專利名稱：多范圍非接觸探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精確測(cè)量?jī)x，尤其涉及在坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中使用的多范圍非接觸探針(multi-range non-contact probe )。
背景技術(shù)：
在一種坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中，使用探針掃描工件表面。掃描后提供工件的三維 輪廓。在一種掃描探針(probe)中，通過使探頭(probe head)的機(jī)械觸頭接 觸工件表面的各個(gè)點(diǎn)來直接測(cè)量工件。在一些情況下，機(jī)械觸頭是球狀物。在另一種坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中，使用不與表面發(fā)生物理接觸來測(cè)量工件的"非 接觸，，光學(xué)探針。某一光學(xué)探針利用光點(diǎn)(例如三角探針)，另一種所謂的 視頻內(nèi)窺鏡包括攝影機(jī)，其檢測(cè)大部分工件表面。在一些系統(tǒng)中，工件幾何 形狀的坐標(biāo)通過圖像處理軟件確定。這種探針通常被設(shè)計(jì)用來獲得工件表面的精確測(cè)量(例如，在某一實(shí)例 中，探針甚至可用于提供微米級(jí)的精確測(cè)量)。在這樣一些探針中，光學(xué)測(cè) 量系統(tǒng)的焦深或景深(DOF)相對(duì)有限。換句話說，探針被設(shè)計(jì)成在定位在 相對(duì)于工件表面的相對(duì)小范圍內(nèi)時(shí)能更好的工作，但是一旦其位于該范圍外 (既不太近也不太遠(yuǎn))，光學(xué)就會(huì)位于焦點(diǎn)外，很難辨別表面相對(duì)于探針的 位置。在一些實(shí)例中，探針在靠近工件移動(dòng)時(shí)可能會(huì)意外的"撞擊"工件表 面，而沒有關(guān)于探針靠近表面的警報(bào)。非接觸探針的另 一個(gè)難點(diǎn)在于測(cè)量探針需要頻繁交替連接各種"探頭" 在坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上。目前，RenishawTM探頭常用于工業(yè)中某些應(yīng)用中。這些探 頭由位于聯(lián)合王國格洛斯特郡(Gloucestershire )的Renishaw Metrology有限 公司制造。而Renishaw型探頭系統(tǒng)是工業(yè)中最常使用的，某些儀器可視型 技術(shù)不能輕易地包含在Renishaw型系統(tǒng)中。關(guān)于使用Renishaw型探頭系統(tǒng) 的一個(gè)具體問題是現(xiàn)有的機(jī)器和探針之間的連接為有限數(shù)量的有線連接，其 實(shí)質(zhì)是增加附加技術(shù)和/或特征到兼容探針中的"瓶頸"，這是因?yàn)槿鄙賯鬏斔钄?shù)量的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)的物理連線。
本發(fā)明的目的是提供一種裝置，其可以克服上述和其它缺點(diǎn)。 發(fā)明內(nèi)容更具體地，提供一種多范圍非接觸探針，除了具有更精確的結(jié)構(gòu)光測(cè)量 功能之外，其使坐標(biāo)測(cè)量以執(zhí)行特定"測(cè)距，，功能。此外，該多范圍非接觸 探針特別簡(jiǎn)單且設(shè)計(jì)緊湊，并且與非接觸探針控制界面兼容，從而與現(xiàn)有探頭系統(tǒng)(例如Renishaw型系統(tǒng))、或提供有限數(shù)量線連接的探頭系統(tǒng)一起使 用具有更多有利的測(cè)量性能和功能。因此該多范圍非接觸探針可以自動(dòng)與現(xiàn) 有探頭系統(tǒng)使用的其它類型的測(cè)量探針互換。根據(jù)本發(fā)明的一方面，為了執(zhí)行特定"測(cè)距"功能，沿第一光學(xué)路徑 (path )定向以提供結(jié)構(gòu)光測(cè)量功能的激光束還在可選擇的時(shí)間周期內(nèi)沿第 二光學(xué)路徑定向，以提供用于確定工件表面距離三角形參考。具有光學(xué)特性 不同的至少兩個(gè)部分的單個(gè)光束修正元件可用于沿第一和第二光學(xué)^4圣定 向激光束。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在一實(shí)施例中，光束是在第一時(shí)間周期內(nèi)沿第 一路徑定向以提供結(jié)構(gòu)光功能的激光束。更具體地，在一實(shí)施例中，在第一 時(shí)間周期內(nèi)，激光束穿過旋轉(zhuǎn)光束修正元件(rotating beam modification element)的散射部分(diffliser portion)以形成沿第 一光束路徑的相對(duì)散射 照明(relatively difftise illumination )。然后該相對(duì)散射照明被空間光調(diào)制器 圖案化(pattemed)，然后在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)投影結(jié)構(gòu)光圖案(structured light image range )。 然后，在第二時(shí)間周期，旋轉(zhuǎn)光束修正元件轉(zhuǎn)動(dòng)以使偏轉(zhuǎn)部 分進(jìn)入激光束路徑，從而使偏轉(zhuǎn)的激光束成為沿測(cè)距成像范圍(range finding image range)的第二光束路徑的相對(duì)集中照明。在這種結(jié)構(gòu)中，在第一時(shí)間 周期內(nèi)，相機(jī)操作以將結(jié)構(gòu)光圖案成像在工件表面上，以提供相對(duì)于探針的 第一距離范圍內(nèi)的表面測(cè)量數(shù)據(jù)。因此在第二時(shí)間周期內(nèi)，相機(jī)操作以將相 對(duì)集中照明成像在工件表面上，以提供第二距離范圍內(nèi)的表面測(cè)量數(shù)據(jù)，因 此提供"測(cè)距"功能，其用于確定在延伸超出結(jié)構(gòu)光成像范圍的范圍內(nèi)的工 件表面距離。


