用于测量两个空间上分离的元件之间的角度的方法

用于测量两个空间上分离的元件之间的角度的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于测量两个空间上分离的元件(1,2)之间的角度的方法，该方法具有以下步骤：a)制备具有多个干涉图案(31,31',31")的多重全息图(3)，至少两个干涉图案(31,31',31")具有到全息图平面(30)上的物光波(401)的不同的入射角(32,32',32")，干涉图案(31,31',31")的所述入射角(32,32',32")被存储为机器可读数据；b)将多重全息图(3)布置在第一元件(1)上的第一元件平面(10)中；c)使用参考光波(400)照射多重全息图(3)；d)将光检测器(6)布置在第二元件(2)上的第二元件平面(20)中；e)使用光检测器(6)来检测在干涉图案(31,31',31")上折射的参考光波(400')；f)从检测到的折射参考光波(400')创建强度图案(61,61',61")；g)将存储为机器可读数据的入射角(32,32',32")分配给强度图案(61,61',61")；以及h)根据分配的入射角(32,32',32")来计算第一元件平面(10)与第二元件平面(20)之间的角度。
【专利说明】用于测量两个空间上分离的元件之间的角度的方法
[0001]本发明涉及根据独立权利要求1所述的一种用于测量两个空间上分离的元件之间的角度的方法。
[0002]在诸如测地学(geodesy)、建筑施工以及土木工程、工业自动化技术等这样的许多应用领域中需要确定角度和方向。在该情况下，对测量精度、测量速度以及可用性程度提出了高要求；并且所有这一切还是在恶劣的环境条件下进行。
[0003]JP 57100304公开了一种角度测量装置，其使用点状物光束，并且作为易受到灰尘和损坏影响的光学透镜的替代方案，使用二维全息图。出于该目的，全息图被刻(inscribe)在平板中。因此，透射度仅依赖于两个空间方向。使用在物光束全息图的实像的平面中的位置对光束的入射角的对应依赖性(corresponding dependence)。在对应的入射角改变的情况下，点图像的位置连续地改变。其使用位置传感器来获得，并且从其推断出相应的入射角。DE 3424806A1描述了一种用于非接触地获得第一元件与第二元件之间的相对位置的测量单元，其与JP 57100304相比，通过读出码来确定角度。该元件能够是精密机器的组件，并且其还能够是光学仪器级别的装置。
[0004]例如，两个元件空间上与彼此分离超过IOOm的距离。第一元件具有码载体，并且第二元件具有码读出器(code reader)，在码读出器下游具有计算机。码读出器获得码载体的一维码图案，并且针对获得的码图案，将码信号发送到计算机。计算机具有用于下述装置:用于量化发送的码信号的装置；用于与存储的码图案相比较的装置；以及用于根据比较的结果来计算第一元件与第二元件之间的相对位置的装置。
[0005]本发明的目的是，提供用于测量两个空间上分离的元件之间的角度的改进方法。
[0006]该目的由独立权利要求1的特征来实现。
[0007]根据本发明，用于测量两个空间上分离的元件之间的角度的方法具有以下步骤:a)提供具有多个干涉图案的多重全息图，至少两个干涉图案在全息图平面上具有物光波的不同的入射角，入射角被以计算机可读方式存储为数据；b)将多重全息图布置在第一元件上的第一元件平面中；c)使用参考光波来照射多重全息图；d)将光检测器布置在第二元件上的第二元件平面中；e)使用光检测器来获得在干涉图案衍射的参考光波；f)从获得的衍射参考光波形成强度图案；g)将存储为数据的计算机可读入射角分配给强度图案；以及h)根据分配的入射角来计算第一元件平面与第二元件平面之间的角度。
[0008]在本发明中，强度图案被理解为多个形状(例如，正方形或线)的扁平延伸布置，所述布置具有能够与它们所被置于其上的背景区分的属性。该属性是亮度值(brightnessvalue)，特别是色彩值。该强度图案被例如实施为500个黑色正方形的布置，所述500个黑色正方形能够在作为背景的光矩形表面上部分地接触，由此提供可明确地识别的结构。特别地，该图案包含呈机器可读码形式的信息内容。根据本发明，术语“码”被理解为，借助于二进制符号元素(例如，条形码)的数据的映射。
[0009]使用多重全息图，可以以本身已知的方式，从衍射参考光波重构角分辨(angle-resolved)强度图案。在该情况下，强度图案仅能够在每种情况下，分别针对参考光波的离散入射角以最大强度来重构。已知的是，还可以在测量两个空间上分离的元件之间的角度期间实际应用该角分辨率。考虑到强度图案的信息内容，特别地，物光波在多重全息图的全息图平面上的入射角可以被非常迅速地且明确地分配给强度图案。作为非连续角分布的结果，产生了入射角和强度图案的不连续(准数字(quas1-digital)分配。在该情况下，在图案的信息内容的基础上执行分配。根据全息图平面相对于第一元件的空间对准，以及还根据光检测器(其获得衍射参考光波)相对于第二元件的空间对准，同时使用现有的已证实的且稳健的测地学技术或工业测量技术，可以计算第一元件和第二元件之间的角度。根据本发明能够实现精细的角确定，特别地，其中，额外地获得了强度图案的强度的优点(strength)，因为可以仍然还在相应的入射角附近的特定角度范围内获得不同于最大强度的强度。可通过与已知最大强度的比较来量化与离散入射角的偏离。采用足够大量的独立干涉图案，产生了足够密集(dense)以获得准连续的角分辨率的强度图案的布置。
