CN107037443A - 用于基于三角测量的距离测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于基于三角测量的距离测量的方法和装置。所述方法包括：生成并发射测量光束；将测量光束对准所述物体；在限定的检测序列期间，利用图像传感器的相应像素检测测量光从物体的反射；以及基于检测到的反射来导出距离信息。检测序列包括皆限定传感器的像素的特定曝光时段和饱和度限制的至少两个曝光子序列，其中，相继的曝光子序列包括比先前曝光子序列高的饱和度限制，并且各个饱和度限制都针对相应曝光子序列限定像素的最大充电水平。像素被反射的测量光至少部分曝光，由此各个曝光像素的电荷改变，根据对应曝光子序列的时段的相应饱和度限制来限制或部分重置在检测序列期间达到最大充电水平中的至少一个的各个像素的电荷。

Description

用于基于三角测量的距离测量的方法和装置
技术领域
本发明总体上有关用于利用涉及检测器的较高动态范围并且涉及测量光的调节生成的改进检测方法来对物体表面进行结构光三角测量的方法和装置。
背景技术
通常的做法是，在诸如坐标测量机(CMM)的坐标定位装置上检查生产之后的工件，以便检查预定物体参数的正确性，比如物体的尺寸和形状。而且，未知物体的表面的检测在许多工业应用中受到关注。这种测量典型地还可以利用坐标测量机或者任何其它合适类型的扫描装置来提供。
在常规的3D坐标测量机中，支持探头(probe head)沿三个相互垂直的轴(沿方向X、Y、Z)移动。由此，可以将探头引导至坐标测量机的测量体积空间中的任意点，并且可利用探头所携带的测量传感器(探测单元)测量物体。这种探测单元可以被设计为例如基于三角测量原理来提供表面测量的触觉探针或光学传感器。
在简单形式的机器中，与各个轴平行地安装的合适的换能器能够确定探头相对于该机器基部的位置，并因此确定被传感器照射的物体上的测量点的坐标。为了提供探头的可移动性，典型的坐标测量机可以包括设置探头的框架结构以及用于彼此相对地移动框架结构的框架组件的驱动装置。
利用光学传感器的一个优点是，光学传感器不与部件相接触，并因此在测量期间不使光学传感器像使用触觉探针的情况那样变形或者被破坏。
结合CMM地利用线三角测量装置来测量表面的优点是，通过一个时间步长接收到的距离信息的量(即，沿整个投影三角测量线的距离值)可以确定，并且可以导出相应坐标。由此，通过沿希望测量路径移动该传感器，可以显著较快地整个扫描要测量的物体。
在过去的20年，手动操作的便携式CMM系统(通常包括用每个联动装置一个或两个旋转轴和总计六个或七个轴链接的四个区段)对于工作场所的非重复性测量任务来已经成为流行的。线三角测量装置也被用于这种便携式CMM，以极大地增加数据捕捉速度。
使用三角测量单元的其它便携式测量装置包括利用多个像机跟踪探针位置和取向的光学跟踪系统，或者干涉测量距离跟踪装置，其中利用附加像机来跟踪探针的旋转轴。
线三角测量传感器的其它应用包括固定安装，其中将物体放置在传感器或多个传感器前方并且对静止物体进行单一线测量，使得部件的关键特征可以在单一步骤中捕获，而不需要昂贵的定位系统。
而且，用于提供表面的地形测量的装置可被具体实施为包括三角测量传感器的(手持式)装置，其中，通过人工或机器人沿要测量的表面导引该装置，并且在移动该装置的同时通过传感器获取距离数据。另外，这种装置的位置和/或取向可以在全局坐标系中连续确定(例如，跟踪)，由此使能确定与物体的表面相对应的绝对坐标。
一般来说，三角测量提供了用于以快速且精确的方式扫描表面的方法。基于该原理工作的测量装置例如从DE 10 2004 026 090 A1或者WO 2011/000435 A1获知。
具体来说，在要测量的物体上生成通过激光器单元生成的线(例如，通过沿这种线移动激光点或者通过提供激光扇)，并且从表面反射的光被像机检测到，该像机由光敏图像传感器(光检测器)和用于控制该图像传感器并且读出该图像的电子装置构成。捕获反射光的图像并且导出根据检测到的线的轮廓的距离信息。基于此，可以确定物体的表面的地形。
为了高精度的三角测量，必须提供相应反射光的照度和检测，这包括所需的照度水平和对光信息的恰当检测。为了调节照度以使反射光到达检测器，从而满足其相应检测特性(例如，信噪水平和饱和度限制)，WO 2011/000435 A1公开了一种提前照射以便确定测量光的合适照射水平的方法。WO 2007/125081 A1公开了用于依靠像机检测到的强度来主动控制照射光的功率的另一方法。
然而，在要照射的区域有关它们的反射特性显著不同的情况下，仍继续存在在投影的激光线的整个宽度上提供可用信号的问题。特别地，具有低粗糙度的表面(即，诸如铬的镜状表面)因朝着图像传感器的反射光的极大的不均匀性而难于测量。在这种情况下，合适的照度仍会达到其极限，因此所导出的数据的精度将更低。
而且，激光三角测量的精度通常受限于激光散斑现象。这导致图像强度的非常强的随机幅度调制以及测量中的对应随机噪声，在诸如ISO 10360-8的国际标准中还称作探测分散(Probing Dispersion)。
发明内容
因此，本发明的目的是提供这样一种改进方法和三角测量装置，即，其用于使能照射要测量的物体并且检测反射光，以使可以检测整个照射区域的可靠的光信息。
本发明的另一目的是提供一种缩减激光散斑生成的对应测量装置。
本发明的第三目的是改进眼睛安全，其中，可以使用较高的总激光功率，并且使能实现较快速且例如有关那些测量的精度和可靠性方面的较鲁棒的测量。
这些目的通过实现独立权利要求书的特征来实现。按另选或有利方式进一步开发本发明的特征在相关专利权利要求书中进行了描述。
