CN108007427B

CN108007427B - 用于三角测量的测量装置和方法

Info

Publication number: CN108007427B
Application number: CN201711010588.9A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托夫·布兰肯堡; 亨德里克·施泰因曼
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: US20180120101A1; EP3315902A1; EP3315902B1; CN108007427A; KR20180046374A; EP3315902C0; US10823559B2; KR102027163B1

Abstract

本发明涉及用于三角测量的测量装置和方法。一种用于三角测量的测量装置，包括：光发射器，其用于发射照明光；传输光学系统，其将照明光以多个光带的方式引导到物体；光接收器，其用于通过测量从被照射的物体区域反射回来的光来产生物体的测量图像；以及评估单元，其用于基于测量图像确定物体的形式或位置信息。根据本发明，为了分配测量图像中的哪个区域属于哪个光带，传输光学系统被设计成使得其将照明光以不同形式的光带的方式引导到物体。另外，描述了用于三角测量的相应方法。

Description

用于三角测量的测量装置和方法

技术领域

在第一方面，本发明涉及根据本发明的用于三角测量的测量装置。

在第二方面，本发明涉及根据本发明的用于三角测量的方法。

背景技术

在三角测量中，利用光发射器将光发射到待检查的物体上。从被照射的物体区域反射光，并且利用光接收器来检测光。光接收器可以具有空间分辨率并且记录测量图像。根据三角测量原理，光发射器和光接收器在与测量方向横向的方向上彼此偏移或者彼此成角度地设置，使得在测量图像中，被照射的物体区域的位置取决于物体离测量装置的距离。因此可以获得与物体有关的位置或距离信息。

已建立的测量方法采用了线性照明。这里，照明光以线/光带的形式，典型地以直线的形式发射。然而，取决于物体的形状或形式，直线不被记录在测量图像中，而是记录扭曲的线或阶梯状的级数(progression)。因此，可以从记录在测量图像中的级数推导出物体的形状或位置信息。然而，仅利用一个光带的物体测量是有风险的，并且可能容易导致误差。因此，在通用测量装置中使用了多个线形状的照明或光带。

用于三角测量的通用测量装置包括：用于发射照明光的光发射器、用于将照明光以多个光带的方式引导到物体的传输光学系统、用于通过测量从被照射的物体区域反射回来的光而生成物体的测量图像的光接收器以及用于基于测量图像确定物体的形状或位置信息的控制和评估单元。

相应地，在用于三角测量的通用方法中提供了：

-利用光发射器来发射照明光，

-利用传输光学系统在物体的方向上以多个光带的方式引导照明光，

-利用光接收器测量从被照射的物体区域反射回来的光并记录物体的测量图像，

-利用评估单元基于测量图像来确定物体的形状或形式或位置信息。

这种测量装置和这种测量方法由申请人例如在EP 2287560 B1中进行了描述，并且从US 6542249 B1和US 2004/0032974 A1中亦可得知。

在这种使用多条线的情况下，有必要将测量信息(即测量图像中的图像点)正确地分配给不同的光带。如果记录在测量图像中的与光带对应的测量线具有不连续的阶梯和/或间隙，则这种正确分配是特别困难的。例如，通过物体的陡边可能会出现阶梯和间隙。正确分配的问题也被描述为“对应问题”。

为了确保正确分配，可以一个接一个地发射光带。然而，这增加了测量持续时间，并且只能用在基本上不可移动的物体的情况下。然而替代地，光带也可以被生成为具有不同的光波长。然而，为了利用光接收器来区分不同的光波长，需要成本密集型的颜色检测器。此外，在单色检测器具有相同尺寸的情况下，它们具有较差的分辨率。

