专利名称：用于探测物体的方法
技术领域：
本发明涉及一种如在权利要求1的前序部分中限定的用于探测物体的方法。
背景技术：
在例如在US 6，542，249中公开的那一种一般方法中，相对于彼此以一定间隔隔 开的多个发射模块将光图案照射到观察区中。利用至少一个空间分辨探测器单元探测从观 察区反向辐射的光，并且根据光切原理基于探测到的光确定位于观察区中的物体的表面轮 廓。这里，最大可能空间分辨率是由发射模块相对于彼此隔开的间隔决定的。非常一般地为利用照相机系统的、物体的二维或者三维扫描采用的前述类型的方 法例如被用于工业制造和自动化技术领域中的多种任务。例如，在于车体中安设车门之前， 检查门隙、换言之在车门和车体的周围轮廓之间的距离绕着全部周边是否具有恒定的数值 是可能的。在汽车工业中，这是具有高度重要性的。为此目的，第一自动机携带车门从而靠近车体安设。然后利用例如由第二自动机 引导的光切传感器围绕它的周边检查门隙。然后调节车门，直至门隙沿着周边是尽可能均 勻的。对于非常高的测量速度和测量速率的、增加的要求通常在这个方面提出另一个问 题。特别地，在单一扫描中利用大的数目的发射模块产生的大量的数据可能证实为是一个 缺点。

发明内容
提供一种其中能够被特别快速地但是尽管如此准确地执行测量的、前述类型的方 法可以被视为本发明的目的。利用具有权利要求1的特征的方法实现了这个目的。本发明的方法的有利的变型是从属权利要求的主题并且还特别地参考附图在以 下说明中予以描述。根据本发明，前述类型的方法是如此实现的，即，发射模块的第一选择在概观测量 (overview measurement)期间操作，由发射模块的第一选择提供第一空间分辨率，发射模 块的第二选择在物体测量期间操作，并且大于第一空间分辨率的第二空间分辨率由发射模 块的第二选择提供，或者由第二选择发射模块与属于第一选择的、至少选定数目的发射模 块共同提供。本发明的中心思想可以被视为概观测量的初始执行采用一般方法，在其概观测量 中，全部可用发射模块的仅仅一部分得到使用。在还被称作物体测量的第二测量中，发射模块的第二选择得到使用，其中空间分 辨率或者更高，即，所采用的发射模块相对于彼此被以更窄的间隔隔开，或者与属于第一 选择的、选定数目的发射模块一起地获得的空间分辨率在任何情形中均大于第一空间分辨率。
以下事实，即，能够在非常短的时间中提供概观测量并且然后特别地以更好的空 间分辨率分析待探测的实际物体是可能的，可以被视为本发明的实质优点。以此方式，测量速度能够被显著地增加。在本发明方法的一个有利的变型中，关于待探测的实际物体的信息被用于选择 用于概观测量和/或用于物体测量的发射模块。这种信息能够包括关于所涉物体的几何 数据，以及与如下的其它物体有关的几何数据，即，将从所述其它物体辨别目前待探测的物 体。这决定了应该在任何给定情形中用以确定表面轮廓的精度。进而，当待检查的物体具有并不足够地再辐射发射模块的光的特定颜色时，前述 类型的方法能够产生特殊的问题。例如，在利用发射红色光的传感器检查绿色物体时将是 这种情形。红色光将大大地被绿色物体吸收并且仅仅轻微地被反向辐射。在当前的汽车工业中，由于工程原因，车门未被喷涂地被安设于车体中。然而，存 在改变这种流程的计划，从而能够在也已被喷涂的车体中安设经喷涂的车门。这将意味着， 由于不足的反向辐射，对于特定的涂料颜色，不再能够使用以前被用于确定门隙的传感器。 因为现有的传感器经常地利用红色光操作，所以用于绿色车门的门隙因此能够仅仅得到不 良的检查。因为测量通常不是以反射几何执行的，所以高度反射或者闪耀表面例如利用高 光饰面漆涂覆的那些也是成问题的，因为非常少的光被沿着除了反射方向之外的方向辐 射。