[0010]本发明的有利精细化由从属权利要求的特征产生。
[0011]有利地在参考坐标系中指定第二元件平面的坐标；在参考坐标系中指定分配的入射角的坐标；并且，在步骤h)中，根据第二元件平面的坐标和分配的入射角的坐标的差来计算角度。
[0012]因为多重全息图被以已知的固定空间关系布置到第一元件的第一元件平面，并且光检测器同样被以已知的固定空间关系布置到第二元件的第二元件平面，所以足够的是，在一个且相同的参考坐标系中指定第二元件平面的坐标和分配的入射角的坐标，以便简单且明确地计算角度。
[0013]从结合附图的目前优选的实施方式的以下描述，本发明的另外的优点和特征作为不例是显而易见的:
[0014]图1示出具有多个干涉图案的多重全息图的第一实施方式的一部分；
[0015]图2示出在获得强度图案期间的根据图1的多重全息图的实施方式的一部分；
[0016]图3示出根据图1和2的多重全息图的强度图案的第一实施方式的一部分；
[0017]图4示出根据图1和2的多重全息图的强度图案的第二实施方式的一部分；
[0018]图5示出根据图1和2的多重全息图的强度图案的第三实施方式的一部分；
[0019]图6示出根据图1和2的多重全息图的强度图案的第四实施方式的一部分；
[0020]图7示出与分析单元的实施的一部分数据通信的根据图1的角度传感器和/或根据图2的光检测器；
[0021]图8示出方法的步骤的流程图；
[0022]图9示出用于使用根据图1和2的多重全息图来执行根据图8的方法的系统的第一实施方式的一部分；
[0023]图1O示出用于使用根据图1和2的多重全息图来执行根据图8的方法的系统的第二实施方式的一部分；
[0024]图11示出用于使用根据图1和2的多重全息图来执行根据图8的方法的系统的第三实施方式的一部分；
[0025]图12示出用于使用根据图1和2的多重全息图来执行根据图8的方法的系统的第四实施的一部分；
[0026]图13示出用于使用具有横摇角的强度图案来执行根据图8的方法的光检测器的第一实施方式的一部分；[0027]图14示出在强度图案中具有灰度楔的用于执行根据图8的方法的光检测器的第二实施方式的一部分；
[0028]图15示出具有在不同的角度下获得的并且因此具有不同的布拉格强度的强度图案的用于执行根据图8的方法的光检测器的第三实施方式的一部分；
[0029]图16示出具有获得有最大布拉格强度的两个强度图案的用于执行根据图8的方法的光检测器的第四实施方式的一部分；以及
[0030]图17示出用于执行图8的方法的具有两个传感器的光检测器的第五实施方式的一部分。
[0031]多重全息图3由具有多个干涉图案31、31’、31"的存储材料构成。例如，使用光学干涉图案31、31’、31〃来照射(illuminate)存储材料或者使用数字干涉图案31、31’、31〃来印刻(imprint)存储材料。也能够在存储材料中提供其它类型的多重全息图3，诸如压花干涉图案31、31’、31〃等。
[0032]图1示出使用光学干涉图案31、31’、31〃的存储材料的照射。具有可见或红外光谱范围内的参考光波400的诸如氦-氖激光器、IS激光器、钕激光二极管、弧光灯或齒素灯等这样的相干光源用于该目的。光源4产生参考光波400，所述参考光波400由分束器40分进行分束(slit)。参考光波400的一部分在待被记录的物体41、41’、41〃上偏转，参考光波400的一部分在多重全息图3的全息图平面30上偏转。参考光波400被物体41、41’、41〃反射，并且作为物光波(object light wave)401以入射角32、32’、32〃入射在全息图平面30上。入射角32、32’、32〃是物光波401与全息图平面30的法线之间的角度。参考光波400和物光波401的重叠，根据在物体41、41’、41〃上所反射的物光波401的入射角32、32’、32〃，在存储材料中产生多个干涉图案31、31’、31〃。
[0033]全息图平面30的干涉图案31、31’、31〃的数目受布拉格方程限制。每个物体41、41’、41〃都在唯一的(unique)入射角32、32’、32〃下被记录。在理解本发明时，术语“唯一的”用来意指所有入射角32、32’、32"彼此不同。根据布拉格方程，角分辨率随着存储材料的厚度而增加。因此，所谓的体全息图(volume hologram)是优选的,其中存储材料的厚度大于光源4的波长。可以在多重全息图3的体积单元中叠加(superimpose)并且个别地(individually)读出数十个干涉图案31,31'、31〃，优选地数百个干涉图案31,31'、31〃，优选地数千个干涉图案31、31’、31〃。
[0034]在数字干涉图案的印制中(在图中未示出)，数字干涉图案31、31’、31"在计算机中被以合成的方式提供，并且通过与印制类似的方法而被写入全息存储材料中。数字干涉图案31、31’、31〃因此不需要任何物理上真实的物体。该多重全息图是成本有效的，生产成本大约是每平方厘米€0.5。关于功能，数字干涉图案31、31’、31"和光学干涉图案31、31’、31〃是等效的。
