CN103649678A - 具有相位和间距调节的基于光栅的扫描仪 - Google Patents

Abstract

一种用于确定物体表面上的物点的三维坐标的方法，该方法包括以下步骤：将光束发送到衍射光栅；将第一衍射光束和第二衍射光束发送到物镜以形成至少两个光斑，所述至少两个光斑穿过板的透明区域以在物体表面上产生第一条纹图案；将由第一条纹图案照射的物点成像到感光阵列上以获得第一电气数据值；将板移动到第二位置；发送光斑使其通过板以在物体表面上产生第二条纹图案；将点成像到阵列点上以获得第二电气数据值；以及计算第一物点的三维坐标。

Description

具有相位和间距调节的基于光栅的扫描仪

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年7月14日提交的美国临时专利申请No.61/507,771的权益，其全部内容通过引用合并于本申请中。

背景技术

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如下的一类仪器：其通过将光的图案投影到物体并且利用摄像头记录该图案，来测量点的三维（3D）坐标。

有时被称为云纹干涉仪（accordion-fringe interferometer）的特定类型的坐标测量装置通过由两个小的、近距离隔开的光斑发出的分叉的波阵面的光的干涉形成光的投影图案。对所得到的投影在物体上的条纹图案进行分析，以求得摄像头中每个独立像素的表面点的3D坐标。

云纹干涉仪被实现为在其中使用压电致动器、电容式反馈传感器、弯曲平台、多个激光源以及多个物镜来移动衍射光栅。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较慢。需要用于获得3D坐标的改进的方法。

发明内容

一种用于确定物体表面上的第一物点的三维坐标的方法，该方法包括以下步骤：设置第一光源、投影仪以及摄像头，投影仪包括第一衍射光栅、物镜以及第一板，摄像头包括摄像头透镜和感光阵列，第一光源产生第一光源光束，第一板包括第一透射区域、第二透射区域以及至少一个不透明区域，投影仪具有投影仪透视中心，摄像头具有摄像头透视中心，在投影仪透视中心与摄像头透视中心之间的线段是基线，基线具有基线长度。该方法还包括：将第一光源光束发送到第一衍射光栅；利用第一衍射光栅形成至少第一衍射光束和第二衍射光束；将第一衍射光束和第二衍射光束发送到物镜；利用物镜形成至少第一光斑和第二光斑，第一光斑由第一衍射光束产生，以及第二光斑由第二衍射光束产生；将第一板放置在靠近第一光斑和第二光斑的第一位置处。该方法还包括：使来自第一光斑的第一光在第一透射区域中穿过玻璃的第一厚度以及使来自第二光斑的第二光在第二透射区域中穿过玻璃的第二厚度，同时阻止其它光穿过第一板，第一厚度和第二厚度之间的差等于第一厚度差；组合第一光和第二光，以在物体表面上产生第一条纹图案；将由第一条纹图案照射的第一物点成像到感光阵列的阵列点上，以从感光阵列获得第一电气数据值；将第一板移动到第二位置处；使来自第一光斑的第三光在第一透射区域中穿过玻璃的第三厚度以及使来自第二光斑的第四光在第二透射区域中穿过玻璃的第四厚度，同时阻止其它光穿过第一板，第三厚度和第四厚度之间的差等于第二厚度差，第二条纹差不等于第一条纹差；在物体表面上组合第三光和第四光，以在物体表面上产生第二条纹图案，第一条纹图案和第二条纹图案在第一物点处具有第一条纹间距；将由第二条纹图案照射的第一物点成像到阵列点上，以从感光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、第二电气数据值以及基线长度计算第一物点的三维坐标；以及存储第一物点的三维坐标。

