CN108369090B - 形状测定方法 - Google Patents

Abstract

例如在工业过程中，为了快速及时地确定特别是三维的轮廓，必须对数据的检测和处理进行优化。这通过本发明的方法实现，其中首先借助位置扫描以有所减小的分辨率粗略地确定光线映像的位置，并据此在传感器上自动定义将所述光线映像完全包含在内的窗口，从而在随后的以较位置扫描更高的分辨率实施的测量扫描中，仅需要从所述窗口读取数据。

Description

形状测定方法

技术领域

本发明涉及一种3D形状测定方法。

背景技术

在工业领域中常需要确定反映3维轮廓的形状的数据，特别是定位于原则上平整的基面上的突出部，以便对诸如胶粘剂、点、胶珠、焊缝、涂层等以定义方式施覆的突出部进行品质检查。

其中常借助光切法来测定形状数据或者其他与表面形状关联的结果数据，例如突出部的体积。

在此情形下，将扇状的、即将仅在一个平面中展开的光束施加至待研究的表面，并且以与照射方向互成一定角度、通常是互成锐角的方式进行观察，从而借助扇状射束在表面上的映像的延伸而识别存在于该表面上的突出部，具体方式为：在线状入射的光束扇形横向超出这个突出部延伸的情况下，观察的映像也能够显示升高。

这类(在对象沿横向相对光线运动期间)光线在对象上的单个图像被以短暂的时间间隔反复制造，因此通过将这些单个的纵断面、即扫描相继排列便能测定3维表面形态，以及/或者测定与此关联的参数，如突出部的高度、体积、宽度、位置等。

通常需要在对象的制造过程中及时检测多数以人工方式施覆的突出部，因此，例如在对象以600m/min的速度在光线下穿过的情况下，这个轮廓测定需要有非常高的识别速度和处理速度。

在例如通过市售的512×512像素的平面传感器以30Hz、即以每秒30次扫描的方式进行检测的情况下，若每个像素仅对应一个数据组，则每秒需要处理近八百万个数据组。但一个数据组至少由两个单独的数据字段(位置和光强度)构成，也可能由两个以上数据字段构成。

与此对应地，限制量既可以是由光传感器决定的各扫描之间的最小时间，也可以是通过下游分析单元对如此测定的图像数据的处理速度。

各扫描之间的最小时间是传感器的总是需要并且总体上总是长度相同的曝光时间与将图像数据从光传感器读取至下游处理单元所需的时间的总和，其中视传感器类型而定，这个读取时间可能取决于读取的数据组、即读取的像素的数目。

就此而言，需要区分不同类型的平面式光传感器：

就近乎所有平面式光传感器而言，均能在开始读取前设定：仅需要读取平面式光传感器的通常呈栅格状布置的像素的特定行和/或列的图像数据，或者，仅需要读取特定在开始读取前、特别是在制造照片前尤其是依据行编号和列编号定义的位于传感器平面内的读取窗口的图像数据。

就特定的传感器类型而言，能够从在光线的例如沿行方向延伸的线状映像的末端中的一个上读取图像数据开始，并且根据测定的这个映像的起点的位置和延伸趋势，在后续延伸中持续地先仅对图像数据的一个相对较小的横向于映像的走向延伸的窗口范围进行定义和读取，即对基于在先前的窗口区域中的位置而推断映像的位置所处的区域进行定义和读取。

借助这两个传感器类型均能将在每次扫描中待读取的图像数据的量保持在尽可能低的水平，但后一传感器类型经常不可用或者无法借助预期的参数使用，或者具有其他缺点。

读取的图像数据的处理速度一方面取决于待处理的数据量，另一方面取决于处理操作的类型及其数目。

在理想情形下，用于处理一个扫描的数据量的时间与各扫描之间的最小时间一样短或比其更短，或者，至少各扫描的相继的将数据读入处理单元的操作之间的、由处理过程给定的最小时间与各扫描之间的最小时间一样短或比其更短，具体方式为：如此依序处理读取的图像数据，使得各处理阶段的时间需求均低于扫描之间的最小时间。

就结果而言，如此产生的扫描频率应如此之高，使得在待观察的对象(即生产机械等)的最大运行速度下，以如此短的相继空间距离在对象上实施各扫描，从而能够近乎无缝地检验关注的表面数据。

为了例如保持对在过程中施覆于表面上的胶珠的检查，沿这个胶珠每……mm执行一次扫描，并测定胶珠在每个单独的扫描中具有的高度、宽度和/或横截面积。

因此，尽管胶粘剂与施覆胶珠的喷嘴的惯性特性不相容，仍避免了胶珠中的对之后的粘合连接品质造成影响的缺陷部位。

发明内容

因此，本发明的目的在于，特别是就这类平面式光传感器而言实现尽可能高的扫描速度，针对仅从在所述传感器上定义的读取窗口进行的选择性的数据读取，所述扫描速度实现或者有助于在实施扫描前、即在通过传感器进行记录前定义所有窗口。

