具有相位和間距調(diào)整的掃描裝置制造方法
【專利摘要】一種用于確定物體的表面上的物點的三維坐標(biāo)的方法，該方法包括下述步驟：設(shè)置具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的透明板，第二區(qū)域具有不同于第一區(qū)域的楔角；將第一光束分束為第一光線和第二光線；發(fā)送第一光線使其通過第一區(qū)域或第二區(qū)域；對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生條紋圖案，條紋圖案的間距依賴于第一光線行進所通過的楔角；將物點成像到光敏陣列上的陣列點上以獲得電氣數(shù)據(jù)值；至少部分地基于電氣數(shù)據(jù)值確定第一物點的三維坐標(biāo)。
【專利說明】具有相位和間距調(diào)整的掃描裝置
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年7月14日提交的美國臨時專利申請第61/507，763號的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用合并于本申請中。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開內(nèi)容涉及一種坐標(biāo)測量裝置。一套坐標(biāo)測量裝置屬于通過將光的圖案投射到物體上并且采用攝像裝置記錄該圖案來測量點的三維(3D)坐標(biāo)的一類儀器。
[0004]—種特定類型的坐標(biāo)測量裝置(有時被稱為云紋干涉儀(accordion fringeinterferometer))通過由兩個小的密集的光斑所發(fā)出的發(fā)散波前的光的干涉來形成投射的光的圖案。對所得到的被投射在物體上的條紋圖案進行分析以在攝像裝置中的每個單獨像素中尋找表面點的3D坐標(biāo)。
[0005]在云紋干涉儀的一個實現(xiàn)中包括:衍射光柵、電容反饋傳感器、撓性平臺、多個激光源以及多個物鏡。這種類型的云紋干涉儀的制造相對昂貴并且在執(zhí)行測量時相對慢。所需要的是一種改進的尋找3D坐標(biāo)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種用于確定物體的表面上的第一物點的三維坐標(biāo)的方法包括下述步驟:設(shè)置具有第一透明區(qū)域和第二透明區(qū)域的第一透明板，第一區(qū)域具有第一表面、第二表面、第一折射率以及第一楔角，第一楔角是第一表面與第二表面之間的角，第二區(qū)域具有第三表面、第四表面、第二折射率以及第二楔角，第二楔角是第三表面與第四表面之間的角；將第一光束分束為第一光線和第二光線，第一光線和第二光線是互相相干的。該方法還包括:在第一種情況下，發(fā)送第一光線使其通過第一區(qū)域，第一光線穿過第一表面和第二表面，第一區(qū)域配置為以第一偏轉(zhuǎn)角改變第一光線的方向，第一偏轉(zhuǎn)角與第一楔角和第一折射率相對應(yīng)；在第二種情況下，發(fā)送第一光線使其通過第二區(qū)域，第一光線穿過第三表面和第四表面，第二區(qū)域配置為以第二偏轉(zhuǎn)角改變第一光線的方向，第二偏轉(zhuǎn)角與第二楔角和第二折射率相對應(yīng)，其中，第二偏轉(zhuǎn)角不同于第一偏轉(zhuǎn)角。該方法還包括:在第一種情況下，對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生第一條紋圖案，第一條紋圖案在第一物點處具有第一間距，第一間距與第一偏轉(zhuǎn)角相對應(yīng)；在第二種情況下，對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生第二條紋圖案，第二條紋圖案在第一物點處具有第二間距，第二間距與第二偏轉(zhuǎn)角相對應(yīng)，第二間距不同于第一間距；在第一種情況下，將第一物點成像到光敏陣列上的第一陣列點上以從光敏陣列獲得第一電氣數(shù)據(jù)值；在第二種情況下，將第一物點成像到光敏陣列上的第一陣列點上以從光敏陣列獲得第二電氣數(shù)據(jù)值；至少部分地基于第一電氣數(shù)據(jù)值和第二電氣數(shù)據(jù)值確定第一物點的三維坐標(biāo)；以及存儲第一物點的三維坐標(biāo)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種用于確定物體的表面上的第一物點的三維坐標(biāo)的方法包括下述步驟:將第一光束分束為第一光線和第二光線，第一光線和第二光線是互相相干的；設(shè)置包括透明板和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的第一透明板裝配體，第一透明板具有第一表面、第二表面、第一折射率、第一厚度,第一表面和第二表面基本上是平行的，第一厚度是第一表面與第二表面之間的距離，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)配置為對第一透明板進行旋轉(zhuǎn)。該方法還包括:在第一實例中，對第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得第一表面關(guān)于第一光線的第一入射角；在第二實例中，對第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得第一表面關(guān)于第一光線的第二入射角，第二入射角不等于第一入射角；在第三實例中，對第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得第一表面關(guān)于第一光線的第三入射角，第三入射角不等于第一入射角或第二入射角。