在本发明方法的一个特别优选的变型中，发射模块发射具有至少两个不同波长的 光，并且具有该至少两个不同波长的光被沿着公共光路引导到物体上。因此提供了一种方法，利用该方法，能够在很大程度上与它们的颜色无关地检查 物体。进而，能够易于对本发明的方法在正确地起作用进行检验。从开始不再使用具有仅仅一个波长的光而是使用多个波长并且将它们照射到待 检查的物体上的思想能够被视为本发明的这个改进的另一中心思想。这为估计提供了基本 上更多的可能性。沿着同一光学光路将不同的波长引导到观察区中的思想能够被视为本发明的这 个改进的另一中心思想。因此在一方面能够保持结构构件是紧凑的，并且，在另一方面，光 束分量是几何地等价的，并且如果有必要，则在分析期间易于从一个波长切换到另一个波长。在产生本发明的初步阶段期间进行的广泛的测试揭示了 与可见光相比，利用非 可见光，反向散射明显更加不依赖于物体的颜色。因此，在本发明的方法的一个特别优选的 实施例中，仅仅非可见光被探测并且用于分析。本发明的方法的使用显著地改进了在可见光谱中是反射性的或者强烈地吸收特 定波长的表面的检查。能够以特别有利的方式使用来自可见光源的光以正确地调节或者对准传感器。进 而，可见光总是为使用者提供了一种检查传感器是否被正确地定位的、可靠的视觉方法，因 为根据本发明，不同的波长被沿着同一光路在物体上聚焦。基本上，还能够采用紫外光源作为非可见光源。然而，对于红外光源的使用给予了 特别的偏好。为了增加信噪比，能够将波长选择带通滤波器置于探测器单元的前面。
原则上，能够为传感器模块的每一个光源提供单独的准直透镜。在本发明的装置 的一个特别有利的实施例中，在每一个发射模块的光束分裂器的下游设置准直透镜。因此 用于各个光源的、单独的准直透镜不再是有必要的。发射模块的构造能够是更为紧凑的并 且因此特别好地适合于多行投影仪，即，实现本发明的方法。进而，通过为两个激光器使用 公共准直透镜，关于潜在公差(potential tolerance)的自由度的数目能够得以降低。基本上，适用于确定物体的表面轮廓的全部图案可以被用作光图案。特别偏好使 用条纹图案作为光图案。已经发现当发射模块特别是平行地将相同的光图案照射到观察区 中时，测量数据的估计是特别容易的。关于设备，有利的是提供能够在其中容纳多个发射模 块的外壳。特别偏好在外壳中等距离地隔开发射模块的布置。关于装置，当每一个发射模块具有用于提供将被投射到物体上的光条纹的柱面透 镜时是有利的。基本上，以足够高的强度发射所期波长的任何光源能够被用作光源。特别 偏好激光二极管的使用。所使用的光束分裂器优选地是二向色光束分裂器。当使用多于一个、更加具体地两个能够探测由物体反向辐射的、不同波长的光的 探测器单元时，实现了更加多样的可能应用。其中能够探测具有至少两个不同波长的光的方法的变型因此是可能的。进而，确 定对于哪个波长信噪比最大是可能的，并且然后能够对于如此确定的波长进行估计。当待探测的物体的表面轮廓是完全未知的时，在估计期间可能产生含糊性，因为 由空间分辨探测器单元测量的结构不能被清楚地分配给由多个发射模块投射到待探测的 物体上的局部光图案。为了避免这点，能够有利地按顺序、更加具体地各自地启用不同的发射模块。例 如，并置的发射模块能够被顺序地和循环地启用。为了执行本发明的方法，能够提供一种特 殊的控制装置，利用该控制装置，第一和第二选择得以作出，并且然后该控制装置基于这些 第一和第二选择启用发射模块。将测得数据分配给特定的发射模块或者特定的光条纹因此得以显著地简化，并且 用于物体三维测量的、本发明的装置和本发明的方法的功能性得以显著地增加。