CN113945366A - 光源和辐射源的光辐射特性的光度表征方法 - Google Patents

光源和辐射源的光辐射特性的光度表征方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一个方面涉及光源和辐射源的光辐射特性的光度表征方法。本发明涉及一种通过相对于世界坐标系(W)静止布置的光强测量照相机对夹持在定位设备(1)内并且相对于物体坐标系(T)静止的光源进行光度绘制的方法，其中，光源在世界坐标系内沿着定位设备的运动链在第一实际测量位置和至少一个另外的实际测量位置之间移动，其中，在光源接通的情况下，在各实际测量位置通过光强测量照相机记录描述测量表面内的光度特性的空间分布的光强测量图像，并且其中，直接参考世界坐标系，而不参考定位设备的运动链，物体坐标系相对于世界坐标系的位置和/或取向记录在各实际测量位置。并且，本发明涉及这种用于前照灯(3)的光度绘制的方法的用途。

Description

光源和辐射源的光辐射特性的光度表征方法
技术领域
本发明涉及通过相对于世界坐标系静止地布置的光强测量照相机对静止地夹持在定位设备内的光源的光辐射特性进行空间表征的方法，其中，光源在世界坐标系内沿着定位设备的运动链在第一实际测量位置和至少一个另外的实际测量位置之间移动。并且，本发明涉及这种方法的用于前照灯的光度绘制的用途。
背景技术
对于特别是灯(lamp)和电灯(light)的光源的光学特性的表征，其辐射特性，特别是也称为光强分布体或光强分布曲线(LIDC)的光强分布受到关注。
在对前照灯的LIDC绘制时，由于LIDC中的高梯度要求对物体进行非常精确的定位(这里通常为0.01°)，从而以足够高的精度和/或准确度记录物体坐标系中的测量点，对测量仪器的空间分辨率提出特别高的要求。
前照灯被用于照明技术的许多领域，例如车辆前照灯、舞台投影仪、街道照明、铁路和道路交通信号灯以及航空和船舶技术中的灯标。
这里建立了不同的方法，这些方法等已被引入标准EN 13032第1部分和第4部分、CIE 121、汽车领域的ECE法规R1等以及联邦机动车安全标准和基于国标标准的CCC。
对于前照灯的直接光度绘制，应用测角光度计，在该测角光度计中，光传感器(光度计头)被布置在与前照灯的规定距离处，并由其照明。对于光辐射特性的空间记录，前照灯围绕至少一个旋转轴旋转。在配置为光反向器的测角光度计中，在光度绘制期间，前照灯围绕彼此正交的两个旋转轴旋转，其中旋转轴在旋转中心相交。
在以这种方式配置的测角光度计中，在此处和下文中总是参照要绘制的物体(例如参照前照灯或更一般地参照由测角光度计保持的光)定义的物体坐标系在物体围绕至少一个旋转轴旋转时相对于世界坐标系移动。
包括所需的刚性保持器的前照灯(例如车辆前照灯)的尺寸和重量以及高定位精度，导致对这种测角光度计的机械精度和/或准确度和鲁棒性(例如弯曲刚度和扭转刚度)有很高的要求。
使用间接光度绘制，由前照灯发射的辐射被配置在前照灯光路中足够远处的介质捕获。这种介质被配置为漫反射或散射并且优选光谱中性。利用这种间接光度测量方法，可以在单个曝光步骤中用成像方法记录漫反射或散射介质。与通过测角光度计逐点顺序记录LIDC相比，这允许更快的测量。
通过光强测量照相机记录照明介质上的前照灯的部分光通量。介质可以被布置在透射光的光路中，即：在光强测量照相机和前照灯之间透射，或者被布置在撞击光的光路中，即：反射前照灯的光。介质可以配置为曲面或平面。
可以通过分析光强测量照相机、介质和前照灯之间的几何关系，从由光强测量照相机记录并且在被照明介质上散射或反射的光强分布确定LIDC。
并且，几个部分LIDC在前照灯相对于介质的不同角度位置处被记录并且被用于确定整体LIDC的增量方法是已知的。这要求执行用于校正(例如校正畸变)的几何变换、矫正和/或坐标变换，以及将光强值转换为光度或照度的光度变换。
这里，通过测角仪使前照灯相对于介质绕一个或多个轴旋转的测量装置和测量方法是已知的。由于设定于测角仪处的测量物体(前照灯)的角位置经由几何和/或光度变换进入确定的LIDC，因此这种测角仪也受制于对精度和/或准确度的高要求。
发明内容
本发明的目的是，为通过定位设备相对于世界坐标系移动的光源的光辐射特性的空间表征提供改进的方法。
根据本发明，通过具有权利要求1的特征的方法实现该目的。
并且，本发明的目的是要提供用于前照灯的改进光度绘制的这种方法的用途。根据本发明，通过权利要求17的特征实现该目的。
有利的实施例是从属权利要求的主题。
在用于光源的光度绘制的方法中，光源被夹持在定位设备中。定位设备被配置为在相对于世界坐标系指示的实际测量位置之间移动光源。优选地，定位设备被配置为围绕可在旋转中心相交的旋转轴旋转光源。
物体坐标系被定义为相对于夹持光源静止。
通过相对于世界坐标系静止布置的光强测量照相机执行光度绘制。代替光强测量照相机，逐点测量的传感器(例如，光度计)可以类似地被应用于光度绘制，例如通过相对于逐点测量的传感器在测量点之间以具有足够密集的测量距离的扫描图案移动光源来进行光度绘制。
在从光源到光强测量照相机的光路中，可以布置反射和/或散射介质，使得介质被光源照明，并且由介质反射和/或散射的光被光强测量照相机记录。换句话说，光度绘制可能是间接的。
类似地，能够通过光源间接地照亮光强测量照相机，或者通过光强测量照相机直接记录光源的光强分布。
光源在世界坐标系内沿着定位设备的运动链在第一实际测量位置和至少一个另外的实际测量位置之间移动。运动链从相对于世界坐标系静止布置的一个元件(例如基座)延伸到光源在其中被夹持在固定位置并且例如可以被配置为保持设备的元件。
定位设备可以包括可以根据运动链彼此相对地移动(偏移和/或旋转)的多个机器坐标系。具体地，定位设备包括参考处于运动链端部的保持设备的保持坐标系。
对于在测量过程中光源被充分牢固地固定的机械刚性保持设备，物体坐标系(参考光源)和保持坐标系(参考保持设备)通过恒定变换互连，该恒定变换可以被描述为物体坐标系相对于保持坐标系的恒定姿态。
