CN102341730A - 非接触式测量距离和/或外形的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式测量被测物体(9)的距离和/或外形的装置(1)，其中光源(2)产生照射被测物体(9)的照明光束，并且提供检测器(11)，用以检测在被测物体上照明光束的反射部分，其潜在有力且紧凑的结构特征在于，第一光学装置(13)和第二光学装置设置在照明光束的光束路径中，其中照明光束可首先借助于所述第一光学装置(13)在与扩展方向平行的扇形平面中扇状扩散，並且然后可通过所述第二光学装置使所述照明光束大致平行。在一较佳的具体实施例中，所述第二光学装置由菲涅耳透镜(5)构成。本发明还涉及一种相关的方法。

Description

非接触式测量距离和/或外形的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式测量被测物体的距离和/或外形的装置，藉此光源产生照明光束以照射该被测物体，並藉此提供一个检测器，用以检测在被测物体上照明光束的反射部分。本发明还涉及一种相关的方法。

背景技术

在实践中，这类非接触式测量距离和/或外形的装置早已久为人知。在此过程中，光源产生通过光学装置准备好的照明光束。该照明光束直接射向被测物体并且以点的形式照射被测物体。通过传感器的检测装置可检测照明光束反射在被测物体上的部分，并且由此可推断出有关从传感器到被测物体的距离。

这类传感器通常依据三角测量的原则工作。在这种情况下，检测器阵列的照明点发生改变是由于照明光束的反射部分取决于从传感器到的被测物体的距离。为了测定该距离，在照明的探测元件和被测物体的距离之间产生一种关联。原则上，这也可由传感器几何学计算出来。然而，一般进行量度校准并且储存距离和照明点之间的相互关系。

为了提高传感装置的灵敏度，将微线性扩展提供给照明光束是已知的。线长通常在2至3毫米的范围内。这考虑到以下事实：通常使用具有矩形探测元件的检测器阵列。对于点状照射，通常不是使用探测元件的整个可用表面，而是只照射所述元件的一部分。通过形成照明线和对传感装置进行适当的适应，可增加探测元件的被照表面。正因如此，可增强整个传感装置的灵敏度。

由德国专利DE10 2007 050 097 A1中可以了解到这种类型的传感器。这类传感器具有以至少一个方向扩大由光源产生的一束光束的前盘结构。第一透镜将从光源射出的光束聚焦。带有几个光学元件的前盘设置在所述透镜和其远离光源的焦点之间。这样产生较窄且接近平行的照明光束。各种可能的实施力被称之为光学元件，举例来说，圆柱形透镜或球形透镜及其镜头部分，例如带有菲涅耳透镜、或光圈或栅格结构的镜头部分。通过将光学元件安装在前盘上，可减少光源、光学装置和外壳相互之间的校准工作。

德国专利DE10 2007 050 096 A1中也显示了一种非常相似的传感器结构。此外，使用了可使光束均匀分布的装置。

这些设计的缺点在于传感器的光学特征不能独立于传感器上的机械应力。如果相对较大的前盘受机械应力，其会变形而且传感器的光学特征也会改变。前盘发生故障时同样存在问题，当更换前盘后，必须进行新的量度校准，因为新前盘的光学特征与先前使用的前盘的光学特征不完全相同。因而增加了操作成本。

为了测定被测物体的外形，必须得到关于被测物体的多维信息。为此，通常移动三角测量传感器或被测物体，并且接连地扫描被测物体。在此情况下，一般以弯折的图案在被测物体上移动照明光束。这样做的缺点在于扫描过程非常耗时，而且因为这样，在许多应用范围中並不适用，例如在测量车辆轮胎的外形过程中。

