具有相位和间距调整的扫描装置制造方法

具有相位和间距调整的扫描装置制造方法
【专利摘要】一种用于确定物体的表面上的物点的三维坐标的方法，该方法包括下述步骤：设置具有第一区域和第二区域的透明板，第二区域具有不同于第一区域的楔角；将第一光束分束为第一光线和第二光线；发送第一光线使其通过第一区域或第二区域；对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生条纹图案，条纹图案的间距依赖于第一光线行进所通过的楔角；将物点成像到光敏阵列上的阵列点上以获得电气数据值；至少部分地基于电气数据值确定第一物点的三维坐标。
【专利说明】具有相位和间距调整的扫描装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年7月14日提交的美国临时专利申请第61/507，763号的权益，其全部内容通过引用合并于本申请中。
【背景技术】
[0003]本公开内容涉及一种坐标测量装置。一套坐标测量装置属于通过将光的图案投射到物体上并且采用摄像装置记录该图案来测量点的三维(3D)坐标的一类仪器。
[0004]—种特定类型的坐标测量装置(有时被称为云纹干涉仪(accordion fringeinterferometer))通过由两个小的密集的光斑所发出的发散波前的光的干涉来形成投射的光的图案。对所得到的被投射在物体上的条纹图案进行分析以在摄像装置中的每个单独像素中寻找表面点的3D坐标。
[0005]在云纹干涉仪的一个实现中包括:衍射光栅、电容反馈传感器、挠性平台、多个激光源以及多个物镜。这种类型的云纹干涉仪的制造相对昂贵并且在执行测量时相对慢。所需要的是一种改进的寻找3D坐标的方法。

【发明内容】

[0006]根据本发明的一个实施例，一种用于确定物体的表面上的第一物点的三维坐标的方法包括下述步骤:设置具有第一透明区域和第二透明区域的第一透明板，第一区域具有第一表面、第二表面、第一折射率以及第一楔角，第一楔角是第一表面与第二表面之间的角，第二区域具有第三表面、第四表面、第二折射率以及第二楔角，第二楔角是第三表面与第四表面之间的角；将第一光束分束为第一光线和第二光线，第一光线和第二光线是互相相干的。该方法还包括:在第一种情况下，发送第一光线使其通过第一区域，第一光线穿过第一表面和第二表面，第一区域配置为以第一偏转角改变第一光线的方向，第一偏转角与第一楔角和第一折射率相对应；在第二种情况下，发送第一光线使其通过第二区域，第一光线穿过第三表面和第四表面，第二区域配置为以第二偏转角改变第一光线的方向，第二偏转角与第二楔角和第二折射率相对应，其中，第二偏转角不同于第一偏转角。该方法还包括:在第一种情况下，对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生第一条纹图案，第一条纹图案在第一物点处具有第一间距，第一间距与第一偏转角相对应；在第二种情况下，对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生第二条纹图案，第二条纹图案在第一物点处具有第二间距，第二间距与第二偏转角相对应，第二间距不同于第一间距；在第一种情况下，将第一物点成像到光敏阵列上的第一阵列点上以从光敏阵列获得第一电气数据值；在第二种情况下，将第一物点成像到光敏阵列上的第一阵列点上以从光敏阵列获得第二电气数据值；至少部分地基于第一电气数据值和第二电气数据值确定第一物点的三维坐标；以及存储第一物点的三维坐标。
[0007]根据本发明的另一实施例，一种用于确定物体的表面上的第一物点的三维坐标的方法包括下述步骤:将第一光束分束为第一光线和第二光线，第一光线和第二光线是互相相干的；设置包括透明板和旋转机构的第一透明板装配体，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与第二表面之间的距离，旋转机构配置为对第一透明板进行旋转。该方法还包括:在第一实例中，对第一透明板进行旋转以获得第一表面关于第一光线的第一入射角；在第二实例中，对第一透明板进行旋转以获得第一表面关于第一光线的第二入射角，第二入射角不等于第一入射角；在第三实例中，对第一透明板进行旋转以获得第一表面关于第一光线的第三入射角，第三入射角不等于第一入射角或第二入射角。该方法还包括:在第一实例中，对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生第一条纹图案；在第二实例中，对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生第二条纹图案；在第三实例中，对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生第三条纹图案；在第一实例中，将第一物点成像到光敏阵列上的第一阵列点上以从光敏阵列获得第一电气值；在第二实例中，将第一物点成像到第一阵列点上以从光敏阵列获得第二电气值；在第三实例中，将第一物点成像到第一阵列点上以从光敏阵列获得第三电气值；至少部分地基于第一电气数据值、第二电气数据值、第三电气数据值、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确定第一物点的三维坐标；以及存储第一物点的三维坐标。
