本發(fā)明總體上有關(guān)用于利用涉及檢測器的較高動態(tài)范圍并且涉及測量光的調(diào)節(jié)生成的改進(jìn)檢測方法來對物體表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)光三角測量的方法和裝置。

背景技術(shù)：

通常的做法是，在諸如坐標(biāo)測量機(cmm)的坐標(biāo)定位裝置上檢查生產(chǎn)之后的工件，以便檢查預(yù)定物體參數(shù)的正確性，比如物體的尺寸和形狀。而且，未知物體的表面的檢測在許多工業(yè)應(yīng)用中受到關(guān)注。這種測量典型地還可以利用坐標(biāo)測量機或者任何其它合適類型的掃描裝置來提供。

在常規(guī)的3d坐標(biāo)測量機中，支持探頭(probehead)沿三個相互垂直的軸(沿方向x、y、z)移動。由此，可以將探頭引導(dǎo)至坐標(biāo)測量機的測量體積空間中的任意點，并且可利用探頭所攜帶的測量傳感器(探測單元)測量物體。這種探測單元可以被設(shè)計為例如基于三角測量原理來提供表面測量的觸覺探針或光學(xué)傳感器。

在簡單形式的機器中，與各個軸平行地安裝的合適的換能器能夠確定探頭相對于該機器基部的位置，并因此確定被傳感器照射的物體上的測量點的坐標(biāo)。為了提供探頭的可移動性，典型的坐標(biāo)測量機可以包括設(shè)置探頭的框架結(jié)構(gòu)以及用于彼此相對地移動框架結(jié)構(gòu)的框架組件的驅(qū)動裝置。

利用光學(xué)傳感器的一個優(yōu)點是，光學(xué)傳感器不與部件相接觸，并因此在測量期間不使光學(xué)傳感器像使用觸覺探針的情況那樣變形或者被破壞。

結(jié)合cmm地利用線三角測量裝置來測量表面的優(yōu)點是，通過一個時間步長接收到的距離信息的量(即，沿整個投影三角測量線的距離值)可以確定，并且可以導(dǎo)出相應(yīng)坐標(biāo)。由此，通過沿希望測量路徑移動該傳感器，可以顯著較快地整個掃描要測量的物體。

在過去的20年，手動操作的便攜式cmm系統(tǒng)(通常包括用每個聯(lián)動裝置一個或兩個旋轉(zhuǎn)軸和總計六個或七個軸鏈接的四個區(qū)段)對于工作場所的非重復(fù)性測量任務(wù)來已經(jīng)成為流行的。線三角測量裝置也被用于這種便攜式cmm，以極大地增加數(shù)據(jù)捕捉速度。

使用三角測量單元的其它便攜式測量裝置包括利用多個像機跟蹤探針位置和取向的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，或者干涉測量距離跟蹤裝置，其中利用附加像機來跟蹤探針的旋轉(zhuǎn)軸。

線三角測量傳感器的其它應(yīng)用包括固定安裝，其中將物體放置在傳感器或多個傳感器前方并且對靜止物體進(jìn)行單一線測量，使得部件的關(guān)鍵特征可以在單一步驟中捕獲，而不需要昂貴的定位系統(tǒng)。

而且，用于提供表面的地形測量的裝置可被具體實施為包括三角測量傳感器的(手持式)裝置，其中，通過人工或機器人沿要測量的表面導(dǎo)引該裝置，并且在移動該裝置的同時通過傳感器獲取距離數(shù)據(jù)。另外，這種裝置的位置和/或取向可以在全局坐標(biāo)系中連續(xù)確定(例如，跟蹤)，由此使能確定與物體的表面相對應(yīng)的絕對坐標(biāo)。

一般來說，三角測量提供了用于以快速且精確的方式掃描表面的方法。基于該原理工作的測量裝置例如從de102004026090a1或者wo2011/000435a1獲知。

具體來說，在要測量的物體上生成通過激光器單元生成的線(例如，通過沿這種線移動激光點或者通過提供激光扇)，并且從表面反射的光被像機檢測到，該像機由光敏圖像傳感器(光檢測器)和用于控制該圖像傳感器并且讀出該圖像的電子裝置構(gòu)成。捕獲反射光的圖像并且導(dǎo)出根據(jù)檢測到的線的輪廓的距離信息?；诖?，可以確定物體的表面的地形。

為了高精度的三角測量，必須提供相應(yīng)反射光的照度和檢測，這包括所需的照度水平和對光信息的恰當(dāng)檢測。為了調(diào)節(jié)照度以使反射光到達(dá)檢測器，從而滿足其相應(yīng)檢測特性(例如，信噪水平和飽和度限制)，wo2011/000435a1公開了一種提前照射以便確定測量光的合適照射水平的方法。wo2007/125081a1公開了用于依靠像機檢測到的強度來主動控制照射光的功率的另一方法。

然而，在要照射的區(qū)域有關(guān)它們的反射特性顯著不同的情況下，仍繼續(xù)存在在投影的激光線的整個寬度上提供可用信號的問題。特別地，具有低粗糙度的表面(即，諸如鉻的鏡狀表面)因朝著圖像傳感器的反射光的極大的不均勻性而難于測量。在這種情況下，合適的照度仍會達(dá)到其極限，因此所導(dǎo)出的數(shù)據(jù)的精度將更低。

而且，激光三角測量的精度通常受限于激光散斑現(xiàn)象。這導(dǎo)致圖像強度的非常強的隨機幅度調(diào)制以及測量中的對應(yīng)隨機噪聲，在諸如iso10360-8的國際標(biāo)準(zhǔn)中還稱作探測分散(probingdispersion)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供這樣一種改進(jìn)方法和三角測量裝置，即，其用于使能照射要測量的物體并且檢測反射光，以使可以檢測整個照射區(qū)域的可靠的光信息。

本發(fā)明的另一目的是提供一種縮減激光散斑生成的對應(yīng)測量裝置。

本發(fā)明的第三目的是改進(jìn)眼睛安全，其中，可以使用較高的總激光功率，并且使能實現(xiàn)較快速且例如有關(guān)那些測量的精度和可靠性方面的較魯棒的測量。