类似地，在测量期间，物体坐标系的位置和/或取向(即姿态)能够例如通过保持设备的弹性变形相对于保持坐标系改变。
在各实际测量位置，光强测量图像在光源打开的情况下由光强测量照相机记录。光强测量图像描述测量表面内的光度特性的空间分布。测量表面可以例如由被光源照明的平坦、漫反射或漫散射介质的捕获平面形成。测量平面也可以是弯曲的，例如是球形弯曲的。
当在光源的实际测量位置记录光强测量图像时，直接参考世界坐标系而不参考定位设备的运动链，记录物体坐标系相对于世界坐标系的位置和/或取向。
术语位置指的是物体坐标系和世界坐标系之间的三维局部偏移。术语取向指的是物体坐标系相对于世界坐标系的旋转(trotation)。位置和取向统称为姿态。各实际测量位置由测量时物体坐标系相对于世界坐标系的姿态确定。
物体坐标系的位置和/或取向的记录如果独立于运动链的各个元素之间的相对运动参数的记录进行则被称为直接且不参考定位设备的运动链。
该方法的优点是位置(尤其是取向)可以在直接参考中以经济高效的方式被确定，即不需要沿着定位设备的运动链的复杂的传感器(sensoric)。
另一个优点是，沿运动链的机械和/或传感器特性(例如不完全刚性构件的偏转或扭转、传感器的晃动(play)或不精确性)不影响实际测量位置的确定的精度和/或准确度。
由于运动链的特性机械性能受测量物体的发生扭矩的影响，因此这是特别有利的。这些扭矩取决于测量物体的姿态和质量分布。如果扭矩分布已知，则特性偏差实际上可能会得到补偿，然而，这需要首先以更多的工作量确定它们。通过在世界坐标系中直接确定物体坐标系姿态的方法，这种额外的工作量不适用。
该方法的另一优点是不需要以高精度和/或准确度接近预定的设定测量位置。相反，以低精度和/或准确度接近设定的测量位置但通过在世界坐标系中直接参考以高精度和/或准确度对实际到达的测量位置绘制是足够的。以这种方式，也能够使用精度较低且成本效益较高的定位设备定位光源。
定位设备提供有保证的定位公差，该公差规定了实际测量位置与预定设定测量位置的最大偏差。记录或确定物体坐标系相对于世界坐标系的位置和/或取向提供了有保证的记录公差，该记录公差规定了相对于世界坐标系的实际位置和/或取向与记录的位置和/或取向的最大偏差。
在该方法的实施例中，相对于世界坐标系的位置和/或取向的记录提供有保证的记录公差，该有保证的记录公差相对于至少一个参数小于定位设备的有保证的定位公差。
该实施例允许在保持光源的光度测量的精度和/或准确度的同时使用较便宜的定位设备。
在实施例中，确定定位设备所需的定位公差，该公差足以使得可以布置和接近预定的设定测量位置的序列，使得当光源达到对应于预定的设定测量位置的实际测量位置时能够完整地记录(或登记)光源的光度特性，其中，各实际测量位置在与相应的预定的设定测量位置的所需定位公差内。
选择用于夹紧光源的定位设备，该定位设备提供小于或优选等于所确定的所需定位公差的有保证的定位公差。
本公开的该实施例依赖于这样的洞察力，即以良好的精度确定实际测量位置就足够了，而定位本身，即光源进入预定姿态的机械驱动可以不太准确。这对于需要定位设备的特别高的机械稳定性的如光源的相对较重的物体特别有利。
本实施例允许在保持光源的光度测量的精度和/或准确度的同时使用特别便宜的定位设备。
在实施例中，选择具有至少±1毫米、优选至少±5毫米的定位公差的定位设备。
该实施例允许在保持光源的光度测量的精度和/或准确度的同时使用特别便宜的定位设备。
在该方法的实施例中，介质以相对于世界坐标系的固定位置和取向被布置，该介质被配置用于对由光源发射的光进行漫反射和/或散射。例如，这种介质可以被配置为漫射反射屏或漫射盘(diffusion disk)。
该介质被布置为使其由光源照明并且由光强测量照相机将漫反射和/或散射光记录在光强测量图像中。
这种间接光度绘制的优点是，可以用一次测量记录相对较大的光分布段。段的大小取决于实施的介质的大小。
在本发明的实施例中，光强测量照相机可以直接(即，在没有介质的情况下)捕获光源。在本实施例中，测量表面被布置在光源的朝向光强测量照相机的表面上。
并且，成像光学部件，例如透镜和/或镜子，可以被布置为在从光源到介质(用于间接光度绘制)或从光源到光强测量照相机(用于直接光度绘制)的照明光路中进行光束控制或光束形成。
在该方法的实施例中，光源在光度绘制期间围绕至少一个延伸穿过旋转中心的轴旋转。由于参考光源的物体坐标系的原点与旋转中心重合，因此这允许对光源进行特别容易的评估，并且因此不需要额外的坐标变换来获得LIDC。
在该方法的实施例中，在第一步骤中，通过直接探测至少一个测量标记确定物体坐标系相对于世界坐标系的位置。在第二步骤中，确定物体坐标系相对于世界坐标系的取向。
该方法的该实施例的优点是，对于光源的评估，具有低精度和/或准确度(例如，具有一毫米的可接受的定位不精确性)的位置的确定是足够的，并且在成本有效的方法中是可能的。相反，需要以高精度和/或准确度(例如以1/100度的可接受角度偏差)确定取向。通过将定位的确定与取向的确定分开，可以实现总体成本有效且足够精确的姿态的确定，并因此实现改进的光源光度绘制。
在该方法的实施例中，通过在每种情况下借助至少一个参考照相机记录至少一个测量标记确定物体坐标系的位置和/或取向。
测量标记和参考照相机廉价地可用，并且可以容易地在定位设备和/或在周围空间中布置和操作。并且，通过参考照相机记录测量标记可以以特别快速、几乎瞬时的方式进行。
在该方法的实施例中，至少一个参考照相机被布置为相对于世界坐标系静止，并且至少一个测量标记被布置为相对于物体坐标系静止。由于测量标记可以被配置为小而轻并且可以容易地紧固和释放，因此有助于特别简单、成本有效和精确的测量。
在该方法的实施例中，至少一个参考照相机被布置为相对于物体坐标系静止，并且至少一个测量标记被布置为相对于世界坐标系静止。优选地，至少一个测量标记由被布置为在世界坐标系中静止的空间特征(例如安装设备或架构特征)形成。以这种方式，能够特别容易和灵活地记录世界坐标系的姿态。
