制性示例中的用于投影仪和单个光学传感器/相机的3d测量方法的示例操作的流程图。
图31是根据本公开的实施例的系统建模和校准方法的示例操作的流程图。
图32是根据本公开的实施例的对以由图29a和图29b的方法确定的hcbc码排列的测量二进制位序列进行解码的方法的示例操作的流程图。
图33是在与本公开的各种实施例一致的一个非限制性示例中的
图34是根据本公开的实施例的创建如图33所示的hcbc位值转换位置表的方法的示例操作的流程图。
图35是根据本公开的实施例的图23中的曲线420的中心部分的放大图，示出了针对上升斜率的标准化像素信号与距离。
图36是示出根据本公开的实施例的图35中所示的曲线的中心部分的直线模型的图形图，具有针对上升斜率从条纹的较高边缘到其内部的单点外推。
图37是示出根据本公开的实施例的从条纹的较高边缘的单点外推和下降斜率的图形图。
图38是示出根据本公开的实施例的从条纹的下边缘的单点外推和上升斜率的图形图。
图39是示出根据本公开的实施例的从条纹的下边缘的单点外推和下降斜率的图形图。
图40是示出根据本公开的实施例的至解码的条纹2,047的示例四点外推的图形图。
图41是示出根据本公开的实施例的至解码条纹2,063的示例四点外推图形图。
图42是根据本公开的实施例的用于四点子条纹外推过程的方法的示例操作的流程图。
图43是根据本公开的实施例的内部两点子条纹外推方法的示例操作的流程图。
图44是根据本公开的实施例的外部两点子条纹外推方法的示例操作的流程图。
图45是与本公开一致的非接触式坐标测量机的一个示例的高级框图。
图46是与用与本公开一致的的非接触式坐标测量机测量待测量的物体表面的位置坐标的方法一致的示例操作的流程图。
图47是根据本公开的实施例的与在存在变化量的传感器非线性或饱和度的情况下校准光学传感器的方法一致的示例操作的流程图。
图48是根据本公开的实施例的示出在曝光时导致中等非线性的传感器像素的示例传感器信号曲线模型的注释图，还示出了由投影仪参考特征提供的信号响应校准点。
图49是根据本公开的实施例的图48中的传感器像素响应曲线的展开图，示出了针对示例曝光水平的未补偿和补偿的传感器信号响应。
具体实施方式
整个本公开使用以下术语、名称、符号和约定：
1.“abs(数字)”表示(数字)的绝对值。
2.首字母缩略词“bdrf”表示双向反射分布函数(brdf)，它是四个实变量的函数，定义光在不透明表面处如何反射。
3.本公开中的术语“位”表示未加权或加权二进制编号系统中的二进制值(“一”或“零”)。同样在本公开中，与具有索引p的投影单个图案相关联的信号的二进制值可以被称为“位”值。
4.首字母缩略词“3d”表示三维。
5.首字母缩略词“cmos”表示互补金属氧化物半导体。
6.首字母缩略词“cmm”表示坐标测量机。
7.首字母缩写词“fpa”表示光学传感器(例如，数码相机)的焦平面阵列，并且在本公开中用于指示2-d相机像素阵列，无论其是否恰好位于相机焦平面处。
8.术语“二进制图案”是指以两个且仅两个不同的光学透射值表征的图案。
9.首字母缩略词“hcbc”表示混合循环二进制码，一种为确定线性或角位移目的的物理结构的新布置，例如二进制(透明或不透明)光栅图案，在此公开用于结构光cmm，但是也可用于其他目的。术语“混合”是指该代码利用加权和未加权二进制编号系统的组合的事实，而不是使用诸如现有技术格雷码和自然二进制码的纯加权二进制编号系统。
10.首字母缩略词“erp”表示外推参考点。
11.首字母缩略词“led”表示发光二极管。
12.首字母缩略词lsf表示“线扩散函数”，并与“1-d光学模糊”或“线模糊”同义。
13.术语“mod”表示
14.分别在任何形式的结构光二进制码中的术语“msb”和“lsb”分别表示最高有效和最低有效的“位”，并且还可以应用于图案序列中的图案，具体地表示具有最长和最短的重复周期的图案。
15.首字母缩略词“na”表示数值孔径，它是最大射线角度的正弦与射线所在介质的折射率的乘积的倒数的光学设计术语。
16.首字母缩略词“nlc”表示非线性补偿。
17.首字母缩略词“nsl”表示非结构光。
18.本文使用的术语“光学传感器”通常是指可以感测光的装置。在实施例中，光学传感器可以是或包括焦平面阵列和/或一个或多个相机像素。本文描述的光学传感器还可以包括成像透镜。
19.首字母缩略词“psf”表示“点扩散函数”，并与“2-d光学模糊斑点”或“点模糊”同义。
20.首字母缩略词“rms”表示均方根。
21.首字母缩略词“sbm”表示测量表面。
22.“scheimpflug”是通过在成像或投影到倾斜参考平面时使相机fpa相对于相机的光轴倾斜和偏心而实现的改善的聚焦条件。
23.术语“幻灯片(slide)”表示位于投影仪的物面处的周期性(循环)条形图案或均匀光学透射参考特征。它通常与“图案”互换使用。
24.术语“代码筒”是指旋转的透明圆柱形壳，其承载许多精确的hcbc结构光条形图案和多个均匀的非结构光光学透射参考特征。
25.名称“条纹(stripel)”(来自“条纹元素”)是指用于在一维中编码空间的二进制码序列中的数字测量单元。它适用于本公开的hcbc和现有技术的格雷码。它以前被称为“数字分辨率元素”，“量化增量”，或简称为“箱(bin)”。应当注意，在本公开中不使用术语“投影仪像素”，因为术语“像素”(来自“图片元素”)是指二维阵列中的正方形或低纵横比矩形元素而不是在一维阵列中的长条纹。重要的是要注意，虽然条纹只能用于一维测量，但这足以通过三角测量进行深度测量。条纹可以被视为长且细的矩形条纹，如图16所示。长维度定义投影图案的一侧的长度，但不对编码做出贡献。条纹的薄维度定义了一个条纹宽度，并且因此总编码宽度等于条纹宽度和条纹总数的乘积。在本公开中，条纹宽度qs在投影仪的幻灯片平面处定义。投影到参考平面上的条纹的放大宽度被定义为qref。条纹和像素之间的重要区别在于条纹是虚拟的而不是物理实体。另一个是条纹填充因子是100％。条纹之间没有空间，与数码相机的焦平面阵列中的像素有效区域之间的物理间隙相反。
26.条纹索引m是从0开始的整数，并且条纹距离s是从s＝0处的参考起始点到单个条纹m内的指定点的编码距离。作为该约定的非限制性示例，条纹索引号m＝0可以以条纹单位表示条纹距离0和条纹距离m＝1之间的空间。同样地，条纹索引号m＝1可以表示条纹距离1和条纹距离2之间的空间，等等。例如在
27.条纹距离s的变量可以被定义为yp/qs，其中测量起始点位于总编码距离的中心，如图20所示。
28.名称“格雷码”表示如us2,632,058中定义的现有技术的条纹图案的二进制格雷码序列，其中在本公开的语言中，代码序列中的最小图案重复周期可以看作是四个条纹。在实施例中，格雷码的全部或一部分用作hcbc的子集。
29.术语“辐照度”表示入射在表面上的光功率密度(瓦特/平方厘米或等效物)。
30.与hcbc相关的术语“特征波形”表示与从p＝1到p＝pmax的一系列递增整数内的所选图案索引p相关联的数学一维方波。波形由与所选图案索引p相关的三个参数定义：1)条纹中的波形周期λp，2)条纹中所选最小波形周期λmin(流程图29a提供了一种选择λμin的方法，其中λmin是所有未加权编号系统hcbc波形中的常见的波形周期，和3)波形偏移op，由用于加权编号系统波形的op＝0、以及用于未加权编号系统波形的op＝λp/4-p定义。应当注意，特征波形可用于表示投影仪的编码表面处的幻灯片透射或参考表面上的投影辐照度的空间变化。
31.术语“主光线”表示从指定点开始并通过以下中任一者的任何光线：a)任何透镜组的物理孔径光阑的中心或b)投影仪的虚拟孔径光阑的中心，或c)透镜组的主点。
32.术语“大端”表示在加权编号系统中排列数位的通用惯例，其中最高有效数位或位在左侧。
33.术语“物体”在光学设计意义上用作包含产生一条或多条光线的指定点的表面。
34.术语“场”在光学设计意义上用作产生光线的物体上的特定点的集合。
35.术语“反向投影”是指将相机建模为投影仪或将投影仪建模为相机的光线轨迹。对于相机反向投影光线跟踪，物体场点可以在fpa上的像素中心的矩形网格阵列中。对于投影仪反向投影，物体场点可以是反向投影相机光线与参考平面的截距，如图3所示。
36.术语“卷积”是指本公开中当已知几个单独的贡献lsf模糊函数时，例如投影仪模糊、相机模糊和像素主动响应函数，用于计算合成的光学lsf模糊函数和模糊的特征波形的数学过程。
37.术语“曝光”，在本公开中由符号“e”表示，表示在特定曝光时间期间沉积在单个传感器像素上的光学能量的总量，单位为瓦特-秒(焦耳)，或者可替换地，在指定曝光时间期间入射在同一单个传感器像素上的辐射能量光子的总数。
38.选择用于本公开的全局坐标系x，y，z的原点位于投影仪的成像透镜组的sbm侧主点处，具体地，在图3和图17中的点102处。
39.以下是其他术语和符号的词汇表：
θ(“theta”)＝在与图17的y，z平面平行的任何平面中的一维编码投影仪主光线角度，并且包含由来自所选择的相机像素的反向投影光线和诸如sbm或参考平面的表面的交点确定的点x，y，z。φx(“phix”)＝图18的x，z平面中的一维相机主光线角度，由所选择的相机像素的行索引号i确定。
φy(“phiy”)＝图17的y，z平面中的一维相机主光线角度，由所选择的相机像素的列索引号j确定。
lpp＝与图案p投影时记录的激光功率成比例的信号。e＝在指定曝光时间期间沉积在单个传感器像素上的光能量的总量，单位为瓦特-秒(焦耳)。
m＝条纹索引(整数，即0，1，2，3......)，它是从参考的条纹距离s的下舍入整数值。
mlp＝在与图案p相关的特征波形中从0到1的第一次转换时的条纹索引。
mmax＝用于对总的mmax+1个条纹进行编码的最高条纹索引
ms＝毫秒。
nm＝纳米。
μm＝微米(“microns”)。
nle＝非线性误差，当其受到传感器信号饱和或部分饱和的影响而减小时，理想传感器信号大小与传感器信号大小之间的差异。
op＝hcbc特征方波的波形偏移，作为波形对称中心与固定公共偏移参考位置(例如，s0)之间的距离，以条纹为单位，在实施例中可以应用于未加权编号系统二进制方波波形和条形图案。它本质上是相移，但是在本公开中使用不同的符号以将其与纯正弦波形的相移区分开。
p＝针对编码的hcbc序列，从p＝1开始的一般幻灯片图案索引号，而不考虑也可以被投影的相关联的均匀光学透射参考图案。
pmax＝一个hcbc序列中的空间编码图案的总数，不包括均匀光学透射参考幻灯片。在本公开的示例设计中，pmax＝23并且幻灯片的总数是26。
ref1＝第一均匀光学透射参考特征。
ref2＝第二均匀光学透射参考特征。
ref3＝第三均匀光学透射参考特征。
ref4＝第四均匀光学透射参考特征。
refn＝一般的第n个均匀光学透射参考特征。
s＝从条纹阵列开始处的零参考(条纹m＝0的数字下边缘)的条纹的距离。s可以是任何数字，例如分数或多位十进制数。
δs＝从erp到解码条纹内的外推点的条纹的距离。
tref1＝第一均匀光学透射参考特征的百分比或分数透射。
tref2＝第二均匀光学透射参考特征的百分比或分数透射。
τref3＝第三均匀光学透射参考特征的百分比或分数透射。
τref4＝第四均匀光学透射参考特征的百分比或分数透射。
y＝投影仪的编码表面上的关于投影仪透镜光轴和编码表面的交点的物理距离。
λ＝(“lambda”)一般hcbc特征波形的空间周期，以条纹为单位。
λp＝对应于幻灯片索引p的hcbc特征方波的空间周期，以条纹为单位。
λmin＝整个hcbc序列中条纹中的最短空间周期，并且对于所有未加权编号系统图案是共同的。
q＝当投影并解码多于一个hcbc序列和相关参考图案时的序列号。
f_rot＝圆柱形壳(筒)旋转频率，单位为hz
ρ(“rho”)＝旋转圆柱形壳的内圆柱壁的半径。
β(“beta”)＝旋转圆柱形壳筒内侧的投影仪幻灯片图案的角度间距，单位为度或弧度。
ns＝一个序列中投影的幻灯片的总数＝pmax和均匀光学透射参考幻灯片的数量之和。
i＝光学传感器fpa行索引号，与x和x坐标轴相关联。该约定还用于网格失真射线追踪和计算。
j＝光学传感器fpa列索引号，与y和y坐标轴相关联。该约定还用于网格失真射线追踪和计算。
nrow＝光学传感器/相机fpa像素行的数量。
ncol＝光学传感器/相机fpa像素列的数量。
kpm＝在解码的条纹m的数值上较高的边缘处的辐照度或信号转变斜率并且与图案索引p相关联。
kyp＝投影仪的y失真校正参数。
kyc＝相机的y失真校正参数。
kxc＝相机的x失真校正参数。
qs＝投影仪的筒编码表面的条纹宽度，单位为毫米或微米。
qzref＝参考平面处的条纹宽度，单位为毫米或微米。
pp＝相机fpa处的像素间距，单位为毫米或微米。
ff＝由相机制造商提供的像素区域填充因子，在对于像素中心之间的100％光收集区域而言的1.0和对于没有光收集区域的0.0之间变化。
ffdt＝针对几乎所有相机像素上的幻灯片图案停留时间的完全场停留时间。
rfdt＝针对在fpa行的选定组上幻灯片图案停留时间的缩短的场停留时间。
srdt＝用于所选的fpa行的单行停留时间。
vp＝从要投影的幻灯片的中心点到投影仪透镜组的第一主点的物距。
vc＝从相机fpa的中心点到相机透镜的第一主点的反向投影物距。
up＝从投影仪透镜组的第二主点到z＝z_ref处的参考表面上的轴上最佳聚焦图像的中心的图像距离。
uc＝从相机透镜的第二主点到z＝z_ref处的参考表面上的轴上最佳聚焦图像的中心的反向投影图像距离。
h(i,j,p,q)＝针对相机像素坐标(i,j)、投影仪图案索引p和投影序列号q的解码二进制位值。
h(i,j,p,q)＝来自具有行索引i和列索引j的相机像素的电信号大小，其在投影序列q期间由图案p创建。
f(i,j,p,q)＝在投影序列q期间测量的单个光学传感器/相机像素电信号大小，与投影图案索引参数p相关联，并且针对激光功率的测量的时间变化和由校准的50％光学透射参考图案的投影产生的测量的像素信号大小进行标准化。参见图30中的框3005和3006。
mproj＝由z＝zref定义的参考图像平面处的投影仪横向放大率。
mcam＝在由z＝zref定义的参考图像平面上的fpa的中心区域的反向投影图像处的相机横向放大率。
roi＝测量相机中可选的“感兴趣区域”快门模式能力。
w＝投影仪照明窗口的宽度，在本公开中为非限制形式的正方形。
x_o＝由任何相机曝光定时偏移引起的投影仪幻灯片平面上的非测量x方向上的偏移距离，如图7所示。
在用于非接触式cmm的许多结构光应用中，将存在结构光投影仪和光学传感器/相机光学衍射和散焦效果，其用于模糊投影和测量的二进制条形图案中的理想锐边。其最严重的影响是格雷码最小周期图案。期望最小周期保持足够大，使得一个条宽度(一半周期)远大于总光学模糊直径。由于任何格雷码序列的数字分辨率元素是一个最小条宽度的一半(最小空间周期的四分之一)，因此已经发现这导致使用传统格雷码的光学cmm的数字分辨率元素远比期望的大，即大于传统接触式cmm的1-5微米测量误差。
如果数字分辨率元件大于期望的测量误差，则有时可以通过基于由给定光学传感器/相机像素测量的接收信号的标准化大小的测量在其内进行内插或外推来提高测量精度。然而，这可以达到的精度取决于两个条件，第一个是用于精确标准化接收到的信号电平的可用机构，第二个是针对给定横向测量距离的像素信号大小的足够大的变化。如果光学模糊宽度接近投影条形图案中的上升和下降强度边缘之间的距离(条形图案周期的一半)，则信号大小相对于距离可能存在如此小的变化，从而无法满足第二条件，结果是，即使有可接受的信号标准化的机构，内插或外推也只能提供准确度的微小增益。
此外，已知当测量表面具有高镜面(镜样)反射率的区域时，一些区域可以成角度，使得异常大量的反射光可以被引导到单个传感器元件(像素)中。根据传感器元件的动态范围能力，可能存在部分或全部信号饱和，在某些情况下会导致测量表面坐标的误差。因此，期望减少与该条件相关的测量误差。
考虑到前述内容，本公开的一个方面涉及一种用于确定测量的物体表面上(即，映射)的位置坐标的非接触式坐标测量机(cmm)。在这方面，参照图45，其是与本公开一致的非接触式cmm的一个示例的高级框图。注意的是，图45描绘了与本公开一致的非接触式cmm的通用配置，为了清楚和容易理解，省略了各种组件。例如，结合其他附图的描述，本文提供了关于图45中所示的组件和可以包括在这种系统中的其他组件的进一步的细节。
如图所示，非接触式cmm4500包括光学组件4501，其继而包括结构光和非结构参考光投影仪4503和至少一个光学传感器(例如，第一光学传感器4509和可选的第二光学传感器4511)。结构光和非结构参考光投影仪4503包括光源4505(例如，激光)、代码筒4507(这里也称为壳、圆柱等)和投影透镜4508。
另外，非接触式cmm4500还包括控制器4513。通常，控制器4513被配置为在代码筒4507绕轴旋转时，使光源4505将入射光线4515(下文中，入射光4515)投射到代码筒4507上。入射光4515穿过代码筒4507的图案化和非图案化区域，然后由投影透镜4508聚焦到测量的物体的表面上，即聚焦到sbm4570上，作为结构光4516和非结构光4517。
通常，控制器4513被配置为使结构光和非结构参考光投影仪4503将结构光4516和非结构参考光4517发射到测量的物体的表面上，即，发射到sbm4570上。因此，控制器4513被配置为控制通过光源4505的光线4515的发射。例如，控制器4513可以产生一个或多个控制信号，其被配置为控制光源4505产生光线4515。控制器4513还控制所述至少一个光学传感器的曝光时间以及进行由所述至少一个光学传感器产生的信号的处理和存储。关于光源4505对来自控制器4513的控制信号的响应，光源4505可以发射光线4515，使得光线4515入射在代码筒4507上，如图所示。因此，光线4515可被称为入射光，因为光线4515的至少一部分入射在代码筒4507上并由投影透镜4508聚焦，导致代码筒4507的前场(downfield)区域中存在结构光线4516和(非结构化的)参考光线4517。
可以使用任何合适的光源作为光源4505。在没有限制的情况下，在一些实施例中，光源4505是非相干光源，其在电磁光谱的期望区域(例如紫外、可见或红外区域中的一个或多个)中发光。在特定的非限制性实施例中，光源4505是非相干激光光源，其在紫外、可见或红外区域中发射光线4515。
代码筒4507和投影透镜4508通常被配置为将入射在筒的一些区域上的光线4515(即，入射光线)的至少一部分转换为空间结构化的光线4516(下文中称为“结构光”)，并且还将入射在筒的其他区域上的光线4515(即，入射光线)的至少一部分转换成参考光线4517，其在sbm4570上产生基本均匀的参考照明(下文中称为“非结构参考光”)。
代码筒4507包括结构光区域/特征和非结构(均匀光学透射)参考光区域/特征。代码筒4507的结构光区域/特征被配置为相对于筒上的一个或多个位置坐标对光进行编码，而非结构化的均匀光学透射参考光区域/特征被配置用于提高解码结构光的精度，以及检测和校正传感器信号饱和度或部分饱和度(即非线性)。代码筒4507可以包括筒上的一个或多个(例如，一个、两个、三个、四个或更多个)非结构化的均匀光学透射光参考区域/特征，每个区域/特征可以被配置为透射已知百分比量的入射光(例如光线4515)。由每个均匀光学透射参考特征透射的光量可以是在其上的入射光的约10％至约100％的范围内。在实施例中，均匀光学透射参考区域/特征中的至少一个被配置为在入射光的约49％和约51％之间透射，例如在入射光的约49.9％和约50.1％之间，或甚至大约或恰好是入射光的50.0％。在这种情况下，这种特征被称为“50％透射”或“50％透射参考”。