其它的解决方法使用一种直线型照射被测物体的照明光束。为了避免使用庞大而笨重的传感光学装置，通常使用分叉的照明光束。然而对于高度结构化的被测物体，这将导致在被测物体上产生个别的阴影区，这就意味着可能对这些被测物体的测量并不可靠。其它的系统，如德国专利DE10 2007 050 097 A1中描述的传感器，事实上可以通过拉长照明线使该传感器适应被测物体的二维测量，但因为这样就要使用非常大型的光学装置。此外，需要付出巨大的努力才能实现沿照明线大致均衡的照明亮度，例如通过使用使光束均匀的装置。

发明内容

因此，本发明的目的在于指出一种可按多种方式使用的紧凑型传感装置，通过它可以对被测物体进行可靠的二维测量。也指出了一种相关的方法。

根据本发明，通过权利要求1的特征可实现以上的目的。据此，所讨论的装置特征在于，在照明光束的光束路径中设置第一光学装置和第二光学装置，藉此，照明光束可借助于第一光学装置在配置成与传播方向平行的扇形平面中扇状扩展，並且之后可通过第二光学装置使照明光束大致平行。

关于所述的方法，通过权利要求11的特征可实现以上的目的。据此，所讨论的方法特征在于，以线性的方式在照明光束的光束路径中使用第一光学装置和第二光学装置照射被测物体，藉此，照明光束可借助于第一光学装置在配置成与传播方向平行的扇形平面中扇状扩展，並且藉此在照明光束呈扇状扩散后，可通过第二光学装置而使所述照明光束大致平行。

以一种创新的方式，首先能够理解的是，可以使用相对简单的测量来解决先前所述的对立问题。为此目的，由光源产生的光束首先借助于第一光学装置在扇形平面中作扇状扩散，藉此所述扇形平面配置成与照明光束的传播方向平行。在这种情况下，在光学装置区域中的传播方向则意味着在此区域中发生扇状扩散。本发明值得注意的是，扇状扩展本质上受限于一个空间方向，也就是说光束不能有效地在几个空间方向中扩展。因此，扇状扩展基本上限制在与扇形平面平行的方向，而与扇形平面垂直的方向实际上不会发生扇状扩展。此后，扇状扩展的光束以窄带状到达第二光学装置上，借助于第二光学装置使光束大致平行。由于在扇形平面中预先发生扇状扩展，第二光学装置因此可设计成非常窄。以这样的方式产生的几乎平行的光束离开传感装置，并且作为照明光束被转向被测物体。由于第一和第二光学装置的结合，可以获得在几厘米范围内的照明线长度。这就意味着本发明的装置特别适合于至测量现场短距离的配置。

通过使用大致平行的照明光束，可减少在被测物体的表面结构上的阴影效应，从而可以实现较大程度的均衡照明，也就不再需要照明光束的匀化操作。因为通过在整个线长上在被测物体表面上几乎恒定的入射光角度所导致平行的光束导向，也可以实现均匀的被散射分布。因为使用较窄的第二光学装置，可实现可观的小型化和减轻重量。还有，通过使用本发明的测量方案可实现一种机械稳定的装置。

第二光学装置可由各种衍射的、折射的或全息的元件构成。为此，从本领域中可以得知各种透镜或透镜系统、光圈或栅格结构。然而，在特别优选的实施例中，第二光学装置包括菲涅耳透镜或者由菲涅耳透镜构成。这有助于进一步减轻传感装置的重量和使其小型化。

为了更加减轻重量，菲涅耳透镜可由塑胶制成。从实践中可以得知具有足够好的光学特性的各种类型的塑胶。

菲涅耳透镜最好可设计成圆柱形菲涅耳透镜。

较佳地，菲涅耳透镜的镜头分级(grading)可设计成基本上与照明光束的扇形平面垂直。因为这样，就有可能达到一种状态，即照明光束仅在平行于扇形平面的方向中才受菲涅耳透镜影响。然而，所述分级可以是轻微弯曲的，以致于菲涅耳透镜在垂直于扇形平面的方向中也有轻微的影响。因为这样，传感装置的射线特性受到影响，而不会同时导致大量增加的用于各个组件的校准工作。