在该方法的实施例中，至少一个测量标记被配置为用于发射能够由分配给该测量标记的至少一个参考照相机记录的辐射的有源测量标记。在参考照相机的图像中可以特别好地识别和定位有源测量标记。由不同有源测量标记发射的辐射可以在光谱和/或时间上被配置为可辨别。以这种方式，可以提高识别测量标记的可靠性。
在该方法的实施例中，至少一个捕获平面在被布置为在世界坐标系中静止。在各情况下，当接近实际测量位置时，确定物体坐标系的位置，并且从以相对于物体坐标系的已知方向发射并在至少一个捕获平面上捕获的调制(即根据位置和立体角变化)照明的绘制确定物体坐标系的取向。
该方法的优点在于，通过绘制以已知方式调制的照明的畸变，可以非常精确和简单地确定相对于捕获平面的角度。
在该方法的实施例中，通过作为包括至少一个投影结构的投影矩阵的衍射光学元件(DOE)产生调制照明。在每种情况下，投影结构沿着引导光束投影到捕获平面上。
投影矩阵可以是点矩阵，其中，配置为投影点的投影结构被间歇地布置。
可以以特别容易的方式产生这种投影矩阵，并且可以通过借助照相机记录在捕获平面上捕获的投影矩阵并且通过在照相机的图像中定位至少一个投影结构以高精度和/或准确度分析这种投影矩阵。
投影点可以以规则的间隔布置，例如等距布置。借助于这种投影矩阵，可以以高的精度和/或准确度确定投影在捕获平面上的点矩阵的位置的变化和/或依赖于点间隔的范围内的投影方向的变化。
至少一个投影结构可以类似地关于位置以不规则的方式被调制(构造)。例如，可以选择投影结构，使得其产生二维非周期形状的亮度分布，该亮度分布的二维自动相关函数优选地仅具有一个最大值并且特别优选地形状类似于狄拉克脉冲。通过这种形状的投影结构，可以跨特别大的范围明确地确定捕获平面上的投影位置的变化。
在其它实施例中，调制照明被配置为条带投影或栅格投影。存在本领域已知的方法，通过该方法，可以参考捕获平面的表面法线确定光轴的倾斜，沿着该光轴在捕获平面上投影条带投影或栅格投影。
在该方法的实施例中，调制照明由光源发射并被直接投影到光强测量照相机上，或由光强测量照相机间接记录为投影到介质或捕获平面上的光强。
接近分别位于设定测量位置周围的预定距离内的实际测量位置，其中，在各实际测量位置，记录至少一个光强测量图像。
选择设定测量位置，使得至少两个光强测量图像重叠，其中，通过图像对准方法确定彼此重叠的光强测量图像之间的偏移，并且从偏移以及从相应分配给光强测量图像的实际测量位置确定物体坐标系的相应取向。
本实施例的优点是，能够利用现有的两个光强测量照相机确定物体坐标系的方向，并因此不需要额外的工作量。
在该方法的实施例中，对于各实际测量位置，通过分析定位设备的参数确定相应的设定测量位置。基于设定测量位置记录物体坐标系的位置和取向。
本实施例的优点是，设定测量位置允许近似地确定实际测量位置。因此，可以减小在直接参考(不参考运动链)中精确记录实际测量位置的测量范围。这允许更简单同时更精确地记录实际测量位置，从而允许更简单且更精确的光度绘制。
在该方法的实施例中，为了接近设定测量位置，相应控制定位设备，使得在距相应分配的设定测量位置的预定距离内到达实际测量位置。例如，可以通过逐步减小实际测量位置和设定测量位置之间的距离，以迭代方式实施控制。
本实施例的优点是在定位光源时实现特别高的精度和/或准确度。这允许特别精确的光度绘制。
所述的方法可以被应用于前照灯的光度绘制。前照灯受制于对光度绘制的特别高的精度和/或准确度要求。以有利的方式，即使当接近设定测量位置时定位设备具有比本领域已知的方法更高的不准确度，也可以通过提出的方法满足这些特别高的精度和/或准确度要求。
以这种方式，可以减少技术和程序上的工作量。例如，与本领域已知的光度绘制方法相比，能够应用具有运动链元件的更高机械晃动(play)和更低弯曲刚度和扭转刚度的定位设备。
特别地，所述方法可以被应用于车辆前照灯的光度绘制。对于车辆前照灯的光度绘制，可以以成本有效的定位设备同时以高精度和/或准确度和可重复性实现的简单的测量过程是特别重要的。
附图说明
在下文中，参考附图更详细地描述本发明的实施例。
图1是被配置为用于定位光源的测角仪的现有技术定位设备的示意图，
图2是被配置为工业机器人的定位设备的示意图，该工业机器人在其上面布置有测量标记，
图3是被配置为工业机器人的定位设备的示意图，该工业机器人在其上面布置有测量盘，
图4是被配置为工业机器人的定位设备的示意图，该工业机器人在其上面布置有参考照相机，
图5是带有用于投影点矩阵的引导光源的定位设备的示意图，
图6是用于部分捕获投影点矩阵的光学捕获设备的示意图，
图7是不同实际测量位置的带有车辆前照灯的保持设备的示意图，以及
图8是从不同实际测量位置记录的车辆前照灯的光强测量图像的示意图。
相应的部分在所有附图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1表示用于定位光源Q的现有技术定位设备1。例如，定位设备1被配置为测角仪10。测角仪10的基座10.F在笛卡尔世界坐标系W中静止并且承载支柱10.S。世界坐标系由在原点相交的世界x轴W.x、世界y轴W.y和世界z轴W.z定义。
测角仪10包括被配置为用于保持和可释放地紧固光源Q的保持设备2。例如，保持设备2可以被配置为保持板10.2，优选被配置为穿孔栅格板。保持板10.2通过支柱臂10.1连接至支柱10.S。
支柱臂10.1可相对于支柱10.S绕垂直旋转轴10.V旋转。并且，支柱臂10.1包括没有详细显示的旋转设备，通过该旋转设备，布置在其上面的保持板10.2可以绕固定在支柱臂10.1上的水平旋转轴10.H旋转，该水平旋转轴10.H与垂直旋转轴10.V正交取向并在旋转中心10.D与垂直旋转轴10.V相交。
并且，保持板10.2可以相对于支柱臂10.1沿着相互正交的三个平移轴10.X、10.Y和10.Z偏移，使得由保持板10.2保持的光源的光学中心或另一基准点移动到旋转中心10.D。
以这种方式，光源Q可以在旋转中心10.D中绕旋转轴10.H、10V旋转。光源Q旋转，使得由光源Q发射的光通量至少部分地落在可被配置为漫反射或散射的介质M上。在这里，光通量产生导致介质M的光强的光强，该光强可由光强测量照相机4以图像分辨率的方式测量。