激光三角测量传感器典型地使用移动光斑或激光扇，以通过利用按相距激光平面的某一基线距离定位的像机观察照射的线的移位，来测量沿该线的点的3D位置。
本发明涉及一种用于基于三角测量原理来确定至要测量的物体的距离的方法。所述方法包括以下步骤：生成并发射测量光束；将所述测量光束引导至要测量的所述物体；在限定的检测序列期间，利用图像传感器的相应像素(例如，类似像机的成像组件的像素)检测所述测量光从所述物体的反射；以及基于检测到的反射来导出距离信息。当然，在本发明的范围中，所述传感器可以被设计为被布置(不同位置处)为接收反射的测量光的特定(子)图像传感器组合件。相应像素可以是整个传感器组合件的像素所提供的像素。
通过这样做，入射在物体上的光被反射(或者从粗糙表面散射)并接着至少部分地被图像传感器接收，具体地，被在传感器上对发射的光(例如，发射为例如采用光线形式的结构光)成像的相应光学器件。提供图像传感器的像素以确定该传感器上的投影光线的路线(course)。基于图像传感器处的照射位置(即，线或投影光的成像的路线)，可以导出沿整个线的距离信息，其表示该物体的关于该线的地形。
根据本发明，所述检测序列包括：至少两个曝光子序列，各个曝光子序列都限定特定的曝光时段；以及所述图像传感器的像素的饱和度限制。曝光子序列表示单个检测序列并且它们的作为整体提供整个检测序列。具体地，第一曝光子序列后直接跟随着第二个这种子序列，而没有读出和全部重置该图像传感器，例如，没有中断光检测。
相继的曝光子序列包括比其先前的曝光子序列高的饱和度限制。换句话说，相继的曝光子序列被限定成使得其允许的饱和度水平高于先前序列的相应饱和度水平。各个饱和度限制都限定针对相应曝光子序列的像素的最大充电水平，即，在相应的曝光子序列期间针对各个像素的最大允许充电。
像素被反射的测量光至少部分地曝光，由此各个曝光像素的电荷在曝光期间改变。而且，在所述检测序列期间达到所述最大充电水平中的至少一个(例如，在该序列期间的初始曝光子序列的饱和度限制或者在相继的序列期间的相继曝光子序列的饱和度限制)的各个像素电荷根据对应的曝光子序列的时段的相应饱和度限制来限制或重置。
由此，到达或超出所述限定最大充电水平的像素的电荷在相应的曝光子序列期间保持在该最大充电水平，或者在该曝光子序列结束时被重置成该水平，以向进行中的充电提供从该序列之前的最大充电水平开始的相继曝光子序列。
具体来说，限定所述曝光时段和饱和度限制，以使得针对大致每个像素的最终总电荷低于由最终的曝光子序列限定的最大饱和水平。
该方法允许检测来自物体表面的反射光或散射光，使得获取到整个照射和接收测量区域的可靠的光信息。而且，可以避免点扫描仪的复杂且缓慢的机械结构，而仍能够在大动态范围上测量。
根据本发明的优选实施方式，通过与所述检测序列的曝光子序列的数量相对应的限定数量的光脉冲来提供所述测量光束，并且随时间调节所述曝光子序列和所述光脉冲，使得在一个相应的曝光时段期间发射和/或检测到各个光脉冲。
而且，优选的是，如果使用高功率脉冲激光器，则可以向所述曝光子序列的曝光时段提供相等时长，具体来说，提供相应传感器可用的的最短时段。据此，可以将总检测序列的持续时间设置得非常短，由此使能非常快速地确定相应距离信息并且避免运动模糊现象。而且，所述图像传感器的定时量化可以不再限制最大动态范围增强，因为各个子序列的曝光水平可以根据照射脉冲能量来确定，而不根据像机子序列曝光时间来确定。
可以完成针对子序列设置相等持续时间，因为所述图像传感器的最小子序列持续时间可以比为了充分照射而要发射的相应激光脉冲长。如果将所述图像传感器设计成提供模式之间的较快速切换，或者如果需要较长脉冲(例如，因较小的孔径)，则优选地可以针对相应子序列设置不同持续时间。
根据另一实施方式，所述检测序列的连续光脉冲利用逐渐减少的脉冲能量生成，具体来说，其中，各个脉冲持续时间在时间上都比相应的曝光时段短。与顺序增加的像素饱和度水平组合的这种自适应照射序列因向各个像素提供合适的充电水平而提供了对三角测量光线的亮区和暗区两者的合适检测。
一般而言，根据本发明的一个方法，所述检测序列和所述光脉冲被设计成使得所述测量光束对所述图像传感器的亮像素的照射使亮像素的光子(充电)水平低于最大饱和度限制，而测量光束对所述图像传感器的暗像素的照射使暗像素的光子(充电)水平高于限定的信噪比阈值。
在利用上述方法进行光检测的背景下，相应的图像传感器可以优选地设计为高动态范围(HDR)传感器，而且具体地提供顺序饱和度递增序列。相应检测和/或脉冲照射处理的定时可以利用连接至图像传感器的FPGA或类似控制器来实现，或者由传感器在内部执行。
有关所述测量光的生成和发射，可以为此提供几个装置。例如，所述测量光束可以由(普通)发光二极管(LED)生成，具体包括空间滤波器，具体为具有狭缝的遮罩，以提供测量光的线状发射。另选地，所述测量光束可以由激光源生成，其中，所述测量光束被设置为激光束，具体由宽条形激光器(BAL)、超发光二极管(SLED)或多模激光源。
在本发明的实施方式的背景下，使用高功率激光二极管，将曝光子序列(像机HDR区段)持续时间固定成尽可能最短(除非这低于最大激光脉冲持续时间)，并且将能量逐渐减少的激光脉冲对准像机HDR区段。因为总像机曝光时间可以非常短，所以即使对于动态范围上的较大增强，也可以忽略运动模糊。在本发明背景下，要理解，曝光持续时间可以不设置成最小持续时间，但是如果脉冲相应地具有较长持续时间，则曝光持续时间当然可以设置得较长。
通过在一个横向方向上使用包括几个横向模式的宽条形激光器(BAL)(即，宽度大于十微米)并且将其对准投影的激光线的方向，可以保持该线完全聚焦，同时减小空间相干，并由此减小激光散斑。散斑通常是针对测量数据中的噪声的限制因子，并由此限制探测分散误差，因而这种激光改进了各个测量点的精度。另一益处是，剩余的散斑噪声不再非常依赖于像机孔径，因而可以使用小的孔径。