[0035]干涉图案31、31’、31〃指定具有至少一个角坐标(诸如方位角坐标Θ或极角坐标Φ)的入射角32、32’、32〃。干涉图案31、31’、31〃可以使用光源4的一个波长或使用光源4的多个波长来提供。因此，例如，具有第一波长的干涉图案能够指定入射角的方位角坐标Θ，并且具有不同于第一波长的第二波长的干涉图案能够指定该入射角的极角坐标Φ。
[0036]对于具有一个至数个毫米厚度的存储材料，根据布拉格方程的多重全息图3的角分辨率是在0.1毫弧度(mrad)到1.0毫弧度范围内，优选地为0.3毫弧度。多重全息图3的圆周角是0.1毫弧度到弧度。例如，在0.3毫弧度的角分辨率下并且使用3333个类似的干涉图案31、31’、31〃，角周(angle circumference)因此是I弧度。
[0037]至少一个多重全息图3被布置在元件I上。当然，如果本发明已知，则还可以在第一元件I上布置多个多重全息图3，所述多个多重全息图3中的每一个都覆盖另一角度范围。例如，第一多重全息图3覆盖从O到I弧度的角度范围，第二多重全息图3覆盖从I到2弧度的角度范围，第三多重全息图3覆盖从2到3弧度的角度范围等。
[0038]为了提供该角分辨(angle-resolved)的多重全息图3，对应的入射角32、32’、32〃由角度传感器5从每个物体41、41’、41"获得。在所述方法的第一变体中，形成角度信号52、52’、52〃，该步骤包括对物体41、41’、41〃及其入射角32、32’、32〃进行配对。角度信号52、52’、52〃还能够包括另外的信息，例如强度图案61、61’、61〃的布拉格强度I的钟形曲线的高度和宽度等。角度信号52、52’、52"被以计算机可读方式存储为数据。在所述方法的第二变体中，物体41、41’、41〃的信息内容指定入射角32、32’、32〃。
[0039]图2示出强度图案61、61’、61〃的重构(reconstruction)。出于该目的，使用参考光波400来照射多重全息图3，由干涉图案31、31’、31〃衍射的参考光波400’被光检测器6获得为强度图案61、61’、61〃。根据入射角32、32’、32〃来执行强度图案61、61’、61〃的重构，即，光检测器6必须被布置为在干涉图案31、31’、31〃对多重全息图3的入射角32、32’、32〃下以获得强度图案61、61’、61〃。
[0040]能够连续地或以脉冲方式操作光源4。在脉冲操作期间，能够执行脉冲宽度调制以发送至少一项辅助信息。在使用参考光波400照射多重全息图3的情况下，光源4将诸如多重全息图3的类型、干涉图案31、31’、31"的版本、角度信号52、52’、52"、环境温度等这样的辅助信息发送到光检测器6，这使该方法变得更加明确且稳健(robust)。光源4有利地具有光波的宽波带，其中多重全息图3高效率地衍射参考光波400的至少一个波长。在体全息图的情况下，能够使用白光。
[0041]光检测器6具有至少一个传感器60、60’，诸如电荷耦合器件(CXD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。光检测器6在检测器平面中获得强度图案61、61’、61"。光检测器6至少获得衍射参考光源400’的波长，并且形成强度图案61、61’、61〃。光检测器6能够具有滤波器，以在使用光源4的多个波长时以唯一的方式形成强度图案61、61’、61"。光检测器6在入射角32、32’、32"的小角度范围上在不同布拉格强度I下，获得由于多重全息图3的角分辨率(其由布拉格方程预定义)导致的衍射参考光波400’。S卩，例如，通过累计获得的传感器60的每像素光子，光检测器6能够测量在某角度范围内获得的布拉格强度I。布拉格强度I近似地具有钟形曲线的形状，获得的衍射参考光波400’的布拉格强度I在该角度范围中心最大。
[0042]图3至6示出基本上与它们所基于的物体41、41’、41〃相同的强度图案61、61’、61〃的四个示例性实施方式。这些是在该情况下本身已知的光电可读(optoelectronicallyreadable)的条形码。
[0043]图3不出二维Codablock F码(具有多行一维条形码)的实施方式中的强度图案61、61，、61"。Codablock F码根据国际标准化组织(ISO)的标准IS0/IEC 15417被标准化，并且能够具有2到44行。每码块F码可以编码多达lkB。
[0044]图4示出二维DataMatrix码(具有作为正方形或圆形符号元素的图案的正方形或矩形表面)的实施方式中的强度图案61、61’ Al'DataMatrix码根据标准IS0/IEC16022被标准化。每DataMatrix码可以编码多于IkB。
[0045]图5示出二维MaxiCode(具有六角形符号元素和三个同心圆形式的中心搜索图案)的实施方式中的强度图案61、61’、61〃。中心搜索图案是清楚可见的，并且允许光检测器6的明确定心(unambiguous centering)以及获得的强度图案中的畸变校正(correction of distortions)。MaxiCode具有大约50字节的小信息内容。然而，由于搜索图案，可以非常迅速且可靠地读取MaxiCode。
