CN106461378B - 具有用于非接触式测量的扫描系统的车辆装备 - Google Patents

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Abstract

车辆装备包括用于非接触式测量的扫描系统(1)，该扫描系统具有至少一个投影仪(2)，布置为至少用于将具有图案(5)的结构光投射在待测量的对象(4)上，至少一个摄像机(3)，布置为用于获取待测量的对象(4)的图像，以及处理单元，用于处理获取的图像以三维重建待测量的对象(4)，投影仪(2)相应地包括集成到单块基板(7)中的发射器(6)的至少一个阵列。

Description

具有用于非接触式测量的扫描系统的车辆装备
技术领域
本发明涉及具有用于非接触式测量的扫描系统的车辆装备。
背景技术
车辆装备是指适配为对车辆或者陆地车辆的部件进行测量或者执行维修操作(例如，车轮定位、车辆检查、轮胎撤换、车轮平衡)的设备或者发动机诊断设备、升降机或者这些的组合。
非接触式3D结构光扫描系统在车辆装备领域中是众所周知的。
例如在US2013271574中已知的这种扫描系统包括：投影仪，设置为将具有图案(例如亮点)的结构光投射到测量对象上；一个或多个摄像机，设置为布置投射在测量对象上的图案；处理单元，用于处理通过摄像机获取的图像以进行测量对象3D重建。
这种扫描系统用于车辆的部件(例如车轮，或者车体的部件)、或者其他车辆装备的移动部件(例如轮胎撤换臂或者升降机)、或者操作员的身体的部分的3D重建，以识别它们的控制。
通过将照相机获取的的测量对象(结构光投射其上)的图像彼此进行比较、并且可能还将先前加载到处理单元的存储器中的图案的几何结构与所述图像进行比较，处理单元执行3D扫描。在仅具有一个照相机的设备中，图案的几何结构的所述比较是必要的；在具有超过一个照相机的设备中，该比较是可选的。
投影仪优选使用激光源，因为相对于诸如LED或者白炽灯的其他来源，激光源是相干的并因此允许采用衍射光学元件(DOE)以便宜且有效地生成图案，激光源具有窄的发射带并因此允许摄像机使用窄带滤波器改善环境照明抑制，激光源具有小的发射区域并因此允许光功率集中到小点因此允许增加图案的分辩率和3D重建。
激光源通常由横向发射二极管构成，然而，客观地，横向发射二极管具有一系列缺点。
首先，横向发射二极管的成本与环境干扰抑制比高。事实上，如果光功率增加并且均匀分布，那么环境干扰的抑制增加，但是成本随着光功率增加并且随着用于增加光功率的相同的成本的增加，波束的质量降低由此光功率分布的均匀性降低。为此，在车辆装备领域，当前使用具有有限光功率的横向发射二极管。
第二，横向发射二极管具有低的最高操作温度以及波长对温度的高灵敏度，使得必须使二极管连接至复杂且成本高的热电致冷器(TEC)。
第三，如果横向发射二极管与DOE结合使用，需要复杂且成本高的投影系统来减少非衍射激光束(零阶)，可能逆激活(retro-activated)，以验证正确操作，从而满足安全要求(参见例如EP2475956)。
第四，横向发射二极管降低了严重故障的可靠性(尤其在灰尘的情况下)。
因此，本发明的技术任务提供了排除现有技术的上述技术缺点的具有用于非接触式测量的扫描系统的车辆装备。
发明内容
在该技术任务的范围内，本发明的目的是提供用于非接触式测量的扫描系统的车辆装备，该扫描系统具有利用较小成本提高了测量对象的3D重建的精确度。
通过以下技术方案实现了根据本发明的技术任务以及这些及其他目的：提供包括用于非接触式测量的扫描系统的车辆装备，该测量系统包括至少一个投影仪，布置为至少用于将具有图案的结构光投射在在待测量的对象上；至少一个摄像机，布置为用于获取待测量的对象的图像；处理单元，用于为了待测量对象的三维重建处理获取的图像，其特征在于，所述投影仪包括集成到单块基板中的发射器的至少一个阵列。
在本发明的优选实施方式中，发射器是配置为在与发射器所在的平面正交的方向上发射辐射的激光器(VCSEL)。
在本发明的优选实施方式中，所述发射器的阵列包括激光二极管的阵列，所述激光二极管的阵列用于发射平行于激光二极管所在的平面的辐射，与激光二极管对齐且协作的反射镜在与激光二极管所在平面正交的方向上重定向所发射的辐射。
在本发明的优选实施方式中，发射器的总光功率不少于1瓦。
在本发明的优选实施方式中，在投射角处于投射的零位偏角范围内的情况下，根据投射角的图案的强度(W/srad)增加。
在本发明的优选实施方式中，投影仪的最大投射角不小于80°。
在本发明的优选实施方式中，提供了至少两个摄像机。
在本发明的优选实施方式中，投影仪包括被配置为防止人眼进入的保护装置。
在本发明的优选实施方式中，提供的均匀光产生装置包括与结构光投影仪独立的、用于投射均匀光的投影仪和/或布置为将结构光转换为均匀光、在编程模式下可激活的扩散器。
在本发明的优选实施方式中，提供了倍增装置，该倍增装置用于倍增集成到单块基板中的发射器的阵列的图像或者图像的部分。
在本发明的优选实施方式中，倍增装置包括衍射光学元件(DOE)和/或微透镜的阵列和/或反射表面。
在本发明的优选实施方式中，提供了移动装置用于移动所述投影仪。
在本发明的优选实施方式中，提供了用于耗散由所述发射器的阵列产生的热功率的耗散装置。
在本发明的优选实施方式中，车辆装备用于测量车轮定位装置中的车轮的特征尺寸和角度、车辆的转向和底盘。
附图说明
本发明的进一步特征和优点将更全面地从根据本发明的具有用于非接触式测量的扫描系统的车辆装备的优选的而不是排他的实施方式的描述显露出来，通过附图中的非限制性实例的方式图示本发明，其中：
图1示出根据本发明的具有两个摄像机的扫描系统；
图2a示出倍增装置的第一实施方式；
图2b示出倍增装置的第二实施方式；
图2c示出倍增装置的第三实施方式；
图3a示出均匀光产生装置的第一实施方式；