這些目的通過實現(xiàn)獨立權(quán)利要求書的特征來實現(xiàn)。按另選或有利方式進(jìn)一步開發(fā)本發(fā)明的特征在相關(guān)專利權(quán)利要求書中進(jìn)行了描述。

激光三角測量傳感器典型地使用移動光斑或激光扇，以通過利用按相距激光平面的某一基線距離定位的像機觀察照射的線的移位，來測量沿該線的點的3d位置。

本發(fā)明涉及一種用于基于三角測量原理來確定至要測量的物體的距離的方法。所述方法包括以下步驟：生成并發(fā)射測量光束；將所述測量光束引導(dǎo)至要測量的所述物體；在限定的檢測序列期間，利用圖像傳感器的相應(yīng)像素(例如，類似像機的成像組件的像素)檢測所述測量光從所述物體的反射；以及基于檢測到的反射來導(dǎo)出距離信息。當(dāng)然，在本發(fā)明的范圍中，所述傳感器可以被設(shè)計為被布置(不同位置處)為接收反射的測量光的特定(子)圖像傳感器組合件。相應(yīng)像素可以是整個傳感器組合件的像素所提供的像素。

通過這樣做，入射在物體上的光被反射(或者從粗糙表面散射)并接著至少部分地被圖像傳感器接收，具體地，被在傳感器上對發(fā)射的光(例如，發(fā)射為例如采用光線形式的結(jié)構(gòu)光)成像的相應(yīng)光學(xué)器件。提供圖像傳感器的像素以確定該傳感器上的投影光線的路線(course)?；趫D像傳感器處的照射位置(即，線或投影光的成像的路線)，可以導(dǎo)出沿整個線的距離信息，其表示該物體的關(guān)于該線的地形。

根據(jù)本發(fā)明，所述檢測序列包括：至少兩個曝光子序列，各個曝光子序列都限定特定的曝光時段；以及所述圖像傳感器的像素的飽和度限制。曝光子序列表示單個檢測序列并且它們的作為整體提供整個檢測序列。具體地，第一曝光子序列后直接跟隨著第二個這種子序列，而沒有讀出和全部重置該圖像傳感器，例如，沒有中斷光檢測。

相繼的曝光子序列包括比其先前的曝光子序列高的飽和度限制。換句話說，相繼的曝光子序列被限定成使得其允許的飽和度水平高于先前序列的相應(yīng)飽和度水平。各個飽和度限制都限定針對相應(yīng)曝光子序列的像素的最大充電水平，即，在相應(yīng)的曝光子序列期間針對各個像素的最大允許充電。

像素被反射的測量光至少部分地曝光，由此各個曝光像素的電荷在曝光期間改變。而且，在所述檢測序列期間達(dá)到所述最大充電水平中的至少一個(例如，在該序列期間的初始曝光子序列的飽和度限制或者在相繼的序列期間的相繼曝光子序列的飽和度限制)的各個像素電荷根據(jù)對應(yīng)的曝光子序列的時段的相應(yīng)飽和度限制來限制或重置。

由此，到達(dá)或超出所述限定最大充電水平的像素的電荷在相應(yīng)的曝光子序列期間保持在該最大充電水平，或者在該曝光子序列結(jié)束時被重置成該水平，以向進(jìn)行中的充電提供從該序列之前的最大充電水平開始的相繼曝光子序列。

具體來說，限定所述曝光時段和飽和度限制，以使得針對大致每個像素的最終總電荷低于由最終的曝光子序列限定的最大飽和水平。

該方法允許檢測來自物體表面的反射光或散射光，使得獲取到整個照射和接收測量區(qū)域的可靠的光信息。而且，可以避免點掃描儀的復(fù)雜且緩慢的機械結(jié)構(gòu)，而仍能夠在大動態(tài)范圍上測量。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，通過與所述檢測序列的曝光子序列的數(shù)量相對應(yīng)的限定數(shù)量的光脈沖來提供所述測量光束，并且隨時間調(diào)節(jié)所述曝光子序列和所述光脈沖，使得在一個相應(yīng)的曝光時段期間發(fā)射和/或檢測到各個光脈沖。

而且，優(yōu)選的是，如果使用高功率脈沖激光器，則可以向所述曝光子序列的曝光時段提供相等時長，具體來說，提供相應(yīng)傳感器可用的的最短時段。據(jù)此，可以將總檢測序列的持續(xù)時間設(shè)置得非常短，由此使能非?？焖俚卮_定相應(yīng)距離信息并且避免運動模糊現(xiàn)象。而且，所述圖像傳感器的定時量化可以不再限制最大動態(tài)范圍增強，因為各個子序列的曝光水平可以根據(jù)照射脈沖能量來確定，而不根據(jù)像機子序列曝光時間來確定。

可以完成針對子序列設(shè)置相等持續(xù)時間，因為所述圖像傳感器的最小子序列持續(xù)時間可以比為了充分照射而要發(fā)射的相應(yīng)激光脈沖長。如果將所述圖像傳感器設(shè)計成提供模式之間的較快速切換，或者如果需要較長脈沖(例如，因較小的孔徑)，則優(yōu)選地可以針對相應(yīng)子序列設(shè)置不同持續(xù)時間。

根據(jù)另一實施方式，所述檢測序列的連續(xù)光脈沖利用逐漸減少的脈沖能量生成，具體來說，其中，各個脈沖持續(xù)時間在時間上都比相應(yīng)的曝光時段短。與順序增加的像素飽和度水平組合的這種自適應(yīng)照射序列因向各個像素提供合適的充電水平而提供了對三角測量光線的亮區(qū)和暗區(qū)兩者的合適檢測。

一般而言，根據(jù)本發(fā)明的一個方法，所述檢測序列和所述光脈沖被設(shè)計成使得所述測量光束對所述圖像傳感器的亮像素的照射使亮像素的光子(充電)水平低于最大飽和度限制，而測量光束對所述圖像傳感器的暗像素的照射使暗像素的光子(充電)水平高于限定的信噪比閾值。