[0008]根据本发明的又一实施例，一种用于确定物体的表面上的第一物点的三维坐标的方法包括下述步骤:将第一光束分束为第一光线和第二光线，第一光线和第二光线是互相相干的；设置包括透明板和旋转机构的第一透明板装配体，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与第二表面之间的距离，旋转机构配置为对第一透明板进行旋转。该方法还包括:在第一实例中，对第一透明板进行旋转以获得第一表面关于第一光线的第一入射角；在第二实例中，对第一透明板进行旋转以获得第一表面关于第一光线的第二入射角，第二入射角不等于第一入射角；在第三实例中，对第一透明板进行旋转以获得第一表面关于第一光线的的第三入射角，第三入射角不等于第一入射角或第二入射角。该方法还包括:在第一实例中，对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生第一条纹图案；在第二实例中，对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生第二条纹图案；在第三实例中，对第一光线和第二光线进行组合以在物体的表面上产生第三条纹图案；在第一实例中，将第一物点成像到光敏阵列上的第一阵列点上以从光敏阵列获得第一电气值；在第二实例中，将第一物点成像到第一阵列点上以从光敏阵列获得第二电气值；在第三实例中，将第一物点成像到第一阵列点上以从光敏阵列获得第三电气值；至少部分地基于第一电气数据值、第二电气数据值、第三电气数据值、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确定第一物点的三维坐标；以及存储第一物点的三维坐标。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]现在参照附图示出了示例性的实施例，该示例性的实施例不应被理解为是对关于本公开内容的整个范围的限制，并且其中在几幅附图中以相同的方式对元件进行编号:
[0010]图1是示出了 3D测量装置的操作的三角测量原理的示意图；
[0011]图2是示出了依照本发明的实施例的示例性投影机的元件的框图；
[0012]图3是示出了依照本发明的实施例的示例性投影机的主要元件的示意图；[0013]包括图4A和图4B的图4是示出了与将光的两个准直光束发送到透镜相关的效果的不意图；
[0014]图5是对于将光发送到示例性投影机中的物镜的两种不同方式、在工件上所观测到的干涉图案的曲线图；
[0015]图6是对穿过倾斜窗口和非倾斜窗口的光射线的几何结构进行比较的示意图；
[0016]图7是示出了穿过一对倾斜窗口的光射线的几何结构的示意图；
[0017]图8A和图SB是示出了依照本发明的实施例在不同旋转角度下的相位调节器机构的顶视图的图；
[0018]图9A和图9B是分别示出了依照本发明的实施例的相位调节器机构的侧视图和顶视图的图；
[0019]图1OA和图1OB是分别示出了依照本发明的实施例的相位调节器板的正视图和横截面图的图；
[0020]图11是示出了穿过倾斜的并且呈楔形的窗口的光射线的几何结构的图；
[0021]图12是示出了穿过依照本发明的实施例的、包括三个楔形窗口的装配体的光射线的几何结构的图；
[0022]图13A和图13B是条纹间距调节器装配体的顶视图和侧视图；
[0023]图14A至图14D是分别示出了依照本发明的实施例的相位和间距调节器窗口的正视图、第一截面视图、第二截面视图以及顶视图的图；
[0024]图15A和图15B分别是依照本发明的实施例的、能够调节相位和条纹间距的装配体的正视图和顶视图；
[0025]图16是示出了依照本发明的实施例的、对相位/条纹调节器施加线性运动的机动化平台的元件的示意图；
[0026]图17是示出了依照本发明的实施例的、由电机旋转至由角编码器所测量的角度的反射镜的示意图；
[0027]图18A是示出了依照本发明的实施例的移相器的框图；
[0028]图18B是示出了依照本发明的实施例的、用于使相位和条纹间距偏移的空间光调制器的框图；
[0029]图19是示出依照本发明的实施例的、由压电平台所调整的反射镜的框图；
[0030]包括图20A至图20D的图20是示出了依照本发明的实施例通过采用致动器将反射镜推动到固定的停止件来设置反射镜的角度的方法的示意图；以及
[0031]图21是示出了依照本发明的实施例的替选的干涉仪装置的元件的示意图。
【具体实施方式】
[0032]在图1中示出了根据云纹干涉法的原理而进行操作的示例性3D测量装置100。在电子单兀150控制下的投影机160产生两个小的光斑112、114。这些光斑在工件130的表面上产生条纹图案。根据两条光射线120、122在点124处的干涉来确定在特定点124处的图案的辐照度。光射线120、122在工件130的表面上的各种点处发生增强干涉或相消干涉，从而产生条纹图案。摄像装置140包括透镜系统142和光敏阵列146。摄像装置140在光敏阵列146上形成工件130上的光的图案的图像。来自点124的光可以被认为穿过了透镜系统142的对称中心144，从而在光敏阵列上形成了图像点128。光敏阵列146的特定像素接收从工件130的表面的小的区域所散射的光。根据摄像装置140 (包括透镜系统142)的几何性质可知限定从该小的区域穿过透视中心144到特定像素的方向的两个角度。