根据现有技术已知的全相干激光三角测量装置通常使用生成较小散斑的大的像机孔径，优选地小于像素大小，以减小激光散斑影响，由此将景深限制到薄的平面深。由于减小了散斑噪声并改进了眼睛安全，因而本发明还使得激光三角测量装置具有小的孔径，并由此使能例如实现多条激光线或跟踪摄影目标，而不会引入过度散射噪声。
因为BAL十分宽，所以它们通常具有高功率输出(例如，在光学上，>1W)。这个特征还与多线激光三角测量装置所需的小孔径非常好地组合，这是因为其允许免除运动模糊的获取。而且，短的曝光时间在利用“多斜率”HDR模式(提供曝光子序列)时也是有益的，这是由于其再次减小了可能难以处理的运动模糊(因为该HDR方案在时间上影响不同灵敏度之间的切换，并由此产生对于整个图像来说不相同而相反依赖于各个像素的充电水平的运动模糊)。而且，利用当前多斜率HDR图像传感器的实验已经示出，较短的曝光时间显著减小了HDR机制引入的额外固定图案噪声。
根据本发明的实施方式，为了发射所述测量光束，关于与发射方向正交的第一方向聚焦所述测量光，并且关于与所述第一方向和所述发射方向正交的第二方向漫射所述测量光。具体来说，提供了垂直聚焦并且水平延伸的光带。
根据提供合适的测量射束，生成并发射在所述第一方向上具有空间相干并且在所述第二方向上不具有空间相干的所述测量光束，具体来说，其中，所述测量光束包括有关所述第一方向的一种空间地模式和有关所述第二方向的超过一种空间模式，具体为有关所述第二方向的多种横向模式。这种射束特性可以通过形成直接提供这种测量射束的激光源的相应光或利用这种激光源来生成。
考虑到充分捕获特征的另一方面涉及根据横向子采样的增强垂直点密度。为了更好地捕捉几乎平行于激光线的边缘，图像传感器的图像数据可以沿一个方向按列或行“跳跃”大量地子采样，以便增加帧速率，使得最密集采样的横向方向不再沿着三角测量线而是横跨三角测量线(即，沿传感器行进的方向)。该操作模式的附加益处是，来自光斑偏移但沿基线平行方向交叠的散斑噪声反相关。由此，平均误差将比针对不相干误差预期的1/sqrt(N)更快地减少。
根据本发明，上述方法被特别地提供用于三角测量装置，即，线三角测量装置，其例如独立地工作在生产线上以用于过程中的测量，或者联接至像CMM或CNC机器或机器人一样的自动机器、人工CMM或者利用如稍早描述的光学跟踪方法来定位。
本发明还涉及基于三角测量的测距单元，该测距单元包括：发光单元，该发光单元具有用于生成测量光并发射测量射束的光源；光检测单元，该光检测单元用于检测光束从要测量的物体的反射(当然，可以设置超过一个光检测单元)；以及控制和处理单元，该控制和处理单元用于基于检测的反射来导出距离信息。所述光源和所述光检测单元按照彼此相对的已知位置和取向来设置。
根据本发明，所述光检测单元包括提供光检测序列的高动态范围(HDR)图像传感器，该光检测序列具有一系列至少两个相继的曝光子序列，各个曝光子序列都限定了所述图像传感器的像素的特定曝光时段和饱和度限制。相继的曝光子序列包括比其先前曝光子序列高的饱和度限制，并且各个饱和度限制都针对相应的曝光子序列限定了像素的最大(允许)充电水平。所述图像传感器的像素可根据反射的测量光对像素的曝光而充电，使得在所述检测序列期间达到所述最大充电水平中的至少一个的各个像素的电荷根据针对对应的曝光子序列的时段的相应饱和度限制来限制或重置。
基于三角测量的测距单元或该测距单元的控制与处理单元具体被设计成使得上述方法可利用该处理单元执行。
根据本发明的具体实施方式，所述控制与处理单元适于控制触发所述检测序列，并且控制所述光源生成与针对所述检测序列的曝光子序列的数量相对应的多个光脉冲，使得在时间上调节所述曝光子序列和所述光脉冲，以使在一个相应的曝光时段期间发射和/或检测到各个光脉冲。通过这样做，可以通过所述测量装置提供测量光的经过调节的发射和接收，使得在各个曝光序列内检测一个光脉冲，并且同样提供像素的相应照射。
关于所述测量射束的成形，所述发光单元可以包括射束成形组合件，该射束成形组合件用于通过影响可由所述光源发射的所述测量光的传播来提供所述测量射束，其中，所述射束成形组合件可以被设置并设计成使得关于与所述发射方向正交的第一方向(具有大约0.4弧度的较大发散，也称作“快轴(fast axis)”)聚焦所述测量光，并且使得关于与所述第一方向和所述发射方向正交的第二方向(具有大约0.1弧度的较小发散，也称作“慢轴(slow axis)”)漫射所述测量光。
据此，可以提供尖锐的激光线，其中，显著减小了可能出现的散斑影响。
具体来说，所述射束成形组合件可以包括柱面透镜，所述柱面透镜被设置并设计成使得沿所述第一方向的所述聚焦通过所述柱面透镜提供，并且沿所述第二方向的漫射基本上不受所述柱面透镜影响。沿所述第一方向的所述聚焦还可以通过如下方式执行，即，将所述激光准直透镜移位以稍稍远离所述激光二极管，使得所述光被稍稍汇聚而不是被准直，由此减少对单独的柱面聚焦透镜的需要。可以接受因所述激光二极管的散光而造成沿所述第二方向的稍稍发散。
而且，另外或另选地，所述射束成形组合件可以包括柱面透镜的至少一个阵列，该至少一个阵列被设计并设置成使得沿所述第二方向的所述漫射通过所述至少一个阵列的折射特性来提供，而沿所述第一方向的聚焦基本上不受所述至少一个阵列影响。如下所示，可以将另一个光学部件设置在小透镜阵列前面，以沿所述第二方向展开所述激光束，并由此提供用于进一步漫射的改进基础。更宽的末级漫射器可以使光在空间上不太相干，由此减小散斑噪声，并且还可以在用户直接观察激光扇的情况下通过在视网膜上的较大区域上散布发射功率来改进眼睛安全。具体来说，为了有效减小散斑，该末级漫射器应当在宽度上至少类似于像机孔径直径。