在利用上述方法進(jìn)行光檢測的背景下，相應(yīng)的圖像傳感器可以優(yōu)選地設(shè)計為高動態(tài)范圍(hdr)傳感器，而且具體地提供順序飽和度遞增序列。相應(yīng)檢測和/或脈沖照射處理的定時可以利用連接至圖像傳感器的fpga或類似控制器來實現(xiàn)，或者由傳感器在內(nèi)部執(zhí)行。

有關(guān)所述測量光的生成和發(fā)射，可以為此提供幾個裝置。例如，所述測量光束可以由(普通)發(fā)光二極管(led)生成，具體包括空間濾波器，具體為具有狹縫的遮罩，以提供測量光的線狀發(fā)射。另選地，所述測量光束可以由激光源生成，其中，所述測量光束被設(shè)置為激光束，具體由寬條形激光器(bal)、超發(fā)光二極管(sled)或多模激光源。

在本發(fā)明的實施方式的背景下，使用高功率激光二極管，將曝光子序列(像機hdr區(qū)段)持續(xù)時間固定成盡可能最短(除非這低于最大激光脈沖持續(xù)時間)，并且將能量逐漸減少的激光脈沖對準(zhǔn)像機hdr區(qū)段。因為總像機曝光時間可以非常短，所以即使對于動態(tài)范圍上的較大增強，也可以忽略運動模糊。在本發(fā)明背景下，要理解，曝光持續(xù)時間可以不設(shè)置成最小持續(xù)時間，但是如果脈沖相應(yīng)地具有較長持續(xù)時間，則曝光持續(xù)時間當(dāng)然可以設(shè)置得較長。

通過在一個橫向方向上使用包括幾個橫向模式的寬條形激光器(bal)(即，寬度大于十微米)并且將其對準(zhǔn)投影的激光線的方向，可以保持該線完全聚焦，同時減小空間相干，并由此減小激光散斑。散斑通常是針對測量數(shù)據(jù)中的噪聲的限制因子，并由此限制探測分散誤差，因而這種激光改進(jìn)了各個測量點的精度。另一益處是，剩余的散斑噪聲不再非常依賴于像機孔徑，因而可以使用小的孔徑。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的全相干激光三角測量裝置通常使用生成較小散斑的大的像機孔徑，優(yōu)選地小于像素大小，以減小激光散斑影響，由此將景深限制到薄的平面深。由于減小了散斑噪聲并改進(jìn)了眼睛安全，因而本發(fā)明還使得激光三角測量裝置具有小的孔徑，并由此使能例如實現(xiàn)多條激光線或跟蹤攝影目標(biāo)，而不會引入過度散射噪聲。

因為bal十分寬，所以它們通常具有高功率輸出(例如，在光學(xué)上，>1w)。這個特征還與多線激光三角測量裝置所需的小孔徑非常好地組合，這是因為其允許免除運動模糊的獲取。而且，短的曝光時間在利用“多斜率”hdr模式(提供曝光子序列)時也是有益的，這是由于其再次減小了可能難以處理的運動模糊(因為該hdr方案在時間上影響不同靈敏度之間的切換，并由此產(chǎn)生對于整個圖像來說不相同而相反依賴于各個像素的充電水平的運動模糊)。而且，利用當(dāng)前多斜率hdr圖像傳感器的實驗已經(jīng)示出，較短的曝光時間顯著減小了hdr機制引入的額外固定圖案噪聲。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，為了發(fā)射所述測量光束，關(guān)于與發(fā)射方向正交的第一方向聚焦所述測量光，并且關(guān)于與所述第一方向和所述發(fā)射方向正交的第二方向漫射所述測量光。具體來說，提供了垂直聚焦并且水平延伸的光帶。

根據(jù)提供合適的測量射束，生成并發(fā)射在所述第一方向上具有空間相干并且在所述第二方向上不具有空間相干的所述測量光束，具體來說，其中，所述測量光束包括有關(guān)所述第一方向的一種空間地模式和有關(guān)所述第二方向的超過一種空間模式，具體為有關(guān)所述第二方向的多種橫向模式。這種射束特性可以通過形成直接提供這種測量射束的激光源的相應(yīng)光或利用這種激光源來生成。

考慮到充分捕獲特征的另一方面涉及根據(jù)橫向子采樣的增強垂直點密度。為了更好地捕捉幾乎平行于激光線的邊緣，圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)可以沿一個方向按列或行“跳躍”大量地子采樣，以便增加幀速率，使得最密集采樣的橫向方向不再沿著三角測量線而是橫跨三角測量線(即，沿傳感器行進(jìn)的方向)。該操作模式的附加益處是，來自光斑偏移但沿基線平行方向交疊的散斑噪聲反相關(guān)。由此，平均誤差將比針對不相干誤差預(yù)期的1/sqrt(n)更快地減少。

根據(jù)本發(fā)明，上述方法被特別地提供用于三角測量裝置，即，線三角測量裝置，其例如獨立地工作在生產(chǎn)線上以用于過程中的測量，或者聯(lián)接至像cmm或cnc機器或機器人一樣的自動機器、人工cmm或者利用如稍早描述的光學(xué)跟蹤方法來定位。

本發(fā)明還涉及基于三角測量的測距單元，該測距單元包括：發(fā)光單元，該發(fā)光單元具有用于生成測量光并發(fā)射測量射束的光源；光檢測單元，該光檢測單元用于檢測光束從要測量的物體的反射(當(dāng)然，可以設(shè)置超過一個光檢測單元)；以及控制和處理單元，該控制和處理單元用于基于檢測的反射來導(dǎo)出距離信息。所述光源和所述光檢測單元按照彼此相對的已知位置和取向來設(shè)置。

