申请/专利权人：INB视觉股份公司

申请日：2016-05-12

公开（公告）日：2020-07-03

公开（公告）号：CN108027232B

主分类号：G01B11/25(20060101)

分类号：G01B11/25(20060101)

优先权：["20150709 DE 102015212843.1","20160510 DE 102016208049.0"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.03#授权;2018.06.05#实质审查的生效;2018.05.11#公开

摘要：本发明的目标是一种物体的快速和非常精确的重构。这通过一种用于检测物体6的优选结构化表面的图像的设备和方法，包括用于照明所述物体6的至少一个图案投影单元以及用于捕捉所投影的图案的图像的至少一个成像单元7。所接收的一个或多个图像的时间和或空间分析被执行以便重构该表面。所述至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射生成图案。而且，所述用于检测图像的方法被表征为通过使用所捕捉图像或图像序列的时间和或空间分析，借助于算法可以确定对应的像素，所述对应的像素连同成像功能一起允许表面点的三角测量。

主权项：1.一种用于通过用于照明物体6的至少一个图案投影单元以及用于捕捉被投影的图案的图像的至少一个成像单元7来检测物体6的表面的图像的设备，其中执行对所捕捉的图像或图像序列的时间和或空间分析以便重构所述表面，所述至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射生成图案，其特征在于，可设置的模拟灰度值能够通过施加一个合适的模拟控制电压或多个合适的模拟控制电压来表示。

