CN101156044B - 三维坐标测量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用在要测量的物体上的光学照相机三维坐标测量***。该***包括紧凑、容易移动且可转动的尺寸已知的靶，该靶包括沿要测量的物体在不同的点处与要测量的物体相接触放置的球形表面。光发射源位于靶中的已知位置处，如球形表面的中心。包括至少两个位于不同且已知坐标位置处的照相机，该照相机用于从不同的光透视接收来自光发射源的光。根据照相机拍摄的图像计算要测量的物体的三维坐标位置。

Description

三维坐标测量设备 
背景技术
有一类用于在几十米的范围内精确测量三维坐标的便携式设备。这类设备通常被称为便携式大尺寸坐标测量机(CMM)。一种便携式CMM是激光***。它发送激光束到后向反射器靶，该靶可以是球形安装的后向反射器(SMR)，其包括在关注表面上移动的球体内居中放置的立方角后向反射器。作为选择，该靶可以是向后探针，其包括定位在反射镜的附近以形成探针尖端的虚像的立方角后向反射器(美国专利号5,530,549)。 
第二种便携式CMM是照相机和多光探针(美国专利号5,440,392)。该设备包括包含探针尖端和至少三个点光源的探针以及观察该点光源的一个或多个照相机。照相机上的图像模式被用于确定探针尖端在空间上的位置。 
第三种便携式CMM是具有单独但邻近的照相机的激光***(美国专利号5,973,788)。该设备包括激光***、靠近该激光***安装的照相机、探针。该探针包括探针尖端、至少三个点光源以及后向反射器。来自激光***的激光束测量后向反射器的三维坐标。同时，照相机测量探针上光源的三维坐标。来自这些测量的信息可以确定探针尖端在空间中的坐标。相关的思想(美国专利5,973,788)将照相机嵌入在还包含绝对距离测量仪的激光***中。 
希望便携式CMM具有四种特性：(1)低价格，(2)高精度，(3)快速的数据采集，(4)容易使用。现今最便宜的这些设备需要大约100,000美元。有些设备采集数据太慢以至于不能被用于有效确定三维轮廓的坐标。另一些设备具有相对低的精度。如今需要一种新型的快速、精确、比当前的便携式CMM便宜得多的设备。 
本文讨论了本发明三维坐标测量设备与现有技术相比较的一些 优点，然而，这并不意味着是限定性的或穷尽性的优点说明。有几个生产基于照相机的测量***的公司。最高精度的Metronor***之一使用两个照相机，它们例如可以安放在工作场地。在这方面，Metronor***与本设备相像。然而，Metronor***是以带有未被照亮的尖端的探针为基础的。为了得到尖端的位置，Metronor***必须能够根据位于探针上的多个LED的照相机图像来精确确定探针的倾角、旋角以及偏角。为了能够实现所需的精度，Metronor使它们的探针大到足以覆盖照相机视野的相对大的部分。这种大探针不便于管理。此外，需要这些探针是硬的并且在不同温度条件下均长度固定，这意味着使用昂贵的复合材料。 
在大多数情况下，不同类型探针如当前没有被任何基于照相机的***所使用的下述实施例，将会比诸如Metronor的伸长的探针更有用、更方便且更便宜。最简单的这种设备-在其中心处安放具有光源的球体-具有这样的优点：从球体的中心到边缘的距离为常数。因此，球体充当要测量的物体与光源之间的已知尺寸的隔离物。此外，球体可以在任意方向上转动。因此，球形安装的光源可被用于测量几乎任何物体的轮廓。在某些情况下，手柄也是方便的。来自对称性的类似思想导致基准靶，典型地将靶放入预先建立的工具孔中。在此情况下，光源位于靶的旋转对称轴上。通过测量该靶，可以由此确定所述孔在工具上的三维坐标。 
所有这些靶-球形靶、安装有探针的靶、基准靶、广角靶或者向后探针靶-共同点在于它们都从空间上的一个点在广角上发射光。所有现有技术的、基于照相机的探针都使用多个光点。因此，以单个光点为基础设计这种有用的且精确的探针对于本领域的技术人员来说不是显而易见的。这一事实的证据是人们已经制造基于照相机的测量***很多年了，但是还没有人实现这种更便宜并且具有相同或更高精度的***。 
发明内容
一种用在要测量的物体上的光学照相机三维坐标测量***可包括：紧凑的、容易移动的并且可转动的、尺寸已知的靶，该靶包括沿着所述要测量的物体在不同的点处与所述要测量的物体相接触地放置的球形表面，由此消除了使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；位于所述靶中已知位置处的至少一个或更多个发光源，其中所述发光源位于所述具有球形表面的靶的球心处；至少两个位于不同的且已知的坐标位置处的照相机，所述照相机用于从不同的光透视接收来自所述发光源的光；以及处理器，其用于根据所述照相机上所述发光源的图像、所述照相机的所述已知位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述靶中所述发光源的所述已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。 