該方法還包括:在第一實例中，對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生第一條紋圖案；在第二實例中，對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生第二條紋圖案；在第三實例中，對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生第三條紋圖案；在第一實例中，將第一物點成像到光敏陣列上的第一陣列點上以從光敏陣列獲得第一電氣值；在第二實例中，將第一物點成像到第一陣列點上以從光敏陣列獲得第二電氣值；在第三實例中，將第一物點成像到第一陣列點上以從光敏陣列獲得第三電氣值；至少部分地基于第一電氣數(shù)據(jù)值、第二電氣數(shù)據(jù)值、第三電氣數(shù)據(jù)值、第一厚度、第一折射率、第一入射角、第二入射角以及第三入射角確定第一物點的三維坐標(biāo)；以及存儲第一物點的三維坐標(biāo)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，一種用于確定物體的表面上的第一物點的三維坐標(biāo)的方法包括下述步驟:將第一光束分束為第一光線和第二光線，第一光線和第二光線是互相相干的；設(shè)置包括透明板和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的第一透明板裝配體，第一透明板具有第一表面、第二表面、第一折射率、第一厚度,第一表面和第二表面基本上是平行的，第一厚度是第一表面與第二表面之間的距離，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)配置為對第一透明板進行旋轉(zhuǎn)。該方法還包括:在第一實例中，對第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得第一表面關(guān)于第一光線的第一入射角；在第二實例中，對第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得第一表面關(guān)于第一光線的第二入射角，第二入射角不等于第一入射角；在第三實例中，對第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得第一表面關(guān)于第一光線的的第三入射角，第三入射角不等于第一入射角或第二入射角。該方法還包括:在第一實例中，對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生第一條紋圖案；在第二實例中，對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生第二條紋圖案；在第三實例中，對第一光線和第二光線進行組合以在物體的表面上產(chǎn)生第三條紋圖案；在第一實例中，將第一物點成像到光敏陣列上的第一陣列點上以從光敏陣列獲得第一電氣值；在第二實例中，將第一物點成像到第一陣列點上以從光敏陣列獲得第二電氣值；在第三實例中，將第一物點成像到第一陣列點上以從光敏陣列獲得第三電氣值；至少部分地基于第一電氣數(shù)據(jù)值、第二電氣數(shù)據(jù)值、第三電氣數(shù)據(jù)值、第一厚度、第一折射率、第一入射角、第二入射角以及第三入射角確定第一物點的三維坐標(biāo)；以及存儲第一物點的三維坐標(biāo)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]現(xiàn)在參照附圖示出了示例性的實施例，該示例性的實施例不應(yīng)被理解為是對關(guān)于本公開內(nèi)容的整個范圍的限制，并且其中在幾幅附圖中以相同的方式對元件進行編號:
[0010]圖1是示出了 3D測量裝置的操作的三角測量原理的示意圖；
[0011]圖2是示出了依照本發(fā)明的實施例的示例性投影機的元件的框圖；
[0012]圖3是示出了依照本發(fā)明的實施例的示例性投影機的主要元件的示意圖；[0013]包括圖4A和圖4B的圖4是示出了與將光的兩個準(zhǔn)直光束發(fā)送到透鏡相關(guān)的效果的不意圖；
[0014]圖5是對于將光發(fā)送到示例性投影機中的物鏡的兩種不同方式、在工件上所觀測到的干涉圖案的曲線圖；
[0015]圖6是對穿過傾斜窗口和非傾斜窗口的光射線的幾何結(jié)構(gòu)進行比較的示意圖；
[0016]圖7是示出了穿過一對傾斜窗口的光射線的幾何結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0017]圖8A和圖SB是示出了依照本發(fā)明的實施例在不同旋轉(zhuǎn)角度下的相位調(diào)節(jié)器機構(gòu)的頂視圖的圖；
[0018]圖9A和圖9B是分別示出了依照本發(fā)明的實施例的相位調(diào)節(jié)器機構(gòu)的側(cè)視圖和頂視圖的圖；
[0019]圖1OA和圖1OB是分別示出了依照本發(fā)明的實施例的相位調(diào)節(jié)器板的正視圖和橫截面圖的圖；
[0020]圖11是示出了穿過傾斜的并且呈楔形的窗口的光射線的幾何結(jié)構(gòu)的圖；
[0021]圖12是示出了穿過依照本發(fā)明的實施例的、包括三個楔形窗口的裝配體的光射線的幾何結(jié)構(gòu)的圖；
[0022]圖13A和圖13B是條紋間距調(diào)節(jié)器裝配體的頂視圖和側(cè)視圖；
[0023]圖14A至圖14D是分別示出了依照本發(fā)明的實施例的相位和間距調(diào)節(jié)器窗口的正視圖、第一截面視圖、第二截面視圖以及頂視圖的圖；
[0024]圖15A和圖15B分別是依照本發(fā)明的實施例的、能夠調(diào)節(jié)相位和條紋間距的裝配體的正視圖和頂視圖；
[0025]圖16是示出了依照本發(fā)明的實施例的、對相位/條紋調(diào)節(jié)器施加線性運動的機動化平臺的元件的示意圖；
[0026]圖17是示出了依照本發(fā)明的實施例的、由電機旋轉(zhuǎn)至由角編碼器所測量的角度的反射鏡的示意圖；
