CN111692989B - 光线三角测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光线三角测量装置，其具有：测量空间，其用于接纳测量对象；投光器，其适于将光线投射到测量空间中和/或投射到测量对象上；成像器，其用于检测测量空间中的光线，其中成像器包括以多列和多行布置的成像像素。本发明的装置的特征在于，成像器包括多个相同的偏振滤光器组，其中每个偏振滤光器组包括至少两个具有不同偏振方向的偏振滤光器，其中相应的偏振滤光器覆盖一列。

Description

光线三角测量装置

技术领域

本发明涉及一种具有用于接纳测量对象的测量空间和投光器的光线三角测量装置，投光器适于将光线投射到测量空间和/或测量对象上。该装置还包括用于检测测量空间中的光线的成像器，其中成像器包括以多列和多行布置的成像像素。

背景技术

这种光线三角测量装置用于非接触地确定测量对象的轮廓。为了确定测量对象的轮廓，投光器将优选地直线的光线投射到测量对象上。测量对象反射来自投光器的光，其中通过成像器检测由测量对象反射的光。成像器被布置为远离投光器，从而由投光器、测量空间和/或测量对象与成像器形成优选小于90°的角度。由于所述角度，有可能基于三角测量确定测量对象的轮廓。

因此，光线三角测量装置允许非接触地确定测量对象的轮廓。这种装置也被称为光切装置或激光线三角测量装置。

为了正确地检测出测量对象的轮廓，必须明确地识别出光线的真实位置。然而，光线的直接反射能够局部使成像器的像素饱和或投射在成像器的错误位置，从而使线分析变得困难甚至不可能。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种允许减轻直接反射的影响的光线三角测量装置。

该目的通过根据权利要求1的光线三角测量装置来达到。

本发明的光线三角测量装置的特征在于，成像器包括多个相同的偏振滤光器组，其中每个偏振滤光器组包括至少两个具有不同偏振方向的偏振滤光器，其中相应的偏振滤光器覆盖一列。

本发明基于这样的认识：不需要的直接反射(即镜面反射)能够通过其偏振与通常检测到的漫反射区分开。

但是，如果整个成像器仅使用例如一个偏振滤光器，那么只有在测量对象已知并且因此已知反射光的偏振的情况下才能得到可用的结果。由于每个偏振滤光器组中至少有两个不同的偏振滤光器，本发明允许正确地确定未知的/不同的测量对象的轮廓。此外，相应的偏振滤光器覆盖其中一列，优选地是完整的列，这一事实允许在(完整的)列上具有相同的偏振滤光器特性。因此，高度检测的准确度(即测量对象的轮廓检测的准确度)不会因为检测不需要的直接反射而被牺牲。

在光线三角测量装置中，优选地重复偏振滤光器组。这意味着在成像器的像素的多列上布置多个偏振滤光器组。

成像器可以包括像素的矩形阵列，其中优选地，相应的列被相应的偏振滤光器覆盖。如果沿着行看，则偏振滤光器优选地在每个像素之后交替。

术语“被偏振滤光器覆盖”应被理解为，入射在由相应的偏振滤光器覆盖的像素上的光已经穿过相应的偏振滤光器。因此，偏振滤光器的不同位置是可能的，例如，在光路中的某处。

如上所述，光线优选地是直线。此外，成像器被布置为远离投光器，特别是以10°至80°之间的角度，优选地以大约45°的角度。成像器可以包括照相机和透镜，该透镜将来自测量空间和/或来自测量对象的光聚焦到成像器的像素上。

当在测量空间中不存在测量对象时，优选地将光线作为直线投射/反射到成像器的像素上。然后，当将测量对象插入到测量空间中时，由于测量对象的高度，成像器像素上的光线会偏离。如果在测量对象的特定位置处测量对象的高度较大，则像素上的光线的偏离较大。