在一些实施例中，代码筒4507被配置为使用多个混合循环二进制码(hcbc)图案来创建结构光线4516，其在实施例中可以包括一个或多个加权编号系统/变化周期(例如，格雷码)二进制图案和多个未加权编号系统/公共/恒定周期(即非格雷码)二进制图案。在一些实施例中，多个hcbc图案和非结构光参考区域的全部或一部分形成在代码筒4507的表面上和/或内。
例如，在一些实施例中，代码筒4507包括(例如，圆柱形)壳，其包括透明(或基本上透明)区域和不透明(或基本上不透明)区域，这些区域配置有投影透镜4508以产生结构光。通常，透明或基本上透明的区域被配置为透射相对大量的入射光(例如，光线4515)，而不透明或基本上不透明的区域被配置为阻挡(即，不透射)相对大量的入射光(例如，光线4515)。这些区域可以单独地或共同地限定多个hcbc图案中的一个或多个。而且，这些区域可以单独地或共同地起作用以通过代码筒4507和投影透镜4508选择性地透射光，导致在投影透镜4508的前场区域中产生结构光线4516。
代码筒4507的结构光区域的透明和不透明子区域可以以任何合适的方式形成。例如，在一些实施例中，代码筒4507包括具有内表面和外表面的壳(图45中未示出)。在这种情况下，壳可以配置为透射在其上的入射光(例如，光线4515)的至少一部分。例如，在一些实施例中，壳可以由抗反射涂布的材料形成或包括该材料，并且考虑到内表面和外表面的影响，透射大于或等于约95％的入射在其上的光，例如大于或等于约98％，大于或等于约99％，或甚至约100％的入射在其上的光。非限制地，在一些实施例中，壳由透射大于或等于约98％的入射在其上的光线4515的材料形成或包括该材料，包括例如各自涂布有一个或多个抗反射薄膜层的两个表面。
再次考虑代码筒的结构光区域/特征，在一些实施例中，不透明或基本上不透明的另外类型的涂层可以当壳由透明或基本上透明的材料形成时存在于壳的内表面、外表面、或内表面和外表面两者的至少一部分上，如将在下面描述。在这种情况下，涂层可以由不透明或基本上不透明的材料形成，即阻挡(不透射)至少一部分入射在其上的光(例如，至少一部分光线4515)的材料。例如，在一些实施例中，涂层可以由阻挡大于或等于约90％、大于或等于约95％、或甚至约100％的入射在其上的光的材料形成。换句话说，涂层可以被配置为透射小于或等于约10％、小于或等于约5％、或甚至小于或等于约1％的入射在其上的光(例如，光线4515)。稍后提供关于可用于形成涂层的特定材料的细节，但应理解，可使用任何合适的材料来形成涂层，只要涂层阻挡足够量的入射光即可。用于形成这种涂层的合适材料的非限制性示例包括对光线4515不透明或基本上不透明的金属、合金和聚合物，以及它们的组合。
在一些实施例中，透明区域和不透明区域可以通过移除壳上的不透明或基本上不透明的涂层的选定区域来限定，从而暴露壳的选定区域(如前所述，可以由透明或基本上透明的材料形成)。例如，可以通过在代码筒4507的透明或基本透明的壳的内表面和/或外表面上形成基本上连续的不透明或基本上不透明的材料涂层来限定这样的区域，之后可以移除不透明或基本上不透明材料的选定区域以形成图案化涂层。图案化涂层的形成可以以任何方式完成，例如通过蚀刻、光刻或其他合适的工艺，其可以移除涂层的选定区域以暴露下面的(透明)壳。多个hcbc图案可以由图案化涂层限定，或者更具体地通过由图案化涂层以及下面透明壳的暴露区域限定的不透明和透明区域限定。取决于期望的配置，图案化涂层可以被配置为“阳”图案(即，hcbc图案完全由代码筒4507的壳的下表面的暴露区域限定)、“阴”图案(即，hcbc图案完全由涂层的在移除后保留的部分限定)或“混合”图案(即，其中至少一些hcbc图案由代码筒4507的下表面的暴露部分限定并且至少一些hcbc图案由涂层的在移除后保留的部分限定)。在定义并产生hcbc图案之前、期间或之后，可以将一种或多种抗反射涂层施加到壳的内表面和外表面。
当然，多个hcbc图案不是必须由包括透明或基本透明的壳的筒的表面上的不透明或基本上不透明的涂层限定。在一些实施例中，例如，代码筒4507可包括由不透明或基本上不透明的材料形成的壳。在这种情况下，可以通过移除壳的选定部分以便在其中形成开口来限定多个hcbc图案。在这种情况下，开口可以被认为是透明区域，并且代码筒的其余部分可以被认为是不透明区域，透明和不透明区域限定多个hcbc图案的全部或一部分。
在各种实施例中，代码筒4507可包括一、二、三、四或更多个均匀光学透射参考区域/特征以便产生非结构参考光。例如，在一些实施例中，代码筒4507包括第一均匀光学透射参考特征、第二均匀光学透射参考特征、第三均匀光学透射参考特征、以及第四或更多个均匀光学透射参考特征，其中第一、第二、第三、第四或更多个均匀光学透射参考特征被配置为透射不同量的入射在其上的光。第一均匀光学透射参考特征可以被配置为透射第一光量(例如，入射光的98％至100％)。在一些实施例中，第一参考特征的功能可以可替代地由代码筒4507上的一个或多个结构光图案的98％至100％均匀透射区域提供。第二均匀光学透射参考特征可被配置为透射第二光量，其中第二光量小于入射光的第一透射量(例如，约50％透射)，第三均匀光学透射参考特征可以被配置为透射大于第二透射量的第三量的入射光(例如，第三参考特征可以提供大约70％透射)和第四均匀光学透射参考特征可以被配置为透射第四量的入射光，其小于第二量的透射光(例如，第四参考特征可以提供大约30％透射)。
在本公开中，均匀光学透射参考特征的编号被布置为与代码筒4507上的示例投影序列一致，如图4所示。然而，可以使投影的顺序与图4的示例不同，并且在任何情况下，使用不同的标准可能导致均匀光学透射参考特征名称的不同排序而不影响系统性能。一、二、三、四或更多个均匀光学透射参考特征可以最初与代码筒4507一体或最初与代码筒4507分离。在前一种情况下，代码筒4507的整体部分可以被配置为透射已知的第一、第二、第三或第四量的光，如上所述。例如，在代码筒4507包括透明(圆柱形壳)的情况下，壳的暴露部分可以被配置为用作第一参考，而代码筒4507的不同区域可以被配置为用作第二、第三或第四均匀光学透射参考特征。例如，在第一均匀光学透射参考是透明壳的暴露部分的情况下，第二均匀光学透射参考可以由透明壳的不同暴露部分形成，该暴露部分已被覆盖(例如，涂覆)一材料或与一材料结合以使得透过该材料和第二暴露部分的光量是透过用作第一均匀光学透射参考特征的暴露部分的光量的50％。
在后一种情况下，第二、第三和第四均匀光学透射参考特征可以至少部分地包括最初与代码筒4507分离的部件，并且可以稍后粘附或以其他方式保持在代码筒4507上或代码筒4507内的离散位置。例如，在一些实施例中，一个或多个均匀光学透射参考元件可以是板的形式，其可以在一个维度上呈现其表面的曲率(例如，柱面透镜)，并且代码筒4507可包括一个或多个保持特征，其被配置为保持这些板或透镜。在实施例中，代码筒4507包括具有内表面和外表面的透明(圆柱形)壳，其中一个或多个均匀光学透射参考保持特征设置在其上的内表面、外表面或组合之上或之内。在一些非限制性实施例中，代码筒4507包括具有内表面和外表面的透明圆柱形壳，其中在内或外表面中形成有槽、凹陷等形式的至少一个均匀光学透射参考保持特征，并且该一个或多个参考中的每一个设置在至少一个这样的均匀光学透射参考保持特征内。在这种情况下，均匀光学透射参考保持特征可以完全或部分地延伸穿过透明壳的厚度。也就是说，均匀光学透射参考保持特征可以是被配置为接收和保持均匀光学透射参考元件的开口，例如透明壳的厚度减小区域(例如，槽、凹陷等)，它们的组合等。
均匀光学透射参考特征的类型和配置不受限制，并且可以使用任何合适的均匀光学透射参考特征。尽管如此，在一些实施例中，使用第一、第二、第三和第四参考特征。在这种情况下，第二、第三和第四均匀光学透射参考特征可以至少部分地由与透明壳材料不同的材料形成。例如，在一些实施例中，代码筒4507包括透明壳，其包括透明壳基底材料，并且第一、第二、第三和第四均匀光学透射参考特征可包括一定量的透明壳基底材料。
代码筒4507中的均匀光学透射参考特征的位置和配置可以广泛变化，并且可以使用均匀光学透射参考特征的任何合适类型和配置以及可以使用均匀光学透射参考特征的任何投影序列，即，均匀光学透射参考特征可以组合在一起或散布在壳上的结构光图案之间。
无论其配置如何，代码筒4507通常被配置为围绕轴旋转、支撑多个非结构光均匀光学透射参考特征并且选择性地透射或阻挡其上的入射光以产生结构光。更具体地，当代码筒4507旋转时，由光源4505发射的光线4515入射在其内表面或外表面上。在任何情况下，光线4515被代码筒4507上的二进制条形图案的透明和不透明区域选择性地透射/阻挡，导致在投影透镜4508的前场区域中产生结构光(例如，结构光线4516)和非结构均匀光学透射参考光(例如，非结构参考光线4517)。如图45所示，结构光线4516和非结构参考光线4517的组合被引导到测量的物体的表面上，即，被引导到示例表面点4572处的sbm4570上。光线4516和4517的至少一部分可以从sbm4570上的点4572反射或以其他方式重定向，导致产生由光学传感器4509和4511接收的反射的结构光和反射的非结构光。由于从诸如点4572的任何表面的反射，光学传感器4509和4511接收的光线由于在所讨论的点(例如点4572)附近的精细结构(例如，不同的表面倾斜、垂直高度和反射率的小区域)，可以实质上不同。结果，光学传感器4509可以接收相对于由光学传感器4511接收的反射结构光4520不同的反射结构光4518，并且以相同的方式也接收与由光学传感器4511接收的反射的非结构化均匀光学透射参考光4521不同的反射的非结构化均匀光学透射参考光4519。由任一光学传感器从给定表面点接收的非结构光可用于产生标准化光学传感器信号大小，其可用于在解码结构光时检测和补偿各个光学传感器像素元件的非线性操作(例如，部分或全信号饱和)，以提高解码和外推结构光的准确性。
在实施例中，形成多个hcbc图案，使得在sbm4570上由结构光线4516产生的聚焦光学图像包括表示加权编号系统的二进制条形图案序列和表示未加权编号系统的二进制条形图案序列。此外，hcbc图案(并且更具体地，代码筒4507)可以被配置为使得每个二进制条形图案相对于公共偏移参考位置产生。另外，多个二进制条形图案中的每一个可以至少部分地由特征波形限定，该特征波形由具有指定的空间重复周期和偏移距离的数学方波组成，该偏移距离是可从单个公共偏移参考位置到波形上的对称中心测量的。如稍后将详细描述的，至少一个光学传感器(例如，光学传感器4509或可选的光学传感器4511)可以包括一组传感器元件(例如各个传感器元件(例如，像素)的焦平面阵列和成像透镜组)，并且通常被配置为接收和测量反射的结构光线4518和4520以及非结构光线4519和4521的至少一部分，并产生一个或多个测量信号序列。在一些实施例中，一个或多个测量信号序列中的至少一个与测量的物体表面上的至少一个点的位置坐标(即sbm4570上的至少一个点的位置坐标)相关(例如，相关联)。由光学传感器4509、4511的元件产生的测量信号序列可以被传递到控制器4513。控制器4513可以确定测量表面上与接收的测量信号序列中的信息相对应的位置坐标。
系统4500还可以包括其他部件，为了清楚起见，这些部件已从图中省略。例如，在一些实施例中，系统4500包括一个或多个定位机构，其可用于控制光学组件4501到sbm4570的相对位置。例如，在一些情况下，系统4500包括第一定位机构(例如，图1中的定位器510)，其被配置为控制光学组件4501的位置，以及第二定位机构(例如，图1中的定位器520)，其被配置为控制测量的物体的位置，或者更具体地，sbm4570的位置。这样，sbm4570和光学组件4501的相对位置可以由第一和第二定位机构中的一个或两个控制。因此，控制器4513可以被配置为将一个或多个位置控制信号发送到第一和/或第二定位机构。位置控制信号可以被配置为使第一和/或第二定位机构调节sbm4570和光学组件4501的相对位置，例如，用于调节在sbm4570上的投影透镜组4508的焦点和至少一个光学传感器的焦点的目的。
系统4500还可以包括可以用于补偿可能由结构光和参考光投影仪4503的光输出或者更具体地来自光源4505的光输出的时间变化所引入的测量误差的特征。例如，系统4500可以包括光源传感器，其可以与结构光和参考光投影仪4503集成或分离。在任何情况下，光源传感器可以被配置为检测来自光源4505的光输出的强度(即，光线4515的强度)，并将光源传感器信号输出到控制器4513，其中光源传感器信号代表检测到的光线4515的强度。考虑到这一点，控制器4513除了接收光源信号之外还可以通过使用由位于代码筒4507上的非结构光学透射参考特征的投影产生的信号，进一步标准化由光学传感器4509和4511产生的测量信号。
如稍后将详细描述的，系统4500可以被配置为使得由光学传感器4509和4511进行的测量可以用于精确地确定sbm4570上的位置坐标。例如，在一些实施例中，系统4500被配置为使得可以以小于或等于约5微米、例如小于或等于约3.5微米、或甚至小于或等于约1微米的误差来测量sbm4570上的点的位置坐标。
本公开的另一方面涉及一种利用非接触式坐标测量机测量被测量物体的表面的位置坐标的方法。因此参照图46，其是与本公开一致的测量位置坐标的一种示例方法4600的示例操作的流程图。注意的是，方法4600假设使用与本公开一致的非接触式坐标测量机(例如，上面结合图45描述的机器)，为了简洁起见，不再重复其细节。
如图所示，方法4600开始于框4601。然后，该方法可前进到可选框4602，根据该可选框4602，可以对测量的物体的表面和光学组件的位置和倾斜度独立地或相对于彼此进行调节，如上所述并且稍后进一步描述，和/或另外可以调节光学传感器曝光时间。例如，在一些实施例中，非接触式坐标测量机的控制器可以向第一定位机构和第二定位机构中的至少一个发出位置控制信号，其中第一和第二定位机构被配置为相对于光学组件的位置调节测量表面的位置和倾斜度。更具体地，第一和第二定位机构可以响应于至少一个位置控制信号调节测量表面和光学组件的相对位置，例如，用于调节在测量的物体表面上的投影透镜组和至少一个光学传感器的焦点和/或横向调节测量区域的目的。另外，因为由任何一个传感器或传感器元件测量的来自代码筒上的各种结构光图案的反射光的大小可能受到测量表面的区域的未知反射率和倾斜角的影响，在一些实施例中，根据在图47的流程图中单独描述的校准程序，非接触式测量机的控制器可以预先调节一个或多个光学传感器的曝光时间。在系统操作期间，当在各种类型的待测表面上存在相当大范围的反射率值时，关于图46和图47的流程图描述的传感器曝光时间调节程序可以提供改进的光学传感器动态范围(即，最大未饱和信号值与最小可检测传感器信号的较高比率)。
再次考虑图46，在可选框4602的操作之后(或者如果省略这样的操作)，该方法可以前进到框4603。根据框4603，可以例如使用包括如本文所述的代码筒的光投影仪产生结构光和非结构参考光两者。更具体地，可以在代码筒和投影透镜的前场区域中产生结构光，使得结构光入射在测量的物体的表面上。代码筒、投影透镜以及结构光和图案的序列的细节在本公开的其他地方描述(例如，结合图45和其他图)，并因此不再重复。类似地，通过在用于产生结构光的相同代码筒上顺序地投射多个光学透射参考特征中的每一个的过程，可以在结构光所覆盖的sbm前场的相同区域上产生非结构参考光。
然后，该方法可以前进到框4604，根据该框，结构光和非结构参考光从测量表面反射(即，产生反射的结构光和反射的非结构光学透射参考光)。在这方面，可以理解，根据框4604的操作包括将结构和非结构光学透射参考光投射到测量表面上，使得这种光的至少一部分被反射。
在框4604的操作之后或与其同时，该方法可以前进到框4605，根据该框，可以用一个或多个光学传感器和一个或多个单独的光学传感器元件(例如像素)测量反射光，如本文中一般性地描述以及与如图47中的方法流程图所述的校准信号响应模型相关联地具体地描述。稍后提供关于框4605中的特定测量的进一步细节，但是可以理解，这种测量的结果是产生至少一个测量信号序列，其中至少一个测量信号序列至少部分地基于测量的反射结构光和测量的反射非结构参考光。如本文所述，可以将至少一个测量信号序列发送到非接触式坐标测量机的控制器以进行处理，应理解测量信号的相对大小不仅取决于如上所述的测量点在sbm4570上的坐标和测量点的区域中的表面反射率和倾斜度，而且也取决于一个或多个光学传感器中的一个或多个光学传感器元件(像素)中的任何信号饱和度或非线性的程度。
然后，该方法可以前进到框4606，根据该框，至少部分地基于至少一个光源传感器信号序列(例如，如图1中的详细示例系统框图所示的信号17)，并且至少部分地基于由每个光学传感器(即，光学传感器4511或4509)中的各个光学传感器元件(像素)产生的光学透射参考信号，可以对与所述至少一个测量序列相对应的所有传感器信号进行标准化，所述光学透射参考信号从第二光学透射参考特征的投影(例如，如前所述在幻灯片筒上的非结构化的参考区域，光学透射率为50％或接近50％)产生。为了标准化测量信号，测量信号、光源信号和响应于第二光学透射参考信号测量的信号都可以被传输到非接触式坐标测量机的控制器，其中控制器首先是将测量信号值除以光源信号大小以提供第一标准化值，然后将第一标准化值除以响应于第二光学透射参考特征(例如，ref2，在代码筒上基本均匀或完全均匀的50％透射区域)的投影而测量的信号的值，以便产生最终的标准化测量信号。
在框4606的操作之后，该方法可以前进到框4607，根据该框，可以例如通过系统控制器4513来确定至少部分地由至少一个投影序列中的一个或多个传感器信号中的部分或完全饱和引起的传感器信号非线性程度的估计。在实施例中，可以使用由与关于图4、图11a、图11b、图48和图49所讨论的第一、第二、第三和第四光学透射参考特征的投影产生的测量传感器信号来执行这种估计。在关于图47的讨论以及关于图48和图49中的示例传感器饱和曲线图的讨论中提供了非线性估计计算和补偿的细节。
然后，该方法可以进行到判定框4608，根据该框，确定是否需要继续调节传感器曝光，以便减少在框4607中测量的过度非线性。如果是(yes)，则该方法循环回到可选框4602，根据该框，传感器曝光时间减少第一估计量。然后该方法在框4603到4608中重复操作，重复该循环操作，直到框4607中的测量的非线性足够低以在框4608中产生“否”判定。每次迭代的曝光时间的减少量可以在二次迭代循环(为简洁起见而未示出)中调节。
如果根据框4608的判定是“否”，则在框4607中检测到的任何非线性足够小以有资格进行计算的非线性校正而不减少光学传感器曝光时间，该条件可能期望地导致更大的传感器信号动态范围。然后，该方法可以前进到框4609，根据该框，可以在系统控制器中执行关于各个信号大小的非线性校正。在与图48和图49有关的讨论中提供了用于执行非线性校正的一个示例方法的细节。
