基准球检测装置、基准球位置检测装置和三维坐标测量装置

摘要

一种用于基准球位置检测装置(200)的基准球检测装置(100)，包括：光学单元(50)，具有激光光源(1)、会聚透镜(5)和第一图像拾取装置(8)，会聚透镜(5)用于会聚来自激光光源(1)的光并将光照射到定位在前焦点位置处或附近的基准球(6)，第一图像拾取装置(8)接收和检测从基准球(6)反射的光，第一图像拾取装置(8)设置在会聚透镜(5)的后焦点位置处；驱动单元(14、15)，用于使光学单元(50)绕基准点旋转地移动；和控制单元(60)，用于以接收反射光的位置为基础来控制驱动单元(14、15)并旋转地移动光学单元(50)，使得反射光到达第一图像拾取装置(8)的预定基准位置(O)。基准球位置检测装置(200)构成三维坐标测量装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基准球检测装置、一种具有该基准球检测装置的基准球位置检测装置以及一种设有该基准球位置检测装置的三维坐标测量装置。

背景技术

近来，已经存在通过使用各种传感器(非接触传感器)对物体的三维形状进行测量的增长的需求。这些传感器被附接到能够在五或六个轴线上控制的机构，以便能够平行于x、y和z轴线中的每一个轴线移动并且围绕x、y和z轴线中的每一个轴线旋转。已经存在下述技术的许多实例，在所述技术中，用于测量被测物体的三维形状的传感器被附接到机械臂上，且所述形状被从各个位置和各个角度测得。特别是在传感器附接到机械臂上的情况下，除非基于传感器的位置和取向的精确评估进行数据关联，否则不可能以高精度确定三维形状。作为这种情况的实例，已经公开了这样的装置，在所述装置中，多个照相机能够在传感器的整个运动范围内成像，通过分析每个照相机(立体摄影法)的图像来利用所述多个照相机测量传感器的位置和取向(例如见专利文献1)。

专利文献1：基于PCT国际申请PCT/N094/00096的日本专利公布H8-510835

发明内容

本发明要解决的问题

然而，为了利用例如上述的常规方法达到更高的精度，必须降低像素尺寸，且必须采取诸如增加相机中的像素数或使传感器的运动范围变窄(使视野变窄)这样的措施。增加像素数具有像素数存在限制(4,000×4,000＝16,000,000)的缺点，而使传感器的运动范围变窄具有相反地影响所述装置的规格的缺点。

考虑到这些问题，研制了本发明，且本发明的目的是提供：一种基准球检测装置，由此能够同时实现高的测量精度和宽的测量范围；一种基准球位置检测装置，所述基准球位置检测装置设有该基准球检测装置；以及一种三维坐标测量装置，所述三维坐标测量装置设有该基准球位置检测装置。

解决问题的手段

为了解决上述问题，根据本发明的基准球检测装置包括：光学单元，所述光学单元具有光源、会聚透镜和接收单元，所述会聚透镜用于会聚来自光源的光并将光照射到定位在前焦点位置处或前焦点位置附近的基准球，所述接收单元用于接收和检测从所述基准球反射的光，所述接收单元设置在会聚透镜的后焦点位置处或后焦点位置附近；驱动单元，用于使光学单元绕基准点旋转地移动；和控制单元，用于以接收由接收单元检测到的反射光的位置为基础来控制驱动单元并旋转地移动光学单元，使得反射光到达接收单元的预定基准位置。

在这种基准球检测装置中，优选地，光学单元具有成像透镜和图像检测器，所述图像检测器用于检测由成像透镜成像的基准球的图像；并且控制单元控制驱动单元并以由图像检测器检测到的基准球的图像为基础来旋转地移动光学单元，以使反射光入射到接收单元上。

在这种基准球检测装置中，驱动单元优选地被构造成沿水平方向和竖直方向旋转地移动光学单元。

这种基准球检测装置优选地还包括角度检测器，该角度检测器用于检测光学单元在水平方向和竖直方向上的角度。

在这种基准球检测装置中，光学单元优选地还包括用于长度测量的干涉光学系统。

本发明的基准球位置检测装置包括介有预定间隔的两个上述基准球检测装置，并被构造成以所述预定间隔以及由两个基准球检测装置测得的方位角和仰角为基础来测量基准球的中心的三维坐标。