在光源Q的绘制期间，光强测量照相机4和介质M彼此之间以及关于世界坐标系W的位置和取向是已知的并且是固定的。如果光源Q在世界坐标系W中的位置和取向是已知的，则可以根据以图像分辨率方式测量的介质的光强确定部分光强分布体，其中，部分光强分布体指示作为辐射角的函数的由光源Q发射的光强分布。
在这种上下文下，部分光强分布体的确定被限制在由光源Q发射的光落在介质M上的立体角范围。
通过在旋转中心10.D绕旋转轴10.H、10.V旋转光源Q，可以记录多个部分光强分布体，并且基于此，可以确定光强分布体，该光强分布体覆盖比单个部分光强分布体更大的辐射角的立体角范围。
在现有技术中，光源Q的位置和取向的确定受到沿着从基座10.F到固定连接光源Q的保持板10.2的运动链传播的定位误差和位置确定误差的限制。并且，光源Q的位置和取向的确定受到与模型假设的未知偏差(例如由于支柱臂10.2的机械刚度不足)的限制。
因此，本领域已知的光源Q的位置和取向的确定需要沿运动链的高精度传感器，当前的用于检测沿平移轴10.X、10.Y、10.Z实施的保持板10.2相对于支柱臂10.1的偏移并且用于检测围绕旋转轴10.V和10.H的旋转角度的高精度传感器，例如由于与第一平移轴10.X同轴的支柱托架的下垂，仅可能具有有限的精度和/或准确度。
因此，需要能够没有干扰地确定可以沿着运动链相对于世界坐标系W移动的光源Q的光强分布体，并且测量沿着运动链的在其精度和可靠性上限制确定的光强分布体的误差的设备和方法。
图2表示例如被配置为工业机器人100的另一定位设备1。工业机器人100包括被布置在臂段100.1的自由端的保持设备2。
优选地，保持设备2被配置为具有不同紧固选项(例如穿孔栅格板或安装框架)的平台，并且被配置为接收和保持物体(优选光源Q)。特别优选地，保持设备2被配置为接收前照灯3。
笛卡尔物体坐标系T相对于由保持设备2保持的物体被定义，该笛卡尔物体坐标系T由在物体坐标系原点T.O相交的物体x轴T.x、物体y轴T.y和物体z轴T.z确定。如果例如保持的物体是光源Q，则物体坐标系T可以由光度基准点和光度基准轴确定。
工业机器人100包括多个铰链轴G，单个臂段100.1围绕铰链轴旋转，或者两个相互连接的臂段100.1可以围绕该铰链轴相对彼此旋转。通过绕铰链轴G旋转，保持设备2可以在笛卡尔世界坐标系W内移动。并且，保持设备2可以通过绕铰链轴G旋转相对于世界坐标系W沿着至少一个轴旋转。优选地，工业机器人100被配置使得由保持设备2保持的前照灯3可以沿着两个轴围绕旋转点独立地旋转并且相对于该旋转点移动。
换言之：通过绕铰链轴G旋转，沿着从在世界坐标系W中静止的工业机器人100的基座100.F开始直至保持设备2的运动链导致物体坐标系T相对于世界坐标系W的变化。运动链由臂段100.1的相对旋转角确定，该臂段100.1通过相应的铰链与铰链轴G相连。
工业机器人100包括特别多的自由度，并且特别灵活地可移动和可编程。类似地，代替工业机器人100，可以应用具有保持设备2并且允许在由保持设备2保持的空间中重新定位要绘制的物体的任何其它类型的可移动定位设备1。特别地，图1所示的设计的测角仪10也可以被用作定位设备1。
如果由保持设备2保持的光源Q(例如前照灯3)由被布置为相对于世界坐标系W静止的测量设备绘制，则评估测量设备的测量需要确定物体坐标系T相对于世界坐标系W的位置和取向。测量设备被配置为用于确定横跨辐射立体角的至少部分范围的光源Q的光强分布体。优选地，测量设备被配置为间接地确定至少一个部分光强分布体。
在本实施例中，测量设备包括被配置为用于记录至少一个光度特性的光强测量照相机4和介质M。
前照灯3通过工业机器人100定向和定位，使得由其发射的光通量至少部分地落在介质M上。
介质M可以被配置为漫反射和光谱中性反射表面。在这种情况下，光强测量照相机4被布置在相对于介质M的与前照灯3相同的半空间中，并且被配置为记录由介质M漫射反射的光。反射表面可以是平的(平面)或也可以是弯曲的，例如球形。
介质M也可以配置为漫射盘。在这种情况下，光强测量照相机4被布置为相对于介质M与前照灯4相对，并且被配置为记录在介质M处散射的光。
光强测量照相机4和介质M相对于彼此和相对于世界坐标系W的布置和取向是已知的或者被记录。
因此，为了在像素坐标系中逐像素地分配由光强测量照相机4记录的光度特性(例如光强)，确定物体坐标系T相对于世界坐标系W的位置和取向是需要并且足够的。物体坐标系T的位置由以世界坐标系W的坐标值指示的物体坐标系原点T.O的位置确定。物体坐标系T的取向由以世界坐标系W的坐标值指示为方向矢量的至少一个轴T.x、T.y、T.z的位置确定。
在现有技术中，通过记录沿工业机器人100的铰链轴G的旋转角并将它们插入描述基座100.F和保持设备2之间的运动链的工业机器人100的机械运动模型中，确定物体坐标系T相对于世界坐标系W的位置和取向。在现有技术中，旋转角由旋转角传感器(例如旋转增量传感器)检测。
相反，本发明提出通过在世界坐标系W中直接参考而不参考运动链确定物体坐标系T相对于世界坐标系W的位置和取向，其中，在第一步骤中，物体坐标系原点T.O的位置通过直接参考确定为以世界坐标系W的坐标值的点，并且，在第二步骤中，通过直接参考将物体坐标系T的取向确定为以世界坐标系W的坐标值的方向矢量。
根据本发明的方法的优点是，与现有技术相比，可以显著减少用于避免或校正定位设备1的自变形的工作量。特别地，可以放宽对沿运动链相对彼此移动的定位设备1的元件的机械刚度的要求。以这种方式，可以节省定位设备1的成本、空间和重量。
并且，由于根据本发明的方法，不再需要布置在输出侧的位置传感器，该位置传感器用于精确地确定沿运动链链接并且可相对彼此移动的定位设备1的所有元件的相对位置。因此，降低这种定位设备1的成本和构建工作量。
首先，参照图2和图3解释用于确定物体坐标系原点T.O的位置的实施例。
然后，参照图4和图5解释用于确定物体坐标系T的取向的实施例。