然而，为了简化传感装置的适应性，照明光束最好在与扇形平面垂直的方向中基本上无变化地穿过第二光学装置。这会导致以下优点，通过使用第一光学装置和第二光学装置，可在与扇形平面平行和垂直的方向相互独立地调节照明光束。通过使用第一光学装置，可以在与扇形平面垂直的方向中调节照明光束的形状，而在与扇形平面平行的方向中的射线特性则由第二光学装置调节。

此外，第一光学装置可以不仅由一个单独的组件构成，还可以由两个或多个组件构成。因为如此，可通过第一光学装置的第一组件在与扇形平面垂直的方向中调节射线特性(例如，在与扇形平面垂直的方向中以轻微会聚光束的形式)。第一光学装置的第二组件可确保与扇形平面平行的扇状扩展。

第一光学装置具有用于束起(bundle)离开光源的光束的准直仪。该准直仪可确保光束在与扇形平面垂直的方向中成形。

第一光学装置还可具有直线生成光学装置，借助于所述直线生成光学装置可实现照明光束的扇形扩展。较佳地，直线生成光学装置设置在菲涅耳透镜的焦点区中，也就是光源一侧的焦点上。

因为使用准直仪和直线生成光学装置，第一光学装置的第一和第二组件可以如先前所述地实施。

照明光束射向被测物体，在那里至少部分地被反射並由检测器检测。检测器具有检测光学装置，除了标准成像元件之外，其还可由圆柱形透镜或几个圆柱形透镜的组合构成。衍射元件和全息元件也是可行的。重要的是所述光学装置可以制成图像，其中在检测器阵列上显示的图像点的位置不依赖于从传感装置到被测物体的距离。除标准成像元件外，检测光学装置可包括几个圆柱形透镜的组合，和/或以衍射元件和全息元件为特征。

在其它有利的方式中，在传感器配置中提供了大致平行接收的光束路径，结果是较少的阴影以及更一致的反射几何图形。

较佳地，可完全相互独立地设计输出窗口和光学装置。为此，光学装置设置为离开输出窗口一段距离。所述光学装置被有效地保护，以防损坏和被输出窗口弄脏。此外，由于使用大致平行的照明光束，则可做到输出窗口的大致垂直的穿透，藉此在输出窗口上不会发生其它的折射效应。为此，输出窗口的变形对图像特征的影响被大大降低了。

整体的传感装置最好配置在外壳中，藉此照明光束可穿过输出窗口离开外壳。由被测物体反射的部分照明光束可通过入射窗口进入外壳。在此过程中，输出窗口和入射窗口可设计成分开的视窗。在较佳的实施例中，输出窗口和入射窗口由一个共同的窗口形成。

由于传感光学装置分配成各种组件，极有可能可任意调节传感装置的射线特性。为了使装置适应，可执行第一光学装置和第二光学装置之间的距离适应。由于所述距离适应，在与扇形平面平行的方向中的射线特性发生改变。如果第一光学装置使用两个组件，通过改变这些组件的距离，也可以在与扇形平面垂直的方向中得到射线特性的改变。以这样的方式，传感装置的所有射线特性可被灵活地限定。然而，通过选择基本上只在一个方向中产生影响的各个组件，可使这些组件的校准相对简单。

现在，对于以有利的方式来设计和进一步的发展本发明的教导存在多种可能性。为此，一方面参考权利要求1的从属权利要求，另一方面，结合附图参考以下对本发明优选的具体实施方式的说明。利用附图结合本发明优选的具体实施方式的说明，将对本发明较佳的设计以及进一步的发展做广泛地解释。

附图简要说明

图1所示为本发明传感装置的侧视图；

图2所示为根据图1的传感装置的俯视图；以及

图3所示为传感装置的俯视图，图中的传感装置与本发明的传感装置不同，其使用分叉的照明光束。

具体实施方式

图1所示为本发明传感装置的侧视图。图2所示为传感装置的俯视图。图2示出沿第一光学装置和菲涅耳透镜的光学轴线的剖视图。在图1中，所述光学轴线以虚线画出，其参考编号为12。

