專利名稱：激光校準(zhǔn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量直線軌跡偏差的光學(xué)裝置。具體而言，本發(fā)明涉及一種光學(xué)裝置，用于測(cè)量第一機(jī)器組件相對(duì)于第二機(jī)器組件的運(yùn)動(dòng)中的直線軌跡偏差。機(jī)器組件可以是坐標(biāo)定位儀的一部分，可包括，例如機(jī)床或者坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

背景技術(shù)：
當(dāng)機(jī)器組件沿著軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)偏差通常包括圍繞機(jī)器的一個(gè)或者多個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這些軸一般被稱為X，Y和Z軸，相應(yīng)的偏差標(biāo)稱為俯仰、滾轉(zhuǎn)和平擺誤差。運(yùn)動(dòng)的直線度也有誤差，它包括機(jī)器組件相對(duì)于主運(yùn)動(dòng)軸的橫向偏差。
美國(guó)專利4939678公開了一種校準(zhǔn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的方法，其中激光測(cè)量頭安裝在儀器的第一部分，反射組件安裝在機(jī)器的第二部分。從激光測(cè)量頭發(fā)射出一對(duì)光束，經(jīng)過(guò)反射組件反射后射向激光測(cè)量頭中的一對(duì)四象限光電池(quad cell)。這些四象限光電池上返回光束的位置實(shí)現(xiàn)了對(duì)反射組件的直線度和滾轉(zhuǎn)的測(cè)量。一束分離光束、平面鏡及探測(cè)器用來(lái)測(cè)量俯仰和平擺。這個(gè)系統(tǒng)只能測(cè)量18個(gè)自由度。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種用于測(cè)量第一物體相對(duì)于第二物體運(yùn)動(dòng)中偏差的裝置，包括 可安裝于第一物體上的發(fā)射器單元； 可安裝于第二物體上的光學(xué)單元； 其中發(fā)射器單元至少將一束光指引向光學(xué)單元； 其中，發(fā)射器單元和光學(xué)單元的其中之一裝配了兩個(gè)或者多個(gè)探測(cè)器，以探測(cè)兩束或多束發(fā)射到光學(xué)單元或從光學(xué)單元反射回來(lái)的光束， 其中，用于發(fā)射或者探測(cè)每束光束的光學(xué)結(jié)構(gòu)基本上相同。
發(fā)射是指光束的有效開始并且可包括例如光纖末端。
優(yōu)選地，探測(cè)器包括像素的二維陣列。探測(cè)器可以包括諸如電荷耦合器件(CCD)，CMOS傳感器或者電荷注入器件(CID)。
優(yōu)選地，光學(xué)單元安裝在活動(dòng)的物體上。優(yōu)選地，光學(xué)單元沒(méi)有可能導(dǎo)致不希望的運(yùn)動(dòng)或是影響精度的拖尾導(dǎo)線。優(yōu)選地，此儀器還包括直線位移測(cè)量?jī)x，例如干涉儀。這可包括發(fā)射器單元中的光源，用來(lái)產(chǎn)生指引向光學(xué)單元的光束，光學(xué)單元中的回射器，用來(lái)反射射向發(fā)射器單元的光，以及發(fā)射器單元中的第四探測(cè)器，用來(lái)探測(cè)返回的光束。
本發(fā)明的第二個(gè)方面提供了一種用于測(cè)量第一物體和第二物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)中偏差的裝置，此裝置包括 可安裝于第一物體上的發(fā)射器單元和可安裝于第二物體上的光學(xué)單元； 發(fā)射器單元裝有一個(gè)或者多個(gè)探測(cè)器且其中發(fā)射器單元至少將一束光指引向光學(xué)單元； 該光學(xué)單元裝有三個(gè)回射器以反射射向發(fā)射器單元的三束光束； 其中，一個(gè)或者多個(gè)探測(cè)器上的三束反射光束的位置被用來(lái)確定在五個(gè)自由度上運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于直線的偏差。
優(yōu)選地，該五個(gè)自由度為俯仰、平擺、滾轉(zhuǎn)和沿著兩個(gè)軸的直線度，此二軸垂直于第一或者第二物體的運(yùn)動(dòng)軸。
本發(fā)明的第三個(gè)方面提供了用于測(cè)量機(jī)器各軸的垂直度的裝置，該機(jī)器具有可彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一和第二部件，該裝置包括 安裝于第一機(jī)器部件上的基座單元； 安裝于基座單元上的發(fā)射器單元，基座單元以及發(fā)射器單元的至少一個(gè)表面設(shè)置有配合元件，以便在發(fā)射器單元的多個(gè)已知的相應(yīng)朝向上確定發(fā)射器單元相對(duì)于基座單元的位置，從而確定至少一束光束的方向； 安裝于第二機(jī)器部件上的光學(xué)單元； 其中，發(fā)射器單元至少將一束光束指引向光學(xué)單元； 其中，發(fā)射器單元和光學(xué)單元其中之一裝配了一個(gè)或者多個(gè)探測(cè)器，以探測(cè)一束或多束發(fā)射到光學(xué)單元或從光學(xué)單元反射回來(lái)的光束； 因而通過(guò)沿著基座單元的兩軸對(duì)發(fā)射器單元進(jìn)行定向并測(cè)量至少一個(gè)探測(cè)器上的至少一束光束的偏差，就能夠確定該兩軸的垂直度。
本發(fā)明的第四方面提供了一種用于測(cè)量第一物體相對(duì)于第二物體運(yùn)動(dòng)中偏差的裝置，包括 可安裝于第一物體上的發(fā)射器單元； 可安裝于第二物體上的光學(xué)單元； 其中，發(fā)射器單元至少將一束光束指引向光學(xué)元件； 其中，發(fā)射器單元和光學(xué)單元其中之一裝有一個(gè)或者多個(gè)探測(cè)器，以探測(cè)一束或多束發(fā)射到光學(xué)單元或從光學(xué)單元反射回來(lái)的光束； 其中，以探測(cè)器上光束的位置作為反饋來(lái)調(diào)整發(fā)射器單元的位置或改變第二物體的運(yùn)動(dòng)矢量，以便在第一和第二物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將光束保持在探測(cè)器上。