另一实施例可包括用在要测量的物体上的坐标测量机(CMM)，该CMM包括：沿着所述要测量的物体在不同的点处与所述要测量的物体相接触地放置的、尺寸已知的球形或圆柱形形状的几何靶；位于所述球形或圆柱形形状的几何靶上的对称点处的至少一个或多个发光二极管(LED)光源；位于不同的且已知的坐标位置处的至少两个光敏照相机，该照相机用于从不同的光透视接收来自所述发光二极管(LED)光源的光；处理器，其用于根据记录在所述照相机上的所述发光二极管(LED)光源的图像、所述照相机的所述已知位置、所述球形或圆柱形形状的几何靶的所述已知尺寸以及位于所述球形或圆柱形几何靶中的所述发光源的所述已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置；其中所述至少两个照相机每个包括至少一个或多个光敏阵列，该光敏阵列用于根据记录在所述光敏阵列上的所述发光二极管LED光源的图像来确定所述要测量的物体的坐标，其中来自发光二极管LED光源的光入射到所述光敏阵列上。 
另一实施例可包括用于测量物体的光学照相机三维坐标测量方法，该方法包括：沿着所述要测量的物体在不同的点处与所述要测量的物体直接接触地放置紧凑的、容易移动的并且可转动的包括球形表 面的尺寸已知的靶，由此消除使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；来自靶的发射光形成位于所述靶中已知位置处的至少一个或多个发光源；将所述光源的图像记录在至少两个位于不同的且已知坐标位置的照相机上，该照相机用于从不同的光透视接收来自所述发光源的光；以及根据所述照相机上的所述发光源的图像、所述照相机的所述已知位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述靶中所述发光源的所述已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。 
另一实施例可包括一种用在要测量的物体上的光学照相机三维坐标测量***，该***包括：放置在所述要测量的物体中的至少一个或多个孔中的紧凑的、容易移动的并且可转动的、包括圆柱形表面的已知尺寸的靶，由此消除使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；至少一个或多个发光源，其中所述发光源位于沿圆柱对称性轴的已知位置处；位于不同的且已知坐标位置处的至少两个照相机，用于从不同的光透视接收来自所述发光源的光；以及处理器，其用于根据所述照相机上的所述发光源的图像、所述照相机的所述已知位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述发光源在所述靶中的已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。 
附图说明
现在参照附图说明典型的实施例，这些实施例不意图限制本发明的全部范围，在几个附图中由相同的数字标注相同的元件： 
图1是典型的三维测量设备的立体图； 
图2是图1的典型发射器内的一些主要元件的框图； 
图3A、图3B和图3C是图2的典型发射器的三个实施例的立体图； 
图4A、图4B和图4C是可固定在图3中所示的三个发射器实施例上以保护光源不受灰尘和脏物影响的透明球壳的立体图； 
图5示出典型的球形安装的广角发射器的侧面图和截面图； 
图6A、图6B和图6C示出广角发射器内的发射器球和发射器球的光线在球形腔内的路径； 
图7示出典型的向后探针发射器的立体图； 
图8是***内的照相机的一些主要元件的框图； 
图9是照相机内的成像模块的第一实施例的立体图，其中利用光束分离器、圆柱形透镜和线性光敏阵列形成图像； 
图10是照相机内的成像模块的第二实施例的立体图，其中利用球形光学器件和区域光敏阵列形成图像； 
图11是工具球和巢的立体图。 
具体实施方式
图1中所示的三维坐标测量设备100包括两个或更多个照相机400A、400B、计算接口500以及发射器200，发射器200可实施为球形安装的发射器210、安装有探针的发射器220、基准发射器230、广角发射器240或者向后探测发射器260。 
发射器