图1和图2所示的装置1具有可产生光束的光源2。在该实施例中，光源2由半导体激光器形成。光束通过准直仪3聚焦，然后由直线生成光学装置4使光束扇状扩展。扇状扩展与扇形平面平行地产生，所述扇形平面与第一光学装置13(由准直仪3和直线生成光学装置4构成)和第二光学装置(菲涅耳透镜5)的轴线12平行。在图1中，所述扇形平面与图面垂直；在图2中，则与图面重合。扇状扩展的光束由菲涅耳透镜5以使大致平行的光束离开菲涅耳透镜5的方式折射。在此描述的各组件均设置在外壳6中。

以这种方式准备的照明光束通过在该设计中作为输出和入射窗口功能的窗口7离开传感装置的外壳6。照明光束射到被测物体9的表面8并以线性的方式照射被测物体9。在被测物体9的表面8上反射的照明光束的一部分通过窗口7到达传感装置1的外壳6内。在这种情况下，窗口7可被设计为使用涂层或适当的材料选择，以致于只有在照明光束的光谱范围内的波长才可通过该窗口。这样可减少对外界光线的敏感度。

在被测物体9的表面8上反射的照明光束的所述部分穿过窗口7进入外壳6内，该部分照明光束由检测光学装置10预备并由检测器11进行检测。在这种情况下，可使用检测器阵列。依据检测器阵列的显示图像点的位置，可推断出至被测物体9的距离。由于被测物体9的线性照射，以及被测物体9的结构表面8，在检测器阵列上形成用于代表表面8的设计的一个曲线。因为如此，除了被测物体9至传感装置1的距离之外，还可测定被测物体的外形。如果只想测定外形，即沿照明线的距离变化，也有可能省却对距离的测定。如果被测物体相对照明光束移动，可测定被测物体的三维结构。以这样的方式，例如，可测量车辆轮胎的外形，并可识别整个轮胎或部分轮胎的有可能损伤或严重磨损。由于本发明传感装置的设计，可通过单一的照明线照射车辆轮胎的整个宽度，无需同时使用体积非常大的传感装置。

图3所示的传感装置和本发明的传感装置相比具有分叉的照明光束。可以认识到阴影效应的影响。类似于依据图1或图2的配置，结构化的被测物体由照明光束照射。然而，与本发明的传感装置不同，照明光束不是以基本上平行的光束离开传感装置，而是具有分叉的光束路径。参照图3下方编号为14的放大图，可以看到在结构化表面的边缘有一片较大的阴影，即所述表面的不能被照到的各个区域。特别在为使传感装置小型化时而考虑到的较大的扇形扩展角度时，会发生这种现象。与此相比，通过几乎平行的照明(图2所示)可明显地减少阴影。

在本发明的传感装置中，在发散的光束路径中的菲涅耳透镜特别提供以下的优点：

1.由于照明光束路径几乎平行而减少结构化表面上的阴影效应。

2.因为在照明光束的整个线长上几乎不变的入射光角度，而具有均匀的背散射分布。

3.借助于最有利地用塑料设计的平坦的菲涅耳透镜，而使具有较短的操作距离的外壳6小型化并减轻重量。

此外，可使用本发明的传感装置而无需均匀化照明光束，即在照明光束中的各个光束不会被混合。甚至在菲涅耳透镜之前，通过第一光学装置使来自光源的光从集中的一束形成为直线形的一束。所述菲涅耳透镜是独立的光学组件，并且位于离开其它组件一段距离的位置上。因为菲涅耳透镜定位在外壳内部的窗口后面，所以不需要对菲涅耳透镜采取特殊的保护措施，也不需要特殊的测量装置和特别的设计的光源。由于使用准直仪和直线生成光学装置，由光源产生的光束可以非常任意地形成。各个光学组件中的每一个可被优化并进行调节。由于通过直线生成光学装置4生成照明光束的扇状扩展，菲涅耳透镜可设计成相当窄小，以致于可实现减轻的重量。此外，还可实现所述传感装置的一种非常紧凑的结构形式。