[0033]落到光敏阵列146上的光被转换成数字电信号，该数字电信号被发送到电子单元150进行处理。包括有处理器的电子单元150对从透视中心144到工件130的表面上的每个点的距离进行计算。这种计算至少部分地基于从摄像装置140到投影机160的已知距离164。如在本文中以上所解释地，对于摄像装置140中的每个像素，两个角度和所计算出的距离是已知的。通过对从所有像素所获得的信息进行组合，获得了工件表面的三维映射。
[0034]根据图1中所示的系统100使用云纹干涉法来计算距离的方法是:移动两个斑点112、114的相对相位，其具有移动工件上的条纹的效果。摄像装置的每个像素针对三个相移中的每个来对从相等的曝光所获得的光线水平进行测量，该三个相移是通过改变斑点112、114的相对相位获得的。对于每个像素，电子单元150内的处理器使用至少三个所测量的光线水平来计算到工件表面130上的区域的距离。
[0035]如果从扫描装置到工件的距离会以相对大的量发生改变，则扫描装置还将需要分辨所测量距离的模糊度的能力。在这种情况下，因为条纹之间的间隔相对小，所以基于由摄像装置所采集的图像存在几种可能的有效的距离解。可以通过以已知量改变条纹之间的间隔(间距)并且然后重复进行相移测量来移除这种模糊度。在实施例中，使用了三个不同的条纹间距。为了计算3D坐标，在大多数情况下系统100需要至少两个条纹间距值。
[0036]图2示出了根据实施例的示例性投影机200的元件。光源210将光发送到光束分离器220。光被分束成两部分，一部分可以穿过可选的相位/条纹调节器280以及另一部分可以穿过可选的相位/条纹调节器282。在光束组合器230中对两束光进行组合。光穿过光束扩展器240、物镜260以及可选的相位/条纹调节器288。由物镜260形成两个光斑270，该两个斑点可以是实的或虚的。例如，如果物镜260是会聚透镜，则可以形成实的斑点；并且如果物镜260是发散透镜，则可以形成虚的斑点。干涉发生在交叠区域275中并且可以在工件表面上的点处看到。
[0037]图3示出了与图2的通用元件相对应的示例性投影机300的特定元件。光源310提供可能来自激光器、超发光二极管、LED或其他源的光。在实施例中，来自光源310的光通过光纤312行进到包括有套接管322和透镜324的光纤发射机320。替选地，来自光源310的光可以行进通过自由空间到达透镜324。离开光纤发射机320的准直光380行进到将光分束为透射部分382和反射部分386的分束器330。在实施例中，分束器330的第一表面的涂层反射50%的光并且透射50%的光，以及分束器330的第二表面的涂层是防反射涂层。
[0038]光386由反射镜332反射，行进通过可选的相位/条纹调节器340，并且穿过光束组合器356的第一区域，该第一区域具有防反射涂层352。光382穿过可选的相位/条纹调节器342，由反射镜334反射，并且由光束组合器356的第二区域354反射，该第二区域具有反射涂层。从光束组合器356出射的两束光385、389在位置390处相交。在实施例中包括两个会聚透镜元件362、364的远焦光束扩展器360被定位成使得第一透镜元件362的焦距被置于距交叉点390等于第一透镜元件362的焦距的距离处。第一透镜元件362将两个准直光束385、389在距第一透镜362的距离处聚焦成两个光斑。透镜362与透镜364之间的距离等于f\+f2，以使得在光束扩展器内的两个光斑距第二透镜元件364为距离f2。两个准直光束391、393从光束扩展器360中出射。出射的光束391、393的大小等于光束扩展器的横向放大率M乘以入射光束的大小，其中，放大率为MzfVf1。与入射激光束391、393之间的角度相比，两个出射的激光束之间的角度减少到1/M。作为示例,假设每个入射激光束385,389的直径为0.7mm，光束的分离角为120毫弧度(mrad)。还假设光束扩展器360的横向放大率为M=10。然后，出射的激光束391、393各自的直径为7mm并且分离角为12mrad。从光束扩展器360中出射的准直光束391、393在位置392处相交。放置例如可以是焦距为f0=4.5mm并且数值孔径为NA=0.65的40倍显微物镜的物镜370，以使得从物镜370的前焦距位置到交叉点392的距离等于物镜370的焦距4。物镜370将准直光束391、准直光束393聚焦成两个小的斑点394。
[0039]对于具有上述特征的高品质物镜370，光束满溢入口孔径，因此对于波长为658nm的光，聚焦的斑点的直径的直径合理近似值为dfl.22 A /NA=L 22 (0.658X10’/0.65mm=1.24微米。每个光束发散到值稍大于0 1/2=4 X 2/ji dQ2=0.27弧度的远场半角。例如，如果从3D测量装置到工件的距离为L=0.75米，则由发散光束所覆盖的区域稍大于w=2Ltan(0 1/2)=0.4米。假设期望的三个不同的条纹间隔(间距)，并且假设这些间隔可以通过将两个小的斑点394之间的距离％ (i=l，2，3)设置成三个不同值:46微米、52微米以及58微米而获得。在这种情况下，对于三个期望的斑点间隔，准直光束391、393之间的分离角由Y ^8^0=(10.2，11.6，12.9}毫弧度给出。对于三个斑点间隔，在位于距投影点394的距离为r的工件上的条纹之间的间隔Iii为A /r。对于距离r=L，三个条纹间隔为入/L= {10.7,9.5,8.5}mm。