如图2中所示，发射器200包括光源202、刚性探针结构204以及导线206。光源优选从空间上的小光点在宽角上发射光。光源的一个例子是广角发光二极管(LED)，但是本发明不局限于LED光源，可以使用任何合适的光源。 
电子信号装置180包括电源182、脉冲发生器184、收发器185、天线186以及操作控制单元188。电源182可以是电池或者AC功率的插头。脉冲发生器184在导线206上发送使光源202闪光的电信号。脉冲发生器184所产生的脉冲的定时、持续时间和强度可以由以下三种方式之一来控制：(1)通过天线186接收的信号，(2)当操作者按下操作控制单元188上的按钮时启动的信号，或者(3)预定的信号模式。电子信号装置180可以被嵌入在刚性探针结构204内，由操作者携带，或者放在地面上。天线186截取例如射频(RF)或者红外能量等电磁能。作为可选择的实施例，天线186可以由连接到计算设备或远程控制单元的导 线来代替。 
图3示出发射器200的三个实施例：球形安装的发射器210、安装有探针的发射器220以及基准发射器230。球形安装的发射器210包括局部球212、光源214以及导线216。局部球212是去掉一部分的球。其优选由钢制成，使得可以由磁性巢将其固定就位。光源214被定位在局部球212的中心。导线216将光源214连接到电子信号装置180(图2中所示)。 
安装有探针的发射器220包括小的局部球体222、光源223、导线224、探针体225、旋转轴226以及锁定机构227。光源223定位在小的局部球体222的中心。导线224将光源223连接到电子信号装置180(图2中所示)，导线224优选被装入到探针体225内。电源182优选为电池，操作控制单元188优选被集成在探针体225内。旋转轴226可在一角度范围内转动并利用锁定机构227锁定在适当位置。 
基准发射器230包括光源232、冠部234、柄部236以及导线238。光源232沿着柄部236和冠部234的圆柱对称轴定位。柄部236安放在物体140中形成的基准工具孔内。冠部234的底部与物体140的表面接触。光源232被定位成使得光源232安放在物体140的表面之上的固定距离。导线238将光源232连接到电子信号装置180。 
便携式大尺寸CMM经常被用在空气中分散有颗粒物质的脏的工业环境中。如果颗粒落在图3的发射器中的光源之一上，则颗粒可能部分或完全挡住来自该光源的光。为了避免该问题，可在光源上面居中放置对称的透明罩。球形安装的发射器210的可选附件是图4中所示的透明球形壳部分219。球形壳部分219以正视图和反视图画出，以示出壳的内部结构。球形壳部分219的球形表面在图3中所示的球形表面212的中心上居中放置。由光源214发射的光直线穿过球形壳部分219。球形壳部分229可选地放在球形安装的探针220上，并且球形壳部分239可选地放在基准发射器230上。 
发射器200的第四实施例是广角发射器240，在图1和图5中以立体图示出，在图5中以穿过发射器中心的截面图示出。广角发射器240 包括发射器球250、柱242、电子部件腔244、球形基座部分246以及可选的手柄248。来自广角发射器240的光的强度在所有方向上几乎相同。发射器球250在球形基座部分246的下表面上居中放置。换句话说，从发射球250的中心到球形基座部分246的外表面的距离等于球形基座部分246的半径。 
在图6A中以中心截面图示出的发射器球250包括上透明半球壳251、下透明半球壳252以及广角光源255。利用指标匹配黏合剂将上下半球壳251和252连接在一起以形成空心球形腔253。球形腔253被涂覆涂层254，涂层254包括多个硬电介质材料的薄层，其透射大约1％或2％的来自光源的少部分光，并以非常小的损耗反射剩余的光。广角光源255安装在球形腔253的底部附近。连接到光源的电导线穿过在下半球壳252中开凿的通路259。 
图6B示出从广角光源255发出的光线256。对于发光二极管(LED)形式的广角光源，所发射的光典型具有大约120度的半功率全角。图6B中示出来自光源255的光的广角传播。由于腔253的表面被涂覆成高反射性表面，因此只有少量的光穿过透明的半球壳251和252。除了少量被吸收的以外，大部分剩余的光被反射。图6C示出作为离开腔253表面的光线的特定光线257A如何按照以下顺序：257B、257C、257D进行反射。反射不断进行直到所有的光透射过半球壳251和252或者被玻璃或涂层吸收。光线257A、257B、257C、257D等覆盖球形腔253的表面上宽间隔的点。反射之后，光线256将在球形腔253的表面上散开。作为光源255的光的广角传播和光从电介质涂层254的高反射的结果，每单位区域上光源的光强度在球形腔253的表面上几乎恒定。此外，光线一般不会以法线入射到腔253的表面。结果，透射过腔表面253的光关于入射光束在所有不同方向上折射并且由半球壳251和252的外表面在所有不同方向上再次折射。对于照相机400A和400B，发射器球251表现为具有与球形腔253的直径相等的直径的漫射照亮的圆形物。从任一个照相机的位置观看时照亮的腔253的矩心位置与腔的几何中心几乎相同。当发射器球250相对于照相机倾斜时矩心位置将有 一些轻微的变化。 
