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CN108474649B - 借助干涉长度测量确定物体的空间位置的方法和设备 - Google Patents

借助干涉长度测量确定物体的空间位置的方法和设备 Download PDF

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CN108474649B CN201680065150.8A CN201680065150A CN108474649B CN 108474649 B CN108474649 B CN 108474649B CN 201680065150 A CN201680065150 A CN 201680065150A CN 108474649 B CN108474649 B CN 108474649B
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Abstract

本申请涉及用于确定到可移动目标物体的距离和/或所述可移动目标物体(40)的位置的方法，包括以下步骤：将相干聚焦测量光束(25)指向具有凸形反射表面的球形目标物体(40)，使得目标物体(40)的中心位于测量光束(25)的焦点；以及通过干涉地叠加由目标物体(40)反射的测量光束(40)和参考光束(17)来确定目标物体(40)和参考点之间的距离。

Description

借助干涉长度测量确定物体的空间位置的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于借助于干涉长度测量非接触地确定物体的空间位置的方法和设备。
背景技术
测量物体的空间位置具有许多应用领域，例如在工业、医药以及特别地在机器人中的各种机器和装置的控制或调节，其中机器人臂的末端、示踪剂等的定位精度度基本上确定可能的制造精度。因此需要非常精确地确定诸如例如机器人夹臂的物体的位置以及在适用的情况下的空间位置的方法。
可以通过测量由电磁束(例如光)覆盖的路径长度来非接触地确定距离。为此，电磁束一次或多次通过参考位置和物体之间的路径，使得从光束覆盖的路径长度可以导出距离(TOF方法)。
DE 10 2004 037 137 A1提出TOF测量与诸如三角测量法或干涉测量法的另外的光学测量方法的组合，以便改善测量精度。
DE 10 2008 045 387 A1和DE 10 2008 045 386 A1描述使用光脉冲的位置确定，由此确定信号分量的相位位置，该信号分量的相位位置以光脉冲序列的重复率的倍数振荡，使得在相对大的距离范围内，可以非常精确地实现距离的确定。
DE 10 2010 062 842 A1描述用于使用干涉测量结构来确定目标物体的绝对位置的方法，由此随时间确定通过测量路径之后的测量信号的强度，以便确定测量路径的长度的粗略信息并且借助于参考光束，相位信号被确定为测量路径的长度的精确信息并且与粗略信息组合。
本发明的任务是提出用于确定物体位置的方法和设备，该方法和设备可以用于许多应用并且使得能够实现很高的测量精度。
发明内容
根据本发明，该任务通过用于确定可移动目标物体的位置的方法来解决，该方法包括以下步骤：将相干聚焦测量光束指向具有凸形反射表面的球形目标物体，使得目标物体的中心位于测量光束的焦点处，并且通过干涉地叠加由目标物体反射的测量光束与参考光束来确定目标物体与参考点之间的距离。
根据本发明的方法可以用于许多应用，并且使得能够以很高的测量精度确定目标物体的空间位置，因为干涉长度测量是用于确定物体距离的最准确的方法之一。由此可以获得仍然远低于诸如例如可见光或红外光的所使用的光束的波长的分辨率。然而，干涉测量的先决条件是由目标物体反射的光束与内部参考光束的相干叠加。测量设备确保测量光束在中心撞击球体，从而获得最大的干涉对比度并因此获得最好的测量精度。从目标球体返回的信号独立于目标球体在空间中的位置。
本发明还提出用于确定可移动目标物体在空间中的位置的设备，该设备包括光源，用于产生相干测量光束；成像光学件，被配置用于将测量光束聚焦在球形目标物体上，使得目标物体的中心位于测量光束的焦点处；用于从测量光束产生参考光束的设备；检测器，用于检测目标物体反射的测量光束与参考光束的叠加产生的干涉信号；跟踪设备，用于连续跟踪测量光束的焦点，使得测量光束的焦点位于目标物体的区域中；以及评估设备，用于通过评估干涉信号来确定目标物体和参考点之间的距离。