该控制装置能够例如是一种微控制器系统并且每一个发射模块能够经由公共数 据总线而被连接到所述控制装置。每一个发射模块能够具有它的自身地址并且能够因此被 独立地启用或者取消启用。因此实际上能够为了控制的目的实现任何组合和构造，并且其 中发射模块被以空间和时间顺序启用的、经典的“复用”变成一种特殊的情形。应用实例能够是这样一种测量情况，即，其中物体具有孔，该孔的直径需要被以高 的精度测量。然而，在测量窗口中该物体的位置并且因此该孔的位置是可变的。在经典的 和传统的复用的使用中，由于用于确定孔的直径的所需测量精度，有必要启用并且估计跨 过整个测量窗口的、大数目的激光线。这涉及相当的计算耗费和时间。本发明的方法提供 了以下优点，即，只是在初始步骤中利用在粗糙光栅格中的激光线找到该孔。然后专门地在 已被定位的孔区上启用高密度激光线从而精确地测量孔的直径。通过精确地控制各个发射 模块，因此能够显著地改进利用激光切传感器的表面扫描的功效。基本上，发射模块能够被随机地选择。然而，在该方法的有利的变型中，属于第一 选择的发射模块和/或属于第二选择的发射模块被从彼此等距离地隔开。在本发明方法的其它特别优选的实施例中，测量包括在如此意义上执行的扫描，即，属于第一选择的并置的发射模块被一个接一个地以紧邻的顺序启用。在此情形中，被不 属于第一选择的其它发射模块分离的发射模块也被认为是并置的发射模块。因此这种扫描 还能够被指定为概观扫描。相应地，属于第二选择的并置发射模块能够被一个接一个地以紧邻的顺序启用， 从而执行物体扫描。然而，被并置的特性同样地应用于被不属于第二选择的发射模块分离 的、属于第二选择的这种发射模块。根据采样定理，对于第二空间分辨率，优选的是，由发射模块产生的光图案的最小 间隔小于待探测的物体的线尺寸的一半。以此方式，更加易于获得无错的物体配置。当一旦已经探测到物体便停止概观测量并且然后直接地继续测量作为物体测量、 更加具体地作为物体扫描时，能够在记录测量数据时节约甚至更多的时间。特别地，利用本发明的方法，其中总体探测到的区在概观测量中比在物体测量中 更大的、有利的变型是可能的。特别地，因此能够以与实际物体测量实际上相同的时间或者 有可能以甚至更少的时间根据发射模块的选择来执行概观测量。


在下面参考附图描述了本发明的其它优点和特征，其中图1示出用于用以执行本发明的方法的装置的发射模块的第一示例性实施例；图2示出用于用以执行本发明的方法的装置的发射模块的第二示例性实施例；图3示出用于执行本发明的方法的装置的示例性实施例；图4示出用于执行本发明的方法的装置的另一示例性实施例；图5是发射模块的第一选择的图解视图；图6是用于执行物体测量的、发射模块的第二选择的第一实例的图解视图；并且图7是用于执行物体测量的、发射模块的第二选择的第二实例的图解视图。
具体实施例方式参考图1描述了用于用以执行本发明的方法的装置的发射模块20的第一变型。在 全部的图中利用相同的引用数字标注等价的构件。作为基本构件，图1所示的发射模块20首先包括作为第一光源的第一激光二极管 10和作为第二光源的第二激光二极管60。然后设置二向色光束分裂器40、准直透镜28、柱 面透镜50和反射镜16。这些构件被容纳于未以任何更多的细节示出的外壳中。在示意的实例中，第一激光二极管10发射红色光13并且第二激光二极管60发射 红外光14。红色光13和红外光14经由光束分裂器或者分光镜40而被组合以形成公共光 路30，并且利用准直透镜28而被引导到柱面透镜50，柱面透镜50将之前旋转对称的光束 轮廓转换成条纹轮廓。这个条纹轮廓然后经由反射镜16而被偏转并且被照射到在图1中以 图解方式示意的物体70上。