CN102498363A - 测量物体尺寸的设备 - Google Patents

Abstract

在一种用于测量物体的尺寸的器具中，光电传感器系统包括向物体发射光的照射设备和接收从物体反射的光的接收设备。特别是，根据本发明的器具包括用于光学地将光电传感器系统的视域分裂成多个扇区的装置，其中当从单独的视点检查时每个扇区覆盖住物体的一部分或者全部视图。如此选择所述光学分裂装置的布置，即，基于相应的视域和每个扇区的真实的或者虚拟的视点的位置，使从所述视点中的至少一个可见的物体表面上的区域最大。该器具仅具有一个光电传感器，但是可用于物体的多透视成像。

Description

测量物体尺寸的设备

技术领域

本发明涉及一种测量至物体的至少一部分的距离以确定物体的至少一个尺寸的器具。

该类器具的主要目的是产生物体的三维图像以便计算出物体的尺寸。该类器具的附加的或者备选的用途包括探测并译解物体表面上的条形码、地址标签和/或类似标记，并且对物体执行检查以便探测、识别、分类和/或测量物体的特殊特征和/或表面特征。

背景技术

在现有技术的参考文件EP0705445A2中，公开了一种测量物体的尺寸的器具。所述器具包括用于朝物体导向光束的装置、记录从物体处反射的光束的装置和使光束扫过物体的装置，其中光束的扫过限定了垂直于固定的基准平面的一平面。多边形的反射单元接收激光并按扇形将其朝一静止的倾斜镜单元反射，该倾斜镜单元朝双曲面固定镜单元引导激光，该双曲面固定镜单元将光束反射到物体上。多边形单元的单个镜是可调整的。设备还包括用于使器具和待测量的物体之间相对运动的装置和用于计算光束从到达物体和从物体处返回所花的时间的装置。

在所述应用中出现的主要问题是所谓的屏蔽效应，其中物体表面上的某些部件阻挡了传感器视域内对物体上的其他部分的观察，例如，如果检测中的物体具有不规则的形状和/或不平坦的表面。

WO94/15173A1公开了一种基于扫描传感器的原理来扫描三维表面的检测设备，其投射两个激光带并且使用观察装置从两个观察点来观察所述两个光带。在扫描传感器和待扫描的物体之间存在相对运动。扫描传感器按构造光三角测量的原理来工作。通过使用该方法，物体的三维信息或者距离信息的获取是基于从至少两个不同角度来观察的。构造光的光源通常是两个相互成角度朝向的激光器，但是还可以是一个激光器和镜与光束分裂器的光学布置。可以借助于两个CCD矩阵式阵列或者通过一个CCD矩阵式阵列和四个镜来实现两个观察点的方案。

WO94/15173A1中描述的器具具有很复杂的缺点，特别是，如果仅利用作为发射设备的一个激光器和作为接收设备的一个CCD矩阵式阵列来实施，因为按照构造的光三角测量原理工作的设备的核心光学设备的该类减少一方面需要具有光束分裂器的激光成像系统，另一方面需要四个镜的布置。

发明内容

本发明解决的问题是借助于一个具有相当低复杂性的光电传感器来获得物体的多个视图，并且因此比现有技术中已知设备的成本更低。

通过一种用于测量物体的尺寸的、包括光电传感器系统的设备来解决该问题。光电传感器系统具有激光发射器和扫描器设备，所述扫描器设备可操作来以激光光束扫过物体和/或扫过扫描扇区中的支承面。光电传感器系统还包括用于接收已经从物体反射的光的接收设备，其中所述激光发射器和接收设备并排地或者同轴地设置，使激光扫描扇区叠盖视域。光电传感器系统还包括用于将激光扫描扇区和接收设备的视域光学地分裂成多个扇区的共用装置，其中在从单独的真实的或者虚拟的观察点处检查时每个扇区覆盖物体的部分视图或者全部视图，其中光学分裂装置的布置被选择成，根据相应的视域和各扇区的实际或者虚拟的观察点的位置，使从至少一个所述观察点处可见的物体表面上的区域最大。

器具仅具有一个光电传感器，但是可以用于物体的多透视成像。在上下文中，术语“并排地”被理解为激光发射器和接收设备通过其边缘相互接触和/或具有不大于100毫米的最大中心至中心距离。

本发明构思利用了所谓的激光测距仪技术，特别是飞行时间(TOF)技术的方法，其中激光发射器是可调制的并且将调制光束发送至物体。当被物体反射时，将返回光的相位与激光调制比较，由此计算出形成相位移的距离。结果，通过一个单次测量，每个测量点提供了关于相应点的距离的完整信息。通过将激光束扫过物体，获得了扫描线下的物体的距离信息。通过相对于扫描激光束移动物体，可以通过点方式或者像素方式的测量方法收集到整个物体的距离信息。