根據(jù)本發(fā)明，所述光檢測單元包括提供光檢測序列的高動態(tài)范圍(hdr)圖像傳感器，該光檢測序列具有一系列至少兩個相繼的曝光子序列，各個曝光子序列都限定了所述圖像傳感器的像素的特定曝光時段和飽和度限制。相繼的曝光子序列包括比其先前曝光子序列高的飽和度限制，并且各個飽和度限制都針對相應(yīng)的曝光子序列限定了像素的最大(允許)充電水平。所述圖像傳感器的像素可根據(jù)反射的測量光對像素的曝光而充電，使得在所述檢測序列期間達(dá)到所述最大充電水平中的至少一個的各個像素的電荷根據(jù)針對對應(yīng)的曝光子序列的時段的相應(yīng)飽和度限制來限制或重置。

基于三角測量的測距單元或該測距單元的控制與處理單元具體被設(shè)計成使得上述方法可利用該處理單元執(zhí)行。

根據(jù)本發(fā)明的具體實施方式，所述控制與處理單元適于控制觸發(fā)所述檢測序列，并且控制所述光源生成與針對所述檢測序列的曝光子序列的數(shù)量相對應(yīng)的多個光脈沖，使得在時間上調(diào)節(jié)所述曝光子序列和所述光脈沖，以使在一個相應(yīng)的曝光時段期間發(fā)射和/或檢測到各個光脈沖。通過這樣做，可以通過所述測量裝置提供測量光的經(jīng)過調(diào)節(jié)的發(fā)射和接收，使得在各個曝光序列內(nèi)檢測一個光脈沖，并且同樣提供像素的相應(yīng)照射。

關(guān)于所述測量射束的成形，所述發(fā)光單元可以包括射束成形組合件，該射束成形組合件用于通過影響可由所述光源發(fā)射的所述測量光的傳播來提供所述測量射束，其中，所述射束成形組合件可以被設(shè)置并設(shè)計成使得關(guān)于與所述發(fā)射方向正交的第一方向(具有大約0.4弧度的較大發(fā)散，也稱作“快軸(fastaxis)”)聚焦所述測量光，并且使得關(guān)于與所述第一方向和所述發(fā)射方向正交的第二方向(具有大約0.1弧度的較小發(fā)散，也稱作“慢軸(slowaxis)”)漫射所述測量光。

據(jù)此，可以提供尖銳的激光線，其中，顯著減小了可能出現(xiàn)的散斑影響。

具體來說，所述射束成形組合件可以包括柱面透鏡，所述柱面透鏡被設(shè)置并設(shè)計成使得沿所述第一方向的所述聚焦通過所述柱面透鏡提供，并且沿所述第二方向的漫射基本上不受所述柱面透鏡影響。沿所述第一方向的所述聚焦還可以通過如下方式執(zhí)行，即，將所述激光準(zhǔn)直透鏡移位以稍稍遠(yuǎn)離所述激光二極管，使得所述光被稍稍匯聚而不是被準(zhǔn)直，由此減少對單獨的柱面聚焦透鏡的需要?？梢越邮芤蛩黾す舛O管的散光而造成沿所述第二方向的稍稍發(fā)散。

而且，另外或另選地，所述射束成形組合件可以包括柱面透鏡的至少一個陣列，該至少一個陣列被設(shè)計并設(shè)置成使得沿所述第二方向的所述漫射通過所述至少一個陣列的折射特性來提供，而沿所述第一方向的聚焦基本上不受所述至少一個陣列影響。如下所示，可以將另一個光學(xué)部件設(shè)置在小透鏡陣列前面，以沿所述第二方向展開所述激光束，并由此提供用于進(jìn)一步漫射的改進(jìn)基礎(chǔ)。更寬的末級漫射器可以使光在空間上不太相干，由此減小散斑噪聲，并且還可以在用戶直接觀察激光扇的情況下通過在視網(wǎng)膜上的較大區(qū)域上散布發(fā)射功率來改進(jìn)眼睛安全。具體來說，為了有效減小散斑，該末級漫射器應(yīng)當(dāng)在寬度上至少類似于像機孔徑直徑。

關(guān)于所使用的光源，所述光源可以被優(yōu)選地設(shè)計成使得所述測量光可以利用沿所述第一方向的空間相干和有關(guān)所述第二方向不相干而生成，具體來說，其中，所述光源可以被設(shè)計成使得所述測量光可生成為包括有關(guān)第一方向的一種空間地模式和有關(guān)第二方向的超過一個空間模式(多個橫向(transversal)模式)。

更具體地，所述光源可以用發(fā)光二極管(led)來表示，具體包括空間濾波器，具體為具有狹縫的遮罩。另選的是，所述光源可以包括或被設(shè)計為激光源，其中，所發(fā)射的光被提供為激光并且所述光束是激光束，具體為寬條形激光器(bal)、超發(fā)光二極管(sled)或多模激光源。

在所述光源包括發(fā)光二極管或激光源的情況下，所述光源還可以包括具有非對稱發(fā)光孔徑的準(zhǔn)直部件，其中，所述準(zhǔn)直部件被設(shè)計成使得所述發(fā)光孔徑沿所述第一方向的長度顯著小于沿所述第二方向的長度。

下面，再次參照利用hdr傳感器的光檢測和具有所述測量裝置的所述光源的光發(fā)射，所述曝光子序列的所述曝光時段可以適于包括相等時長，和/或所述檢測序列的相繼光脈沖利用逐漸減少的脈沖持續(xù)時間生成。

在上述方法的背景下，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，大體上激光功率或者脈沖功率可以基于通過利用所述傳感器(檢測單元)接收或捕獲相應(yīng)圖像而提供的信號來調(diào)節(jié)。另外或另選地，曝光時間也可以基于所接收的光信息來控制。執(zhí)行這種調(diào)節(jié)，以最優(yōu)化用于捕獲連續(xù)圖像的特性。而且，不是各個連續(xù)圖像而是每隔一個連續(xù)圖像(甚或幾個圖像)可以被用于這種功率和/或曝光調(diào)節(jié)。

本發(fā)明還涉及一種具有計算機可執(zhí)行指令的計算機程序產(chǎn)品，具體來說，當(dāng)在如上所述的測距單元的處理與控制單元上運行時，該計算機可執(zhí)行指令被實現(xiàn)為根據(jù)上述方法來執(zhí)行和控制確定到物體的距離。