本发明用以达成上述目的的解决方案为：以已知的借助光切三角测量法非接触式测定对象的三维表面轮廓的表面数据的方法为基础，其中借助扇状光束将光线施加在轮廓上，并且借助平面式光传感器以不同于发射角度的观察角度制造记录，其在平面式光传感器上产生线状映像，据此能够基于所有相关组件的已知布局测定光线在对象上的三维延伸，并且能够根据多个并排的光线和线状映像确定对象的整个表面轮廓。

本发明的方法的基本构思在于，在测量扫描中仅读取来自所述光传感器的图像数据的一部分。这样便减小了读取时间以及两个相继的扫描之间的最小时间，并且主要是减小待处理的数据量，这使得整个后续数据处理的时间需求减小。

就此而言已知的是，在平面式光传感器上定义读取窗口，其相互连接或者相互略微重叠，并且具有如此的布局和尺寸，使得光线的线状映像完全位于由所述窗口构成的窗口区域内，并且仅从窗口区域、即平面式光传感器的由窗口的总和定义的面读取图像数据。

但就已知的解决方案而言：

或是基于前一扫描以及确定的线状映像在传感器上的位置，为每个下一个扫描定义窗口；

或是在一个新的扫描中在线状映像的一段确定其位置，在该处定义第一窗口，并且基于确定的线状映像在第一窗口中的延伸方向依次(优选在读取操作期间才进行)就大小和位置定义随后的窗口，但这意味着相对较高的计算量和耗时。

这些方案的另一缺点在于，除线状映像以外，不识别传感器上存在的位于线状映像旁的经照亮的区域，特别是当线状映像无间隙连贯存在的情况下，并且即便在光线中出现间隙的情况下，也很难为下一扫描定义相关窗口。

有鉴于此，根据本发明的如下进行操作：首先确定传感器哪里存在经照亮的区域、即映像，其可能是除连贯的线状映像以外的因反射或其他特质而造成的、需要识别的映像分量。

为此，首先实施所谓的位置扫描，从而就位置以及优选就外形而言测定传感器上存在的所有经照亮的面。这个位置扫描不被用作测量扫描，即不被计入反映工件表面的待测定轮廓的结果数据。

基于在所述位置扫描中测定的线状映像的位置，即特别是延伸，以及基于外形，特别是宽度，为下一测量扫描自动如此定义读取窗口，使得所述读取窗口特别是沿线状映像的延伸方向相互连接或者优选重叠，以及，这个窗口区域总体上包含整个线状映像。

对于所述位置扫描而言，尽管检测传感器的整个面的数据，但仍尝试例如通过以下方式加快数据量和/或分析过程：

第一个方法是，以小于测量扫描的分辨率实施位置扫描。

在测量扫描中通常从定义的区域读取所有像素的亮度值(并且当然读取在传感器上的位置)。在采用针对位置扫描的有所减小的分辨率时，不读取所有像素的亮度值，而是仅读取像素中的仍总是能够以足够的精度反映线状映像的位置、即特别是延伸和外形的一部分，至少足以以此为基础为随后的测量扫描自动定义针对尚待读取的数据的读取窗口。

第一方案为，将紧邻的像素整合成一个像素组并作为单独一个虚拟像素处理。特别是可以将四个通常在一个直角栅格中相对彼此布置的、共同构成一个正方形的像素整合成单独一个虚拟像素，或者也可以采用位于具有四像素边长的正方形中的十六个像素。

例如可以将经整合的像素组(即在此为正方形)的中心用作虚拟像素的位置，或者也可以采用具有这个像素组内的最高亮度值的像素的位置。

作为虚拟像素的亮度值，例如可以选择像素组的所有像素的亮度值的平均值，或者也可以选择像素组的所有像素的亮度值的总和，或者也可以选择在像素组内在像素上出现的最高亮度值。

由于仅需要对所述虚拟像素的数据作进一步处理(可能也仅需要读取这些数据，即在平面式光传感器包括集成数据缓存和中间分析装置的情况下)，特别是在位置扫描中，确定映像、特别是线状映像的位置时的计算量以及耗时显著减小。

由于所述虚拟像素确切来说在平面式光传感器上相互间隔一定距离，为了测定线状映像的延伸，可以通过充当线状映像的虚拟部件的笔直的连接线将相邻虚拟像素之间的间隙闭合。

另一方案为，与随后的测量扫描相比，为位置扫描设置更高的亮度阈值，自该亮度阈值起引发对像素的读取，具体方式为，该像素被作为经照亮的像素。

另一方案为，沿所述平面式光传感器的两个延伸方向中的每一个，即既沿行方向也沿列方向，仅读取分别间隔特定像素间距的像素的数据，即例如仅读取每五个或者每十个像素中的一个的数据，其中选择的沿传感器的两个延伸方向的像素间距可以不同，特别是当粗略地知晓线状映像的主延伸的情况下。