附图说明

现在参照附图，示出了示例性的实施方式，该示例性的实施方式不应理解为限制关于本公开内容的整个范围，并且在一些附图中，部件被类似地编号：

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；

图2是示出了根据本发明实施方式的示例性投影仪的部件的框图；

图3是示出了根据本发明实施方式的示例性投影仪的主要部件的示意图；

图4、图4A和图4B是分别示出了移相器和针孔物体的正视图、第一截面图以及第二截面图的图；

图5是示出了根据本发明实施方式的用于移动相位/条纹调节器的机动化平台的部件的示意图；

图6是示出了穿过倾斜并且呈楔形的窗口的光射线的几何形状的图；

图7是示出了根据本发明实施方式的穿过包含有三个楔形窗口的组件的光射线的几何形状的图；

图8是示出了根据本发明实施方式的穿过包含有三个楔形窗口的组件的光射线的几何形状的图；

图9是示出了用于使用单个部件改变相位和条纹间距的组件的部件的示意图；

图10A至图10D是分别示出了根据本发明实施方式的相位和间距调节器窗口的正视图、第一截面图、第二截面图以及顶视图的图；以及

图11A和图11B分别是根据本发明实施方式的能够调节相位和条纹间距的组件的正视图和顶视图。

具体实施方式

图1示出了根据云纹干涉量度学的原理工作的示例性3D测量装置100。在电子单元150控制下的投影仪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。特定点124处的辐照度由两条光射线120、122在点124处的干涉确定。在工件130的表面上的各个点处，光射线120、122相长地（constructively）或相消地（destructively）干涉，从而产生条纹图案。摄像头140包括镜头系统142和感光阵列146。摄像头140在感光阵列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镜头系统142的透视中心144而在感光阵列上形成图像点128。感光阵列146的特定像素128接收从工件130的表面的小区域124散射的光。根据包括镜头系统142的摄像头140的几何特性已知用于限定相对于透视中心144到这个小的区域的方向的两个角度。

落到感光阵列146上的光被转换成数字的电信号，该数字的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头140到投影仪160的已知距离164。正如本文上面所解释的那样，对于摄像头140中的每个像素而言，已知两个角度和计算出的距离。通过对从所有像素中获得的信息进行组合，获得工件表面的三维地图。

图2示出了根据实施方式的示例性投影仪200的部件。光源210将光发送到光栅220，光栅220使得光被分束为各自以不同角度行进的多个光束。可以标刻光栅以使所产生的+1和-1量级的尺寸相对于其它量级如0、+3、-3、+5、-5量级被最大化。如果使用不止一个光源和不止一个光栅，则从不止一个光栅中射出的光可以在光束组合器230中组合。在一个实施方式中，光束组合器230是玻璃分束器。通过用于将光聚焦成两个小的光斑270的物镜240发送光束。光斑270可以是真实的或是虚拟的，真实的光斑由具有正光焦度（positive power）的物镜系统形成，虚拟的光斑由具有负光焦度（negative power）的物镜系统形成。针孔板250具有允许+1和-1量级的光穿过而阻挡其它量级的区域。针孔板被放置在光斑270所聚焦到的平面附近。可选的相位/条纹调节器260也被放置在光斑270所聚焦到的平面附近。在一个实施方式中，针孔板250和条纹/相位调节器260被集成到一个光学部件中。干涉发生在重叠区域275中并且被观察为在工件表面上的各个点处的条纹。

图3示出了包含有与图2的通用部件对应的部件的示例性投影仪300的具体部件。光源310A提供可能来自激光器、超发光二极管、LED或其它源的光。在一个实施方式中，来自光源310A的光经过光纤312A行进到包括有套圈322A和透镜324A的光纤发射器320A。替代地，来自光源310A的光可以经过自由空间行进至透镜324A。离开光纤发射器320A的准直光380A穿过光栅330A，该光栅产生在不同方向上行进的光束。所产生的光的量级可以包括0、±1、±3和±5。光穿过分束器340。在一个实施方式中，分束器340是透射50%的光并且反射50%的光的非偏振分束器，使得失去了一半的光强度。在另一实施方式中，光束380A、380B正交偏振，并且分束器340为被配置为对几乎整个光束380A进行透射并且对几乎整个光束380B进行反射的偏振分束器。在一个实施方式中，光源310B提供经过光纤312B行进到包括有套圈322B和透镜324B的光纤发射器320B的光。离开光纤发射器320B的准直光380B穿过光栅330B，该光栅产生在不同方向上行进的光束。光由镜335反射并且由分束器340反射。通过分束器340透射的光和由分束器340反射的光沿着相同的光束路径390行进。一次接通光源322A、光源322B之一，使得当光束380A、光束380B离开分束器340时，在光束380A、光束380B之间没有干涉。