附圖說明

下面，參照附圖中示意性地示出的工作例，完全通過示例的方式，對根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置進(jìn)行更詳細(xì)描述或說明。具體來說，

圖1示出了本發(fā)明所涉及的三角測量裝置的工作原理；

圖2a和圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明的、發(fā)射測量光并且檢測反射的測量光以執(zhí)行三角測量的方法；

圖3a、圖3b和圖3c示出了根據(jù)本發(fā)明的、形成用于三角測量的測量光的原理；以及

圖4a和圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的激光源和光形成部件的另一實施方式。

具體實施方式

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的三角測量裝置1的工作原理。裝置1包括發(fā)光單元2和例如像機的光接收單元3，它們的相對位置和取向已知。換句話說，這種激光三角測量將從已知位置在一個已知方向上發(fā)出光，并且從已知位置接收并接著測量傳入光的角。

發(fā)光單元2包括可以通過用于發(fā)射激光的激光二極管來表示的光源。而且，該發(fā)光單元可以包括用于形成發(fā)射的激光的光學(xué)單元，以使可以發(fā)射限定的測量射束4。優(yōu)選地，這種測量射束根據(jù)第一方向(豎直地)聚焦，并且關(guān)于與第一方向正交的第二方向(水平地)漫射。通過這樣做，可以生成激光線并且投射到要測量的物體5上。

光接收或檢測單元3還可以包括光學(xué)組合件(例如，成像透鏡)，以形成反射光6并引導(dǎo)至該單元的圖像傳感器。該傳感器被優(yōu)選地設(shè)計為提供采用線或區(qū)域形式的像素陣列的ccd或cmos傳感器。該傳感器還優(yōu)選地根據(jù)scheimpflug標(biāo)準(zhǔn)傾斜，以使像機的物面與照射面重合，使得所有照射點被銳利地成像到傳感器上。該圖像傳感器被設(shè)計成至少對測量光5的波長的光敏感。該圖像傳感器的像素被傳入的反射光6曝光，可以基于傳感器的被照射的像素導(dǎo)出光線在物體5處的路線(course)。這允許基于對發(fā)射器2和檢測器3與所測到的線的相對位置的知識來確定到該物體表面的距離，具體來說，另外基于光學(xué)組合件的特性和檢測到的線在圖像傳感器上的位置。

根據(jù)另選實施方式，在此未示出，發(fā)射的射束4沿垂直于外殼的方向發(fā)射，允許將附加接收單元放置在發(fā)射單元2的左側(cè)，以便生成附加測量數(shù)據(jù)。還可以布置第三接收單元3，第三接收單元3與第一接收單元(和/或第二接收單元)相比按相同距離或者按不同距離放置在發(fā)射單元2旁邊，以針對具有強對比度變化(引入檢測強度質(zhì)心的移位)的物體的檢測或者導(dǎo)致陰影效應(yīng)的邊緣的檢測實現(xiàn)更大的魯棒性。

通過在物體5上移動三角測量裝置1，連續(xù)接收反射光6并且處理由圖像傳感器提供的處理信號，可以全面測量物體5的表面。具體來說，這種掃描通過承載三角測量裝置1并且將其沿著希望測量路徑移動的坐標(biāo)測量機(機動或者手持)來執(zhí)行。

根據(jù)本發(fā)明，發(fā)光單元2被控制成使得測量光4按脈沖化方式發(fā)射，并且接收器3提供特定檢測序列以單個地檢測由各個發(fā)射的脈沖造成的反射。這種檢測使能導(dǎo)出適合于被照射后亮的像素和盡管被照射但仍然暗的像素兩者的測量信號。在圖2a和圖2b的背景下，對所檢測處理進(jìn)行更詳細(xì)描述。

為了檢查要測量的物體5是否位于限定的測量范圍內(nèi)(和該物體與該測量裝置之間的距離有關(guān))，可以將光學(xué)可視導(dǎo)引投影到測量體積內(nèi)。該光學(xué)導(dǎo)引(向該系統(tǒng)的操作員)給出物體5是否位于優(yōu)選的測量區(qū)域(到該測量裝置的距離)內(nèi)的信息。這種導(dǎo)引可以用以可視方式接收到的光線和/或例如具有與測量光的波長不同的特定光色(波長)的光線表示。根據(jù)該可視導(dǎo)引例如在捕獲的圖像中的相對位置，提供所述物體5關(guān)于所述測量范圍的位置。這種投影可以例如通過衍射全息圖的照射來實現(xiàn)，舉例來說，如已知的“l(fā)asercomponents”公司的“flexpointdoeseries”。

圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的利用非脈沖化恒定功率光源、為了三角測量而發(fā)射測量光并且檢測用于執(zhí)行三角測量的反射測量光的方法。

根據(jù)投影激光線導(dǎo)出一組距離信息的檢測序列在時刻t0開始。曲線21例示了圖像傳感器的控制，圖像傳感器在此優(yōu)選地設(shè)計為高動態(tài)范圍cmos(hdr傳感器)?？梢钥闯觯瑢τ趶膖0至t1的初始曝光時段，將傳感器的像素的飽和度限制sp初始地設(shè)置成傳感器像素的最大飽和度的33％。該初始曝光時段對應(yīng)于第一曝光子序列。

在t1，傳感器像素的飽和度水平切換至更高狀態(tài)，在此，切換至最大飽和度的66％并保持達(dá)第二時段t1至t2。第二時段比初始時段短。而且，在t2，應(yīng)用第三飽和度水平，該第三飽和度水平對應(yīng)于像素的最大允許飽和度。整個檢測序列在時刻te結(jié)束，其中，提供了表示整個被照射像素的照明度的檢測信號。

線22表示測量單元對要被測量的物體的照射強度。這里，照射強度在檢測序列保持恒定，即，激光線被恒定地發(fā)射并引導(dǎo)至物體，因此反射的測量激光在圖像傳感器處被接收到。