本发明的三维坐标测量装置包括：至少两个或更多个基准球，所述至少两个或更多个基准球附接到待测物体的外表面上；以及与基准球的数目相对应的至少两个或更多个上述基准球位置检测装置；其中通过各个对应的基准球位置检测装置来测量所述多个基准球的三维坐标，且基于由测量获得的值来检测被测物体的位置和取向。

本发明的有益效果

当如上所述地构造根据本发明的基准球检测装置、基准球位置检测装置和三维坐标测量装置时，能够以高精度测量宽范围的空间坐标。

附图说明

图1是示出了根据本发明的基准球检测装置的结构的视图；

图2是示出了在基准球处、相对于激光束的入射位置的反射方向的基本原理的视图；

图3是示出了根据本发明的基准球位置检测装置的原理的视图；并且

图4是示出了在设有用于长度测量的干涉光学系统的情况下根据本发明的基准球检测装置的结构的视图。

附图标记说明

1：        激光(光源)

3、33：    半透明反射镜

4：          分色镜

5：          透镜

6、16、26：  基准球

8：          接收单元(第一图像拾取装置)

9：          透镜

10：         图像接收单元(第二图像拾取装置)

31：         快门

32：         基准镜

34：         相干光接收单元

60：         控制单元

100：        基准球检测装置

200：        基准球位置检测装置

具体实施方式

(基准球检测装置)

将参考附图描述本发明的优选实施例。首先将使用图1描述基准球检测装置100。如图1所示，基准球检测装置100包括：光学单元50，用于通过朝基准球6照射激光束2和接收由基准球6反射的反射光7来检测相对于基准球6的位置；角度检测器12、13(例如旋转编码器等)，用于分别检测光学单元50的方位角和仰角；驱动单元14、15(例如步进电机、液压缸等)，用于分别在水平方向和竖直方向上旋转地移动光学单元50；以及控制单元60，用于控制整个基准球检测装置100的运行。

光学单元50具有激光光源1，用于向基准球6发射激光束2；且在光学单元50中，从激光光源1起顺序地布置有设置在激光束2的光路上的半透明反射镜3、分色镜4和用于会聚激光束2的会聚透镜5。在该布置中，设置光学单元50使得基准球6的中心定位在会聚透镜5的前焦点位置处或前焦点位置附近。光学单元50还具有作为接收单元的第一图像拾取装置8(例如CCD、CMOS等)，用于接收由基准球6反射的反射光7，且第一图像拾取装置8设置到半透明反射镜3的侧方。这里，第一图像拾取装置8设置在会聚透镜5的后焦点位置处或后焦点位置附近(该光学系统在下文将被称为“跟踪光学系统A”)。光学单元50还设有从分色镜4起顺序布置且设置到分色镜4的一侧的成像透镜9和第二图像拾取装置10(例如CCD、CMOS等)，且由基准球6反射的光线(例如可见光)由分色镜4反射并由第二图像拾取装置10检测(该光学系统在下文将被称为“粗对准光学系统B”)。

在使用半导体激光器作为激光光源1的情况下，准直透镜(未示出)设置到激光光源1上。

基准球6具有球形表面，且与跟踪光学系统A面对的表面可以是凸起的或者凹入的，但优选的是凸起的表面。更优选的是具有与跟踪光学系统A面对的凸起表面的至少半球体，并且最优选的是完整球体。具有这种形状的基准球6是优选的，因为其直径可以使用千分尺或其它的测量工具精确地且容易地测得，并且能够以高精度检测基准球6的中心位置。

现在将描述通过基准球检测装置100进行的基准球检测过程。从激光光源1发射的激光束2作为平行的光通量透射通过半透明反射镜3和分色镜4，并被会聚透镜5会聚在基准球6的中心附近。此时，由于焦点深度的缘故，会聚透镜5的数值孔径(NA)优选地小于0.002。假定波长λ为0.6μm，则焦点深度为±λ/2NA²，且因此为±75mm。

将利用图2描述照射到基准球6的激光束2被反射的方向。由于基准球6是具有抛光表面的理想球体，所以当激光束2入射以经过基准球6的中心时(如图2中的激光束2a)，反射光7沿光轴在入射方向上反射。相反地，当经过基准球6的中心的光轴和激光束2的中心轴偏移δ时(如图2中的激光束2b)，反射光17沿着与入射方向不同的方向反射。通过使用下面的等式(1)得到反射光17的反射角Δ，其中r是基准球6的半径。

Δ＝2δ/r  (1)