參考下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明可以更好地理解本發(fā)明的前述方面和許
多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，其中圖l是具有坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、探針、控制器和用戶接口的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的方框圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多范圍結(jié)構(gòu)光探針內(nèi)部部件的視圖；圖3是表示圖2所示結(jié)構(gòu)光探針測(cè)量探針的布置視圖；圖4是圖2和3所示測(cè)量探針的旋轉(zhuǎn)光束修正元件的視圖；以及圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的多范圍結(jié)構(gòu)光探針的操作流程的流程圖。
具體實(shí)施方式
圖1是坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)100的視圖。該坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)100包括坐標(biāo)測(cè)量 儀控制器120;計(jì)算機(jī)和用戶接口 160;探針控制器170和坐標(biāo)測(cè)量?jī)x200。 控制器120包括探頭控制器130;位置鎖存器(position latch)140和動(dòng)作控 制器150。該坐標(biāo)測(cè)量?jī)x200包括非接觸結(jié)構(gòu)光探針110。坐標(biāo)測(cè)量?jī)x200通過數(shù)據(jù)傳輸線115 (例如總線)與所有其它部件連通， 數(shù)據(jù)傳輸線通過連接器175 (例如"micro-D"型連接器)連接到探頭電纜 215,該探頭電纜為非接觸結(jié)構(gòu)光探針110提供信號(hào)以及從那里接收信號(hào)。 坐標(biāo)測(cè)量?jī)x200由坐標(biāo)測(cè)量?jī)x控制器120控制，而非接觸結(jié)構(gòu)光4冢針I(yè)IO被 探針控制器170控制。使用者可通過計(jì)算機(jī)和用戶接口 160控制所有部件。圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多范圍結(jié)構(gòu)光探針110'內(nèi)部部件的 視圖，該多范圍結(jié)構(gòu)光探針110'是圖1所示探針110的一個(gè)實(shí)施例。探針110' 包括探針殼體205;激光器230;鏡子(mirror) 232和232';光束修正元 件電機(jī)235;根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)光束修正元件240;空間光調(diào)制 器250;投影光學(xué)系統(tǒng)255;濾鏡265、相機(jī)270;照明光學(xué)系統(tǒng)273;以及 探針控制界面電子件290。探頭220通過探頭電纜215接收和發(fā)送探針信號(hào)。 探頭220固定在坐標(biāo)測(cè)量?jī)x套筒217上。探頭220通過探針自連接器(probe autojoint connection)280連接在探針110'上。在一些實(shí)施例中，探頭220在 水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)360度并且包含U型連接件。該探針自連接器280是電機(jī)械連 接器，其以可以與一個(gè)探針脫離和與另一個(gè)連接的方式將探頭220與結(jié)構(gòu)光 探針110'剛性地和機(jī)械地固定。該結(jié)構(gòu)光探針110'通過自連接器280接收其控制信號(hào)。通過自連接器
280傳到結(jié)構(gòu)光探針110'的該信號(hào)通過連接線285傳到探針控制界面電子件 290。該探針控制界面電子件290包括解碼器部分225，其利用已知電路和/ 或軟件技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理操作，這在下面將要詳細(xì)說明。探針控制界面電子 件290通過各種信號(hào)線、包括激光器電源和控制線233、光束修正元件電機(jī) 電源和控制線237、光電探測(cè)器電源和信號(hào)線238、空間光調(diào)制器電源和控 制線239、相機(jī)觸發(fā)和控制線275a、相機(jī)電源線275b以及模擬^L頻輸出線 275c發(fā)送和接收信號(hào)。激光器電源和控制線233在一些實(shí)施例中可為小總線 (minibus),其為激光器230的控制和電源線。激光器230在一實(shí)施例中為固 態(tài)激光器。在一實(shí)施例中，激光器230可提供大約IOO毫瓦的光輸出。如在下面結(jié)合圖4的詳細(xì)說明中，在一實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)光束修正元件 240包括散射部分和相對(duì)小的偏轉(zhuǎn)部分。在操作中，電才幾電源和控制線237 控制光束修正元件電才幾235以旋轉(zhuǎn)光束修正元件240。在光束修正元件240 的大部分旋轉(zhuǎn)期間，來自激光器的光束穿過散射部分并作為散射激光束231 沿著第一光束路徑從光束修正元件240輸出，該散射激光束提供相對(duì)散射照 明，用于在相對(duì)窄的測(cè)量范圍沿著相對(duì)于探針的"Z-probe"測(cè)量方向的結(jié)構(gòu) 光測(cè)量操作。然而，當(dāng)偏轉(zhuǎn)部分位于激光器230前方時(shí)，穿過偏轉(zhuǎn)部分的激 光束作為集中激光束23l'沿第二光束路徑從光束修正元件240輸出，該集中 激光束提供相對(duì)集中照明，用于在相對(duì)大的范圍內(nèi)沿著Z-probe方向測(cè)量 ("測(cè)距，，)和/或碰撞檢測(cè)。每個(gè)激光束231和231'的路徑和測(cè)距操作將在下 文"^細(xì)i兌明。