关于所使用的光源，所述光源可以被优选地设计成使得所述测量光可以利用沿所述第一方向的空间相干和有关所述第二方向不相干而生成，具体来说，其中，所述光源可以被设计成使得所述测量光可生成为包括有关第一方向的一种空间地模式和有关第二方向的超过一个空间模式(多个横向(transversal)模式)。
更具体地，所述光源可以用发光二极管(LED)来表示，具体包括空间滤波器，具体为具有狭缝的遮罩。另选的是，所述光源可以包括或被设计为激光源，其中，所发射的光被提供为激光并且所述光束是激光束，具体为宽条形激光器(BAL)、超发光二极管(SLED)或多模激光源。
在所述光源包括发光二极管或激光源的情况下，所述光源还可以包括具有非对称发光孔径的准直部件，其中，所述准直部件被设计成使得所述发光孔径沿所述第一方向的长度显著小于沿所述第二方向的长度。
下面，再次参照利用HDR传感器的光检测和具有所述测量装置的所述光源的光发射，所述曝光子序列的所述曝光时段可以适于包括相等时长，和/或所述检测序列的相继光脉冲利用逐渐减少的脉冲持续时间生成。
在上述方法的背景下，根据本发明的实施方式，大体上激光功率或者脉冲功率可以基于通过利用所述传感器(检测单元)接收或捕获相应图像而提供的信号来调节。另外或另选地，曝光时间也可以基于所接收的光信息来控制。执行这种调节，以最优化用于捕获连续图像的特性。而且，不是各个连续图像而是每隔一个连续图像(甚或几个图像)可以被用于这种功率和/或曝光调节。
本发明还涉及一种具有计算机可执行指令的计算机程序产品，具体来说，当在如上所述的测距单元的处理与控制单元上运行时，该计算机可执行指令被实现为根据上述方法来执行和控制确定到物体的距离。
附图说明
下面，参照附图中示意性地示出的工作例，完全通过示例的方式，对根据本发明的方法和装置进行更详细描述或说明。具体来说，
图1示出了本发明所涉及的三角测量装置的工作原理；
图2a和图2b示出了根据本发明的、发射测量光并且检测反射的测量光以执行三角测量的方法；
图3a、图3b和图3c示出了根据本发明的、形成用于三角测量的测量光的原理；以及
图4a和图4b示出了根据本发明的激光源和光形成部件的另一实施方式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的三角测量装置1的工作原理。装置1包括发光单元2和例如像机的光接收单元3，它们的相对位置和取向已知。换句话说，这种激光三角测量将从已知位置在一个已知方向上发出光，并且从已知位置接收并接着测量传入光的角。
发光单元2包括可以通过用于发射激光的激光二极管来表示的光源。而且，该发光单元可以包括用于形成发射的激光的光学单元，以使可以发射限定的测量射束4。优选地，这种测量射束根据第一方向(竖直地)聚焦，并且关于与第一方向正交的第二方向(水平地)漫射。通过这样做，可以生成激光线并且投射到要测量的物体5上。
光接收或检测单元3还可以包括光学组合件(例如，成像透镜)，以形成反射光6并引导至该单元的图像传感器。该传感器被优选地设计为提供采用线或区域形式的像素阵列的CCD或CMOS传感器。该传感器还优选地根据Scheimpflug标准倾斜，以使像机的物面与照射面重合，使得所有照射点被锐利地成像到传感器上。该图像传感器被设计成至少对测量光5的波长的光敏感。该图像传感器的像素被传入的反射光6曝光，可以基于传感器的被照射的像素导出光线在物体5处的路线(course)。这允许基于对发射器2和检测器3与所测到的线的相对位置的知识来确定到该物体表面的距离，具体来说，另外基于光学组合件的特性和检测到的线在图像传感器上的位置。
根据另选实施方式，在此未示出，发射的射束4沿垂直于外壳的方向发射，允许将附加接收单元放置在发射单元2的左侧，以便生成附加测量数据。还可以布置第三接收单元3，第三接收单元3与第一接收单元(和/或第二接收单元)相比按相同距离或者按不同距离放置在发射单元2旁边，以针对具有强对比度变化(引入检测强度质心的移位)的物体的检测或者导致阴影效应的边缘的检测实现更大的鲁棒性。
通过在物体5上移动三角测量装置1，连续接收反射光6并且处理由图像传感器提供的处理信号，可以全面测量物体5的表面。具体来说，这种扫描通过承载三角测量装置1并且将其沿着希望测量路径移动的坐标测量机(机动或者手持)来执行。
根据本发明，发光单元2被控制成使得测量光4按脉冲化方式发射，并且接收器3提供特定检测序列以单个地检测由各个发射的脉冲造成的反射。这种检测使能导出适合于被照射后亮的像素和尽管被照射但仍然暗的像素两者的测量信号。在图2a和图2b的背景下，对所检测处理进行更详细描述。
为了检查要测量的物体5是否位于限定的测量范围内(和该物体与该测量装置之间的距离有关)，可以将光学可视导引投影到测量体积内。该光学导引(向该系统的操作员)给出物体5是否位于优选的测量区域(到该测量装置的距离)内的信息。这种导引可以用以可视方式接收到的光线和/或例如具有与测量光的波长不同的特定光色(波长)的光线表示。根据该可视导引例如在捕获的图像中的相对位置，提供所述物体5关于所述测量范围的位置。这种投影可以例如通过衍射全息图的照射来实现，举例来说，如已知的“LaserComponents”公司的“Flexpoint DOE Series”。
图2a示出了根据本发明的利用非脉冲化恒定功率光源、为了三角测量而发射测量光并且检测用于执行三角测量的反射测量光的方法。