优选地，该装置适于使用每一列处的像素来分别测量光线的偏离(即反射光线)，从而确定测量对象的多个高度测量。然后可以从多个高度测量中得出测量对象的轮廓。

通过说明书、附图和从属权利要求，本发明的其他有利的实施例将变得显而易见。

根据一个实施例，每个偏振滤光器组包括恰好四个具有不同偏振方向的偏振滤光器。因此，每个偏振滤光器组可以包括偏振滤光器#1、偏振滤光器#2、偏振滤光器#3和偏振滤光器#4。这四个滤光器可以被布置在成像器的相邻列上。因此，如果重复这样的偏振滤光器组，则成像器的连续列可以配备以下顺序的偏振滤光器：#1，#2，#3，#4，#1，#2，#3，#4，#1，#2，#3，…。

根据实施例，偏振滤光器(仅)具有线偏振，其中覆盖相邻列的至少两个偏振滤光器的偏振方向相差45°角。前述的偏振滤光器组可以具有0°、45°、90°和135°的线偏振。该值分别对偏振滤光器#1、#2、#3和#4有效。使用偏振方向的所述角度，允许光线三角测量装置以足够的精度确定沿着反射光线的每个位置处的实际偏振。

应当理解，每组也可以使用不同数量的偏振滤光器。例如，可以仅使用偏振方向分别为0°和90°的两个滤光器。替代地，每组也可以使用恰好六个或八个滤光器，其中八个滤光器的组可以利用0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°的偏振方向。

根据另一实施例，光线三角测量装置包括评估单元，其中评估单元适于组合不同列的至少两个、优选四个像素的像素值，以便检测光线的位置。优选地，评估单元对该组偏振滤光器中的每个偏振滤光器组合每个偏振滤光器的至少一个像素。进一步优选地，组合像素在一行像素中被彼此相邻布置。像素值可以表示由相应的像素检测到的光强度。像素的组合可以是逻辑和/或数学的组合。像素值的组合还可以包括像素值的比较。换言之，由不同列的不同像素获得的偏振信息被评估单元使用。利用偏振信息，评估单元可以适于确定光线的真实位置，其中可以识别直接反射(即镜面反射)，然后在评估光线的真实位置时忽略该直接反射。

因此，不同列的像素的像素值的组合估算允许忽略由直接反射产生的错误信号。

根据一个实施例，评估单元适于减去被两个不同的偏振滤光器覆盖的不同像素的像素值，其中，两个不同的偏振滤光器优选地在偏振方向上相差90°。通过减去被在偏振方向上相差90°的偏振滤光器覆盖的像素的像素值，可以确定斯托克斯矢量的分量。斯托克斯矢量包含四个条目：S＝(S0，S1，S2，S3)，S0表示总强度，S1和S2表示线偏振分量(垂直的和水平的)，S3表示圆的偏振分量。在下面的描述中不再进一步考虑S3。

现在示例性地描述斯托克斯矢量的分量S0、S1和S2的计算。例如，为了计算S1分量，从被具有0°的偏振方向的偏振滤光器覆盖的像素的像素值(以下记为I0)中减去被具有90°的偏振方向的偏振滤光器覆盖的像素的强度(以下记为I90)。因此，S1＝I0-I90。

对应地，斯托克斯矢量的分量S2可以通过从被具有45°的偏振方向的偏振滤光器覆盖的像素的像素值(I45)中减去被135°的偏振方向覆盖的像素的像素值(I135)来计算。因此，S2＝I45-I135。

斯托克斯矢量的总强度(S0)可以计算为S0＝I0+I90或S0＝I45+I135。

评估单元可以执行上述减法和S0的计算。

S1和S2的结果值可以存储和/或显示在对应的结果图(result map)中。结果值的位置可以是已经从中分别用于计算S1或S2的像素值的像素之一的位置。可替代地，该位置可以是用于计算S1或S2的所有像素的位置的平均值。结果值可以进行颜色编码或灰度编码，从而允许快速确定在相应结果图内不同位置处的不同偏振行为。包括S1的值的结果图可以表示为S1-图，而示出S2的值的结果图可以表示为S2-图。