關(guān)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)光測(cè)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從散射部分朝反射鏡232輸出。該激光束在 進(jìn)入旋轉(zhuǎn)光束修正元件240之前被校準(zhǔn)。光束修正元件240的散射部分用于 消除相機(jī)270在工件測(cè)量操作時(shí)捕捉的結(jié)構(gòu)光工件圖像上的斑點(diǎn)。在一實(shí)施 例中，散射部分提供可選擇數(shù)值的有效數(shù)值孔徑(NA)(例如NA = 0.5)。 旋轉(zhuǎn)光束修正元件240的散射部分輸出作為散射光的激光束231,其根據(jù)所 提供的NA發(fā)散，并且通過鏡232反射進(jìn)入照明光學(xué)系統(tǒng)273。該照明光學(xué) 系統(tǒng)273可校準(zhǔn)該散射光并將使其穿過空間光調(diào)制器250傳輸。來自空間光 調(diào)制器250的光通常包括通過投影光學(xué)系統(tǒng)255投影(即成像)在工件表面 上的結(jié)構(gòu)光圖案，其中該工件表面近似為標(biāo)稱投影圖案平面(nominal projection pattern plane ) 262。在一實(shí)施例中，照明光學(xué)系統(tǒng)273被設(shè)計(jì)用于
提供柯而勒照明(Koehler illumination),其在穿過空間光調(diào)制器250時(shí)不會(huì)被 完全校準(zhǔn)，而是適于工件的結(jié)構(gòu)光照明的充分校準(zhǔn)。在一實(shí)施例中，投影光 學(xué)系統(tǒng)255的第一透鏡可使來自空間光調(diào)制器250的結(jié)構(gòu)光照明位于孔徑 260的焦點(diǎn)上，從而用來控制標(biāo)稱投影圖案平面262上的結(jié)構(gòu)光圖案的焦深。 在一實(shí)施例中，空間光調(diào)制器250為商業(yè)上使用的空間光調(diào)制器，例如索尼 的LCX017AL,這可以通過位于美國紐約的索尼公司獲得。界面電子件290可接收包括模擬視頻控制信號(hào)和其它信號(hào)(下文將要詳 細(xì)說明)的輸入信號(hào)。探針控制界面電子件290可包括商業(yè)上使用的兼容芯 片組(例如可以從索尼電子公司獲得)，其用于將模擬視頻控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為 數(shù)字控制信號(hào)，從而使空間光調(diào)制器250顯示適當(dāng)?shù)南笏貓D案。因此，空間 光調(diào)制器250通過投影光學(xué)系統(tǒng)255投影圖案?？讖?60是孔徑光闌，其尺 寸大小可以提供合適的圖像空間分辨率，使圖像象差最小化，并且使光學(xué)系 統(tǒng)255具有合適的能量吞吐量。還可以控制標(biāo)稱投影圖案平面262上的結(jié)構(gòu) 光圖案的投影圖像的焦深，其中該標(biāo)稱投影圖案平面還是濾鏡265的標(biāo)稱 (nominal)聚焦平面。該焦深大約與圖3所示的結(jié)構(gòu)光測(cè)量范圍Rl相同。 在一實(shí)施例中，投影結(jié)構(gòu)光圖像和濾鏡265的焦深都大約為正或負(fù)6毫米。當(dāng)工件表面上的結(jié)構(gòu)光圖像映射在相機(jī)270的成像表面上時(shí)，濾鏡265 相對(duì)于結(jié)構(gòu)光圖案的標(biāo)稱投影軸的角度為三角形角，其提供Z-hdght信息。 相機(jī)270的圖像可利用已知的三角形法進(jìn)行分析。在一實(shí)施例中，相機(jī)270 具有控制電子件，其既不是電子件290也不是相機(jī)270本身(其可為具有控 制電路和/或軟件的集成相機(jī)系統(tǒng))。相機(jī)270通常包括特定計(jì)時(shí)功能等，其 控制合成時(shí)間、操作頻率等。相機(jī)觸發(fā)和控制線275a(在一些實(shí)施例中可為 多線路)觸發(fā)相機(jī)270執(zhí)行可選擇的功能，并且還發(fā)送更多的控制合成時(shí)間 等的控制信號(hào)。電源線275b為相機(jī)270提供電能。如圖所示，模擬視頻輸 出線275c包括虛線部分，其表示從相機(jī)270輸出的圖像數(shù)據(jù)可以通過旁路 穿過電子件290的其它部分，直接輸送到外部處理裝置(例如包含在非接觸 探針控制器170中的幀接收器)，在這種情況下相機(jī)270的輸出不需要被探 針控制界面電子件290操作。簡(jiǎn)要說明結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理，該結(jié)構(gòu)光探針110'利用激光器230和空間光 調(diào)制器250投影覆蓋工件表面上斑點(diǎn)的結(jié)構(gòu)光圖案(例如條紋)。從相機(jī)270 看，投影在工件表面上的每個(gè)條紋都具有偏移部分，其由工件照明特征表面
的Z-height表示。偏移部分的Z-height可根據(jù)三角形公式計(jì)算，由相機(jī)270 與標(biāo)稱投影圖案平面262的成角方向和距離部分確定。因此每個(gè)輪廓條紋的 信息被重新組合以形成工件測(cè)量表面的三維表面圖。用于前述探針控制和測(cè) 量操作以及本發(fā)明其它操作的各個(gè)部件、控制信號(hào)技術(shù)、以及信號(hào)處理技術(shù) 在代理人案號(hào)為MEIP-1-27657的名稱為"Non-contact Probe Control Interface (非接觸探針控制界面)"的美國專利申請(qǐng)中詳細(xì)說明了，在這里引用其全 部?jī)?nèi)容作為參考。關(guān)于測(cè)距操作，光束修正元件240的偏轉(zhuǎn)部分位于激光器230的前方， 集中激光束231'從偏轉(zhuǎn)部分朝偏轉(zhuǎn)鏡232'輸出。該激光束在進(jìn)入偏轉(zhuǎn)部分之 前可被校準(zhǔn)，因此在各個(gè)實(shí)施例中除了偏轉(zhuǎn)路徑都沒有變化。集中激光束 231'被鏡子232'向下反射到相機(jī)270的視覺區(qū)域,在此處其可在工件表面上 形成少量的集中照明，其由相機(jī)270成像以提供測(cè)距圖像。