根据投影激光线导出一组距离信息的检测序列在时刻t0开始。曲线21例示了图像传感器的控制，图像传感器在此优选地设计为高动态范围CMOS(HDR传感器)。可以看出，对于从t0至t1的初始曝光时段，将传感器的像素的饱和度限制Sp初始地设置成传感器像素的最大饱和度的33％。该初始曝光时段对应于第一曝光子序列。
在t1，传感器像素的饱和度水平切换至更高状态，在此，切换至最大饱和度的66％并保持达第二时段t1至t2。第二时段比初始时段短。而且，在t2，应用第三饱和度水平，该第三饱和度水平对应于像素的最大允许饱和度。整个检测序列在时刻te结束，其中，提供了表示整个被照射像素的照明度的检测信号。
线22表示测量单元对要被测量的物体的照射强度。这里，照射强度在检测序列保持恒定，即，激光线被恒定地发射并引导至物体，因此反射的测量激光在图像传感器处被接收到。
三条线23、24(虚线)和25(点线)表示因利用恒定强度的照射而对图像传感器的三个示例性描绘像素的充电。该物体包括处于被这三个像素瞄准的区域中的三个示例性的不同反射率。第一像素接收最低强度的光，第一像素的由曲线23表示的电荷随着时间相当适度地增加，使得该像素的电荷从未达到限定饱和度限制之一(直到t1为止的33％、直到t2为止的66％以及直到te为止的100％)。该像素在te的最终充电水平低于这些像素的最大允许饱和度，并由此由传感器检测到可靠的光信息。
下面，参照线24表示的像素，该像素的充电水平比23更快地增加。这里，该像素在初始曝光时段达到设置的饱和度(33％)。结果，该像素的充电水平被一直限制为设置的饱和度直到t1为止，即，像素充电被限制为接近最大允许电荷的33％。换句话说或另选地，可以针对该像素提供一种(局部)重置，该重置影响电荷，使得该像素的充电水平在第一曝光子序列结束时对应于最大电荷的33％。
由于该像素在t1之后仍被照射，并且由于第二曝光子序列的饱和度限制增加至66％，像素(24)继续以对应于线24的斜率的充电速率进行充电。未达到第二时段的饱和度限制，直到t2为止，因而不存在进一步重置或限制该像素的电荷。而且，在检测序列(te)结束时，线24的像素表示处于最大饱和度限制内的充电状态。
针对接收线25表示的相比最大亮度的光的像素，还设置相应的限制或部分重置，其中，因达到第一曝光子序列(33％)和第二曝光子序列(66％)两者的限定饱和度水平而出现双重限制(部分重置)。
通过用逐渐减小的增大来限定曝光时段的时长，也可靠地提供对十分明亮的被照射的像素(25)的检测，因为明亮的像素的电荷(根据线25的斜率增加，即，根据每次碰撞到该像素的光的量)至少针对最终(最短)曝光子序列未达到饱和度。
与恒定的照射强度的测量射束组合的用于要测量的物体的检测方法提供了在非常大的动态范围上对所有被照射的像素的检测，使得能沿整个激光线进行准确距离测量，即使物体在反射率上具有很大差异。
当然，在本发明的意义上，要理解的是，曝光子序列的数量不限于三个，本发明还涉及具有至少两个曝光子序列(即，两个或更多个这种序列)的检测序列。对应地，单个饱和度限制的限定(33％、66％)也可能因希望的应用、子序列的数量和/或所提供的光源而改变。这同样适用于曝光子序列的持续时间。
然而，整个检测序列的总时长(即，t0与t1之间的时间)仍可以通过应用如下面图2b所示的根据本发明的优选检测方法来改进。虽然上述方法的总曝光时间取决于图像传感器定时分辨率，但通过利用图2b的方法，不再给出这种限制。
图2b示出了根据本发明的、照射要测量的物体并相应地检测从该物体反射的光的优选方法。
用于该方法的图像传感器被优选地设计为具有限定数量和星座的检测像素的高(宽)动态范围图像传感器(HDR传感器)。优选的是，该传感器被构建为区域图像传感器(2D像素网格)。
该图像传感器的控制(即，三个曝光子序列(t0-t1、t1-t2及t2-te)的持续时间和定时以及相应的限定饱和度限制(33％、66％及100％))用曲线21'表示。这种曝光特性可以直接由传感器的集成控制处理来提供，或者可以通过附加控制单元的外部控制来限定。当然，要明白的是，针对曝光子序列的所提及的设置是可变地限定的，其中，根据本发明限定至少两个子序列。
与图2a的方法的不同之处在于，在此将曝光时段限定成为大致相等的持续时间，其中，时段被优选地设置成为最短可能(由相应传感器特性给出)持续时间。两个所提及的限制都有效，只要该持续时间比所需的激光脉冲持续时间长即可。或者，换句话说，如果该传感器提供甚至比曝光时段短的设置，则各个曝光时段的持续时间可被设置为与对应的脉冲的持续时间一样短。与根据图2a的时段的设置(近似大约10ms)相比，通过这种自适应，提供了显著更短的总曝光时间t0至t1(例如，大约100μs)。结果，可以以更大频率(按时间方面的分辨率)更加快速获取距离信息，这导致更精确地表述测量表面。而且，这样可以显著减少或避免生成运动模糊。
与像这样设置曝光子序列((基本上相等)的最短持续时间)相对应地，要测量的物体的照射充分自适应以便于生成提供可靠且精确的像素信息的测量数据。照射的方式(即，发射测量光的方式)用曲线22'示出(照射强度II的路线)。具体来说，由于将曝光序列设置成比图2a中的短得多，因而，所发射和接收的光的相应量被优选地设计成显著高于图2a。
由此，在此的测量光不再按恒定方式发射，而是被发射为脉冲化测量光，优选为脉冲化激光。脉冲被调节成使得针对每个曝光子序列发射一个脉冲。脉冲能量从曝光时段至曝光时段渐少。例如，在减少该脉冲持续时间的同时，脉冲功率可以基本上保持恒定，例如保持在激光二极管的最大功率。另选的是，在减小脉冲功率的同时，脉冲持续时间可以保持恒定。当然，可以取而代之地应用两种方法的组合。与检测子序列组合的这种光发射向被轻微和被强烈照射的像素提供充电，使得不达到相应像素的最大饱和度，并且可以针对每一个像素导出合适的像素信息。