沿着光束路径390行进的光束行进到物镜350，物镜350将光聚焦成两个小的光斑290。光学部件360被放置在两个小的光斑390的附近。在一个实施方式中，光学部件360是组合的相位调节器和针孔板。针孔板对由例如可能为0、±3和±5量级的光束生成的小的光斑进行阻挡。例如相位调节器将相位调节为0度、120度和240度的相位值。干涉发生在重叠区域395中并且被观察为在工件表面上的各个点处的条纹。

根据图1所示的系统100使用云纹干涉量度学来计算距离的方法用于移动两个光斑112、114的相对相位，这具有使工件上的条纹移动的效果。摄像头的每个像素对根据三个相移中的每个相移的同等的曝光所获得的光的等级进行测量。电子单元150内的处理器使用至少三个所测量的光等级来计算到工件表面上的点的距离。因此，为了计算3D坐标，图1至图3所示的系统需要分别移动点112、点114、点270以及点390的相对相位的能力。

如果由扫描仪测量的距离的范围相对大，那么扫描仪还需要有解决所测量的距离的模糊的能力。因为条纹间距相对小，所以证实了存在基于由摄像头采集的图像的几种可能的有效的距离解决方案。可以通过以已知量改变条纹之间的间距（间距）来去除这种模糊。在图3的一个实施方式中，通过使用穿过两个对应的光栅330A、330B的两个光源来获得两个不同的条纹间距，光栅330A、光栅330B具有不同的间距值。为了计算3D坐标，在大多数情况下，图1至图3所示的系统需要有将条纹间距改变为至少两个值的能力。

在一个实施方式中，组合的针孔和移相器360是图4中所示的光学部件400。光学部件400包括由高品质材料（如石英玻璃）制成的玻璃板405。将具有使穿过条纹区域410和412的光产生三个不同的相对相移的图案的区域蚀刻到玻璃中。替代地，可以通过将不同厚度的涂层涂覆到玻璃板405上来产生不同的厚度。如果使用了涂层，因为透射能力的差异会引起所计算的距离的误差，所以必须注意使得由每个不同层透射的光的量的差最小化。在图4所示的示例性实施方式中，条纹区域410具有如截面A-A中所示的凹部432，条纹区域412具有如截面B-B中所示的凹部444。根据光穿过光学部件400上的垂直位置，穿过条纹区域410和条纹区域412的光具有三个不同的相对光程长度（OPL）。这三个不同的OPL产生光斑390的三个不同的相对相移。在工件上，这种相移的效果是条纹线向侧面偏移。许多其它的蚀刻图案可以获得三个不同的相移。另外，在某些情况下，会希望获得不止三个相移，从而会需要额外的蚀刻区域。应了解，图4、图4A、图4B中所示的图案仅是示意性的并且在可能使用的图案的类型方面并不进行限制。

光学部件400的针孔功能是阻挡具有除±1之外的量级的不需要的光。量级0由可以为铬涂层的不透明涂层422阻挡。量级±3和±5由不透明区域420、424阻挡。在一个实施方式中，区域420、422和424是条纹形式而不是真正的针孔。尽管在所示的实施方式中使用条纹形状的光束阻挡器，但是通常使用术语针孔来描述阻挡不需要的光束的功能，因此此处使用术语针孔。可以将其它不透明的图案和透明区域应用于光学部件400。