针对至少一个紧随所述位置扫描的测量扫描，使用有所增大的分辨率，

该分辨率例如根据上述方法定义，但也基于其他边界条件或限值，

或者采用定义的为用于位置扫描的分辨率的数倍的分辨率，特别是完整分辨率，即读取平面式光传感器的所有像素的亮度值并用作单像原始数据。

对于所述方法的效率而言的一个重点为：除测量扫描以外需要实施这种位置扫描的频率，因为仅测量扫描的数据被计入结果数据。

若稳妥起见，即不忽略任何在传感器上意外出现的非常小的经照亮的区域，则在每个位置扫描后实施仅一个测量扫描，且随后实施一个新的位置扫描。

在此情形下，位置扫描的实施以及依序发生的窗口自动定义必须特别快，以将各测量扫描之间的时间间隔保持在尽可能小的程度，因为需要据此定义在扫描过程中沿待检验的对象的表面的前进速度，用以实施无间隙的轮廓确定。

在关键性较低的应用中，并不一定要采用上述方案，而是可以在每个位置扫描后以此为基础并且基于定义的窗口实施数个测量扫描，例如总是通过在位置扫描中定义的相同的窗口实施定义数目的测量扫描。

另一方法为(特别是当在表面传感器上在线状映像旁预计无其他经照亮的区域时)，在每个测量扫描后检查这个测量扫描是否产生了无间隙的线状映像。

若最后的测量扫描的线状映像包含间隙，则在下一测量扫描前：

或是实施位置扫描；

或是沿传感器的主要与线状映像的延伸方向横交的延伸方向，将在线状映像中确定的间隙所涉及的窗口增大至传感器的整个延伸度。传感器的与主要与线状映像的延伸方向横交的延伸方向是：与线状映像在间隙的各边缘上的延伸方向互成较大角度的那个延伸方向。

对于这个有所增大的窗口而言，重新从传感器读取窗口原始数据，并检验藉此能否就形状而言将线状映像中目前存在的间隙闭合，从而在经增大的窗口中以与其余线状映像的延伸错开的方式包含线状映像的缺少的部分。

若是如此，(当然是在使用经增大的窗口的情况下)实施下一测量扫描。若非如此，则实施一个新的位置扫描。

若在一个位置扫描后相继实施数个测量扫描，则从前置位置扫描后的第二测量扫描起，优选也检查：特别是横向于线状映像的延伸方向，测定的线状映像是否遵循与由定义的窗口的总和产生的窗口区域的外缘的第一最小安全距离。

线状映像的起点和末端沿线状映像的延伸方向当然不遵循与窗口区域的边缘的安全距离，因为沿延伸方向，该线状映像在起点处、即在第一窗口的外缘处开始。

若遵循了这个针对整个线状映像的第一最小安全距离，则使用这个测量扫描。

若非如此，则放弃该测量扫描，并且实施一个新的位置扫描。

另一可行的检验为：在每个产生完整的线状映像的测量扫描后，检查测定的线状映像是否遵循设定的第二最小安全距离，其优选大于所述第一组小安全距离，并且同样是相对由定义的窗口总体上产生的窗口区域的外缘而言。

若是如此，将目前定义的窗口也用于下一测量扫描，其为紧随前一扫描创建，即在这之间不实施新的位置扫描。

若非如此，则针对下一测量扫描，如此将存在安全距离低于第二最小安全距离的对应位点的窗口扩展，使得在这个窗口内遵循预设的第二最小安全距离，并且将经如此改变的窗口区域用于下一测量扫描。

这样便能频繁地在一个位置扫描后相继实施数个测量扫描。

窗口的定义方式也对方法的效率有重大影响，因为将窗口以及由此产生的窗口区域定义得越小(但仍实现目的)，待读取以及待进一步处理的数据的量便越小。

所述窗口优选呈矩形，且其边沿平行于平面式光传感器的两个同样互成直角延伸方向延伸。

以此为基础或者以与此无关的方式，若在位置扫描中能够确定光线映像的宽度，则沿传感器的主要沿光线映像的宽度的延伸方向(上文已就对应的定义进行过说明)，将所述窗口的横向于线状映像的主延伸方向的边长定义为光线映像的宽度的预定倍数。

优选地，所述边长为光线映像的宽度的至少五倍，优选为至少八倍，特别优选为至少十倍。

但边界条件时常在于，使用的平面式光传感器仅接收预设的最大数目的窗口，所述窗口允许被设定为读取区域。

优选如此定义窗口，从而将传感器的沿与线状映像的主延伸方向对应的延伸方向(即与线状映像的延伸方向互成两个中间角中较小的那一个)的长度除以窗口的这个最大数目，并且特别是将如此沿这个延伸方向获得的窗口长度增大，例如与沿这个延伸方向的平均窗口长度相比增大定义的例如十五个百分比，从而实现期望的窗口重叠。

沿另一延伸方向的窗口宽度可以同样分别等于沿第一延伸方向的平均窗口长度，并且以根据该平均窗口长度产生的沿第一延伸方向的重叠布置窗口。其中当然必须沿第二延伸方向将窗口如此错开布置，使得在产生的窗口区域内将线状映像完整记录，特别是在将前述最小安全距离考虑在内的情况下。