測(cè)距圖像可獲得 并如前述結(jié)構(gòu)光測(cè)量圖像一樣輸出?？梢钥闯鲇捎诩泄馐?31 '提供集中點(diǎn) 圖像，測(cè)距圖像可從遠(yuǎn)離濾鏡265焦深的表面上獲得。在這種情況下，測(cè)距 圖像中的點(diǎn)可位于焦點(diǎn)外，但是仍分析其在圖像中的標(biāo)稱"中心位置"(例 如通過利用已知圖像處理方法找到點(diǎn)質(zhì)心)，以提供相對(duì)精確的范圍測(cè)量。 關(guān)于測(cè)距和相關(guān)操作的附加相關(guān)內(nèi)容在下面詳細(xì)說明。結(jié)構(gòu)光圖像的獲取應(yīng)該與光束修正元件240的散射部分提供的相對(duì)散 射的激光束231的產(chǎn)生同步，測(cè)距圖像的獲取應(yīng)該光束修正元件240的偏轉(zhuǎn) 部分提供的相對(duì)集中激光束231'的產(chǎn)生同步。圖2和3所示的探針實(shí)施例包 括光電探測(cè)器236，其可通過光電探測(cè)器電源和信號(hào)線238輸出同步信號(hào)到 電子件290。如圖2和3所示，該光電探測(cè)器可定位在接收一部分不需要提 供結(jié)構(gòu)光圖案的散射激光束231的位置，并且在散射激光束231產(chǎn)生時(shí)輸出 高值信號(hào)。當(dāng)集中激光束231'產(chǎn)生時(shí)，光電探測(cè)器236會(huì)輸出低值信號(hào)。電 子件290利用從光電探測(cè)器236輸出的信號(hào)的轉(zhuǎn)換來提供參考時(shí)間和/或觸發(fā) 信號(hào)，以同步各個(gè)成像搡作。在各個(gè)實(shí)施例中，其還可以作為控制光束修正 元件電才幾235速度的反饋信號(hào)。圖3所示，相機(jī)270的近似中心可定位在距濾鏡265標(biāo)稱平面的距離b處， 該相機(jī)可相對(duì)于垂直于濾鏡265光軸的平面旋轉(zhuǎn)角度P 。在各個(gè)實(shí)施例中， 角度P是可被選擇的以提供標(biāo)稱投影平面262的Scheimpf lug結(jié)構(gòu)，其還可
以是所獲得的結(jié)構(gòu)光圖像的標(biāo)稱物體平面。從相機(jī)中心到其影像陣列邊緣的尺寸大約為X1。因此，光軸和圖像中最外光束271 (靠近圖3底部示出)之 間的角度s近似為"arc一^2！^) (方程式l)圖示的濾鏡265光軸相對(duì)于散射激光束231的光軸成角度a 1,其在這 種情況下與結(jié)構(gòu)光圖案的標(biāo)稱投影軸和Z-probe方向的角度相同。濾鏡265 的光軸與平面262相交的中心點(diǎn)263為主參考點(diǎn)，其沿著光軸與濾鏡265的 標(biāo)稱平面相距給定距離。因此，可以相對(duì)應(yīng)探針110'的元件確定最外層光束 271與平面262相交的點(diǎn)264。所有前述幾何因素主要與探針的結(jié)構(gòu)光成像功能有關(guān)，以支持其主要的 以及最精確的測(cè)量模式。在下面關(guān)于探針110'設(shè)計(jì)方法的實(shí)施例的說明中， 它們都被認(rèn)為是不變的以提供所需的測(cè)距范圍"R2far"。關(guān)于探針110'設(shè)計(jì)的相對(duì)靈活的一方面是偏轉(zhuǎn)鏡232'的位置和角度。如 圖3所示，相對(duì)集中激光束231'在鏡子232'上的偏轉(zhuǎn)點(diǎn)與已知點(diǎn)264 (最外 層成像光束271與標(biāo)稱平面262相交處)在垂直于結(jié)構(gòu)光投影方向(Z-probe 方向)偏離AW，在平行于Z-probe方向偏離Ah。所示的角度oc2為相對(duì)集 中激光束231'的投影方向與Z-probe方向之間的夾角。從圖3中可以看出， 為了提供測(cè)距范圍R2far,在范圍R2far下限R2LL的表面上成像的點(diǎn)必須沿 垂直于Z-probe方向的方向定位在或位于已知點(diǎn)264的左邊距離w處。表示為 'w=(R2far) tancj) (方考呈式2 )w+Aw=(R2far+Ah)*tan(cc2) (方#呈式3 )其中角度小=(ccl-￡ )。從方程式2和3可以看出，為了使測(cè)距點(diǎn)在所需測(cè)距范圍R2far的表面 R2LL上成像，鏡子232'的位置和定位方式應(yīng)使Aw、厶h和a2滿足下列條件 [(R2far+Ah) *tan (a 2) ]— Aw》(R2far) tancj) (方程式4 )在一實(shí)施例中，理想的結(jié)構(gòu)光成像的設(shè)計(jì)值ocl = 35。 、 0=19° 、 XI =5,、 b = 60mm,因此s =4.5° 、 c)) = 30. 5。。超出標(biāo)稱平面262的理想 測(cè)距范圍可選擇為R2far-100mm。探針110〃的高度和寬度的尺寸在100mm
的量級(jí)。因此，對(duì)于按圖3所示的探針部件的布置來說，在一實(shí)施例中，可將鏡子232'定位成Aw^ 10mm、 Ah-110mm。因此，從方程式4以及前述值 可以得出，如果鏡子232'的角度012 = 18. 2° ，則可提供R2far-lOOmm的測(cè) 距范圍?？梢钥闯銮笆鲈O(shè)計(jì)值只是舉例說明，沒有限制作用?？梢圆捎闷渌Y(jié)構(gòu)。 還可以看出為了清楚簡(jiǎn)明，前述分析進(jìn)行了各種簡(jiǎn)化。例如，測(cè)距點(diǎn)在表面 R2LL上的圖像是模糊的，并且部分模糊點(diǎn)(blurred spot)延伸到相機(jī)270 成像區(qū)域之外。因此可以通過圖像處理技術(shù)精確地定位點(diǎn)中心。因此，探針 110'的實(shí)際測(cè)距范圍小于上面所述的。對(duì)于本發(fā)明的特定纟笨針設(shè)計(jì)的實(shí)際測(cè) 距范圍可通過更全面的分析和/或?qū)嶒?yàn)確定。關(guān)于圖3所示的測(cè)距范圍R2near，從圖3中可以看出，探針110'整個(gè)測(cè) 距范圍實(shí)際上是R2-R2far + R2near,其中R2near等于相對(duì)集中激光束231' 的^^徑與另一個(gè)"最外"成像光束272在點(diǎn)266處相交。通常，R2near不是 主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，在該位置探針110'比結(jié)構(gòu)光成像范圍Rl更靠近工件，從 而存在碰撞危險(xiǎn)，因此在許多應(yīng)用中都是不采用的。