[0040]图4A示出了以关于光轴412的一个角度进入透镜410并且穿过透镜410的前焦点417的两个准直光束420、424。在这种情况下，光束420的中央射线422出射成为平行于光轴412的射线434。光束420的射线在后焦面处聚焦成小的斑点436，后焦面是穿过后焦点418并且垂直于光轴412的平面。光束424的中央射线426出射成为平行于光轴412的射线430。光束424的射线在后焦面处聚焦成小的光斑432。对于光束420与424之间的分离角Y以及焦距为fQ的`透镜，小的斑点436与432之间的距离为a= Y fQ。对于图4A中所示的情况，光束从点432、436发散到附图的右边，并且对于这两束光，代表光束的投射能量中心的方向的中央射线430、434平行于光轴。在实施例中，斑点432、436之间的间隔a是50微米数量级上的小值。从斑点432、436出射的光发散并且在工件处可以扩展到大于0.4米。为了确保光束的最大的交叠，中央射线430和434应当沿着平行于光轴的方向440、442 出射。
[0041]图4B示出了不穿过透镜410的前焦点的两个准直光束460、464。光束460的中央射线462沿着不平行于光轴412的方向从透镜410中出射。光束460的射线被聚焦成透镜410的后焦面中的小的斑点476，但是能量480沿着不平行于光轴的方向480发送。光束464的中央射线465沿着不平行于光轴412的方向从透镜410中出射。光束464的射线被聚焦成透镜410的后焦面中的小的斑点472，但是能量沿着不平行于光轴的方向482发送。
[0042]针对在图4A和4B中所描绘的两种情况，图5对条纹辐照度进行了比较。在图表500中，标绘值指示工件上的条纹的相对辐照度，在这种情况下工件距离从-250mm延伸到+250mm。标绘值510代表当来自两个斑点394的能量中心平行于光轴行进以使得光束达到最大的交叠时所获得的相对条纹辐照度。标绘值520代表当第一高斯激光束的中心与工件的中心偏移了等于高斯W (半径)值的量(在这种情况下该量为200mm)时所获得的相对条纹辐照度。第二高斯激光束的中心与工件的中心偏移了相等的量，但是沿着相反的方向(-200mm)。当光束没有完全交叠时，干涉光束的辐照度较低。因此，需要较长的曝光时间。另外，在520的条纹图案中，未调制的光(来自摄像装置像素的“DC”电平)相对较大，尤其在边缘附近。图表中的调制水平是在被照射工件的特定部分处、相对于最大辐照度的条纹的峰谷变化。因为对于交叠的光束调制深度为100%，所以对于这种情况调制水平是恒定的。因为对于光束不交叠的情况，在工件的边缘附近调制深度减小，所以对于这种情况调制深度减小。因为DC电平确定了在使得光敏阵列的阱满溢之前可能的曝光量，所以当光束没有交叠时，在视场的边缘附近没有获得高的调制深度并且精度受到损害。
[0043]对图4和图5的理解帮助解释了图3中光束扩展器360的益处。假设从图3的框图中移除光束扩展器。考虑下述情况:在该情况中，进入物镜370的光束391、393的期望的直径为7mm，期望的分离角为10.2mrad。则在光束组合器385处，光束385、389的中心之间所需的分离是7mm。使得光束385、光束389达到交叉点392所需的距离为7mm/10.2mrad=686mm,其远远大于在便携式或台式扫描装置中可以使用的距离。
[0044]下文考虑了用于移相、改变条纹间距或同时进行二者的各种方法。执行这些功能的装置被称为相位/条纹调节器。
[0045]图6示出了用于通过旋转具有平行的入口侧和出口侧的玻璃窗口来使得光束630的相位偏移的物理原理。图不600不出了倾斜成具有入射角a (相对于光束630)的第一窗口 610和倾斜成具有零度入射角(相对于光束632)的第二相同窗口 620。窗口 610旋转的结果是增加了光行进的光程长度(0PL)，这种增加对应于光的相位的增加。以入射角a进入窗口的光在玻璃内以角度b发生折射。光在厚度为t的玻璃窗口 610中行进的距离为t/cos(b)，并且光在玻璃窗口 620中行进的距离为t。对于垂直参考距离T，光束630在空气中行进的距离为T-tC0S(b-a)/C0S(b)。光束632在空气中行进的距离为T-t。对于折射率为n的玻璃，光束630的总的光程长度(OPL)(包括玻璃路径和空气路径两者)为nt/cos (b) +T-tcos (b-a) /cos (b)。非倾斜玻璃的总的OPL为nt+T_t。行进在倾斜玻璃中的总的OPL与行进在非倾斜玻璃中的总的OPL之间的差由下述等式给出:
[0046]
【权利要求】