图5中所示的机动化机构500可以用于给图4的相位调节器400提供线性运动。平台500包括其中心有孔的滚珠导轨。这种类型的商用滚珠导轨的特定平直度为0.00008m/m。相位/条纹调节器（例如可以为调节器400）附接到位置520处。运动由致动器530来提供，在一个实施方式中致动器530为音圈致动器。致动器530推动驱动部件532以移动滚珠导轨。由传感器540提供位置反馈，在一个实施方式中传感器540为线性编码器。电子单元550给致动器530和反馈传感器540提供电子支持。电子单元550可以包含用以提供计算支持的处理器。

现在考虑一种用于改变条纹间距的方法。图6示出了行进通过具有楔角ε以及在第一表面612上具有入射角α的楔形窗口600的光射线的几何形状。楔形窗口600具有第一折射角β、第二入射角γ以及第二折射角δ。有志于找到离开楔形窗口的最终射线相对于进入楔形窗口的最初射线的角度。特别地，有志于研究对于在α接近于零的情况下这个角度变化如何随着入射角α而变化。

在第一界面处的光束角度的变化为β-α，以及在第二界面处的光束角度的变化为γ-δ。第二入射角由下述公式给出：

γ=β+ε  （1）并且光束角度的总变化ζ为：

ζ=β-α+δ-γ=-α+asin(nsin(γ))-ε  （2）

对于入射角α=0的情况，公式（2）可以简化为：

ζ=asin(nsin(ε))-ε  （3）

公式（3）可以用于计算期望的楔角。例如，如果玻璃的折射率为n=1.5，并且如果期望的偏向角为ζ=1.3毫弧度，那么公式（3）可以进行数值求解而得到楔角ε=2.5毫弧度。

为了产生给出在3D测量装置的输出处的光斑之间的期望距离的三个不同角度，可以将楔形窗口的布置组合到如图7所示的组件700中。每个光束的主要方向由如下参照下面讨论的图9所解释的光栅部件来设置。组件700的目的是使两个分离的光束之间的角度有小的变化以产生条纹间距的期望的小变化。这可以通过在组件中心放置非楔形的窗口712以及在组件两侧相对地放置成角度的楔形窗口710和楔形窗口714来方便实现。

为了产生期望的偏向角，图7的组件700在纸平面上向上以及向下移动。这会在三个部件710、712和714中的每个部件中产生一致的角度偏差，但是在各种情况下将有不同的相移，并且这个相移将取决于组件1200在其向上和向下移动中的位置。

为了避免当组件移动时随着玻璃的厚度变化而产生的不期望的相移，楔形物可以被排列成图8A和图8B的组件1300、1350。当在图8A的顶视图中看时，组件伸出纸平面。单个光束1330进入三个部分1310、1315、1320之一。玻璃部分1315、1311、1320的楔角分别确定出射光束1340、1350、1345的方向。对于进入非楔形部分1310的光束1330，光束1340沿着原方向离开组件。对于其它两个部分1315、1320，根据图6，光束弯向玻璃的前缘。组件1300（1350）的设计的重要方面是：在组件移动时，在部分1310、1315、1320中的任意一个中光束的相位不会变化。只要部分1310、1315、1320合理地对齐使得在移动期间玻璃厚度不会变化，这就是真的。

图9示出了用于使用单个光学部件来调节相位和条纹间距两者的布置。光源910提供可能来自激光器、超发光二极管、LED或其它光源的光。在一个实施方式中，来自光源910的光经过光纤912行进到包括有套圈922和透镜924的光纤发射器920。替代地，来自光源910的光可以经过自由空间到达透镜924。离开光纤发射器920的准直光980行进到用于将光分束成在不同方向上行进的几个光束的光栅930。随后，在光学路径中，所有不同量级的衍射光聚焦成光斑，除了±1量级以外的所有不同量级的衍射光由不透明掩膜去除。光束987由镜933反射，由镜932反射，并且穿过用于对在组件900的输出处的相位和条纹间距两者进行调节的相位/条纹调节器940。光穿过对光进行透射的光束组合器952的第一部分。