[0027]圖18A是示出了依照本發(fā)明的實施例的移相器的框圖；
[0028]圖18B是示出了依照本發(fā)明的實施例的、用于使相位和條紋間距偏移的空間光調(diào)制器的框圖；
[0029]圖19是示出依照本發(fā)明的實施例的、由壓電平臺所調(diào)整的反射鏡的框圖；
[0030]包括圖20A至圖20D的圖20是示出了依照本發(fā)明的實施例通過采用致動器將反射鏡推動到固定的停止件來設(shè)置反射鏡的角度的方法的示意圖；以及
[0031]圖21是示出了依照本發(fā)明的實施例的替選的干涉儀裝置的元件的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]在圖1中示出了根據(jù)云紋干涉法的原理而進行操作的示例性3D測量裝置100。在電子單兀150控制下的投影機160產(chǎn)生兩個小的光斑112、114。這些光斑在工件130的表面上產(chǎn)生條紋圖案。根據(jù)兩條光射線120、122在點124處的干涉來確定在特定點124處的圖案的輻照度。光射線120、122在工件130的表面上的各種點處發(fā)生增強干涉或相消干涉，從而產(chǎn)生條紋圖案。攝像裝置140包括透鏡系統(tǒng)142和光敏陣列146。攝像裝置140在光敏陣列146上形成工件130上的光的圖案的圖像。來自點124的光可以被認為穿過了透鏡系統(tǒng)142的對稱中心144，從而在光敏陣列上形成了圖像點128。光敏陣列146的特定像素接收從工件130的表面的小的區(qū)域所散射的光。根據(jù)攝像裝置140 (包括透鏡系統(tǒng)142)的幾何性質(zhì)可知限定從該小的區(qū)域穿過透視中心144到特定像素的方向的兩個角度。
[0033]落到光敏陣列146上的光被轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，該數(shù)字電信號被發(fā)送到電子單元150進行處理。包括有處理器的電子單元150對從透視中心144到工件130的表面上的每個點的距離進行計算。這種計算至少部分地基于從攝像裝置140到投影機160的已知距離164。如在本文中以上所解釋地，對于攝像裝置140中的每個像素，兩個角度和所計算出的距離是已知的。通過對從所有像素所獲得的信息進行組合，獲得了工件表面的三維映射。
[0034]根據(jù)圖1中所示的系統(tǒng)100使用云紋干涉法來計算距離的方法是:移動兩個斑點112、114的相對相位，其具有移動工件上的條紋的效果。攝像裝置的每個像素針對三個相移中的每個來對從相等的曝光所獲得的光線水平進行測量，該三個相移是通過改變斑點112、114的相對相位獲得的。對于每個像素，電子單元150內(nèi)的處理器使用至少三個所測量的光線水平來計算到工件表面130上的區(qū)域的距離。
[0035]如果從掃描裝置到工件的距離會以相對大的量發(fā)生改變，則掃描裝置還將需要分辨所測量距離的模糊度的能力。在這種情況下，因為條紋之間的間隔相對小，所以基于由攝像裝置所采集的圖像存在幾種可能的有效的距離解?？梢酝ㄟ^以已知量改變條紋之間的間隔(間距)并且然后重復(fù)進行相移測量來移除這種模糊度。在實施例中，使用了三個不同的條紋間距。為了計算3D坐標(biāo)，在大多數(shù)情況下系統(tǒng)100需要至少兩個條紋間距值。
[0036]圖2示出了根據(jù)實施例的示例性投影機200的元件。光源210將光發(fā)送到光束分離器220。光被分束成兩部分，一部分可以穿過可選的相位/條紋調(diào)節(jié)器280以及另一部分可以穿過可選的相位/條紋調(diào)節(jié)器282。在光束組合器230中對兩束光進行組合。光穿過光束擴展器240、物鏡260以及可選的相位/條紋調(diào)節(jié)器288。由物鏡260形成兩個光斑270，該兩個斑點可以是實的或虛的。例如，如果物鏡260是會聚透鏡，則可以形成實的斑點；并且如果物鏡260是發(fā)散透鏡，則可以形成虛的斑點。干涉發(fā)生在交疊區(qū)域275中并且可以在工件表面上的點處看到。
[0037]圖3示出了與圖2的通用元件相對應(yīng)的示例性投影機300的特定元件。光源310提供可能來自激光器、超發(fā)光二極管、LED或其他源的光。在實施例中，來自光源310的光通過光纖312行進到包括有套接管322和透鏡324的光纖發(fā)射機320。替選地，來自光源310的光可以行進通過自由空間到達透鏡324。離開光纖發(fā)射機320的準(zhǔn)直光380行進到將光分束為透射部分382和反射部分386的分束器330。在實施例中，分束器330的第一表面的涂層反射50%的光并且透射50%的光，以及分束器330的第二表面的涂層是防反射涂層。
[0038]光386由反射鏡332反射，行進通過可選的相位/條紋調(diào)節(jié)器340，并且穿過光束組合器356的第一區(qū)域，該第一區(qū)域具有防反射涂層352。光382穿過可選的相位/條紋調(diào)節(jié)器342，由反射鏡334反射，并且由光束組合器356的第二區(qū)域354反射，該第二區(qū)域具有反射涂層。從光束組合器356出射的兩束光385、389在位置390處相交。在實施例中包括兩個會聚透鏡元件362、364的遠焦光束擴展器360被定位成使得第一透鏡元件362的焦距被置于距交叉點390等于第一透鏡元件362的焦距的距離處。第一透鏡元件362將兩個準(zhǔn)直光束385、389在距第一透鏡362的距離處聚焦成兩個光斑。透鏡362與透鏡364之間的距離等于f\+f2，以使得在光束擴展器內(nèi)的兩個光斑距第二透鏡元件364為距離f2。兩個準(zhǔn)直光束391、393從光束擴展器360中出射。出射的光束391、393的大小等于光束擴展器的橫向放大率M乘以入射光束的大小，其中，放大率為MzfVf1。與入射激光束391、393之間的角度相比，兩個出射的激光束之間的角度減少到1/M。作為示例,假設(shè)每個入射激光束385,389的直徑為0.7mm，光束的分離角為120毫弧度(mrad)。還假設(shè)光束擴展器360的橫向放大率為M=10。然后，出射的激光束391、393各自的直徑為7mm并且分離角為12mrad。從光束擴展器360中出射的準(zhǔn)直光束391、393在位置392處相交。放置例如可以是焦距為f0=4.5mm并且數(shù)值孔徑為NA=0.65的40倍顯微物鏡的物鏡370，以使得從物鏡370的前焦距位置到交叉點392的距離等于物鏡370的焦距4。物鏡370將準(zhǔn)直光束391、準(zhǔn)直光束393聚焦成兩個小的斑點394。