在到达第一图像拾取装置8之前，由基准球6反射的反射光7、17透射经过分色镜4且由半透明反射镜3反射。在构造有跟踪光学系统A的情况下，使得在激光束2经过基准球6的中心的情况下，如由激光束2a所指示的，反射光7到达在第一图像拾取装置8的中心处的点O(基准点)，在激光束2从基准球6的中心偏移的情况下，如由激光束2b所指示的，反射光17到达从第一图像拾取装置8的点O偏移的点P(接收点)。例如，在基准球的半径是5mm且偏移量δ＝1μm的情况下，通过等式(1)计算的反射角Δ是大约83秒。当会聚透镜5的焦距是100mm时，反射光17到达从第一图像拾取装置8上的点O偏移83秒×100mm＝40μm的位置(点P)。因此，通过例如上述的构造，即使当相对于基准球6的偏移量δ是1μm时，偏移也可以在考虑第一图像拾取装置8的分辨率时被充分地检测到。

因此，为了使激光束2撞击基准球6的中心，以由等式(1)获得的值为基础通过控制单元60来控制光学单元50的方向(跟踪光学系统A的方向)，以使反射光17到达第一图像拾取装置8的中心点O(基准点)，即，以使反射光17与反射光7重合。具体地，通过使用驱动单元14、15，控制单元60在水平方向或竖直方向上围绕光学单元50的基准点旋转地移动光学单元50，以使反射光17到达第一图像拾取装置8的中心点O。

如下文中所述，在相对于点O的该定位之后获得的角度检测器12、13的测量值是从跟踪光学系统A的初始位置起基准球6的中心方向的方位角和仰角。基准球6的三维中心坐标可以通过准备至少两个上述的基准球检测装置100(跟踪器)和测量从每个基准球检测装置100的光学系统起到基准球6的中心的方位角(在下文中详细地描述该过程)来测量。

下面将考虑基准球6由图1中的虚线指示的基准球16的位置处的情况。在激光束2和基准球6的中心没有对准的情况下，反射的角度由上述的等式(1)确定。因此，在这种情况下，当激光束2从经过基准球6的中心的光轴偏移量δ入射时，反射光17′平行于反射光17。通过基准球6到基准球16的位置的偏移，在基准球16的中心和激光束2的光轴偏移在上面使用图2所描述的量δ的情况下，第一图像拾取装置8在会聚透镜5的后焦点位置处，且因此反射光线17′到达在第一图像拾取装置8上的点P。具体地，由于在第一图像拾取装置8上由反射光线17、17′到达的点由激光束2相对于基准球6、16的中心的偏移量δ来确定而与基准球6、16的位置无关，所以跟踪光学系统A相对于基准球16的方位能够从在第一图像拾取装置8上的接收位置P微调节，且能够计算相对于基准球16的角度偏移。

在上面的描述中使用激光光源1作为光源，但是也可以采用下述构造：由LED或其它的光源照明的针孔，且光线被转换成平行的光通量。

在粗对准光学系统B中，低放大倍率光学系统由会聚透镜5和成像透镜9形成。通过作为低放大倍率光学系统的该粗对准光学系统B，通过使用第二图像拾取装置10使基准球16能够得到基准球6的图像并使用所得到的图像来调节(粗调)光学单元50的方位。具体地，通过采用如下配置：对于由第二图像拾取装置10所检测的图像，通过由控制单元60执行的模式识别等来检测基准球6的图像，且当基准球6的图像在第二图像拾取装置10的预定位置(例如是中心)时，反射光7、17在第一图像拾取装置8的中心O附近入射，当通过跟踪光学系统A不能够跟踪基准球6时，通过使用粗对准光学系统B来控制光学单元50的方向以使控制单元60能够将光学单元50相对于基准球6定位。

例如，在启动基准球检测装置100期间，光学单元50的方位整体上能够通过使用粗对准光学系统B来粗调节，以使用在第二图像拾取装置10上的基准球6的图像来对准光学单元50。在该粗调节之后，可以通过微调节光学单元50的方位来有效地检测基准球6，以使在跟踪光学系统A中的第一图像拾取装置8上的反射光线到达基准位置。

为了得到图像，如果需要可增加适当的照明系统，但是必须进行适配化，以使照明系统的从基准球6的球形表面反射的光不直接进入第一图像拾取装置8。在这种情况下，由于粗对准光学系统B被分色镜4从跟踪光学系统A分离，所以使用与跟踪光学系统A的波长即从激光光源1发射的激光束2的波长的波长域不同的波长域(例如可见光)。