为了利用广角发射器240获得最精确的测量，腔253的直径应该制造得尽可能小；1mm的直径是合理的。另外，电介质涂层254应该被设计为在光源波长处具有高反射率低损耗。如果透射率为1％，反射率接近99％，则在腔的表面上单位区域的光强度变化很小。使用这些技术，可以建立在230或240度的摄像机视角范围上工作的、在该角度范围上矩心位置误差不超过大约10微米的广角发射器。当配置多个照相机以在各种角度上观察靶时，广角发射器240是有优势的。下面讨论这种测量情况。广角发射器240的电子部件和电池贮藏在电子部件腔244或手柄248中。可选择地，电子部件和电力可通过导线从远处位置提供。 
发射器200的第五实施例是图1和图7的立体图中所示的向后探针发射器260。向后探针发射器260包括光源261、挡板262、光源支持物263、镜264、探针柱265以及探针尖端266。光束270从光源261发出，被镜264反射，作为光束271传播到照相机400A。光束272从光源261发出，被镜264反射，作为光束273传播到照相机400B。探针尖端266位于由镜264形成的光源261的虚像的位置处。换句话说，探针尖端266和光源261之间的连线被镜264的反射面成直角二等分。挡板262阻挡光源261的光直接到达照相机400A或400B。因此照相机将该光源视为从点266发出。由于探针尖端266可以到达对两个照相机400A、400B来说光源不可见的点，因此该配置是有优势的。 
照相机
图8中示出照相机400A的框图，照相机400A与照相机400B相同。照相机400A包括成像模块410和电子模块430。有两个成像模块410的实施例。第一个实施例是图9中所示的线性成像模块800。线性成像模块800包括光学带通滤光器814、光束分离器816、第一和第二缝隙820A和820B、第一和第二圆柱形透镜组件830A和830B以及第一和第二线性光敏阵列840A和840B。光学带通滤光器814的目的是消除光源202的波长范围之外的背景光。这改善了光敏阵列840A和840B的信噪比。光学 带通滤光器814的替换方案是涂覆第一和第二透镜组件830A和830B的表面以过滤掉不想要的波长。 
光轴310穿过光束分离器816、第一缝隙820A、第一圆柱形透镜组件830A以及第一线性光敏阵列840A的中心。光轴310从光束分离器816的反射穿过第二缝隙820B、第二圆柱形透镜组件830B以及第二线性光敏阵列840B的中心。如图9中所示，光线314从光源202发出并传播到线性成像模块800。第一缝隙820A只允许一些光进入第一圆柱形透镜组件840A。第一圆柱形透镜组件830A可以由结合成刚性结构的一个至几个单独透镜元件组成。甚至可以完全省略透镜组件830A，这导致针孔类型照相机。缝隙820A可位于圆柱形透镜组件840A中的透镜元件之间或者外侧。第一圆柱形透镜组件830A在y方向上具有聚焦强度而在x方向上没有。换句话说，第一圆柱形透镜组件趋向于在y方向上聚焦光而在x方向上不受影响。因此进入第一圆柱形透镜组件830A的光形成在x方向上延伸的线854A。 
相对于图1的测量环境内的某球参考系光源202处于坐标(x0，y0，z0)处。光线314被光束分离器816分离。为了得到光束图像，考虑穿过圆柱形透镜组件830A、830B的光学中心的光线。光线854A、854B的矩心形成在大约fay、fax处，其中f是圆柱形透镜组件830A的焦距，ay和ax 是在y、x方向上光线314与光轴310所成的角度。由于透镜***的像差，实际矩心稍微偏离位置fay、fax。对每个点应用修正值来补偿这些像差。通过一度在工厂进行的测量来确定该修正值。 
使照到线性光敏阵列840A、840B的背景光的量最小化是很重要的。已经讨论了减少背景光的一个方法-添加光学带通滤光器814或者涂覆圆柱形光学透镜组件830A、830B以滤去不想要的波长。减少背景光的另一个方法是使线性光敏阵列840A、840B的积分时间同步以响应于光源202的闪光。 
成像模块410的第二个实施例是图10中所示的区域成像模块900。区域成像模块900包括光学带通滤光器914、光圈920、球形透镜组件930以及区域光敏阵列940。光学带通滤光器914的目的是消除光源202 的波长范围之外的背景光。这改善了光敏阵列940的信噪比。光学带通滤光器914的替换方案是涂覆透镜组件930的表面以滤掉不想要的波长。 