仅为了更好的可理解性，将分别解释用于确定物体坐标系T的取向和用于确定物体坐标系原点T.O的位置的实施例。本发明的优选实施例包括用于确定物体坐标系T的取向的至少一个实施例的特征以及用于确定物体坐标系原点T.O的位置的至少一个实施例的特征。
图2表示通过测量标记5被布置在保持在保持设备2中的前照灯3处并因此对于物体坐标系T静止的事实来实施物体坐标系T的参考的实施例。
测量标记5可以被配置为无源测量标记5。例如，无源测量标记5可以由诸如已经存在于前照灯3(或要绘制的另一光源Q)上的边缘、拐角或印刷品的结构形成。无源测量标记也可以由接合在前照灯3上的贴片形成，这些贴片具有视觉上清晰可见、边界清晰、对比度高的结构，例如以黑白印刷的QR码或压印黑白对比圆或圆环。
无源测量标记5也可以被配置为三维，例如球体。球形无源测量标记5的优点是，它们以不依赖于视角的方式被记录，并且圆形轮廓没有畸变。因此，当使球形无源测量标记5局限于照相机图像中时，促进了特别高的精度和/或准确度。
替代性地或另外，测量标记5还可以被配置为在可以由参考照相机601～603记录的可见或不可见波长范围内发射光的有源测量标记5。
这种类型的有源测量标记5包括独特的结构，例如，由孔、球形结构、具有非常窄限制的光输出的点状结构限制的圆形光输出，或可例如通过漫射盘或磨砂球面实现的近似各向同性辐射特性。
优选地，通过选择发射光的光谱特性改善和促进图像中的有源测量标记5的识别和分配，使得它与由待绘制的光源Q(例如前照灯3)发射的光明确且良好地区分。可以例如通过波长相关的分束器或通过布置在参考照相机601～603前面的光谱滤波器实现光谱分离。
并且，可以通过临时调制(例如，键控)有源测量标记5的光发射改善和促进有源测量标记5的识别和分配。
在工业机器人100的环境中，三个参考照相机601、602、603相对于世界坐标系W静止地布置，使得由多个参考照相机601～603在物体坐标系原点T.O的设定测量位置P1捕获各测量标记5。
参考照相机601～603关于它们的姿态，即关于它们的相应捕获平面相对于世界坐标系W的位置以及关于它们的相应光轴相对于世界坐标系W的取向是已知的，并且在前照灯3的绘制期间是稳定的。并且，参考照相机601～603关于其相应的成像性能是已知的。具体地，参考照相机601～603的相应主要参数和畸变参数是已知的。用于确定照相机的主要参数和畸变参数的方法在本领域中是已知的。
有源和/或无源测量标记5被配置使得它们在由参考照相机601～603记录的图像中可以清楚地识别，并且具有锐利的结构，例如高空间频率和/或至少一个锐利边缘。
并且，没有详细表示的其绝对长度(以毫米为单位)沿至少一个维度已知的校准量规被布置为对参考照相机601～603可见。例如，这种校准量规可以由两个测量标记5之间的已知(绘制)距离形成。
由于测量标记5在物体坐标系T中被静止地布置并且参考照相机601～603在世界坐标系W中被静止地布置，因此，可以通过将该测量标记5的图像在第一参考照相机601的图像中的位置与相同测量标记5的图像在另一参考照相机602、603的图像中的位置进行比较，通过三角测量确定测量标记5相对于世界坐标系W的位置。
用于识别测量标记5的图像在照相机图像中的位置的方法，和用于三角测量，即用于确定对应于在多个照相机图像中检测的该测量标记5的图像的位置的世界坐标系W中的测量标记5的位置的方法，在本领域中是已知的。特别地，近景摄影测量的方法是已知的。
当通过分配给铰链轴G的旋转角度传感器已经接近到达设定测量位置P1时，测量标记5由参考照相机601、602、603记录，通过使用三角测量方法关于它们在世界坐标系W中的位置被识别和绘制。物体坐标系原点T.O在世界坐标系W中的位置由测量标记5相对于物体坐标系原点T.O的已知位置确定。
以有利的方式，臂段100.1缺乏刚度(例如下垂和/或畸变)，确定沿铰链轴G的旋转角的不精确性和工业机器人100的不精确机械运动模型不影响确定物体坐标系原点T.O相对于世界坐标系W的位置的精度和/或准确度。
因此，能够将具有较低精度和/或准确度要求的更具成本效益的定位设备1应用于绘制光源Q(例如前照灯3)。只需要确保在相应记录LIDC的部分段期间由保持设备2保持的前照灯3的位置和/或取向的一致性。为此目的，用于工业机器人100的成本高效且可靠的制动设备是已知的和可用的。
在用于绘制前照灯3的方法的实施例中，前照灯3最初通过工业机器人100粗略地预先定位在设定测量位置P1处。可以通过分析铰链轴G处的旋转角传感器的测量值进行粗略的预定位。
随后，可以控制工业机器人100，使得实际测量位置P1′相对于设定测量位置P1的位置位移减小。
这种方法可以被重复，其中，实际测量位置P1′与设定测量位置P1′的位置位移被迭代地减小，直到达到期望的精度和/或准确度(即，低于实际测量位置P1′与设定测量位置P1的位置位移的上限)。
或者，当在像素坐标系中分析由光强测量照相机4记录的光度特性时，即使实际测量位置P1′与设定测量位置P1不同，也可以保持得到的实际测量位置P1′，并考虑通过分析由参考照相机601、602记录的图像确定的前照灯3(并因此物体坐标系原点T.O)的位置位移。
图3表示通过被配置为标记盘501、502的两个测量标记5被布置在工业机器人100的保持设备2处的事实来确定物体坐标系T的位置的实施例。由于在测量过程中前照灯3被固定在保持设备2中，因此标记盘501，502被布置为相对于物体坐标系T静止。
标记盘501、502包括高对比度打印图案，例如，类似于具有同心、交替的白色和黑色圆环和/或类似十字线的观察盘(sight disk)。不以共面的方式布置标记盘。优选地，标记盘501、502彼此正交地配置。
在工业机器人100的环境中，两个参考照相机601、602相对于世界坐标系W静止地布置，使得在物体坐标系原点T.O的设定测量位置P1中，各参考照相机601、602捕获一个相应分配的标记盘501、502。优选地，参考照相机601、602被布置使得在设定测量位置P1处和附近，相应分配的标记盘501、502相对于参考照相机601、602的光轴近似垂直，优选地以在80°和100°之间的角度。