在完成框4609的操作之后，该方法可前进到框4610，根据该框，执行结构光序列的数字解码以确定一个可识别分辨率元素(例如，条纹)内的代码筒4507上的横向位置坐标，然后外推到所识别出的条纹内的更准确的位置。解码过程的细节可以在图32的流程图中找到并且外推过程的细节可以在图22至图44的附图和相关的文本中找到。在代码筒上的一个条纹的横向宽度(以绝对距离)可以小于1微米、1至3微米、大于3微米或任何其他合适的距离。外推后的横向位置误差可小于一个条纹宽度的一半，小于一个条纹宽度的四分之一，小于一个条纹宽度的十分之一，或任何其他合适的条纹部分。由于光图案在sbm4570上的投影可以通过从筒到sbm4570的已知横向放大率来表征，因此sbm4570上的投影条纹宽度可以小于、等于或大于筒上的条纹宽度并且sbm4570上的横向测量误差可以小于、等于或大于筒上的横向测量误差。
在框4610的操作之后，该方法可以前进到框4611，根据该框，确定表面点(例如，sbm4570上的点4572)的三维表面位置坐标。该确定可以涉及图45中描述的系统元件的距离和角度以及光学参数的知识、以及幻灯片筒上估计的解码和外推位置坐标。用于上述计算的示例三角测量过程的细节由图3和图15-18、图30的测量过程流程图、及其相应的描述提供。
在框4611的操作之后，该过程可以进行到判定框4612，根据该框，做出关于该方法是否要继续的判定。如果是，则该方法循环回到框4602，例如，允许使用与前一序列相同的条件或调节系统条件(例如，调节系统和/或测量表面的相对位置和/或调节传感器元件(例如，像素)的曝光时间)，使用附加测量序列继续测量相同表面点。然而，如果否，则该方法前进到框4613并结束。
现在参照图47，其是与本公开一致的与用于校准光学传感器以提供传感器响应非线性补偿的方法一致的示例操作的流程图，其目的是改善cmm测量精度。如图所示，方法4700开始于框4701，然后前进到框4702，根据该框，建立可用的非接触式光学坐标测量系统以用于光学传感器校准。
在框4702的操作之后，该方法前进到框4703，根据该框，固体物体(例如，具有一个或多个平坦或弯曲表面的校准物体，每个表面已经由已知的双向反射分布函数(brdf)表征)可以附接到第二定位机构(例如，图1的示例系统配置中的x，y，z，倾斜台520)。然后，在非接触式坐标测量机的正常操作期间，校准物体上的选定表面可以用作待测量的一类或多类表面(例如，sbm4570)的替代物。该方法然后可以进行到可选框4704，根据该框，传感器曝光时间由系统控制器4513调节到先前估计的初始值。
在框4704的操作之后，该方法可以进行到可选框4705，根据该框，前面讨论的第一和第二定位机构可以响应于来自系统控制器4513的位置控制信号来调节校准物体的相对位置和倾斜度。对于初始调节，可以控制第一和第二定位机构以近似瞄准来自结构和非结构光投影仪4503的光并且由校准表面反射到或几乎反射到被选择用于校准的光学传感器中。
然后该方法前进到框4706，根据该框，非接触式坐标测量机将结构hcbc光和非结构光学透射参考光投射到校准物体上。
在框4706完成之后，该方法前进到框4707，根据该框，测量由非结构光学透射参考特征(例如，如图4、图48和图49所示的ref1、ref2、ref3、ref4)的投影产生的信号的大小。
然后，该方法进行到可选的判定框4708，根据该框，进行是否需要进一步调节的确定。如果是(“是”)，则该方法可以循环回到框4505并重复。然而，如果否(或者如果省略了框4708)，则该方法可以前进到框4709。
根据框4709，可以将所有参考信号标准化为通过50％光学透射参考特征(例如，在代码筒4507上具有光学透射tref2的第二光学透射参考特征ref2)的投射产生的信号。关于参考信号标准化的进一步细节在其他地方提供。
然后，该方法可以前进到框4710，根据该框，(例如，通过系统控制器4513)计算传感器响应模型。在实施例中，传感器响应模型可以包括每个特定校准表面和测量参数(例如，到校准物体表面的距离和其他参数)的数据值对的表(例如，其中每对是或包括标准化传感器曝光值和标准化传感器信号值)或由其组成。标准化传感器响应模型的图形示例在图48和图49中示出为曲线4806。
然后，该方法可以进行到判定框4711，根据该框，确定是否需要进一步调节。框4711的结果可以取决于例如，是否确定需要附加的校准传感器响应数据。如果是(yes)，则该方法循环回到框4704，并且系统控制器4513可以将光学传感器曝光时间增加或减少预定量，然后该方法再次遵循从框4505到第二次到达判定框4711的路径。如果在那时，框4711中的判定仍然是“是”，则该方法可以重复从框4711到框4704的循环并返回到判定框4711。可以重复该循环直到足够量的传感器信号响应与表面类型曲线已经在框4710中创建。
如果根据框4711的判定是“否”，则该方法可以前进到框4712，根据该框，将对传感器模型和设置的校准更新记录在系统控制器4513中。该方法然后可以前进到框4713并且结束。
图48是标准化的光学传感器信号响应的图形图，其涉及方法4700的框4707和4709，并且更具体地涉及当结构光或非结构光从sbm4570上的强反射和镜面反射区域反射时可能发生的检测和补偿光学传感器信号中的传感器信号非线性(即，部分或全部信号饱和)。图48中的水平标度4801表示标准化为0到1之间的值的光学传感器曝光值，例如，通过将值1分配给从约100％光学透射第一参考特征ref1的投影产生的曝光并且将值0.5分配给从约50％光学透射第二参考特征ref2的投影产生的曝光。光学传感器曝光时间对标准化标度4801没有影响，但是它确实影响非线性传感器响应曲线4806关于标准化的曝光值的拐点(“断点”)的位置。
垂直标度4802表示标准化为0到2之间的值的光学传感器信号值(例如，它们表示测量的信号大小除以来自50％透射第二参考特征ref2的测量信号，或者换句话说，信号大小乘以2)。直线曲线4804表示作为标准化的传感器曝光的函数的理想(线性)传感器信号响应，而模型曲线4806表示对相同曝光的适度饱和的传感器响应。图48中的模型曲线4806的形状可以通过以下在系统控制器4513中创建：拟合基本上通用的传感器响应曲线(例如，在曲线拟合过程中由三个或四个可优化参数控制)，以拟合已知且校准的点4811、4812、4813和4814，其与校准的光学透射参考特征的光学透射(即，代码筒4707上的光学透射tref1、tref2、tref3和tref4)相关联。可以看出，图48中的示例曲线4806包括在最大曝光的约60％的像素曝光处的与线性的逐渐偏离(即，曲线中的“拐点”)。对应于信号曲线的“拐点”或“断点”的曝光值可以是用于定义各种传感器非线性模型的参数之一。在拐点区域之外，建模的传感器信号可以以低斜率继续上升。在最终低斜率的任何区域都可能无法获得非线性补偿，但仍然可以进行非线性检测。
图49示出了图48的中心区域的放大视图，使得可以更清楚地看到从测量的参考信号点4811、4812和4813导出的传感器信号模型曲线4806的拐点区域。为了开始说明如何计算非线性补偿的过程，选择标准化的传感器曝光的任意值，例如，表示0.65的示例标准化的曝光的点4850。垂直构造线4851在曝光点4850处开始并且在点4852处截断拟合的模型曲线4806。可以通过跟踪到垂直标度4802上的点4855的水平线4854来找到将被测量的未补偿但标准化的传感器信号值。此外，如果已经执行了如前所述的信号对曝光模型曲线拟合过程，则该模型可以用作系统控制器4513中的查找表，使得可以使用在模型点4852处的测量和标准化的信号大小4855来在水平标度4801上的点4850处找到标准化的曝光值。继而，曝光值4850可用于通过将标准化的曝光值4850(例如，如图49中的0.65)乘以2的简单过程来计算完美线性化信号模型曲线4804的期望值4857。得到的线性化和标准化的传感器值4857(例如，如图49中的1.30)然后可以用作子条纹外推过程中的非线性补偿信号值，例如稍后关于图42、图43和图44的流程图所讨论的，大大减少在测量表面4570上的点的坐标时的系统误差。
前述讨论集中于与本公开一致的各种系统、方法和制品的概括描述。关于这样的系统、方法和制品的进一步细节将在下面结合各种示例实施例提供。
本公开的一个方面涉及用于使用结构光和光学传感器来映射物体表面的非接触式光学坐标测量机(cmm)系统的细节。在实施例中，光学传感器是或包括数码相机，每个数码相机包含光学传感器元件，光学传感器元件包括以行和列的矩形阵列布置的光电二极管像素，例如矩形cmosfpa。图1是这种系统的一个示例的框图。图1的系统包括可包含在固定不透光腔体500内的多个系统组件，其包括通道门567和互锁传感器568。可以制造腔体500以当使用发射高达至少3至5瓦的连续光功率输出的激光二极管光源时，满足安全使用激光器的美国国家标准z136.1-2014的眼睛安全要求。可以注意，腔体500还有助于温度和湿度控制子系统572稳定光学器件、系统的结构构件以及待测量的部分或物体569的温度，这可能是以微米和亚微米范围的3d测量精度所需的。
在使用中，机器人或人570可以将待测量的物体569移动通过腔体500中的门567并将其固定到xyz/倾斜台520。当门567未完全关闭时，安全互锁传感器568可以向控制器4513发送信号560以防止从光源4505的发射，光源4505可以是能够发射3瓦或更多瓦的功率的激光器。当门567关闭时，来自互锁传感器568的信号560可以被重新配置以允许通过来自控制器4513的通信进行激光操作。xyz/倾斜台520可以包括简单的固定参考表面和一组夹具和/或电子控制的平移和旋转定位器。如果xyz/倾斜台520具有足够的横向定位范围，则xyz平移定位器510可以仅在垂直(z)轴上操作。观察相机522包括光谱滤波器和照明源，其可以在与光/激光源4505的光谱区域不同的光谱区域中操作，以便在系统操作期间不被反射的激光遮挡。操作员或机器人562可以在与控制器4513相关联的屏幕上查看待测量的部分569的图像，其中图像可以由观察相机522以及光学传感器4509和4511创建。此外，这些图像可以通过有线或无线通信链路被传输到远程计算机。
光学组件4501包括激光源16、光纤18、hcbc结构和非结构光投影仪4503、光学传感器4509和可选的光学传感器4511。光源4505优选地是发射在400和450nm之间的波长的非相干光的氮化镓(gan)蓝色激光二极管。这些波长提供了投射光的减少的衍射扩散，并因此可以提高测量精度。波长小于400μm的紫色或紫外二极管激光源可能对于降低衍射的模糊效应和降低来自抛光表面的镜面反射效果甚至更为理想，但在可用的相机fpa处于这些波长时，光子对光电子量子效率可能较低并且应予以考虑。光源4505的优选操作模式是连续发射，其中相机像素曝光由光学传感器4509和4511的fpa中的电子快门控制确定。图1中的非相干激光源4505的市售示例是可从美国加利福尼亚州米尔皮塔斯的necsel公司获得的3.5瓦连续波445nm波长、光纤耦合的、多-单发射器二极管激光器。该特定激光器或类似的激光器可以配备有小窗口，用于在命令的相机曝光时间期间监视瞬时激光功率输出，该信息通过信号17传输到控制器4513。稍后关于图6和图7提供最大光学传感器曝光时间的详细讨论。不需要源/激光光功率的长期绝对值，但是在至少投影图案速率的采样率下测量的激光功率的记录值可用于校正在投影整个hcbc图案序列期间(即，在代码筒4507的一次完整旋转期间)的任何输出功率变化。
激光耦合光纤18优选为400μm芯直径多模光纤，例如可从thorlabsinc.获得的部件号fg365uec。也可使用小至200μm的多模光纤芯直径。它们是可用的并且与来自其他供应商的激光器兼容，但是这不是本公开的示例系统设计所必需的。示例thorlabs光纤的允许弯曲半径为40mm，足够小，使得光纤可以弯曲到位并夹紧以照明刚性光管的近端，如图8和图9所示。
光学传感器/相机4509和4511可以具有cmosfpa，其具有在所有像素上的同时开始和停止曝光能力，也称为“全局快门”，或者可以以逐行扫描“滚动快门”模式或“感兴趣区域”模式操作，与由hcbc结构光和非结构光投影仪4503形成的一维移动照明图案一致。稍后将结合图5、图6和图7讨论示例投影图案和定时。可以适用于光学传感器的示例相机机身和fpa是可从pointgreyresearch，inc获得的gs-u3-2356m-c型相机。该相机中的fpa可以是由
图1a是根据与本公开一致的用于利用编码的结构光测量物体的表面轮廓的方法的一个示例的系统操作的时间有序流程图。如图所示，该方法开始于框1000。该方法然后前进到框1001，根据该框，可以由操作员或通过机器人装置使图1的系统处于待机模式，其中光源/激光器4505处于“关闭”状态，腔体门567关闭，并且如图2中的y-z视图所示，结构光投影仪4503的空气轴承主轴电机150和幻灯片筒4507以正常操作速度旋转。可以在图8和图9中看到可以包括结构光和非结构光投影仪4503的示例光学部件的x-z视图。然后该方法前进到框1002，根据该框，可以将测量的物体固定到xyz/倾斜台520。然后该方法前进到框1003，根据该框，图1的框522中的(非激光)光源照射要测量的物体。在框522中，物体表面部分地将照明反射到观察相机中，观察相机与光学传感器4509和4511分开，以在显示屏上提供可视图像。该方法然后前进到框1004，根据该框，观察显示器的操作员可以控制xyz/倾斜台以定位物体来用于测量。该方法然后前进到框1005，根据该框，操作员或机器人控制可以使腔体门关闭，从而在腔体外部提供人眼安全的环境。该方法然后前进到框1006，根据该框，激光器4505被打开，并且操作员可以查看由物体表面反射并被一个或两个光学传感器看到的激光所产生的物体表面的所选图像。激光优选地连续地照明sbm，但是光学传感器可以仅在由投影仪的定时跟踪传感器确定的时间发生的受控曝光期间接收并测量反射光，如图5-7的示例所示。操作员可以在筒旋转周期中查看在所选择的相机曝光时间期间照明的被存储的物体表面图像，使得显示屏显示当sbm仅被所选择的图案照明时的sbm，例如在投影仪编码光束的中心具有单个黑到白透射的“刀刃”图案。
该方法然后前进到框1007，根据该框，系统被置于测量模式，并且例如由操作员或通过预编程的默认值来定义每个物体位置的期望数量的筒旋转(测量序列)。该方法然后前进到框1008，根据该框，可以例如根据图30中所示的方法的概要描述来执行3d测量和信号处理。然后，该方法可以前进到框1009，根据该框，完成期望数量的测量序列并停止相机曝光。该方法然后前进到框1010，根据该框，系统可以步进xyz/倾斜台，以使得可以测量sbm的下一个区域。该方法然后前进到框1012，根据该框，重复框1008和1009的方法，直到已经测量了sbm的所有期望部分。该方法然后前进到框1012，根据该框，系统将测量结果报告给内部和外部存储器以进行进一步处理和评估。在框1012的操作之后，该方法可以前进到框1013并结束。
图2是在如由方位指示器800所示的y-z视图中所见的示例光学组件4501的3d视图。空气轴承主轴电机150被示出为旋转由安装凸缘115支撑的代码筒4507。在一些实施例中，在代码筒4507的内表面上的投影仪的编码表面999包括通过直接光刻法创建的薄膜金属图案；然而，图案创建可以通过其他方式完成。同样在本公开的示例设计中，代码筒4507包括27个不同的幻灯片位置，其中23个是hcbc结构光条形图案，而其他四个是先前讨论的且如图4的x-z视图所示的光学透射参考特征(即，ref1、ref2、ref3、ref4)。
代码筒4507和凸缘115可以由石英玻璃制成，例如用高强度uv固化的粘合剂粘合在一起。激光耦合光纤18被显示为经过筒4507的内轮缘到达定位夹具10。激光由光纤18的远端发射并穿过气隙到达示例光管组件8内的所选择的较大直径的刚性光管。在一个示例实施例中，在光管组件8内可存在若干可选择的圆柱形光管，其具有不同的内径。在关于图8和图9的讨论中呈现了光管组件的进一步细节。
示出了激光光线29的锥体从组件8中的所选光管的端部出射，并且通过平面镜19重定向到投影仪的聚光透镜中，从而照射投影仪编码表面999的一部分。未被条形图案的不透明部分阻挡的照明光线继续进入并通过示例投影仪成像透镜组4508并最终到达参考平面4570。应当注意，投影仪成像透镜组包括二氧化硅代码筒4507的厚度，其可以针对承载光学透射参考特征的筒的区域而变化，如图4所示。还应注意，图2中所示的光线29是照明光线而不是图像聚焦光线，即，在该图中它们起源于光管组件8的端部而不是代码筒4507上的投影仪的编码表面999。投影仪的图像聚焦光线的详细图示和讨论稍后呈现，例如，在图3等中。还在图2中示出了具有相应的焦平面阵列(fpa)55和54的光学传感器4509和可选的光学传感器4511、以及示例性传感器聚焦透镜组350和352的示例实施例，所有这些将在后面详细描述。
应注意，本公开中的图2和其他附图可以利用诸如在光学设计软件中使用的3d布局类型的视图而不是单个平面横截面视图。它具有的优点是，包括光线在内的所有期望线可以被视为在给定平面上的投影，而不管它们与该给定平面的垂直距离。平行于给定平面的线在此类视图中以全长显示，而与其不平行的线将显示为缩短的。为清楚起见，可以有意地省略对于绘图目的不重要的物体。
图2的空气轴承主轴电机150可以为承载待投影的图案的代码筒提供亚微米的位置精度，并且另外提供低摩擦和长的使用寿命。可接受的主轴电机/轴承组件的一个非限制性示例是可商购的
在本公开中，结构光测量方向平行于y轴，y轴继而又平行于主轴旋转轴。因此，主轴的定位中的任何轴向跳动或位移误差通常都会引起关注。然而，根据制造商的数据表，对于0.3kg的轴向载荷(这代表圆柱形壳4507加上支撑凸缘115的估计质量)，组件应表现出小于0.2μm(200nm)的轴向位移。整个系统必须从图2中的姿势倾斜90°以甚至导致这个小错误。因此，尽管轴向误差可能是球轴承和滚子轴承的严重问题，但对于例如上述示例中的空气轴承预计不会是问题。
图3是结构光投影仪代码筒4507(在投影仪编码表面999上投影幻灯片图案的位置中可见)、投影仪成像透镜组4508和光学传感器4509的yz平面中的横截面视图(在图3中使用简单横截面视图，因为不需要显示xy平面外的任何特征)。光学传感器4509包含fpa55和具有透镜元件56、57、58和59的成像透镜组350。图3中未示出可选的光学传感器4511，因为其fpa和光学器件与光学传感器4509的相同，并且其倾斜位置是光学传感器4509的镜像。因此，应该认为对光学传感器4509的元件的讨论同样适用于光学传感器4511。尽管如此，光学传感器4509的光学元件在表5的光学规格中详细描述。
图3中的投影仪成像透镜组4508包括投影仪代码筒基底4507、环境窗口34、以及在表3和4的光学规格中详细描述的单独透镜35、36和38。针对投影仪编码表面999和定时轨道998显示的横截面轮廓示出了两侧的升高的轮缘120和121。这些可以提供挡板的功能，以便在示例性光刻工艺期间在代码筒4507的旋转内表面上包含期望厚度的液体光刻胶，以在投影仪编码表面999上创建精确的hcbc图案。
根据将利用图3中所示的光学元件执行的3d三角测量过程，首先应注意的是，相机fpa具有有限数量的物理像素，其中心定义了物理点阵列，其具有分别由行和列地址i和j指定的可精确识别的坐标，如在图15的简化的fpa模型中可以看到的。另一方面，当投影仪编码表面999上的投影仪幻灯片点(例如106、105和104)可以位于所有投影仪幻灯片上时，它们可能不对应于任何一个幻灯片上的任何唯一可识别的物理点，直到整个幻灯片序列首先解码为条纹，然后进行内插以获得估计的子条纹y坐标。实际上，可能存在无限数量的可能的投影仪幻灯片表面点。由于这个原因和其他原因，在本公开中选择fpa上的像素中心而不是投影仪幻灯片平面上的点作为3d三角测量过程中的测量光线的起点。这种选择是可能的，因为对于非偏振非相干光，例如由激光二极管发射并且在光纤和光管中的多次反射产生的光，光管的任何光线前场、通过投影透镜到反射面并包括进入光学传感器的反射光线的路径独立于物理能量流动的方向而相同。