但也可以根据线状映像在各位点上的延伸方向改变窗口的大小和外形：

据此，可以在第一步骤中，在与平面式光传感器的两个相互垂直的延伸方向互成45度角度延伸的线状映像的位点上，布置一个边长与定义的平均窗口长度对应的正方形窗口。

在相邻的区段中，以类似于线状映像的延伸方向在这个区域内的变化的方式改变窗口的长度与宽度的比例，也即，线状映像在这个位点上的延伸方向与第一延伸方向互成的中间角越小，窗口的沿这个延伸方向的与宽度相比的长度便越大。

对于在与两个延伸方向互成45度(即斜交)延伸的线状映像上没有点，而在线状映像的整个延伸中与两个延伸方向中的一个互成的中间角总是更小或者更大的情形，就所有窗口而言，沿线状映像的主延伸方向的平均窗口长度保持相同，但是，

在与第一延伸方向互成的中间角始终大于90度的情况下，选择较大的窗口宽度；

在与第一延伸方向互成的中间角始终小于90度的情况下，选择较小的窗口宽度。

另一定义窗口的方法可以如下进行：

沿主延伸方向将所述线状映像划分成预定数目的分别具有相同长度的区段。

针对每个区段单独测定该区段在传感器上的延伸方向，特别是这个区段相对传感器的第一延伸方向和/或第二延伸方向的升角β1或者β2。沿相比之下互成相对较小升角的那个延伸方向，如此定义将线状映像的这个区段完全包含在内的窗口，使得：

所述窗口沿传感器的这个延伸方向的边长大于线状映像的区段的沿这个方向的长度，高出的程度为第一安全系数，以及

沿另一延伸方向采用相同的实施方案，但采用视情况而定不同的第二安全系数。

在采用最大可定义的窗口数目的情况下，所述区段长度可以是平均窗口长度，或者是不采用设定的系数相乘的平均窗口长度。

但也可以将传感器的设定数目的接连排列的像素、特别是100个像素、优选500个像素、特别优选1000个像素的长度选择作为所述区段长度。

就所述装置而言，本发明用以达成上述目的的解决方案为，一种除同类型的组件以外的装置，即

一个激光光源；

一个检测器单元，具有平面式光传感器和电子处理单元，所述电子处理单元用于处理来自所述光传感器的图像数据和计算结果数据。

具有一种结构的光传感器，使得在实施扫描前能够甚或需要定义窗口，仅从这些窗口读取图像数据。

所述光传感器优选也如此构建，使得其包括用于图像数据的内部数据存储器，并且特别是也包括针对位于所述内部数据存储器中的数据的用于换算成其他数据的内部预处理单元。

在此，内部表示这些元件是传感器的组成部分，并且与传感器构成一个结构单元，特别是与传感器平面一起构建为电子芯片。

附图说明

下面对本发明的实施方式进行示例性的详细说明。其中：

图1为本发明的检测器单元的侧视图；

图2a为图1所示的侦测器单元在工作状态下的正视图；

图2b为对象的表面的俯视图；

图3a-c为位于平面式光传感器上的线状映像的示意图；

图4a为所述光线沿其横向的放大详图；

图4b示出在平面式光传感器上确定的虚拟像素；

图5示出线状映像的起点。

具体实施方式

图1为检测器单元的侧视图，从中能看出已知的光切三角测量法的基本工作原理：

其中将扇状光束3'指向对象1的表面2，并在该处因光束3'的扇形(如图2b以俯视图所示)产生光线3。

对象1的表面2所反射的光线3的线状映像4被检测器装置6记录，所述检测器装置例如由平面式光传感器12以及与其连接的电子处理单元11构成，所述处理单元用于处理传感器12所记录的图像以及由此计算出单像原始数据。

为了在光传感器12上映现线状映像4，以此推断出表面2在这个位点上的轮廓2'，光束3的发射方向17与检测器单元6的视向5不允许重合，而是必须通过三角测量角α区分开。在此，如此选择这两个方向，使得其对称地位于表面2的垂直线21的两侧，即分别与这个垂直线互成中间角α₁＝α₂。

表面2上的在光束3'的入射区域内的不平整性、例如突出部2a不会在表面2上产生笔直的光线3以及在传感器12上产生笔直的线状映像4，而是产生包含拱起的线状映像4，其中根据三角测量角α以及中间角α₁和α₂的划分，沿位于施加的光束3的平面(即发射方向17)与这个扇状准线被反射时遵循的反射方向(即传感器12的视向5)之间的中间平面(通常为垂直平面21)剖开，线状映像4的这个拱起可能与轮廓2的拱起2a的形状有区别。

由于已知角度α、α₁、α₂以及对表面的聚焦，以及/或者由于已知检测器单元6与表面2的距离，能够根据线状映像4的尺寸以计算方式推断出位于表面2上的拱起2a的实际尺寸。