为了获得良好的干涉信号，测量光束被聚焦在目标物体上，使得照射到目标物体且照射在目标物体的表面上的测量光束的波阵面的曲率对应于目标物体的凸形表面的曲率。
对于连续测量，必须在目标物体的位置上连续跟踪测量光束的焦点位置。为此可借助于位置检测摄像机或通过确定由非聚焦并且优选非相干控制光束的目标物体反射的强度来执行所需的目标物体的位置的粗略确定。
根据本发明的设备可具有有可变焦距的可移动透镜，用于跟踪测量光束在目标物体的位置上的焦点。
根据本发明，目标物体的空间位置可借助于从不同位置照射并且指向目标物体的多个测量光束来确定。根据该方法的变型，表面的形貌可借助于多个测量光束，借助于在表面上可移动球形目标物体的空间位置确定来确定。可取决于目标物体的自由度和所需的冗余测量来选择指向目标物体的测量光束的数量，这可以增加测量精度。
此外，根据本发明，可确定物体在空间中的位置和指向，其中在物体上设置多个(例如三个)彼此间隔开的球形目标物体，物体的空间位置由干涉测量方法确定。优选球形的目标物体可配置为例如通过形状、颜色、尺寸或位置彼此可区分。
附图说明
以下参考附图根据实施例详细描述本发明。附图示出：
图1是根据本发明的用于确定目标物体位置的设备实施例的结构示意图；
图2是焦点区域中的测量光束的波阵面的示意图；
图3是在目标物体上撞击并且反射的测量光束的波阵面的示意图；
图4是根据本发明用于确定表面的形貌的方法的变型的示意图；
图5是根据本发明的用于确定物体在空间中的位置和指向的变型的示意图；
图6是根据本发明的用于连续跟踪测量光束的焦点的跟踪设备的实施例的示意图；以及
图7是说明根据本发明的用于确定目标物体的位置的方法的实施例的示意流程图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于确定目标物体的位置的设备10的实施例的示意图。为了产生相干测量光束，提供光源12，优选为激光，其产生相干的可见光或红外光。测量光束被发送到具有透镜系统22的跟踪单元20，透镜系统将测量光束25聚焦在目标物体40上。还提供用于产生反射参考光束17的设备21。这可被配置为例如部分反射镜或光束分离器和镜的组合。在此，参考光束可在跟踪单元前方、内部或后方产生。由目标物体40反射的信号优选地在相同的光路径上返回到光束分离器15，与参考光束17一起反射到检测器30上，并且在该路径上干涉参考光束17。由检测器接收到的干扰信号由评估单元35评估并且以该方式确定参考光束17和测量光束25的光路径的差。通过系统的校准，以该方式使得能够测量目标物体40的距离。
根据本发明的用于确定目标物体的位置的方法在图7中以其最通常的形式示出。在第一步骤S1中，测量光束25指向目标物体，使得目标物体位于测量光束的焦点处并且以该方式产生相干反射光束，其利用参考光束产生干涉信号。在第二步骤S2中，以干涉的方式测量确定从参考点到目标物体的距离。
目标物体40是具有反射凸形表面的主体，优选为具有反射表面的球体。当测量光束25在中心撞击目标物体40时，测量光束被反射并且优选地沿相同的光束路径返回到光束分离器15，在光束分离器处，返回光束与参考光束17干涉地重叠，并且光束的强度由检测器30确定。
优选地，光源12、跟踪单元20和检测器30之间的光束被承载在光纤中。光源12与用于产生参考光束的设备21、目标物体40和检测器30一起以该方式形成用于距离测量的干涉仪。在此参考光束到参考光束产生设备21的反射表面的光路径构成距离测量的参考长度。常规干涉仪仅允许小于半个波长的相对长度测量。此外，用现代方法也可以测量更大的相对甚至绝对距离。如果用于绝对距离测量的干涉仪不可用，若为相对测量创建参考点，则可实现所提出的方法。
根据本发明将反射球体用作目标物体的很大的优点是可完全被动地配置目标物体。不需要在测量光束上引导目标物体。相反，然而，有必要用测量光束在中心高精度地撞击球体。这优选通过用于偏转光束的多级系统来实现：首先，球体的位置必须粗略确定，并且去耦单元指向球体。在下一个步骤中，必须找到球体的中心。干涉测量方法仅可以在这里使用。由于实际的长度测量是可以快速进行的，所以也可以使用动态系统跟随球体，并以短时间间隔测量到球体的中心的距离。例如可借助于本身已知的摄像机(未示出)通过位置确定来实现对球体40的粗略指向：球体的位置可以借助一个或多个摄像机与合适的图像评估软件一起通过三角测量来确定。或者，可借助于来自球体的背反射来粗略指向球体。借助明亮的非聚焦光，可以使用同样用于测量光束的光学件来搜索球体的背反射。然而，重要的是不会产生随后测量所需的干扰。只有那时，反射的功率才会随到球中心的距离一起单调下降。该方法可以用附加的激光执行，但也可以用干涉仪自身的激光执行，由此调制激光波长。