因为仅仅在发射模块20中使用单一柱面透镜50来加宽光束， 所以甚至进一步地减少关于潜在公差的自由度是可能的。通过利用反射镜16偏转光束，通 向物体的总光学路径得以延长。对于将被投射到物体上的、相等长度的光条纹，利用光束偏 转，进一步减小光束的发散角度并且因此增加光条纹的发光强度的均勻性是可能的。待检查的这个物体70是在车门76和车体78之间的间隙74的区域的一部分。以图解方式示意了被照射到这个区域上的光条纹72的形状。利用也以图解方式示意的探测 器单元300探测这个光条纹72的形状，因为公共光路，这个光条纹72在所示实例中对于使 用者作为红色光条纹可见，并且还作为红外光而被照射到物体70上。在通过接收物镜35之后，被待探测的物体70反向辐射的光75通过带通滤波器 36，带通滤波器36使得基本上仅仅光的红外部分通过并到达探测器或者图像记录器37。探 测器或者图像记录器37能够例如是二维(XD或者CMOS芯片。红外激光特别良好地适合于在经喷涂的表面例如包括经喷涂的车门上使用。进 而，利用能够是一种红外通过滤波器或者通常地二阶带通滤波器的带通滤波器36，显著地 增加信噪比并且因此独立于日光影响地在大的程度上提供应用是可能的。对于测量原理而言重要的是，沿其将光图案照射到待探测的物体70上的方向不 与探测方向一致。这意味着三角测量被执行。例如，对于给定的、本发明的装置相对于待检 查的门隙的、适当的相对对准而言，在投射和监视方向之间的这个角度偏移引起在图1中 以图解方式示意的光条纹72在门隙74的区域中示出突然的向下错位。能够根据这个错位 的进程确定表面轮廓并且因此门隙74的宽度。图2所示的示例性实施例不同于图1所示的变型之处在于，为第一激光二极管10 和第二激光二极管60中的每一个提供了单独的准直透镜11、12。在其它方面，这个示例性 实施例对应于图1所示的情况。参考图3和4描述了用于执行本发明的方法的装置100的两个示例性实施例。在 两种变型中，例如能够如在图1所示实施例中配置的多个发射模块21到24被容纳于外壳 80中。为了清楚起见，在图3和4中由点代表的其他的发射模块事实上被插入发射模块21 和22之间。这些点示意发射模块的总数根据需要能够是基本上可变的并且通常是非常大 的。在外壳80中的发射模块21到24总是相互间被等距离地隔开并且被沿着相同方向对 准。这意味着光轴31到34总是相互平行的并且被以相等的间隔(间隔90)隔开。基本由 发射模块21到24的宽度限定的间隔90能够通常为10mm，从而总是相互间以10mm分离的、 平行的光条纹被投射到待探测的物体70上。发射模块21到24被连接到以图解方式示意的总线系统86，总线系统86进而被连 接到控制和估计单元400。发射模块的总数原则上仅由总线系统的设备和外壳80的容量限 制。通过探测器单元300探测由待探测的物体70反向辐射的光75，探测器单元300也 被连接到控制和估计单元400。基础宽度82由将探测器单元300与发射模块21到24分离 的距离限定。由于几何的原因，待探测的物体70距传感器100的距离越大，则所述基础宽 度应该增加，从而执行三角测量。在图3和图4中示意的本发明的装置的变型的区别与这 个方面有关。图3所示的示例性实施例具有置于外壳80的外部右手区中的探测器单元300，该 探测器单元的光轴朝向观察区500倾斜。利用在图4中示意的变型实现了大于图3所示布置中的基础宽度82。因此使用图 4所示示例性实施例，从更大的距离处检查物体也是可能的。这是通过使用反射镜84以将 由待探测的物体70反向辐射的光引导到探测器单元300而得以实现的。由于更大的距离 并且因此由于更小的角度，需要更大的物镜35从而实现相同的横向分辨率。