CN1643337A - 测量系统中的装置 - Google Patents

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Abstract

用于使物体(2)的特征成像的系统与传感器(10)。该传感器至少包括像素单元的第一区域(11)和第二区域(12)，用于从物体(2)吸收电磁辐射，并把吸收的辐射转换为电荷。该第一区域(11)有第一分解度，而第二区域(12)有不同于第一分解度的第二分解度，该第一区域(11)用于使一种特征成像，该第二区域(12)用于使另一种特征成像。

Description

测量系统中的装置
技术领域
本发明一般涉及用于使物体特征成像的传感器和系统，特别是涉及以不同分解度使物体多种特征成像的传感器和系统。
背景技术
常规的电荷耦合器件(CCD)和互补型金属氧化物半导体(CMOS)类型的成像传感器，有N×M的光电二极管矩阵(阵列)，这些光电二极管吸收电磁辐射，并把电磁辐射转换为电信号。
常常需要对同一物体的多种特征成像，诸如各种三维(3D)的和两维(2D)的特征成像。在三维像中，物体的几何特征如宽、高、体积等被成像。在两维像中，被成像的特征如裂缝、构造取向、位置、和例如通过标记、条码、或矩阵码的标识。两维像中的强度信息，通常按灰度级成像，但按彩色成像的两维像，就是说，例如借助滤波器或光的波长，记录R(红)、G(绿)、和B(蓝)分量，也很常见。
用同一传感器，使同一物体不同特征成像的矩阵阵列图形处理器(MAPP传感器)，亦称多读出，它把传感器的一部分用于激光剖面测定(3D测量)，个别的传感器行用于读出强度信息(2D测量)。用一个传感器使多种特征成像的一个优点，是系统的成本和复杂性，例如比用一个传感器进行3D测量和用另一个传感器进行2D测量要低。
在多读出中，目前在2D测量和在3D测量中，都是用相同分辨率进行侧向测量。但是，经常要求2D像比3D像有更高的分辨率。其理由是，像中要求能测量的细节比在形状的测量中要求更细致。这方面的例子是木材检查，在木材检查中，常常是以较高的分辨率测量裂缝和表面结构，这些比几何形状更为重要。
有不同分解度的成像传感器例子，在Alireza Moini的“Visionchips”中说明，见Kluwer Academic Publishers，page 143-146，2000，其中的成像传感器是作为电子眼构成的，就是说，这些成像传感器在中部有高的分辨率，而在周边有低的分辨率。这些“眼”中的像素几何是线性极坐标的(linear-polar)或对数极坐标的(log-polar)。如果该“眼”以低的分辨率看见它周边的某些感兴趣的东西，系统能控制该传感器，使它把它的高分辨率的中心部分对准该区域，以便读取细节。该种传感器非常适合机器人的应用。该种电子眼也在US 5,166,511中说明。
另一种有不同分解度的成像传感器例子，在US 6,320,618中说明，其中的阵列矩阵式传感器，至少有一区域比传感器的其余部分有更高的分辨率。把这种传感器放进摄像机中，该摄像机作为自动导航系统，安装在车辆上，以控制车辆的功能，例如，如果障碍物出现在车辆前面，或车辆在路的边缘沿白线驾驶时，控制车辆的刹车。该传感器能以高的分辨率拾取远处的信息，和以低的分辨率拾取车辆附近的信息。
发明内容
本发明的目的，是提供一种传感器和一种系统，它们能以不同的分解度使物体各特征成像。这是通过一种传感器和一种系统达到的，该传感器和系统分别有权利要求1和9表征的零件中指定的特征。
与先前已知的方案比较，使用以不同分解度读入多种特征像的传感器和系统的优点，是获得更简单、更便宜、和更紧凑的方案。按照本发明的系统，还要求更少的系统部件，如摄像机、透镜、等等。