1.一种用于确定物体的表面(130)上的第一物点(124)的三维坐标的方法，所述方法包括下述步骤: 设置具有第一透明区域(1212，1310，1510)和第二透明区域(1210，1315，1508)的第一透明板(1100，1200，1300，1400，1500，1620)，第一区域具有第一表面(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与所述第二表面之间的角，第二区域具有第三表面(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与所述第四表面之间的角； 将第一光束分束为第一光线(386, 382)和第二光线(382, 386),所述第一光线和所述第二光线是互相相干的； 在第一种情况下，发送所述第一光线使其通过所述第一区域，所述第一光线穿过所述第一表面和所述第二表面，所述第一区域被配置为以第一偏转角改变所述第一光线的方向，所述第一偏转角与所述第一楔角和所述第一折射率相对应； 在第二种情况下，发送所述第一光线使其通过所述第二区域，所述第一光线穿过所述第三表面和所述第四表面，所述第二区域被配置为以第二偏转角改变所述第一光线的方向，所述第二偏转角与所述第二楔角和所述第二折射率相对应，其中，所述第二偏转角不同于所述第一偏转角； 在所述第一种情况下，对所述第一光线和所述第二光线进行组合以在所述物体的表面上产生第一条纹图案(275, 510, 520),所述第一条纹图案在所述第一物点处具有第一间距，所述第一间距与所述第一偏转角相对应； 在所述第二种情况下，对所述第一光线和所述第二光线进行组合以在所述物体的表面上产生第二条纹图案(275，510，520)，所述第二条纹图案在所述第一物点处具有第二间距，所述第二间距与所述第二偏转角相对应，所述第二间距不同于所述第一间距； 在所述第一种情况下，将所述第一物点成像到光敏阵列(146)上的第一阵列点(128)上以从所述光敏阵列获得第一电气数据值(152)； 在所述第二种情况下，将所述第一物点成像到所述光敏阵列上的所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第二电气数据值； 至少部分地基于所述第一电气数据值和所述第二电气数据值确定所述第一物点的所述三维坐标；以及 存储所述第一物点的所述三维坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 设置第二透明板(1000)，所述第二透明板具有第三透明区域(1020)和第四透明区域(1030)，第三区域具有第五表面、第六表面、第三折射率、第一厚度以及第一光程长度，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与所述第六表面之间的距离，所述第一光程长度是所述第一厚度乘以所述第三折射率，第四区域具有第七表面、第八表面、第四折射率、第二厚度以及第二光程长度，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与所述第八表面之间的距离，所述第二光程长度是所述第二厚度乘以所述第四折射率，其中，所述第一光程长度和所述第二光程长度是不同的； 在所述第一种情况下，发送所述第一光线或所述第二光线中的一个使其在第一实例中通过所述第三区域并且在第二实例中通过所述第四区域； 在所述第二种情况下，发送所述第一光线或所述第二光线中的所述一个光线使其在第三实例中通过所述第三区域并且在第四实例中通过所述第四区域； 对于所述第一实例，将所述第一物点成像到所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第三电气数据值； 对于所述第二实例，将所述第一物点成像到所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第四电气数据值； 对于所述第三实例，将所述第一物点成像到所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第五电气数据值； 对于所述第四实例，将所述第一物点成像到所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第六电气数据值；以及 在确定所述三维坐标的步骤中，所述第一物点的所述三维坐标还至少部分地基于所述第三电气值、所述第四电气值、所述第五电气值以及所述第六电气值，其中，所述第一电气值等于所述第三电气值并且所述第二电气值等于所述第五电气值。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括下述步骤: 在设置所述第二透明板的步骤中，还包括第五区域(1040)，所述第五区域具有第九表面、第十表面、第五折射率、第三厚度以及第三光程长度，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与所述第十表面之间的距离，所述第三光程长度是所述第三厚度乘以 所述第五折射率，其中，所述第三光程长度不同于所述第一光程长度和所述第二光程长度； 在所述第一种情况下，发送所述第一光线或所述第二光线中的一个使其在第五实例中通过所述第五区域； 在所述第二种情况下，发送所述第一光线或所述第二光线中的一个光线使其在第六实例中通过所述第五区域； 对于所述第五实例，将所述第一物点成像到所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第七电气值； 对于所述第六实例，将所述第一物点成像到所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第八电气值；以及 在确定所述第一物点的所述三维坐标的步骤中，还包括进一步基于所述第七电气值和所述第八电气值确定所述第一物点的所述三维坐标。