最后，物体颜色同样影响反射光的强度，而依赖于相应光带的波长。

发明内容

本发明的目的可认为是示出用于三角测量的测量装置和方法，利用该测量装置和方法可以通过多个光带特别可靠且精确地测量物体。

该目的通过具有本发明的特征的测量装置和具有本发明的特征的方法来实现。

根据本发明的测量装置和根据本发明的方法的有利变型是本发明的主题，并且在以下描述中另外进行说明。

利用根据本发明的上述类型的测量装置，为了将测量图像中的区域分配给相应的光带，传输光学系统被设计成使得其将照明光以不同形式的光带的方式引导到物体。

类似地，在根据本发明的上述类型的方法中，为了将测量图像中的区域分配给相应的光带，利用传输光学系统将照明光以不同形式的光带的方式引导到物体。

本发明的基本思想可认为是：不以相同形状或形式的方式而是以彼此不同形成的方式设计照明光的光带。以这种方式，可以将记录在测量图像中的光带明确地分配给特定光带。特别地，这对于彼此平行布置的光带也是可能的。可以同时有利地发射多个光带，并且由此对光接收器没有更高的要求；例如不需要颜色识别用以便区分不同光带。

为了确保光带是不同的，每个光带可以具有与相邻的或所有其它光带的结构不同的结构。特别地，传输光学系统可以被设计成使得每个光带包括至少两个相邻的特别是平行的线。线可以具有不同的宽度和/或其中的一条线可以是虚线(dotted line)或短划线(dashed line)。不同的光带可以在上述宽度上不同，或者虚线或短划线的类型上不同，或者虚线或短划线相对于同一光带的另一条线的布置上不同。该布置可以特别地指示虚线是否在同一光带的另一条线之上或之下。每个光带也可以仅包括单个虚线或短划线，其中光带的点或划的类型不同。

评估单元可以被设计用以评估测量图像并且将其中光带的不连续的部分识别为同一光带的部分。为此，检测每个不连续的部分的结构。在上述示例中，结构可以是虚线和连续线彼此相邻。在另一种结构中，例如短划线和连续线可以彼此相邻。那些具有相同结构的部分被分配到同一光带。此外，在测量图像中检测到的光带可以基于其结构而分配给特定光带。

将包含在测量图像中的光带错误分配给发射到样品的光带的风险对于相邻的(光)带是特别高的。因此，可以将彼此相邻的光带设置成不同的。并非所有的光带都需要彼此不同。以这种方式，传输光学系统的更简单设计是可能的。然而替代地，所有的光带可以彼此不同，由此实现特别高的可靠性。

如果每个光带包括至少两条线，则必须确保能够可靠地确定记录在测量图像中的相邻的线是否属于同一光带或相邻的两个光带。为此，传输光学系统可以被设计成使得相邻的光带之间的距离大于属于同一光带的线之间的距离，尤其是该距离的大小的至少两倍。

传输光学系统还可以被设计成使得每个光带包括至少一条波浪线，并且不同的光带在相应波浪线的频率、幅度、相位和/或形式上不同。波浪线可以例如是正弦波。不同的形式可以是例如正弦波形式、矩形形式、锯齿形式或上述的串联布置。这些形状也可以与直线部分交替，因此例如：同一光带的两个矩形形式可以通过直线部分间隔开。通过对不同的光带将该距离选择为不同的，可以依次将光带相互区分开来。

传输光学系统可以包括结构化元件，其在照明光入射时“印记”特别是如上所述的空间结构。结构化元件可以例如是衍射光学元件，其具有用于产生不同光带的结构。衍射光学元件可以包括例如玻璃载片的透明载片，其上施加例如凹槽或其它凹陷的微观结构。入射光在微观结构处发生衍射，其中入射光的部分光束彼此干涉。因此形成了光带。微观结构被形成为使得具有特定波长或特定波长范围的光干涉，从而形成期望的不同光带。另一方面，当在衍射光学元件处发生衍射时，具有其它波长的光不产生期望的不同光带。

因此，衍射光学元件可以被设计用于一光波长范围，在该范围内，衍射光学元件产生线的形式，并且光发射器可以被设计成使得仅该光波长范围内的照明光被辐照到衍射光学元件上。为此，光发射器可以包括具有期望波长的激光器，或者对应的滤色器可以紧随光发射器设置。