光轴310穿过光学带通滤光器914、光圈920、球形透镜组件930以及区域光敏阵列940的中心。如图10中所示，光线314从光源202发出，传播到区域成像模块900。光圈920只允许一些光进入球形透镜组件930。球形透镜组件930可由结合成刚性结构的一个至几个单独透镜元件组成。甚至可以完全省略透镜***930，这导致针孔照相机。光圈920位于球形透镜组件940内的透镜元件之间或之外。 
球形透镜组件930在x和y方向上具有相同的聚焦强度。因此，进入球形透镜组件930的光在区域光敏阵列940上的点953处形成小光点。为了得到点953的位置，来自光源202的光线314穿过球形透镜组件930的光学中心。通常与照相机400A、400B的距离远大于照相机内透镜***的焦距。在此情况下，光点953形成在偏离圆柱形透镜***930的有效中心大约焦距f处。如果光敏阵列940的中心在位置(x，y)＝(0，0)处，则点953位于阵列930上的大约坐标(fax，fay)处，其中ax，ay是光线310与光轴314的角。光圈920的直径被设置为足够小以使像差最小化而不使光强度减少太多。 
根据区域光敏阵列940的像素响应计算光点953的矩心位置。一般来说，必须修正该位置以解决光学像差的影响。通过一度在工厂所进行的测量来确定该修正值。 
使照射到区域光敏阵列940的背景光的量最小化是很重要的。已经讨论了减少背景光的一个方法-添加光学带通滤光器914或者涂覆球形光学透镜组件930以滤掉不想要的波长。减少背景光的另一个方法是使区域光敏阵列940的积分时间同步以响应于光源202的闪光。 
图8中的电子模块430包括调节器432和计算装置434。调节器432的主要目的是产生适于计算装置434进行处理的数字信号。如果光敏阵列420是CCD阵列，则调节器432可能包含模拟-数字转换器和支持电路。如果光敏阵列420是CMOS阵列，则调节器432可能不需要模拟-数 字转换器并且可以只包含缓冲器/线路驱动器。数据从调节器432传到计算装置434，计算装置434包含数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、或者类似的计算设备。计算装置434的目的是根据上面给出的指示处理光敏阵列上的图像-找到矩心、应用适当的修正因数以及进行最佳拟合计算。 
计算接口500包括计算装置510、用户接口520、收发器530以及天线540。数据从计算装置434发送到计算装置510。同时，从照相机400B中的对应计算装置发送数据。这两个照相机提供关于与光源202的角度的信息。 
在光源202的脉冲产生、光敏阵列840A、840B或940的曝光和数据的读出以及计算装置434和510的计算之间需要配合。用于该配合的定时信号可以用以下三种方式之一来触发：(1)通过天线186或代替天线186的导线接收的信号，(2)当操作者按下操作控制单元188上的按钮时启动的信号，或者(3)预定的信号模式。 
计算
三维坐标测量设备100的目标是确定移动发射器200的位置。这以两个阶段来完成-后方交会(resection)阶段和前方交会(intersection)阶段。在后方交会阶段中，确定照相机的位置和方位。这两个照相机之一处于原点(x，y，z)＝(0，0，0)且方位角(倾角、旋角、偏角)等于零。第二个照相机的位置和方位通过测量之间距离已知的光点来得到。这多次利用相对于照相机位于不同距离和位置处的点来进行。在后方交会阶段必须测量分开已知距离的点以建立照相机的比例。这可利用由复合材料或Invar(不胀钢)等低CTE材料制成的人工制品来方便地完成。两个或更多个光源安装在人工制品上。在前方交会阶段，当发射器从一点移动到另一点时以照相机的帧速率确定发射器的坐标。 
在后方交会和前方交会测量二者中，使用最佳拟合数学来确定所需要的坐标和方位。这些数学技术对于照像测量法和测量学方面的工作人员来说是公知的。已经关于这一主题撰写了大量的书籍和文章， 在此不再给出进一步的讨论。 
测量
可利用坐标测量设备100来测量物体140的最重要的尺寸特征。通过在物体140的表面上移动球形安装的光源210同时光源214以规则的间隔快速闪光可以确定物体140的表面轮廓。因为光源214位于局部球体212的中心，所以从光源214到物体140的表面的距离恒定，与球形安装的光源210的倾角、偏角或旋角无关。从坐标读数中减去该恒定距离以确定表面坐标。通过测量平坦物体的表面轮廓可以确定物体的平整度一也就是说，该表面偏离理想平面多少。通过测量两个平坦物体可以确定表面平面之间的角度。通过测量球形表面，可以确定球体的中心和直径。可以使用安装有探针的发射器220来测量小物体或者具有精细细节的物体的表面轮廓。 