利用反射镜84的光束偏转产生了另外的优点，即，与图3所示布置相比，能够旋转大约90°角度地在外壳 80中安设这个更大的物镜35，由于更大的基础宽度82，所述安设是易于实现的。参考图5和6解释了本发明的方法的一种简单变型。在这些图中的每一个中，以 图解方式示意了总共14个发射模块20的布置。属于第一选择的发射模块25为了执行概 观测量的目的而被启用，这些发射模块是每隔一个的发射模块20，如在图5所示的图解实 例中示意的。这意味着当使用如此作出的选择时，空间分辨率等于利用发射模块的这种布 置可能的最大空间分辨率的一半。为了执行概观扫描的目的，能够特别地按照时间顺序启用属于第一选择的发射模 块25。例如，从左侧开始，第一发射模块25能够被启用，然后从左数的第二发射模块等，直 至达到在图5的远右侧上的发射模块25。在示意的实例中，由发射模块27引起的信号不同于背景或者参考信号。这意味着 在由发射模块27于观察区中产生的光图案的区中存在物体。根据本发明的方法，属于第二选择的发射模块26为了进行将被执行的物体测量 的目的而被启用。这在图6中以图解方式示意。与图5相比，总共七个直接地并置的发射 模块26被启用。如已经参考图5解释地，能够特别地如所述地关于物体扫描，换言之按照 时间顺序执行这个启用。发射模块26精确地覆盖发射模块27的区域，发射模块27已经在 概观测量或者概观扫描中产生了不同于背景信号或者参考信号的信号。这意味着存在于这 个区中的物体是由发射模块26以更高的精度测量的。在图7中示意图6的第二选择的替代。与图6的第二选择相比，被启用的发射模块 26总是被插入的发射模块20分离。与在之前的概观测量中关于发射模块27获得的分析结 果相结合，利用这种选择能够实现所期的、改进的空间分辨率。原则上，这种方法能够被一 般化。当执行特定的物体测量时，这样做只是涉及使用而非重复已经关于待探测或者识别 的物体获得的概观扫描的测量结果。然而，如果发生改变的话，仅当在概观测量和物体测量 之间测量状况、换言之物体在观察区中的位置仅仅微不足道地改变，这种方法才是可行的。本发明提供了用于探测物体的新颖的方法，其中光切传感器的布置是以非常节约 时间的方式操作的。对于要求特别快速的和独立的物体识别以及物体位置和/或形状的探 测的所有应用而言，这种方法是弓I人关注的。用于操作激光切传感器的本发明的方法所基于的基本思想在于，待观察的状况起 初是以低的分辨率扫描的，并且然后，一旦已经探测到物体，便利用更加精细的并且特别地 可独立调节的分辨率更加精确地测量。为此目的，带有多个发射模块的激光光切传感器得 到使用。使用总线系统，更加具体地串行总线系统，因此，在每一扫描之前，独立地设定将被 启用的那些发射模块和将保持不起作用的那些发射模块是可能的。以下情况经常发生，其中，待探测的物体或者多个物体的特定信息，例如尺寸和/ 或形状，已经是可得的，并且仅仅有必要确定这个物体在实际机构中的位置。那么能够为每 一种单独模式馈送如何启用各个发射模块的信息。原则上，利用起初比较粗糙的光栅格开 始扫描并且然后一旦已经遇到物体便在同一扫描内增加分辨率也是可能的。这种方法的变 型还能够被称为“连续接近”。进而，为不同的物体不同地设定分辨率也是可能的，然而应该 指出，根据采样定理，所述情况得以扫描的光栅间隔有利地是待探测的物体的至多一半。本发明方法的潜在应用领域通常是自动机领域。例如，能够在达5mm的光栅格中布置发射模块。原则上，具有任何长度的系统都是可能的。例如，传感器能够具有Im的总 长度并且因此包含200个发射模块。通常根据具体应用仅仅为光栅格的特定槽配备发射模 块也是可能的。例如，仅仅每第四个槽可能配备有发射模块，如果这对于具体项目而言是足 够的。