因此，在這里不再詳細(xì) 說明測(cè)距范圍R2near。然而，可以看出范圍R2near在各種應(yīng)用中是可利用 的測(cè)距范圍，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)光測(cè)量范圍Rl與探針110'距離相對(duì)遠(yuǎn)時(shí)。在這 種情況下，如果需要可參考上述范圍R2far根據(jù)幾何原理確定范圍R2near。如上面所述，集中激光束231'可在平面上提供集中光照點(diǎn)，例如在各個(gè) 實(shí)施例中提供直徑為750微米量級(jí)的點(diǎn)。測(cè)距圖像包括遠(yuǎn)離濾鏡265焦深(例 如位于范圍R1之外)的表面上的點(diǎn)模糊圖像。測(cè)距圖像中模糊點(diǎn)的質(zhì)心仍 可確定為幾象素、或很少象素、或更少，以在較大的范圍內(nèi)提供可用的范圍 測(cè)量。在各種應(yīng)用中，這種范圍測(cè)量可用于近似立體測(cè)量、或作為用于引導(dǎo) 探針100'到位于標(biāo)稱結(jié)構(gòu)光測(cè)量范圍Rl內(nèi)工件表面位置的反饋信號(hào)、或作 為可進(jìn)行高速分析以預(yù)知和防止探針碰撞不希望的工件特征或其它障礙的 測(cè)量?？梢钥闯鰷y(cè)距點(diǎn)圖像在相機(jī)的位置相對(duì)于對(duì)應(yīng)表面沿著Z-probe方向 的坐標(biāo)位置通常不是線性的。然而，測(cè)距點(diǎn)圖像位置和沿著Z-probe方向的 表面坐標(biāo)之間的關(guān)系可通過全面分析和/或?qū)嶒?yàn)確定，并以對(duì)照表或以校準(zhǔn)曲 線形式、或類似形式存儲(chǔ)。圖4表示旋轉(zhuǎn)光束修正元件240的一個(gè)實(shí)施例，該元件包括第一偏轉(zhuǎn)部 分240A和可選4,的第二偏轉(zhuǎn)部分240B，如圖2和3所示其用于偏轉(zhuǎn)的相對(duì)
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 圖2和3所示其用于分散的相對(duì)散射激光束231。在一實(shí)施例中，理想的旋 轉(zhuǎn)光束修正元件的偏轉(zhuǎn)部分240A和240B重量輕或者動(dòng)態(tài)平衡，這樣元件 240適于高速旋轉(zhuǎn)。如上面所述，散射部分240D的作用是局部散射用于消除相機(jī)270捕捉 的結(jié)構(gòu)光工件圖像斑點(diǎn)的激光照明。另外，在一實(shí)施例中，散射部分240D 可提供可選擇值(例如NA-0.5)的數(shù)值孔徑(NA),以分散照明，使其隨 后照明空間光調(diào)制器250的大部分或全部區(qū)域。制造和使用這種旋轉(zhuǎn)散射的 各種技術(shù)在美國專利公開No.2005/0207160Al以及美國專利No.6,081,381和 6,643,024中公開，每個(gè)文獻(xiàn)都包含在這里作為參考。偏轉(zhuǎn)部分240A和240B 可制成旋轉(zhuǎn)光束修正元件240的一部分(例如通過已知衍射光學(xué)元件制造技 術(shù)或微模塑法(micro-molding)或類似方式)，或通過粘接或其它制造方法附加 在其上(例如微棱鏡或類似物)。商業(yè)上光學(xué)系統(tǒng)的提供者，例如Physical Optics Corporation (POC) of Torrance, California,可提供適于制造圖4所示旋 轉(zhuǎn)光束修正元件240各個(gè)實(shí)施例的產(chǎn)品和/或服務(wù)，其它變形實(shí)例也一樣。如圖所示旋轉(zhuǎn)光束修正元件240具有光束路徑BP，其實(shí)際上是從激光 器230輸入的光束在旋轉(zhuǎn)光束修正元件240操作時(shí)的路徑。在一實(shí)施例中， 光束路徑BP的半徑大約為13毫米，元件240的半徑大約為15 - 17毫米。 在一實(shí)施例中，每個(gè)偏轉(zhuǎn)部分240A和240B都覆蓋大約15°的區(qū)域。然而， 如靠近偏轉(zhuǎn)部分240A前和后邊緣的激光束輸入點(diǎn)LSI和LS2所示，由于需 要使整個(gè)激光束定位在偏轉(zhuǎn)部分內(nèi)以正確操作，所以它們的操作角度范圍在 許多情況下都較小(例如為大約12° )。如下面詳細(xì)說明的，當(dāng)光束修正元件240旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光在激光點(diǎn)LSI 和激光點(diǎn)LS2之間移動(dòng)所需的時(shí)間確定激光束被偏轉(zhuǎn)部分240A偏轉(zhuǎn)以提供 適于照明測(cè)距圖像的相對(duì)集中激光束231'的時(shí)間量。在各個(gè)實(shí)施例中，相機(jī) 270可以提供大約33Hz幀頻的輸出圖像。因此在一實(shí)施例中，光束修正元 件240可以大約3600rpm ( = 1Hz )的速度旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)部分240A可用于提供 12。旋轉(zhuǎn)范圍，從而可提供每秒大約1/30的測(cè)距照明，其足以曝光33Hz幀頻 的測(cè)距圖像。如果還包括可選擇的偏轉(zhuǎn)部分240B,則測(cè)距測(cè)量可提供2Hz 的頻率。如果結(jié)構(gòu)光圖像在相應(yīng)圖像合成期間被充分曝光，則散射部分240D 可提供每秒鐘大約30結(jié)構(gòu)光圖像的相對(duì)散射照明231。