当通过分配给铰链轴G的旋转角传感器已经接近到达设定测量位置P1时，标记盘501、502通过相应分配的参考照相机601、602被记录并且被绘制。
例如，标记盘501、502和参考照相机601、602可以被布置使得当理想地达到设定测量位置P1时，标记盘501、502分别出现在所分配的参考照相机601、602的像素坐标系的中心。因此，可以通过确定与标记盘501、502在相应分配的参考照相机601、602的像素坐标系中的中心位置的偏差并根据再现比例将偏差转移到世界坐标系W中，关于世界坐标系W的所有轴W.x、W.y、W.z，确定与保持设备2的设定测量位置P1的偏差。
本实施例的优点在于，还可以通过选择参考照相机602、602的足够大的捕获图像角检测与设定测量位置P1的非常大的偏差。类似地，为了避免混淆识别的实际测量位置P1′的坐标，能够应用不同形成的标记盘501、502(例如具有不同的打印图案)。
并且，还能够应用多于两个的参考照相机601、602和/或多于两个的标记盘501、502以提高确定位置时的精度和/或准确度和鲁棒性。
多个标记盘501、502在以不同图案被打印时可以由参考照相机601、602共同记录。通过绘制记录的标记盘501、502的中心之间的距离，例如能够确定延伸穿过标记盘501、502的中心的直线相对于参考照相机601、602的图像平面的倾角。
在未详细表示的实施例中，保持设备2(和物体坐标系T)的位置和取向可以通过具有成对垂直取向的图像平面的参考照相机601、602和总共六个标记盘501、502相对于世界坐标系W被确定，在这六个标记盘501、502中，相应两个相对于相应分配的参考照相机601、602的图像平面共面布置。
在未详细示出的另一实施例中，参考照相机601、602被由彼此相对放置且在世界坐标系W中静止的相应的光源和光传感器形成的光屏障群代替。标记盘501、502或在保持设备2上刚性布置的类似配置的不透明测量标记5根据位置中断这些光屏障中的一个或多个，并因此允许沿着相应垂直于光屏障或垂直于多个光屏障的测量方向确定保持设备2的位置。
图4示意性地表示用于确定物体坐标系T的取向的实施例。
参考照相机601、602相对于工业机器人100的保持设备2处的物体坐标系T静止地布置。参考照相机601、602被配置为用于记录在工业机器人100的环境中相对于世界坐标系W静止地布置的测量标记5。
测量标记5可以由测量实验室的现有、静止、结构化装备元件(例如柜子、测量台、顶灯或设施的边缘或角落)形成。测量标记5可以类似地如图3所示的实施例中一样由特别布置的标记盘501、502或类似的高对比度和结构化标记形成。
选择参考照相机601、602的孔径角，使得它们在保持设备2的各位置和取向中捕获测量标记5中的至少一个。并且，参考照相机601，602被布置在定位设备上，使得其相应的光轴可以通过工业机器人100相对于世界坐标系W的移动而改变。
优选地，参考照相机601、602被布置在运动链的最后可移动构件之后，例如，相对于保持设备2处于固定位置和取向。
在校准阶段，由参考照相机601、602完全扫描周围空间。对于各参考照相机601、602，生成使相应记录的图像与保持设备2(从而也与参考照相机601、602的)的姿态(即，位置和取向)相关的相关数据集。
以类似于参考图2描绘的实施例的方式，可以通过在由参考照相机601、602记录的图像中绘制测量标记5的图像的像素坐标，确定物体坐标系T的取向。
在随后的工作阶段，由参考照相机601、602记录的图像与所存储的相关数据集的至少一个图像重叠，并且基于此，确定相应参考照相机601、602的光轴的取向。
即使使用单个参考照相机601、602，如果例如如参考图3所描绘的那样已事先确定物体坐标系T的位置(即，物体坐标系原点T.O的位置)，则物体坐标系T的取向也因此可以被确定。
使用多个参考照相机601、602，可以通过相交从确定的参考照相机601、602的光轴确定或验证物体坐标系T的位置。
图5表示工业机器人100的实施例，其中，具有光学主平面7.1的引导光源7相对于保持设备2静止布置，引导光源7沿着引导光线X将图案投射到空间中。从将引导光源7安装到保持设备2，引导光源7相对于局部坐标系T的姿态(位置和取向)是已知的。
引导光源7可以例如被配置为衍射光学元件(DOE)，并且被配置使得具有点X.P的点矩阵X.R以1度栅格近似地辐射到部分空间中，例如辐射到半空间中，其中，各引导光束X对应于点矩阵X.R的投影点X.P。优选地，引导光源7在不可见和低能范围内辐射。
点矩阵X.R的一部分由图6所示的光学捕获设备20捕获，并在世界坐标系W中以已知的位置和取向静止地布置。捕获设备20被布置使得其捕获至少一个引导光束X。
捕获设备20包括在入口侧具有孔管(aperture tube)20.2的不透明壳体20.1。孔管20.2突出到不透明壳体20.1中，并通过漫射屏幕20.3在突出到壳体20.1中的端部终止，在该漫射屏幕20.3上，至少一个捕获的导光光束X被再现为投影点X.P。孔管20.2可以被配置使得只有单个引导光束X被引导到屏幕20.3上，因此，只有单个投影点X.P被再现到屏幕上。
在屏幕20.3后面的引导光束X的方向上，布置捕获照相机20.4，该捕获照相机20.4记录具有在其上面投影的至少一个投影点X.P的屏幕20.3的图像。捕获照相机20.4可以被配置为光强测量照相机。
保持设备2的取向的改变对应于主平面7.1围绕旋转中心7.2以水平角
Figure BDA0003165611770000204
和/或垂直角θ的旋转。因此，引导光束X也旋转了水平角
Figure BDA0003165611770000201
和/或垂直角θ，并且相应的投影点X.P在屏幕20.3上在水平和/或垂直方向上相应地移动。
屏幕20.3上的点X.P的位置通过使用捕获照相机20.4被确定。从物体坐标系T的位置的确定以及从该物体坐标系T中的引导光源7的已知姿态，主平面7.1的旋转中心7.2的位置是已知的。因此，可以从点X.P的水平位置确定水平角
Figure BDA0003165611770000203