[0039]對于具有上述特征的高品質(zhì)物鏡370，光束滿溢入口孔徑，因此對于波長為658nm的光，聚焦的斑點的直徑的直徑合理近似值為dfl.22 A /NA=L 22 (0.658X10’/0.65mm=1.24微米。每個光束發(fā)散到值稍大于0 1/2=4 X 2/ji dQ2=0.27弧度的遠場半角。例如，如果從3D測量裝置到工件的距離為L=0.75米，則由發(fā)散光束所覆蓋的區(qū)域稍大于w=2Ltan(0 1/2)=0.4米。假設(shè)期望的三個不同的條紋間隔(間距)，并且假設(shè)這些間隔可以通過將兩個小的斑點394之間的距離％ (i=l，2，3)設(shè)置成三個不同值:46微米、52微米以及58微米而獲得。在這種情況下，對于三個期望的斑點間隔，準(zhǔn)直光束391、393之間的分離角由Y ^8^0=(10.2，11.6，12.9}毫弧度給出。對于三個斑點間隔，在位于距投影點394的距離為r的工件上的條紋之間的間隔Iii為A /r。對于距離r=L，三個條紋間隔為入/L= {10.7,9.5,8.5}mm。
[0040]圖4A示出了以關(guān)于光軸412的一個角度進入透鏡410并且穿過透鏡410的前焦點417的兩個準(zhǔn)直光束420、424。在這種情況下，光束420的中央射線422出射成為平行于光軸412的射線434。光束420的射線在后焦面處聚焦成小的斑點436，后焦面是穿過后焦點418并且垂直于光軸412的平面。光束424的中央射線426出射成為平行于光軸412的射線430。光束424的射線在后焦面處聚焦成小的光斑432。對于光束420與424之間的分離角Y以及焦距為fQ的`透鏡，小的斑點436與432之間的距離為a= Y fQ。對于圖4A中所示的情況，光束從點432、436發(fā)散到附圖的右邊，并且對于這兩束光，代表光束的投射能量中心的方向的中央射線430、434平行于光軸。在實施例中，斑點432、436之間的間隔a是50微米數(shù)量級上的小值。從斑點432、436出射的光發(fā)散并且在工件處可以擴展到大于0.4米。為了確保光束的最大的交疊，中央射線430和434應(yīng)當(dāng)沿著平行于光軸的方向440、442 出射。
[0041]圖4B示出了不穿過透鏡410的前焦點的兩個準(zhǔn)直光束460、464。光束460的中央射線462沿著不平行于光軸412的方向從透鏡410中出射。光束460的射線被聚焦成透鏡410的后焦面中的小的斑點476，但是能量480沿著不平行于光軸的方向480發(fā)送。光束464的中央射線465沿著不平行于光軸412的方向從透鏡410中出射。光束464的射線被聚焦成透鏡410的后焦面中的小的斑點472，但是能量沿著不平行于光軸的方向482發(fā)送。
[0042]針對在圖4A和4B中所描繪的兩種情況，圖5對條紋輻照度進行了比較。在圖表500中，標(biāo)繪值指示工件上的條紋的相對輻照度，在這種情況下工件距離從-250mm延伸到+250mm。標(biāo)繪值510代表當(dāng)來自兩個斑點394的能量中心平行于光軸行進以使得光束達到最大的交疊時所獲得的相對條紋輻照度。標(biāo)繪值520代表當(dāng)?shù)谝桓咚辜す馐闹行呐c工件的中心偏移了等于高斯W (半徑)值的量(在這種情況下該量為200mm)時所獲得的相對條紋輻照度。第二高斯激光束的中心與工件的中心偏移了相等的量，但是沿著相反的方向(-200mm)。當(dāng)光束沒有完全交疊時，干涉光束的輻照度較低。因此，需要較長的曝光時間。另外，在520的條紋圖案中，未調(diào)制的光(來自攝像裝置像素的“DC”電平)相對較大，尤其在邊緣附近。圖表中的調(diào)制水平是在被照射工件的特定部分處、相對于最大輻照度的條紋的峰谷變化。因為對于交疊的光束調(diào)制深度為100%，所以對于這種情況調(diào)制水平是恒定的。因為對于光束不交疊的情況，在工件的邊緣附近調(diào)制深度減小，所以對于這種情況調(diào)制深度減小。因為DC電平確定了在使得光敏陣列的阱滿溢之前可能的曝光量，所以當(dāng)光束沒有交疊時，在視場的邊緣附近沒有獲得高的調(diào)制深度并且精度受到損害。
[0043]對圖4和圖5的理解幫助解釋了圖3中光束擴展器360的益處。假設(shè)從圖3的框圖中移除光束擴展器?？紤]下述情況:在該情況中，進入物鏡370的光束391、393的期望的直徑為7mm，期望的分離角為10.2mrad。則在光束組合器385處，光束385、389的中心之間所需的分離是7mm。使得光束385、光束389達到交叉點392所需的距離為7mm/10.2mrad=686mm,其遠遠大于在便攜式或臺式掃描裝置中可以使用的距離。
[0044]下文考慮了用于移相、改變條紋間距或同時進行二者的各種方法。執(zhí)行這些功能的裝置被稱為相位/條紋調(diào)節(jié)器。