通过衍射光学元件可以同时产生不同的光带，并且不需移动测量装置的部件。也不需要一个接一个地照射衍射光学元件的不同区域。相反，可以同时照射整个衍射光学元件。

在替代实施例中，传输光学系统还可以具有多反射镜阵列，其中的反射镜被定向成使得入射的照明光作为不同光带进一步被引导。这里有利的是，通过调整反射镜可以改变光带。对于更简单的结构，反射镜也可以被刚性地安装。

在另一实施例中，传输光学系统具有微透镜阵列，其中的透镜被布置和形成为使得入射的照明光以不同的光带的形式传输。为此，可以不同地特别是以部分变暗的方式形成透镜，以产生不同程度的传输。

从根据本发明的测量装置的所述实施例的正确使用中也获得方法变型。方法变型也被像测量装置的变型一样理解。

附图说明

下面参考所附的示意图描述本发明的其它优点和特征，其中：

图1示出了根据本发明的测量装置的一个实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的测量装置的一个实施例的示例测量图像；

图3示出了根据本发明的测量装置的另一个实施例的示例测量图像；

图4示出了并非根据本发明的常规测量装置的测量图像。

在附图中，相同的部件和以相同方式起作用的部件通常用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的测量装置100的一个示例性实施例。该装置包括被布置并设计用于三角测量的光发射器10和光接收器40。光发射器发射照明光15。利用传输光学系统20、25将呈多个光带形式的照明光15(也被描述为光带16)进一步在待检查的物体30的方向上引导。以这种方式，照明光在横截面中，即在横向或垂直于传播方向的截面中，具有彼此间隔开的多个光带。光带可以是彼此平行的。

当光带入射到物体30上时，从被照射的物体区域反射回光17。利用光接收器40来检测反射光17。光接收器40可以是记录二维测量图像的相机。反射光17在测量图像中导致对应于光带的条带。

通过举例在图4中示出了由并非根据本发明的常规测量装置记录的测量图像45。该图示出了两个记录的光带51和52，它们分别被中断并且对应于两个发射的光带。在中间的光带区域53中存在一个阶梯，并且仅记录光带51和52中的一个。在这种情况下，不能清楚地确定中间的光带区域53属于第一光带51还是第二光带52。

根据本发明，参见图1，通过传输光学系统20的设计解决了该对应问题。

为此，传输光学系统20具有将结构/图案“印记”在照明光15上的结构。该图案是使不同光带彼此不同的图案。为此，传输光学系统20可以例如是衍射光学元件或者包括这些中的一个。衍射光学元件具有诸如凹陷或凹槽的结构，光通过该凹陷或凹槽进行衍射并且干涉，使得形成多个具有不同图案的光带。

图2通过举例示出，根据本发明，当物体30被具有不同图案的光带辐照时，由光接收器40记录的测量图像45。在测量图像45中可以检测到在线上彼此分离的两个光带部分54以及在线上彼此分离的两个光带部分55。光带部分54和光带部分55的中断可以是例如物体30具有分段或阶梯的这种情况。在测量图像45中，在中间记录了单个光带部分56。尽管光带部分56在空间上更靠近光带部分54，但该光带部分56可以清楚地分配给光带部分55。对于这种分配，评估光带部分54、55、56的图案。光带部分55和56具有相同的结构，即每一个都具有连续线和虚线，虚线位于图2中的连续线的右侧。更通用的术语是，虚线位于连续线的第一侧。光带部分54具有不同的结构，即每一个都具有连续线和虚线，但虚线位于图2中的连续线的左侧。更通用的术语是，虚线位于连续线的与第一侧相对的一侧上。通过光带部分的这些不同结构，可以得出的结论是：具有相同结构的那些光带部分是属于一起的。此外，从结构中可以得出的结论是：测量图像中的哪些光带部分属于由光发射器10和传输光学系统20发射的光带中的哪一个光带。