因此，控制像素的照射主要通过应用和调节光脉冲并且保持曝光子序列的持续时间恒定(即，具有基本上相等的持续时间)来提供。
三条线23'、24'(虚线)和25'(点线)表示因利用脉冲化测量光的照射而对传感器的三个示例性描绘像素的充电。表示具有非常低的照明度的像素的曲线23'示出了在第一时段t0至t1的照射期间对相应像素的充电，直到照射强度被减小至零为止(即，激光脉冲结束)。在第二脉冲的照射期间(在第二时段t1至t2内)，该像素从第一光脉冲结束的水平开始继续充电(因为在没有照射(即，零强度)的时段期间，没有对该像素进一步充电)。而且，电荷还由于发射第三(最短)激光脉冲来增加，使得生成该像素的最终检测信号，而没有相应的饱和度。
其同样适用于曲线24'和25'表示的像素，其中，针对那些像素，应用对充电状态的进一步部分重置或限制。这是因为像素照射达到针对第一和第二曝光子序列设置的相应饱和度(33％和66％)。那些像素的充电或照射水平在从先前饱和度限制开始的相继曝光子序列中继续增加。这种增加取决于相应照射的持续时间(脉冲持续时间)，和每时间步长碰撞相应像素的测量光的单独量(即，线23'、24'及25'的斜率)。
这种过程利用一个公共检测序列来检测亮像素(与曲线25'表示的像素相比)和暗像素(曲线23')，使得没有一个像素达到最大饱和度水平(100％)，并且在该检测序列结束te时提供合适且可检测的像素亮度。
根据另选实施方式，为了调节针对各个曝光子序列的光的照射量，不仅脉冲持续时间而且脉冲功率可以特别地单独调节。
图3a和图3b示出了根据本发明的、形成用于三角测量的测量光的原理，其中，测量光被提供为激光束，具体用于提供尤其是用于根据图2b的照射方法的高照射强度。
图3a示出了具有激光源31和相应的射束成形组合件32的发光单元30的侧视图。激光源31在此被设计为宽条形激光器(BAL)(和准直透镜)。
宽条形激光器(BAL)(还已知为“宽条纹(broad stripe)”、“板式(slab)”或“宽发射器”激光二极管)具有沿一个横向方向(在此：第二或水平方向)宽得多的增益体积。与沿两个方向具有较小的增益区的单模激光二极管相比，BAL发射非常高的光学功率(大约1-10W)。BAL可以按脉冲通常低于100ns的脉冲模式使用。
在宽的方向上，许多空间模式和纵向模式可以共存。在窄的方向(在此：第一或垂直方向)上，优选的是，仅一个空间地(spatial ground)模式传播，并且激光由此可以向下聚焦至衍射限制线焦点。而且，BAL成本低并且代表适合本发明的类型的光源。
射束成形组合件32包括柱面透镜33，柱面透镜33沿垂直于激光4的传播方向的第一方向(激光器的快轴，在此称作垂直方向)聚焦激光源31发射的激光。所发射的激光4包括关于第一方向的空间相干。另选地，光源可以在垂直方向上非常小限度地使用或者包括提供对应的小限度的附加光学部件(例如，用非常细的狭缝遮蔽的LED)。
柱面透镜33还允许沿水平方向(垂直于第一方向和传播方向)透射激光4，而没有有关射束形状的任何实质影响。
由此，利用柱面光学装置实现一维(垂直)聚焦。宽面积的激光输出可以首先通过对准并与宽面积激光源永久性安装在一起的球面(非柱面)透镜准直。还可以跳过该准直仪而使用较强的垂直聚焦透镜。然而，由于源的强发散性，更实用的是首先将光准直，以使可以利用更多空间来定位另一些组件。
在本发明另一实施方式中，省略了柱面透镜33。相反，通过向前移位激光准直透镜来获取垂直聚焦。这还沿水平方向聚焦射束，但与跟随的水平漫射器相比，这种影响可以忽略。
射束成形组合件32还包括两个柱面小透镜阵列34、35，这两个柱面小透镜阵列34、35基本上不影响垂直方向上的射束成形，但被定位和对准成使得能水平方向上的射束成形。利用图3b示出了第二方向上的这种射束成形。
图3b以俯视图示出了发光单元30，其中，例示了有关第二(水平)方向的射束成形。如上提到，可以忽略柱面透镜33相对于第二方向对所发射的激光4的影响。然而，微透镜阵列34和35影响激光束，使得造成水平面的传播(角)扩展。柱柱面透镜阵列几乎不影响垂直聚焦的质量。换句话说，激光束通过与小透镜阵列34、35的交互作用而水平地(在第二方向或者所谓的激光二极管的慢轴的意义上)漫射。上述背景下的漫射特别意指沿漫射器的每一个点或小区域应当照射线的整个宽度。
为进一步增强从所有点发送的光在小透镜阵列35上的交叠，具有沿水平面的折射力的透镜36可以正好添加在透镜阵列35之前或之后(例如，柱面透镜)。该透镜优选地具有基本上等于到小透镜阵列34的距离的焦距。这种排布结构按俯视图在图3c中示出，其中，垂直平面中的聚焦基本上通过激光源31(未示出)提供。由此，不需要如上所述的柱面透镜33。
提到的漫射使得将光聚焦到眼睛中的一个点上成为不可能。由此，该装置提供更好的眼睛安全，并且据此，可以将更加多的激光功率用于照射。
有益的是，例如使用柱面透镜阵列来代替单一表面大透镜，因为横向定位的容差是不严格得多。具有两个漫射器(例如，所示的两个小透镜阵列34、35)还通过实际上将几个横向模式转换成空间相干来减小散斑。第一漫射器(其将光扩展成覆盖第二漫射器)应当具有至少比射束宽度小至少大约五倍的节距，以减小横向定位影响。
而且，柱面透镜和光源的阵列优选地被设计并设置成使得测量射束可采用有关其在第二方向上的扩展的基本连续的线形式发射。为此，第一柱面透镜阵列的节距、激光二极管的宽度以及激光器准直透镜焦距可以被选择成使得投射的二极管宽度匹配透镜阵列的衍射角，并且发射的线由此变得连续而没有任何暗斑，要不然，如果透镜阵列节距太精细、激光宽度太小或者准直仪焦距太长，则可以出现暗斑。另一方面，太粗糙的阵列节距、宽的激光或者短的准直仪焦距可以造成两个投射交叠的亮斑，因此最佳的是，精确地选择这些参数，使得不存在交叠，或者多次100％交叠。