再次参照图3，诸如fpa55上的点305的像素中心点与光学传感器4509孔径光阑中心60处的点的组合完全限定了主光线的二维方向。还应注意，主光线方向也可以由相同的像素中心点和透镜组的第一主点301的位置限定。根据定义，离开主点302的任何光线具有与进入点301的光线相同的方向。光线可以横向移位，但在计算机光线跟踪中将其考虑在内。对于中心主光线，例如图3中的光线3050，横向位移为零。使用定义输出主光线方向的任一方法，它沿相同方向继续，直到它与sbm4570或校准参考表面相交，从而定义测量点的3d坐标。虽然投影仪的结构光编码不需要定义将测量表面上的哪些点，但编码提供了从投影仪的光轴到每个点的角度读数。
总而言之，如图3所示的示例性光学传感器4509的主光线3050可以从fpa55的中心处的场点305反向投影，以穿过透镜组孔径光阑的主点301和中心60，并继续到三个参考平面695、4570和705的每个的可能的交点7046、7050和7054，它们位于距投影仪透镜第二主点102的不同深度z处。可以看出，表面交点7046、7050和7054的y坐标与每个参考平面的z坐标有关。三个示例参考平面上的这些交点现在可以用作反向投影光源，其产生穿过投影仪成像透镜组4508的主点102和101的新主光线并且在图像点106、105和104处继续与代码筒4507的内表面相交，图像点106、105和104各自在投影仪编码表面999上具有唯一的y坐标。当使用本公开的等式(6)、(7)和(8)中的三角测量等式时，这些反向投影图像点的y坐标成为sbm交点的z坐标的校准函数。用于该计算的导出三角测量等式(6)、(7)和(8)的几何结构示于图17和18中。关于在本公开中对三角测量过程的最佳理解，应该始终牢记投影仪照明在确定sbm上的任何测量点的位置时根本没有影响。投影仪照明仅用作读出机构，为每个像素提供反射光信号序列，该反射光信号序列当被解码时，允许系统确定一维投影仪光线角度θ，如图17所示。
在图3的示例光学系统实施例的另一方面，光学传感器4509的fpa55绕x轴(其指向绘图平面)倾斜。虽然从图中可能不明显，但在光线追踪模型中，每个相机中的透镜光轴可能偏离fpa中心。可以在光线追踪计算机模型中优化偏心距离和倾斜角度，以实现scheimpflug成像条件，用于改善一束光线在倾斜参考图像平面上关于主光线的聚焦。实现scheimpflug条件的各种方法是已知的，但是当存在多个透镜元件并且期望增强性能时，如在本公开的图31的系统建模和校准方法中所讨论的计算机光线跟踪方法可以提供高精度。例如，使用
镜像布置中的两个光学传感器，例如当光学传感器4511相对于光学传感器4509在相反方向上倾斜时的一个益处是来自两个光学传感器的所得sbm测量点的接近度，特别是在z轴附近。在这种情况下，如果来自一个相机像素的光线由于陡峭的表面突起或孔而被遮挡，则来自相对相机中的像素的光线可能能够创建附近的非遮挡测量点。
现在将注意力转向图4，其呈现了示例性结构光和非结构光hcbc投影仪的主要组件的xz布局视图。以横截面示出的是空气轴承主轴电机150和在投影仪编码表面999上承载示例性结构光图案1001、1002、1003和1004(分别具有示例图案索引值p＝23，p＝22，p＝21和p＝20)的旋转代码筒4507。应注意，在图4中，代码筒4507的旋转以逆时针方向示出，以便与图5-7中所示的图案投影序列一致，其中，为了绘图的清楚起见，简单刀刃图案1001被示出为首先被投影。代码筒4507还可以承载各种光学透射参考特征，例如ref1、ref2、ref3和ref4，在该示例实施例中示出为插入筒基底4507的各种槽中的各种圆柱形吸收玻璃透镜元件，以提供光学透射参考保留特征的功能。在图4的示例实施例中，ref1是透明基底4507的一部分，不需要参考保留特征。应该注意的是，ref4可以被配置为提供比ref2更低的透射率，并且还通过使用不同的吸收玻璃具有更多或更少的厚度。图4中还示出了示例性投影仪成像透镜组4508，包括适当厚度的代码筒壳4507的透明基底、透明环境窗口34、以及在表3和其他地方详细描述的透镜元件35、36和38。来自投影仪编码表面999上的点的示例光线被示出为聚焦在参考平面4570上。从方位指示器801可以看出，y测量轴指向绘图平面并且平行于空气轴承电机150和代码筒4507两者的旋转轴。
根据整个本公开内容参考的示例编码序列，可以存在以β弧度的角度间隔开的总共27个图案扇区，其中结构光图案和参考特征覆盖整个内壳周长的90％左右。因此，在该示例设计中每个图案的弧长l是单个扇区的弧长ρβ的90％左右。然而，可以选择更高或更低的l与ρβ的比率。
hcbc二进制条形图案1001、1002、1003和1004示意性地示出为在代码筒4507的内圆周上作为粗体弧侧立，具有宽度为w的投影仪照明窗口。条形图案1001被示出为在窗口w中心。图案之间的示例角度分离β是360°/27＝13.33°，具有76mm的示例内壳半径ρ。然后，弧长ρβ为(76)(13.33)(π)/(180)＝17.68mm，而相关的直线弦长为(2)(ρ)(sin(β/2)＝17.64mm。切向速度v切向可以通过公式v切向＝2πρf_rot计算，其为表1中列出的2.10mm/s，其位于图5至图6的讨论之后。
图5描绘了投影仪编码表面999和相邻定时轨道998的平面印记，其通过将圆柱形壳4507的内表面的一部分滚动到水平表面上的虚拟程序制成。该程序是为了清楚和易于理解而完成的，即，图4中的弧长(诸如l)然后可以用平面图表示。定时轨道998可以具有一系列相同的标记9984和通过直接光刻或其他方式写入的单个可识别标记9990。这些标记可以由光源9980和检测器9982读出，并转换成用于增量和绝对圆柱旋转角度参考两者以及用于速度和相位控制反馈的电子信号。速度和相位控制可以包括使用所选择的数字电子波形作为参考的锁相环，并且当它们通过机械读出位置时迫使例如筒上的定时标记的前沿的频率和相位与电子参考波形的相同，除了相位超前或滞后的任何期望固定值。可以使用用于定时标记、读出和锁相环控制的几种已知方法中的任何一种。
图5中的投影仪编码表面999示出为具有在x方向上移动通过照明窗口210的示例格雷码幻灯片1001、1002和1003。每个幻灯片的印记具有与如图4所示的弧长l和照明宽度w相同的长度。这些图案可以被认为是以速度v切向移动，其可以是任何合适的速度，并且为了示例在表1中列为2.204mm/ms。
在图6中，解决了用于测量极低反射率漫反射面或倾斜镜面的重要参数，即全场相机像素停留时间，即单个投影仪图案照射所有相机像素的时间，该所有相机像素在sbm上的反向投影图像位于由投影仪照射的区域内。较长的停留时间允许更长的相机像素曝光，并且因此对于给定的反射光强度，允许更大的电信号输出。随着曝光增加(在以下段落中讨论的极限内)，光学模糊没有增加，因为在从给定的幻灯片图案的曝光期间，即使幻灯片筒旋转，投影图案边缘的位置在sbm上保持恒定。
在图6中，时间t1表示幻灯片1002的前缘到达投影仪的照明窗口210的上边缘并且还到达相机fpa的反向投影图像310的上边缘的时间。应当注意，由于用于实现scheimpflug聚焦条件的倾斜fpa，图像310是梯形形状。当相机的全局快门在时间t1打开并且在时间t2关闭时实现“全场停留时间”ffdt，此时幻灯片1002的后缘到达投影仪的照明窗口210以及反向投影的fpa图像310的下边缘。因此，ffdt确定大多数相机像素的最大可用曝光时间。可以将给定投影序列的实际曝光时间控制在较小的值，例如当指示像素非线性或接近饱和时。在图6中可以看出，幻灯片1002在时间t1的初始位置和时间t2的最终位置之间移动的距离是(l-w)。在该运动期间，由于纯x方向运动，窗口210和fpa图像310内的恒定y坐标处的每个点看到相同的图案透射值。因此时间ffdt由表达式给出
ffdt＝(l-w)/v切向(1)
使用下表1中的参数值，等式(1)预测最大均匀曝光时间为3.26毫秒(ms)。然而，即使可能并不总是需要，但是对于某些条件需要甚至更多曝光时间的能力。
通过仅在x方向上减小相机fpa上的数据产生区域的尺寸，可以允许比等式(1)中指定的更长的曝光。这种情况在图7中建模，其示出了与图6中相同的投影仪图案、照明窗口和反向投影相机fpa，但仅考虑从对应于小矩形312的fpa行的窄矩形条纹收集的相机像素数据。具体地，fpa55中的像素行平行于如图15中的fpa图中所示的投影仪y轴和图16中的投影仪幻灯片平面图。图7中的x宽度w因此对应于一组fpa行。它对应于哪组行是由条纹312距胶片门中心的距离xo确定的，如图7所示。即，投影仪幻灯片平面中的xo与相机fpa中相应行组的等效偏移成比例，其中比例常数由图17和图18中所示的整体三角测量几何结构确定。从图7可以看出，对于对应于fpa上的一组行的指定窄条纹w，可以允许任何单个幻灯片的更长的最大停留时间，而不是假设对应于fpa上的近全场的全胶片门宽度w。该关系在等式(2)中表示，其中rfdt表示“减少的场停留时间”。
rfdt＝(l-w)/v切向(2)
例如，如果w＝w/10，则rfdt＝7.06ms而不是3.26ms。
在单个相机像素行的极端情况下，w可以被认为基本上为零，使得单行停留时间srdt由公式(3)给出
srdt＝l/v切向(3)
在示例设计中，幻灯片之间的间隙是幻灯片中心之间的弧长的10％，srdt是7.5ms，这将是ffdt允许的最大像素曝光的两倍多。
表1列出了示例系统的上述和其他参数的概述。
表1：示例投影仪代码筒的参数的概述
图8是结构光和非结构光投影仪4503的xz视图，其中投影仪定时轨道检测器9982和照明源9980可以位于筒周边上，根据需要以一定距离远离投影仪照明和成像透镜。经验表明，在圆柱形壳周边周围的其他方便位置处定位这些物品几乎没有或没有操作损失，只要可以调节电子定时电路以进行补偿。另外，图8示出了可以通过电驱动线性或旋转位置选择器组件8的受控运动，由不同内径的若干其他光管(例如光管6和7等)中的一个快速替换示例光管5。柔性光纤18的远端通过机械夹具和应变释放块10保持在适当位置，使得光纤芯和内包层的一小部分突出小的距离，例如100至500μm。夹具/块10优选地可以附接到位置选择器组件8或者可以单独安装。
图8还示出了光线12和折叠镜19的位置，使得入射光线12和反射光线14都在xz平面中。为了使光纤在幻灯片筒4507的开口边缘上通过，需要在x方向上适度但可接受的弯曲。在该配置的替代方案中，镜19、位置选择器8和块10可以一起作为一组，使用光线14作为旋转轴，永久地旋转出xz平面，以减少或消除在x方向上的光纤弯曲的需要。然而，本公开中的所有附图和数据表示图8的条件，其中光线12在xz平面中。
光纤芯端部优选是抛光平坦的、抗反射涂覆的并垂直于光纤轴。由于示例光纤18的na为0.22，因此其激光发射锥将保持恒定的最大角半径12.7°。因此，对于距光纤出射表面每100μm的距离，存在额外量的光束锥半径，其等于(100μm)×(tan12.7°)＝22.5μm。结果，选择组件中可用的光管的最小半径可能仅需要稍微更大，例如比光纤芯的半径大22.5μm，以便保持接近100％的光学透射效率。给定示例光纤18的半径为200μm，与光纤端部和光管之间的100μm气隙相容的最小光管半径因此将是223μm。光管5、6、7等可以是具有反射内涂层的中空管，或者透明二氧化硅的实心芯，其具有与光纤类似的氟掺杂二氧化硅包层。光管的直径限定了其在投影仪成像透镜组4508内的图像的直径，其中它通过投影仪会聚透镜组200成像。这是科勒照明的一种形式，其中光管端部的图像提供成像透镜组中的虚拟圆形孔径光阑直径，从而确定成像透镜组的数值孔径na，通常与光纤18的值不同。成像透镜组na确定sbm处的衍射限制psf的airy半径，这是限制整个系统的测量精度的一个重要参数。
在本公开的示例光学设计中，光管5的内半径为0.79mm(790μm)，与上述估计的最小可接受半径223μm形成对照。内径小于光学设计计算中使用的0.79mm值的光管将增加投影仪在sbm上的聚焦深度，但代价是更大的airy半径。另一方面，可以选择较大的值来增加成像透镜组的na，从而提高sbm的较小区域上的测量精度。在那种情况下，可能期望精确聚焦并且可以通过调节光学组件4501或xyz/倾斜台520的z(深度)坐标来实现。
图9是以与图8相同的x-z视图示出的投影仪光学器件的放大且更详细的视图，包括两对光线，其从示例光管5的出口处的两个径向相对的点202和203追踪到投影仪成像透镜36内的两个图像。透镜20可以是标准的圆形对称透镜，具有第二表面，该第二表面具有如表3中规定的-0.6的圆锥常数。透镜21可以是具有单独优化的x和y曲率半径的双锥透镜，其中x曲率在图9中示出并且y曲率在图10中示出。其第一表面可具有如表3中规定的-1.0的y圆锥常数和0的x圆锥常数。聚光透镜20和21在投影仪透镜36内部的适当平面上形成光管5的端部的图像的能力由图9的xz平面中的光线轨迹和图10的yz平面中的光线轨迹验证。
在图9中可以看出，源自点202和203的两条光线分别在透镜36内的点202i和203i处会聚成图像。xz视图中的这两个点和yz视图(图10)中的两个其他图像点在投影仪透镜36内部的激光照明圆斑的外径上。这种四点光线跟踪足以限定成像透镜组内部的照明圆斑的外径，并用作成像透镜组孔径光阑来代替物理孔径。
除了照明斑直径之外，透镜36内的激光的光学相干性可影响最终投影边缘图像中的照明分布的确定。通常，相干性可能导致投影图像中的辐照波纹或散斑，这会干扰结构光的精确解码和内插/外推。由于若干因素，预期在本公开的示例系统中不会出现该问题。第一是激光源16可以由几个单独的发射器组成，第二是在多模光纤18中可以支持大量的激光模式，以及最后是在光管5内可以有许多额外的反射。结果，期望参考表面4570处的衍射受限图像psf是公知的airy图案，其具有与光管的输出直径成反比的到第一暗环的半径。这种情况的一个例子是由
返回到图9，具有平坦窗口34的保护罩253可以是用于旋转圆柱形壳3的环境和安全腔体的一部分。窗口34的光学效果包括在投影仪成像透镜组4508的所有成像光线轨迹分析中。
图10示出了在图9的xz视图中示出的相同的投影仪会聚透镜组和成像透镜组元件的yz视图。源自光管5的输出端上的直径上相对的点204和205的两对光线会聚到投影仪透镜36内的点图像204i和205i。照明光线和非成像光线在图9和图10中示出。
图10a是图10的放大图，具有y坐标毫米标度，其示出了照明图像点204i和205i之间的1.4mm的距离。
关于光学透射参考特征的讨论
上面提到的光学透射参考特征提供了在表面4570上投射一系列光图案，每个图案含有由光源4505和结构光和非结构参考光投影仪4503的光学器件产生的完全相同的空间强度变化百分比，但除了hcbc结构光图案中的光透射变化之外。即，光学透射参考特征应该被设计成提供电子信号大小以存储在系统控制器4513中，以便稍后提供信号标准化以基本上抵消除由投影结构光图案产生的影响之外的所接收信号强度变化的影响。
当幻灯片图案承载在旋转的透明圆柱形筒或壳上时(例如在本公开中)，壳壁可以制造得足够厚，例如，如在本公开的示例系统中那样，6mm，以包含足够厚的吸收玻璃片。另外，如图12a和图12b所示的光学建模的结果指示6mm壁的圆柱形壁厚仍然可以允许衍射受限投影仪透镜性能用于具有表3中规定的相对简单的三元件投影仪成像透镜设计的投影hcbc图案。用于ref1、ref2、ref3和ref4的吸收玻璃透镜，光学透射参考优选地插入并粘合到如图4所示的壳的外表面的槽中。可替换地，它们可以插入并粘合到内表面中。外表面方法是优选的，因为它简化了精密光刻法在内表面上创建物理hcbc图案的用途。例如，为了精确，可以将薄且非常均匀的光致抗蚀剂层施加到承载幻灯片图案的表面上。如前所述，内表面可首先涂有薄的光学不透明层。内表面被加工成具有侧挡板120和121，如图3和图10所示，壳可以用作离心机，用于伸展均匀的液体光致抗蚀剂层。由于该方法不适用于外表面，因此幻灯片图案本身的优选位置在内表面上。也可以将吸收透镜粘合到内表面中的槽中，但是在透镜粘合工艺之后，可能必须对侧挡板120和121、投影仪编码表面999和定时轨道998进行精密加工以用于光刻。
在schottag的玻璃产品(即，玻璃ng5和ng11)中可获得至少两种不同水平的吸收系数。通常，利用最厚的实用层和最低的实际吸收系数，可以实现获得期望透射率的高精度。这可以通过低吸收玻璃ng11实现。根据schott数据表，1mm厚的该玻璃在0.45μm的波长下具有0.756(75.571％)的体透射率。可以使用公式
图11a示出了穿过50％吸收透镜ref2的三个示例光线的x-z视图，从投影仪的圆柱形壳4507的变薄区域的投影仪编码表面999上的场点105、103和107开始。光线穿过ng11透镜界面4、ng11透镜ref2(顶点厚度为2.478mm，如上所计算的)，然后穿过ng11透镜外表面2，并从那里穿过投影仪窗口34、投影仪成像透镜元件35、36和38，最后到参考表面4570。箭头110指示元件4507和ref2的旋转方向，在此期间将发生任何所选光线的光路的微小变化。应该注意，尽管本公开的示例投影仪成像透镜组设计使用由科勒照明创建的虚拟孔径光阑，但是图11a和图11b中的光线轨迹布局以
通过在
表2.表面4上的-99mmx曲率半径的所计算路径长度
表2中的光线轨迹数据表示在表面曲率优化之后，吸收透镜ref2中的期望光线路径长度差小于顶点厚度的0.008％。由相机像素信号值测量的50％参考信号的大小的相应变化应该期望小于0.01％，因此是不显著的。由玻璃不均匀性引起的光学路径长度的任何小的剩余变化可能需要在系统校准中得到补偿。表4中提供了吸收透镜的详细光学配置。对圆柱形壳或投影透镜参数的修改可能导致表面4的不同曲率。
应力分析：估计粘合在旋转壳代码筒的外表面上的吸收透镜的安全裕度
期望将吸收透镜保持在壳4507中的粘合剂足够坚固以在光致抗蚀剂写入操作期间保持透镜，其中壳4507可以以高达3000rpm(50rps)的速度旋转并产生高达764g的向心加速度。如果在吸收透镜中粘合之前完成抗蚀剂写入，则可以消除该要求，但是下面的应力分析将表明抗蚀剂写入可以在透镜粘合之前或之后进行。如果可以在透镜插入和粘合之后进行抗蚀剂写入，则整个过程可以更简单且更便宜。
假设圆柱形壳厚度与ng11玻璃插入物厚度相同并且壳旋转速率为50rps，环向应力由下式给出：
其中ng11密度＝2.2×105kg/m3
r1＝环的外半径＝0.0820m
r2＝环的变薄部分的内半径＝0.0795m
ω＝角速度omega_write＝314rad/s
σ＝环向应力＝1.55x106n/m2＝1.55x106pa(帕斯卡)
由于示例性粘合剂
用于创建第二个50％透射参考特征的替代方法
在us3,799,675中，公开了格雷码结构光序列中的100％光学透射参考幻灯片。在该方法中，光学传感器/接收组件处的检测器和相关电子器件测量由100％参考幻灯片的投影产生的模拟信号，然后在双电阻器分压器中将该信号除以2以创建50％参考。除了在接收器非线性(100％参考信号的部分或完全饱和)在解码格雷码序列时产生误差的高信号电平以外，发现它都是有效的。因为期望本公开的非接触式cmm系统中的相机像素处的反射辐照度在10000：1或更大的动态范围内变化，所以认为在本公开的非接触式cmm系统中需要更稳健的方法。