光982由镜934反射，并且由光束组合器956的第二区域954反射。从光束组合器956出来的两个光束985、989在位置990处相交。在一个实施方式中包括有两个正透镜部件962、964的远焦光束扩展器960被定位成使得第一透镜部件962的焦距被设置为距交叉点990的距离等于第一透镜部件962的焦距f₁。两个准直光束985、989通过第一透镜部件962在距第一透镜962的距离为f₁处被聚焦成两个光斑996。透镜962与透镜964之间的距离等于f₁+f₂，使得在光束扩展器内的两个光斑距第二透镜部件962的距离为f₂。两个准直光束991、993从光束扩展器960中出来。出来的光束991、993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M=f₂/f₁。与入射激光束991、993之间的角度相比，两个出来的激光束之间的角度减少因数1/M。作为示例，假设每个入射激光束985、989的直径为0.7mm，光束的分离角为13毫弧度（mrad）。还假设光束扩展器960的横向放大率为M=10。于是，出来的激光束991、993各自的直径为7mm并且各自的分离角为1.3mrad。从光束扩展器960中出来的准直光束991、993在位置992处相交。例如，可以设置物镜970（可以是焦距为f₀=4.5mm并且数值孔径为NA=0.65的40x显微物镜），使得从物镜970的前焦距位置到交叉点992的距离等于物镜970的焦距f₀。物镜970将准直光束991、993聚焦成两个小的光斑994。包括有交替的不透明条纹和透明条纹的针孔板946位于光斑994附近，以阻挡来自光栅930的除了+1和-1量级以外的所有量级的衍射光。在替代实施方式中，在光斑996位置处的板包含有不透明区域和透明区域的交替条纹以阻挡除了+1和-1量级以外的所有量级的被光栅衍射的光。

图10示出了可以用作图9中的部件940的相位/条纹调节器1000。相位/条纹调节器1000包括入射面不平行于出射面的玻璃楔形窗口。在调节器1000中，面1012不平行于面1020。另外，相位/条纹调节器1000包括被蚀刻到玻璃中的两个小的部分1014、1016。顶部区域1012与两个部分1014、1016中的任一部分之间的光程长度（OPL）的差等于顶部区域1012与该部分之间的厚度的差乘以数量n-1，其中，n是玻璃的折射率。相应的相移等于OPL的差乘以2π/λ，其中λ是来自光源的光的波长。因此，例如，对于658nm的波长、n=1.5的折射率以及120度=2λ/3弧度的第一期望的相移，部分1014应该被蚀刻的深度d为d=λ/3（n-1）=658/3（1.5-1）=438.7nm。如果对于部分1016期望240度的相移，那么蚀刻深度应该是双倍的，为877.3nm。将玻璃蚀刻给定深度的替代方法是在期望的部分处以给定的高度涂覆玻璃。

为了获得三个不同的条纹间距，可以如图11A、11B所示的那样堆叠三个玻璃窗口。在组件中组合三个楔形部件的简单方式是将中心部件设置为楔角为零（平行的入射表面和出射表面）并且将两个外部窗口设置为具有相等但是方向相反的楔角。

作为示例，假设图9中的光斑994的所期望的间隔为a={46，52，58}微米。如果物镜970的焦距是4.5mm，那么光束991、993之间的分离角为θ=a/f₀={10.22，11.56，12.89}毫弧度。如果光束扩展器996的横向放大率为M=10，那么光束985、989之间的分离角为{102.2，115.6以及128.9}毫弧度。镜932、934被设置成使得当光束987穿过相位/条纹调节器940的中心窗口1110时产生光束985、989之间的115.6毫弧度的角度偏差。在这种情况下，中心窗口1110的楔角为零；换句话说，中心窗口是具有平行侧部的窗口。窗口1000和1112被制造成具有等于128.89-115.56=115.55-102.22=13.3毫弧度的楔角。楔形窗口1000、1112以相反的方向安装以使得±13.3毫弧度的楔角使光束在相反方向上偏转。

虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员应了解在不脱离本发明范围的前提下，对于本发明可以作出各种变化并且对于本发明的部件可以替换为其等同物。另外，在不脱离本发明基本范围的前提下，可以根据本发明的教导作出适于具体的环境和材料的各种修改。因此，意在于本发明不限于作为用于实施本发明的最佳模式公开的具体实施方式，而且本发明将包括落入随附权利要求的范围内的所有的实施方式。此外，术语第一、第二等的使用并不表示任何顺序或重要性，更确切的说，术语第一、第二等用于将一个部件与其它部件相区分。另外，术语一、一个等的使用并不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个所引用项。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.（当前修改）一种用于确定物体表面（130）上的第一物点（124）的三维坐标的方法，所述方法包括以下步骤：

设置第一光源（210，310A，310B，910，920）、投影仪（160，200，300，900）以及摄像头（140），所述投影仪包括第一衍射光栅（220，330A，330B，930）、物镜（240，350，970）以及第一板（360，400，512，946），所述摄像头包括摄像头透镜（142）和感光阵列（146），所述第一光源产生第一光源光束，所述第一板包括第一透射区域（410）、第二透射区域（412）以及至少一个不透明区域（420，422，424），所述至少一个不透明区域形成有置于所述第一板的表面上的涂层，所述投影仪具有投影仪透视中心，所述摄像头具有摄像头透视中心（144），在所述投影仪透视中心与所述摄像头透视中心之间的线段是基线（164），所述基线具有基线长度；

将所述第一光源光束发送到所述第一衍射光栅；

利用所述第一衍射光栅形成至少第一衍射光束（987）、第二衍射光束（982）以及残余光，所述残余光是来自穿过所述第一衍射光栅的所述第一光源光束的并且不同于所述第一衍射光束或所述第二衍射光束的光；

将所述第一衍射光束、所述第二衍射光束以及所述残余光发送到所述物镜；

利用所述物镜形成至少第一光斑（112，270，390，994）和第二光斑（114，270，390，994），所述第一光斑由所述第一衍射光束产生，以及所述第二光斑由所述第二衍射光束产生；

将所述第一板放置在靠近所述第一光斑和所述第二光斑的第一位置处；

使来自所述第一光斑的第一光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第一厚度以及使来自所述第二光斑的第二光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第二厚度，同时利用至少一个不透明区域阻止所述残余光穿过所述第一板，所述第一厚度和所述第二厚度之间的差等于第一厚度差；

组合所述第一光和所述第二光，以在所述物体表面上产生第一条纹图案；

将由所述第一条纹图案照射的所述第一物点成像到感光阵列的阵列点上，以从所述感光阵列获得第一电气数据值；

将所述第一板移动到第二位置；

使来自所述第一光斑的第三光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第三厚度以及使来自所述第二光斑的第四光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第四厚度，同时利用至少一个不透明区域阻止所述残余光穿过所述第一板，其中，所述第三厚度和所述第四厚度之间的差等于第二厚度差，所述第二厚度差不等于所述第一厚度差；

在所述物体表面上组合所述第三光和所述第四光，以在所述物体表面上产生第二条纹图案，所述第一条纹图案和所述第二条纹图案在所述第一物点处具有第一条纹间距；

将由所述第二条纹图案照射的所述第一物点成像到所述阵列点上，以从所述感光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、所述第二电气数据值以及所述基线长度计算所述第一物点的三维坐标；以及

存储所述第一物点的三维坐标。

2.（原始）根据权利要求1所述的方法，其中，在所述设置第一光源、投影仪以及摄像头的步骤中，所述第一光源光束选自由可见光、红外光以及紫外光构成的组。

3.（当前修改）根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

将所述第一板移动到第三位置；

使来自所述第一光斑的第五光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第五厚度以及使来自所述第二光斑的第六光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第六厚度，同时利用至少一个不透明区域阻止所述残余光穿过所述第一板，所述第五厚度和所述第六厚度之间的差等于第三厚度差，所述第三条纹差不等于所述第一条纹差或所述第二条纹差；