本發(fā)明的實(shí)施例將通過(guò)一個(gè)實(shí)例并參照附圖進(jìn)行說(shuō)明，附圖包括 圖1是安裝于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的測(cè)量裝置的示意圖； 圖2是發(fā)射器單元及光學(xué)單元中光學(xué)組件的俯視圖； 圖3是發(fā)射器單元及光學(xué)單元中光學(xué)組件的透視圖； 圖4是發(fā)射器單元和光學(xué)單元中直線位移測(cè)量裝置的俯視圖； 圖5是光學(xué)單元中回射器的第一替代裝置的俯視圖； 圖6是光學(xué)單元中回射器的第二替代裝置的俯視圖； 圖7是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)射器單元及光學(xué)單元的俯視圖； 圖8A-8C分別示出了一個(gè)薄平面光學(xué)元件、一個(gè)厚楔形光學(xué)元件和一個(gè)薄楔形光學(xué)元件上的雙反射； 圖9示出了連接激光源的光纖； 圖10示出了固定在桿上的光纖末端； 圖11示出了用于安裝圖10中光纖末端的固定夾； 圖12A示出了傳感器邊緣上的一點(diǎn)； 圖12B示出了扣除閾值后圖12A中的該點(diǎn)； 圖12C示出了用來(lái)計(jì)算形心的傳感器邊緣上一點(diǎn)處的等值線。
圖13A和13B示出了圖2的替代光學(xué)設(shè)計(jì)方案，其中分別只有一束或者兩束光被發(fā)射； 圖14示出了一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)方案，其中將一個(gè)探測(cè)器用于兩束光線； 圖15是相對(duì)于行程的直線度誤差圖形；以及 圖16A和圖16B示出了與機(jī)器軸沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)的發(fā)射器單元。

具體實(shí)施例方式 圖1顯示了安裝于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)上的校準(zhǔn)儀。發(fā)射器單元10安裝于坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)14上。如同我們的國(guó)際專利申請(qǐng)WO02/04890中所描述的，發(fā)射器單元10的基座18和安裝于工作臺(tái)14上的基座單元20上安裝了作為輔助部件的活動(dòng)支撐件22，使得發(fā)射器單元10可以沿著坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的X、Y、Z、-X和-Y軸或者其任何需要的方向進(jìn)行精確對(duì)齊。光學(xué)單元12安裝在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的套筒16上。國(guó)際專利申請(qǐng)WO02/04890還描述到，發(fā)射器單元10和光學(xué)單元12具有作為輔助部件的活動(dòng)支撐件24A、24B，這樣當(dāng)它們相互接觸的時(shí)候，可以準(zhǔn)確地相互對(duì)準(zhǔn)。
發(fā)射器單元10這樣安裝于工作臺(tái)14上并與機(jī)器的X、Y、Z、-X和-Y軸中的一根或者任何其他希望的方向?qū)R。光學(xué)單元12與發(fā)射器單元10對(duì)齊并安裝于機(jī)器的套筒16上。光學(xué)單元12和套筒16沿著發(fā)射器10對(duì)準(zhǔn)方向的路徑運(yùn)動(dòng)。此儀器也可用來(lái)測(cè)量光學(xué)單元12到發(fā)射器單元10之間的距離及測(cè)量光學(xué)單元12在沿此路徑運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的偏差。
圖2-4顯示了發(fā)射器單元10和光學(xué)單元12中的光學(xué)元件設(shè)置。第一組光學(xué)元件26-40被用作直線位移測(cè)量裝置，例如干涉儀，用以測(cè)量光學(xué)單元到發(fā)射器單元的距離。為了圖象的清晰性，圖2和圖3中有所省略，但省略部分在圖4中單獨(dú)顯示出來(lái)。盡管將要描述一種具體類型的干涉儀，但它可以被其它任何合適的直線位移測(cè)量裝置所取代。干涉儀裝置包括發(fā)射器單元10中的用來(lái)產(chǎn)生光束28的光源26。分光器30分離光束28，發(fā)送第一光束32到光學(xué)單元12中的第一回射器36并發(fā)射第二光束34到發(fā)射器單元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并到達(dá)探測(cè)單元40。此干涉儀在英國(guó)專利GB2296766中有更詳細(xì)的描述。
用在直線位移測(cè)量裝置中的回射器36、38可以包括光學(xué)單元中已有的回射器(即與直線度/角度偏差光學(xué)器件共用)，以減少尺寸和成本。在此情況下入射光束可以旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，這樣光束就不會(huì)重疊。
參照?qǐng)D2和圖3，三個(gè)光源42A、42B和42C從發(fā)射器單元10向光學(xué)單元12發(fā)射出三束完全平行光線44、46、48。三個(gè)光源包括，例如，三個(gè)已知形式的光纖末端?；蛘?，可以用單一光源，它利用光學(xué)器件如分光器和反射鏡來(lái)產(chǎn)生多束平行光束，例如三束平行光束。
光學(xué)單元12安裝有三個(gè)間隔開的回射器62、64、66?；厣淦?2、64、66將光束44、46、48反射回位于發(fā)射器單元10內(nèi)的三個(gè)探測(cè)器68、70、72上。這三個(gè)探測(cè)器68、70、72可包括二維像素陣列構(gòu)成的CMOS傳感器，以實(shí)現(xiàn)光束在傳感器上的位置測(cè)量?；蛘咭部梢杂秒姾神詈掀骷?CCD)來(lái)代替CMOS傳感器。也可以利用其它類型的像素圖象傳感器，包括由二維像素陣列構(gòu)成的圖像傳感器，用來(lái)確定光束位置。位置敏感探測(cè)器(PSD)也是合適的。它們利用探測(cè)器相對(duì)兩邊之間的電壓差來(lái)指示入射光束的位置。將位置敏感探測(cè)器調(diào)諧到一定頻率下工作，從而通過(guò)將它的頻率調(diào)諧到高于或者低于室內(nèi)照明的頻率便可以消除室內(nèi)照明的影響。位置敏感探測(cè)器采用交流模式。對(duì)位置敏感探測(cè)器上的入射光線進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，同時(shí)位置敏感探測(cè)器的頻率也被調(diào)到相同頻率。也可應(yīng)用其它類型的傳感器，例如四象限光電池。