按照本发明的一个实施例，传感器包括两块成整体的有像素的区域，该两块区域沿横向方向并排地平行排列。
按照本发明的另一个实施例，该两块有像素的区域被设计成两个分开的单元，基本上沿横向方向并排地平行排列。
按照本发明的再一个实施例，该两块像素区域/单元共享读出逻辑线路，这一点表明它们有相同的输出寄存器。
按照本发明另外的一个实施例，该两块像素区域/单元各在不同的输出寄存器上读出，这一点表明它们能够同时读出包含在两块区域/单元中的信息。其优点是，它在曝光时间方面有更大的自由度。另一个优点是，它在横向方向与侧向方向的分解度方面有更大的自由度。
附图说明
现在将以实施例为基础，参照附图，对本发明作更详细的说明。
图1画出按照本发明的测量系统的透视图；
图2画出成像在传感器上的物体三维轮廓与强度分布；
图3画出按照本发明的传感器的第一实施例；
图4画出按照本发明的传感器的第二实施例；
图5画出按照本发明的传感器的另外一个实施例；
图6画出按照第一实施例的基本系统方案；
图7画出按照第二实施例的基本系统方案。
具体实施方式
图1画出一种物体特征读入系统。该系统包括摄像机1，它可以是MAPP摄像机、CCD摄像机、CMOS摄像机、或任何适合使物体特征成像的其他摄像机。该系统还包括物体2，该物体与特征有关的参数是本系统需要测量的，该物体放在基座3上，基座与两个用于照明物体2的光源4和5连成一体。光源4、5产生例如基本上是点状的光、基本上是线状的光、或由多个基本上是点状或线段状组成的光，光源4、5可以是适合本应用的任何类型，例如激光器、LED、普通的光(灯泡)等等，不过这些对本领域熟练人员是熟知的，因而这里不再详细说明。
摄像机1除别的装置外，包括：图2到5画出下面将更详细地说明的传感器10；集光的光学装置和控制逻辑线路(未画出)。从物体2反射的光线被传感器10拾取，并在其中转换为电荷，电荷又被转换为模拟的或数字的电信号。在优选的实施例中，这些信号此后通过输出寄存器(在图6和7中画出)传送到像/信号处理单元(未画出)，供分析和处理。
上面指出的已经放在基座3上的物体2，在一个优选实施例中，相对于测量系统按图中所示箭头运动。代替基座3相对于测量系统的运动，当然可以把关系颠倒，就是说，测量时，物体3固定而测量系统在物体2上运动。基座3例如可以是传送带，或者，例如，如果所述物体是纸张，则不设基座而让物体自身在连续的制纸机的输送带中运动。
在另外的实施例中(未画出)，一个或多个电光光源放在基座3下面并使照射通过物体2，就是说，传感器10拾取穿过物体2的透射光线，而不是反射光线。
图1中，运动方向由箭头指示。在本文中，该方向将称为横向方向，就是说，画在图上的坐标系统中的Y。侧向方向(坐标系统中的X)与横向方向垂直。测量中有横向方向的分辨率和侧向方向的分辨率。横向分辨率依赖于有多频繁读取物体2(抽样)。本发明主要关心侧向分辨率，它很大程度上依赖于传感器10一行的像素数。
传感器10(在图2到5中画出)是阵列型传感器，由第一区域11结合第二区域12而成，第一区域11有N×M像素(这里N是行和M是列)，第二区域12是高分辨率区域，有X×Y像素，这里Y＝M×b(b是＞1的整数)。在优选实施例中，第一区域11用于通过三角测量法进行3D测量，就是说，对物体2的几何特征成像，诸如宽、高、体积等。在三维测量中，强度像从k行，k＞1，约简为位置值，这些位置值与光在每一列中落在传感器的位置对应。其结果产生对k行每一抽样的三维信息分布。在该优选实施例中，第二区域12用于2D测量(强度信息)，就是说，把物体2的特征如裂缝、构造取向、位置等成像。如果X≥2，能够把彩色滤波器(如RGB)加于各个像素，并据此获得2D的彩色的读出数据。