三條線23、24(虛線)和25(點線)表示因利用恒定強度的照射而對圖像傳感器的三個示例性描繪像素的充電。該物體包括處于被這三個像素瞄準(zhǔn)的區(qū)域中的三個示例性的不同反射率。第一像素接收最低強度的光，第一像素的由曲線23表示的電荷隨著時間相當(dāng)適度地增加，使得該像素的電荷從未達(dá)到限定飽和度限制之一(直到t1為止的33％、直到t2為止的66％以及直到te為止的100％)。該像素在te的最終充電水平低于這些像素的最大允許飽和度，并由此由傳感器檢測到可靠的光信息。

下面，參照線24表示的像素，該像素的充電水平比23更快地增加。這里，該像素在初始曝光時段達(dá)到設(shè)置的飽和度(33％)。結(jié)果，該像素的充電水平被一直限制為設(shè)置的飽和度直到t1為止，即，像素充電被限制為接近最大允許電荷的33％。換句話說或另選地，可以針對該像素提供一種(局部)重置，該重置影響電荷，使得該像素的充電水平在第一曝光子序列結(jié)束時對應(yīng)于最大電荷的33％。

由于該像素在t1之后仍被照射，并且由于第二曝光子序列的飽和度限制增加至66％，像素(24)繼續(xù)以對應(yīng)于線24的斜率的充電速率進(jìn)行充電。未達(dá)到第二時段的飽和度限制，直到t2為止，因而不存在進(jìn)一步重置或限制該像素的電荷。而且，在檢測序列(te)結(jié)束時，線24的像素表示處于最大飽和度限制內(nèi)的充電狀態(tài)。

針對接收線25表示的相比最大亮度的光的像素，還設(shè)置相應(yīng)的限制或部分重置，其中，因達(dá)到第一曝光子序列(33％)和第二曝光子序列(66％)兩者的限定飽和度水平而出現(xiàn)雙重限制(部分重置)。

通過用逐漸減小的增大來限定曝光時段的時長，也可靠地提供對十分明亮的被照射的像素(25)的檢測，因為明亮的像素的電荷(根據(jù)線25的斜率增加，即，根據(jù)每次碰撞到該像素的光的量)至少針對最終(最短)曝光子序列未達(dá)到飽和度。

與恒定的照射強度的測量射束組合的用于要測量的物體的檢測方法提供了在非常大的動態(tài)范圍上對所有被照射的像素的檢測，使得能沿整個激光線進(jìn)行準(zhǔn)確距離測量，即使物體在反射率上具有很大差異。

當(dāng)然，在本發(fā)明的意義上，要理解的是，曝光子序列的數(shù)量不限于三個，本發(fā)明還涉及具有至少兩個曝光子序列(即，兩個或更多個這種序列)的檢測序列。對應(yīng)地，單個飽和度限制的限定(33％、66％)也可能因希望的應(yīng)用、子序列的數(shù)量和/或所提供的光源而改變。這同樣適用于曝光子序列的持續(xù)時間。

然而，整個檢測序列的總時長(即，t0與t1之間的時間)仍可以通過應(yīng)用如下面圖2b所示的根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選檢測方法來改進(jìn)。雖然上述方法的總曝光時間取決于圖像傳感器定時分辨率，但通過利用圖2b的方法，不再給出這種限制。

圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明的、照射要測量的物體并相應(yīng)地檢測從該物體反射的光的優(yōu)選方法。

用于該方法的圖像傳感器被優(yōu)選地設(shè)計為具有限定數(shù)量和星座的檢測像素的高(寬)動態(tài)范圍圖像傳感器(hdr傳感器)。優(yōu)選的是，該傳感器被構(gòu)建為區(qū)域圖像傳感器(2d像素網(wǎng)格)。

該圖像傳感器的控制(即，三個曝光子序列(t0-t1、t1-t2及t2-te)的持續(xù)時間和定時以及相應(yīng)的限定飽和度限制(33％、66％及100％))用曲線21'表示。這種曝光特性可以直接由傳感器的集成控制處理來提供，或者可以通過附加控制單元的外部控制來限定。當(dāng)然，要明白的是，針對曝光子序列的所提及的設(shè)置是可變地限定的，其中，根據(jù)本發(fā)明限定至少兩個子序列。

與圖2a的方法的不同之處在于，在此將曝光時段限定成為大致相等的持續(xù)時間，其中，時段被優(yōu)選地設(shè)置成為最短可能(由相應(yīng)傳感器特性給出)持續(xù)時間。兩個所提及的限制都有效，只要該持續(xù)時間比所需的激光脈沖持續(xù)時間長即可?；蛘?，換句話說，如果該傳感器提供甚至比曝光時段短的設(shè)置，則各個曝光時段的持續(xù)時間可被設(shè)置為與對應(yīng)的脈沖的持續(xù)時間一樣短。與根據(jù)圖2a的時段的設(shè)置(近似大約10ms)相比，通過這種自適應(yīng)，提供了顯著更短的總曝光時間t0至t1(例如，大約100μs)。結(jié)果，可以以更大頻率(按時間方面的分辨率)更加快速獲取距離信息，這導(dǎo)致更精確地表述測量表面。而且，這樣可以顯著減少或避免生成運動模糊。

與像這樣設(shè)置曝光子序列((基本上相等)的最短持續(xù)時間)相對應(yīng)地，要測量的物體的照射充分自適應(yīng)以便于生成提供可靠且精確的像素信息的測量數(shù)據(jù)。照射的方式(即，發(fā)射測量光的方式)用曲線22'示出(照射強度ii的路線)。具體來說，由于將曝光序列設(shè)置成比圖2a中的短得多，因而，所發(fā)射和接收的光的相應(yīng)量被優(yōu)選地設(shè)計成顯著高于圖2a。