[0046]图6示出二维QuickResponse码(具有带有正方形符号元素的正方形矩阵)的实施方式中的强度图案61、61’、61〃。QuickResponse码根据标准IS0/IEC18004:2006被标准化。其在矩阵的角部中具有同步标记，这允许强度图案的明确定向(unambiguousorientation),使得能够明确地建立QuickResponse码的开始和结束。QuickResponse码的信息内容非常高，并且差不多是3kB。
[0047]如果本发明已知，则可以使用其它强度图案(未示出)。因此，不仅可以使用具有黑色和白色符号元素的强度图案，而且还可以使用具有八个、十六个以及更多个不同的灰度级的符号元素，这进一步增加强度图案的信息内容。本领域普通技术人员还能够使用具有不同尺寸的符号元素的强度图案，使得能够从数百米的较大距离处明确地获得强度图案的较大符号元素，同时能够从小于50米的较小距离处明确地获得强度图案的较小符号元素。
[0048]图7示出角度传感器5和分析单元7之间和/或在光检测器6与分析单元7之间的数据通信。在所述方法的第一变体中，角度传感器5将角度信号52、52’、52"发送到分析单元7，并且光检测器6将强度图案61、61’、61〃发送到分析单元7。例如，角度信号52、52’、52"在所述方法一开始就被发送到分析单元7。在所述方法的第二变体中，仅光检测器6将强度图案61、61’、61〃发送到分析单元7。例如，实时获得的瞬时强度图案61、61’、61〃被发送到分析单元7。
[0049]数据通信是双向的，并且能够以基于有线的(wire-based)或基于无线电的(radio-based)方式来执行。在基于有线的或基于无线电的数据通信的情况下，使用诸如传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)这样的协议。基于有线的数据通信经由诸如以太网、USB等这样的数据总线进行。基于无线电的数据通信经由无线电网络进行，所述无线电网络诸如为增强数据速率GSM演进(EDGE)、非对称数字订户线路(ADSL)、电气与电子工程师协会(IEEE)802.11等。角度传感器5、光检测器6以及分析单元7全都具有用于数据通信的对应接口。如果本发明已知，则本领域普通技术人员还能够将具有集成在壳体中的分析单元的光检测器实施为单个单元。
[0050]分析单元7具有微处理器和计算机可读数据存储器。计算机程序工具被从分析单元7的计算机可读数据存储器加载到分析单元7的微处理器中并且执行。分析单元7能够是诸如个人计算机(PC)这样的固定计算机或诸如笔记本计算机、智能手机等这样的移动计算机。
[0051]在所述方法的第一变体中，计算机程序工具将对应的角度信号52、52’、52"分配给每个发送的强度图案61、61’、61〃。为此，计算机程序工具将强度图案61、61’、61〃的条形码与根据角度信号52、52’、52〃的物体41、41’、41〃的条形码相比较。如果强度图案61、61’、61〃的条形码对应于物体41、41’、41〃的条形码，则根据角度信号52、52’、52〃的物体41、41’、41〃的入射角32、32’、32〃被分配给强度图案61、61’、61〃。
[0052]在所述方法的第二变体中，计算机程序工具读出二维条形码的信息内容，该信息内容指定入射角32、32’、32〃。该读出的入射角32、32’、32〃被分配给强度图案61、61’、61〃。
[0053]为了执行所述方法，多重全息图3被布置在第一元件I上，并且光检测器6被布置在第二元件2上。元件1、2(其本身被任意地设计)空间上彼此分离，它们能够彼此分离不到I米或数百米。实际上，多重全息图3外部地附接到第一元件I或内部地附接在第一元件I中，使得平面存储材料的全息图平面30在已知的固定空间关系中与第一元件I的第一元件平面10对准。以对应的方式，光检测器6外部地附接到第二元件2，使得光检测器6的检测器平面在已知的固定空间关系中与第二元件2的第二元件平面20对准。光检测器6本身还能够形成第二元件2。布置在第一元件I上的多重全息图3能够由布置在第二元件2上的多个光检测器6来获得，使得对于每个第二元件2，计算第一元件平面10与第二元件平面20之间的角度。这能够彼此独立地且在时间上偏移的情况下执行或者也可以同时执行。
[0054]图8示出用于测量两个空间上分离的元件1、2之间的角度的方法的流程图，所述方法具有以下步骤:a)提供具有布置在全息图平面30中的多个干涉图案31、31’、31"的多重全息图3，至少两个干涉图案31、31’、31〃在全息图平面30上具有物光波401的不同的入射角32、32’、32〃，干涉图案31、31’、31〃的入射角32、32’、32〃被以计算机可读方式存储为数据山)将多重全息图3布置在第一元件I上的第一元件平面10中；c)使用参考光波400来照射多重全息图3 ；d)将光检测器6布置在第二元件2上的第二元件平面20中；e)使用光检测器6来获得参考光波400’，所述参考光波400’在干涉图案31、31’、31〃上被衍射；f)从获得的衍射参考光波400’形成强度图案61、61’、61" ；g)将被存储为数据的计算机可读入射角32、32’、32〃分配给强度图案61、61’、61〃 ；以及h)根据所分配的入射角32、32’、32〃来计算第一元件平面10与第二元件平面20之间的角度。