评估单元还可以适于计算S1和S2的不同线性组合的结果图。因此，有可能虚拟地旋转偏振滤光器的偏振方向。

在存储和/或显示S1-图和/或S2-图之前，可以存储和/或显示每个偏振方向的强度图。例如，可以生成被具有0°的偏振方向的偏振滤光器覆盖的所有像素的强度图(0°-图)。强度图也可以进行颜色编码，以允许轻松识别在成像器上的入射光的不同位置。而且，颜色编码允许容易地识别由成像器检测到的不同强度水平。

根据另一实施例，评估单元适于在移动窗口内执行减法，该移动窗口在成像器的像素上逐步移动。可以移动该移动窗口，使得窗口一次向前移动一个像素。在移动该窗口之后，可以再次执行上述计算，并且新计算的结果值可以包括在结果图中。移动窗口可以包括与被一组偏振滤光器覆盖的像素数量相同的像素。例如，移动窗口可以包括被布置在同一行中的四个像素。

根据实施例，提供了一种机械输送机构，该机械输送机构适于沿测量方向相对于光线机械地移动测量对象。换句话说，输送机构可以移动测量对象，使得可以经由光线一个接一个地检测测量对象的不同节段。因此，可以检测出测量对象的不同节段的轮廓，其中评估单元可以将不同轮廓缝合在一起，从而计算出测量对象的三维模型。

为了允许测量对象沿着测量方向以足够的速度移动，优选使用至少50kHz、更优选地至少100kHz的线频。换句话说，分别以至少50kHz或100kHz的频率读出成像器的所有像素。优选地，测量方向垂直于光线。垂直于光线的测量方向的这种布置允许逐步确定在测量对象的所有部分处的测量对象的轮廓。然后，评估单元可以将不同的轮廓缝合在一起，以确定测量对象的三维模型。

另外，由于垂直于光线的测量方向的布置，可以高准确度地确定在测量对象的不同位置处的高度，因为不同的高度将导致反射光线沿着成像器的列的不同偏移。因此，关于成像器的光的分辨率等于成像器同一列中两个像素的距离。相反，由于例如组合四个像素以估算偏振信息，沿光线的位置的分辨率的一部分被牺牲了。这种牺牲的优点在于，可以忽略由于直接反射而导致的错误检测的光线部分。

换言之，如果不存在测量对象，则来自入射到成像器上的光线的光可以在成像像素上形成直线，其中成像器上的反射光线可以垂直于由列限定的方向。如前所述，测量对象的高度差导致反射光线沿着列偏移。因此，测量方向和列是“平行的”。

根据实施例，投光器包括激光源，该激光源投射光线，其中光线优选地由均匀偏振光(即激光)形成。光线也可以称为激光线。均匀的偏振有助于估算偏振状态。例如，在测量对象由金属制成的情况下，它可以在直接反射时保持入射光的偏振。因此，可以基于其偏振来检测直接反射，该偏振可以与由激光源产生的光线的偏振相同。