同样如图1所示，在检测器单元的壳体16内不仅安设有检测器装置6的述及的组件，还一同安设有用于产生发射的光束3'的光源14，其中这个壳体16呈扁平板状，具有平行于通过发射方向17与视向5夹设的工作平面的主平面20以及横向于这个主平面20的宽度B，所述宽度不大于扇状光束3入射至平面2时采用的观察宽度18。

如图1所示，所述检测器单元就尺寸而言在主平面20中采用非常紧凑的结构，具体实现方式为：通常为激光暗匣的光源14靠近针对光束3'设置的通路23a布置在壳体16中，且光传感器12靠近另一通路23b布置，这两者均布置在壳体16的一个窄面中，其中在通路23b与光传感器12之间，通过面镜19使得入射的光束、即视向5偏转至与设有通路23a、b的外侧平行的方向。

其中传感器12和面镜19均固定在检测器基体6a上，所述检测器基体固设在所述单元的壳体16上。

这样一来，在所述壳体的背离该具有通路23a、b的外侧的一半上留有足够多的空间，用以在该处布置沿壳体的主方向20延伸的电路板24，其包含整个电子处理单元11，并且通过电缆与传感器12以及与光源14连接。处理单元11所测定的结果数据通过连接器26输出。

按照光切法制造的单个记录，即扫描S1、S2、S3被以时间上较快的顺序重复，从而持续地对对象1的沿运动方向7相对检测器单元6运动的表面2进行观察。

由于需要例如在针对对象1或位于基面2上的拱起2a(例如位于充当基面2的纸板上的胶珠)的生产机械上连贯地进行上述操作，需要即时地根据单个记录(即扫描)计算单像数据，即以与通过传感器12制造单个记录(扫描S1、S2、S3)时完全相同的速率，即以相同的节律通过处理单元11提供单像原始数据。

此外，同样需要即时地、即及时地将相继制造的扫描的单像原始数据整合成、特别是累加成结果数据，这些结果数据连贯地反映表面2的轮廓2'，即特别是拱起2a。

为了实现快速的处理过程，尝试针对拱起2a的期望的结果(即确定特定几何参数，如高度、横截面体积等)尽可能早地减少相关数据量，进而将计算结果数据所需的计算量最小化。

为此提出数个方法，其也用作对彼此的补充：

在图3a-c中示出位于平面式的(在此情形下为矩形的)传感器12上的光线映像4，所述传感器由布置在沿第一延伸方向12.1延伸的行Z1、Z2中以及在与此互成直角的沿第二延伸方向12.2延伸的列R1、R2中的像素P1.1、P1.2或P2.1构成。

图3b示出基本构思，也即，为了检测这个线状映像4并对其进行分析，并不读取位于整个传感器12上的所有像素的亮度值并在电子处理单元中作进一步处理，而是仅读取和处理来自预先定义的窗口50a、50b、……中的像素，但其总体上产生完整包含线状映像4的窗口区域。为此，各窗口50a、b必须至少相互接触，优选重叠。

在此情形下的问题在于，为此必须首先至少粗略地获知线状映像在传感器12上的位置，以便定义窗口50a、b的大小和位置，就多数类型的传感器12而言必须在针对所有窗口50a、b的各扫描开始前进行此操作。

为了这个位置确定，在以传感器12的必要的、通常完整的分辨率实施的用于尽可能准确地确定待测量表面轮廓2'的轮廓的测量扫描前，以有所减小的分辨率实施一个测量扫描，其数据不被计入结果数据。

在位置扫描中对传感器12的整个表面进行分析，因为在传感器上经照亮的面也可能位于原本预期的线状映像4旁，例如如图3c所示。

但对于这个位置扫描而言优选不读取传感器12的所有像素P1.1的亮度值，而是仅读取有所减小的数目：例如可以沿传感器的每个延伸方向12.1、12.2分别从第一个像素开始仅读取和处理第5个、第10个像素或者另一整数倍的像素。

图4b示出另一方法：针对分别定义的像素组，例如在正方形中相邻的4个像素或者在正方形中相邻的16个像素，就其亮度值而言在读取过程中便已将其整合成单独一个虚拟像素P*，其中这些组优选沿两个延伸方向12.1、12.2无缝地相互连接，或者以定义的方式略微重叠。

在此情形下，随后仅关注虚拟像素P*的亮度值，其根据预设的算法根据这个像素组的像素的亮度值计算得出，例如作为这个像素组的具体像素的平均值或者总和值。

亮度值高于定义的阈值的虚拟像素被视作位于线状映像4的区域内。

为了获得线状映像4的连贯的粗略延伸，可以通过直线以计算方式将这些相互间隔一定距离的虚拟像素P*连接，使得这个折线表示线状映像4在光传感器12上的粗略延伸，据此便能为随后的测量扫描定义窗口50a、50b的位置和大小。

在图4b下部中示出如何取而代之地为预设的像素组(在此为25个在正方形中相邻的像素)测定虚拟像素P*，其为在该像素组内具有最高亮度值的像素，并且仅将这个像素作为具有亮度值的虚拟像素来进一步处理，用以确定线状映像4的粗略位置，例如如上文所述。