[0045]圖6示出了用于通過旋轉(zhuǎn)具有平行的入口側(cè)和出口側(cè)的玻璃窗口來使得光束630的相位偏移的物理原理。圖不600不出了傾斜成具有入射角a (相對于光束630)的第一窗口 610和傾斜成具有零度入射角(相對于光束632)的第二相同窗口 620。窗口 610旋轉(zhuǎn)的結(jié)果是增加了光行進的光程長度(0PL)，這種增加對應(yīng)于光的相位的增加。以入射角a進入窗口的光在玻璃內(nèi)以角度b發(fā)生折射。光在厚度為t的玻璃窗口 610中行進的距離為t/cos(b)，并且光在玻璃窗口 620中行進的距離為t。對于垂直參考距離T，光束630在空氣中行進的距離為T-tC0S(b-a)/C0S(b)。光束632在空氣中行進的距離為T-t。對于折射率為n的玻璃，光束630的總的光程長度(OPL)(包括玻璃路徑和空氣路徑兩者)為nt/cos (b) +T-tcos (b-a) /cos (b)。非傾斜玻璃的總的OPL為nt+T_t。行進在傾斜玻璃中的總的OPL與行進在非傾斜玻璃中的總的OPL之間的差由下述等式給出:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定物體的表面(130)上的第一物點(124)的三維坐標(biāo)的方法，所述方法包括下述步驟: 設(shè)置具有第一透明區(qū)域(1212，1310，1510)和第二透明區(qū)域(1210，1315，1508)的第一透明板(1100，1200，1300，1400，1500，1620)，第一區(qū)域具有第一表面(1112，1422)、第二表面(1114，1420)、第一折射率以及第一楔角，所述第一楔角是所述第一表面與所述第二表面之間的角，第二區(qū)域具有第三表面(1112，1422)、第四表面(1114，1420)、第二折射率以及第二楔角，所述第二楔角是所述第三表面與所述第四表面之間的角； 將第一光束分束為第一光線(386, 382)和第二光線(382, 386),所述第一光線和所述第二光線是互相相干的； 在第一種情況下，發(fā)送所述第一光線使其通過所述第一區(qū)域，所述第一光線穿過所述第一表面和所述第二表面，所述第一區(qū)域被配置為以第一偏轉(zhuǎn)角改變所述第一光線的方向，所述第一偏轉(zhuǎn)角與所述第一楔角和所述第一折射率相對應(yīng)； 在第二種情況下，發(fā)送所述第一光線使其通過所述第二區(qū)域，所述第一光線穿過所述第三表面和所述第四表面，所述第二區(qū)域被配置為以第二偏轉(zhuǎn)角改變所述第一光線的方向，所述第二偏轉(zhuǎn)角與所述第二楔角和所述第二折射率相對應(yīng)，其中，所述第二偏轉(zhuǎn)角不同于所述第一偏轉(zhuǎn)角； 在所述第一種情況下，對所述第一光線和所述第二光線進行組合以在所述物體的表面上產(chǎn)生第一條紋圖案(275, 510, 520),所述第一條紋圖案在所述第一物點處具有第一間距，所述第一間距與所述第一偏轉(zhuǎn)角相對應(yīng)； 在所述第二種情況下，對所述第一光線和所述第二光線進行組合以在所述物體的表面上產(chǎn)生第二條紋圖案(275，510，520)，所述第二條紋圖案在所述第一物點處具有第二間距，所述第二間距與所述第二偏轉(zhuǎn)角相對應(yīng)，所述第二間距不同于所述第一間距； 在所述第一種情況下，將所述第一物點成像到光敏陣列(146)上的第一陣列點(128)上以從所述光敏陣列獲得第一電氣數(shù)據(jù)值(152)； 在所述第二種情況下，將所述第一物點成像到所述光敏陣列上的所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第二電氣數(shù)據(jù)值； 至少部分地基于所述第一電氣數(shù)據(jù)值和所述第二電氣數(shù)據(jù)值確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)；以及 存儲所述第一物點的所述三維坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置第二透明板(1000)，所述第二透明板具有第三透明區(qū)域(1020)和第四透明區(qū)域(1030)，第三區(qū)域具有第五表面、第六表面、第三折射率、第一厚度以及第一光程長度，所述第五表面和所述第六表面基本上是平行的，所述第一厚度是所述第五表面與所述第六表面之間的距離，所述第一光程長度是所述第一厚度乘以所述第三折射率，第四區(qū)域具有第七表面、第八表面、第四折射率、第二厚度以及第二光程長度，所述第七表面和所述第八表面基本上是平行的，所述第二厚度是所述第七表面與所述第八表面之間的距離，所述第二光程長度是所述第二厚度乘以所述第四折射率，其中，所述第一光程長度和所述第二光程長度是不同的； 在所述第一種情況下，發(fā)送所述第一光線或所述第二光線中的一個使其在第一實例中通過所述第三區(qū)域并且在第二實例中通過所述第四區(qū)域； 在所述第二種情況下，發(fā)送所述第一光線或所述第二光線中的所述一個光線使其在第三實例中通過所述第三區(qū)域并且在第四實例中通過所述第四區(qū)域； 對于所述第一實例，將所述第一物點成像到所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第三電氣數(shù)據(jù)值； 對于所述第二實例，將所述第一物點成像到所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第四電氣數(shù)據(jù)值； 對于所述第三實例，將所述第一物點成像到所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第五電氣數(shù)據(jù)值； 對于所述第四實例，將所述第一物點成像到所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第六電氣數(shù)據(jù)值；以及 在確定所述三維坐標(biāo)的步驟中，所述第一物點的所述三維坐標(biāo)還至少部分地基于所述第三電氣值、所述第四電氣值、所述第五電氣值以及所述第六電氣值，其中，所述第一電氣值等于所述第三電氣值并且所述第二電氣值等于所述第五電氣值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括下述步驟: 