在所述物体表面上组合所述第五光和所述第六光，以在所述物体表面上产生第三条纹图案，所述第三条纹图案在所述第一物点处具有第一条纹间距；

将由所述第三条纹图案照射的所述第一物点成像到所述阵列点上，以从所述感光阵列获得第三电气数据值，其中，所述计算所述第一物点的三维坐标还基于所述第三电气数据值进行。

4.（原始）根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：在发送所述第一衍射光束使其通过所述物镜之前，发送所述第一衍射光束使其通过具有第一楔角的第一透明楔形物，以改变所述第一衍射光束的传播方向，所述第一透明楔形物被配置为在所述第一物点处产生第一间距。

5.（原始）根据权利要求4所述的方法，还包括如下步骤：在发送所述第一衍射光束使其通过所述物镜之前，发送所述第一衍射光束使其通过具有第二楔角的第二透明楔形物（600，710，712，714，1310，1315，1320），以改变所述第一衍射光束的传播方向，所述第二楔角与所述第一楔角不同，所述第二透明楔形物被配置为在所述第一物点处产生第二间距，所述第二间距与所述第一间距不同。

6.（当前修改）根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

设置第二光源（310B）、第二衍射光栅（330B）以及光束组合器（340），所述第二光源产生第二光源光束；

将所述第二光源光束发送到所述第二衍射光栅；

利用所述第二衍射光栅形成至少第三衍射光束和第四衍射光束；

将所述第三衍射光束和所述第四衍射光束发送到所述光束组合器；

将所述第三衍射光束和所述第四衍射光束从所述光束组合器发送到所述物镜；

利用所述物镜（350）形成至少第三光斑（390）和第四光斑（390），所述第三光斑由所述第三衍射光束产生，以及所述第四光斑由所述第四衍射光束产生；

将来自所述第一光斑的第一光和来自所述第二光斑的第二光传送到所述物体表面；

组合所述第一光和所述第二光，以在所述物体表面上产生第四条纹图案；

将由所述第四条纹图案照射的所述第一物点成像到感光阵列的阵列点上，以从所述感光阵列获得第四电气数据值，其中，所述计算所述第一物点的三维坐标还基于所述第四电气数据值进行。

7.（原始）根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

设置放大镜头系统（960），所述放大镜头系统是横向放大率大于1的远焦镜头系统；以及

在发送所述第一衍射光束和所述第二衍射光束使其通过所述物镜（970）之前，发送所述第一衍射光束和所述第二衍射光束使其通过所述放大镜头系统。

Claims (7)

1.一种用于确定物体表面（130）上的第一物点（124）的三维坐标的方法，所述方法包括以下步骤：

设置第一光源（210，310A，310B，910，920）、投影仪（160，200，300，900）以及摄像头（140），所述投影仪包括第一衍射光栅（220，330A，330B，930）、物镜（240，350，970）以及第一板（360，400，512，946），所述摄像头包括摄像头透镜（142）和感光阵列（146），所述第一光源产生第一光源光束，所述第一板包括第一透射区域（410）、第二透射区域（412）以及至少一个不透明区域（420，422，424），所述投影仪具有投影仪透视中心，所述摄像头具有摄像头透视中心（144），在所述投影仪透视中心与所述摄像头透视中心之间的线段是基线（164），所述基线具有基线长度；

将所述第一光源光束发送到所述第一衍射光栅；

利用所述第一衍射光栅形成至少第一衍射光束（987）和第二衍射光束（982）；

将所述第一衍射光束和所述第二衍射光束发送到所述物镜；

利用所述物镜形成至少第一光斑（112，270，390，994）和第二光斑（114，270，390，994），所述第一光斑由所述第一衍射光束产生，以及所述第二光斑由所述第二衍射光束产生；

将所述第一板放置在靠近所述第一光斑和所述第二光斑的第一位置处；

使来自所述第一光斑的第一光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第一厚度以及使来自所述第二光斑的第二光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第二厚度，同时阻止其它光穿过所述第一板，所述第一厚度和所述第二厚度之间的差等于第一厚度差；