测量光束25在目标物体40上的反射在下面借助于图2和图3详细说明。
为了在凸形，特别是球形表面上测量干涉测量长度以及准确地撞击球体40上的反射点，必须满足两个重要条件：
1.干涉仪吸收的球体反射的功率必须足以以足够的信噪比来调制本地参考光束。
2.反射光束和获得的光束内的运行时间分布必须清晰。换句话说，一定不能有任何覆盖短于或长于超过光波长的一小部分的路径。
这两个条件均可以满足适应目标物体40的距离的光束成形。由于需要用测量光束在中心撞击球体，所以需要其它要求。
下文借助高斯光学来描述测量光束25和目标物体40的相互作用。这是必要的，因为很大程度上遵循直觉的光束光学法则在聚焦上会失败。用高斯光学可以很好地描述从单模光纤中出现的光。图2中示出高斯光束的焦点。焦点不是点而是具有最小直径的腰部。为了说明的目的，以夸大的方式示出波阵面的曲率。这里最重要的是，焦点不可以是任意小的，而是由于波长和光束发散度，最小直径有下限。波阵面的曲率是距焦点距离的非线性函数：
Figure BDA0001653327310000071
所谓的瑞利长度z0作为最小光束半径ω(腰部)和波长λ的函数。
Figure BDA0001653327310000072
从等式(1)可以看出，高斯光束中的波阵面在瑞利长度的距离处具有最小的曲率半径。如果光束现在可以聚焦，使得该最小曲率半径小于或等于反射球体的曲率半径，则光束的完美反射是可能的，而没有光路径误差。光束本身被反射。当球体被相同半径的波阵面覆盖时发生该情况。该情况在图3中示意性地示出。同相反射发生在完全相同的光束上。这可以实现球的完全干涉对比度和最佳的反射获取效率。
曲率的半径所需的小的腰部可以通过对应大的发散度来聚焦获得。
Figure BDA0001653327310000073
对于直径为例如10mm的球，因此需要0.8°的发散度，其限定最后一个透镜位置处的最小光束直径，即其最小孔径。例如，在最大距离1米处，需要有效直径至少为28mm的去耦器，以便产生35μm的腰部，由此其最小波阵面半径为5mm。
由此有可能将测量光束聚焦成使得在整个横截面上发生同相反射。这因此使得干扰信号具有最大对比度。然而，随着距离的增加，需要具有更大孔径和焦距的光束成形光学件。然而，这至少在几米范围内是有可能的。
以下参考图6借助于具体实施例说明目标物体40上的测量光束25的引导和跟踪。干涉仪的测量光来自单模光纤18并且在所示实施例中通过单个透镜22在90mm的距离聚焦。所得到的(计算的)腰部直径为52.5μm。由此，瑞利长度为1.4mm，因此最小波阵面半径为2.8mm。在理想条件下，腰部位于球体表面后面(内部)4.57mm处。准确地说，因此波阵面覆盖球体。
根据本发明的其它配置，通过多个测量光束和干涉仪的组合，可以确定目标物体40到各种参考点的距离，使得可以根据各个距离计算目标物体40的位置。由此可以看出，根据本发明的方法的优点在于，目标物体不需要指向测量光束。图4中示意性地示出使用布置在不同位置处的多个距离测量设备10确定目标物体40在空间中的位置的变型。在所示示例中，球形目标物体40在待研究的表面45上自由移动，考虑到球形目标物体的半径，可以以很高的测量精度对其形貌进行扫描。可以基于目标物体40的自由度来选择所使用的目标检测设备10的数量。为了通过冗余增加测量精度，也可以使用更多的测量光束作为目标物体的自由度。所描述的方法可以用于例如材料测试领域。
根据本发明的又一种配置，可以确定物体在空间中的位置和指向，由此取决于物体的对称性以及可能需要对目标物体中的一个进行遮蔽所需要的冗余，两个、三个或多个彼此间隔开的球形目标物体设置在物体上，其空间位置通过干涉测量方法检测。这在图5中以示例的方式示出。三个球形目标物体40以限定的距离设置在笔形物体50上。如上所述，通过在不同情况下借助于三个测量光束确定所有三个目标物体40的位置，例如物体50在空间中的位置和指向以及因此测量末端52的位置也可以以很高的测量精度来确定。这打开了特别是在机器人领域的应用。为了容易区分，彼此间隔开的多个目标物体40可为具有不同形状、颜色、尺寸或位置的球体。
总之，本发明提出可以在许多应用中使用的通用的非接触式方法，以及借助干涉长度测量来精确确定目标物体的位置，特别是空间位置的设备。