全文数据：用于检测物体的优选结构化表面的图像的设备和方法[0001]本发明涉及一种具有用于照亮物体的至少一个图案投影单元以及用于捕捉所投影的图案的图像的用于至少一个成像单元来检测物体的优选结构化表面的图像的设备，其中执行所捕捉的图像或图像序列的时间和或空间分析以便重构所述表面。[0002]此外，本发明涉及一种用于检测物体的优选结构化表面的图像的方法，其中所述表面被至少一个图案投影单元照亮，其中所投影的图案的图像被至少一个成像单元捕捉，并且其中执行所捕捉的图像或图像序列的时间和或空间分析以便重构所述表面。[0003]首先提到的类型的设备和方法是从实践中知晓的且存在于不同的实施例中。[0004]基本上，一方面，存在用于对表面形状进行三维捕捉的不同光学传感器或设备。具体而言，具有活动图案投影的传感器在此起到核心的作用，因为利用这些传感器可能实现在几个微米Ml的范围内的高度分辨率。典型的且经证实的方案是带状投影方法一确定性的图案序列一以及统计图案序列的投影。这些方案与是否进行了线性或平面投影无关。[0005]光学3-D传感器的其它方案基于运行时方法，例如在飞行时间相机或静态图案投影中的光子混合检测器PMD传感器），静态图案投影例如来自PrimeSense公司的光编码技术、来自Ensenso公司的人造纹理的投影，它们可以部分提供非常快速的3-D数据但与具有活动图案投影的3-D传感器相比在分辨率和精确度方面存在缺陷。[0006]根据活动图案投影的原理的光学传感器由一个或多个图案投影单元以及一个或多个成像单元构成。图案投影单元，就它而言，由至少一个光源、适当适配的照明透镜、光调制器例如显示器以及投影透镜构成。[0007]当前的发展是例如具有结构化照明的3-D线传感器马德宝NB大学;DE102013212409A1以及基于具有激光散斑的随机图案投影的3-D传感器jena大学;DE102012002161A1。[0008]使用相位分析方法或时间相关性方法来从对所投影的图案的捕捉中计算出表面形状。[0009]为了实现高测量精确度以及所测量的结果的无歧义性，通常4到10个个体图案的图案序列对于3-D图像是必须的，由此得到相对长的图像捕捉时间。在该时间期间，在采用平面投影的传感器的情况下，不会有传感器相对于表面的移动发生。在采用线性投影的传感器的情况下，可以根据传感器在表面上的移动来构成该表面。[0010]在光学传感器中的图像捕捉的时间一方面取决于投影速度和成像单元的速度，另一方面取决于可以经由图案投影单元被带到要被测量的物体上且可以以可使用方式被再次带入到成像单元中的光量。成像单元的敏感度在此也起着重要的作用。[0011]然而，当可以在成像单元中实现相对高的成像速度线性相机高至数百kHz，矩阵相机高至数百Hz的同时，通常使用的投影单元则被限制于至多1900Hz的速度DMD，数字微镜设备）。对于二元图案的投影，例如来自德州仪器TexasInstruments的DMD确实实现了高至32Mz二元的图像饱和频率，参见数据表TIDLP7000-0.72xLVDS类型-ADMD。然而，由于例如正弦带状图案的投影要求非二元灰度值，因此可实现的图像变化频率因为用于随后必需的图像的表示的脉宽调制而被显著降低。[0012]高照明强度的必需性也限制了光学传感器的图像捕捉速度。原则上，LED可以以高周期率被切换;然而，考虑到因而将非常短的照明时间，对于检测用于捕捉图像的充足的光来说，所使用的成像单元大多太不敏感。[0013]具有基于激光器的光源的图案投影单元具有投影明显更大光量的倾向。然而，所允许的光量在技术上被限制，特别是在基于IXD或LCoS的带状投影的图像调制器的情况下，因为大量引入的能量保留作为元件中的功率损失。这负面影响了正确的功能并且在极端情况下可以导致毁坏。[0014]以例如来自基于激光器光源的客观散斑的形式生成随机图案的图像和或光调制器在此形式中并不具有这样的问题。然而，此处的测试表明在测量区域上的强度的基于原则的、高斯分布以及亮度的频率的分布少量非常亮的点和相对多的暗区域对所测量的结果的质量有负面的影响并且与确定性图案序列相比提供了更差的值。基本上，整个测量范围的稳定对比度可以通过确定性的图案序列来实现。在静态方法的情况下，甚至所述对比度并因而所测得的结果也都经受依赖位置的统计。[0015]通过图案的机械变化生成必需的图案序列的投影仪是非常快速的。图案的变化例如通过旋转其上放置有几种静态图案的盘ABW公司的MiniRot投影仪或通过马达驱动偏转镜Jena大学，DE102011121696A1来发生。然而，这种类型的投影仪要么受限于现有的静态图案旋转的、静态图案），要么生成相对类似的静态图案偏转镜），其在呈现各图像序列内的相关性方面是困难的。[0016]另一组光调制器或照明系统基于LED阵列以及通过投影透镜的生成图案，其中所述投影透镜由透镜阵列组成。在这个领域中当前的成果是例如依据FraunhoferIOFJena的基于LED多孔图案投影以及Magdeburg大学开发的用于在圆柱形透镜的帮助下生成光图案的设备，参见DE102013002399A1。这些照明系统也可以非常快速地投影图案，因为它们仅仅依靠LED的可能的切换频率;然而，所投影的图案不能变化或仅能在狭窄的限制范围中变化。而且，仅有在受限深度锐度范围中实现的图案可以被生成，并且所述图案部分具有低的对比度。[0017]用于物体的优选结构化表面的图像捕捉的已知的设备和方法，尤其在3-D传感器的情况下，具有下述问题:直到现在还不存在合适的设备且还不存在合适的方法，根据该合适的设备和方法可以使得具有图案内的模拟灰度值表示的任意确定性图案序列的非常快速的投影以及图案内容随一个图案到另一个图案的不同变化、提供高能量密度以便实现非常短的图像捕捉时间以及在整个投影表面上的均匀亮度分布成为可能。[0018]因此，本发明具有一个使得先前提到的类型的捕捉图像的设备和方法可用的基本问题，根据该设备和方法，可以通过简单的构造手段以极高精确度重构尤其以三维形式）物体。