利用根据本发明的器具从各真实的或者虚拟的观察点或观点看，仅通过使用一个激光扫描设备和一个接收设备以及最少的光学分裂装置来提供完整图像。

这结果形成用于扫描和/或成像物体(特别是当设置在支承面上时)的成本有效且简单的系统，该物体例如可以是传送带或者天平的称量台。另外，可以使光电传感器系统的尺寸保持比较小。

本发明可以用于其中在传送带上传送物体的任何应用中，例如生产线上的产品的检查，或者仓库或者货物分类站中包裹的检查、追踪和测量。特别是，在后一种情况中，需要物体的多个视图或者图像，因为待检查的物体的尺寸、形状和表面性质的变化很大。从多个视图，可以为不同的物体形成无遮蔽的图像。

当根据本发明利用TOF技术从不同的视点来测量物体时的第二效应与非常光泽表面的测量有关，该光泽表面例如可能是以箔片缠绕的物体。通常，光泽表面提供了难以预测的图像。这意味着除了像素提供物体的正常距离信息之外，某些像素可能由于使相应的探测装置饱和的导向反射而反射过多的光，而其他的像素可能由于光被反射离开表面而显示出很高的噪音水平。物体的视图的不同视点提供了不同的光入射角和局部反射特性，并且因此当从不同视点观察时物体上的相同点或像素提供了不同的信息质量。然后，可以通过操作光电传感器系统的相应软件来计算出清晰的图像。

光电传感器系统被设置在离物体一定距离处。优选是，其可以设置在待检查的物体的上方。可替换地，如果需要从下面检查物体，则可以将光电传感器系统设置在待检查的物体的下面。在当物体被定位在支承面或者传送带上的情况下，可以通过其中的缝隙从下面检查。甚至可以考虑将光电传感器系统设置在物体的一个侧面上。

在一优选实施例中，用于光学地分裂视域的装置包括至少两个光学镜，其镜面按预定角度彼此相应地面对以便限定不同的预定扇区。镜面的设计可能是平面的。可替换地，至少一个镜面可能具有凸出地或凹入地形成的弯曲形状。至少两个光学镜的系统能够使光束的光路重新导向或者换句话说使光束折叠。

在本发明的一示例性实施例中，光学分裂装置按如此方式设置，即，当照射例如光电传感器系统下面的支承表面上的物体时，使物体的侧面垂直于支承表面或者在某种程度上向外倾斜并因此外伸，通过光电传感器仍然看到支承表面。这例如可能按如此方式设置光学分裂装置来实现，即，来自左手边的虚拟观察点和右手边的虚拟观察点的左手边的外部光束和右手边的外部光束沿其从分裂装置至物体和/或支承表面的路径向内指向物体或光轴线。在上下文中，左手和右手是指光电传感器系统相对于观察者和/或传送带传送待检查的物体的传送方向的左边或右边的区域。

该器具的激光发射器和接收设备当相互同轴地设置时共用公共的光轴线。

该器具的照射设备和接收设备可能集成到包括公共外壳的一个单元内，该方案确保了简单的设计和稳定的布置。

在一具体实施例中，所述光学分裂装置可能包括光学镜布置，该光学镜的镜面彼此按预定角度相应地面对并且其对称地成对设置在光电传感器系统的两侧上，以提供对称地设置的视图扇区。此外，除了其对称的布置，光学镜可能具有相同的尺寸以便降低生产成本并且有利于组装过程，例如机械安装和光学调整的步骤。

光学分裂装置可以包括一个设置在光学分裂装置的下端处的第一公共镜并且因此遮蔽了视域的中心部分。结果，可以产生仅具有两个扇区的布置，一个扇区在第一公共镜的左边并且一个扇区在第一公共镜的右边。优选是，两个扇区在检查时一起覆盖住物体的整个视图。

在另一实施例中，器具的光学分裂装置包括用于所有扇区的第一公共镜和第二公共镜，其中所述第一镜和所述第二镜从水平面向外倾斜并且其中所述第二镜相对于所述第一公共镜水平地偏移以避免遮蔽视域。

在一示例性实施例中，扫描设备在物体和/或支承面上的所述扫描由多边形的镜来实现。在EP0705445A2中公开这样的扫描设备，在此以引用的方式结合该文件作为参考。可替换地，所述扫描设备可能是由倾斜的镜和/或垂直于其反射面前后移动的镜形成的。具体地说，扫描设备设计成在激光发射器和接收设备之间共用。