Claims (16)

1.用于确定可移动目标物体(40)在空间中的位置的方法，包括以下步骤：
-将相干聚焦的测量光束(25)指向具有凸形反射表面的球形目标物体(40)，使得所述目标物体(40)的中心位于所述测量光束(25)的焦点处，以及
-通过干涉地叠加由所述目标物体(40)反射的测量光束(40)和参考光束(17)，来确定所述目标物体(40)与参考点之间的距离，
其中，在所述目标物体(40)的位置上连续地跟踪所述测量光束(25)的焦点位置，使得照射到所述目标物体(40)且照射在所述目标物体(40)的表面上的测量光束(25)的波阵面的曲率对应于所述目标物体(40)的凸形表面的曲率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于位置检测摄像机，执行用于跟踪所述测量光束(25)的焦点位置的所述目标物体(40)的粗略定位。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过确定由所述目标物体(40)反射的非聚焦的控制光束的强度，执行用于跟踪所述测量光束(25)的聚焦位置的所述目标物体(40)的粗略定位。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述控制光束是不相干的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过所述测量光束的部分反射产生所述参考光束(17)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于从不同位置照射并且指向所述目标物体(40)的多个测量光束(25)，确定所述目标物体(40)的空间位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，取决于所述目标物体(40)的自由度和需要的冗余测量，能够选择指向所述目标物体(40)的所述测量光束(25)的数量。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，借助于在表面(45)上可移动的球形目标物体(40)的空间位置确定，确定该表面(45)的形貌。
9.用于确定物体(50)在空间中的位置和指向的方法，其中，在所述物体(50)上设置彼此间隔开的多个球形目标物体(40)，通过根据权利要求6、7或8的方法来确定所述多个球形目标物体的空间位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，彼此间隔开的多个所述目标物体(40)配置为彼此能够区分的。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，确定测量末端(52)的空间位置，所述测量末端(52)具有到多个所述目标物体(40)的限定的距离。
12.用于确定具有凸形反射表面的可移动目标物体(40)在空间中的位置的设备，包括：
-光源(12)，用于产生相干测量光束(25)，
-成像光学件(22)，设计用于将所述测量光束(25)聚焦在球形目标物体(40)上，使得所述目标物体(40)的中心位于所述测量光束(25)的焦点处，
-用于从所述测量光束(25)产生参考光束(17)的设备(21)，
-检测器(30)，用于检测所述目标物体反射的所述测量光束(25)与所述参考光束(17)叠加产生的干涉信号，
-跟踪设备(20)，用于连续地跟踪所述测量光束(25)的焦点，使得所述测量光束的焦点位于所述目标物体(40)的区域中，其中，在所述目标物体(40)的位置上连续地跟踪所述测量光束(25)的焦点位置，使得照射到所述目标物体(40)且照射在所述目标物体(40)的表面上的测量光束(25)的波阵面的曲率对应于所述目标物体(40)的凸形表面的曲率，以及
-评估设备(35)，用于通过评估所述干涉信号来确定所述目标物体(40)与参考点之间的距离。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，用于产生所述参考光束(17)的设备(21)具有反射表面。
14.根据权利要求12或13所述的设备，具有位置检测摄像机，用于粗略确定用于跟踪所述测量光束(25)的焦点位置的所述目标物体(40)的位置。
15.根据权利要求12所述的设备，具有用于产生非聚焦的控制光束的光源(12)，其中，所述检测器(30)被配置用于检测由所述目标物体(40)反射的控制光束的强度，作为用于粗略确定所述目标物体(40)的位置的控制变量。
16.根据权利要求12所述的设备，具有用于跟踪所述测量光束(25)到所述目标物体(40)的位置的焦点的一个或多个可移动透镜(22)。
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