要注意的是，测量对象的不同材料可以导致反射光的偏振完全不同。例如，有机材料可以引起偏振方向的偏移或旋转。反射光的偏振方向还可以取决于光线投射到测量对象上的角度。

根据实施例，至少一些或所有偏振滤光器直接结合到成像像素上。因此，成像器可以易于生产，这可以导致低的生产成本。

可替代地，偏振滤光器可以被布置在光路中，特别是远离例如在成像器的镜头单元中的成像像素。

根据实施例，评估单元适于基于光线的变形来确定测量对象的不同部分的高度。如上所述，光线的变形允许使用三角测量来确定测量对象的不同部分的高度。

本发明还涉及一种使用光线三角测量来检测测量对象的不同部分的高度的方法。该方法包括：

将光线投射到测量空间和/或测量对象上；

用成像器检测光线，其中成像器包括多个相同的偏振滤光器组，其中每个偏振滤光器组包括至少两个偏振方向不同的偏振滤光器；

基于光线的变形和基于偏振信息来检测测量对象的不同部分的高度。

可以为测量对象的至少100或200个不同部分确定高度。可替代地，可以至少用成像器的列数除以每个偏振滤光器组的偏振滤光器数目来确定高度。

本文描述的关于光线三角测量装置的优点和优选实施例对于本发明的方法也是有效的。

附图说明

现在将参考附图作为示例描述本发明。

图1示出了光线三角测量装置的概况；

图2以俯视图示出了成像器的图像传感器；

图3示出了图像传感器的侧面剖视图；

图4示出了在不同偏振方向上检测到的强度；

图5示出了斯托克斯矢量S1的结果图；以及

图6示出了斯托克斯矢量S2的结果图。

具体实施方式

图1示出了光线三角测量装置10，其包括由传送带12上方的空间形成的测量空间。汽车14形式的测量对象被放置在传送带12上，并沿测量方向M移动。

包括激光源(未图示)的投光器16将光线18投射到传送带12上。

光线18被成像器20监控，成像器20包括透镜22并且耦合到评估单元24。

成像器20被布置为远离投光器16，其中在投光器16和成像器20之间在光线18处形成大约45°的角α。

当测量对象，即汽车14，沿着测量方向M移动并到达光线18时，光线18变形。然后由成像器20检测光线18的变形。根据检测到的光线的变形，可以确定汽车14的轮廓26。轮廓26示出在图1的右手侧。随着汽车14沿测量方向M移动，可以确定多个轮廓26。这些轮廓26可以缝合在一起以形成汽车14的三维(3D)模型28。

图2示出了成像器20的图像传感器30。图像传感器30包括布置在列C和行R中的多个像素32(图3)。偏振滤光器34被布置在图像传感器30上，其中每个偏振滤光器覆盖像素32的完整列C。

在不存在测量对象的情况下，光线18作为沿着行R之一行并且因此垂直于列C的方向的直线投射到图像传感器30上。

在本示例中，使用了四个不同的偏振滤光器34，其中：第一偏振滤光器34a的偏振方向为0°；第二偏振滤光器34b的偏振方向为45°；第三偏振滤光器34c的偏振方向为90°以及第四偏振滤光器34d的偏振方向为135°。四个偏振滤光器34a、34b、34c、34d形成滤光器组36。多个滤光器组36被布置在整个图像传感器30上。因此，上述滤光器组36被重复多次。

图3示出了图像传感器30的截面图。图3示出了不同列C但是相同行R的多个像素32，其中不同的偏振滤光器34被结合到像素32上。

图4至图6示出了在操作期间产生的结果。该结果以灰度编码，以指示强度值或计算值。在图4至图6的示例中，具有V形凹槽46的长方体44被用作测量对象。激光源的偏振对准0°。

要注意的是，在V形凹槽46中出现了不需要相反，长方体44的其余形式通常产生“散射光”，即期望的漫反射。而且，V形凹槽46可以将来自投光器16的光反射到长方体44的其他部分上或反射到V形凹槽46的其他部分上，然后可以导致(从成像器20的角度看)光线18的不需要的“位移”。但是，如本文所述，可以使用偏振方向来检测该位移。

图4示出了被偏振方向分别为0°、45°、90°和135°的偏振滤光器覆盖的像素的所得强度值(即像素值)。换言之，图4示出了0°-图、45°-图、90°-图以及135°-图。可以看出，例如像素强度为0°时，大部分仅显示V形凹槽46，因此产生了不需要的直接反射。

相反，被90°偏振滤光器34覆盖的像素的强度示出V形凹槽46以及长方体44形状二者。

为了能够区分不需要的直接反射和期望的漫反射，计算斯托克斯矢量S1和S2，其中S1＝I0-I90和S2＝I45-I135。

图5示出了斯托克斯矢量S1的结果图(S1-图)，图6示出了斯托克斯矢量S2的结果图(S2-图)。显然，在图6中，V形凹槽46和长方体44形状之间的差异不能被清楚地确定，因为所有结果值都是正的并且在>150的范围内。然而，图5中示出的S1的结果图清楚地区分了不需要的直接反射40和期望的漫反射42。由于直接反射40包括大约150以上的值，而漫反射42包括大约-150以下的值，因此两者都可以被区分。