在大覆盖区(一侧大约15米)进行测量的一个方便的方法是结合每个具有广视野的多个固定照相机使用广角发射器240。当广角发射器240移动时，照相机对其进行连续观察。操作者在物体的所有侧面上进行测量而不需要重新定位照相机或者进行额外的后方交会过程。 
习惯作法是在用于汽车、飞机、科研构造以及类似物体的装配和定性的工具上安放基准点。这些基准点的一个用途是监视物体尺寸是否随时间改变。这种尺寸的改变可能是由机械震动或环境温度的改变而导致的。建立基准点的一个方式是在物体的适当位置钻孔。将工具球160或基准发射器230等探针放置在该孔中。图1和图11中所示的工具球160包括球体162、冠部164、柄部166。当柄部166放置在基准工具孔内时，球体162的中心处于孔顶之上的固定距离。可使用球形安装的光源210或安装有探针的光源220来测量球体162的轮廓。由此可以确定工具孔的中心。已经描述了基准发射器230。光源232位于与球体162的中心相对应的位置处。因此，可以确定工具孔的位置并且基准发射器230在工具孔中的方位不影响工具孔的位置。 
建立基准基准点的另一个方法是将巢放在物体或它们的周围上。图1和图11中示出磁性巢150。它包括巢体(图11中所示)、巢体内的 三个球形触点(未示出)以及巢体内的磁体(未示出)。当球形表面放置在三个球形触点上时，它可以围绕球体的中心转动到任意所希望的倾角、偏角和旋角。如果将由钢制成的球形安装的光源210安放在磁性巢150内，则巢内的磁体将安全地保持光源210与三个球形触点接触，同时允许光源210转动到任意所希望的位置。可以利用螺丝或热粘接剂等将巢150固定到物体上或其周围。 
有时必须测量照相机400A和400B中的一个或两个直接观察不清的特征。向后探针发射器260可以探测这种隐藏的特征。 
速度、精度和成本
成像模块800提供低成本的高速度和精度。考虑具有5000像素和100％占空因素的CCD线性阵列与具有50度视野＝0.87弧度的照相机。如果***的子像素精度是100∶1并且照相机的几何形状相对于两个角度测量产生三维精度上的降低，则预期的三维精度是0.87×2/(5000×100)＝3.5ppm，这与如今可获得的任何其它三维测量***可获得的精度相比相同甚至更好。测量速度是10,000Hz，这比如今可获得的大多数测量***都要高。 
区域成像模块900也提供低成本的高速度和精度。考虑具有1000像素和100％占空因数的CCD线性阵列和具有50度视野＝0.87弧度的照相机。如果***的子像素精度是200∶1，并且照相机的几何形状相对于两个角度测量产生三维精度上的降低，则预期的三维精度是0.87×2/(1000×200)＝8.7ppm，这比得上如今可获得的最好的三维便携式坐标测量机。测量速度是大约100Hz，这满足了几乎所有应用，只要光闪烁以凝固移动发射器的运动即可。 
当然，通过使用这里所教导的原则有许多方法来构造所要求保护的陈列。我们所描述的特定实施例仅是落入权利要求范围内的所有可能构造集合中的几个。 
尽管已经参照典型实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员应该理解在不背离本发明的范围的情况下可以进行各种改变并且可以对其元件进行等价替换。此外，可以进行许多修改使得在不违背本 发明的实质范围的情况下使特定的情况或材料适合本发明的教导。因此，本发明不意图局限于作为执行本发明的最佳模式而公开的特定实施例，相反，本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。另外，术语“第一”、“第二”等的使用不表示任何顺序或重要性，术语“第一”、“第二”等用于使一个元件区别于另一个元件。另外，术语“一个”等的使用不表示量的限制，而是表示存在至少一个所提及的项目。 

Claims (11)

1.用在要测量的物体上的光学照相机三维坐标测量***，包括：
紧凑、容易移动且可转动的尺寸已知的靶，该靶包括沿所述要测量的物体在不同的点处与所述要测量的物体相接触地放置的球形表面，由此消除了使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；
位于所述靶中已知位置处的发光源，其中所述发光源位于所述具有球形表面的靶的球心处；
至少两个位于不同且已知坐标位置处的照相机，照相机用于从不同的光透视接收来自所述发光源的光；以及