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括下述步骤: 至少部分地基于所述第三电信号、所述第五电信号以及所述第七电信号计算所述第一阵列点的第一相位值； 至少部分地基于所述第四电信号、所述第六电信号以及所述第八电信号计算所述第一阵列点的第二相位值；以及 在确定所述第一物点的所述三维坐标的步骤中，所述第一物点的所述三维坐标还至少部分地基于所述第一相位值和所述第二相位值。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 设置第一透镜系统(370);发送被组合的所述第一光线和所述第二光线使其通过所述第一透镜系统，以形成第一光斑(394)和第二光斑(394);以及 将所述第一光斑和所述第二光斑传播到所述物体上。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括下述步骤: 设置第二透镜系统(360)，所述第二透镜系统是横向放大率大于I的远焦透镜系统；以及 在发送被组合的所述第一光线和所述第二光线使其通过所述第一透镜系统之前，发送被组合的所述第一光线和所述第二光线使其通过所述第二透镜系统。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 设置第一分束器(356)，所述第一分束器具有配置为对光线进行反射的第一部分(354)以及配置为对光线进行透射的第二部分(352);以及 在对所述第一光线和所述第二光线进行组合之前，对所述第一光线进行反射使其离开所述第一部分并且对所述第二光线进行透射使其通过所述第二部分。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 设置第一分束器(356)，所述第一分束器具有配置为对光线进行反射的第一部分(354)以及配置为对光线进行透射的第二部分(352);以及 在对所述第一光线和所述第二光线进行组合之前，对所述第二光线进行反射使其离开所述第一部分并且对所述第`一光线进行透射使其通过所述第二部分。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤: 设置光纤(322)、准直透镜(324)以及第二分束器(330);以及 从所述光纤发射第三光线； 采用所述准直透镜对所述第三光线进行准直以形成所述第一光束(380);以及 在分束所述第一光束的步骤中，还包括将所述第一光束发送到所述第二分束器以获得所述第一光线和所述第二光线。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在分束第一光束的步骤中，所述第一光束选自由可见光、红外光和紫外光构成的组。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在设置所述第一透明板(1400，1500)的步骤中，还包括设置第三透明区域(1414)和第四透明区域的步骤，所述第一区域还具有第一厚度和第一光程长度，所述第二区域还具有第二厚度和第二光程长度，所述第三区域具有第五表面、第六表面、第三楔角、第三折射率、第三厚度以及第三光程长度，所述第四区域具有第七表面、第八表面、第四折射率、第四楔角、第四厚度以及第四光程长度，所述第一厚度是沿着所述第一表面与所述第二表面之间的第一路径的长度，所述第一光程长度是所述第一厚度乘以所述第一折射率，所述第二厚度是沿着所述第三表面与所述第四表面之间的第二路径的长度，所述第二光程长度是所述第二厚度乘以所述第二折射率的长度，所述第三楔角是所述第五表面与所述第六表面之间的角，所述第三厚度是沿着所述第五表面与所述第六表面之间的第三路径的长度，所述第三光程长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与所述第八表面之间的角，所述第四厚度是沿着所述第七表面与所述第八表面之间的第四路径的长度，所述第四光程长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，所述第三光程长度不同于所述第一光程长度，以及所述第四光程长度不同于所述第二光程长度； 在所述第一种情况下发送所述第一光线使其通过所述第一区域的步骤中，还包括:在第一实例中，沿着所述第一路径发送所述第一光线的步骤； 在所述第二种情况下发送所述第一光线使其通过所述第二区域的步骤中，还包括:在第二实例中，沿着所述第二路径发送所述第一光线的步骤； 在第三实例中，沿着所述第三路径发送所述第一光线； 在第四实例中，沿着所述第四路径发送所述第一光线； 在所述第一种情况下对所述第一物点进行成像的步骤中，还包括:在所述第一实例中，将所述第一物点成像在所述光敏阵列上以获得所述第一电气值的步骤； 在所述第二种情况下对所述第一物点进行成像的步骤中，还包括:在所述第二实例中，将所述第一物点成像在所述光敏阵列上以获得所述第二电气值的步骤； 在所述第三实例中，将所述第一物点成像在所述光敏阵列上以从所述光敏阵列获得第三电气值； 