此外，在测定经照亮并进而位于线状映像的区域内的虚拟像素P*后，可以以在预设的环境中围绕这个虚拟像素的方式，例如以4或16个像素围绕的方式，重新具体地确定每个单个像素的亮度值，从而不仅测定延伸，例如也测定线状映像4的宽度。

图4a(反向显示)示出这种线状映像4的横截面，其在此情形下具有5个像素的宽度，在此为P30.17至P34.17。

藉此，至少在这个位点上已知光线映像4的宽度B，并且在光线的延伸中的数个甚或所有位点上测定宽度的情况下，能够确定线状映像4的最大和/或平均宽度B。

但首先可以将这个具有实际宽度B的线状映像4减小至包含仅一个像素的宽度，具体方式为：将沿横向连接成光线映像4的像素的亮度值整合成一个横向像素，其中或是将在这个横向上具有最高亮度值的像素选择作为横向像素，或是简单地采用中间像素，但具有例如对沿横向的所有5个像素的亮度值求平均值后得到的亮度值。

图4a示出沿横向的像素的亮度值延伸的两种可能的形式。

如此便能通过减小至线状映像4的宽度B中的单独一个像素测定该线状映像的非常准确的延伸。

可设定的读取窗口的数目通常因传感器12的结构形式被限制为最大数目。

如图3a-c所示，尽管具有拱起，线状映像4通常具有主延伸方向，即平面式光传感器12的与线状映像4的延伸方向(即从线状映像4的起点至末端的直线)互成较小中间角的那个延伸方向12.1或12.2。

为了测定窗口沿线状映像4的主延伸方向、例如沿延伸方向12.1的长度50a.1、50a.2，例如可以如图3a所示将传感器12沿这个延伸方向12.1的长度除以允许的窗口的最大数目，由此得到初级子长度12.1*。

藉此能够将线状映像4划分成区段4a，故其在此情形下沿延伸方向12.1各自具有相同的区段长度4a.1，从图5可以最清楚地看出这一点。

因此，根据线状映像4的已知的延伸方向能够在每个区段4a中确定沿另一延伸方向12.2的区段长度4a.2。

这样便能围绕这个区段4a的延伸分别设有一个窗口，例如50a，在该窗口中，在与沿这个方向的区段长度4a.1对应的初级子长度12.1*的两侧分别增设一个第一安全附加量SF1，并且在沿另一延伸方向12.2的区段长度4a.2的两侧分别增设一个第二安全附加量SF2，进而就大小和位置定义具有窗口长度50a.1、50a.2的窗口50a。

可以类似地为线状映像4的所有区段4a实施上述操作，进而定义所有窗口50a,50b,50c,…,50k。

针对随后的测量扫描，从各窗口50a,50b,50c,…,50k读取窗口50a,50b,50c,…,50k中的所有像素的亮度值，其中针对包含在重叠区域内的像素就其亮度值而言当然仅读取一次，并在进一步处理中考虑在内。

如图3c所示，若在测量扫描中发现线状映像4在其延伸中具有间隙，或者即便在无间隙的情况下，在传感器12上在线状映像4旁有其他经照亮的区域，则进行以下操作：

若线状映像4如图3c所示具有间隙，则将该间隙所基于的窗口50b、50c沿相对于光线映像4的主延伸方向4'(在此为延伸方向12.1)的横向(光线映像4的特定点上的切向，如在间隙边缘处所示)，即沿延伸方向12.2伸展至传感器12在这个第二延伸方向12.2方向上的整个延伸度，以便检测线状映像4的可能相对其余线状映像4横向错开的部分。若这种横向错开的部分不包含在这些扩展窗口中，则不使用这个测量扫描，并且实施一个新的位置扫描。

另一问题在于需要实施位置扫描(其总是表示针对原本的测量操作的停滞时间)的频率，即是否需要在每个测量扫描前进行位置扫描，或者是否可以在一个位置扫描后相继实施数个测量扫描。

为此，可以如图3b所示为每个单独的窗口50a,50b,50c,…,50k检验：被各窗口包围的区段4a是否遵循与将其包围的窗口的纵向边沿的足够的最小安全距离MS2。

若所有窗口50a,50b,50c,…,50k均符合上述条件，则通过相同的窗口重新实施测量扫描，无需预先实施位置扫描。

若非如此，则在对应的未遵循最小安全距离MS2的位点上沿对应的方向如此将包围窗口扩展，使得遵循这个第二最小安全距离MS2，并且通过经如此改变的窗口以及经如此改变的窗口区域实施下一测量扫描。

其中可以为窗口设定最大尺寸，不允许超出这个最大尺寸，并且在超出时实施新的位置扫描。

为了增强可靠性，确保在测量扫描中检测整个线状映像4，还可以(在为其他分析和结果数据使用测量扫描的原始数据前)检查：是否以与前文所述类似的方式遵循与将各区段4a包围的窗口(例如50a)的边缘、特别是纵向边缘的(但在此情形下通常更小的)第一最小安全距离MS1。