美国专利no.5,410,399中描述了第二种方法。在该方法中，格雷码图案以互补对投影，使得给定格雷码位的解码过程将根据哪个信号高于另一个来分配“一”或“零”。然而，这种方法可能与高精度hcbc系统不兼容，因为它需要使用两倍数量的幻灯片来投射大量的编码条纹，例如，如在本公开的示例系统中那样，宽度为2.44μm的4096个条纹。
本公开的吸收透镜的另一个候选替代方案是通过使用薄金属或折射薄膜衰减器创建50％或其他参考。尽管与吸收透镜相比可以降低成本、尺寸和重量，但是由薄膜提供的任何衰减可能必须主要是反射而不是吸收的结果。这种方法可能存在热损坏的问题，并且还涉及难以制造具有可靠且大的(50％)吸收和非常低的反射损耗的薄涂层。由于反射损失随着照明入射角强烈变化，并且入射角随着幻灯片区域上的横向位置而变化，因此薄膜方案对于本目的而言可能不够精确。
示例投影仪透镜组设计的规格数据
图10示出了包括聚光透镜组200和成像透镜组4508的投影仪透镜组的示例透镜设计布局。可以注意到，在图10中，这些组重叠，因为聚光器组创建了成像组内开口的光管的图像。详细的规格数据在表3中给出，其中透镜元件或物体标识号对应于
合适的投影仪成像透镜组的一个示例是使用高折射率玻璃的相对对称且宽的场三重透镜，基本上是空气间隔的steinheil三重透镜。在该示例中，存在两个厚的负外部元件，其使用高折射率(在0.45μm处n＝1.723)钡致密火石玻璃或具有球形表面的等效物，以及单个或粘合的平凸双合内部元件，其可使用镧冠玻璃(在0.45μm处n＝1.652)或等同物，被建模为具有球形外表面的厚双-凸正透镜。如前所述，用于投影仪成像透镜组的孔径光阑的功能由来自聚光透镜组200的科勒照明提供，其对刚性光管5的输出端成像。建模光管5具有1.58mm直径(0.79mm半径)的输入和输出半径，根据图10a中的光线轨迹，在1.4mm(0.7mm半径)的透镜元件36和37的界面处创建虚拟光阑直径。如图8和图9所示，可以通过将一个光管替换为另一个光管来改变虚拟孔径光阑的直径。
投影仪透镜成像透镜组针对图12b中所示的建模的散焦和三场光斑图中的最小rms光斑半径以1.034的近轴放大率进行优化。对于该分析，
应注意，下表3中的透镜规格数据取自
以下表3中的数据是与本公开一致的投影仪照明和成像透镜组的一个示例的规格。
表3：投影仪照明和成像透镜组的规格数据
表4中的数据是例如变薄的二氧化硅壁部分和50％吸收性透镜插入物的规格。
表4：用于示例性变薄的二氧化硅壁部分和50％透射的吸收性透镜插入物的规格数据
下表5中的规格数据表示光学传感器4509的成像透镜组350，其透镜元件在图13的
表5：示例性光学传感器成像透镜组光学设计的规格
关于三角几何结构与等式的讨论
在讨论图17和图18的三角几何结构之前，回顾图15中的光学传感器/相机fpa像素网格的二维(2d)几何结构以及图16中的图表中所示的虚拟投影仪条纹的2d阵列是有用的。在图15中，具有偶数行和列的尺寸减小的方形网格fpa表示光学传感器fpa55。期望3d测量精度将x，y坐标原点定位在阵列的几何中心(例如图15中的点305)附近的像素的活动区域的中心处，并且还将行和列像素坐标i，j与每个像素的中心相关联。因此，对于具有偶数行和列的阵列，x，y坐标原点305可以位于最接近几何阵列中心的四个像素中的任何一个的中心处。xc轴由线312表示，yc轴由线311表示。点306是任意示例像素中心点，也见于图16、图17和图18。
现在考虑图16中所示的解码的投影仪条纹几何结构，将点105指定为线111的方向(其是y条纹距离测量轴)上的1-d坐标系的原点。应当注意，条纹阵列的x轴落在两个条纹之间的边界线上，这与相机像素阵列的情况形成对比，在相机像素阵列中，y轴和x轴是通过像素中心而不是它们的边界的线。图16中还示出了幻灯片宽度w、幻灯片长度l和固定照明窗口210，与图6一致。图16中的点106表示任意光线的交点，该任意光线例如首先从传感器(相机)fpa上的点306反向投影到sbm，然后从sbm反向投影到投影仪幻灯片平面。s是它的条纹距离，yp是它与中心y轴的距离。距离yp通过等式(5)与条纹距离s相关：
yp＝qs[s-(mmax+1)/2](5)
对于本公开的示例设计，mmax＝4096个条纹，使得yp＝qs(s-2048)。
应该记住，图15中所示的条纹阵列是几何和数学构造，以描绘实际2-dhcbc图案的序列的投影和解码的结果。同样重要的是要记住，条纹宽度不会影响物理或光学参数，如psf和lsf，而只是作为测量规则。在本公开的示例性设计中，每个序列投射宽度为w＝10.0mm且长度为l＝10.0mm的23个hcbc图案，产生4096个数字条纹的虚拟阵列，在投影仪编码表面999处在y方向上，每个宽度qs.＝2.44141μm。
图17是用于hcbc投影仪和单个光学传感器/相机的三角测量几何结构的yz视图。这里示出了由表示结构光投影仪成像透镜组的两个主点101和102以及表示光学传感器/相机透镜组的两个点301和302所表示的透镜组。绘图视图是3d布局格式，从图的外部并且平行于根据yz方位指示器800的x轴的方向看。在图17中所示的yz平面的前面或后面可能存在点或线，例如点806、206、306和706，以及线uc和vc。图17中有两个直角三角形，其可以针对参数y和z求解，分别给定预校准的光学传感器/相机主点302垂直偏移距离a和投影仪与光学传感器/相机主点102和302之间的水平偏移(即三角测量基线)b。在校准深度zref处选择或求解角度α作为基线b与参考表面4570的比率的反正切。通过计算机光线跟踪建模主点距离up和vp以及来自主点的uc和vc。图17中重要的第一个直角三角形具有投影仪主点102处的顶点、顶角θ和基边距离z。这导致y和z之间的简单关系，如等式(6)所示。
y＝ztanθ(6)
存在具有在点302处的顶点、顶角(α-φy)、以及(z+a)的基边的第二直角三角形。这导致
y＝b-(z+a)tan(α+φy)(7)
可以使用等式(6)和(7)求解z：
注意，在通过等式(8)计算坐标z之后，可以使用等式(7)计算坐标y。
在本公开中，使用光学传感器/相机进行的测量与使用另一个进行的测量无关。通常，来自不同光学传感器/相机中的像素中心的反向投影光线在正好完全相同的点处不与sbm相交，这是理想的情况，因为它增加了sbm上的测量点的密度。当两个不同的光学传感器/相机的fpa中的中心行中的一些像素可以反向投影到几乎相同的sbm点时，该规则可以有例外，但是这种对应关系不能被依赖。
xz视图中的图18可用于从等式(8)中的z的计算值求解坐标x。注意，在图18中，存在另一个直角三角形，其具有在相机主点302处的顶点、顶角φx和三角形基边(z+a)。这导致等式(9)：
x＝(z+a)tanφx(9)，
注意，在等式(8)和(9)中，给定像素(i,j)的投影仪角度θ和相同像素的角度φy和φx可以通过图31中的系统校准流程图中定义的步骤确定。角度φy和φx的过程的细节可以在图31的框3105中看到。另见图31的框3107，其中主光线与参考表面4570截距的x和y坐标可以例如通过针对场点的矩形网格的
还应注意在图17和图18中，即使示例sbm点806不在深度zref处的理想投影仪焦平面，仍然可以测量幻灯片平面上的解码线性距离yp和校准角位置θ，尽管精度降低。即使z测量精度降低，也可以通过自动聚焦过程在随后的投影序列中减少聚焦误差，该自动聚焦过程涉及在机架510和/或xyz/倾斜台520中校正z轴位置变化或者通过在投影仪和光学传感器/相机上使用自动控制的变焦透镜。
从格雷码到hcbc的转变
现有技术的格雷码使用加权二进制编号系统，而本公开的hcbc使用加权和未加权二进制编号系统的混合体。hcbc的加权部分由截断的格雷码提供，并且未加权部分通过附加一系列恒定周期但波形移位(偏移)条形图案来提供，每个未加权编号系统图案可由相对于已知位置参考的唯一波形偏移距离识别。下面在本公开中呈现的光学衍射的基本模糊效应的详细分析表明hcbc可用于实现1微米或更小的非接触测量精度。
现在参照图19a，示出了在投影仪的幻灯片编码表面上依次投影的一组五个二维(即，具有x和y轴)的格雷码图案的简单现有技术示例。该序列使用加权编号系统，并且可以在y维度上编码总共25＝32个条纹。每个图案上的点105表示投影仪光轴上的sbm点的图像。每个图案上的点106表示sbm表面上的任意测量点的图像，其具有由源自如图3所示的特定相机像素(i,j)的中心的反向投影相机光线的交点确定的x，y，z坐标。注意，测量点106的x和y坐标都不同于轴上点105的坐标，因为格雷码图案都是二维的。然而，仅需要解码的y坐标用于sbm点的三个维度的三角测量计算。每个图案上的通过点106的线405有助于眼睛确定点106的y坐标的代码的示例格雷码二进制值序列，其可以被视为00101。此外，线405与条纹中条纹距离s的底部标度的交点允许执行格雷到十进制解码的简单的视觉手段。可以看出s的十进制值为6或稍多。由于条纹索引m是s的最低整数(下舍入)值，因此图19a中的针对行405和点106的m的十进制值是6。
图19b利用特征波形的现有技术(参考us3,799,675和us5,410,399)概念作为一维方波，其是在仅需要y或s(即，一维)编码时。可以看出当仅需要测量y坐标时，这些波形在数学上提供了对图19a中的二维图案的精确替代。可以看出，线405的解码格雷码号00101再次解码为十进制的m＝6。
图20是图19b中的格雷码波形的放大图。有三个可选的底部标度，每个标度以条纹为单位：标度411表示代表条纹索引m的整数。标度412表示在s＝0时从零参考s0开始的条纹距离s，与图19a和图19b中的相同。标度413表示从标度中心开始的条纹距离yp/qs。应该强调的是条纹索引m可以被发现为条纹距离s的下舍入的整数值。可以从图20看到，在s＝0时从位置参考点s0测量的格雷码波形到第一波形转变的以条纹为单位的距离是每个波形周期λp的四分之一。
在开发hcbc时，发现需要定义一般波形偏移op，使得其加权编号系统(格雷码)波形的值总是为零，但是其对于一组未加权编号系统波形中的每一个的值是可变的，通常是零附近的正负值。已经发现可以通过以下来实现该目标：首先将通用偏移参考位置s0分配给条纹距离零，如图20的标尺412所示，然后通过下面的等式(12)定义op。该等式也可以在hcbc图案定义流程图29a的框2911中看到。
op＝p-λp/4(λp<λmln/2)
＝0(λp≥λm/n/2)(12)
图21-23呈现了通过使用市售光学设计软件(例如，zemaxoptic
选择-1.4：1的相机放大率以考虑在观察与投影仪相同的参考区域时的小fpa尺寸和更长的相机工作距离，如可以从图3看出。投影仪和相机光学器件psf在最佳聚焦处的计算机模型是由zemaxoptic
图21示出了针对y维度的几个计算的lsf图，其中曲线406是投影仪lsf，并且曲线407是相机lsf。为了创建这些1d图，首先在zemaxoptic
图22示出了使用快速傅里叶变换方法将图21中的复合lsf轮廓410与具有8、16、32和64个条纹的周期的方波卷积的结果。应当注意，不包括4个条纹的周期的曲线，因为计算结果指示几乎平坦的直线，即不是可行的候选者。还应注意，图21和图22的水平标度都表示在示例水平参考表面4570上的以μm为单位的y距离。主要垂直网格线以10μm间隔隔开，而次要网格线以2.5μm间隔隔开，与文本框415中指示的并且与本公开的示例设计一致的单个条纹宽度2.5255μm非常接近地相同。垂直轴标度0至2.0表示通过将原始测量幅度除以50％参考信号的测量幅度而标准化的像素信号幅度。当如图35、图36、图37、图38和图39所示使用子条纹外推时，推测相同的除以0.50的除法。
图22中的波形418是lsf410与8条纹周期方波的卷积。可以看出，调制振幅非常小，峰-峰值只有8％左右。利用y＝0处的这种小振幅和低斜率，8条纹周期波形不期望用于外推，并且它也可能不适合于条纹解码。波形419是lsf410与16条纹周期方波的卷积，并且可以看出具有稍微更好的45％峰-峰值调制。波形420是lsf410与32条纹周期方波的卷积，并且可以看出具有大大改进的75％峰-峰值调制。波形421是lsf410与64条纹周期方波的的卷积，并且可以看出具有进一步改进的85％峰-峰值调制。
假设总体目标是设计具有小于1μm的深度(z坐标)误差的3-d表面轮廓分析系统，并且认识到图22中的水平标度表示y坐标，则可能需要使用公式(7)来求解允许达到该目标的最大允许y误差。回想一下等式(7)是
在示例设计中，角度α是等于-28度的常数。假设应在角度
y＝b-(z+a)tan(α)(13)
采取导数，
dy＝-dztan(-28°)(14)
＝dz×0.532
上述逻辑的结果是最大水平误差dy应该在测量区域的中心处小于+/-0.53μm。对于如图22中的2.5255μm的条纹宽度，这意味着最大y误差应为+/-0.21条纹，以实现+/-1.0微米z精度。由于图22中的次要垂直网格线之间的距离大约是一个条纹，因此可以期望可以使用诸如关于本公开的图35-41所描述的子条纹外推来实现该精度。
图23示出了分别针对16、32和64条纹周期的曲线419、420和421的放大视图。它具有条纹的标度，其具有0.20条纹间隔的垂直网格线，表示z维度中1μm精度的近似最大可允许y误差。应当注意，在图23中仅需要y的正值，因为曲线都具有奇对称。从图23中可以看出，64条纹周期的曲线421具有最长和最陡的线性斜率区域，因此可以在z测量中实现期望的精度水平(例如1微米精度)。已经针对本公开的示例设计选择的32条纹周期的曲线420是具有几乎相同的斜率和线性区域的另一个示例，也看起来能够实现1微米的精度。然而，对于16条纹周期平方波的曲线419与其他方波曲线相比显示出明显的斜率和线性损失。
总之，图22和图23示出了为了使1μmz分辨率成为可能，1)sbm上的条纹宽度应不大于2.5255μm，以及2)可能期望将最短最小方波周期设置为至少16以及优选至少32个条纹。很明显，在用于形成仅由格雷码图案构成的投影序列的规则下，上述两个条件是矛盾的。将使用至少16×2.5255＝40.041μm并且优选32×2.5255＝80.816μm的最小周期。在格雷码规则下，条纹宽度是最小周期的四分之一，使其至少为10.1μm并且优选20.2μm。这违反了条件1)，即最大条纹宽度分别乘以4和8。
使得难以或甚至不可能满足上述精度规定的格雷码的特征主要在于它遵循特定的加权编号系统。在本公开中提供hcbc作为替代方案，其提供逃避格雷码的刚性的手段。它通过定义大量混合加权/未加权组合来实现这一点，其中代码的未加权部分通过递增地增加波形偏移op来实现，如图28a和图28b所示。虽然额外的代码图案被投影以获得这种益处，但是在某些情况下，增加的精度可能超过与使用附加图案相关的系统大小或权重的任何增长。
同样在图23中，示出了用于16条纹周期和32条纹周期正弦波的曲线423和424，以便提供用于比较可替换3d测量方法的测量精度的基本极限的手段，该方法使用附加的正弦波图案而不是附加的hcbc方波图案。这些计算的条纹宽度保持在2.5255μm。具有附加到格雷码图案序列的正弦波图案的实验3d测量系统是已知的。然而，对正弦波的像素信号响应的最大斜率小于对相同周期和相同峰值振幅的方波的像素信号响应的最大斜率。从图中可以看出，在一个条纹的y距离处，32条纹周期的方波曲线420的平均响应斜率比具有相同周期的正弦波曲线424的平均响应斜率大大约50％。16条纹周期的方波曲线419的斜率大于正弦波曲线423的斜率，但是具有比32条纹周期更少的优点。斜率优势明显地保留在方波上。
因为最终系统测量误差与信号斜率和rms随机噪声幅度的乘积成反比，所以似乎在初步系统设计期间，在存在随机相机像素噪声的情况下的更好的精度可以通过投影32条纹周期或更长方波辐照度图案而不是投影任何周期的正弦波图案来实现。因此，努力将含有波形移位方波的一组图案无缝地附加到一组格雷码图案。结果是本公开的hcbc码。
图24是所得到的hcbc的整体结构的高级黑白图形描绘，其中白色区域表示二进制数字1，并且黑色区域表示二进制数字0。图形由对具有25列和4096行的
图24的水平标度5904位于图的顶部，并且定义了由从1到23的图案索引编号p标识的23个电子表列。图中左侧有三个垂直的宽箭头，第一个垂直箭头表示从线451处的零参考向下测量的条纹距离s，第二个表示从相同参考线451的整数的条纹索引m，并且第三个表示正/负条纹距离y/qs。所有标度是相对于线451测量的并且与图20的标度定义一致。在本公开的示例系统设计中，线452相对于4096个条纹的整个编码距离处于四分之一距离(s＝1024)。这在图24中通过在条纹距离s＝1024和y/qs＝0的p＝22列中看到的黑到白转变表示。
各个电子表单元格在图24中不可见，但在
图25是图24中引用的相同电子表的不同区域的副本，示出了表示条纹索引m从线452处的1024到线453处的2048的行。因此，线453表示整个4096个条纹代码4508的中点。
图26是图24中所示的相同
图26中的电子表单元格5901含有数字4096，其表示在本公开的示例系统中要编码的期望的条纹总数(mmax+l)，由代码创建流程图29a的框2901指示。注意，4096是行5906中的最大加权编号系统周期8192的一半。图26中的电子表单元格5902含有数字32，其表示本公开的示例系统中条纹中的期望的最小hcbc方波周期λmin，并且还由流程图29a的框2902指示。电子表单元格5903含有单元格内计算数字23，其表示hcbc图案的总数pmax，并且还表示线451的左侧的五个电子表行5905、5906、5907、5908和5904中的单元格数。电子表单元格5903中的公式是下面的等式(15)，其也与流程图29a的框2904中的公式相同：
pmax＝λmin/2+log2[(mmax+1)/λmin](15)
如在等式(15)中可以看到的，数量pmax由电子表单元格5901中的条纹总数(mmax+1)和电子表单元格5902中的最小方波周期λμin的先前选择来定义。
根据流程图29a的框2909中的测试问题的结果，电子表行5905含有条纹中的波形偏移op的23个单元格，其随着行5904中的图案索引p而变化。从图29a的框2905、2911和2913可以看出，如果p<λmin/2，在示例系统中是16，则op＝p-λmin/4。但如果不是，则op＝0。因为在示例系统中λmin/4＝8个条纹，并且行5904中的p的值以一个条纹的步长从1增加到23，可以看出行5905中op的第一个值为-7，并且每个后续数字增加一个条纹直到p＝15。对于p＝16到23，存在具有零移位的八个波形。
电子表行5906含有条纹中的波形周期λp的23个单元格，其由流程图29a的框2905中的测试问题p<λmin/2的结果定义。从图29a的框2905、2911和2913可以看出，如果p<λmin/2，在示例系统中是16，则λp＝λmin，但是如果不是，则λp＝λmin(2(p-(λmin/2+1)))。在电子表行5906中可以看到表示对于p＝23的λp的该单元格含有数量8192，它是电子表单元格5901中编码条纹总数的两倍。这是格雷码的特性，并且也可以在图19b和图20中的p＝5的波形看出。
电子表行5907包含条纹指数m1p的23个单元格，其指示条纹，其数字上最低边界由图案p中的转变创建，并且表示从0到1的第一波形转变(也由波形图29c中的条纹距离6900示出)。电子表行5907中的索引m1p的值通过等式(16)使用行5905和5906中的op和λp的预先计算的值来计算：