在所述第四实例中，将所述第一物点成像在所述光敏阵列上以从所述光敏阵列获得第四电气值；以及 在确定所述第一物点的所述三维坐标的步骤中，还包括至少部分地基于所述第三电气值和所述第四电气值确定所述第一物点的所述三维坐标的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括下述步骤: 在设置所述第一透明板的步骤中，还包括设置第五区域和第六区域的步骤，所述第五区域具有第九表面、第十表面、第五楔角、第五折射率、第五厚度以及第五光程长度，所述第六区域具有第十一表面、第十二表面、第六楔角、第六折射率、第六厚度以及第六光程长度，所述第五楔角是所述第九表面与所述第十表面之间的角，所述第五厚度是沿着所述第九表面与所述第十表面之间的第五路径的长度，所述第五光程长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与所述第十二表面之间的角，所述第六厚度是沿着所述第十一表面与所述第十二表面之间的第六路径的长度，所述第六光程长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，所述第五光程长度不同于所述第一光程长度和所述第三光程长度，以及所述第六光程长度不同于所述第二光程长度和所述第四光程长度； 在第五实例中，沿着所述第五路径发送所述第一光线； 在第六实例中，沿着所述第六路径发送所述第一光线； 在所述第五实例中，将所述第一物点成像在所述光敏阵列上以从所述光敏阵列获得第五电气值； 在所述第六实例中，将所述第一物点成像在所述光敏阵列上以从所述光敏阵列获得第六电气值；以及 在确定所述三维坐标的步骤中，还至少部分地基于所述第五电气值和所述第六电气值确定所述第一物点的所述三维坐标。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括下述步骤: 至少部分地基于所述第一电信号、所述第三电信号以及所述第五电信号计算所述第一阵列点的第一相位值； 至少部分地基于所述第二电信号、所述第四电信号以及所述第六电信号计算所述第一阵列点的第二相位值；以及 在确定所述第一物点的所述三维坐标的步骤中，所述第一物点的所述三维坐标还至少部分地基于所述第一相位值和所述第二相位值。
14.一种用于确定物体的表面(130)上的第一物点(124)的三维坐标的方法，所述方法包括下述步骤: 设置具有第一透明区域(1020)、第二透明区域(1030)以及第三透明区域(1040)的第一透明板(1000)，所述第一区域具有第一表面、第二表面、第一折射率以及第一光程长度，所述第二区域具有第三表面、第四表面、第二折射率以及第二光程长度，所述第三区域具有第五表面、第六表面、第三折射率以及第三光程长度，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与所述第二表面之间的距离，所述第一光程长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与所述第四表面之间的距离，所述第二光程长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与所述第六表面之间的距离，所述第三光程长度是所述第三厚度乘以所述第三折射率，其中，所述第一光程长度、所述第二光程长度以及所述第三光程长度是不同的；将第一光束(380)发送到第一分束器(330)； 米用所述第一分束器将所述第一光束分束为第一光线(386, 382)和第二光线(382,386)，所述第一光线和所述第二光线是互相相干的； 在第一实例中，发送所述第一光线使其通过所述第一区域，所述第一光线穿过所述第一表面和所述第二表面； 在第二实例中，发送所述第一光线使其通过所述第二区域，所述第一光线穿过所述第三表面和所述第四表面；` 在第三实例中，发送所述第一光线使其通过所述第三区域，所述第一光线穿过所述第五表面和所述第六表面； 将所述第一光线和所述第二光线发送到光束组合器(385); 采用所述光束组合器对所述第一光线和所述第二光线进行组合以形成第三光线； 将所述第三光线发送到所述物体的表面(130)上； 在所述第一实例中，将所述第一物点(124)成像到光敏阵列(146)上的第一阵列点(128)上以从所述光敏阵列获得第一电气值； 在所述第二实例中，将所述第一物点成像到所述光敏阵列上的所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第二电气值； 在所述第三实例中，将所述第一物点成像到所述光敏阵列上的所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第三电气值； 至少部分地基于所述第一电气数据值、所述第二电气数据值以及所述第三电气数据值确定所述第一物点的所述三维坐标；以及存储所述第一物点的所述三维坐标。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤:设置具有配置为对光线进行反射的第一部分(354)以及配置为对光线进行透射的第二部分(352)的所述光束组合器(356)； 对所述第一光线(384)进行反射使其离开所述第一部分；以及对所述第二光线(386 )进行透射使其通过所述第二部分，其中，对被反射的第一光线和被透射的第二光线进行组合以形成所述第三光线。