可以看出如果在整個(gè)相機(jī)合成期間測(cè)3巨點(diǎn)圖像被所提供的點(diǎn)照明過分 曝光，則當(dāng)激光束穿過偏轉(zhuǎn)部分時(shí)可以閘的方式打開和關(guān)閉激光束，以控制 測(cè)距圖像曝光時(shí)間，并且在這種情況下偏轉(zhuǎn)部分可覆蓋較少的角度范圍。通 常，為了確保測(cè)距圖像、或結(jié)構(gòu)光圖像的適當(dāng)曝光，需要調(diào)整各種因素，包括元件240的旋轉(zhuǎn)速度、激光功率和/或激光開/關(guān)時(shí)間、相機(jī)合成周期等。在一實(shí)施例中，激光器的控制可與相機(jī)的合成時(shí)間同步，這樣如果結(jié)構(gòu)光圖 像需要非常長的合成時(shí)間，可以在穿過偏轉(zhuǎn)部分時(shí)曝光的任意時(shí)間關(guān)閉激光 器。因此如果需要，可以在整個(gè)圖像曝光時(shí)只有結(jié)構(gòu)光照明。圖5是表示操作根據(jù)本發(fā)明的多范圍結(jié)構(gòu)光探針流程600的流程圖。如 圖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。這與 在光束修正元件旋轉(zhuǎn)時(shí)光束修正元件的散射部分位于激光器發(fā)射的光束路 徑中相對(duì)應(yīng)。在方框615,激光束從第一部分輸出并且持續(xù)為沿第一光束路 徑的相對(duì)散射照明。換句話說，在一實(shí)施例中，在激光束穿過光束修正元件 的散射部分后，光束被局部散射，從而其可用于在為結(jié)構(gòu)光圖像提供光照時(shí) 抑制斑點(diǎn)。在各個(gè)實(shí)施例中，第一部分還可使局部散射照明根據(jù)預(yù)定的數(shù)值 孔徑分散。在一實(shí)施例中，第一光束路徑可包括一個(gè)或多個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡。在方框 620中，相對(duì)(局部)散射激光束照明被沿著第一光束路徑定位的空間光調(diào) 制器圖案化。在方框625中，圖案化的散射照明投影以在結(jié)構(gòu)光成像范圍(例 如圖3所示的結(jié)構(gòu)光成像范圍Rl)提供結(jié)構(gòu)光圖案，該范圍為相對(duì)于探針 的第一距離范圍。在方框630中，如果在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)存在一工件表面， 則在工件表面上形成結(jié)構(gòu)光圖案以提供在相對(duì)于探針的第一距離范圍內(nèi)的 表面測(cè)量數(shù)據(jù)。換句話說，從探針相機(jī)捕捉的三角形圖像來看，結(jié)構(gòu)光圖案 (例如光條紋)根據(jù)工件表面每個(gè)部分的高度形成輪廓。分析結(jié)果數(shù)據(jù)以在 相對(duì)于探針的第一距離范圍(例如在濾鏡和結(jié)構(gòu)光投影光學(xué)系統(tǒng)的焦深內(nèi)) 確定精確的工件三維表面圖。然后流程進(jìn)行到方框640,光束修正元件的第二部分定位在激光束中。 在一實(shí)施例中，這與在光束修正元件旋轉(zhuǎn)時(shí)定位在激光器發(fā)出的光束路徑中 的光束修正元件的光束偏轉(zhuǎn)部分對(duì)應(yīng)。在方框643中，激光束從第二部分輸 出并且持續(xù)作為沿第二光束路徑的相對(duì)集中照明，該第二光束路徑延伸穿過 作為相對(duì)于探針的第二距離范圍的測(cè)距范圍。換句話說，在一實(shí)施例中，激 光束是緊密相對(duì)集中光束(例如校準(zhǔn)的集中光束)，其穿過光束修正元件的
偏轉(zhuǎn)部分并且保留沿第二光束路徑被偏轉(zhuǎn)部分偏轉(zhuǎn)的集中光束，以在測(cè)距圖 像中提供集中照明區(qū)域(例如點(diǎn))。在一實(shí)施例中，第二光束路徑可包括一個(gè)或多個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡。在方框645中，如果在測(cè)距成像范圍內(nèi)存在一工件表面，則在工件表面上的緊湊照明區(qū)域形成圖像，以提供在相對(duì)于探針的第二距離 范圍內(nèi)的表面測(cè)量數(shù)據(jù)。相對(duì)于探針的第二距離范圍包括比第 一距離范圍離 探針遠(yuǎn)的距離。換句話說，從探針相機(jī)捕捉的三角形圖像來看，偏轉(zhuǎn)的集中 激光束在圖像中的位置根據(jù)其照明的工件表面部分的高度確定。結(jié)果圖像數(shù) 據(jù)使工件表面與探針的距離由延伸超出結(jié)構(gòu)光成像范圍的測(cè)距成像范圍確 定。因此，根據(jù)本發(fā)明的探針可在多級(jí)測(cè)量范圍內(nèi)以簡(jiǎn)單、快速且通用方式 利用少量部件提供多種類型的三角形測(cè)量。如前面所述，可用于提供前述探針控制和測(cè)量操作以及根據(jù)本發(fā)明的其 它操作的各種部件、控制信號(hào)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)在代理人案號(hào)為MEIP-1 -27657的名稱為"Non-contact Probe Control Interface"的美國專利申請(qǐng)中詳細(xì)說明了。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)距圖像結(jié)合所述方法可以很容易地獲得。 例如在一簡(jiǎn)單實(shí)施例中，非接觸探針控制器170和/或計(jì)算機(jī)和用戶接口 160 可簡(jiǎn)單地周期發(fā)送一組探針部件控制信號(hào)，其適于獲取探針控制界面電子件 290的測(cè)距圖像。這可利用所述相同方法發(fā)送各個(gè)結(jié)構(gòu)光圖像探針部件控制 信號(hào)到探針來實(shí)現(xiàn)。在這種實(shí)施例中，探針控制界面電子件290可包括簡(jiǎn)單 的"抑制"邏輯電路或程序，其通過包含在周期發(fā)送的測(cè)距圖像控制信號(hào)中 的編碼或信號(hào)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)這種信號(hào)被探針控制界面電子件290接收后，該抑制 邏輯電路可限制相機(jī)觸發(fā)信號(hào)，例如直到它們接收到光電探測(cè)器236輸出的 "缺少散射照明"同步信號(hào)為止，如前面所述。因此，可以確保在相對(duì)集中 照明沿其相應(yīng)光束路徑產(chǎn)生時(shí)獲得測(cè)距圖像。類似地，探針控制界面電子件290可包括由包含在周期發(fā)送的測(cè)距圖像 控制信號(hào)中的編碼或信號(hào)實(shí)現(xiàn)的其它"抑制"邏輯電路或程序。當(dāng)這種信號(hào) 探針控制界面電子件290接收后，相關(guān)抑制邏輯電路可限制相機(jī)觸發(fā)信號(hào)， 除非它們接受到光電探測(cè)器236輸出的"缺少散射照明，，同步信號(hào)為止。因 此可以確保在相對(duì)集中照明沿其相應(yīng)光束路徑產(chǎn)生時(shí)獲得測(cè)距圖像。本領(lǐng)域 技術(shù)人員根據(jù)前面所述內(nèi)容可以得出各種其它控制和同步方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)公開內(nèi)容可以看出所示和所述的特征布置和操作 的各種變形。例如，在一些實(shí)施例中光束修正元件的輸出相對(duì)集中激光束的