m1p＝op+λp/4(16)
在复制了图26的整个电子表中，在线452-000下面有4096行，代表4096个独特条纹，每行由从0到4095的唯一条纹索引号m标识。每行中的各个单元格含有二进制位值hpm，除了右边的列5925含有表示每行中未加权位的总和的十进制数。
应当注意，列5925中的未加权位的总和不用于hcbc创建的方法中，而是用于解码过程。它可以帮助读者理解基本代码结构，根据该结构，可以看到列5925中未加权位的总和以16个条纹的间隔或条纹中所选择的最小周期λmin的一半重复值15或零值。这代表了hcbc的一个关键特性，即通过其中一个加权代码图案的转变解决了明显的未加权代码歧义，即索引p从16到23的图案。列5925中的总和在流程图32框3207所示的hcbc解码方法中很有用。前述是融合hcbc中的未加权和加权元素的基础，并且提供了生成和解码任何hcbc变体。
在图26中的线452-000下方，每个电子表行代表一个单独的条纹m，显示范围为0到64。现在可以看到图24中的倾斜条的精细结构。在由图案索引p指定的任何电子表列中，可以从由条纹m＝0指定的单元格开始并继续增加m、s和y/qs。对于任何索引p，该过程将描绘其特征波形。
图27示出了用于生成图26的相同电子表的向下滚动视图。它显示出与图26大致相同数量的条纹，除了图27从线452-2031开始并覆盖从2,031到2,063的中心条纹范围，包括条纹2047和2048之间的y/qs＝0的线452-2048。由于线452-2048还表示投影仪透镜组光轴与图3和图15中所示的点105处的幻灯片平面的交点，线452-2048紧邻的条纹可能是特别感兴趣的。
图28a示出了hcbc，其表示为一系列特征波形，而不是如先前附图中的数字电子表矩阵。应注意，分界线450下方的未加权波形都具有32条纹周期。在线450上方，所有波形遵循加权波形规则，如先前关于图20所讨论的。
图28b示出了与图28b相同的波形的放大图，其覆盖0到64(而不是0到544)的减小的条纹距离范围。在该视图中，单个条纹偏移步骤清楚地显示在未加权编号系统最小周期波形内，低于线450(即，图案索引p＝1到15的波形)，加上波形p＝15和p＝16之间的附加单个条纹偏移。hcbc的该特性允许它将加权编号系统代码(例如格雷码)与未加权编号系统代码组合。
图28c是描述hcbc的多个(例如，121个)可能的代码变体的表，以及另外11个代表格雷码本身的代码变体。应该理解，图28c仅涵盖可用的整个代码变体范围的样本。该表是通过使用图29a和图29b的编码流程图中记录的方法开发的。为了使用该表，首先选择期望的编码条纹总数(mmax+1)和以条纹为单位的期望最小波形周期λμin，其理解为在表的第一行中的λmin＝4代表格雷码。对于上述两个选定数字的每一组，相应的表条目将提供用于创建完整hcbc序列的图案(位)的总数。表中的最后一列将提供总计中包含的未加权幻灯片的数量。例如，如本公开的模型系统中的总共4,096个总条纹和32个条纹的最小周期的hcbc变体使用总共23个幻灯片，其中15个是未加权的。
根据流程图29a的框2903中的等式，容易地计算未加权位的数量：
未加权位/图案的数量＝λμin/2-1(17)
由于任何hcbc序列(包括格雷码序列)中的图案索引p从1开始并在pmax结束，因此序列中的位/图案的总数是pmax，其是使用先前示出的等式(14)计算的。
可以通过从等式(15)中的位/图案的总数中减去等式(17)中的未加权位的数量来找到加权位/图案的数量，从而产生
加权位/图案的数量＝log2[(mmax+1)/λmin]+1(18)
通过仅使用总的期望数量的条纹(mmax+1)和最小周期λmin，等式(14)和(17)可用于确定需要来构建hcbc序列的图案的总数和未加权图案的总数。在本公开的一个示例系统设计中，优选的最小周期λμin是32个条纹，并且优选的条纹总数是4096。示例系统设计的代码图案(不包括统一参考图案)的总数被发现位于总共4096个条纹的列和32条纹最小周期的行的交点，这提供了23个hcbc图案的结果。应该记住，图28e表或等式(16)和(17)本身不能以物理单位提供一个条纹的宽度，因为它们不包括要编码的期望物理长度的条目。这在本公开的示例设计中通过假定10.0mm编码长度的幻灯片照明窗口来提供，其在被4096个条纹划分时导致投影仪幻灯片表面上的条纹宽度qs为2.441μm。
图29a是根据与本公开一致的用结构光测量表面轮廓的方法的一个示例的用于定义测量代码的方法的示例操作的流程图。如图所示，方法2900开始于框2901，根据该框，选择表示以条纹为单位的总代码长度(mmax+1)的试验编号。该方法然后前进到框2902，根据该框，选择表示最小重复周期λμin的第二试验编号，以应用于包括要定义的唯一hcbc的以条纹为单位的整组特征方波，例如，对于图28中所示的整组特征波形，λμιν＝32个条纹。该方法然后前进到框2903，根据该框，通过等式(15)计算代码中未加权的二进制位的试验数。可替换地，可以在准备好的数字表中查找，例如图28e。该方法然后前进到框2904，根据该框，通过等式(16)计算总hcbc图案的试验数pmax。该方法然后前进到测试框2905，根据该框，判定代码长度(mmax+1)和代码中的图案的总数pmax是否都是可接受的。如果框2905中的判定为“否”，则该方法前进到框2906，根据该框，进行pmax和(mmax+1)的第二选择，并且该方法返回到框2901和框2902。重复框2903、2904和2905中的方法的序列，直到测试框2905的结果为“是”，在这种情况下，该方法前进到框2907，根据该框，通过等式(17)计算代码中的加权位数，并且也前进到框2908，根据该框，图案索引p的初始值被设置为1并且条纹索引m的初始值被设置为零。
该方法然后前进到测试框2909，根据该框，做出关于在框2908中更新的变量整数p是否小于整数λμιν/2的判定。如果判定为“是”，则该方法前进到框2910，根据该框，对应于图案/位索引p的特征方波的周期λp被赋予值λμιν。此外，如果框2909中的判定是“是”，则该方法也前进到框2911，根据该框，对应于图案索引p的波形的波形偏移op被分配值λp＝λmin(2(p-(λmin/2+1)))。此外，如果框2909中的判定是“否”，该方法也前进到框2913，根据该框，对应于图案索引p的波形的波形偏移op被赋予值op＝0。
该方法然后前进到框2914，根据该框，将用于p的当前值的λp和op的所有值存储在电子存储器中。在存储λp和op的值之后，该方法前进到测试框2915，根据该框，如果p小于pmax，则结果是“是”，并且该方法前进到框2916，根据该框，框2908中的p的值递增1并且该方法从判定框2909重复循环然后前进直到它再次到达测试框2914。该方法继续递增p直到它达到pmax，例如如图26所示的23，其示出了在线451上方的电子表行中针对从1到23的p的每个值的λp和op的计算值。当p在框2915中达到pmax以引起“否”输出时，该方法前进到连接框2917。
图29b是根据与本公开一致的用结构光测量表面轮廓的方法的一个示例的用于定义测量代码的示例操作的连续流程图。方法2900从图29a中的连接框2917继续到图29b中的连接框2918，从那里到继续框2919，根据该框，可以检索如由图29a的框2914中的操作定义的存储值op和λp。该方法然后前进到框2920，根据该框，可以设置m＝0和p＝1的初始值。该方法然后前进到框2921，根据该框，可以在框2921中针对p的值查找op和λp的存储值。然后该方法前进到框2922，根据该框，m1p的值可以通过公式m1p＝op+λp/4计算。该方法然后前进到测试框2923，根据该框，如果m的当前值小于m1p(是)，则该方法前进到框2924，根据该框，位值hmp被存储为零并且该方法前进到测试框2928。但是如果m的当前值大于或等于m1p(否)，则该方法前进到测试框2925。根据框2925，如果mod[(m-m1p),λp]的值小于在λp/2(是)，则该方法前进到框2926，根据该框，位值hmp被存储为1。然而，如果mod[(m-m1p),λp]的值不小于λp/2(否)，则该方法前进到框2927，根据该框，位值hmp被存储为零。关于在框2925中的模函数mod[(m-m1p),λp]，对图29c中的图形描绘和等式(18)中的数学定义进行参考。
返回图29b，框2923和2925中分配给每个hmp的两个测试的存储结果可以是单个二进制位(即，一或零的数字)。如果p小于pmax，(是)，则该方法前进到框2929，根据该框，p可以递增(例如，递增一个十进制数字)。然而，如果p达到(即等于)pmax以产生“否”，则该方法从框2928前进到框2930，据此确定m是否小于mmax。如果“是”，该方法前进到框2931，根据该框，p被重置为1并且条纹索引m递增一个十进制数字并被重置。然而，如果m不小于mmax(否)，则该方法从框2930前进到框2932并结束。
图29c提供了流程图29b中的测试框2925的图形说明。如上所述，测试框2925表示[mod[(m-m1p),λp]是否小于周期λp的一半的确定。如果“是”，则将位值hmp记录为1，如果为“否”，则将其记录为零。在图29c中，可以通过考虑由波形周期λp和到第一上升转变m1p的距离定义的一般hcbc特征方波2940来获得相同的结果，其中m1p＝(op+λp/4)并且op和λp/4都是依赖于范围从1到pmax的图案索引p的整数。可以在图26-27中看到λp，op和m1p的示例值，对于pmax＝23，分别与参考标号5906、5905和5907相关联。
在图29c中可以看到，对于由垂直虚线2942指定的条纹m的示例选择，距离2944小于λp/2，根据此，线2942在hmp＝1.thm,p＝1时截取特征方波2940。还可以看出，如果距离2944大于λp/2，则虚线2942将在hmp＝0处截取波形2940。可以看出，如果在m＝m1p的第一次上升转变和线2942之间插入任何数量的附加方波周期λp，则线2942处的波形幅度hmp不会改变。从图中还可以清楚地看出，距离2944是距离2948即(m-m1p)和距离2946之间的差。根据距离2946，从图中可以看出它必须总是等于整数的方波周期λp，使得它可以由表达式λp×int[(m-m1p)/λp]，其中int是任意数字的下舍入整数值，因此等于任意距离(m-m1p)内的特征方波周期λp的整数。总结关于图29c的上述观察结果，
距离2944＝距离2948-距离2946(19)
＝(m-m1p)-λp×int[(m-m1p)/λp](20)
另外应该注意的是，
mod(数，除数)＝(数)-除数×int(数/除数)(21)
可以看出，当(数)＝(m-m1p)并且“除数”＝λp时，等式(20)和(21)是等价的，结果是图29c中的距离2944与本应由图29b的测试框2925中的表达式mod[(m-m1p),λp]计算的相同。图30是与本公开一致的用编码光分析表面的方法的一个示例的示例操作的流程图。如图所示，方法3000开始于框3001，根据该框，通过旋转如图45、图2、图4、图8、图9和图10所示的幻灯片筒投影仪将编码光图案的重复序列引导到物体的表面上，并且根据此，接收从表面反射的光的一个或多个相机光传感器像素阵列的曝光时间与由图5、图8和图9中所示的投影仪幻灯片筒的旋转创建的图案定时信号同步。该方法然后前进到框3002，根据该框，发生第一图案序列q＝1中的第一相机曝光。第一相机曝光可以对应于完整序列中的任何图案，即，序列中的图案投影的任何时间排序可以用于结构光图案和非结构光参考图案。在等式中，符号p指的是特定的结构光图案并且refn指的是特定的非结构光参考图案。n的不同值指的是不同的参考图案，例如，在本公开的示例实施例中，50％的透射参考是ref2。该方法前进到框3003，根据该框，在每个序列中的每个投影图案的曝光时间期间测量激光源功率参考lp(p,refn,q)。lp(p,refn,q)的每个值在其测量时存储以用于将来的信号标准化。该方法然后前进到框3004，根据该框，在测量序列q中曝光图案p或refn之后，在每个相机像素(i,j)中创建信号h(i,j,p,refn,q)，然后存储。该方法然后前进到框3005，根据该框，使用下面的等式(22)或等效物从测量的信号h(i,j,p,refn,q)、h(i,j,ref2,q)、lp(i,j,p,refn,q)和lp(i,j,p,refn,q)创建标准化的像素信号f(i,j,p,refn,q)，然后存储。
该方法然后前进到框3006，根据该框，测试对应于hcbc结构光图案的每个标准化信号f(i,j,p,q)以确定它是否大于1.0。如果是(是)，则该方法前进到框3008，根据该框，hcbc位h(i,j,p,q)被赋予二进制值“1”。如果不是(否)，则该方法前进到框3007，根据该框，hcbc位h(i,j,p,q)被赋予二进制值“0”。在任一情况下，该方法然后前进到框3009，根据该框，存储测试框3006的结果h(i,j,p,q)。该方法然后前进到框3010，根据该框，确定是否整个图案序列已经被投影。如果不是(否)，则该方法前进到框3011，根据该框，索引p或refn的操作值递增一，并且该方法循环回到框3003。重复该循环，直到框3010的结果为“是”，在这种情况下，该方法前进到框3012，根据该框，通过图32的流程图中的方法对序列q＝1中的二进制数h(i,j,p,q)的组进行解码，以得到像素(i,j)和序列q的hcbc条纹索引m的十进制值。
该方法然后前进到框3013，根据该框，所有标准化传感器信号f(i,j,p,refn,q)的存储值用于如图48-49和流程图42-44所示的传感器非线性校正。在框3013完成之后，该方法前进到框3014，根据该框，可以执行图35-41的详细图中描绘的子条纹外推，以生成投影仪幻灯片表面上的条纹距离y的更精确估计，其对应于在从物体表面(sbm)上的点反射之后从像素(i,j)中心反向投影的光线。执行外推过程的详细方法可以在图42-44的流程图中找到。
回到图30，该方法从框3014前进到框3015，依据该框，将在框3013中确定的坐标值y(i,j,q)的估计用于在由流程图31中描述的方法创建的查找表中查找对应的投影仪角度θ(y,i,j,q)的存储值，先前在图17中示出。该方法然后从框3015前进到框3016，根据该框，再次使用图31中描述的方法，可以针对i和j的每个特定值查找建模的和校准的相机光线角度φx(i,j)和φy(i,j)的存储值。
然后，该方法从框3017前进到框3018，根据该框，可以使用三角测量等式(6)、(7)和(8)或等效物来对于测量序列索引q，计算每个相机中的所有像素(i,j)的点坐标x(i,j,q)、y(i,j,q)和z(i,j,q)。在框3018的操作之后，该方法前进到测试框3019，据此确定是否继续另外的测量序列。如果“是”，则该方法前进到框3020，根据该框，序列索引q递增，并且图案索引(hcbc索引p或参考索引refn)被重置为其在先前序列的开始处的值。该方法然后重复框3002-3019的操作。如果或当框3019中的结果变为“否”时，该方法可以前进到框3021并结束。
图31是根据与本公开一致的用编码光分析表面的方法的一个示例的系统建模和校准操作的流程图。如图所示，方法3100开始于框3101，根据该框，通过使用光学设计软件来执行相机光学器件的计算机建模。该方法然后前进到框3102，依据该框，创建利用反向投影方法的相机模型，其中每个透镜的物场是表示fpa像素中心的点的矩形网格，根据该框，像素的中心点的图像形成在全局坐标z＝zref的平面上。
该方法然后前进到框3103，根据该框，光学设计软件的光学分析方法用于优化基线设计，该基线设计是小psf、最大焦深和sbm上的最大覆盖之间的折衷。该方法然后前进到框3104，根据该框，光学设计软件对所有或代表性的场点像素位置运行网格失真分析，并针对每个报告在参考图像平面上的x和y截距坐标。该方法然后前进到框3105，根据该框，可以根据在框3104的网格失真分析中计算的x和y截距确定角度φx和φy。
该方法然后前进到框3106，根据该框，通过使用光学设计软件，执行投影仪光学器件的计算机建模。该方法然后前进到框3107，根据该框，创建反向投影模型，具有先前在框3104中由反向投影相机光线的x和y截距坐标定义的表面4570上的场点。然后该方法前进到框3108，根据该框，对应于在框3107中列表的相机光线截取点的投影仪幻灯片表面截距y(i,j)被制成表并存储。
该方法然后前进到框3109，根据该框，在框3108中计算的幻灯片表面截距坐标可以与在框3107中针对投影仪透镜设计计算的投影仪透镜基点坐标一起使用，以计算每个相机像素的y角度θ(i,j)(例如，在图17中可以看到一个y角度θ)。该方法然后前进到框3110，根据该框，每个组装的系统被校准以考虑实际硬件参数与模型参数的任何偏差。实现硬件校准的一种方法是使用图47的光学传感器校准方法流程图，与本公开的示例系统设计一致。
图32是根据用于解码hcbc二进制位序列的方法的一个示例的操作的流程图，该方法通过结合图30的流程图中的框3006-3009描述的过程得到，以根据与本公开一致的利用编码光分析表面的一种示例方法，确定与特定相机像素相关联的特定编码光条纹索引m。如图所示，方法3200开始于框3201，根据该框，选择具有行和列索引(i,j)的单个像素。该方法前进到框3202，根据该框，检索存储的hcbc参数pmax、mmax和λmin的值以及识别测量序列q。该方法然后前进到框3203，根据该框3203，计算编码λμin/2-1中的未加权位的数量，即，针对本公开的示例系统设计，结果是15个未加权代码位。
该方法然后前进到框3204，根据该框，检索测量的相机像素(i,j)的二进制位值h(i,j,p,q)的序列、序列识别索引q和从1到pmax的图案索引值p。该方法然后前进到框3205，根据该框，加权(格雷码)位以大端序列从p＝pmax到p＝λmin/2排序并且被解码成自然二进制形式。可以使用任何格雷到自然二进制转换方法。该方法然后前进到框3206，根据该框，借助于等式(23)中的加权和，将在框3205中形成的具有单独加权位值bpq的自然二进制数转换为十进制数g。
该方法然后前进到框3207，根据该框，未加权的代码位并且在框3203和3204中定义的十进制和“sumu”(例如，如图26和27的列5925中所见)由等式(22)确定。
该方法然后前进到测试框3208，根据该框，在框3206中确定的解码的十进制值g除以最小周期λmin以及商用于确定应该使用两种方法中的哪一种来计算条纹索引m(i,j,q)。框3208中的测试可以使用如图29c中所描述的mod函数的计算机计算或其他等效计算。
如果框3208中的测试结果为“是”，则该方法前进到框3209，根据该框，该方法通过运算g+sumu确定解码的条纹索引m(i,j,q)的值，然后继续前进到3210并结束。如果不是，则该方法前进到框3211，根据该框，确定通过运算g-sumu+λmin/2-1的解码的条纹m(i,j,q)的值，其中λmin/2-1是在框3203中计算出的未加权位的数量，然后该方法前进到框3212并结束。
关于使用查找表来确定哪个投影的幻灯片图案对于给定的解码条纹边界负责的讨论