权利要求
一种用于探测物体的方法，其中通过多个发射模块将光图案照射到观察区中，所述发射模块被相互隔开，其中由至少一个空间分辨探测器单元探测从所述观察区反向辐射的光，其中根据光切原理基于探测到的光确定位于所述观察区中的物体的表面轮廓，其中所述发射模块相互隔开的间隔提供最大空间分辨率，其中在概观测量中，发射模块的第一选择被启用，其中通过发射模块的所述第一选择提供第一空间分辨率，其中在物体测量中，发射模块的第二选择被启用，其中通过发射模块的所述第二选择提供第二空间分辨率或者通过发射模块的所述第二选择与属于所述第一选择的、至少选定数目的所述发射模块共同提供第二空间分辨率，其中所述第二空间分辨率大于所述第一空间分辨率。
2.根据权利要求1的方法，其中当选择用于所述概观测量和用于所述物体测量的所述发射模块时，考虑关于待探 测的物体的信息。
3.根据权利要求1的方法，其中所述发射模块每一个均发射具有至少两个不同波长的光，并且所述具有至少两个 不同波长的光是沿着公共光学路径朝向所述物体发射的。
4.根据权利要求1的方法，其中仅非可见光被探测并且被用于估计。
5.根据权利要求1的方法，其中来自至少两个不同波长的光被探测， 其中信噪比最大的波长被确定，并且 其中对于如此确定的波长执行估计。
6.根据权利要求1的方法， 其中使用的光图案是条纹图案。
7.根据权利要求1的方法，其中多个发射模块按照时间顺序而被启用。
8.根据权利要求1的方法，其中所述发射模块容纳于外壳中并且被均勻地隔开。
9.根据权利要求1的方法，其中相同的光图案被所述发射模块投射到所述观察区中。
10.根据权利要求9的方法，其中所述相同的光图案被所述发射模块平行地投射到所述观察区中。
11.根据权利要求1的方法，其中属于所述第一选择的所述发射模块和/或属于所述第二选择的所述发射模块以 相同的间隔相互隔开。
12.根据权利要求1的方法，其中为了执行概观扫描，彼此相邻的、属于所述第一选择的发射模块被以直接时间连 续方式启用，和/或，为了执行物体扫描，彼此相邻的、属于所述第二选择的发射模块被以直接时间连续方式启用。
13.根据权利要求1的方法，其中属于所述第二选择的至少一个发射模块被置于属于所述第一选择的所述选定数 目的模块中包括的每一个发射模块之间。
14.根据权利要求1的方法，其中在所述第二空间分辨率的情形中，由所述发射模块产生的光图案的最小间隔小于 待探测的物体的线尺寸的一半。
15.根据权利要求1的方法，其中一旦已经发现物体，便停止概观测量，由此执行物体测量。
16.根据权利要求1的方法，其中在概观测量中记录的总体区域大于在物体测量中记录的总体区域。
全文摘要
本发明涉及一种用于探测物体的方法，其中通过多个发射模块将光图案照射到观察区中，发射模块被相互隔开，其中由至少一个空间分辨探测器单元探测从观察区反向辐射的光，其中根据光切原理基于探测到的光确定位于观察区中的物体的表面轮廓，其中发射模块相互隔开的间隔提供最大空间分辨率。该方法的特征在于，在概观测量中，发射模块的第一选择被启用，由发射模块的第一选择确提供第一空间分辨率，在物体测量中，发射模块的第二选择被启用，由发射模块的第二选择提供第二空间分辨率或者由发射模块的第二选择与属于第一选择的、至少选定数目的发射模块共同提供第二空间分辨率，其中第二空间分辨率大于第一空间分辨率。
文档编号G01B11/25GK101995229SQ201010262188
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者恩斯特·塔贝尔, 托尔斯滕·奥布雷希特, 贝内迪克特·劳舍尔 申请人:倍加福有限责任公司