當(dāng)光學(xué)單元12沿著它的路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于在光學(xué)元件12的運(yùn)動(dòng)中相對(duì)于其路徑的偏差，探測(cè)器68、70、72上返回光束44、46、48的位置也將變化。利用三個(gè)回射器62、64、66及在彼此相對(duì)側(cè)移時(shí)的圖象，使得光學(xué)元件的直線度和俯仰、滾轉(zhuǎn)及平擺可以被推導(dǎo)出來(lái)。
在此例中，光學(xué)元件的運(yùn)動(dòng)沿著機(jī)器的X軸，如圖2所示?；厣淦?2和64沿著Y方向分開置于光學(xué)元件12中。光學(xué)元件的運(yùn)動(dòng)軸(X軸)的直線度是，在探測(cè)器68、70上光束44、46在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的軸向(即此例中的Y和Z軸)上的位置變化的平均位移量的一半。如下所述，如果探測(cè)器安裝于探測(cè)單元12中，則光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)軸的直線度是，探測(cè)器68、70上光束44、46在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的軸向上的位置變化的位移量的平均值。
如果指引向光學(xué)元件12的三束光束44、46、48不平行，則必需修正探測(cè)器輸出，以對(duì)此誤差進(jìn)行校正。如果光束44、46、48沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，將通過(guò)兩個(gè)單元10、12進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)校正該測(cè)量系統(tǒng)。
光學(xué)單元12的滾轉(zhuǎn)通過(guò)對(duì)應(yīng)探測(cè)器68、70上相同光束44、46之間在Z軸方向的差異位移進(jìn)行測(cè)量。如果滾轉(zhuǎn)的中心處于光束44、46之間，則來(lái)自探測(cè)器68、70的信息足以計(jì)算滾轉(zhuǎn)量。但是，如果滾轉(zhuǎn)中心偏置，則來(lái)自探測(cè)器68、70的信息就包含直線和轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，因此就不能夠精確計(jì)算滾轉(zhuǎn)量。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)當(dāng)回射器66垂直于回射器62移動(dòng)時(shí)，來(lái)自三個(gè)探測(cè)器68、70、72的信息可以用于純滾轉(zhuǎn)的測(cè)量，而不論滾轉(zhuǎn)中心位于何處。
為了提高滾轉(zhuǎn)測(cè)量的精度，使用同一個(gè)探測(cè)器測(cè)量?jī)晒馐奈恢檬怯欣?。圖14所描述的裝置使得一個(gè)探測(cè)器184可以探測(cè)兩光束180、182的偏差。兩光束180、182通過(guò)回射器186、188反射，直接通過(guò)鏡子和/或分光器指引向探測(cè)器184。配有小孔的圓盤190處于光束180、182的光路上并以同步于探測(cè)器捕獲率的頻率旋轉(zhuǎn)。各條來(lái)自光束180、182的光線因此交替入射到探測(cè)器184上而產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)(chopped signal)?；蛘?，為產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，對(duì)兩光束180、182進(jìn)行調(diào)制。
第三個(gè)回射器66實(shí)現(xiàn)了光學(xué)單元12的俯仰和平擺的測(cè)量。此第三個(gè)回射器66在概念上安置于光學(xué)單元12中回射器62、64其一之后。在此例中，此第三個(gè)回射器垂直地安置于第一或者第二個(gè)回射器之上。這可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)，垂直移動(dòng)來(lái)自發(fā)射器單元10的輸出光束48中的一束，并在回射器62其中之一上放置一反射鏡54，用來(lái)將光線48指引向置于另一回射器64之上的回射器66。俯仰和平擺通過(guò)探測(cè)器68、72上分別處于Z和X方向的兩光束44、48之間差異位移來(lái)測(cè)量。
此裝置具有可以同時(shí)測(cè)量全部6個(gè)自由度的優(yōu)勢(shì)。
另一結(jié)構(gòu)可以從發(fā)射器單元發(fā)射一至兩束光線到光學(xué)單元并在光學(xué)單元中分割形成三束光束。圖13A描述了單一光源150發(fā)射一束光束152到光學(xué)單元。發(fā)射的光束152被分光器154、156分割成三束光束158、160、162。此三光束通過(guò)回射器164、166、168反射到探測(cè)器170、172、174。其優(yōu)點(diǎn)是共用光源可以用來(lái)產(chǎn)生三束光束。因此，對(duì)于任何三束光束光束指示誤差都是共有的并可以通過(guò)算法消除。但是其缺點(diǎn)是對(duì)移動(dòng)光束有增益損失。在此前的實(shí)施例中，由于使用了回射器，每一光束在探測(cè)器上增益為2。但是，由于分光器154隨著光學(xué)單元的運(yùn)動(dòng)而傾斜，在探測(cè)器上增益僅為1。例如，對(duì)于滾轉(zhuǎn)角θ，探測(cè)器探測(cè)此裝置中Lθ的位移，此處L是回射器之間的距離。在前例中，對(duì)于三束向外的光束，位移為2Lθ。
如圖13B所示，通過(guò)使用第二個(gè)光源151可以解決此問(wèn)題，光源151分開發(fā)射光束175到回射器166，此反射的光束由探測(cè)器174探測(cè)。此法保持了滾轉(zhuǎn)測(cè)量中的增益，缺點(diǎn)是需用兩個(gè)分開的光源。
盡管直線度、俯仰、滾轉(zhuǎn)及平擺的測(cè)量是按照特殊的光束和回射器來(lái)描述的，但是可以用全部三束光束和三個(gè)探測(cè)器來(lái)測(cè)量任何自由度上的偏差，由此一般的公式可以表達(dá)如下 從直線偏移的軌跡＝f(S1x，S1y，S2x，S2y，S3x，S3y，IR)＝k1S1x+k2S1y+k3S2x+k4S2y+k5S3x+k6S3y+k7IR 此處k1，k2....k7是常量 S1x，S1y分別是X，Y方向上光束中心在傳感器1上的位置。
IR是干涉儀讀數(shù)。
常量k1～k7可以在校準(zhǔn)過(guò)程中推導(dǎo)出且對(duì)于不同的自由度的偏差(即直線度、俯仰、滾轉(zhuǎn)及平擺)可以變化。這樣，在校準(zhǔn)過(guò)程中總共推導(dǎo)出35個(gè)常量。(即5個(gè)自由度中每一個(gè)的7個(gè)常量k1～k7)。