优选是，如以上提到的EP0705445A2所描述的，该器具包括在物体和传感器系统之间执行相对运动的驱动装置。

在一优选实施例中，器具包括在检查时支承物体的传送带。

在该器具的另一设计中，光学分裂装置被设置成，扇区的相应视域相对彼此被向上游和/或下游移动。这由分裂装置的一个或多个镜以小角度围绕横向于物体和传感器系统之间相对运动方向的轴线的倾斜布置来实现。通过向上游和/或下游移动部分图像，可以沿移动方向更频繁地采样物体，这使得在检查时能够以很高速度更准确地测量物体。该特征可能对高速应用非常有用。

器具还包括电子处理设备，该电子处理设备包括用于分析记录数据以便提取出物体的基本特征的装置和用于使光束扫过物体的装置。

附图说明

可以在附图中图解的实施例的以下描述中得到根据本发明的器具的细节，其中：

图1显示了用于测量具有不规则表面的物体的尺寸的器具的基本原理的剖视图，其中所述物体定位在例如传送带的支承表面上；

图2显示了包括激光扫描照器相机系统的设备的第一实施例的剖视图；

图2a按放大细节显示了图2的光电传感器；

图3显示了其中激光发射器和光学接收设备并排地设置的设备的第二实施例的剖视图；

图3a按放大细节显示了图3的光电传感器；

图4显示了当由两对用于如图2所示的线扫描系统的镜所形成的虚拟的光电传感器；

图5显示了包括不同的镜布置的器具的第三实施例，所述镜的镜面按两个预定角度相互面对；

图6显示了仅具有两个镜的器具的第四实施例；

图6a显示了从围绕竖直轴线转过90°的观察方向观看时图6的光学布置；

图7显示了其中镜相互在尺寸和布置上不同从而为不同扇区提供不同尺寸的视域的设备的第五实施例；以及

图8显示了其中镜之一具有凹形的反射表面的器具的第六实施例。

具体实施方式

图1描绘了用于测量例如传送带的支承表面3上的物体2的尺寸的器具1的剖视图。物体2由具有如角度5所标出的整个视域的光电传感器4在中心扇区中成像。由角度18标出的视域的中心部分由直接落到物体2上的光限定。光电传感器4限定了在本文所示结构中垂直于表面3指向的一光轴线A(虚线)。借助于一对镜6、7，传感器4的视域的左边扇区(如角度10标出的)被折叠(folded)，从而其看来象是来源于支承表面3左边的虚点11。类似地，借助于一对镜8和9，传感器4的视域的最右边的扇区(如角度12所标出的)被折叠，从而看来象是来源于支承表面3的右边的虚点13。如所图解的，物体2左边的区域14和右边的区域15对传感器4不是直接可见的，即，其被遮蔽了，但是因为镜6、7、8、9，通过左边的扇区10看到左边区域14，并且通过右边的扇区12看到右边的区域15。

左边的那对镜6、7以及右边的那对镜8、9被设置成，当照射搁置在光电传感器系统下面的支承表面3上的物体2时，左手边的和右手边的外部光束在其从分裂装置至物体2和/或支承表面3的路径上分别向内朝向物体2或者光轴线A。

图2显示了用于测量物体102的尺寸的器具101的第一实施例，其中增加了设计成如EP0705445A2中所描述的激光线扫描照相机104的光电传感器。通过激光线扫描照相机104来描绘广角的光电传感器，该激光线扫描照相机104包括作为照射设备的激光发射器和作为接收设备的激光接收器。激光线扫描照相机104的外壳容纳有带激光发射器117a和激光接收器117b的发射器/接收器布置117以及转动的六角镜116，所述转动的六角镜116为激光发射器117a以及激光接收器117b在很宽的扫描扇区105上执行扫描。在激光线照相机104的外部增加了具有两对镜106、107和108、109的域分裂光学器件的布置，所述镜分别安装在器具的左边和右边并且执行将扫描扇区105分裂成三个分扇区110、112、118的功能，所述三个分扇区在相应的镜对处被反射后象是来源于三个不同的扫瞄中心。

由于转动的六角镜116为入射的激光束提供了连续变化的反射面，所以入射激光束扫过物体并且在物体上产生了照射线。照射线表示光学平面(即，被激光束扫过的平面)和物体表面之间的交线。在物体表面处反射之后，现在漫射光经由转动的六角镜116又返回到线扫描照相机104，并且在照相机104中进行光电变换之后，信号经过电子处理设备的进一步处理。