在設(shè)置所述第二透明板的步驟中，還包括第五區(qū)域(1040)，所述第五區(qū)域具有第九表面、第十表面、第五折射率、第三厚度以及第三光程長度，所述第九表面和所述第十表面基本上是平行的，所述第三厚度是所述第九表面與所述第十表面之間的距離，所述第三光程長度是所述第三厚度乘以 所述第五折射率，其中，所述第三光程長度不同于所述第一光程長度和所述第二光程長度； 在所述第一種情況下，發(fā)送所述第一光線或所述第二光線中的一個使其在第五實例中通過所述第五區(qū)域； 在所述第二種情況下，發(fā)送所述第一光線或所述第二光線中的一個光線使其在第六實例中通過所述第五區(qū)域； 對于所述第五實例，將所述第一物點成像到所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第七電氣值； 對于所述第六實例，將所述第一物點成像到所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第八電氣值；以及 在確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)的步驟中，還包括進一步基于所述第七電氣值和所述第八電氣值確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括下述步驟: 至少部分地基于所述第三電信號、所述第五電信號以及所述第七電信號計算所述第一陣列點的第一相位值； 至少部分地基于所述第四電信號、所述第六電信號以及所述第八電信號計算所述第一陣列點的第二相位值；以及 在確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)的步驟中，所述第一物點的所述三維坐標(biāo)還至少部分地基于所述第一相位值和所述第二相位值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置第一透鏡系統(tǒng)(370);發(fā)送被組合的所述第一光線和所述第二光線使其通過所述第一透鏡系統(tǒng)，以形成第一光斑(394)和第二光斑(394);以及 將所述第一光斑和所述第二光斑傳播到所述物體上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置第二透鏡系統(tǒng)(360)，所述第二透鏡系統(tǒng)是橫向放大率大于I的遠焦透鏡系統(tǒng)；以及 在發(fā)送被組合的所述第一光線和所述第二光線使其通過所述第一透鏡系統(tǒng)之前，發(fā)送被組合的所述第一光線和所述第二光線使其通過所述第二透鏡系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置第一分束器(356)，所述第一分束器具有配置為對光線進行反射的第一部分(354)以及配置為對光線進行透射的第二部分(352);以及 在對所述第一光線和所述第二光線進行組合之前，對所述第一光線進行反射使其離開所述第一部分并且對所述第二光線進行透射使其通過所述第二部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置第一分束器(356)，所述第一分束器具有配置為對光線進行反射的第一部分(354)以及配置為對光線進行透射的第二部分(352);以及 在對所述第一光線和所述第二光線進行組合之前，對所述第二光線進行反射使其離開所述第一部分并且對所述第`一光線進行透射使其通過所述第二部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置光纖(322)、準(zhǔn)直透鏡(324)以及第二分束器(330);以及 從所述光纖發(fā)射第三光線； 采用所述準(zhǔn)直透鏡對所述第三光線進行準(zhǔn)直以形成所述第一光束(380);以及 在分束所述第一光束的步驟中，還包括將所述第一光束發(fā)送到所述第二分束器以獲得所述第一光線和所述第二光線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在分束第一光束的步驟中，所述第一光束選自由可見光、紅外光和紫外光構(gòu)成的組。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在設(shè)置所述第一透明板(1400，1500)的步驟中，還包括設(shè)置第三透明區(qū)域(1414)和第四透明區(qū)域的步驟，所述第一區(qū)域還具有第一厚度和第一光程長度，所述第二區(qū)域還具有第二厚度和第二光程長度，所述第三區(qū)域具有第五表面、第六表面、第三楔角、第三折射率、第三厚度以及第三光程長度，所述第四區(qū)域具有第七表面、第八表面、第四折射率、第四楔角、第四厚度以及第四光程長度，所述第一厚度是沿著所述第一表面與所述第二表面之間的第一路徑的長度，所述第一光程長度是所述第一厚度乘以所述第一折射率，所述第二厚度是沿著所述第三表面與所述第四表面之間的第二路徑的長度，所述第二光程長度是所述第二厚度乘以所述第二折射率的長度，所述第三楔角是所述第五表面與所述第六表面之間的角，所述第三厚度是沿著所述第五表面與所述第六表面之間的第三路徑的長度，所述第三光程長度是所述第三厚度乘以所述第三折射率，所述第四楔角是所述第七表面與所述第八表面之間的角，所述第四厚度是沿著所述第七表面與所述第八表面之間的第四路徑的長度，所述第四光程長度是所述第四厚度乘以所述第四折射率，其中，所述第三楔角基本上等于所述第一楔角，所述第四楔角基本上等于所述第二楔角，所述第三光程長度不同于所述第一光程長度，以及所述第四光程長度不同于所述第二光程長度； 在所述第一種情況下發(fā)送所述第一光線使其通過所述第一區(qū)域的步驟中，還包括:在第一實例中，沿著所述第一路徑發(fā)送所述第一光線的步驟； 在所述第二種情況下發(fā)送所述第一光線使其通過所述第二區(qū)域的步驟中，還包括:在第二實例中，沿著所述第二路徑發(fā)送所述第一光線的步驟； 在第三實例中，沿著所述第三路徑發(fā)送所述第一光線； 在第四實例中，沿著所述第四路徑發(fā)送所述第一光線； 