并且可以从点X.P的垂直位置确定垂直角θ。
为了在确定角度
Figure BDA0003165611770000202
和θ时避免含混不清，必须识别通过孔管20.2落在屏幕20.3上的至少一个引导光束X。出于该目的，可以通过DOE以不同的方式设计不同引导光束X，特别是相邻引导光束X的光束轮廓(profile)。例如，可以设计不同的光束轮廓，使得点矩阵X.R中的相邻点X.P在被投影到屏幕20.3上时具有不同的尺寸和/或不同的强度和/或不同的结构，并且因此可以通过捕获照相机20.4区分。
作为替代或补充，可以通过粗略地(即以引导光束X发散的立体角栅格的分辨率)确定物体坐标系T的取向，识别通过孔管20.2落在屏幕20.3上的至少一个引导光束X。
例如，通过工业机器人100的铰链轴G处的简单传感器，能够例如以一度的分辨率粗略地确定物体坐标系T的取向。作为替代或补充，可以通过根据参考图2和图3描绘的方法确定多个测量标记5的位置实施粗略确定。
基于只需要足以从在屏幕20.3上捕获的点矩阵X.R识别至少一个点X.P的取向的这种粗略确定，能够通过使用捕获照相机20.4确定该至少一个点X.P的位置使角度
Figure BDA0003165611770000211
和θ的确定提高数量级(以例如1/100度到1/1000度的分辨率)。
在图7示意性地示出的另一实施例中，通过登记光强测量图像81～85确定由工业机器人100保持的前照灯3的取向和/或位置的增量变化。当前，前照灯3被配置为车辆前照灯3。
出于该目的，随后通过围绕工业机器人100的至少一个铰链轴G旋转接近第一到第五设定测量位置P1～P5。由此，实际到达的第一到第五实际测量位置P1′～P5′通过分配给工业机器人100的铰链轴的旋转角传感器(未详细显示)被近似确定。作为替代或补充，也可以通过参考图1～图4描绘的方法的实施例确定第一到第五实际测量位置P1′～P5′。
在第一至第五实际测量位置P1′～P5′中，由光强测量照相机4记录接通的车辆前照灯3的图8中示意性地示出的相应的第一至第五光强测量图像81～85。
第一到第五设定测量位置P1～P5被配置和布置使得即使当考虑接近设定测量位置P1～P5时的实际测量位置P1′～P5′的最大可能偏差时，对应的光强测量图像81～85也具有至少成对得足以进行图像对准的重叠。
换言之：即使对于例如通过铰链轴G处的旋转角传感器的不精确和/或工业机器人100的臂段100.1的自变形导致的在可能的定位公差范围内的实际测量位置P1′～P5′的最不利布置，光强测量图像81～85也具有足以进行图像对准的重叠。
用于其中相互交错和/或失真的强度图像(例如灰度或彩色图像)重叠的图像对准的方法在本领域中是已知的(例如从出版物B.Zitova,J.Flusser:Image registrationmethods:a survey,Elsevier.Image and Vision Computing,vol.21,2003,S.977–1000)。足以用于图像对准的重叠程度(例如取决于强度图像的结构、对比度或失真)也是已知的。
例如，第一到第五设定测量位置P1～P5被布置和配置使得作为分配给第一设定测量位置P1的锚定图像的第一光强测量图像81具有与各另外的光强测量图像82～85的足以进行图像对准的重叠。
类似地，能够配置多个设定测量位置P1～P5，使得所分配的光强测量图像81～85以条形图案被布置。
类似地，假设各光强测量图像81～85通过至少一个重叠路径以重叠方式与各其它光强测量图像81～85链接，则可以通过布置和配置对应的设定测量位置P1～P5来实现光强测量图像81～85的任何其它平面延伸布置，其中，在每种情况下，两个相邻的光强测量图像81～85(即，重叠路径中的前者和后者)具有足以沿着光强测量图像81～85的重叠路径进行图像对准的重叠，其中，即使实际到达的实际测量位置P1′～P5′在工业机器人100的定位精度和/或准确度范围内从分配的设定测量位置P1～P5偏离到最大不利程度，重叠也必须足以用于图像对准。
本实施例的优点是，可以原则上跨任何范围(特别是延伸超过单个光强测量图像81～85的记录区域)大尺度地记录由车辆前照灯3产生的光强分布，其中，对工业机器人100的定位精度和/或准确度，特别是对其机械刚度以及对其位置或角度传感器的精度和/或准确度仅提出较低的要求。
附图标记列表
1 定位设备
100 工业机器人、定位设备
100.1 臂段
2 保持设备
3 前照灯、车辆前照灯
4 光强测量照相机
5 测量标记
501、502 标记盘、测量标记
6 参考仪器
601、602、603 参考仪器、参考照相机
7 引导光源
7.1 主平面
7.2 旋转中心
81～85 第一至第五光强测量图像
10 测角仪、定位设备
10.1 支柱臂
10.2 保持板、保持设备
10.D 旋转中心
10.F 基座
10.S 支柱
10.X、10.Y、10.Z 第一、第二、第三平移轴
10.H、10.V 水平、垂直旋转轴
20 捕获设备
20.1 壳体
20.2 孔管
20.3 屏幕
20.4 捕获照相机
Figure BDA0003165611770000231
水平角
θθ 垂直角
M 介质、捕获平面、测量表面
G 铰链轴
P1 (第一)设定测量位置
P1′ (第一)实际测量位置
P2～P5 第二到第五设定测量位置
P2′～P5′ 第二至第五实际测量位置
Q 光源
T 物体坐标系
T.O 物体坐标系原点
T.x 物体x轴
T.y 物体y轴
T.z 物体z轴
W 世界坐标系
W.x 世界x轴
W.y 世界y轴
W.z 世界z轴
X 引导光束
X.R 投影矩阵、点矩阵
X.P 投影结构、投影点

Claims (18)