附图标记表

1 对象

2 表面

2' 表面轮廓

2a 拱起

3 光线

3' 光束

4 线状映像

4' 延伸方向

4a 区段

4a.1、4a.2 区段长度

5、5' 视向

6 检测器装置

7 运动方向

8 延伸方向

9 图像数据存储器

11 电子处理单元

12 光传感器

12.1、12.2 延伸方向

12.1* 初级子长度

13a、b 平行输出

14 激光光源

15 内部存储器

16 壳体

17 发射方向

18 观察宽度

19 面镜

20 主平面

21 垂直线，垂直平面

22 基面

23 通路

24 电路板

25 缓存

26 连接器

50a,50b,50c,…,50k 窗口

50a.1 长度

50a.2 长度

α 三角测量角

α₁、α₂ 中间角

β1、β2 升角

P1.1 像素

P* 虚拟像素

D1.1 数据组

MS1、MS2 安全距离

Z1 行

R1 列

S1、S2 扫描

SF1、SF2 安全附加量

b、B 宽度

Claims (15)

1.一种借助光切三角测量法非接触式测定对象(1)的表面数据的方法，所述表面是指表面轮廓(2')，具体方式为：

a)将至少一个扇状光束(3')沿发射方向(17)指向所述对象(1)的表面(2)；

b)其中检测器装置(6)的视向(5)与所述光束(3')的发射方向(17)互成三角测量角(α)；

c)通过包括平面式光传感器(12)的所述检测器装置(6)将在所述表面(2)上产生的光线(3)以单像的形式作为光线(3)的线状映像(4)记录，并且保存作为光线(3)的单像原始数据；

d)以沿与光线(3)的延伸方向(8)横交的运动方向(7)依据定义错开的方式，将这个根据步骤c)的单像测定相继实施多次，并由此根据如此获得的光线(3)的单像原始数据累加出描述整个表面轮廓(2')的结果数据；其特征在于：

e)以有所减小的分辨率实施一个根据步骤c)的单像测定以作为位置扫描，其中根据因所述位置扫描获知的位置和所述线状映像(4)在所述平面式光传感器(12)上的外形，在所述平面式光传感器(12)上如此自动定义窗口(50a,50b,50c,…,50k)，所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)沿线状映像(4)的延伸方向相互重叠，使得所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)分别包含线状映像(4)的一部分并总体上包含整个线状映像(4)；

f)随后以比位置扫描中更高的分辨率实施至少一个根据步骤c)的单像测定以作为测量扫描，其中仅从所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)读取窗口原始数据，并将其整合成单像原始数据，所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)对应位于所述平面式光传感器(12)上的整个线状映像(4)；

g)在根据步骤d)测定描述整个表面轮廓(2')的结果数据时，仅使用根据f)的测量扫描的单像原始数据；

其中，在每个测量扫描后，检查这个测量扫描是否产生无间隙的线状映像(4)，且在并非如此的情况下，进行以下之一：实施一个新的位置扫描；或者沿所述平面式光传感器(12)的第一延伸方向(12.1)和第二延伸方向(12.2)中主要与所述线状映像(4)的延伸方向(4')横交的那一个，将所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)中完整包含线状映像(4)的间隙的窗口沿所述平面式光传感器(12)的第一延伸方向(12.1)和第二延伸方向(12.2)中主要与所述线状映像(4)的延伸方向(4')横交的那一个增大至所述平面式光传感器(12)的整个延伸度，并且为经增大的窗口重新测定窗口原始数据，并且检验这些窗口原始数据是否将间隙完全闭合，并且据此实施下一测量扫描或者一个新的位置扫描。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤e)中：

e1)读取整个所述平面式光传感器(12)的单像原始数据，其因而至少反映整个线状映像(4)；

e2)根据所述单像原始数据产生就数据量而言有所减小的单像紧凑数据，其仍以有所减小的精度反映所述线状映像(4)的位置和外形。

3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，

在所述位置扫描中相对于所述单像原始数据减小所述单像紧凑数据的分辨率，具体方式为：

将所述单像原始数据的4或16个在正方形中相邻的像素的像素组的曝光值，整合成单独一个充当所述单像紧凑数据的一部分的虚拟像素(P*)，其中：

采用所述虚拟像素(P*)在经整合的像素组的中心的位置，以及虚拟像素(P*)的形式为像素组的所有像素的平均值或总和值的亮度值；

或是采用虚拟像素(P*)在观察的像素组的具有最高亮度值的像素的位点处的位置，以及虚拟像素(P*)的与像素组的这个最高亮度值的像素对应的亮度值，以及相互间隔一定距离的虚拟像素(P*)，其构成反映所述线状映像(4)的位置和外形的单像紧凑数据，其中：通过充当线状映像(4)的虚拟部件的笔直的连接线使用相邻虚拟像素(P*)之间的间隙。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在从所述平面式光传感器(12)读取数据前，便已在模拟区块中，即在所述平面式光传感器(12)中确定所述虚拟像素的位置和亮度值。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