由此，在此的測量光不再按恒定方式發(fā)射，而是被發(fā)射為脈沖化測量光，優(yōu)選為脈沖化激光。脈沖被調(diào)節(jié)成使得針對每個曝光子序列發(fā)射一個脈沖。脈沖能量從曝光時段至曝光時段漸少。例如，在減少該脈沖持續(xù)時間的同時，脈沖功率可以基本上保持恒定，例如保持在激光二極管的最大功率。另選的是，在減小脈沖功率的同時，脈沖持續(xù)時間可以保持恒定。當(dāng)然，可以取而代之地應(yīng)用兩種方法的組合。與檢測子序列組合的這種光發(fā)射向被輕微和被強烈照射的像素提供充電，使得不達(dá)到相應(yīng)像素的最大飽和度，并且可以針對每一個像素導(dǎo)出合適的像素信息。

因此，控制像素的照射主要通過應(yīng)用和調(diào)節(jié)光脈沖并且保持曝光子序列的持續(xù)時間恒定(即，具有基本上相等的持續(xù)時間)來提供。

三條線23'、24'(虛線)和25'(點線)表示因利用脈沖化測量光的照射而對傳感器的三個示例性描繪像素的充電。表示具有非常低的照明度的像素的曲線23'示出了在第一時段t0至t1的照射期間對相應(yīng)像素的充電，直到照射強度被減小至零為止(即，激光脈沖結(jié)束)。在第二脈沖的照射期間(在第二時段t1至t2內(nèi))，該像素從第一光脈沖結(jié)束的水平開始繼續(xù)充電(因為在沒有照射(即，零強度)的時段期間，沒有對該像素進(jìn)一步充電)。而且，電荷還由于發(fā)射第三(最短)激光脈沖來增加，使得生成該像素的最終檢測信號，而沒有相應(yīng)的飽和度。

其同樣適用于曲線24'和25'表示的像素，其中，針對那些像素，應(yīng)用對充電狀態(tài)的進(jìn)一步部分重置或限制。這是因為像素照射達(dá)到針對第一和第二曝光子序列設(shè)置的相應(yīng)飽和度(33％和66％)。那些像素的充電或照射水平在從先前飽和度限制開始的相繼曝光子序列中繼續(xù)增加。這種增加取決于相應(yīng)照射的持續(xù)時間(脈沖持續(xù)時間)，和每時間步長碰撞相應(yīng)像素的測量光的單獨量(即，線23'、24'及25'的斜率)。

這種過程利用一個公共檢測序列來檢測亮像素(與曲線25'表示的像素相比)和暗像素(曲線23')，使得沒有一個像素達(dá)到最大飽和度水平(100％)，并且在該檢測序列結(jié)束te時提供合適且可檢測的像素亮度。

根據(jù)另選實施方式，為了調(diào)節(jié)針對各個曝光子序列的光的照射量，不僅脈沖持續(xù)時間而且脈沖功率可以特別地單獨調(diào)節(jié)。

圖3a和圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明的、形成用于三角測量的測量光的原理，其中，測量光被提供為激光束，具體用于提供尤其是用于根據(jù)圖2b的照射方法的高照射強度。

圖3a示出了具有激光源31和相應(yīng)的射束成形組合件32的發(fā)光單元30的側(cè)視圖。激光源31在此被設(shè)計為寬條形激光器(bal)(和準(zhǔn)直透鏡)。

寬條形激光器(bal)(還已知為“寬條紋(broadstripe)”、“板式(slab)”或“寬發(fā)射器”激光二極管)具有沿一個橫向方向(在此：第二或水平方向)寬得多的增益體積。與沿兩個方向具有較小的增益區(qū)的單模激光二極管相比，bal發(fā)射非常高的光學(xué)功率(大約1-10w)。bal可以按脈沖通常低于100ns的脈沖模式使用。

在寬的方向上，許多空間模式和縱向模式可以共存。在窄的方向(在此：第一或垂直方向)上，優(yōu)選的是，僅一個空間地(spatialground)模式傳播，并且激光由此可以向下聚焦至衍射限制線焦點。而且，bal成本低并且代表適合本發(fā)明的類型的光源。

射束成形組合件32包括柱面透鏡33，柱面透鏡33沿垂直于激光4的傳播方向的第一方向(激光器的快軸，在此稱作垂直方向)聚焦激光源31發(fā)射的激光。所發(fā)射的激光4包括關(guān)于第一方向的空間相干。另選地，光源可以在垂直方向上非常小限度地使用或者包括提供對應(yīng)的小限度的附加光學(xué)部件(例如，用非常細(xì)的狹縫遮蔽的led)。

柱面透鏡33還允許沿水平方向(垂直于第一方向和傳播方向)透射激光4，而沒有有關(guān)射束形狀的任何實質(zhì)影響。

由此，利用柱面光學(xué)裝置實現(xiàn)一維(垂直)聚焦。寬面積的激光輸出可以首先通過對準(zhǔn)并與寬面積激光源永久性安裝在一起的球面(非柱面)透鏡準(zhǔn)直。還可以跳過該準(zhǔn)直儀而使用較強的垂直聚焦透鏡。然而，由于源的強發(fā)散性，更實用的是首先將光準(zhǔn)直，以使可以利用更多空間來定位另一些組件。

在本發(fā)明另一實施方式中，省略了柱面透鏡33。相反，通過向前移位激光準(zhǔn)直透鏡來獲取垂直聚焦。這還沿水平方向聚焦射束，但與跟隨的水平漫射器相比，這種影響可以忽略。

射束成形組合件32還包括兩個柱面小透鏡陣列34、35，這兩個柱面小透鏡陣列34、35基本上不影響垂直方向上的射束成形，但被定位和對準(zhǔn)成使得能水平方向上的射束成形。利用圖3b示出了第二方向上的這種射束成形。

圖3b以俯視圖示出了發(fā)光單元30，其中，例示了有關(guān)第二(水平)方向的射束成形。如上提到，可以忽略柱面透鏡33相對于第二方向?qū)λl(fā)射的激光4的影響。然而，微透鏡陣列34和35影響激光束，使得造成水平面的傳播(角)擴(kuò)展。柱柱面透鏡陣列幾乎不影響垂直聚焦的質(zhì)量。換句話說，激光束通過與小透鏡陣列34、35的交互作用而水平地(在第二方向或者所謂的激光二極管的慢軸的意義上)漫射。上述背景下的漫射特別意指沿漫射器的每一個點或小區(qū)域應(yīng)當(dāng)照射線的整個寬度。