部分可用于輸出條紋、或關(guān)系已知的三點(diǎn)等。因此，范圍測(cè)量可由表面上的 有限個(gè)點(diǎn)確定，例如確定表面方向或類似方面。此外，雖然前述實(shí)施例已經(jīng) 說明了作為相對(duì)集中光束的偏轉(zhuǎn)光束，但應(yīng)理解，在一些實(shí)施例中，光束修 正元件和探針可設(shè)計(jì)成使相對(duì)集中光束不被光束修正元件偏轉(zhuǎn)，局部散射光 束是偏轉(zhuǎn)到合適光學(xué)路徑上的光束。在這種實(shí)施例中，光束修正元件的輸出 相對(duì)集中光束的部分可包括簡(jiǎn)單的透明部分、或打開部分(例如穿過光束修 正元件的孔)、或類似物。此外，在一些實(shí)施例中，優(yōu)選構(gòu)成的"線性"光 束修正元件可用于線性往復(fù)移動(dòng)，作為這里所述的;J走轉(zhuǎn)光束修正元件的一個(gè) 可替代方式。因此，雖然已經(jīng)表示和說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是可以 看出沒有超出本發(fā)明構(gòu)思和范圍的各種變形。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量工件尺寸的測(cè)量探針，該探針包括至少一個(gè)相機(jī)；結(jié)構(gòu)光投影部分；產(chǎn)生光束的光束產(chǎn)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動(dòng)器，其用于移動(dòng)所述光束修正元件，從而使光束可輸入到所述第一和第二部分；其中該光束修正元件移動(dòng)器部分可操作，以在第一時(shí)間周期使所述光束修正元件的第一部分定位而輸入光束；在所述第一時(shí)間周期內(nèi)，光束從第一部分輸出作為沿第一光束路徑的相對(duì)散射照明，并且被空間光調(diào)制器圖案化以及在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)投影出結(jié)構(gòu)光圖案，其中所述結(jié)構(gòu)光成像范圍是相對(duì)于測(cè)量探針的第一距離范圍；該光束修正元件移動(dòng)器部分可操作，以在第二時(shí)間周期使所述光束修正元件的第二部分定位而輸入光束；在所述第二時(shí)間周期內(nèi)，光束從第二部分輸出作為沿延伸穿過測(cè)距成像范圍的第二光束路徑的相對(duì)集中照明，其中測(cè)距成像范圍是相對(duì)于測(cè)量探針的第二距離范圍；在所述第一時(shí)間周期內(nèi)，至少一個(gè)相機(jī)操作以將結(jié)構(gòu)光圖案成像在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)的工件表面上，以提供所述相對(duì)于探針的第一距離范圍內(nèi)的表面測(cè)量數(shù)據(jù)；以及在所述第二時(shí)間周期內(nèi)，至少一個(gè)相機(jī)操作以將相對(duì)集中照明成像在測(cè)距成像范圍內(nèi)的表面上，以提供所述相對(duì)于探針的第二距離范圍內(nèi)的表面測(cè)量數(shù)據(jù)，其中第二距離范圍包括離探針比所述第一距離范圍遠(yuǎn)的距離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述第一部分包括輸出局部散射 照明的散射部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的探針，其中，所述第一部分輸出局部分散的散 射照明。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的探針，其中，所迷第二部分包括偏轉(zhuǎn)部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的探針，其中，所述光束修正元件包括旋轉(zhuǎn)光束 修正元件，所述偏轉(zhuǎn)部分繞著旋轉(zhuǎn)光束修正元件的標(biāo)稱光束路徑覆蓋至多30 度的角度范圍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的探針，其中，所述偏轉(zhuǎn)部分覆蓋至多15度的角 度范圍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述至少一個(gè)相機(jī)由單個(gè)相機(jī)組 成，并且可操作以將所述結(jié)構(gòu)光圖案成像在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)的工件表面上 的所述至少一個(gè)相機(jī)和可操作以將所述相對(duì)集中照明成像在所述測(cè)距成像 范圍內(nèi)表面上的所述至少一個(gè)相機(jī)為同一相機(jī)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述相對(duì)集中照明在測(cè)距成像范 圍內(nèi)的表面上的圖像包括模糊點(diǎn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的探針，其中，在坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)中分析所述圖像 中模糊點(diǎn)的位置，以確定相對(duì)于探針的第二距離范圍內(nèi)的表面的照明部分的 大致位置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，標(biāo)稱結(jié)構(gòu)光成像范圍跨距最多為 10mm,標(biāo)稱測(cè)距成像范圍的跨距至少為50mm。