处理器，其用于根据所述照相机上所述发光源的图像、所述照相机的所述已知坐标位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述靶中所述发光源的所述已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。
2.根据权利要求1的***，其特征在于，所述靶包括具有球形腔的透光球壳，所述球形腔由所述发光源照亮并且涂覆有部分反光涂层。
3.根据权利要求1的***，其特征在于，所述靶具有安装到所述靶上的手柄。
4.根据权利要求1的***，其特征在于，所述靶是在至少一侧上开口的局部球体。
5.根据权利要求1的***，其特征在于，所述至少两个照相机每个包括至少一个或更多个光敏阵列，该光敏阵列用于根据记录在所述光敏阵列上的所述发光源的图像来确定所述要测量的物体的三维坐标，其中来自所述发光源的光入射到所述光敏阵列上。
6.用于测量物体的光学照相机三维坐标测量方法，包括：
沿所述要测量的物体在不同的点处与所述要测量的物体直接接触放置的紧凑、容易移动且可转动的包括球形表面的尺寸已知的靶，由此消除使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；
从位于具有球形表面的靶的球心处的发光源发射光；
将所述发光源的图像记录在至少两个位于不同且已知坐标位置处的照相机上，该照相机用于从不同的光透视接收来自所述发光源的光；以及
根据所述照相机上的所述发光源的图像、所述照相机的所述已知坐标位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述靶中所述发光源的已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，所述靶包括具有球形腔的透光球壳，所述球形腔由所述发光源照亮并涂覆有部分反光涂层。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，所述靶是在至少一侧上开口的局部球体。
9.用在要测量的物体上的光学照相机三维坐标测量***，包括：
放置在所述要测量的物体中的至少一个或更多个孔中的紧凑、容易移动且可转动的、包括圆柱形表面的尺寸已知的靶，由此消除使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；
发光源，其中所述发光源位于沿圆柱对称性轴的已知位置处；
位于不同且已知坐标位置处的至少两个照相机，用于从不同的光透视接收来自所述发光源的光；以及
处理器，其用于根据所述照相机上的所述发光源的图像、所述照相机的所述已知坐标位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述发光源在所述靶中的已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。
10.用在要测量的物体上的光学照相机三维坐标测量***，包括：
放置成在沿所述要测量的物体的不同点处与所述要测量的物体直接接触的紧凑、容易移动且可转动的、包括球形表面的尺寸已知的靶，由此消除使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；
相对于镜放置的发光源，使得所述球形表面的中心位于所述靶中的所述发光源的虚像位置处；
位于不同且已知坐标位置处的至少两个照相机，用于从不同的光透视接收来自所述发光源的光；以及
处理器，用于根据所述照相机上的所述发光源的图像、所述照相机的所述已知坐标位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述发光源的已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。
11.用于测量物体的光学照相机三维坐标测量方法，包括：
沿所述要测量的物体在不同的点处与所述要测量的物体直接接触放置的紧凑、容易移动且可转动的包括球形表面的尺寸已知的靶，由此消除使用从所述靶延伸到所述要测量的物体的较大伸长的探针接触尖端的必要性；
从相对于镜放置的发光源发射光，其中所述发光源的放置使得所述球形表面的中心位于所述靶中的所述发光源的虚像位置处；
将所述发光源的图像记录在至少两个位于不同且已知坐标位置处的照相机上，该照相机用于从不同的光透视接收来自所述发光源的光；以及
根据所述照相机上的所述发光源的图像、所述照相机的所述已知坐标位置、所述靶的所述已知尺寸以及所述靶中所述发光源的已知位置来计算所述要测量的物体的三维坐标位置。
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