沿所述平面式光传感器(12)的第一延伸方向(12.1)和第二延伸方向(12.2)中的每一个，分别仅读取每五个或每十个像素中的一个，并将其用于所述单像紧凑数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

将以下两者之一用作所述测量扫描的比所述位置扫描更高的分辨率：

使用所述单像原始数据的完整分辨率；

或是使用定义的为用于位置扫描的有所减小的分辨率的数倍的分辨率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在每个测量扫描后重新实施一个位置扫描。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

从前置的位置扫描后的第二个测量扫描起，在实施这个测量扫描后，检查测定的线状映像(4)是否在每个位点上均遵循预设的横向于线状映像(4)的延伸方向(4')的与由重叠的窗口(50a,50b,50c,…,50k)产生的窗口区域的外缘的第一最小安全距离(MS1)；

若是如此，则使用所述测量扫描；

若非如此，则放弃该测量扫描并实施一个新的位置扫描。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

在每个产生完整的线状映像(4)的测量扫描后，检查测定的线状映像(4)是否遵循预设的与由重叠的窗口(50a,50b,50c,…,50k)产生的窗口区域的外缘的第二最小安全距离(MS2)，所述第二最小安全距离(MS2)大于所述第一最小安全距离，以及

若是如此，则将目前使用的所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)用于下一测量扫描；

若非如此，则针对下一测量扫描，在线状映像(4)的对应位点上如此将所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)中围绕所述线状映像(4)的对应位点定位的窗口进行扩展，在所述线状映像(4)的对应位点，所述线状映像(4)与所述窗口区域的外缘的距离小于所述第二最小安全距离(MS2)，使得遵循预设的第二最小安全距离(MS2)，并且将经如此改变的窗口区域用于下一测量扫描。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)为矩形，其边沿沿所述平面式光传感器(12)的第一延伸方向(12.1)和第二延伸方向(12.2)延伸，

以及/或者

沿主要朝所述光线映像(4)的宽度(B)延伸的第一延伸方向(12.1)，窗口(50a,50b,50c,…,50k)的边长为光线映像(4)的宽度(B)的至少5倍。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述平面式光传感器(12)上采用预设最大数目的窗口(50a,50b,50c,…,50k)的情况下，将所述平面式光传感器(12)的沿线状映像(4)延伸时主要遵循的第一延伸方向(12.1)的长度除以这个最大数目，并且定义如此获得的沿第一延伸方向(12.1)的初级子长度(12.1*)，使得其比沿第一延伸方向(12.1)的平均窗口长度高出定义的百分比。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

按如下定义所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)：

沿第一延伸方向(12.1)就在所述平面式光传感器(12)上的延伸确定所述线状映像(4)的具有预设第一区段长度(4a.1)的区段(4a)，具体方式为：分别确定这个区段(4a)相对所述平面式光传感器(12)的第一延伸方向(12.1)的第一升角(β1)和相对所述平面式光传感器(12)的第二延伸方向(12.2)的第二升角(β2)，并且由此分别确定区段(4a)沿第一延伸方向(12.1)和第二延伸方向(12.2)的第一区段长度(4a.1)和第二区段长度(4a.2)；

沿构成第一升角(β1)比第二升角(β2)更小的第一延伸方向(12.1)，如此定义在所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)中将所述区段(4a)完全包含在内的窗口，使得：

选择的所述将所述区段(4a)完全包含在内的窗口的沿第一延伸方向(12.1)的长度(50a.1)比所述区段(4a)沿第一延伸方向(12.1)的第一区段长度(4a.1)多出第一安全附加量(SF1)的两倍；

选择的所述将所述区段(4a)完全包含在内的窗口的沿第二延伸方向(12.2)的长度(50a.2)比区段(4a)沿第二延伸方向(12.2)的第二区段长度(4a.2)多出第二安全附加量(SF2)的两倍。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，

将窗口的初级子长度(12.1*)选择作为所述区段(4a)的预设的第一区段长度(4a.1)；

或者

将与所述平面式光传感器(12)的预设数目的像素的相继排列对应的长度选择作为所述区段(4a)的预设的第一区段长度(4a.1)。

14.一种用于实施如上述权利要求中任一项所述的方法的装置，具有：

激光光源(14)；

检测器装置(6)，包含平面式光传感器(12)和电子处理单元(11)，所述平面式光传感器具有呈矩阵状布置的像素(P1.1、P1.2、……、P2.1、P2.2、……)，所述电子处理单元用于处理图像数据和计算结果数据(2')；其特征在于，

所述平面式光传感器(12)具有一个结构，其需要在实施对应的扫描前定义窗口(50a,50b,50c,…,50k)，仅应从所述窗口(50a,50b,50c,…,50k)读取测量数据。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，

所述平面式光传感器(12)包括内部数据存储器，以及针对所述内部数据存储器中的数据的内部预处理单元。

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