光带的结构原则上可以根据需要进行选择，假定光带具有可彼此区分的结构。在图3中示出了测量图像45的另一示例。这里再次记录了两个光带，其在测量图像中导致多个光带部分54、55、56。在这种情况下，每个光带包括波结构，例如正弦波形式。该波形的频率对于不同光带是不同的，其又通过将透射光学系统设计为衍射光学元件来实现。光带部分55和56具有相同的结构，即波形的频率比光带部分54的波形的频率更高。因此，可以得出的结论是：光带部分55和56是属于一起的，并且不属于光带部分54。

通过不同的光带结构，可以有利地确定测量图像中的哪些光带部分属于相同的光带，并且还可以识别出这些光带部分所属的特定发射的光带。特别是，在发射的光带彼此平行延伸的情况下，这是一个显著的优点。

Claims

1.一种用于三角测量的测量装置，具有：

-光发射器(10)，所述光发射器(10)用于发射照明光(15)，

-传输光学系统(20，25)，所述传输光学系统(20，25)将所述照明光(15)以多个光带的方式引导到物体(30)，

-光接收器，所述光接收器用于通过测量由被照射的物体区域反射回来的光(17)来产生所述物体(30)的测量图像，

-评估单元，所述评估单元用于基于所述测量图像确定所述物体(30)的形式或位置信息，

其特征在于：

为了分配所述测量图像中的哪个区域属于哪个光带，所述传输光学系统(20，25)被设计成使得所述传输光学系统(20，25)将所述照明光(15)以不同形式的光带(16)的方式引导到所述物体(30)，

所述传输光学系统(20，25)被设计成使得每个光带包括相邻的至少两条线，所述至少两条线具有不同的宽度，或者其中一条线是虚线或短划线，

不同的光带在所述宽度上不同，或者在所述虚线或短划线的类型上不同，或者在所述虚线或短划线相对于同一光带的另一条线的布置上不同，

分别相邻的光带是不同的，并且

所述传输光学系统(20，25)被设计成使得相邻的光带之间的距离大于属于同一光带的所述线之间的距离。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所有的光带是彼此不同的。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述传输光学系统(20，25)被设计成使得每个光带包括至少一个波浪线，并且不同的光带在相应波浪线的频率、幅度、相位和/或形式上不同。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述传输光学系统(20，25)包括衍射光学元件(20)，所述衍射光学元件(20)具有用于产生所述光带的结构。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于：

所述衍射光学元件(20)被设计用于一光波长范围，在该光波长范围内，所述衍射光学元件产生线的形式，并且

所述光发射器(10)被设计成使得仅在该波长范围内的照明光(15)被辐照到所述衍射光学元件(20)上。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述传输光学系统(20，25)具有多反射镜阵列，其中的反射镜被定向成使得进一步以所述不同的光带的方式引导入射的照明光(15)。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述传输光学系统(20，25)具有微透镜阵列，其中的透镜被布置和形成为使得以所述不同的光带的方式传输入射的照明光(15)。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述评估单元被设计用以将所述测量图像中的不连续的光带部分识别为同一光带的部分，并且所述评估单元检测每个不连续的部分的结构并且将那些具有相同结构的光带部分分配给同一光带。

9.一种用于三角测量的方法，其中：

-利用光发射器(10)，发射照明光(15)，

-利用传输光学系统(20，25)，以多个光带的方式在物体(30)的方向上引导所述照明光(15)，

-利用光接收器，测量从被照射的物体区域反射回来的光(17)并因此记录所述物体(30)的测量图像，

-利用评估单元，基于所述测量图像确定所述物体(30)的形式或位置信息，

其特征在于：

为了分配所述测量图像中的哪个区域属于哪个光带，利用所述传输光学系统(20，25)，将所述照明光(15)以不同形式的光带的方式引导到所述物体(30)，

所述传输光学系统(20，25)被设计成使得每个光带包括相邻的至少两条线，所述至少两条线具有不同的宽度，或者其中一条线是虚线或短划线，并且

分别相邻的光带是不同的，

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

所述传输光学系统(20，25)具有衍射光学元件(20)，利用所述衍射光学元件(20)，同时产生不同的光带，并且不需移动所述测量装置的部件。