公式中的項(xiàng)k7IR可以用來(lái)調(diào)節(jié)非平行光線。
在已知的之前測(cè)量直線度和滾轉(zhuǎn)的技術(shù)系統(tǒng)中，利用四象限光電池探測(cè)光束位移。然而，四象限光電池有幾個(gè)缺點(diǎn)。光束的中心必需與四象限光電池的中心近似地對(duì)齊以保證四象限光電池的精確度。為了提高它的線性范圍，四象限光電池被安裝在馬達(dá)上且必需在系統(tǒng)安裝過(guò)程中侍服驅(qū)動(dòng)到希望的位置。此外，盡管侍服控制四象限光電池在一階上克服了精度問(wèn)題，但對(duì)于本發(fā)明系統(tǒng)所要求的精度而言，四象限光電池中硅的均勻性還很不好。
非侍服控制的四象限光電池的另一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)光束從單元的中心移開后，線性度下降。為了線性化關(guān)于光束中心位置輸出的非線性方程，光束的大小必需是已知的。此外，如果光束整個(gè)移入四象限光電池的一個(gè)象限，就不可能在這個(gè)象限內(nèi)確定它的位置。
在本發(fā)明中，使用了諸如CCD、CMOS或CID之類的像素圖像傳感器。相對(duì)于使用四象限光電池探測(cè)器具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是光束可以在任何位置被像素圖像傳感器探測(cè)到。由于光束不需要和傳感器的中心對(duì)齊，在系統(tǒng)最初的設(shè)置時(shí)就不需要將傳感器侍服驅(qū)動(dòng)到指定位置。此外，即使是當(dāng)光束處于傳感器的邊緣，傳感器也可以探測(cè)到光束中心，這一點(diǎn)將在下面更加詳細(xì)的描述。
使用像素圖像傳感器就可以知道被探測(cè)點(diǎn)的直徑，此外通過(guò)探測(cè)點(diǎn)直徑相對(duì)于最大值的百分比就可以確定信號(hào)的強(qiáng)度。為了確定探測(cè)點(diǎn)是否在傳感器的邊緣，一閥值(例如對(duì)一個(gè)最大讀數(shù)為4096的傳感器讀數(shù)100)被從傳感器的讀數(shù)中扣除。如果傳感器邊緣與此點(diǎn)間像素讀數(shù)為零，則此點(diǎn)不在傳感器的邊緣上。如果此點(diǎn)在傳感器的邊緣上，閥值可以增加直到此點(diǎn)和邊緣之間像素讀數(shù)為零。然后這點(diǎn)的中心也就確定了。圖12A描述了像素傳感器142邊緣上的點(diǎn)140a。圖12B描述了閥值被減掉后的點(diǎn)140b?，F(xiàn)在，整個(gè)點(diǎn)都在傳感器142之上，它的中心也可以確定了。
形心可以用下面的方法計(jì)算。傳感器探測(cè)到了兩個(gè)圖像，im1是有光束入射到傳感器的圖像，im2是無(wú)光束入射到傳感器上的圖像。如果需要考慮每個(gè)像素的光學(xué)響應(yīng)的差別及不同區(qū)域的靈敏度，傳感器被校準(zhǔn)。此工作可以通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)水平或者用非整數(shù)標(biāo)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了推導(dǎo)出信號(hào)的真實(shí)水平im，兩圖像im1和im2被逐像素相減，閥值t也同時(shí)減去，即 imij＝im1ij-im2ij-t 對(duì)于所有的imij<0，此值都將被設(shè)為零。
形心可以通過(guò)計(jì)算空間幾何中心的方法，用簡(jiǎn)單的算法計(jì)算出來(lái)。
對(duì)于一個(gè)給定的閥值t，形心的x和y坐標(biāo)如下算出 和 此處sij是信號(hào)或者是第i，j個(gè)像素點(diǎn)的強(qiáng)度讀數(shù)。
對(duì)于不同的閥值不斷重復(fù)此計(jì)算以算出整體的加權(quán)平均形心位置，即 和 這里W是對(duì)于具體閥值的權(quán)重。
對(duì)于很大的閥值，加權(quán)因數(shù)就會(huì)小，因?yàn)楦俚南袼貐⑴c到形心推導(dǎo)之中。對(duì)于小的閥值加權(quán)因數(shù)也會(huì)小，因?yàn)榧词惯@些形心計(jì)算包括了絕大多數(shù)像素，仍會(huì)有在確定哪些點(diǎn)應(yīng)該、哪些點(diǎn)不應(yīng)該包括在計(jì)算中時(shí)產(chǎn)生的噪音。
對(duì)于邊緣探測(cè)，可以運(yùn)用如下規(guī)則，在像素傳感器上，此點(diǎn)和邊緣之間至少應(yīng)該有一行像素。如果沒(méi)有，那只能用那些滿足此要求的閥值。
其他算法可以用于尋找一點(diǎn)的形心，例如曲線擬合算法，例如讓一點(diǎn)的強(qiáng)度曲線滿足高斯(Gaussian)或者洛倫茲(Lorentzian)分布。其它的確定形心的方法包括尋找最大梯度圓，然后找到中心?；蛘?，形心可以用尋找最小梯度的平均位置的方法確定。
或者，如果點(diǎn)在傳感器的邊緣，則中心可以用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來(lái)。例如圖12C中所示例子，可以確定點(diǎn)140c相對(duì)最大信號(hào)強(qiáng)度百分比(如10％，20％等)的等值線144、146、148，例如運(yùn)用最小二乘法擬合或者最大半徑的最小偏差法等，擬合成圓形等值線并用于推導(dǎo)此點(diǎn)的中心。即使在數(shù)據(jù)不全的情況下，這方法也能推導(dǎo)出形心。
運(yùn)用像素圖像傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是容易映射出傳感器上硅的變化。例如，可利用對(duì)傳感器的均勻照明和因此計(jì)算出的硅中的變動(dòng)作為X和Y的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在現(xiàn)有的自動(dòng)準(zhǔn)直儀中，一光束聚集于PSD(位置敏感探測(cè)器)上一點(diǎn)。光束角度的變化會(huì)引起了位置敏感探測(cè)器上點(diǎn)的位移，然而光束的直線運(yùn)動(dòng)卻不會(huì)。然而，使用位置敏感探測(cè)器的缺點(diǎn)是硅的非均勻性會(huì)影響精度。在此裝置中，由于聚焦點(diǎn)的直徑小于一個(gè)像素，所以無(wú)法使用位置敏感探測(cè)器。然而，在本發(fā)明中通過(guò)測(cè)量探測(cè)器68、72上的光束44、48的差異位移來(lái)測(cè)量俯仰和平擺的方法中，當(dāng)光束不需要聚焦于一點(diǎn)時(shí)，可以用像素圖像傳感器。因此，此方法受益于像素圖像傳感器的上述優(yōu)點(diǎn)。