如先前在图22和图23所见，用于解码hcbc序列的最感兴趣的物理区域处于投影图案的上升或下降辐照度边缘，其中可以使用基于标准化信号幅度的外推技术来提高测量精度。应该注意的是，图22和图23中的所有方波都被人工移位，以使得在y＝0处的单个条纹边界处的所有存在上升信号，以便更容易地比较各种波形周期的合成信号振幅。然而，应该记住，这种人工移位仅在本公开中用于比较信号响应，并且不表示hcbc系统编码和运算中的期望波形移位偏移值op。
在本公开的示例系统设计中，任何给定条纹的两个边界中的每一者仅由在给定整个投影序列中投射的hcbc条形图案(例如，23个图案)中的仅一个透射转变产生。能够快速确定哪个图案对解码的条纹的一个或另一个边缘负责并且还确定转变是否表示用于增加条纹索引m的上升或下降信号可能是有用的。为此目的，定义斜率系数km,p是方便的，其中km,p＝-1表示下降斜率，km,p＝1表示上升斜率，并且km,p＝0表示没有变化。
图29a和图29b的流程图中所示的hcbc编码方法提供了确定哪个图案对给定的条纹转变负责以及斜率系数km,p是零、1还是-1所需的所有信息。具体地说，代码本身定义了所需的信息，即条纹的编号顺序是从最低到最高的m索引，而条纹m的较高索引侧的斜率与条纹m+1的较低侧的斜率相同。此外，任何条纹转变的斜率符号和负责它的第一图案p可以从定义每个hcbc特征波形的基本等式确定，因此也定义了针对坐标y的投影仪图案编码表面999处的图案的光学透射(高或低)。结果，这些值可以在计算机上计算并且例如通过稍后在流程图34中示出的方法制成表。
图33是使用流程图34的过程的计算机计算结果的图形表示，示出了斜率系数km,p与图案索引p和解码的条纹索引m的非零值(1或-1)的位置和符号。垂直线450是未加权和加权二进制码位之间的相同分界线，如在其他附图中所见。该数据在
图34是与本公开的混合循环二进制码一致的根据确定哪个投影仪幻灯片图案含有负责给定解码的条纹边界的透射转变的方法的一个示例的示例操作的流程图。如图所示，方法3400以框3401开始，根据该框，所选择的hcbc变体的位值h(m,p,λmin)可通过查找或通过使用图29a和图29b中的流程图的方法的单独计算获得。该方法然后前进到框3402，根据该框，选择单个条纹m。该方法然后前进到框3403，根据该框，在方法的第一次迭代中使用的图案索引p被设置为整数1。然后该方法前进到框3404，根据该框，二进制位值h(m,p)或者被查找或者被计算出来。该方法然后前进到框3405，根据该框，通过将十进制数1与m的预定十进制值相加来定义条纹m+1，并且查找或者计算位值h(m+1,p)。该方法然后前进到框3406，根据该框，计算差δh(m,p)＝h(m+1,p)-h(m,p)。
该方法然后前进到测试框3407，根据该框，确定是否δh(m,p)＝0。如果是，则该方法前进到框3408，根据该框，与m的当前值和p的当前值有关的斜率系数km,p可以被赋予值0并存储。该方法然后前进到测试框3412，根据该框，测试索引p以确定它是否小于数pmax。对于初始值p＝1，框3412中对问题的答案是“是”并且方法前进到框3413，根据该框，框3403中的图案索引递增1，并且重复框3404-3407的方法。
如果测试框3407的初始结果是“否”，则该方法前进到框3409，根据该框，确定是否δh(m,p)＝1。如果是，则该方法前进到框3410，根据该框，可以将与m的当前值和p的当前值有关的斜率系数km,p赋予值1并存储。该方法然后再次前进到测试框3412以确定p的当前值是否小于数pmax。再次，如果答案是“是”，则该方法前进到框3413并且将框3403中的p的值递增1并且重复框3404-3409的方法。如果框3409中对测试问题的答案是“否”，则该方法前进到框3411，根据该框，可以将与m的当前值和p的当前值有关的斜率系数km,p赋予值-1并且存储。应当注意，框3408、3410和3411的方法是互斥的，即对于索引p的任何给定值，可以仅存储一个km,p值。最后，当框3413中的最后一个递增操作导致当前值p＝pmax，并且该方法再次前进到框3412时，框3412中对问题的答案将为“否”，并且该方法可以前进到框3414并结束。
子条纹外推法的详细说明
在下面的讨论中，假设已经使用先前在本公开中讨论的一种或多种方法校正了所有测量的结构光传感器信号值的非线性误差。
讨论开始于考虑与hcbc结构光的投影相关联的测量的、标准化的和非线性校正的传感器信号，特别是测量的和标准化的信号幅度相对于代码筒4507上的投影仪编码表面999上的横向y坐标的关系。由于信号对横向y位置曲线的斜率取决于具有特征方波的复合psf曲线的空间卷积的宽度和形状，因此讨论开始于回顾图22和图23中的示例建模曲线，具体关注曲线420，其与本公开中的示例系统设计一致。在图35中，曲线420的中心部分被示出为图23中的曲线420的放大视图的左侧和下侧的延伸。在条纹边界a、b、c和d与水平线3501的交点处识别四个外推参考点erp(a)、erp(b)、erp(c)和erp(d)，其中水平线3501表示标准化信号值f为1.0。图35中的水平标度强调从条纹m到条纹m+1的右手(“上部”)转变处的外推参考点erp(a)周围的区域。图35中的条纹距离s＝m+1对应于图23中的s＝0。显示为十字的计算机计算的数据点429被添加到图35中以提供在边界d和c之间的三条纹区域中典型直线模型的拟合。
尽管模型曲线420与上升斜率相关联，即斜率系数km,p＝1，但具有系数km,p＝-1的下降斜率通常可能与上升斜率一样。因为下面的方波模型和复合lsf模糊(例如与方波卷积的图21中的lsf410)都是高度对称的，下降斜率可以用典型曲线建模，其简单地是曲线420或其垂直翻转的直线近似。
图36是到条纹m的单点外推的图解说明。它示出了虚线直线模型432，其拟合与图35中相同的数据点429并且具有水平标度，该水平标度具有间隔为0.2条纹的垂直网格线，与最大允许水平y测量误差一致，其针对2.5255μm的条纹宽度允许1μmz测量误差，如方框415所示。水平线f(a)从示例标准化像素信号值f＝0.86向右绘制，其可以针对负责边界a的投影图案进行测量。可以回想起任何条纹m的数字上边界的负责图案索引可以在使用图34的流程图中描述的方法之后，从诸如图33中所示的查找表或图表中找到。线f(a)以水平条纹距离
由于f(a)的测量值是0.86，abs(1-0.86)＝0.14，因此等式(25)变为
图37示出了使用与图36中相同的单个参考点erp(a)的另一单点外推，但具有负斜率线模型曲线433，其具有斜率ds/dfi＝4.65的相同绝对值。该图示出了测量信号f(a)比f＝1.00的参考线高14％而不是如图36一样低14％，使得等式(25)再次导致相同的估计的条纹距离：
图38示出了另一单点外推，在这种情况下，从解码条纹m的数字下侧b开始。对于相同的条纹距离
当f(b)>1时，如图38中所示，并且为了测试目的，
针对f(b)求解上述等式，
检查图38中的f(b)的值显示非常接近1.079的值，为该方法提供合理的置信度。
图39是使用与图38中相同的erp(b)但是具有反向斜率的示例。如果线431的绘制斜率的绝对值与图38完全相同并且到
前述示例仅考虑来自负责解码条纹的上边界a和下边界b的两个投影图案的测量信号。相应的两个估计值
图40是对于解码的条纹索引号为2047的特殊情况示例，对于平均来自对应于来自相同序列的四个不同幻灯片图案信号的四个不同erp的测量的情况的外推示例。在这种情况下，外推将导致条纹距离s在2046和2047之间。条纹2047和2048之间的边界a表示幻灯片条纹距离s＝2048和y/qs＝0。可以回想起这些坐标代表投影仪编码表面999的y中心和图10的投影仪成像透镜组4508的光轴的y＝0坐标。图33中的电子表表格和/或图34的方法可以用于确认负责转变a的图案索引是刀刃图案指数p＝23，其具有正斜率km,p＝+1。以类似的方式，可以确认负责转变c的索引是p＝1，其具有正斜率km,p＝+1，可以确认负责转变b的索引是p＝15，其具有负斜率km,p＝-1，并且可以确认负责转变d的索引是p＝14，其具有负斜率km,p＝-1，所有这些都在图40中由与四个条纹边界相关联的注释表示。
垂直线437及其与标度445、446和447的交叉表示源自相机像素中心的示例性反向投影光线，其从sbm上的点反射并且在具有在解码的条纹2047内稍微负y/qs坐标448的点处与投影仪编码表面999相交。然后，线437与四个典型模型线中的每一个相交，所述四个典型模型线表示到解码的条纹2047的四个最接近的外推参考点，并且创建表示四个存储的标准化信号值f(m,p)＝f(2047,23)，f(2046,15)，f(2048,1)和f(2045,14)的四条水平线440、441、442和443。
图41是第二个四点外推示例，其中解码的条纹索引是2063，被选择以示出针对四个最近的条纹边界的斜率系数的不同排列。在这种情况下，外推将导致条纹距离s在2063和2064之间。条纹2063和2048之间的边界a表示幻灯片条纹距离s＝2064并且y/qs＝16.0。图33中的电子表图像和/或图34的方法可以用来确认负责转变a的图案索引是p＝16，具有正斜率km,p＝+1。以类似的方式，可以确认负责转变c的索引是p＝1，具有负斜率km,p＝-1，可以确认负责转变b的索引是p＝15，具有正斜率km,p＝+1，可以确认负责转变d的索引是p＝14，具有正斜率km,p＝+1，所有这些都在图41中由与四个条纹边界相关联的注释表示。
垂直线438及其与标度445、446和447的交叉表示源自相机像素中心的示例反向投影光线，其从sbm上的点反射并且在具有在解码的条纹2063内在15和16之间的y/qs坐标448的点处与投影仪编码表面999(标度447)相交。然后，线438与表示到解码的条纹2063的四个最接近的内插/外推参考点的四个典型模型线中的每一个相交，并创建表示四个存储的标准化信号值f(m,p)＝f(2063,16)，f(2062,15)，f(2064,1)和f(2061,14)的四条水平线460、461、462和463。
图42是与本公开的以上图35-41和其他一致的，根据3d测量流程图30中的框3014的四点子条纹外推操作的流程图。如图所示，方法4200开始于框4200。该方法然后前进到框4201，依据该框，可以根据流程图4300、以及图表图35-39中描述的详细方法，使用在完整hcbc投影序列期间测量的存储的像素信号的标准化值以及内部外推参考(irc)点a和b进行内部两点外推估计。该方法然后前进到框4202，根据该框，存储针对内部两点irc(a)和irc(b)计算的平均
图43是根据执行如根据图42的框4201执行的内部两点外推的方法的详细操作的流程图。如图所示，方法4300开始于框4300。该方法然后前进到框4301，根据该框，与相机像素(i,j)和测量序列q相关联的解码条纹索引号m(i,j,q)是通过根据流程图32的方法的先前的解码操作使其可用。该方法然后前进到框4302，依据该框，查找与条纹m的边界a和b相关联的图案索引pa和pb。可以从先前由图32的方法确定的值中查找两个索引pa和pb。示例如针对条纹边界a和b的图40和图41所示。该方法然后前进到框4303，根据该框，查找来自对应于条纹m的两个边界的像素(i,j)的两个标准化信号，即f(i,j,m,pa,q)和f(i,j,m-1,pb,q)。该方法然后前进到框4304，根据该框，查找直线模型斜率ds/df的校准绝对值。与最佳聚焦光学建模一致的模型斜率的示例计算在图36中示出。该方法然后前进到框4305，根据该框，通过等式(25)计算与标准化信号f(i,j,m,pa,q)一致的估计条纹距离
图44是根据执行如根据图42的框4204执行的外部两点外推的方法的详细操作的流程图。如图所示，方法4400开始于框4400。该方法然后前进到框4401，根据该框，与相机像素(i,j)和测量序列q相关联的解码的条纹索引号m(i,j,q)通过根据流程图32的方法的先前的解码操作使其可用。
该方法然后前进到框4402，根据该框，查找分别与条纹m+1和m-2的边界c和d相关联的图案索引pc和pd。示例在图40和41中针对条纹边界c和d示出。该方法然后前进到框4403，根据该框，查找来自分别对应于条纹m+1和m-2的边界c和d的像素(i,j)的两个标准化信号，即f(i,j,m+1,pc,q)和f(i,j,m-2,pd,q)。
该方法然后前进到框4404，根据该框，查找直线模型斜率ds/df的校准绝对值。与最佳聚焦光学建模一致的模型斜率的示例计算在图36中示出。该方法然后前进到框4405，根据该框，通过下面的等式(27)计算与标准化信号f(i,j,m+1,pc,q)一致的估计的条纹距离
该方法然后前进到框4407，根据该框，对两个估计的条纹距离进行平均。该方法然后前进到框4408并结束。
hcbc图案在代码筒/壳基底上的直接光刻写入
筒基底4507上的表面999和998上的所有hcbc图案和定时轨道图案可以通过光刻创建，其中期望图案直接写在最终表面上。两种类型的图案的写入可以通过逐步扫描和时间调制紫外激光束来完成，该紫外激光束清晰地聚焦在每个圆柱形壳的内表面上承载的薄且均匀的固化光致抗蚀剂层上。
在幻灯片筒上制造hcbc和其他图案的一种方法是在外表面中已经加工出用于透镜的精密槽并且任何吸收透镜都粘合在一起之后，首先用蒸发金属(例如铬)的薄层涂覆二氧化硅筒的精确加工的内表面。在沉积金属膜期间，可能需要以低速旋转筒以确保厚度均匀性。然后将金属涂覆的筒旋转至约300rpm的速度，以将液体光致抗蚀剂沉积到图3中所示的侧挡板120和121之间的区域中。
固化的光致抗蚀剂的优选厚度在200nm和1μm之间，以便稍后在y维度上在最终hcbc图案边界中实现200nm或更小的的误差或变化。为了实现该抗蚀剂厚度，可能期望使用非常低粘度的抗蚀剂或向市售抗蚀剂中添加溶剂，并且非常精确地控制施加到旋转圆筒内表面的液体的质量。另外，应考虑侧挡板120和121处的表面张力的影响。
挡板可具有高于二氧化硅内圆周的高度，其是期望抗蚀剂厚度的数倍，例如100μm或更高，以便在其沉降至均匀层之前包含任何不稳定的液体抗蚀剂。圆筒/筒的旋转速度足以提供远大于重力的向心加速度。在正常测量操作期间，圆柱形壳筒4507和粘合的二氧化硅凸缘115的旋转速度被当前120hz最大测量相机帧速率限制为大约5rps，但是在光致抗蚀剂施加程序期间不使用相机并且旋转速率可以很容易地增加到50rps(300rpm和314弧度/秒)。在内筒半径为76mm的旋转速度下，向心加速度是重力加速度的765倍，足以在侧挡板之间的大部分区域上提供流体平整。在加速到期望的最终旋转速度期间，液体抗蚀剂可以逐渐施加到壳4507的内表面。
当壳/筒4507旋转足够长的时间以创建均匀厚度的层时，例如小于一分钟，可以施加热量以蒸发溶剂，留下几乎厚度小于蒸发前的液体层的厚度的光致抗蚀剂的固体膜。然后可以烘烤光致抗蚀剂以进一步硬化它，之后通过锐聚焦的紫外(365nm的示例波长)激光束写入光致抗蚀剂。可以从内表面周长(2*pi*76mm)与内表面宽度(例如15mm)和示例0.002mm液体层厚度的乘积计算在蒸发之前创建例如2μm厚的液体层所需的液体抗蚀剂的体积的估计。该乘积表明液体体积为14.4立方毫米或14.4μl。
可以看出，在壳/筒3的内表面上具有代码图案允许使用离心力来创建薄且均匀的光致抗蚀剂层。如果图案要在壳/筒3的外表面上承载，例如在慢速旋转期间使用宽的薄喷嘴进行喷涂沉积，则可以使用创建用于光刻的均匀光致抗蚀剂层的其他手段。
在hcbc图案写入期间，激光组件沿着旋转的圆柱形壳的内表面轴向地步进并且开/关调制。旋转速度可以与液体施加中使用的相同或更低。在冲洗掉未写入的光致抗蚀剂之后出现期望的图案。
在壳4507的每次完全旋转之后可以存在单个激光步骤，优选地在用于写入100％和50％参考图案的抗蚀剂的时间期间发生。在金属沉积工艺期间可以证明有利的是在没有金属沉积的情况下掩蔽筒表面的区域，例如100％和50％的参考图案区域。由于这些区域首先不是金属涂覆的，因此激光可以在其中被关闭。在本公开的示例系统设计中，每个激光步长应该是单个条纹宽度的一小部分，例如2.525μm。其余图案的时间调制可以是根据每个条纹m的hcbc码对激光束的简单二进制开/关调制。
在一个报道的在旋转筒内的光致抗蚀剂上进行图案写入的过程中(j.e.petrzelka和d.e.hardt，proc.ofspievol.8612861205-1，massachusettsinstituteoftechnology，cambridge，massachusetts，unitedstates，“laserdirectwritesystemforfabricatingseamlessroll-to-rolllithographytools”，2013年3月)，使用圆形对称的聚焦激光光斑。该对称性使得能够在任何方向上写入图案，但是不需要用于写入本公开的基本上一维的hcbc图案，如图5-7中可见。然后可以利用二极管激光器中固有的基本上一维的发射几何结构，例如具有小于0.1μm宽和10μm长的实际源尺寸，以便在具有更小的和更低功率的激光器表面上实现可接受的功率密度和精度。
现有技术的微光刻透镜设计用于非常高精度的集成电路制造，例如美国专利6,700,645b1。一般来说，这些透镜被设计为与更短波长和更昂贵的紫外光源一起操作，具有更多透镜元件，可以是图像方和物体方远心，以最小化由光罩或晶圆翘曲引起的散焦，使用水浸在晶片上实现大于1.0的na，并产生宽度远低于100nm的线图像。为了非接触式cmm的目的，可能不需要这种性能。因此可以合理地预期可以设计未来较便宜的透镜用于单发射器二极管激光器并且还改进超出本公开的示例设计的3-d测量精度。
示例
以下示例涉及本公开的另外的非限制性实施例。
示例1：根据一个示例，提供了一种非接触式坐标测量机，包括：光学组件，该光学组件包括结构光投影仪、至少一个光学传感器和控制器；其中：结构光投影仪包括：光源；以及包括多个混合循环二进制码(hcbc)图案的代码筒，所述多个hcbc图案包括多个加权编号系统多周期图案和多个未加权编号系统公共周期图案；以及光学成像投影仪透镜；当代码筒绕轴旋转时，控制器使光源将入射光投射到代码筒上；代码筒和光学成像投影仪透镜被配置为从其上的入射光产生结构光，结构光入射在测量的物体的表面上；并且所述至少一个光学传感器用于测量来自测量的物体表面的反射结构光并产生多个测量信号，所述多个测量信号与测量的物体表面上的至少一个点的位置坐标相关。
示例2：该示例包括示例1的任何或所有特征，其中：代码筒包括第一均匀光学透射参考特征和第二均匀光学透射参考特征；第一均匀光学透射参考特征被配置为透射第一量的入射光；并且第二均匀光学透射参考特征被配置为透射第二量的入射光，其中第二量是第一量的约50％。
示例3：该示例包括示例1的任何或所有特征，其中：代码筒包括壳，壳具有内表面和外表面；并且多个hcbc图案设置在内表面和外表面中的至少一个上或内。
示例4：该示例包括示例1的任何或所有特征，其中代码筒是圆柱形的。
示例5：该示例包括示例2的任何或所有特征，其中：代码筒包括壳，壳包括内表面、外表面和至少一个光学透射参考保持特征；并且第一和第二均匀光学透射参考特征设置在至少一个参考保持特征内。
示例6：该示例包括示例5的任何或所有特征，其中：壳具有壳厚度；并且至少一个参考保持特征完全或部分地延伸穿过壳厚度。
示例7：该示例包括示例5的任何或所有特征，其中第一均匀光学透射参考特征至少部分地由第一材料形成，并且第二均匀光学透射参考特征至少部分地由第二材料形成，第二材料不同于第一材料。
示例8：该示例包括示例7的任何或所有特征，其中：壳包括壳基底材料；并且第一材料是壳基底材料。