[0055]图9至12示出用于执行所述方法的系统的四个示例性实施方式。所述系统包括:多重全息图3、光源4、光检测器6以及分析单元7。多重全息图3被布置在第一元件I上，并且全息图平面30与第一元件平面10 —致。光检测器6被布置在第二元件2上，并且检测器平面与第二元件平面20 —致。在参考坐标系K中指定第二元件平面20的坐标，所述参考坐标系K诸如为极坐标系、球坐标系或正交坐标系。对元件1、2之间的角度的方位角坐标Θ和/或极角坐标Ψ进行测量。参考坐标系K能够是相对坐标系或绝对坐标系。入射角32、32’、32〃被分配给强度图案61、61’、61〃。同样在参考坐标系K中指定所分配的入射角32、32’、32〃的坐标。在步骤h)中，根据第二元件平面20的坐标与所分配的入射角32、32’、32〃的坐标的差，计算第一元件平面10与第二元件平面20之间的角度。能够同时地测量所述角度的方位角坐标Θ和极角坐标φ。
[0056]如果本发明已知，则本领域普通技术人员能够以任意已知的布置角度将多重全息图3布置在第一元件I上；因此不需要全息图平面30与第一元件平面10的一致(congruency)。以相同的方式,本领域普通技术人员能够以任意已知的布置角度将光检测器6布置在第二元件2上；同样不需要检测器平面与第二元件平面20的一致性。
[0057]图9至12示出反射全息图的实施方式中的多重全息图3，所述反射全息图3反射衍射参考光波400’。多重全息图3、光源4以及光检测器6形成系统的组件。根据图9，原则上该系统的所有这些组件中都以空间上可变的方式可放置且可对准到参考坐标系，这由用v(=可变的)识别的弯曲箭头来示出。术语“可放置”被理解为，系统的组件在参考坐标系中的任意空间放置。术语“可对准”被理解为，系统的组件在参考坐标系中的任意对准。然而，具体地，系统的这些组件中的一个总是被可变地布置,而系统的这些组件中的两个被布置为静止的，并且采用相对于彼此的固定对准。这是本发明的基本实施方式。该空间上可变的对准和放置由多重全息图3的角周(angle circumference)来界限。
[0058]根据图10，光源4和多重全息图3被布置为静止的，这由用f(=固定的)识别的T型支架来示出。光检测器6可以以空间上可变的方式放置和对准，如由箭头V所示。光源4以恒定的参考光角度照射多重全息图3。
[0059]根据图11，光源4和激光检测器6彼此机械地连接，并且被布置为是静止的，这由用f识别的线来示出。仅多重全息图3可以以空间上变化的方式放置和对准，如由箭头V所示。光源4以恒定的参考光角度照射多重全息图3，光检测器6以可变的光检测器角度获得衍射参考光波400’，因为多重全息图3可以以空间上可变的方式放置和对准。
[0060]图12示出透射全息图的实施方式中的多重全息图3，所述全息图3透射衍射参考光波400’。根据图12，光检测器6被以静止的方式布置，这由用f识别的T型支架来示出。光源4机械地连接到多重全息图3，这由用f识别的线来示出。因此，光源4和多重全息图3共同地可以以空间上可变的方式放置和对齐，如由箭头V所示。光源4以恒定的参考光角度照射多重全息图3。
[0061]根据图13，在步骤e)中，光检测器6根据方位角坐标Θ获得参考坐标系K中的衍射参考光波400’，并且在条形码的实施方式中获得强度图案61。测量二维条形码的空间对准相对于参考坐标系K的偏离作为光检测器6的横摇角(roll angle) Φ'。横摇角是光检测器6的检测器平面相对于第二元件平面20的倾斜。横摇角Φ’是在测量两个元件1、2之间的角度期间的另外的自由度。
[0062]在将强度图案61、61’、61’’与物体41、41’、41〃比较时，能够建立强度图案61、61’、61’’的畸变，例如，如果根据图5的MaxiCode的实施方式中的强度图案61、61’、61’’具有椭圆形畸变的搜索图案，则同时物体41、41’、41"的对应的MaxiCode具有圆形的搜索图案。已经能够根据该畸变的尺寸和方向非常迅速地测量第一元件I和第二元件2之间的角度，而不用必须将入射角32、32’、32〃分配给强度图案61、61’、61〃。当然，搜索图案还能够以不同的形状畸变，并且该畸变因此能够是正方形的、梯形的等。
[0063]图14至17示出使用光检测器6获得衍射参考光波400’以及形成强度图案61、61’、61"的数个实施方式。例如，通过累计获得的传感器60的每像素光子，光检测器6能够测量在一个角度范围内获得的布拉格强度I。布拉格强度I经由强度图案61、61’、61〃的角间距变化，并且近似地具有钟形曲线的形状，在角度范围中心，获得的衍射参考光波400’的布拉格强度I最大。能够预先确定并因此知道从获得的衍射参考光波400’形成的强度图案61、61’、61"的布拉格强度I的钟形曲线的高度和宽度，并且以计算机可读方式存储为数据。获得的布拉格强度I随着获得角度的变化能够用于强度图案61、61’、61"的角分辨率的更精确测定。如果布拉格强度I根据获得角度的变化已知，则以比强度图案61、61’、61〃的角间距高的角分辨率来确定从获得的衍射参考光波400’形成的强度图案61、61’、61"的角度。
[0064]入射角32、32’、32"能够根据布拉格强度I的钟形曲线的高度和宽度，在精细角分辨率下被分配给强度图案61、61’、61"。系统的该精细的角分辨率因此能够增加大约10倍。强度图案61、61’、61"被以计算机可读方式存储为数据。