在另一實(shí)施例中，第三個(gè)回射器可實(shí)際上被安裝在第二個(gè)回射器的后面。圖5顯示了這樣的裝置，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。如此安排輸出光線144、148，因此指引向大的第三回射器166的光束148不會(huì)被小的第二回射器162攔截。然而，此裝置的缺點(diǎn)是增加了光學(xué)單元12額外的體積。
圖6中顯示了第二和第三回射器的另一種設(shè)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有一個(gè)置于其后表面上的分光鏡261和棱鏡263，它們?cè)试S一部分光通過(guò)而到達(dá)第三回射器266，同時(shí)本身也反射一部分光。此裝置的缺點(diǎn)是相對(duì)較貴、增加了光學(xué)元件的體積并損失一部分垂直于輸出和輸入光束的光線265。
圖2和3所示的第一種裝置中第三回射器概念上置于第二回射器之后，當(dāng)指引向第二和第三回射器的光束互成角度時(shí)，便向系統(tǒng)引入了交叉耦合。此裝置的優(yōu)點(diǎn)在于它設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省了光學(xué)元件的體積。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是除了允許沿每軸測(cè)定6個(gè)自由度之外，還允許測(cè)定垂直度(即一根軸相對(duì)于其它軸的角度誤差)。
如前參照?qǐng)D1所描述的，安裝于機(jī)器工作臺(tái)14上的發(fā)射器單元10的基礎(chǔ)18和基座單元20安裝有作為輔助部件的活動(dòng)支撐件22，它使得發(fā)射器單元10可以沿坐標(biāo)測(cè)量機(jī)X、Y、Z、-X和-Y軸中的任何一個(gè)精確對(duì)齊?；顒?dòng)支撐件組之間的垂直性可以精確實(shí)現(xiàn)，這樣發(fā)射器單元就可以精確的與每一根軸對(duì)齊?；蛘?，伴隨著任何結(jié)果精度的損失也即垂直度的誤差被校準(zhǔn)調(diào)節(jié)，活動(dòng)支撐件的垂直度也可能變得不準(zhǔn)確。例如，通過(guò)對(duì)比當(dāng)發(fā)射器單元固定底板的不同方向時(shí)發(fā)射的光束角度與一臺(tái)精確校準(zhǔn)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已知軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)其校準(zhǔn)。
為了測(cè)量垂直度，底板與發(fā)射器單元之間的運(yùn)動(dòng)必需很精確，這樣發(fā)射器單元的軸是垂直的或者底板的垂直度誤差必需是在已知的公差范圍內(nèi)(即它必需是已經(jīng)較準(zhǔn)的)。
發(fā)射器單元安放于底板之上，這樣它可以與第一根軸對(duì)齊。測(cè)量垂直度的同時(shí)，光軸被機(jī)器的套筒沿著此軸從發(fā)射器上移開。沿著第二根軸重復(fù)此過(guò)程。
圖15描述了測(cè)定的直線度誤差相對(duì)于光學(xué)單元離開發(fā)射器單元行程的曲線圖。線92是沿X軸的直線度。在此情況下，發(fā)射器單元與X軸準(zhǔn)確地對(duì)齊。線92沿著圖線的X軸。線94是沿Y軸的直線度。在此情況下，由于機(jī)器的X軸與Y軸并不是精確垂直的，因此沿Y軸的直線度誤差將隨著光學(xué)單元的行程而增加。線92與94之間的角度96是測(cè)定出來(lái)的X軸與Y軸之間的機(jī)器垂直度。如果底板與發(fā)射器單元之間的運(yùn)動(dòng)是精確的，那么這個(gè)所測(cè)定的機(jī)器垂直度96就是實(shí)際機(jī)器垂直度。但是，如果由于底板垂直度誤差已經(jīng)對(duì)底板進(jìn)行了校準(zhǔn)，那么在確定垂直度時(shí)必須考慮這一情況。角度98是底板上的垂直度誤差，從測(cè)定機(jī)器垂直度中減去該角度來(lái)確定實(shí)際的機(jī)器垂直度100。
除每根軸的6個(gè)自由度以外，通過(guò)測(cè)量三軸之間的垂直度，實(shí)現(xiàn)了總共21個(gè)自由度的測(cè)量。無(wú)論在測(cè)量空間的任何點(diǎn)上，都要求計(jì)算所有21個(gè)自由度的誤差。光源(圖2中42A、42B、42C)一般包括一個(gè)二極管。但是激光是一種熱源，缺乏熱穩(wěn)定性可能造成其輕微地運(yùn)動(dòng)。激光的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起光束指向的運(yùn)動(dòng)，從而引起射向傳感器的形心束的運(yùn)動(dòng)，這將影響精確性。利用一種光纖來(lái)去除光源中的熱源可以解決上述問(wèn)題，如圖9所示。纖維提供了光能夠穿過(guò)的固定孔徑。
圖9顯示了激光92中發(fā)射出的光經(jīng)由透鏡94聚焦進(jìn)入光纖98的第一末端96。光纖的第二末端100發(fā)射出的光在由透鏡104校準(zhǔn)為兩束完全平行的激光束之前，先穿過(guò)一個(gè)固定架102。光纖98的第二末端100相當(dāng)于光束的發(fā)射源，即光束的有效發(fā)射點(diǎn)，它具有將發(fā)射(有效光源)(端點(diǎn)100)與熱源(激光92)分離的效果。由于熱作用而引發(fā)的激光92的運(yùn)動(dòng)對(duì)于光纖98中端點(diǎn)100發(fā)射出的光的光束指向沒(méi)有影響。并且固定架102與透鏡104均具有軸對(duì)稱性，這樣它們能夠均勻膨脹，同時(shí)如果固定架發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，它將包括軸的對(duì)稱性膨脹或者沿著軸的膨脹，而不是發(fā)生將會(huì)影響光束指向的傾斜運(yùn)動(dòng)。固定架可由同種材料制成，這樣全過(guò)程中的膨脹系數(shù)都是一樣的。這使得光束指向?qū)崿F(xiàn)了比微弧度具有更好的穩(wěn)定性。
發(fā)射光束相互之間不發(fā)生扭曲是很重要的，否則將會(huì)引起滾動(dòng)誤差。圖10說(shuō)明了安裝在一根桿116上的三個(gè)光纖的端點(diǎn)110、112、114。將光纖的端點(diǎn)安裝在桿上具有如下優(yōu)勢(shì)，即熱梯度不會(huì)引起桿的扭曲變形，這樣這種也就不會(huì)導(dǎo)致任何滾動(dòng)誤差。桿116會(huì)帶有一個(gè)空心的桿體118，這樣它可以憑借向空心處吹入冷空氣而得到冷卻，而這將減小桿的彎曲以及伸長(zhǎng)。