对于本发明装置的其它设计优点，为避免重复，请参阅本说明书以及所附的权利要求书中的相关部分。

最后，必须明确地声明，在此描述的本发明装置的实施例仅仅用作示范性的解释，而并不受所述实施例的限制。

附图参考编号：

1.传感装置

2.光源

3.准直仪

4.直线生成光学装置

5.菲涅耳透镜

6.(传感装置的)外壳

7.输出/入射窗口

8.被测物体表面

9.被测物体

10.检测光学装置

11.检测器

12.光学轴线

13.第一光学装置

14.阴影

Claims (13)

1.非接触式测量被测物体(9)的距离和/或外形的装置，其中光源(2)产生用于照射被测物体(9)的照明光束，并且其中提供检测器(11)以检测在被测物体上反射的部分照明光束，其特征在于，在所述照明光束的光束路径中配置第一光学装置(13)和第二光学装置，藉此所述照明光束首先可借助于所述第一光学装置(13)在配置成与传播方向平行的扇形平面中扇状扩展，并且之后可通过所述第二光学装置使所述照明光束大致平行。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二光学装置包括菲涅耳透镜(5)。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜(5)由塑胶制成。

4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜(5)设计成圆柱形菲涅耳透镜。

5.如权利要求2至4之中任何一项所述的装置，其特征在于，所述菲涅耳透镜(5)的分级(grading)设计成基本上与所述照明光束的扇形平面垂直。

6.如权利要求1至5之中任何一项所述的装置，其特征在于，所述照明光束在与扇形平面垂直的方向中基本上无变化地穿过所述第二光学装置。

7.如权利要求1至6之中任何一项所述的装置，其特征在于，所述第一光学装置(13)具有准直仪(3)。

8.如权利要求1至7之中任何一项所述的装置，其特征在于，所述第一光学装置(13)具有直线生成光学装置(4)，藉此所述直线生成光学装置(4)最好设置在菲涅耳透镜(5)的焦点区中，以产生平行的线束。

9.如权利要求1至8之中任何一项所述的装置，其特征在于，所述检测器(11)具有检测光学装置(10)，而且所述检测光学装置(10)最好具有圆柱形透镜，并且除了标准成像元件之外，所述检测光学装置还可包含圆柱形透镜和/或几个圆柱形透镜的组合和/或具有衍射元件或全息元件的特征。

10.如权利要求1至9之中其中一项所述的装置，其特征在于，在所述传感器配置中设置大致平行的接收光束路径。

11.如权利要求1至10之中任何一项所述的装置，其特征在于，所述装置安装在外壳(6)中，以允许照明光束穿过输出窗口离开外壳(6)，而所述在被测物体上反射的照明光束的所述部分则通过入射窗口进入外壳，并且所述输出窗口和所述入射窗口设计成与所述第一光学装置(13)和所述菲涅耳透镜(5)分开。

12.非接触式测量被测物体(9)的距离和/或外形的方法，特别用于操作如权利要求1至11之中任何一项所述的装置，其中被测物体(9)由照明光束照射，并且其中对在被测物体(9)上反射的照明光束的一部分进行检测，以确定所述距离和/或外形，其特征在于，所述方法以线性的方式在所述照明光束的光束路径中使用所述第一光学装置(13)和所述第二光学装置照射所述被测物体(9)，藉此所述照明光束借助于所述第一光学装置(13)在配置成与传播方向平行的扇形平面中被扇状扩展，并且藉此在扇状扩展后，由第二光学装置使所述照明光束大致平行。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，为了调节所述装置(1)，对所述第一光学装置(13)和最好由菲涅耳透镜(5)构成的所述第二光学装置之间的距离进行调节。

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