利用例如100MHz的高频信号来调制由激光发射器发射的光。被物体反射回的光经由多边形镜116到达例如光电二极管的激光接收器，并且接收到的光信号经历光-电转换。表现出所接收的光强度的特点的信号被放大并进入到相测量设备，该相测量设备测量由激光发射器117a发射的光与返回到激光接收器117b的光之间的相位差。根据所述相位差，确定从激光束离开激光发射器117a至接触物体102的表面并且作为反射的漫射光被激光接收器117b接收时经过的时间T1。继而，利用时间T1来确定出光所行进过的距离，从该距离，计算出作为处理的最终结果的物体表面的形貌。所接收的信号的电子处理在现有技术中是已知的，并且因此在本文中就不描述了。

在图2a)中，作为图2的放大细节显示了激光扫描照相机104，其中多边形的镜116执行如视域角105所表示的扫描。在上下文中，“视域角”被理解为发送给物体2的扫描激光束的角度，或者换句话说，被理解为扫描扇区以及实质上可以被接收设备接收的反射光的角度。

仅象征性地显示了激光发射器117a和激光接收器117b。优选是，其相互同轴地设置从而共用公共的光轴线。

图3图解了具有光电传感器的另一种光学设计的器具201的第二实施例。激光发射器和接收设备基本上并排地设置在相同高度处。两者共用扫描光学器件，该扫描光学器件在本实施例中是由以预定频率围绕垂直于视图平面的轴线倾斜的镜形成的。不言而喻，还可以按如图3和3a所示的并排设置地来使用如图2和2a所示的转动的多角镜形式的分裂装置，反之亦然。扫描设备的替代实施例可以是沿垂直于其镜面的方向前后移动的镜。

图3a)显示了图3的光学装置的放大细节。

图4显示了图2的实施例，其具体地示出了光学布置如何产生两个另外的视域扇区110、112，该视域扇区110、112被镜折叠，从而其看来象是源自两个虚拟的激光扫描照相机104a、104b。虚线图像显示了用于两个另外的扫描扇区110、112中的每个的这些虚拟激光扫描照相机104a、104b的外观上的位置和定向。

图5中示出了光电传感器的第三实施例。此处，使用不同于前述图1到4中所示的那些的镜布置。利用两个连接镜323和324使来自镜306和308之间的中心区域的光在镜布置的下部偏转，去除了中心的视域并且仅视域的右手边的分扇区和左手边的分扇区对测量保持操作性。每个扇区覆盖一视域，该视域叠盖另一个的至少一部分，由此可以扫描物体的整个宽度并且从而可以记录数据。

另外，图5显示了以高速转动的多边形镜316，从而利用100到1000Hz之间的高频率执行线扫描。由于激光束的调制在兆赫范围，所以每个数据点提供了待收集且随后整合的100到1000之间的脉冲。

图6显示了本发明器具的第四实施例，其具有用于全部三个扇区的一个公共的下部镜406和一个公共的上部镜407。这优于前述布置的优点是所有三个扇区更宽，从而通过其中每个能看到图像的更大部分。这样，可以检查具有更复杂表面轮廓的物体并且仍然可以避免局部的遮蔽效应。

在图6的右边，在图6a中以侧视图显示了相同的设置。该侧视图图解了两个镜406、407具有一倾斜度的布置，其将上部镜407放置到垂直于光学平面的一平面(即，垂直于例如支承表面的平面的固定基准平面的一平面)外。在没有该倾斜的情况下，下部镜406将遮挡至物体402的视线。由于倾斜的镜布置和所引起的上部镜407的偏移，不会发生遮挡，所以使得照射光束到达物体和反射光返回激光接收器的路径是无遮挡的。必须指出，对于图1到5所示的实施例，还可以使用如图6a所示的一倾斜的镜布置。

该对镜的对称布置不是必须遵循的，如图7中的一替代的、非对称布置所图解的，该对镜的镜面按预定角度彼此相应地面对。作为镜对506、507和508、509的不对称结构和/或布置的结果，中心视域扇区的各侧面上的横向视域扇区是彼此不同的。另外，由于其不同几何形状的右手边的和左手边的镜对的不对称遮挡，中心扇区可能也是不对称的。

此外，将一个或多个镜配置成平面镜不是绝对必要的。可想象到的布置是，其中一个或多个镜具有弯曲表面，如图8中的凹面镜606所示。同样地，可以使用一个或多个凹面镜。在必须在狭窄空间的限制条件下提供广视野的系统中使用曲面镜也可以是有利的。