1.一种通过被布置为相对于世界坐标系(W)静止的光强测量照相机(4)对夹持在定位设备(1)内且具有物体坐标系(T)的光源(Q，3)进行光度绘制的方法，其中，光源(Q，3)在世界坐标系(W)内沿着定位设备(1)的运动链在第一实际测量位置(P1′)和至少一个另外的实际测量位置(P2′～P5′)之间移动，其中，在光源(Q，3)接通的情况下，在各实际测量位置(P1′～P5′)通过光强测量照相机(4)记录描述测量表面(M)内的光度特性的空间分布的光强测量图像(81～85)，并且其中，在各实际测量位置(P1’～P5’)直接参考世界坐标系(W)而不参考定位设备(1)的运动链记录物体坐标系(T)相对于世界坐标系(W)的位置和/或取向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以保证的记录公差，在实际测量位置(P1’～P5’)通过直接参考世界坐标系(W)而不参考定位设备(1)的运动链记录相对于世界坐标系(W)的位置和/或取向，所述保证的记录公差关于至少一个参数小于定位设备(1)的保证的定位公差。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以小于或优选等于所需定位公差的定位公差选择定位设备(1)，所述所需定位公差被确定为足以使得能够布置预定设定测量位置(P1～P5)的序列并且能够接近所述序列，使得当光源(Q，3)到达对应于预定设定测量位置(P1～P5)的实际测量位置(P1′～P5′)时完全记录光源(Q，3)的光度特性，其中，各实际测量位置(P1′～P5′)在相应的预定设定测量位置(P1～P5)的所需定位公差内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量表面(M)由介质(M)形成，所述介质(M)被配置为漫反射和/或散射由光源(Q，3)发射的光，并且相对于世界坐标系(W)以固定的位置和取向布置，被光源(Q，3)照亮并由光强测量照相机(4)记录。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光强测量照相机(4)以直接光路记录光源(Q，3)，其中，测量表面(M)被布置在光源(Q，3)的面向光强测量照相机(4)的表面上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光源(Q，3)绕延伸穿过旋转中心(10.D，7.2)的至少一个轴旋转。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一步骤中，通过直接探测至少一个测量标记(5，501，502)确定物体坐标系(T)相对于世界坐标系(W)的位置，并且在第二步骤中，确定物体坐标系(T)相对于世界坐标系(W)的取向。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每种情况下，通过使用至少一个参考照相机(601，602)记录至少一个测量标记(5，501，502)确定物体坐标系(T)的位置和/或取向。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，至少一个参考照相机(601，602)被布置为相对于世界坐标系(W)静止，并且至少一个测量标记(5，501，502)被布置为相对于物体坐标系(T)静止。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，至少一个参考照相机(601，602)被布置为相对于物体坐标系(T)静止，并且至少一个测量标记(5，501，502)被布置为相对于世界坐标系(W)静止。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，至少一个测量标记(5，501，502)被配置为用于发射能够由至少一个分配的参考照相机(601，602)记录的辐射的有源测量标记(5)。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将至少一个捕获平面(20.3，M)在世界坐标系(W)中布置为静止的，确定物体坐标系(T)在世界坐标系(W)中的位置，并且根据以相对于物体坐标系(T)的已知方向发射并在所述至少一个捕获平面(20.3，M)上捕获的调制照明的绘制，针对各位置确定物体坐标系(T)的相应取向。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过作为投影矩阵(X.R)的衍射光学元件产生调制照明，所述投影矩阵(X.R)包括在各情况下沿着引导光束(X)投影到捕获平面(20.3，M)上的至少一个投影结构(X.P)。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，调制照明由光源(Q，13)发射，其中，接近分别位于设定测量位置(P1～P5)周围预定距离内的实际测量位置(P1'～P5')，其中，在各实际测量位置(P1′～P5′)记录至少一个光强测量图像(81～85)，其中，选择设定测量位置(P1～P5)，使得至少两个光强测量图像(81～85)重叠，并且其中，通过图像对准方法确定彼此重叠的光强测量图像(81～85)之间的偏移，并且从偏移以及从相应分配给光强测量图像(81～85)的实际测量位置(P1′～P5′)确定物体坐标系(T)的相应取向。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于各实际测量位置(P1′～P5′)，通过分析定位设备(1)的参数确定相应的设定测量位置(P1～P5)，并且基于设定测量位置(P1～P5)记录物体坐标系(T)的位置和取向。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，为了接近设定测量位置(P1～P5)，定位设备(1)被相应控制以使得在距离相应分配的设定测量位置(P1～P5)的预定距离内到达实际测量位置(P1′～P5′)。
17.一种根据权利要求1所述的方法的用途，所述用途用于前照灯(3)的光度绘制。
18.根据权利要求17所述的用途，其特征在于，对车辆前照灯(3)进行光度绘制。
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