示例9：该示例包括示例1的任何或所有特征，其中多个hcbc图案配置为在测量的物体的表面上生成二进制条形图案的序列。
示例10：该示例包括示例9的任何或所有特征，其中每个二进制条形图案序列的光学透射与由波形周期和从公共位置参考的波形偏移指定的特征二进制方波光学透射波形相关联。
示例11：该示例包括示例10的任何或所有特征，其中多个二进制条形图案中的每一个具有方波光学透射波形，其相对于公共位置参考在位置上偏移。
示例12：该示例包括示例1的任何或所有特征，并且还包括：第一定位机构；和第二定位机构；其中：第一定位机构配置为控制光学组件的位置；第二定位机构配置为控制测量的物体的位置；并且控制器配置为控制第一定位机构和第二定位机构，以便调节测量的物体表面相对于光学组件的相对位置。
示例13：该示例包括示例12的任何或所有特征，其中控制器还被配置为调节测量的物体的表面和光学组件的相对位置，以便调节结构光投影仪和至少一个光学传感器一起在测量的物体的表面上的焦点。
示例14：该示例包括示例1的任何或所有特征，其中光源是非相干光源。
示例15：该示例包括示例2的任何或所有特征，并且还包括光源传感器，其中光源传感器被配置为检测从光源输出的光的强度，并向控制器输出光源传感器信号序列，其中控制器被配置为利用光源传感器信号序列来标准化多个测量信号。
示例16：根据该示例，提供了一种用非接触式坐标测量机测量待测量的物体表面的位置坐标的方法，包括：当代码筒围绕轴旋转时，使结构光投影仪的光源将入射光投射到代码筒上，以便与成像投影仪透镜配合，在代码筒的前场区域中产生结构光和非结构光，使得结构光和非结构光入射到测量的物体的表面上；利用至少一个光学传感器测量来自测量的物体表面的反射结构光和非结构光；至少部分地基于所测量的反射结构光产生测量信号序列；将测量信号序列传输到结构光投影仪和至少一个光学传感器的控制器，控制器包括处理器和存储器；以及处理测量信号序列以确定测量的物体表面上的位置坐标；其中代码筒包括多个混合循环二进制码(hcbc)图案，多个hcbc图案包括多个加权编号系统多周期图案和多个未加权编号系统公共周期图案。
示例17：该示例包括示例16的任何或所有特征，其中：代码筒还包括第一光学透射参考特征和第二光学透射参考特征；第一参考特征被配置为透射第一量的入射光；第二光学透射参考特征被配置为透射第二量的入射光，其中第二量的入射光是第一量的入射光的约50％。
示例18：该示例包括示例16的任何或所有特征，其中：所述代码筒包括壳，所述壳具有内表面和外表面；多个hcbc图案设置在内表面和外表面中的至少一个上或内；并且使光源将入射光投射到代码筒上包括使光源投射光，使得至少一部分入射光入射在内表面上。
示例19：该示例包括示例17的任何或所有特征，其中结构光被配置为在测量的物体的表面上生成二进制条形图案的序列。
示例20：该示例包括示例19的任何或所有特征，其中：每个未加权公共周期图案被配置为相对于公共位置参考，产生二进制条形图案的序列中多个二进制条形图案中的相应一个；并且多个二进制条形图案中的每一个是相对于彼此和公共位置参考的波形偏移。
示例21：该示例包括示例20的任何或所有特征，其中多个二进制条形图案中的每一个具有相对于公共位置参考偏移的方波波形。
示例22：该示例包括示例16的任何或所有特征，并且还包括利用控制器向非接触式坐标测量机的第一定位机构和第二定位机构中的至少一个发出位置控制信号，第一定位机构配置为控制包括至少一个光学传感器以及结构光和非结构光投影仪的光学组件的位置，第二定位机构配置为控制测量的物体表面的位置；其中位置控制信号被配置为使第一定位机构和第二定位机构中的至少一个调节测量的物体的表面相对于光学组件的相对位置。
示例23：该示例包括示例22的任何或所有特征，其中位置控制信号还被配置为调节测量的物体的表面和至少一个光学传感器的彼此相对位置以便调节至少一个光学传感器在测量的物体表面上的焦点。
示例24：该示例包括示例16的任何或所有特征，其中光源是非相干光源。
示例25：该示例包括示例16的任何或所有特征，并且还包括：检测从光源输出的光的强度；向控制器生成光源传感器信号序列；以及利用控制器，至少部分地基于光源传感器信号序列对所述多个测量信号进行标准化。
示例26：根据该示例，提供了一种用于对光进行编码的代码筒，包括：多个混合循环二进制码(hcbc)图案，hcbc图案包括多个加权编号系统多周期图案和多个未加权编号系统公共周期图案；其中代码筒配置为与光学成像投影透镜配合，在代码筒绕轴旋转时将入射在其上的非相干光转换成结构光；并且多个hcbc图案中的每一个被配置为使得结构光包括二进制条形图案的序列。
示例27：该示例包括示例26的任何或所有特征，并且还包括第一光学透射参考特征和第二光学透射参考特征，其中：第一光学透射参考特征被配置为透射第一量的入射光；第二光学透射参考特征被配置为透射第二量的入射光；第二量的光为第一量的约50％。
示例28：该示例包括示例26的任何或所有特征，并且还包括壳，壳具有内表面和外表面，其中多个hcbc图案设置在内表面和外表面中的至少一个上或内。
示例29：该示例包括示例26的任何或所有特征，其中代码筒是圆柱形的。
示例30：该示例包括示例27的任何或所有特征，其中：代码筒包括壳和一个或多个参考保持特征；并且至少第一和第二光学透射参考特征设置在所述一个或多个参考保持特征内。
示例31：该示例包括示例30的任何或所有特征，其中：壳具有壳厚度；并且参考保持特征完全或部分地延伸穿过壳厚度。
示例32：该示例包括示例30的任何或所有特征，其中第一参考特征至少部分地由第一材料形成，并且第二参考特征至少部分地由第二材料形成，第二材料与第一材料不同。
示例33：该示例包括示例32的任何或所有特征，其中：壳包括壳基底材料；并且第一材料是壳基底材料。
示例34：该示例包括示例26的任何或所有特征，其中每个未加权编号系统公共周期图案被配置为相对于公共位置参考，产生二进制条形图案的序列中多个二进制条形图案中的相应一个；并且多个二进制条形图案中的每一个是相对于彼此和公共位置参考的波形偏移。
示例35：该示例包括示例34的任何或所有特征，其中多个二进制条形图案中的每一个具有方波波形，该方波波形具有相对于彼此的波形偏移和相对于公共位置参考的波形偏移距离。
示例36：根据该示例，提供了一种用于对光进行编码的方法，包括：当代码筒绕轴旋转时使得光被透射到代码筒的表面上，使得透射过代码筒的光入射在光学成像投影透镜上，导致在代码筒和光学成像投影透镜的前场区域产生结构光；其中，代码筒包括多个混合循环二进制码(hcbc)图案，多个hcbc图案包括多个加权编号系统多周期图案和多个未加权编号系统公共周期图案，以及多个hcbc图案中的每一个被配置使得结构光包括二进制条形图案的序列。
示例37：该示例包括示例36的任何或所有特征，其中：代码筒还包括第一光学透射参考特征和第二光学透射参考特征；第一光学透射参考特征被配置为透射第一量的入射光；第二光学透射参考特征被配置为透射第二量的入射光；第二量的光约为第一量的50％。
示例38：该示例包括示例36的任何或所有特征，其中代码筒包括壳，壳具有内表面、外表面和至少一个光学透射参考保持特征。
示例39：该示例包括示例36的任何或所有特征，其中代码筒是圆柱形的。
示例40：该示例包括示例38的任何或所有特征，其中至少第一和第二参考特征设置在至少一个参考保持特征内。
示例41：该示例包括示例40的任何或所有特征，其中：壳具有壳厚度；并且至少一个参考保持特征完全或部分地延伸穿过壳厚度。
示例42：该示例包括示例37的任何或所有特征，其中第一光学透射参考特征至少部分地由第一材料形成，并且第二光学透射参考特征至少部分地由第二材料形成，第二材料与第一材料不同。
示例43：该示例包括示例32的任何或所有特征，其中：壳包括壳基底材料；并且第一材料是壳基底材料。
示例44：该示例包括示例36的任何或所有特征，其中：每个未加权公共周期图案被配置为相对于公共位置参考，产生二进制条形图案的序列中多个二进制条形图案中的相应一个；并且多个二进制条形图案中的每一个是相对于彼此和公共位置参考的波形位置偏移。
示例45：该示例包括示例44的任何或所有特征，其中多个未加权二进制条形图案中的每一个具有方波波形，该方波波形具有相对于公共位置参考的位置偏移幅度。
示例46：根据该示例，提供了一种非接触式坐标测量机，包括：光学组件，该光学组件包括结构光和非结构光投影仪、至少一个光学传感器；和控制器；其中：结构光和非结构光投影仪包括：光源；光学成像投影仪透镜；代码筒，所述代码筒包括多个结构光混合循环二进制码(hcbc)图案和多个非结构光均匀光学透射参考图案，所述多个结构光hcbc图案包括多个加权编号系统多周期图案、多个未加权编号系统公共周期图案、以及多个非结构光光学透射参考特征，每个都展现透光率的均匀的唯一值；当代码筒绕轴旋转时，控制器使光源将入射光投射到代码筒上；代码筒被配置为与透镜配合，以从其上的入射光产生结构光和非结构参考光，结构光和非结构参考光按顺序投射并入射在测量的物体表面上；以及所述至少一个光学传感器用于测量来自测量的物体表面的反射结构光和非结构参考光，并产生多个测量信号，所述多个测量信号与测量的物体表面上的至少一个点的位置坐标有关。
示例47：该示例包括示例46的任何或所有特征，其中：代码筒包括至少第一光学透射参考特征、第二光学透射参考特征、第三光学透射参考特征、以及第四光学透射参考特征；第一光学透射参考特征被配置为透射第一量的入射光；第二光学透射参考特征被配置为透射第二量的入射光，第三光学透射参考特征被配置为透射第三量的入射光，以及第四光学透射参考特征被配置为透射第四量的入射光；其中第一量是由hcbc图案和公共基底透射的最大光量的约95％和约100％之间，第二量是由hcbc图案和公共基底透射的最大量的约50％，第三量是由hcbc图案和公共基底透射的最大量的约50％和约95％之间，以及第四量是由hcbc图案和公共基底透射的最大量的约20％和约50％之间。
示例48：该示例包括示例46的任何或所有特征，其中：代码筒包括壳，壳具有内表面和外表面；以及多个hcbc图案和光学透射参考图案设置在内表面和外表面中的至少一个上或内。
示例49：该示例包括示例46的任何或所有特征，其中代码筒是圆柱形的。
示例50：该示例包括示例47的任何或所有特征，其中：代码筒包括壳，壳包括内表面、外表面和一个或多个光学透射参考保持特征；并且至少第一光学透射参考特征、第二光学透射参考特征和第三光学透射参考特征设置在一个或多个光学透射参考保持特征内。
示例51：该示例包括示例50的任何或所有特征，其中：壳具有壳厚度；并且所述一个或多个光学透射参考保持特征中的每一个完全或部分地延伸穿过壳厚度。
示例52：该示例包括示例50的任何或所有特征，其中一些光学透射参考特征至少部分地由多个hcbc图案共用的第一材料基底形成，并且一些参考特征至少部分地由共同的第一材料和至少一种第二材料的组合形成，所述至少一种第二材料不同于第一材料。
示例53：该示例包括示例52的任何或所有特征，其中：壳包括壳基底材料；并且第一材料是壳基底材料。
示例54：该示例包括示例46的任何或所有特征，其中多个hcbc图案被配置为使得结构光包括二进制条形图案的序列。
示例55：该示例包括示例54的任何或所有特征，其中每个二进制条形图案序列的光学透射与由波形周期和从公共位置参考的波形偏移指定的特征二进制方波光学透射波形相关联。
示例56：该示例包括示例54的任何或所有特征，其中多个二进制条形图案中的每一个具有周期性光学透射波形，该波形是等宽度高透射和低透射区域的二进制方波，每个区域对应于重复周期的一半。
示例57：该示例包括示例46的任何或所有特征，还包括光源传感器，光源传感器被配置为检测从光源输出的光的强度的时间变化，并向控制器输出与代码筒的角度旋转位置相关的光源传感器信号序列，其中控制器被配置为利用光源传感器信号序列来标准化多个测量信号。
示例58：根据该示例，提供了一种用于利用非接触式坐标测量机测量待测量的物体表面的位置坐标的方法，包括：当代码筒绕轴旋转时，使结构光投影仪的光源将入射光投射到代码筒上，以便与光学成像投影透镜配合，在代码筒的前场区域中产生结构光和非结构光，使得结构光和非结构光入射到测量的物体的表面上；利用至少一个光学传感器测量来自测量的物体表面的反射结构光和非结构光；至少部分地基于所测量的反射结构光产生测量信号序列；将测量信号序列传输到结构光投影仪和至少一个光学传感器的控制器，控制器包括处理器和存储器；并且处理所记录的多个测量信号，以确定测量的物体表面上的位置坐标；其中代码筒包括多个混合循环二进制码(hcbc)图案，多个hcbc图案包括多个加权编号系统多周期图案和多个未加权编号系统公共周期图案。
示例59：该示例包括示例58的任何或所有特征，其中：代码筒还包括第一光学透射参考特征、第二光学透射参考特征和第三光学透射参考特征；第一光学透射参考特征被配置为透射第一量的入射光；第二光学透射参考特征被配置为透射第二量的入射光；以及第三光学透射参考特征被配置为透射第三量的入射光；其中第二量的透射光是第一量的入射光的约50％，以及第三量的透射光是第一量的入射光的约70％。
示例60：该示例包括示例58的任何或所有特征，其中：所述代码筒包括壳，所述壳具有内表面和外表面；多个hcbc图案设置在内表面和外表面中的至少一个上或内；并且使光源将入射光投射到代码筒上包括使光源投射光，使得至少一部分入射光入射在内表面上。
示例61：该示例包括示例60的任何或所有特征，其中结构光被配置为在测量的物体的表面上生成二进制条形图案的序列。
示例62该示例包括示例61的任何或所有特征，其中：每个未加权编号系统公共周期图案被配置为相对于公共位置参考，产生二进制条形图案的序列中的多个二进制条形图案中的相应一个；以及多个二进制条形图案中的每一个是相对于彼此和公共位置参考的波形偏移。
示例63：该示例包括示例58的任何或所有特征，并且还包括：利用控制器向非接触式坐标测量机的第一定位机构和第二定位机构中的至少一个发出位置控制信号，第一定位机构被配置为控制包括至少一个光学传感器以及结构光和非结构光投影仪的光学组件的位置，第二定位机构被配置为控制测量的物体表面的位置；其中，所述位置控制信号被配置为使得所述第一定位机构和所述第二定位机构中的至少一个调节所述测量的物体的表面与所述至少一个光学传感器以及所述结构光和非结构光投影仪的相对位置。
示例64：该示例包括示例58的任何或所有特征，并且还包括：检测从光源输出的光的强度；生成光源传感器信号序列；以及利用控制器至少部分地基于光源传感器信号序列对多个测量信号进行标准化。
示例65：根据该示例，提供了一种用于对光进行编码的代码筒，包括：多个混合循环二进制码(hcbc)图案，hcbc图案包括多个加权编号系统多周期图案和多个未加权编号系统公共周期图案；其中，代码筒被配置为在代码筒绕轴旋转时，与光学成像投影透镜配合，将入射在其上的非相干光转换成结构光；并且多个hcbc图案中的每一个被配置为使得结构光被配置为在测量的物体的表面上产生二进制条形图案的序列。
示例66：该示例包括示例65的任何或所有特征，其中，代码筒还包括第一光学透射参考特征和第二光学透射参考特征，其中：第一光学透射参考特征被配置为透射第一量的所述入射光；第二光学透射参考特征被配置为透射第二量的所述入射光；并且所述第二量的光为所述第一量的约50％。
示例67：该示例包括示例65的任何或所有特征，还包括第一光学透射参考特征和第二光学透射参考特征，其中：第一光学透射参考特征被配置为透射第一量的入射光；第二光学透射参考特征被配置为透射第二量的入射光；并且第一量的光约为第二量的200％。
示例68：该示例包括示例66的任何或所有特征，并且还包括壳，壳具有内表面和外表面，其中多个hcbc图案设置在内表面和外表面的至少一个上或内。
示例69：该示例包括示例66的任何或所有特征，其中代码筒是圆柱形的。
示例70：该示例包括示例66的任何或所有特征，其中：代码筒包括壳，壳包括内表面、外表面和一个或多个参考保持特征；并且第一和第二光学透射参考特征设置在一个或多个参考保持特征内。
示例71：该示例包括示例70的任何或所有特征，其中：壳具有壳厚度；并且一个或多个参考保持特征完全或部分地延伸穿过壳厚度。
示例72：该示例包括示例67的任何或所有特征，其中第一光学透射参考特征至少部分地由第一材料形成，并且第二光学透射参考特征至少部分地由第二材料形成，第二材料与第一材料不同。
示例73：该示例包括示例72的任何或所有特征，其中：壳包括壳基底材料；第一材料是壳基底材料。
示例74：该示例包括示例65的任何或所有特征，其中，每个未加权的公共周期图案被配置为相对于公共位置参考，产生二进制条形图案的序列中多个二进制条形图案中的相应一个；多个二进制条形图案中的每一个是相对于彼此和公共位置参考的波形偏移。
示例75：根据该示例，提供了一种用于对光进行编码的方法，包括：当代码筒绕轴旋转时，将入射光投射到代码筒上，使得透过代码筒的光入射到光学成像投影透镜上，导致在代码筒和光学成像投影透镜的前场区域中产生结构光；其中代码筒包括多个混合循环二进制码(hcbc)图案，多个hcbc图案包括多个加权编号系统多周期图案和多个未加权编号系统公共周期图案，以及多个hcbc图案中的每一个配置为使得结构光包括测量的物体表面上的二进制条形图案的序列。
示例76：该示例包括示例75的任何或所有特征，其中，代码筒还包括第一光学透射参考特征和第二光学透射参考特征，其中：第一光学透射参考特征被配置为透射第一量的所述入射光；第二光学透射参考特征被配置为透射第二量的所述入射光；并且所述第二量的光为所述第一量的约50％。
示例77：该示例包括示例75的任何或所有特征，其中所述代码筒包括壳，所述壳具有内表面和外表面，其中所述多个hcbc图案设置在内表面和外表面中的至少一个上或内。
示例78：该示例包括示例75的任何或所有特征，其中代码筒是圆柱形的。
示例79：该示例包括示例76的任何或所有特征，其中：所述代码筒包括壳，所述壳包括内表面、外表面和一个或多个参考保持特征；第一和第二光学透射参考特征设置在一个或多个参考保持特征内。
示例80：该示例包括示例75的任何或所有特征，其中：壳具有壳厚度；并且一个或多个光学透射参考保持特征完全或部分地延伸穿过壳厚度。
示例81：该示例包括示例76的任何或所有特征，其中第一光学透射参考特征至少部分地由第一材料形成，并且第二光学透射参考特征至少部分地由第二材料形成，第二材料与第一材料不同。
除了在示例中或另有说明之外，在说明书和权利要求中使用的表示范围的端点等的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰，其中约意味着指示值的+/-5％。因此，除非有相反的指示，否则说明书和所附权利要求书中列出的数值参数是近似值，其可以根据本公开内容寻求获得的期望性质而变化。至少，并不是试图将等同原则的应用限制在权利要求的范围内，每个数值参数应该根据有效数字的数量和普通的舍入方法来解释。
尽管阐述本公开的宽范围的数值范围和参数是近似值，但除非另有说明，否则在具体示例中列出的数值被尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含必然由其各自的测试测量中发现的标准偏差引起的某些误差。
考虑到本文公开的本发明的说明书和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。说明书和示例仅被认为是示例性的，本发明的真实范围和精神由所附权利要求指示。
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