光纖的每一端點(diǎn)110、112、114均安裝在桿116上的球狀部分120、122、124上。用于將光纖各個(gè)端點(diǎn)安裝在球狀部分的夾具的橫截面示于圖11中。棒上球狀部分120插入夾具126上的孔128中。位于夾具126與球狀部分120之間有三個(gè)接觸點(diǎn)130、132、134，這些接觸點(diǎn)使夾具126在緊固螺釘起保護(hù)作用之前向X、Y或Z軸傾斜。連在夾具上的光纖端點(diǎn)因此能夠根據(jù)X，Y與Z軸調(diào)整，以沿理想方向指向光束。
如果使用單一纖維與鏡組以及分光器來(lái)產(chǎn)生三束光束，光纖、反射鏡以及分光器會(huì)以相似的方式安裝在棒上。
其它光學(xué)元件，如探測(cè)器，會(huì)被安裝在桿上。一個(gè)光學(xué)元件，如一根光纖或探測(cè)器，安裝在夾具的底部而不是頂部，也許會(huì)被安裝在其它面以外。
為了精確確定位于各自探測(cè)器68、70、72之上的光束44、46、48的中心，光束需要具有最小雜散反射的組件。但是在實(shí)際中除去校準(zhǔn)透鏡與回射器的干涉圖案是很困難的。為減小這些影響，需要一種非相干光源，但是將一種非相干光源校準(zhǔn)到設(shè)備所需要的水平具有一定的困難。利用一種隨著時(shí)間變化調(diào)制強(qiáng)度以引起頻率變化的相干光源可以部分地解決這個(gè)問(wèn)題。強(qiáng)度調(diào)制相應(yīng)的時(shí)間區(qū)間為探測(cè)器中給定像素的曝光時(shí)間。
探測(cè)器中給定的像素有一個(gè)最短曝光時(shí)間。例如，一個(gè)給定像素的最短曝光時(shí)間為10μs，并且強(qiáng)度測(cè)定的精確度在1％以內(nèi)，那么不用將曝光時(shí)間強(qiáng)度鎖定在調(diào)制信號(hào)上，光源也會(huì)被調(diào)制到10MHz以上以達(dá)到理想效果。
相干光源可以通過(guò)其它方式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。例如，光會(huì)穿過(guò)盤繞在壓電材料上的光纖。脈沖調(diào)制壓電材料會(huì)使其直徑發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖的光程以及此后光束調(diào)制的改變，這樣實(shí)現(xiàn)相干長(zhǎng)度減小。
由光路上的薄鏡片引起的光束自干涉在圖象上產(chǎn)生了干涉圖案。當(dāng)光沿直線穿過(guò)鏡片時(shí)，同時(shí)其它光被雙重反射到后面與前面，便會(huì)引起這種現(xiàn)象。使用雙光源以產(chǎn)生優(yōu)選地具有不同波長(zhǎng)以及/或者在不同頻率下被調(diào)制的光束，能夠克服這個(gè)缺點(diǎn)。因此導(dǎo)致光束處于一種產(chǎn)生較短相干長(zhǎng)度的高頻。這項(xiàng)技術(shù)還可以幫助消除圖象上由灰塵與常規(guī)點(diǎn)缺陷引起的散斑圖案。
由于上述薄鏡片的雙重反射造成的光束自干涉如圖8A所示，使用圖8B與8C所示的楔形鏡片可以避免這種現(xiàn)象。在圖8A中，一個(gè)薄板光學(xué)元件81位于傳感器83前面。光束80入射到平板光學(xué)元件81上。一部分光束80沿直線穿過(guò)光學(xué)元件到達(dá)傳感器，同時(shí)，另一部分光束83被光學(xué)元件雙重反射，并與光束80相干涉在圖象上形成大的條紋。在圖8B中，具有大楔形角的楔形光學(xué)元件82位于傳感器83的前面。一束光束80入射到楔形光學(xué)元件82。一部分光束86沿直線穿過(guò)光學(xué)元件到達(dá)傳感器83，同時(shí)另一部分光束88被光學(xué)元件雙重反射，并以一定角度穿出光學(xué)元件，而不能達(dá)到傳感器83。圖8C中，楔形光學(xué)元件84具有較小的楔形角度，這樣雙重反射光束90到達(dá)傳感器83，與沿直線通過(guò)的光束86成一小角度，這樣產(chǎn)生了許多對(duì)圖象影響效果很小的窄條紋。
室內(nèi)照明對(duì)檢測(cè)入射到探測(cè)器上的光束的射束中心具有一定的影響。例如，背景燈會(huì)引起圖象的抖動(dòng)。為消除這種影響，探測(cè)器的采樣周期需與室內(nèi)燈光同步，如電源頻率。此外，為消除室內(nèi)燈光的影響，需要兩圖象，一個(gè)帶有現(xiàn)場(chǎng)返回光束，而一個(gè)沒(méi)有。兩種圖象的差被用于計(jì)算形心。
像素圖象傳感器具有飽和電平，飽和電平處強(qiáng)度與傳感器輸出的對(duì)應(yīng)是非線性的。如果來(lái)自光束的探測(cè)到的光接近于傳感器的飽和電平，便會(huì)產(chǎn)生非線性響應(yīng)，在減去背景燈的時(shí)候，必須考慮這一點(diǎn)。
其它方法也可能降低背景燈的影響。在其中一個(gè)此類方法中，一個(gè)窄帶通濾波器被安置于傳感器的前面。它只傳輸具有光源波長(zhǎng)的光，而過(guò)濾掉其它波長(zhǎng)的光，即背景光。
在第二個(gè)方法中，一個(gè)中等密度的濾波器被安置于傳感器的前面。它只傳輸所有入射光(即來(lái)自于光源與背景燈的光)中一定百分率的光(如10％)。通過(guò)增強(qiáng)光源的強(qiáng)度，相對(duì)于背景燈的光源強(qiáng)度被增強(qiáng)。
在第三種方法中，探測(cè)器被遮蔽起來(lái)，例如，將它們放置于孔或管子后面，以最大限度地降低背景燈的影響。這種方法同樣可以應(yīng)用于回射器中，如果多束光束使用一個(gè)回射器，這種方法具有減小雜散光的優(yōu)點(diǎn)。
在另外一種方法中，選擇像素傳感器的積分時(shí)間來(lái)減小背景光的影響。在傳感器一定的積分時(shí)間以內(nèi)，如果給定統(tǒng)一的背景照明，背景光將顯示出靜態(tài)的效果。這種傳感器的積分時(shí)間將取決于背景光的頻率。特定背景條件下傳感器的最佳積分時(shí)間，由循環(huán)傳感器的不同積分時(shí)間以及觀察探測(cè)光束形心來(lái)確定。引起光束形心最小失真的積分時(shí)間將被選中。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于它簡(jiǎn)化了對(duì)于濾鏡的需要。