在所述第一種情況下對所述第一物點進行成像的步驟中，還包括:在所述第一實例中，將所述第一物點成像在所述光敏陣列上以獲得所述第一電氣值的步驟； 在所述第二種情況下對所述第一物點進行成像的步驟中，還包括:在所述第二實例中，將所述第一物點成像在所述光敏陣列上以獲得所述第二電氣值的步驟； 在所述第三實例中，將所述第一物點成像在所述光敏陣列上以從所述光敏陣列獲得第三電氣值； 在所述第四實例中，將所述第一物點成像在所述光敏陣列上以從所述光敏陣列獲得第四電氣值；以及 在確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)的步驟中，還包括至少部分地基于所述第三電氣值和所述第四電氣值確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括下述步驟: 在設(shè)置所述第一透明板的步驟中，還包括設(shè)置第五區(qū)域和第六區(qū)域的步驟，所述第五區(qū)域具有第九表面、第十表面、第五楔角、第五折射率、第五厚度以及第五光程長度，所述第六區(qū)域具有第十一表面、第十二表面、第六楔角、第六折射率、第六厚度以及第六光程長度，所述第五楔角是所述第九表面與所述第十表面之間的角，所述第五厚度是沿著所述第九表面與所述第十表面之間的第五路徑的長度，所述第五光程長度是所述第五厚度乘以所述第五折射率，所述第六楔角是所述第十一表面與所述第十二表面之間的角，所述第六厚度是沿著所述第十一表面與所述第十二表面之間的第六路徑的長度，所述第六光程長度是所述第六厚度乘以所述第六折射率，其中，所述第五楔角基本上等于所述第一楔角，所述第六楔角基本上等于所述第二楔角，所述第五光程長度不同于所述第一光程長度和所述第三光程長度，以及所述第六光程長度不同于所述第二光程長度和所述第四光程長度； 在第五實例中，沿著所述第五路徑發(fā)送所述第一光線； 在第六實例中，沿著所述第六路徑發(fā)送所述第一光線； 在所述第五實例中，將所述第一物點成像在所述光敏陣列上以從所述光敏陣列獲得第五電氣值； 在所述第六實例中，將所述第一物點成像在所述光敏陣列上以從所述光敏陣列獲得第六電氣值；以及 在確定所述三維坐標(biāo)的步驟中，還至少部分地基于所述第五電氣值和所述第六電氣值確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括下述步驟: 至少部分地基于所述第一電信號、所述第三電信號以及所述第五電信號計算所述第一陣列點的第一相位值； 至少部分地基于所述第二電信號、所述第四電信號以及所述第六電信號計算所述第一陣列點的第二相位值；以及 在確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)的步驟中，所述第一物點的所述三維坐標(biāo)還至少部分地基于所述第一相位值和所述第二相位值。
14.一種用于確定物體的表面(130)上的第一物點(124)的三維坐標(biāo)的方法，所述方法包括下述步驟: 設(shè)置具有第一透明區(qū)域(1020)、第二透明區(qū)域(1030)以及第三透明區(qū)域(1040)的第一透明板(1000)，所述第一區(qū)域具有第一表面、第二表面、第一折射率以及第一光程長度，所述第二區(qū)域具有第三表面、第四表面、第二折射率以及第二光程長度，所述第三區(qū)域具有第五表面、第六表面、第三折射率以及第三光程長度，所述第一表面和所述第二表面基本上是平行的，所述第一厚度是所述第一表面與所述第二表面之間的距離，所述第一光程長度是所述第一厚度乘以所述第一折射率，所述第三表面和所述第四表面基本上是平行的，所述第二厚度是所述第三表面與所述第四表面之間的距離，所述第二光程長度是所述第二厚度乘以所述第二折射率，所述第五表面和所述第六表面基本上是平行的，所述第三厚度是所述第五表面與所述第六表面之間的距離，所述第三光程長度是所述第三厚度乘以所述第三折射率，其中，所述第一光程長度、所述第二光程長度以及所述第三光程長度是不同的；將第一光束(380)發(fā)送到第一分束器(330)； 米用所述第一分束器將所述第一光束分束為第一光線(386, 382)和第二光線(382,386)，所述第一光線和所述第二光線是互相相干的； 在第一實例中，發(fā)送所述第一光線使其通過所述第一區(qū)域，所述第一光線穿過所述第一表面和所述第二表面； 在第二實例中，發(fā)送所述第一光線使其通過所述第二區(qū)域，所述第一光線穿過所述第三表面和所述第四表面；` 在第三實例中，發(fā)送所述第一光線使其通過所述第三區(qū)域，所述第一光線穿過所述第五表面和所述第六表面； 將所述第一光線和所述第二光線發(fā)送到光束組合器(385); 采用所述光束組合器對所述第一光線和所述第二光線進行組合以形成第三光線； 將所述第三光線發(fā)送到所述物體的表面(130)上； 在所述第一實例中，將所述第一物點(124)成像到光敏陣列(146)上的第一陣列點(128)上以從所述光敏陣列獲得第一電氣值； 在所述第二實例中，將所述第一物點成像到所述光敏陣列上的所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第二電氣值； 在所述第三實例中，將所述第一物點成像到所述光敏陣列上的所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第三電氣值； 至少部分地基于所述第一電氣數(shù)據(jù)值、所述第二電氣數(shù)據(jù)值以及所述第三電氣數(shù)據(jù)值確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)；以及存儲所述第一物點的所述三維坐標(biāo)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括下述步驟:設(shè)置具有配置為對光線進行反射的第一部分(354)以及配置為對光線進行透射的第二部分(352)的所述光束組合器(356)； 對所述第一光線(384)進行反射使其離開所述第一部分；以及對所述第二光線(386 )進行透射使其通過所述第二部分，其中，對被反射的第一光線和被透射的第二光線進行組合以形成所述第三光線。