(基准球位置检测装置)

图3是示出了其中使用了两个上述基准球检测装置100(下文被称为跟踪器)的基准球位置检测装置的原理性视图。通过使用未在附图中示出的驱动装置(相当于图1中的14和15)，两个跟踪器21a、21b可以围绕主体22a、22b的旋转轴线24a、24b旋转(在水平方向上)，透镜镜筒23a、23b可以围绕透镜镜筒轴线25a、25b与旋转轴线24a、24b的交叉点(上述光学单元50的基准点)在垂直方向上旋转(在竖直方向上)，且来自跟踪器21a、21b的相对于基准球26的中心的方位角(α₁、α₂)和仰角(β₁、β₂)每个均可以通过在附图中未示出的旋转编码器或其它角度检测器(相当于图1中的12和13)测量。这里，跟踪器21a、21b彼此的位置关系是已知的，其高度位置(图1中的Z轴方向)是相等的，且旋转轴线24a、24b的间隔被指定为L。基准球26的中心坐标(x、y、z)可以通过使用下面的等式(2)-等式(4)来计算，其中坐标原点是透镜镜筒23a、23b的透镜镜筒轴线25a、25b与主体22a、22b的旋转轴线24a、24b的交叉点之间的中点。

x＝L sin(α₂-α₁)/2sin(α₁+α₂)  (2)

y＝L sinα₁sinα₂/sin(α₁+α₂)   (3)

z＝L sinα₂tan β₁/sin(α₁+α₂)

＝L sinα₁tan β₂/sin(α₁+α₂)  (4)

下述状态表示等式(2)-等式(4)中的方位角α₁、α₂和仰角β₁、β₂的原点(0基准)，在所述状态下，图3中示出的跟踪器21a、21b的透镜镜筒23a、23b彼此面对，且每个跟踪器的激光束(相当于图1中的2)到达另一个跟踪器的图像拾取装置(相当于图1中的8)的中心(相当于图1中的点O)以处于一条直线上。作为确定角度基准的不同方法，可以使用具有固定位置和已知空间坐标的球(与基准球26不同；优选地是多个球)作为基准。

(三维坐标测量装置)

将描述使用多个基准球位置检测装置200的三维坐标测量装置。三维坐标测量装置设置有至少两个、优选地是三个基准球位置检测装置200。例如，处于已知的位置关系中的多个基准球6附接到三维传感器的外部表面上，且上述的基准球位置检测装置200设置到基准球6中的每一个基准球上。每个基准球6的位置(x、y、z)通过基准球位置检测装置200来检测。基于测得的基准球6的位置能够测量三维传感器的位置和取向。

(用于长度测量的干涉仪的组合)

上述的基准球检测装置100可以被适配化以设有诸如图4中示出的长度测量干涉光学系统C。在该基准球检测装置100′中，采用下述构造：还使用激光光源1作为长度测量干涉光学系统C的光源，且光学单元50被整体地控制以使到达第一图像拾取装置8的反射光线17随着基准球6的移动总是到达点O，如图4中所示。通过这种构形，可以一直跟踪基准球6，且能够测量到基准球6的表面的距离变化。

在所述长度测量干涉光学系统C中，与跟踪光学系统A共用激光光源1、半透明反射镜3及会聚透镜5，且快门31和基准镜32以设定的顺序设置到半透明反射镜3的侧部(在第一图像拾取装置8的相反侧)。半透明反射镜33设置在半透明反射镜3和第一图像拾取装置8之间，且还设置接收元件(相干光接收单元)34，用于接收由半透明反射镜33反射的光线。

快门31在通过使用长度测量干涉光学系统C来测量长度的情况下打开。然后，从激光光源1发射的激光束2的一部分透射经过半透明反射镜3且经由分色镜4和会聚透镜5被基准球6反射。剩余的激光束2被半透明反射镜3反射、经过快门31并被基准镜32反射。由基准球6反射的长度测量光束被半透明反射镜3反射，并且在相同的光学路径上与由基准镜32反射并透射经过半透明反射镜3的基准光束合并。所述合并的光束作为相干光被半透明反射镜33反射并被接收元件34接收和检测，且通过使用所述相干光能够检测基准球6的距离变化。在除了长度测量期间之外的时间(即当基准球6静止时)，快门31必须是关闭的。