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤: 设置具有配置为对光线进行反射的第一部分(354)以及配置为对光线进行透射的第二部分(352)的所述光束组合器(356)； 对所述第二光线(384)进行反射使其离开所述第一部分；以及对所述第一光线(386 )进行透射使其通过所述第二部分，其中，对被反射的第二光线和被透射的第一光线进行组合以形成所述第三光线。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤: 至少部分地基于所述第一电信号、所述第二电信号以及所述第三电信号计算所述第一阵列点的相位值；以及 在确定所述第一物点的所述三维坐标的步骤中，所述第一物点的所述三维坐标还至少部分地基于所述相位值。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤: 设置第一透镜系统(370); 发送所述第三光线使其通过所述第一透镜系统以形成第一光斑(394)和第二光斑(394);以及 将所述第一光斑和所述第二光斑传播到所述物体上。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤: 设置第二透镜系统(360)，所述第二透镜系统是横向放大率大于I的远焦透镜系统；以及 在发送所述第三光线使其通过所述第一透镜系统之前，发送所述第三光线使其通过所述第二透镜系统。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤: 设置光纤(312)、准直透镜(324)以及第二分束器(330);以及 从所述光纤发射第四光线； 通过所述准直透镜(324)对所述第四光线进行准直以形成所述第一光束(380);以及在分束所述第一光束的步骤中，还包括将所述第一光束发送到所述第一分束器以获得所述第一光线和所述第二光线。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，在分束第一光束的步骤中，所述第一光束选自由可见光、红外光和紫外光构成的组。
22.—种用于确定物体的表面(130)上的第一物点(124)的三维坐标的方法，所述方法包括下述步骤: 将第一光束分束为第一光线和第二光线，所述第一光线和所述第二光线是互相相干的； 设置包括透明板(600，710，812A)和旋转机构(840 )的第一透明板装配体(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与所述第二表面之间的距离，所述旋转机构配置为对所述第一透明板进行旋转； 在第一实例中，对所述第一透明板进行旋转以获得所述第一表面关于所述第一光线的第一入射角； 在第二实例中，对所述第一透明板进行旋转以获得所述第一表面关于所述第一光线的第二入射角，所述第二入射角不等于所述第一入射角； 在第三实例中，对所述第一透明板进行旋转以获得所述第一表面关于所述第一光线的第三入射角，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； 在所述第一实例中，对所述第一光线和所述第二光线进行组合以在所述物体的表面上产生第一条纹图案； 在所述第二实例中，对所述第一光线和所述第二光线进行组合以在所述物体的表面上产生第二条纹图案； 在所述第三实例中，对所述第一光线和所述第二光线进行组合以在所述物体的表面上产生第三条纹图案； 在所述第一实例中，将所述第一物点成像到光敏阵列(146)上的第一阵列点(128)上以从所述光敏阵列获得第一电气值； 在所述第二实例中，将所述第一物点成像到所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第二电气值； 在所述第三实例中，将所述第一物点成像到所述第一阵列点上以从所述光敏阵列获得第三电气值； 至少部分地基于所述第一电气数据值、所述第二电气数据值、所述第三电气数据值、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来确定所述第一物点的所述三维坐标；以及存储所述第一物点的所述三维坐标。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括下述步骤: 设置第二透明板(720，812B)，所述第二透明板与所述第一透明板基本上相同； 使所述第一光束(890)穿过所述第一透明板并且穿过所述第二透明板以获得第三光线.对所述第二透明板进行旋转以使得所述第一光线和所述第三光线基本上共线；以及在所述第一实例、所述第二实例以及所述第三实例中，将所述第一光线和所述第二光线组合在所述物体表面上。
【文档编号】G01B11/25GK103688134SQ201280034920
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年7月3日 优先权日:2011年7月14日
【发明者】罗伯特·E·布里奇斯, 瑞安·克鲁泽, 龚昱, 保罗·麦科马克, 埃马纽埃尔·拉丰 申请人:法罗技术股份有限公司