图2画出第一区域11中物体2的3D分布和物体2在第二区域12中的灰度级/彩色像。当物体2通过测量系统时，逐个分布地扫描物体2，结果产生物体相应的三维像和两维像。
在该实施例中使用的是MAPP传感器，但本领域熟练人员清楚，本发明可以应用于其他类型的传感器，如CCD传感器或CMOS传感器。
图3按照本发明，画出传感器的第一实施例。这里，第二区域12中的像素宽度，是第一区域11像素的三分之一。例如，如果在第一区域11中是512×1536像素，那么第二区域12是15×4608像素(b＝3)。这意味着高达512行用于3D测量，但三倍分辨率的强度分量在16行中读出。
在按照图4的实施例中，在高分辨率的第二区域12中，每隔一行都相对于紧邻的上、下行偏移半个像素宽度。于是，按照图3的例子，第二区域12是8×3072的双行像素(b＝2)，其中，一行双行包括两行单行，且一行被偏移半个像素宽度。这意味着按照图4的实施例，高达512行用于3D测量，但高达8种不同的双倍分辨率强度分量被读出。
本领域熟练人员清楚，本发明不限于图3和图4所示实施例。在高分辨率的第二区域12中，存在几乎无限数量的各种形成像素的方法。例如，像素宽度可以是第一区域11中的一半，或者还同时高度增加一倍等等。按照图4的实施例的其他变化，可以包括像素偏移三分之一或四分之一的像素宽度。关于这一点，也请见US 4,204,230，该专利表明，为增加成像传感器的分辨率，可以使像素行偏移。
按照图3或图4，第一区域11和第二区域12直接接触，基本上并排地沿横向方向平行排列，就是说，传感器是作为一个整体单元制造的。图5画出另外的实施例，其中的第一区域11与第二区域12是两个分开的单元，基本上并排地沿横向方向平行排列，但不直接接触。在图2到图5中，高分辨率的第二区域12沿横向放置在第一区域之前(即在各图的顶部)，当然，它也可以等价地沿横向放置在第一区域之后(即在各图的底部)。
另一种像素相互偏移的设计，是用掩模覆盖像素，掩模的安排要能部分地阻挡像素，从而获得偏移的抽样图形。
传感器的一行被读出到输出寄存器，寄存器有M个像素长，如图6和图7所示。输出寄存器15、18a、18b或者作为原始数据被交换，或者把它耦合至行的并行A/D变换器和/或信号/像处理单元。为了读出Y宽的一行，必须持续地执行w读出。如果输出寄存器15、18a、18b有用于b行的空间，这些行能够一起读出/处理。因此，读出可以是模拟的或数字，但在本发明的该实施例中(如图8所示)，测量数据在转发至像处理单元(未画出)之前，通过A/D变换器16和处理器17读出到数字输出寄存器15。
处理器17能够编程，使之执行许多功能，其中包括从强度像析取三维分布，就是说，从每一列计算最亮点的位置，然后把这些值视作强度分布，其中的强度与距离对应。处理器17的其他功能，有边缘检测、降低噪声等等。
在本发明另外画在图7的一个实施例中，传感器的两个区域11和12(N×M和X×Y)不共享读出逻辑线路，就是说，它们有不同的寄存器18a、和18b，这意味着获得其他作用。从两个区域11、12来的信息，能够以更大的曝光时间自由度和分解度自由度，沿横向方向和侧向方向彼此独立地读出。此外，不必施加Y＝M×b，它可以用不同的构造几何代替，例如，可以用1536×512的矩阵与4096×3的矩阵结合。在图7所示另外的实施例的优选实施例中，测量数据通过A/D变换器19a、19b和处理器20a、20b，读出至数字输出寄存器18a、18b。
按照图6和图7的两个实施例，是以A/D变换器和处理器画出的。这两个实施例只能认为是优选的实施例。十分可能的是，如前面简要地指出，可以作为模拟的或数字的原始数据，从输出寄存器直接输出测量数据。