[0065]根据图14,强度图案61具有灰度楔(gray wedge)63,所述灰度楔63取决于方位角坐标Θ而获得有不同的布拉格强度I。光检测器6测量灰度楔63在强度图案61中的各种位置P处的获得的布拉格强度I，并且将灰度楔63的测量到的布拉格强度I与预定阈值63’相比较。强度图案中的位置(灰楔63超过阈值63’的地方)与布拉格强度I成比例，并且因此提供关于该角度与具有最大布拉格强度图案I的角度的偏离的信息项。
[0066]根据图15至17，在参考坐标系K中根据方位角坐标Θ获得衍射参考光波400’。衍射参考光波400’的获得的布拉格强度I在小角度范围上是可变的，其在该角度范围中心最大，这在图15至17中由强度曲线示出。
[0067]根据图15，来自获得的衍射参考光波400’的条形码的实施方式中的强度图案61，角度范围中心中最强(这由在角度范围中心的暗条形码示出)，在中心外面的两个条形码被示出为相对较亮。
[0068]根据图16，多重全息图3具有根据图1的干涉图案31、31’、31〃的布置。对于不同的方位角坐标9，获得各种强度图案61、61’。在最大布拉格强度I处，仅单一个强度图案61、61’被成像。在邻近方位角坐标Θ的两个强度图案61、61’之间的转变(transition)中，衍射参考光波400’的布拉格强度I较小，并且两个强度图案61、61’被成像。
[0069]根据图17，具有两个传感器60、60’的光检测器6获得衍射参考光波400’。光检测器6的所述两个传感器60、60’在构造上大体上相同，并且彼此间隔已知的固定空间传感器间间距(inter-sensor spacing)。例如,两个传感器60、60’被布置为彼此相距多重全息图3的布拉格强度角分辨率的角度范围的三分之一的传感器间间距。
[0070]在条形码的实施方式中，来自衍射参考光波400’的强度图案61在角度范围中心最强，并且在中心外面被示出为相对较亮。探知(ascertain)到的亮度差能够用来以较高的精度探知角度。
[0071]同样可以想到的是，间距大于布拉格角分辨率的角度范围。在该情况下，两个检测器都接收不同的强度图案，其相对于多重全息图3对应于不同的角度。根据从测地学已知的三角测量，可以以简单的方式根据入射角32、32’、32〃和传感器间距，来计算第一元件I和第二元件2之间的距离。
[0072]在借助于电磁波或声波的运行时间测量或相移来测量第一元件I和第二元件2之间的距离的情况下，系统可以被与用于电子距离测量(EMD)的现有装置组合。EDM的精度在测地距离(geodetic distance)的情况下在毫米范围内。
[0073]然而，系统还可以与另外的现有装置组合。例如，至少一个多重全息图3附接到移动扫描装置。第一元件I被实施为移动扫描装置。
[0074]在第一实施方式中，手持式扫描装置具有用于待被扫描的物体的表面接触的扫描针尖(scanning tip)。扫描针尖被放置在物体的多个表面上，并且扫描针尖的空间对准根据物体的表面的形状而改变。扫描针尖和多重全息图3彼此处于刚性(rigid)的关系中。
[0075]在第二实施方式中，扫描装置具有用于物体的非接触式扫描的手持式激光扫描器。由激光扫描器生成的激光被从物体表面反射，并且被激光扫描器的CCD传感器获得。物体表面和扫描装置之间的距离的计算借助于三角测量来执行。在扫描期间，激光扫描器能够改变其空间对准。激光扫描器和多重全息图3彼此处于刚性的关系中。
[0076]在另一个实施方式中，扫描装置具有用于紧固于物体上的紧固装置。该紧固装置的空间对准根据物体的空间对准而改变。紧固装置和多重全息图3彼此处于刚性的关系中。
[0077]移动扫描装置的多重全息图3的空间对准改变，由第二元件2获得，因为使用参考光波400’来照射多重全息图3，并且光检测器6获得在干涉图案31、31’、31〃上衍射的参考光波400’，并且对强度图案61、61’、61〃进行成像。通过将入射角32、32’、32〃分配给强度图案61、61’、61〃，可以计算第一元件平面10与第二元件平面20之间的角度。
[0078]扫描装置的多重全息图3能够是平面的或弯曲的。多个多重全息图3 (四个、六个、八个、十个或甚至更多个多重全息图3)能够附接到扫描装置，以允许从扫描装置的尽可能不同的空间对准照射多重全息图3并且获得衍射参考光波400’。如果本发明已知，则多重全息图3当然还能够附接到其它移动三维测量仪器,诸如Cognitens? OptiGo、Cognitens?OptiCel1、Cognitens? WLS400 等。
[0079]例如，至少一个多重全息图3附接到施工机器，诸如挖掘机、装载机、履带机(Caterpillar)、平地机等。第一元件I被实施为施工机器。如果本发明已知，则本领域普通技术人员还能够将多重全息图3附接到施工机器的组件，诸如接头、工具等。