已经通过优选实施例的实例来描述和图解了本发明。然而，本公开内容能够使本领域的普通技术人员获得同样落入到本发明范围内的进一步的实施例和/或其组合。

附图标记列表

1，101，201用于测量物体尺寸的器具

2，102，202，402物体

3支承表面

4光电传感器

5，105，205视域角，扫描扇区

6，106，206，306，406，506，606镜

7，10’7，207，407，507镜

8，108，208，308，508镜

9，109，209，509镜

10，110，210，510左边扇区的视域角

11虚点

12，112，212，512右边扇区的视域角

13虚点

14左边区域

15右边区域

104，204激光扫描照相机

116，316六角镜

117激光发射器/接收器布置(共轴的)

117a激光发射器

117b激光接收器

18，118，218中心扇区的视域角

216扫描镜

220激光发射器/接收器布置(并排的)

220a激光发射器

220b激光接收器

323连接镜

324连接镜

A光轴线

Claims (15)

1.一种用于测量物体的尺寸的、具有光电传感器系统的器具，包括：

·激光发射器和扫描设备，所述扫描设备可操作来使激光光束扫过在扫描扇区中的所述物体和/或支承面，

·用于接收已经从所述物体上反射的光的接收设备，其中所述激光发射器和所述接收设备并排地或者同轴地设置，激光扫描扇区叠盖所述视域，以及

·用于将激光扫描扇区和光电传感器系统的接收设备的视域光学地分裂成多个扇区的共用装置，其中在从单独的真实的或者虚拟的观察点检查时所述扇区中的每个覆盖所述物体的部分或者全部视图，其中所述光学分裂装置的布置被选择成，根据相应的视域和各扇区的实际或者虚拟的观察点的位置，使从至少一个所述观察点处可见的物体表面上的区域最大。

2.根据权利要求1所述的器具，其特征在于，用于光学地分裂所述激光扫描扇区和所述视域的所述装置包括至少两个光学镜，其镜面以预定角度彼此相应地面对。

3.根据权利要求2所述的器具，其特征在于，所述镜面是平面和/或所述镜面中的至少一个具有弯曲形状。

4.根据权利要求1、2或3所述的器具，其特征在于，所述器具包括支承表面，其中所述光电传感器系统的所述光学分裂装置被设置成，当照射搁置在所述光电传感器系统下面的所述支承表面上的物体时，所述左手边和右手边的外部光束分别在其从所述分裂装置至所述物体和或所述支承表面的路径上向内指向所述物体或者光轴线。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的器具，其特征在于，当照射设备和接收设备相互同轴地设置时，其共用公共的光轴线。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的器具，其特征在于，照射设备和接收设备被集成到具有公共外壳的一个单元内。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的器具，其特征在于，所述光学分裂装置包括光学镜，所述光学镜对称地成对设置在所述光电传感器系统的两侧上。

8.根据权利要求1到6中任一项所述的器具，其特征在于，所述光学分裂装置包括至少一个第一公共镜，该至少一个第一公共镜设置在所述光学分裂装置的下端处并且从而遮挡住所述视域的中心部分。

9.根据权利要求1到6中任一项所述的器具，其特征在于，所述光学分裂装置包括用于所有扇区的第一公共镜和第二公共镜，其中所述第一镜和所述第二镜是倾斜的，并且所述第二镜相对于所述第一公共镜水平地偏移以便避免遮挡所述视域。

10.根据权利要求1到9中任一项所述的器具，其特征在于，所述扫描设备包括多边形镜，该多边形镜在所述照射设备和所述接收设备之间共用。

11.根据权利要求1到9中任一项所述的器具，其特征在于，所述扫描设备包括倾斜的和/或前后移动的扫描镜，该扫描镜在所述照射设备和所述接收设备之间共用。

12.根据前述权利要求中任一项所述的器具，其特征在于，所述器具包括驱动装置，该驱动装置用于在所述物体和所述传感器系统之间执行相对运动。

13.根据前述权利要求中任一项所述的器具，其特征在于，所述器具包括在检查时支承所述物体的传送带。

14.根据权利要求13所述的器具，其特征在于，用于光学地分裂所述激光扫描扇区和接收设备的视域的装置围绕横向于所述传送带的轴线相对彼此稍微倾斜，从而所述扇区的相应视域相对彼此被沿所述传送带的行进方向向上游和/或向下游移动，因此具有增加沿所述传送带的行进方向上的线扫描频率的目的。

15.根据前述权利要求中任一项所述的器具，还包括电子处理设备，其特征在于，所述处理设备包括用于计算所述光束到达所述物体并从所述物体返回所花时间的装置和用于使所述光束扫过所述物体的装置。

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