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的探針，其中，所述至少一個(gè)相機(jī)由單個(gè)相機(jī)組 成，并且可操作以將所述結(jié)構(gòu)光圖案成像在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)的工件表面上 的所述至少 一個(gè)相機(jī)和可操作以將所述相對(duì)集中照明成像在測(cè)距成像范圍 內(nèi)表面上的所述至少一個(gè)相機(jī)為同 一相機(jī)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的探針，其中，所述標(biāo)稱測(cè)距成像范圍的跨距至 少為75mm,并且包括所述標(biāo)稱結(jié)構(gòu)光成像范圍。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的探針，其中，所述第二距離范圍包括離探針比 包含在所述第 一距離范圍內(nèi)的離探針最大距離遠(yuǎn)至少75mm的距離。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述探針包括至少一個(gè)沿至少所 述第一和第二路徑之一定位的反射表面，所述探針的結(jié)構(gòu)使所述結(jié)構(gòu)光圖案從所述探針以相對(duì)于相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的光軸成第一角度地投影，并且所述相對(duì) 集中照明從探針以相對(duì)于所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸成第二角度地投影。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的探針，其中，所述第二角度小于第一角度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1的探針，其中，所述探針包括坐標(biāo)測(cè)量?jī)x自動(dòng)連 接器，并且所有絕緣體電源、接地和為結(jié)構(gòu)光測(cè)量探針發(fā)送信號(hào)以及從那接 收信號(hào)的信號(hào)連接器都通過包含在所述坐標(biāo)測(cè)量?jī)x自動(dòng)連接器中的連接器 插頭形成。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的探針，其中，所述坐標(biāo)測(cè)量?jī)x自動(dòng)連接器是RenishawTM型儀器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的探針，其中，所述探針包括探針接口電路，所 述結(jié)構(gòu)光投影部分包括可控的陣列型空間光調(diào)制器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11的探針，其中，所述光束產(chǎn)生元件包括半導(dǎo)體激光器。
20. —種操作測(cè)量探針的方法，所述測(cè)量探針包括相機(jī)、結(jié)構(gòu)光投影 部分、產(chǎn)生光束的光束產(chǎn)生元件、包括第一部分和第二部分的光束修正元件、 以及用于移動(dòng)光束修正元件從而使光束可輸入到第一和第二部分的光束修 正元件移動(dòng)器，所迷方法包括操作該光束修正元件移動(dòng)器部分，以在第一時(shí)間周期使光束修正元件的 第一部分定位而輸入光束；在第 一時(shí)間周期內(nèi)，從第 一部分輸出光束作為沿第 一光束路徑的相對(duì)散 射照明，使用空間光調(diào)制器圖案化該相對(duì)散射照明，并且在結(jié)構(gòu)光成像范圍 內(nèi)投影該圖案化的相對(duì)散射照明作為結(jié)構(gòu)光圖案，其中所述結(jié)構(gòu)光成像范圍 是相對(duì)于測(cè)量探針的第 一距離范圍；操作該光束修正元件移動(dòng)器部分，以在第二時(shí)間周期使光束修正元件的 第二部分定位而輸入光束；在第二時(shí)間周期內(nèi)，從第二部分輸出光束作為沿延伸穿過測(cè)距成像范圍 的第二光束路徑的相對(duì)集中照明，其中所述測(cè)距成像范圍是相對(duì)于測(cè)量探針 的第二距離范圍；在第一時(shí)間周期內(nèi)，如果在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)存在一工件表面，那么操 作相機(jī)以將結(jié)構(gòu)光圖案成像在結(jié)構(gòu)光成像范圍內(nèi)的所述工件表面上，以提供相對(duì)于探針的第一距離范圍內(nèi)的表面測(cè)量數(shù)據(jù)；以及在第二時(shí)間周期內(nèi)，如果在測(cè)距成像范圍內(nèi)存在一表面，那么操作相機(jī) 以將相對(duì)集中照明成像在測(cè)距成像范圍內(nèi)的所述表面上，以提供相對(duì)于探針 的第二距離范圍內(nèi)的表面測(cè)量數(shù)據(jù)，其中第二距離范圍包括離探針比第 一距 離范圍遠(yuǎn)的距離。
全文摘要
一種多范圍非接觸探針，除了具有更精確的結(jié)構(gòu)光測(cè)量功能之外還能執(zhí)行測(cè)距測(cè)量功能。該探針與探針控制界面兼容，從而使有限數(shù)量的線連接的探頭系統(tǒng)具有先進(jìn)測(cè)量性能和功能。探針的激光束在第一時(shí)間周期內(nèi)沿第一光學(xué)路徑定向以提供結(jié)構(gòu)光功能，在第二時(shí)間周期沿第二光學(xué)路徑定向以提供測(cè)距功能。具有光學(xué)特性不同的至少第一和第二部分的單個(gè)光束修正元件移動(dòng)以從第一部分沿第一光學(xué)路徑輸出激光束，然后從第二部分沿第二光學(xué)路徑輸出激光束。
文檔編號(hào)G01C3/08GK101118153SQ20071013823
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者保羅·格拉德尼克, 斯科特·哈西拉 申請(qǐng)人:三豐株式會(huì)社