為進(jìn)一步增強從所有點發(fā)送的光在小透鏡陣列35上的交疊，具有沿水平面的折射力的透鏡36可以正好添加在透鏡陣列35之前或之后(例如，柱面透鏡)。該透鏡優(yōu)選地具有基本上等于到小透鏡陣列34的距離的焦距。這種排布結(jié)構(gòu)按俯視圖在圖3c中示出，其中，垂直平面中的聚焦基本上通過激光源31(未示出)提供。由此，不需要如上所述的柱面透鏡33。

提到的漫射使得將光聚焦到眼睛中的一個點上成為不可能。由此，該裝置提供更好的眼睛安全，并且據(jù)此，可以將更加多的激光功率用于照射。

有益的是，例如使用柱面透鏡陣列來代替單一表面大透鏡，因為橫向定位的容差是不嚴(yán)格得多。具有兩個漫射器(例如，所示的兩個小透鏡陣列34、35)還通過實際上將幾個橫向模式轉(zhuǎn)換成空間相干來減小散斑。第一漫射器(其將光擴(kuò)展成覆蓋第二漫射器)應(yīng)當(dāng)具有至少比射束寬度小至少大約五倍的節(jié)距，以減小橫向定位影響。

而且，柱面透鏡和光源的陣列優(yōu)選地被設(shè)計并設(shè)置成使得測量射束可采用有關(guān)其在第二方向上的擴(kuò)展的基本連續(xù)的線形式發(fā)射。為此，第一柱面透鏡陣列的節(jié)距、激光二極管的寬度以及激光器準(zhǔn)直透鏡焦距可以被選擇成使得投射的二極管寬度匹配透鏡陣列的衍射角，并且發(fā)射的線由此變得連續(xù)而沒有任何暗斑，要不然，如果透鏡陣列節(jié)距太精細(xì)、激光寬度太小或者準(zhǔn)直儀焦距太長，則可以出現(xiàn)暗斑。另一方面，太粗糙的陣列節(jié)距、寬的激光或者短的準(zhǔn)直儀焦距可以造成兩個投射交疊的亮斑，因此最佳的是，精確地選擇這些參數(shù)，使得不存在交疊，或者多次100％交疊。

根據(jù)特定實施方式，該配置包括一個微透鏡陣列(相當(dāng)小)與10mm出射孔徑的組合。

具體來說，在最終漫射之前，使激光束4“足夠?qū)挕币蕴峁┐蟮陌l(fā)射面。發(fā)射(并準(zhǔn)直的)射束4的初始寬度在第二方向上例如可以為大約1mm，而在加寬之后，其在漫射器35處可以為10mm?？梢允褂脦追N類型的組件，來加寬發(fā)射射束4，例如，另一柱面透鏡、微透鏡陣列、衍射光學(xué)部件或者某種計算機生成或自然全息圖。如果源是在水平方向(慢軸)上沒有準(zhǔn)直的激光器，則射束可以足夠快地發(fā)散，不需要額外的光學(xué)裝置。第一小透鏡陣列34可以代表這種射束擴(kuò)展部件，其中，第二小透鏡陣列35代表射束漫射部件。

關(guān)于所使用的激光二極管和可能的聚焦準(zhǔn)直儀，這些可以包括非對稱孔徑?？讖奖惶貏e設(shè)計成沿著線(即，沿水平方向)盡可能大(以增強效率)，并且另外橫跨該線更窄，以增加并限定焦點的深度，并且改進(jìn)聚焦質(zhì)量。利用較小的na，可以使用更便宜的透鏡。而且，難于僅利用沒有孔徑的一個透鏡來實現(xiàn)大深度聚焦，因為其不得不具有非常短的焦距。具有的孔徑的焦距更長的透鏡改進(jìn)了指向穩(wěn)定性，因為從激光器位置至射束角的縮放倍率小。因為孔徑以效率(例如，60％)為代價，所以其益處是具有像bal一樣的高功率激光二極管。

圖4a和圖4b從不同角度示出了根據(jù)本發(fā)明的光源31的實施方式。圖4a按側(cè)視圖示出了激光源31和透鏡陣列34。激光源31包括激光二極管31'和(準(zhǔn)直)透鏡31"。另外，激光源31包括形狀不對稱的孔徑37?？梢栽趥?cè)視圖中看出，部件37包括相當(dāng)小的孔徑，例如，用于光透射的非常窄的狹縫，以提供沿第一(垂直)方向的大聚焦深度。這種準(zhǔn)直部件37還提供第二方向上的大孔徑，減少用于沿水平面漫射的損耗(圖4b)。由于激光束關(guān)于垂直方向的準(zhǔn)直和空間限制可以這樣按充分方式設(shè)置，不需要用于聚焦的另一柱面透鏡。

沿垂直方向聚焦激光并且沿水平方向漫射導(dǎo)致主觀散斑形成的減少，同時提供非常適于三角測量的很好定義的線。除降低散斑噪聲和由此改進(jìn)深度準(zhǔn)確度以外，低散斑準(zhǔn)直儀還允許大大增加的像機景深。原因在于，散斑對比度不再取決于像機na，如其在使用全相干源所做的那樣。

另外，與檢測所生成的激光束相關(guān)，特定像機光學(xué)裝置可以設(shè)置有圖像傳感器。該像機光學(xué)裝置可以包括像機透鏡，像機透鏡還可以具有不對稱孔徑，因為沿線(水平方面)的光學(xué)分辨率可以比橫跨更關(guān)鍵。這還導(dǎo)致實現(xiàn)縮減的曝光時間，并由此改進(jìn)眼睛安全。這種像機透鏡可以是失真的(有關(guān)第一和第二方向的不同縮放倍率)，以例如獲取更寬視野。

盡管上面部分參照一些具體實施方式例示了本發(fā)明，但必須明白，可以制成這些實施方式的不同特征的許多修改例和組合，并且這些不同特征可以彼此組合，或者與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的三角測量原理和/或坐標(biāo)測量機組合。