[0080]例如，至少一个多重全息图3附接成使得其对于诸如墙壁、桅杆、测杆等这样的静态物体而言是静止的。第一元件I被实施为静态物体。使用以在空间上协调(coordinatedin space)的方式附接到静态物体的多个多重全息图3,借助于后方交会法(resection)来执行第二元件2的位置确定。第二元件2是诸如扫描器、追踪器、旋转激光器、全站仪等这样的移动测量装置。静态物体的多重全息图3还能够是平面的或弯曲的；它因此能够部分地或完全包括测杆的外部横向表面的周边。能够在外面和在封闭空间中两者，针对地面测量(earthbound surveying)以及在航空测量(airborne surveying)的情况下,使用静态物体的多重全息图3。多重全息图3能够经由棱镜来直接地或者间接地瞄准，以测量隐藏的目标点。
[0081]例如，具有至少一个多重全息图3、光源4、光检测器6以及分析单元7的系统用作角度编码器。在诸如接头、关节臂、机器人臂等这样的动态物体的实施方式中，多重全息图3附接到第一元件I。多重全息图3能够是平面的或弯曲的。
[0082]例如，至少一个多重全息图3附接到坐标测量机。第一元件I被实施为坐标测量机。诸如单个相机或立体相机这样的至少一个相机监视多重全息图3。相机对应于第二元件2。扫描装置的多重全息图3的空间对准改变由第二元件2获得，因为使用参考光波400’来照射多重全息图3，并且光检测器6获得在干涉图案31、31’、31〃上衍射的参考光波400’并且形成强度图案61、61’、61〃。入射角31、31’、31〃被分配给强度图案61、61’、61〃。可以短期地或长期地监视坐标测量机。在短期监视的情况下，经由改变的入射角32、32’、32"，在坐标测量机的操作中确定变形，因此可以实时地探知并且消除由启动动态(startupdynamics)所引起的变形。在长期监视的情况下，经由改变的入射角32、32’、32〃，在坐标机的操作中确定材料疲劳。[0083]例如，至少一个多重全息图3附接到坐标测量机的参考物体。校准物体能够是参考元件、测量台等。第一元件被实施为校准物体。为了对坐标测量机进行校准，从第二元件2获得多重全息图3的空间对准，因为使用参考光波400’来照射多重全息图3，并且光检测器6获得在干涉图案31、31’、31〃上衍射的参考光波400’，并且形成强度图案61、61’、61〃。至少一个入射角32、32’、32〃被分配给强度图案61、61’、61〃。第二元件2被以这样的方式移入校准位置中，直到所分配的入射角32、32’、32"对应于预定校准角度为止。
[0084]显然，这些例示的图仅示意性地例示可能的实施方式。各种方法还能够与彼此组合并且能够与现有技术的方法和装置组合。
【权利要求】
1.一种用于测量两个空间上分离的元件(1，2)之间的角度的方法，所述方法具有以下步骤: -提供具有多个干涉图案(31，31’，31")的多重全息图(3)，至少两个干涉图案(31，31’，31〃)在全息图平面(30)上具有物光波(401)的不同的入射角(32，32’，32〃)，所述入射角(32，32’，32")被以计算机可读方式存储为数据； -将所述多重全息图(3)布置在第一元件(I)上的第一元件平面(10)中； -使用参考光波(400)来照射所述多重全息图(3)； -将光检测器(6)布置在第二元件(2)的第二元件平面(20)中； -使用所述光检测器(6)来获得在干涉图案(31，31’，31〃)上衍射的参考光波(400’)； -根据所获得的衍射参考光波(400，)形成强度图案(61，61，，61")； -将存储为数据的计算机可读入射角(32，32’，32")分配给所述强度图案(61，61，，61");以及 -根据所分配的入射角(32，32’，32")来计算所述第一元件平面(10)和所述第二元件平面(20)之间的角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同的入射角(32，32’，32〃)经历彼此离散的非连续分布，并且能够被个别地读出的离散数目的独立干涉图案(31，31’，31")叠加在所述多重全息图(3)的单元中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，强度图案(61，61’，61")是多个形状的扁平延伸布置，所述扁平延伸布置能够明确地与剩余的表面区分，其中强度图案(61，61’，61")具有机器可读信息内容，特别地呈码的形式。
4.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，在参考坐标系⑷中指定所述第二元件平面(20)的坐标；在所述参考坐标系⑷中指定所分配的入射角(32，32’，32")的坐标；并且，在步骤h)中，根据所述第二元件平面(20)的坐标与所分配的入射角(32，32’，32")的坐标的差计算所述角度。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，使用具有方位角坐标(Θ)和极角坐标(φ)的参考坐标系⑷；并且 在步骤h)中，同时地测量所述角度的所述方位角坐标(Θ)和所述极角坐标(φ)。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，角度信号(52，52’，52")被以计算机可读方式存储为数据，所述数据具有所述入射角(32，32’，32")并且具有物体(41，41，，41")； 在步骤g)中，将所述强度图案出1，61’，61")与所述计算机可读数据存储的物体(41，41，，41")比较；并且 在所述强度图案(61，61’，61")对应于物体(41，41’，41")情况下，所述对象(41，41’，41")的入射角(31，31’，31")被分配给所述强度图案(61，61’，61")。