在優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)單元僅包含光學(xué)元件，即回射器與反射鏡。這確保那些影響安裝在運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件上的光學(xué)單元測(cè)量不受拖尾電纜的影響。在這個(gè)裝置中，與拖尾導(dǎo)線相聯(lián)的探測(cè)器與光源全部定位于一個(gè)安裝在固定機(jī)械組件上的發(fā)射器單元上。此時(shí)坐標(biāo)定位儀是一機(jī)床，光學(xué)單元可安裝在轉(zhuǎn)軸上，而發(fā)射器單元可安裝在機(jī)床體上。機(jī)床體尺寸很大而且很重，這導(dǎo)致了發(fā)射器單元上的拖尾導(dǎo)線對(duì)發(fā)射器單元的運(yùn)動(dòng)影響效果很小。相反，位于安裝在轉(zhuǎn)軸上的光學(xué)單元的拖尾導(dǎo)線將影響光學(xué)單元的運(yùn)動(dòng)乃至系統(tǒng)的精確性。
本發(fā)明并不局限于光學(xué)單元僅包含光學(xué)元件的實(shí)施例。圖7所示為位于光學(xué)單元12上的探測(cè)器68、70、72的實(shí)施例。但是這種實(shí)施例中兩種單元都帶有拖尾導(dǎo)線的缺點(diǎn)(即連到發(fā)射器單元中光源的導(dǎo)線，以及連到在光學(xué)單元中探測(cè)器的導(dǎo)線)。這些拖尾導(dǎo)線可能會(huì)影響系統(tǒng)的精確性。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于它不局限于只在兩單元均為靜態(tài)時(shí)進(jìn)行測(cè)量。逐步將光學(xué)單元運(yùn)動(dòng)到新位置，當(dāng)處于靜態(tài)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，然后在另外一個(gè)新位置上重復(fù)上述過(guò)程，這樣一個(gè)逐步法缺乏時(shí)間效率。本發(fā)明允許光學(xué)單元在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)獲得圖象。
探測(cè)器需要一定的時(shí)間去檢測(cè)圖象，容許圖象的加工處理以及信號(hào)的創(chuàng)建產(chǎn)生。在光學(xué)單元運(yùn)動(dòng)的同時(shí)所探測(cè)到的圖象將會(huì)變得模糊。這些圖象在光學(xué)單元運(yùn)動(dòng)的距離上被平均。
由于空氣擾動(dòng)，無(wú)論單元是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)，探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)將有噪音。通過(guò)參數(shù)擬合數(shù)據(jù)能夠解決以上問(wèn)題。例如，如下面的描述，讀數(shù)為SX的直線度會(huì)被擬合為一束二次曲線。
Sx＝a+by+cz2 例如，由于空氣擾動(dòng)，由干涉儀獲取讀數(shù)時(shí)可能需要取時(shí)間-平均值。
盡管在優(yōu)選的實(shí)施例中，需要三個(gè)探測(cè)器以及三束平行光束在所有5個(gè)自由度上探測(cè)偏差，在該儀器中僅需要兩個(gè)探測(cè)器以及兩束平行束來(lái)探測(cè)任一平面內(nèi)的偏差。
還可以使用一個(gè)具有三束以上光束、回射器和探測(cè)器的系統(tǒng)。例如，可以將兩個(gè)回射器并排放置，如上面的例子所示，回射器中每?jī)蓚€(gè)都使另外一個(gè)在概念上位于它們之后，總共四個(gè)。這種排列方式提供了更多的用于平均的數(shù)據(jù)，從而提高了精確性。
應(yīng)將發(fā)射器單元方便地沿機(jī)械的一個(gè)軸向排列，這樣當(dāng)光學(xué)單元沿機(jī)械的一個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，投影光束將在探測(cè)器上保持集中。但是，實(shí)現(xiàn)機(jī)器各軸與底板的精確對(duì)齊有時(shí)是很困難的，底板上安裝有發(fā)射器單元。圖16A描述了與機(jī)器軸的X軸成一定角度的發(fā)射器單元10與光學(xué)單元12。因此發(fā)射器單元發(fā)射的光束102、104、106也因此與X軸成一定角度。如圖16B所示，當(dāng)光學(xué)單元12沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，入射光束102、104、106相對(duì)于光學(xué)單元12的位置發(fā)生了變化，這將導(dǎo)致探測(cè)器上的光斑運(yùn)動(dòng)，并可能使光斑完全運(yùn)動(dòng)出探測(cè)器的邊緣。
探測(cè)器上的光斑位置為已知時(shí)，可以利用這一信息來(lái)改變光學(xué)單元的行程矢量，使光斑停留在探測(cè)器的中心。
第一步光學(xué)單元先沿機(jī)器軸運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)可以預(yù)先確定一段距離，或者直至光斑移出探測(cè)器的邊緣結(jié)束。然后，利用光斑在探測(cè)器上的位置信息，機(jī)器的套筒，其上裝有光學(xué)單元，被用來(lái)修正光斑的位置，將光斑帶回到探測(cè)器的中心。當(dāng)已知光學(xué)單元的原始位置(x1，y1，z1)與新位置(x2，y2，z2)以及它們彼此之間的行程距離時(shí)，就可以確定能夠?qū)⒐獍咄Ａ粼谥行牡墓鈱W(xué)單元所需要運(yùn)動(dòng)的矢量。可以驅(qū)動(dòng)光學(xué)單元沿軸以平滑方式運(yùn)動(dòng)或者以步進(jìn)方式運(yùn)動(dòng)。
一旦確定了一根軸上的矢量，那么其它軸可以使用相同的矢量。如果每根軸的矢量是單獨(dú)確定的，那么為了確定矢量的垂直度，必須知道底板的垂直度偏差以及測(cè)量誤差。
與機(jī)器軸線相關(guān)的發(fā)射器單元偏移的問(wèn)題，有可以通過(guò)對(duì)底板的調(diào)整來(lái)解決。安裝了發(fā)射器單元的底板預(yù)先就配備了調(diào)整機(jī)制，以調(diào)整發(fā)射器單元位置的俯仰、滾轉(zhuǎn)和平擺誤差。能夠進(jìn)行調(diào)整底板的一種可能機(jī)制在PCT專利申請(qǐng)PCT/GB03/000175中有所描述。