已如上述，可以在传感器10的第二区域12，使用彩色滤波器或有色光源(未画出)，这意味着能够以更高的分辨率读出灰度级或彩色像。使用何种彩色滤波器或有色光源，以及如何放置它们，本领域熟练人员是清楚的，因而这里不作详细说明，但作为例子，可以举出在每一行上使用Bayer图或滤波器。通常选择RGB分量，但其他彩色如CMY(蓝绿色、深红色、黄色)也可以使用。在按照图7的另外的实施例中，每一彩色可以有自己的输出寄存器，这样可以给出每一彩色分布更快的读出。
串扰表示来自一种测量的光与来自传感器另一区域的光发生干扰，就是说，来自3D测量的光与来自2D测量的光发生干扰，和/或相反。为了降低不同传感器区域之间的串扰，可以把这些光分为不同的波长，并按照波长，用不同的光学滤波器保护不同的传感器区域，这些滤波器阻挡光或允许光通过，到达相应的传感器区域。
在按照本发明的传感器的又一个实施例中，在高分辨率的第二区域，使用时间延迟积分(TDI)。TDI是指随物体2与基座的一起移动，电荷从一行移动到另一行，从而以X TDI级得到增大X倍的光灵敏度。通过在图4的实施例中使用TDI，因为交错行被偏移半个像素宽度，电荷每级将以两行移动。

Claims (15)

1.至少包括像素单元第一区域(11)和第二区域(12)的传感器(10)，这些像素单元用于从物体(2)吸收电磁辐射，该传感器的特征在于使吸收的辐射成像，并把吸收的辐射转换为电荷，在该传感器的第一区域(11)有第一分解度，第二区域(12)有不同于第一分解度的第二分解度，特征在于，第一区域(11)用于使一种特征成像，而第二区域(12)用于使另一种特征成像。
2.按照权利要求1的传感器，特征在于，第一区域(11)用于使物体(2)的三维特征成像，而第二区域(12)用于使物体(2)的两维特征成像。
3.按照权利要求1的传感器，特征在于，两个区域(11、12)中至少一个，整个地或部分地设有彩色滤波器，以便使物体(2)成彩色的像。
4.按照权利要求1至3任一项的传感器，特征在于，第一区域(11)设计成N行M列的矩阵，第二区域(12)设计成X行Y列的矩阵，且Y是M的b倍，这里b是大于零的整数。
5.按照权利要求4的传感器，特征在于，在第二区域(12)上使用时间延迟积分(TDI)。
6.按照权利要求1的传感器，特征在于，两个区域(11、12)中至少一个，设有对不同波长的滤波器，以便使串扰最小。
7.按照权利要求1的传感器，特征在于，第一区域与第二区域作为一个整体的单元，沿横向方向平行排列。
8.按照权利要求1的传感器，特征在于，第一区域与第二区域作为两个分开的单元，沿横向方向平行排列。
9.用于测量物体(2)上与字符有关参数的系统，包括至少一个光源(3、4)，光源向着物体(2)发光，特征在于，该系统还包括按照权利要求1至8的传感器(10)，用于吸收物体(2)的电磁辐射，并把电磁辐射转换为电荷。
10.按照权利要求9的系统，特征在于，该系统还包括输出寄存器(15)，用于读出传感器(10)中接收的电荷。
11.按照权利要求9的系统，特征在于，该系统还包括至少两个输出寄存器(18a、18b)，用于读出传感器(10)中接收的电荷。
12.按照权利要求11的系统，特征在于，传感器的第一区域(11)与第二区域(12)在各自的寄存器(18a、18b)上被读出。
13.按照权利要求11的系统，特征在于，如果传感器的第二区域(12)设有彩色滤波器，则每一拾取的彩色各有自己的输出寄存器。
14.按照权利要求10或11的系统，特征在于，该系统还包括A/D变换器(16)，用于把电荷从模拟格式转换为数字格式，还在于输出寄存器(15、18a、18b)是数字输出寄存器。
15.按照权利要求9的系统，特征在于，该系统还包括用于分析电荷的图像/信号处理单元。
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