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，以下辅助信息中的至少一个被从所述光源(4)发送到所述光检测器(6): -所述多重全息图(3)的类型、 -所述干涉图案(31，31’，31")的版本、-角度信号(52，52’，52")。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，二维条形码用作所述强度图案(61，61，，61")。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤g)中，所述二维条形码的信息内容被读出，该信息内容指定所述入射角(32，32’，32");并且 该读出的入射角(32，32’，32")被分配给所述强度图案(61，61，，61")。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，在参考坐标系(K)中获得衍射参考光波(400’)； 所述二维条形码与所述参考坐标系(K)的空间对准的偏离被测量为所述光检测器(6)的横摇角(φ’)。
11.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，使用所述参考光波(400)以恒定的参考光角度来照射所述多重全息图(3)和/或，在步骤c)中，由静止的参考光源(4)使用所述参考光波(400)以恒定的参考光角度来照射所述多重全息图(3)。
12.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，由静止的光检测器出)以恒定光检测器角度获得所述衍射参考光波(400’)。
13.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，获得所获得的衍射参考光波(400’)的布拉格强度(I);并且， 如果所述布拉格强度(I)根据所获得的角度的变化已知，则以比所述强度图案(61，61’，61")的角间隔高的角分辨率来确定由所获得的衍射参考光波(400’)形成的所述强度图案(61，61，，61")的角度。
14.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，由多个光检测器(6)获得被布置在所述第一元件(I)上的所述第一元件平面(10)中的多重全息图(3)，所述多个光检测器(6)被布置在第二元件(2)上的第二元件平面(20)中；并且 根据针对每个第二元件(2)的所分配的入射角(32，32’，32")来测量所述第一元件平面(10)与所述第二元件平面(20)之间的角度。
15.一种用于执行根据权利要求1至14中任何一项所述的方法的多重全息图(3)的用途，其中，所述第一元件(I)被实施为以下装置中的至少一个: -移动扫描装置， -施工机器， -静态对象， -动态对象， -坐标测量机， -坐标测量机的校准对象。
16.一种用于执行根据权利要求1至14中任何一项所述的方法的系统，其特征在于 i)所述系统具有多重全息图(3)， -所述多重全息图(3)具有多个干涉图案(31，31’，31")； ?)所述多重全息图(3)的至少两个干涉图案(31、31’、31〃)在全息图平面(30)上具有物光波(401)的不同的入射角(32，32’，32")； -所述入射角(32，32’，32")被以计算机可读方式存储为数据；iii)所述多重全息图(3)被布置在第一元件(I)上的第一元件平面(10)中； iv)所述系统具有光源(4)， -所述光源(4)使用参考光波(400)来照射所述多重全息图(3)； V)所述系统具有光检测器(6)， -所述光检测器(6)被布置在第二元件(2)上的第二元件平面(20)中； -所述光检测器(6)获得在干涉图案(31，31’，31〃)上衍射的参考光波(400’)；并且 -所述光检测器(6)根据所获得的衍射参考光波(400’)形成强度图案出1，61’，61")； 并且 vi)所述系统具有分析单元(7)， -所述分析单元(7)将存储为数据的计算机可读入射角(32，32’，32")分配给所述强度图案(61，61，，61");并且 -所述分析单元(7)根据所分配的入射角(32，32’，32")来计算所述第一元件平面(10)与所述第二元件平面(20)之间的角度。
17.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序工具，所述计算机程序工具适合于实施根据权利要求1至14中任何一项所述的方法，其中，当所述计算机程序工具被加载到分析单元(7)的微处理器中时，执行步骤g)和h)中的至少一个。
【文档编号】G01B11/26GK104011500SQ201380004420
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2013年1月16日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】波·佩特尔松, F·皮尔扎格达, 克努特·西尔克斯 申请人:赫克斯冈技术中心