图3b示出均匀光产生装置的第二实施方式；
图4示出发射器的阵列的正视图；
图5a示出用于人眼的保护装置的第一实施方式；
图5b示出用于人眼的保护装置的第二实施方式；以及
图6示出发射器的阵列的图像的周期复制品中的四个，其中，发射器的阵列的周期复制品中的四个与图像的其他复制品结合形成亮点的图案，该亮点是图像倍增装置(包括例如DOE)生成的。
具体实施方式
参考提到的附图，车辆装备包括非接触式测量的3D扫描系统1，该非接触式测量的3D扫描系统1装备有投影仪2、两个摄像机3和处理单元(未示出)。
投影仪2布置为在待测量对象4(在图示的示例中，包括例如车轮)上投射具有图案的结构光。
图案5可以由例如周期或者非周期分布的圆点、线条或者2D图形组成。图6中示出的示例包括亮点5a的分配区，5°投射区的子集内优选地包括至少16个任意的圆点，如复制区5'、5”、5”示例所描述地周期地复制以平铺整个投射区。
摄像机3设置为用于获取待测量对象4的图像。
用于处理获取的图像的处理单元设置为用于待测量对象4的3D重建。
有利地，为了改善待测量对象4的3D重建的精确度，扫描系统1正对着两个摄像机3，因此图案的几何结构不需要预先知道，并且随着时间的过去例如由于热、机械或者光学原因，避免了因推导该几何结构而导致的测量不准确。
投影仪2包括微型激光器发射器6的阵列，其中，微型激光器发射器6的阵列是对单块基板7(尤其GaAs)进行半导体处理生成的，单独的微型激光器之间的距离通常大约数十μm并且波长优选地包括在800nm与860nm之间，以生产用于可见光谱的便宜的传感器。这种类型结构在行业中通过缩略词VCSEL(垂直腔面发射激光器)而众所周知。
发射器6的阵列优选地包括在至少1mm2面积中的至少500个发射器，和至少1W的总光功率，但是总光功率可以超过10W。
如此构造的发射器6的阵列不易受严重故障的影响并且实际上对灰尘不敏感。
此外，激光发射器6相对于横向发射二极管其成本与光功率比较低，并且可以在高操作温度下操作，通常高达80℃保持波长对温度的低灵敏度(通常0.07nm/℃)，使TEC不必要。
有利地，为了使3D重建场最大化，投影仪2具有至少80°的最大投射角。
投射角是指光线相对于与发射器6所在平面正交方向形成的θ角的值的双倍。有利地，为了获得图案在投射轴线的垂直面上的均匀的辐射度，投影仪2的光学器件利用被称为“蝙蝠翼”(l/cosΛ2(θ))(即，围绕投射的零位偏角增加)的图案调制图案的辐射强度(W/srad)。
有利地，为了减少在静态图案的情况下出现的系统测量错误，扫描系统1重复测量(每次改变投射的图案5)并且最终解调结果。
使用投影仪的机械运动系统可以使图案5在摄像机3的两个显示器之间的间隔进行变化。
相对于可以以经济上可接受的方式设置在单块基板上用于应用的发射器的数量，图案的圆点数量(用于细致重建对象而在对象上的充足的圆点密度所需的)可能很高(越过10,000)。
因此，有利地，为了生成具有高数量圆点的图案而不影响投影仪的成本，扫描系统1正对着倍增装置用于倍增发射器6的阵列的图像或者图像的部分，所述装置例如包括DOE和/或显微透镜的阵列和/或反射表面。
参考图2a，倍增装置包括，举例来说，插入在基板7与DOE 9之间的透镜8：透镜8在投影面上产生发射器6的图像并且DOE 9通过利用这样一个图像的复制品平铺投影面倍增图像。
参考图2b，倍增装置包括，举例来说，插入在基板7与透镜11之间的微透镜10的阵列：每个微透镜10产生面对该微透镜的有源发射器6的图像并且透镜11在投影面上产生这种图像的图像。
参考图2c，倍增装置包括，举例来说，镜子12，尤其棱镜或者具有镜面壁的中空管，和透镜13：通过有源发射器6发出的辐射通过镜子12反射产生万花筒效果并且透镜13使所产生的图像集中在投影面上。
有利地，为了允许处理单元识别对象的高对比度边缘(例如车轮的轮缘和轮胎之间的边缘)，用于处理以支持3D重建，例如，用于识别测量目标，扫描系统1具有均匀光产生装置。
均匀光产生装置，如在图3a中所示，可以包括独立于结构光投影仪2用于投射均匀光的投影仪14。
如在图3b中所示，可替换地，均匀光产生装置可包括光学元件15，该光学元件15的特征在于其可编程为从透射模式切换至漫射模式(可切换的扩散器)，以允许当切换至透射模式时的结构光的投射或者当切换至漫射模式时的均匀光的投射。
如在图3b中所示，可替换地，均匀光产生装置可包括编程模式的可变焦透镜，以允许当图案集中在投影面上时结构光的投射或者当图案离焦时均匀光的投射。
可替换地，均匀光产生装置可以包括用于在摄像机的获取时间期间移动投影仪的装置。
因为提到的发射器6的阵列的总光功率可以达到高值，甚至超过10W，有利地，设置保护装置17a、17b，该保护装置17a、17b被配置为例如，通过图5a的漏斗状凹槽17a或者图5b的窗口17b防止人眼进入投影仪2附近可能处于暴露于辐射的危险的区域，以分类为低辐射暴露风险类别。
然而，必须注意到，虽然发射器6的阵列的总光功率可以假定高值，但是单独的发射器6功率低并且因此，当它们与DOE结合使用时，不需要用于降低非衍射光波束(零阶)的功率的系统。
考虑到指示的参考值(其在车辆装备的专门应用领域是理想的)高于发射器6的阵列产生的总光功率，还可以设置用于耗散发射器6的阵列在其正常操作中产生的热功率的专门耗散装置。
包括本文中设想的用于非接触式测量的扫描系统的车辆装备可以进行多种变型和变化，所有变型和变化落入本发明原理的范围内；而且，所有细节可由技术上等效元件替换。
例如，本发明的可能实施方式中的发射器的阵列包括激光二极管的阵列或由激光二极管的阵列组成，其中激光二极管的阵列发射的辐射平行于它们所在的平面，该激光二极管的阵列与反射镜(与激光二极管对齐)协作以在与激光二极管所在平面正交的方向上重定向所发射的辐射。