如前面的方法所提到的，光學(xué)單元沿機(jī)器軸線運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)可以預(yù)先確定一段距離，或者直至光斑移出探測(cè)器的邊緣結(jié)束。位于探測(cè)器上的光斑位置已知，并且利用這一信息，對(duì)底板的角度進(jìn)行調(diào)整，直至光斑回到探測(cè)器的中心，從而用機(jī)器軸線對(duì)探測(cè)器進(jìn)行矯正。用戶可根據(jù)探測(cè)器反饋回的信息來(lái)了解底板應(yīng)沿哪根軸線調(diào)整，調(diào)整多少。既可以用手動(dòng)方式完成，也可以利用攝像機(jī)中的反饋信息，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)底板的調(diào)整機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)底板的自動(dòng)調(diào)整。在后一種情況下，對(duì)齊過(guò)程使用馬達(dá)，過(guò)程結(jié)束后關(guān)閉馬達(dá)。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量第一物體與第二物體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的偏差的裝置，包括
能夠安裝于第一物體上的發(fā)射器單元和能夠安裝于第二物體上的光學(xué)單元；
該發(fā)射器單元裝有一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器，且其中該發(fā)射器單元將至少一束光束指引向光學(xué)單元；
該光學(xué)單元裝有三個(gè)回射器，以向發(fā)射器單元反射三束光束；
其中，該一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器上的三束反射光束的位置被用于在5個(gè)自由度上確定運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于一直線的偏差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，在光學(xué)單元中裝有光學(xué)元件，以將該至少一束光束分離成三束光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，該至少一束光束包括三束光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，該一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器包括三個(gè)探測(cè)器。
5.一種用于測(cè)量機(jī)器各軸線的垂直度的裝置，該機(jī)器具有能夠彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一和第二部件，該裝置包括
能夠安裝于第一機(jī)器部件上的基座單元；
能夠安裝于基座單元上的發(fā)射器單元，基座單元以及發(fā)射器單元的至少一個(gè)表面設(shè)置有配合元件，以便在發(fā)射器單元的多個(gè)已知的相應(yīng)朝向上確定發(fā)射器單元相對(duì)于基座單元的位置，從而確定至少一束光束的方向；
能夠安裝于第二機(jī)器部件上的光學(xué)單元；
其中，發(fā)射器單元將至少一束光束指引向光學(xué)單元；
發(fā)射器單元和光學(xué)單元其中之一裝有一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器，以探測(cè)發(fā)射到光學(xué)單元或從光學(xué)單元反射回來(lái)的一束或多束光束；
從而通過(guò)沿著基座單元的兩軸線對(duì)發(fā)射器單元進(jìn)行定向并測(cè)量該至少一個(gè)探測(cè)器上的所述至少一束光束的偏差，就能夠確定所述兩軸線的垂直度。
6.一種用于測(cè)量第一物體相對(duì)于第二物體運(yùn)動(dòng)偏差的裝置，包括
能夠安裝于第一物體上的發(fā)射器單元；
能夠安裝于第二物體上的光學(xué)單元；
其中，發(fā)射器單元將至少一束光束指引向光學(xué)元件；
發(fā)射器單元和光學(xué)單元之一裝有一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器，以探測(cè)發(fā)射到光學(xué)單元或從光學(xué)單元反射回來(lái)的一束或多束光束；
探測(cè)器上光束的位置被作為反饋來(lái)調(diào)整發(fā)射器單元的位置或改變第二物體的運(yùn)動(dòng)矢量，以便在第一和第二物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將光束保持在探測(cè)器上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6裝置，其中，對(duì)發(fā)射器單元的位置或第二物體的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行調(diào)整，以便將光束保持在探測(cè)器上的基本相同的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的裝置，其中，發(fā)射器單元安裝在一個(gè)裝在第一物體上的可調(diào)基座單元上，并且通過(guò)調(diào)整該可調(diào)基座單元來(lái)調(diào)整發(fā)射器單元的位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光校準(zhǔn)儀。一種用于測(cè)量第一物體與第二物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)軌跡偏離直線的偏差的裝置，包括安裝于一個(gè)物體上的發(fā)射器單元；安裝于另一物體上的光學(xué)單元。其中，該發(fā)射器單元將至少一束光束指引向該光學(xué)元件，使兩束或多束光束進(jìn)入光學(xué)元件。發(fā)射器單元和光學(xué)單元的其中之一裝有兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)器，以探測(cè)兩束或多束發(fā)射到光學(xué)單元或從光學(xué)單元反射回來(lái)的光束。探測(cè)器上的光束的位置用于在至少一個(gè)自由度上計(jì)算一個(gè)物體相對(duì)于另一物體的運(yùn)動(dòng)軌跡與直線的偏差。這使得能夠測(cè)量直線度、俯仰、滾轉(zhuǎn)、平擺和垂直度。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101476883SQ20081013270
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2003年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月5日
發(fā)明者大衛(wèi)·羅伯茨·麥克默特里, 雷蒙·約翰·錢尼, 馬克·阿德里安·文森特·查普曼, 史蒂芬·馬克·安古德 申請(qǐng)人:瑞尼斯豪公司