因此可以看出，偏振滤光器34的使用允许将不需要的直接反射40与期望的漫反射42清楚地区分开。因此可以正确地识别长方体44的形状。

附图标记列表

10光线三角测量装置

12传送带

14汽车

16投光器

18光线

20成像器

22透镜

24评估单元

26轮廓

28三维(3D)模型

30图像传感器

32像素

34偏振滤光器

36滤光器组

38结果图

40直接反射

42漫反射

44长方体

46V形凹槽

M测量方向

C列

R行

α角

Claims (12)

1.一种光线三角测量装置(10)，具有：

测量空间，其用于接纳测量对象(14)；

投光器(16)，其适于将光线(18)投射到所述测量空间中和/或投射到所述测量对象(14)上；

成像器(20)，其用于检测所述测量空间中的所述光线(18)，其中所述成像器(20)包括以多列(C)和多行(R)布置的成像像素(32)；

其特征在于：成像器(20)包括多个相同的偏振滤光器(34)组(36)，其中每个偏振滤光器(34)组(36)包括至少两个具有不同偏振方向的偏振滤光器(34)，其中相应的偏振滤光器(34)覆盖一列(C)，其中基于所述光线(18)的变形和基于偏振信息来检测所述测量对象(14)的不同部分的高度。

2.根据权利要求1所述的光线三角测量装置(10)，其中，每个偏振滤光器(34)组(36)包括恰好四个具有不同偏振方向的偏振滤光器(34)。

3.根据权利要求1或2所述的光线三角测量装置(10)，其中，所述偏振滤光器(34)具有线偏振，其中覆盖相邻列(C)的至少两个偏振滤光器(34)的所述偏振方向相差45°的角。

4.根据权利要求1或2所述的光线三角测量装置(10)，还包括评估单元(24)，其中所述评估单元(24)适于组合不同列(C)的至少两个、优选地四个像素(32)的像素值，以便检测所述光线(18)的位置。

5.根据权利要求4所述的光线三角测量装置(10)，其中，所述评估单元(24)适于减去被两个在偏振方向上相差90°的不同偏振滤光器(34)覆盖的不同像素(32)的像素值。

6.根据权利要求5所述的光线三角测量装置(10)，其中，所述评估单元(24)适于在移动窗口内执行减法，所述移动窗口在所述成像器的所述像素上逐步移动。

7.根据权利要求1或2所述的光线三角测量装置(10)，还包括：输送机构，其适于在测量方向(M)上相对于所述光线(18)移动所述测量对象(14)。

8.根据权利要求1或2所述的光线三角测量装置(10)，其中，

如果不存在测量对象(14)，则来自入射到所述成像器(20)上的光线(18)的光在所述成像像素(32)上形成直线，其中所述直线垂直于由所述列(C)限定的方向。

9.根据权利要求1或2所述的光线三角测量装置(10)，其中，所述投光器(16)包括激光源，所述激光源投射所述光线(18)，其中所述光线(18)优选地由均匀偏振光形成。

10.根据权利要求1或2所述的光线三角测量装置(10)，其中，至少一些所述偏振滤光器(34)直接结合到所述成像像素(32)上。

11.根据权利要求4所述的光线三角测量装置(10)，其中，所述评估单元(24)适于基于所述光线的变形来确定所述测量对象(14)的不同部分的高度。

12.一种使用光线三角测量来检测测量对象(14)的不同部分的高度的方法，所述方法包括：

-将光线(18)投射到测量空间中和/或测量对象(14)上；

-用成像器(20)检测所述光线(18)，其中所述成像器(20)包括多个相同的偏振滤光器(34)组(36)，其中每个偏振滤光器(34)组(36)包括至少两个具有不同偏振方向的偏振滤光器；

-基于所述光线(18)的变形和基于偏振信息来检测所述测量对象(14)的不同部分的高度。

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