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置具有配置為對光線進行反射的第一部分(354)以及配置為對光線進行透射的第二部分(352)的所述光束組合器(356)； 對所述第二光線(384)進行反射使其離開所述第一部分；以及對所述第一光線(386 )進行透射使其通過所述第二部分，其中，對被反射的第二光線和被透射的第一光線進行組合以形成所述第三光線。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括下述步驟: 至少部分地基于所述第一電信號、所述第二電信號以及所述第三電信號計算所述第一陣列點的相位值；以及 在確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)的步驟中，所述第一物點的所述三維坐標(biāo)還至少部分地基于所述相位值。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置第一透鏡系統(tǒng)(370); 發(fā)送所述第三光線使其通過所述第一透鏡系統(tǒng)以形成第一光斑(394)和第二光斑(394);以及 將所述第一光斑和所述第二光斑傳播到所述物體上。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置第二透鏡系統(tǒng)(360)，所述第二透鏡系統(tǒng)是橫向放大率大于I的遠焦透鏡系統(tǒng)；以及 在發(fā)送所述第三光線使其通過所述第一透鏡系統(tǒng)之前，發(fā)送所述第三光線使其通過所述第二透鏡系統(tǒng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置光纖(312)、準(zhǔn)直透鏡(324)以及第二分束器(330);以及 從所述光纖發(fā)射第四光線； 通過所述準(zhǔn)直透鏡(324)對所述第四光線進行準(zhǔn)直以形成所述第一光束(380);以及在分束所述第一光束的步驟中，還包括將所述第一光束發(fā)送到所述第一分束器以獲得所述第一光線和所述第二光線。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，在分束第一光束的步驟中，所述第一光束選自由可見光、紅外光和紫外光構(gòu)成的組。
22.—種用于確定物體的表面(130)上的第一物點(124)的三維坐標(biāo)的方法，所述方法包括下述步驟: 將第一光束分束為第一光線和第二光線，所述第一光線和所述第二光線是互相相干的； 設(shè)置包括透明板(600，710，812A)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(840 )的第一透明板裝配體(800，801)，所述第一透明板具有第一表面、第二表面、第一折射率、第一厚度，所述第一表面和所述第二表面基本上是平行的，所述第一厚度是所述第一表面與所述第二表面之間的距離，所述旋轉(zhuǎn)機構(gòu)配置為對所述第一透明板進行旋轉(zhuǎn)； 在第一實例中，對所述第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得所述第一表面關(guān)于所述第一光線的第一入射角； 在第二實例中，對所述第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得所述第一表面關(guān)于所述第一光線的第二入射角，所述第二入射角不等于所述第一入射角； 在第三實例中，對所述第一透明板進行旋轉(zhuǎn)以獲得所述第一表面關(guān)于所述第一光線的第三入射角，所述第三入射角不等于所述第一入射角或所述第二入射角； 在所述第一實例中，對所述第一光線和所述第二光線進行組合以在所述物體的表面上產(chǎn)生第一條紋圖案； 在所述第二實例中，對所述第一光線和所述第二光線進行組合以在所述物體的表面上產(chǎn)生第二條紋圖案； 在所述第三實例中，對所述第一光線和所述第二光線進行組合以在所述物體的表面上產(chǎn)生第三條紋圖案； 在所述第一實例中，將所述第一物點成像到光敏陣列(146)上的第一陣列點(128)上以從所述光敏陣列獲得第一電氣值； 在所述第二實例中，將所述第一物點成像到所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第二電氣值； 在所述第三實例中，將所述第一物點成像到所述第一陣列點上以從所述光敏陣列獲得第三電氣值； 至少部分地基于所述第一電氣數(shù)據(jù)值、所述第二電氣數(shù)據(jù)值、所述第三電氣數(shù)據(jù)值、所述第一厚度、所述第一折射率、所述第一入射角、所述第二入射角以及所述第三入射角來確定所述第一物點的所述三維坐標(biāo)；以及存儲所述第一物點的所述三維坐標(biāo)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括下述步驟: 設(shè)置第二透明板(720，812B)，所述第二透明板與所述第一透明板基本上相同； 使所述第一光束(890)穿過所述第一透明板并且穿過所述第二透明板以獲得第三光線.對所述第二透明板進行旋轉(zhuǎn)以使得所述第一光線和所述第三光線基本上共線；以及在所述第一實例、所述第二實例以及所述第三實例中，將所述第一光線和所述第二光線組合在所述物體表面上。
【文檔編號】G01B11/25GK103688134SQ201280034920
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月14日
【發(fā)明者】羅伯特·E·布里奇斯, 瑞安·克魯澤, 龔昱, 保羅·麥科馬克, 埃馬紐埃爾·拉豐 申請人:法羅技術(shù)股份有限公司