组合所述第一光和所述第二光，以在所述物体表面上产生第一条纹图案；

将由所述第一条纹图案照射的所述第一物点成像到感光阵列的阵列点上，以从所述感光阵列获得第一电气数据值；

将所述第一板移动到第二位置；

使来自所述第一光斑的第三光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第三厚度以及使来自所述第二光斑的第四光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第四厚度，同时阻止其它光穿过所述第一板，所述第三厚度和所述第四厚度之间的差等于第二厚度差，所述第二条纹差不等于所述第一条纹差；

在所述物体表面上组合所述第三光和所述第四光，以在所述物体表面上产生第二条纹图案，所述第一条纹图案和所述第二条纹图案在所述第一物点处具有第一条纹间距；

将由所述第二条纹图案照射的所述第一物点成像到所述阵列点上，以从所述感光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、所述第二电气数据值以及所述基线长度计算所述第一物点的三维坐标；以及

存储所述第一物点的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述设置第一光源、投影仪以及摄像头的步骤中，所述第一光源光束选自由可见光、红外光以及紫外光构成的组。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

将所述第一板移动到第三位置；

使来自所述第一光斑的第五光在所述第一透射区域中穿过玻璃的第五厚度以及使来自所述第二光斑的第六光在所述第二透射区域中穿过玻璃的第六厚度，同时阻止其它光穿过所述第一板，所述第五厚度和所述第六厚度之间的差等于第三厚度差，所述第三条纹差不等于所述第一条纹差或所述第二条纹差；

在所述物体表面上组合所述第五光和所述第六光，以在所述物体表面上产生第三条纹图案，所述第三条纹图案在所述第一物点处具有第一条纹间距；

将由所述第三条纹图案照射的所述第一物点成像到所述阵列点上，以从所述感光阵列获得第三电气数据值；以及

还基于所述第三电气数据值计算所述第一物点的三维坐标。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：在发送所述第一衍射光束使其通过所述物镜之前，发送所述第一衍射光束使其通过具有第一楔角的第一透明楔形物，以改变所述第一衍射光束的传播方向，所述第一透明楔形物被配置为在所述第一物点处产生第一间距。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括如下步骤：在发送所述第一衍射光束使其通过所述物镜之前，发送所述第一衍射光束使其通过具有第二楔角的第二透明楔形物（600，710，712，714，1310，1315，1320），以改变所述第一衍射光束的传播方向，所述第二楔角与所述第一楔角不同，所述第二透明楔形物被配置为在所述第一物点处产生第二间距，所述第二间距与所述第一间距不同。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

设置第二光源（310B）、第二衍射光栅（330B）以及光束组合器（340），所述第二光源产生第二光源光束；

将所述第二光源光束发送到所述第二衍射光栅；

利用所述第二衍射光栅形成至少第三衍射光束和第四衍射光束；

将所述第三衍射光束和所述第四衍射光束发送到所述光束组合器；

将所述第三衍射光束和所述第四衍射光束从所述光束组合器发送到所述物镜；

利用所述物镜（350）形成至少第三光斑（390）和第四光斑（390），所述第三光斑由所述第三衍射光束产生，以及所述第四光斑由所述第四衍射光束产生；

将来自所述第一光斑的第一光和来自所述第二光斑的第二光传送到所述物体表面；

组合所述第一光和所述第二光，以在所述物体表面上产生第四条纹图案；

将由所述第四条纹图案照射的所述第一物点成像到感光阵列的阵列点上，以从所述感光阵列获得第四电气数据值；以及

还基于所述第四电气数据值计算所述第一物点的三维坐标。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

设置放大镜头系统（960），所述放大镜头系统是横向放大率大于1的远焦镜头系统；以及

在发送所述第一衍射光束和所述第二衍射光束使其通过所述物镜（970）之前，发送所述第一衍射光束和所述第二衍射光束使其通过所述放大镜头系统。

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