Claims (13)

1.一种用于测量车轮定位装置中的车轮的特征尺寸和/或角度、车辆的转向和底盘的车辆装备，所述车辆装备包括用于非接触式测量的扫描系统(1)，所述扫描系统(1)装备有：至少一个投影仪(2)，布置为至少用于将具有图案(5)的结构光投射在待测量的对象(4)上；所述投影仪(2)包括集成到单块基板(7)中的发射器(6)的至少一个阵列，其特征在于，所述扫描系统(1)进一步包括两个摄像机(3)，布置为用于获取所述待测量的对象(4)的图像；以及用于处理所获取的图像的处理单元，所述处理单元能够在没有预先知道所述图案(5)的几何结构的情况下准确地三维重建所述待测量的对象(4)。
2.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述车辆装备包括用于移动所述投影仪的移动装置。
3.根据前述权利要求中任一项所述的车辆装备，其特征在于，所述扫描系统(1)每次改变投射的所述图案(5)重复进行测量，并最终解调结果。
4.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述发射器(6)是配置为在与所述发射器(6)所在的平面正交的方向上发射辐射的激光器。
5.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述发射器(6)的总光功率不小于1瓦。
6.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，在投射角处于投射的零位偏角范围内的情况下，根据所述投射角的所述图案(5)的辐射强度增加。
7.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述投影仪(2)的最大投射角不小于80°。
8.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述投影仪(2)包括被配置为防止人眼进入的保护装置。
9.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述车辆装备具有均匀光产生装置，所述均匀光产生装置包括与所述投影仪(2)独立的用于投射均匀光的投影仪(14)和/或布置为将所述结构光转换为均匀光、在编程模式下可激活的扩散器(15)。
10.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述车辆装备包括倍增装置，所述倍增装置用于倍增集成到所述单块基板(7)中的所述发射器(6)的阵列的图像或者所述图像的部分。
11.根据权利要求10所述的车辆装备，其特征在于，所述倍增装置包括衍射光学元件(9)和/或微透镜(10)的阵列、和/或反射表面(12)。
12.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述车辆装备包括用于耗散由所述发射器(6)的阵列产生的热功率的耗散装置。
13.根据权利要求1所述的车辆装备，其特征在于，所述发射器的阵列是激光二极管的阵列，所述激光二极管的阵列发射平行于激光二极管所在的平面的辐射，与所述激光二极管对齐且协作的反射镜在与所述激光二极管所在的平面正交的方向上重定向所发射的辐射。
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