根据特定实施方式，该配置包括一个微透镜阵列(相当小)与10mm出射孔径的组合。
具体来说，在最终漫射之前，使激光束4“足够宽”以提供大的发射面。发射(并准直的)射束4的初始宽度在第二方向上例如可以为大约1mm，而在加宽之后，其在漫射器35处可以为10mm。可以使用几种类型的组件，来加宽发射射束4，例如，另一柱面透镜、微透镜阵列、衍射光学部件或者某种计算机生成或自然全息图。如果源是在水平方向(慢轴)上没有准直的激光器，则射束可以足够快地发散，不需要额外的光学装置。第一小透镜阵列34可以代表这种射束扩展部件，其中，第二小透镜阵列35代表射束漫射部件。
关于所使用的激光二极管和可能的聚焦准直仪，这些可以包括非对称孔径。孔径被特别设计成沿着线(即，沿水平方向)尽可能大(以增强效率)，并且另外横跨该线更窄，以增加并限定焦点的深度，并且改进聚焦质量。利用较小的NA，可以使用更便宜的透镜。而且，难于仅利用没有孔径的一个透镜来实现大深度聚焦，因为其不得不具有非常短的焦距。具有的孔径的焦距更长的透镜改进了指向稳定性，因为从激光器位置至射束角的缩放倍率小。因为孔径以效率(例如，60％)为代价，所以其益处是具有像BAL一样的高功率激光二极管。
图4a和图4b从不同角度示出了根据本发明的光源31的实施方式。图4a按侧视图示出了激光源31和透镜阵列34。激光源31包括激光二极管31'和(准直)透镜31"。另外，激光源31包括形状不对称的孔径37。可以在侧视图中看出，部件37包括相当小的孔径，例如，用于光透射的非常窄的狭缝，以提供沿第一(垂直)方向的大聚焦深度。这种准直部件37还提供第二方向上的大孔径，减少用于沿水平面漫射的损耗(图4b)。由于激光束关于垂直方向的准直和空间限制可以这样按充分方式设置，不需要用于聚焦的另一柱面透镜。
沿垂直方向聚焦激光并且沿水平方向漫射导致主观散斑形成的减少，同时提供非常适于三角测量的很好定义的线。除降低散斑噪声和由此改进深度准确度以外，低散斑准直仪还允许大大增加的像机景深。原因在于，散斑对比度不再取决于像机NA，如其在使用全相干源所做的那样。
另外，与检测所生成的激光束相关，特定像机光学装置可以设置有图像传感器。该像机光学装置可以包括像机透镜，像机透镜还可以具有不对称孔径，因为沿线(水平方面)的光学分辨率可以比横跨更关键。这还导致实现缩减的曝光时间，并由此改进眼睛安全。这种像机透镜可以是失真的(有关第一和第二方向的不同缩放倍率)，以例如获取更宽视野。
尽管上面部分参照一些具体实施方式例示了本发明，但必须明白，可以制成这些实施方式的不同特征的许多修改例和组合，并且这些不同特征可以彼此组合，或者与根据现有技术已知的三角测量原理和/或坐标测量机组合。

Claims (15)

1.一种用于基于三角测量原理来确定到要测量的物体(5)的距离的方法，该方法包括以下步骤：
·生成并发射测量光束(4)；
·将所述测量光束(4)对准要测量的所述物体(5)；
·在限定的检测序列期间，利用图像传感器的相应像素检测测量光从所述物体(5)的反射；以及
·基于检测到的反射来导出距离信息，
其特征在于，
·所述检测序列(t0-te)包括至少两个曝光子序列，所述至少两个曝光子序列都限定所述图像传感器的所述像素的特定曝光时段(t0-t1、t1-t2、t2-te)和饱和度限制，其中，
□相继的曝光子序列包括比先前的曝光子序列高的饱和度限制，并且
□各个饱和度限制都针对相应曝光子序列限定所述像素的最大充电水平，
·所述像素被反射的测量光至少部分曝光，由此各个被曝光像素的电荷改变，并且
·根据针对对应的曝光子序列的时段的相应饱和度限制，限制或重置在所述检测序列(t0-te)期间达到所述最大充电水平中的至少一个的各个像素的电荷。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
·限定所述曝光时段和所述饱和度限制，使得大致各个像素的最终总电荷低于由所述曝光子序列中的最后的曝光子序列限定的最大饱和水平，和/或
·提供所述曝光子序列的、具有相等时长的所述曝光时段(t0-t1、t1-t2、t2-te)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
·按照与所述检测序列(t0-te)的曝光子序列的数量相对应的限定数量的光脉冲来提供所述测量光束，并且
·在时间上调节所述曝光子序列和所述光脉冲，使得各个光脉冲都在一个相应的曝光时段(t0-t1、t1-t2、t2-te)期间被发射和/或检测到，
具体来说，其中，
用于所述检测序列(t0-te)的连续的所述光脉冲利用逐渐减少的脉冲持续时间生成，具体来说，其中，各个脉冲持续时间在时间上都短于相应的曝光时段(t0-t1、t1-t2、t2-te)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述图像传感器被设计成高动态范围(HDR)传感器，而且具体地提供所述检测序列(t0-te)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其特征在于，
为了发射所述测量光束(4)
·关于与发射方向正交的第一方向聚焦测量光，并且
·关于与所述第一方向正交并且与所述发射方向正交的第二方向漫射所述测量光，
具体来说，其中，提供垂直聚焦并且水平延伸的光带。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，
其特征在于，
生成并发射在所述第一方向上空间相干并且在所述第二方向上不相干的所述测量光束(4)，具体来说，其中，所述测量光束包括关于所述第一方向的一种空间地模式和关于所述第二方向的超过一种空间模式。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述检测序列(t0-te)和所述光脉冲被设计成使得
·所述测量光束针对所述图像传感器的亮像素的照射使所述亮像素的充电水平低于最大饱和度限制，并且
·所述测量光束针对所述图像传感器的暗像素的照射使所述暗像素的充电水平高于限定的信噪比阈值。
8.一种基于三角测量的测距单元(1)，该测距单元包括：
·发光单元(2、30)，该发光单元具有用于生成测量光并发射测量光束(4)的光源(31)；
·光检测单元(3)，该光检测单元用于检测所述测量光束(4)从要测量的物体(5)的反射；以及
·控制和处理单元，该控制和处理单元用于基于检测到的反射来导出距离信息，
其中，所述发光单元(2、30)和所述光检测单元(3)以彼此已知的相对位置和取向来设置，
其特征在于，
所述光检测单元(3)包括提供光检测序列(t0-te)的高动态范围(HDR)图像传感器，所述光检测序列具有一系列至少两个曝光子序列，所述至少两个曝光子序列都限定所述图像传感器的像素的特定曝光时段(t0-t1、t1-t2、t2-te)和饱和度限制，其中，
·相继的曝光子序列包括比先前的曝光子序列高的饱和度限制，
·各个饱和度限制都针对相应的曝光子序列限定所述像素的最大充电水平，以及
·所述像素能够根据它们对反射测量光(6)的曝光来充电，使得根据针对对应的曝光子序列的时段(t0-t1、t1-t2、t2-te)的相应饱和度限制，来限制或重置在所述检测序列(t0-te)期间达到所述最大充电水平中的至少一个的各个像素的电荷。
9.根据权利要求8所述的测距单元(1)，
其特征在于，
所述控制与处理单元被设置为
·控制触发所述检测序列(t0-te)，并且
·控制所述光源生成与所述检测序列(t0-te)的曝光子序列的数量相对应的多个光脉冲，
使得在时间上调节所述曝光子序列和所述光脉冲，从而使各个光脉冲都在一个相应曝光时段(t0-t1、t1-t2、t2-te)期间被发射和/或检测到，
具体来说，其中，
·所述曝光子序列的所述曝光时段(t0-t1、t1-t2、t2-te)包括相等时长，和/或，
·用于所述检测序列(t0-te)的连续的光脉冲利用逐渐减少的脉冲能量生成。
10.根据权利要求8或9所述的测距单元(1)，
其特征在于，
所述发光单元(2、30)包括射束成形组合件(32)，该射束成形组合件用于通过影响能够由所述光源(31)发射的所述测量光的传播来提供所述测量射束(4)，其中，所述射束成形组合件(32)被设置并设计成使得
·关于与发射方向正交的第一方向聚焦所述测量光，并且
·关于与所述第一方向正交并与所述发射方向正交的第二方向漫射所述测量光。
11.根据权利要求10所述的测距单元(1)，
其特征在于，
所述射束成形组合件(32)包括：
·柱面透镜(33)，所述柱面透镜被设置并设计成使得沿所述第一方向的所述聚焦由所述柱面透镜(33)提供，而沿所述第二方向的漫射基本上不受所述柱面透镜影响，和/或
·柱面透镜的至少一个阵列(34、35)，所述至少一个阵列被设计并设置成使得沿所述第二方向的所述漫射通过所述至少一个阵列的所述柱面透镜的折射特性来提供，而沿所述第一方向的聚焦基本上不受所述至少一个阵列影响，具体来说，其中，柱面透镜的所述至少一个阵列(34、35)和所述光源(31)被设计并设置成使得所述测量射束能够以关于所述测量射束沿所述第二方向的延伸的基本连续的线的形式发射，和/或
·准直透镜(31")，该准直透镜被设置并设计成使得沿所述第一方向的所述聚焦通过所述准直透镜(31")提供。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的测距单元(1)，
其特征在于，
所述光源(31)被设计成使得所述测量光能够在所述第一方向上空间相干地并且在所述第二方向上不相干地生成，具体来说，其中，所述光源(31)被设计成使得所述测量光能够被生成为包括关于所述第一方向的一种空间地模式和关于所述第二方向的超过一种空间模式，具体为关于所述第二方向的多种横向模式。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的测距单元(1)，
其特征在于，
所述光源(31)包括或用以下表示：
·发光二极管，具体包括空间滤波器，所述空间滤波器具体为具有狭缝的遮罩，或者
·激光源，其中，所发射的光被提供为激光并且所述光束是激光束，具体为
□宽条形激光器(BAL)，
□超发光二极管(SLED)，或者
□多模激光源，
具体来说，其中，
在所述光源(31)包括发光二极管或激光源的情况下，所述光源(31)还包括具有不对称发光孔径的准直部件(37)，其中，所述准直部件(37)被设计成使得所述发光孔径沿所述第一方向的长度显著小于沿所述第二方向的长度。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的测距单元(1)，
其特征在于，
所述光检测单元(3)还包括透镜，其中，所述图像传感器根据Scheimpflug准则相对于所述透镜设置，具体来说，考虑到预定的照射平面来设置。
15.一种具有计算机可执行指令的计算机程序产品，该计算机可执行指令被实现成，具体地当在根据权利要求8至14中任一项所述的测距单元(1)的控制与处理单元上运行时，根据权利要求1至7中任一项所述的方法，执行和/或相应控制确定到物体(5)的距离。
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