[0019]根据本发明，在一方面上述问题由具有权项1的特征的设备来解决。相应地，所述设备的特征在于至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射捕捉图案。[0020]另一方面，上述问题由具有权项10的特征的方法来解决。因此，所述方法的特征在于通过使用根据算法的对所捕捉图像或图像序列的时间和或空间分析，对应的像素可以被确定，对应的像素结合成像函数使得对表面点的三角测量成为可能。[0021]以根据本发明的方式首次认识到:通过有技巧地选择所述至少一个图案投影单元的设计，上述问题以令人惊讶的简单方式被解决。为此，至少一个图案投影单元以根据本发明的这样的方式被设计，其使用在光栅上的光衍射生成图案。灰度值图案可以以这样的方式被非常快速地生成，通过该方式总体来说以非常高的精确度产生非常快速的物体重构。关于所述方法，对应的像素通过使用对所捕捉的图像或图像序列的时间空间分析的算法来确定，其中这些确定的像素与成像函数一起使得表面点的三角测量成为可能。[0022]因此，利用根据本发明的用于捕捉物体的优选结构化表面的图像的设备和方法，物体可以通过有益的简单手段以非常快的速度以及高精确度尤其是以三维形式被重构。[0023]关于特别精确的表面重构，表面重构可以通过相位分析方法和或时间相关性方法被执行。因此，在给定关于设备的布置的附加知识的情况下，表面形状可以通过三角测量来容易地计算出。这可以另一种特别简单的方式涉及已知的相位分析方法和或时间相关性方法。[0024]关于在实践中特别有效且高效的至少一个图案投影单元，所述图案投影单元可以包括至少一个MEMS光调制器。这种光调制器通过在光栅上的衍射来调制光。[0025]在具体的有利实施例中，ffiMS光调制器可以包括金属带和或金属板，其可以向上、向远方或前后静电地移动。进行这种金属带或金属板的移动，以便能够根据需要在栅功能和反射镜之间定位每个像素。[0026]取决于用途，0阶或1阶衍射可以在至少一个图案投影单元的框架中被使用。在此要注意的是0阶衍射在“开启”和“关闭”之间具有相当低的反差，并且为了使用1阶衍射，成像透镜要被设计得比采用〇阶衍射的布置更加复杂。[0027]通过优选地针对每个像素施加一个合适的模拟控制电压或多个合适的模拟控制电压，可以以特别简单的方式来表示可设置的模拟灰度值。这在所选的图案投影单元中可仅用一步来进行，这导致相比较于其它系统的速度优势。[0028]在另一个有利方式中，至少一个图案投影单元可以具有针对线性或一维投影而设计的构造。当被使用时，与其它类型的投影单元相比而言，这允许例如在基于线的3-D传感器中的非常高的操作速度。在此，显示元件可以仅具有一条线。为了捕捉平面结构，使用了对线以及在被测量的物体和传感器之间的被限定的相对移动的连续捕捉。[0029]3-D传感器的不同的布置可以基于根据本发明的设备来构造。3-D线传感器或3-D矩阵传感器可以在此被形成。在其它方面，将根据本发明的设备用于偏折法deflectometry中是非常有利的，其中受所述方法的条件限制，没有投影透镜被用于在要被测量的物体上的成像，而是需要图案投影单元可以将图案投影到其上的例如毛玻璃盘或类似物。[0030]在根据本发明的设备的具体实施例中，所述至少一个图案投影单元可以包括单色光源、白光源或多色光源。在光源的选择中，具体的用途被考虑。在另一个有利的方式中，至少一个图案投影单元可以包括用于将所生成的光加宽到投影显示器的水平和宽度的透镜。由于加宽所产生的照明不均匀可以由投影显示器的合适的、像素级校准来校正。[0031]本发明提供了至少一个图案投影单元和至少一个成像单元的组合，通过该组合，物体可以被快速地三维测量并且与已知设备相比没有3-D重构的精确度方面的损失。[0032]根据本发明的设备以及根据本发明的方法使得具有图案内的模拟灰度值表示以及图案内容随一个图案到另一个图案的不同变化的任意确定性图案序列的非常快速的投影、提供高能量密度以便实现非常短的图像捕捉时间以及在整个投影表面上的均匀亮度分布成为可能。_[0033]根据一个优选示例性实施例，用于使用至少一个用于捕捉表面的成像单元来捕捉物体的优选结构化表面的图像的方法和设备变得可用，其中所述表面以结构化方式由至少一个图案投影单元照明并且其中进行所捕捉的图像序列的时间和或空间分析以重构所述表面，并且其中使用通过算法的对个体图像的时间和或空间分析，确定了对应的像素，所述对应的像素与成像函数一起使得对表面点的三角测量成为可能。[0034]一种成像函数在数学上表示3-D完全坐标与相机图像或成像单元的图像的坐标系的关联。以此方式，可以为空间中的每个3-D坐标或每个点计算该点位于相机图像中或成像单元的图像中的哪个位置。具体而言，这种关联通过相机传感器的几何尺寸像素的大小和数量以及属于相机的物镜的特性值焦距、失真来确定。[0035]在另一个有利的实施例中，至少一个图案投影单元使用在光栅上的光衍射生成所述图案。[0036]存在以有利的方式设计并进一步开发本发明的示教的不同的可能性。为此，在一方面，引用从属于权利要求，并且在另一方面引用以下使用附图的对于本发明优选示例性实施例的解释。通常，优选实施例和示教的进一步开发也结合本发明的优选示例性实施例的解说被解释。在附图中唯一的[0037]附图示出根据本发明的用于捕捉物体的优选结构化表面的图像的设备的示例性实施例的示意图。[0038]根据本发明的示例性实施例，进行物体的3-D测量，其中示例性实施例包括一个或多个成像和图案投影单元的组合，其中一个或多个所述图案投影单元包括MEMS-光调制器，所述光调制器通过在光栅上的衍射来调制光，例如加拿大公司硅光机械SiliconLightMachine的GLV栅化光阀）和PLV平面光阀）；TO1996041217A1、W02005059596A2。在此，金属带或金属板被静电地向上和向远方移动以便能够根据需要在栅功能和反射镜之间定位每个像素。使用了〇阶或1阶衍射，其中后者在开启关闭之间具有相当低的反差，并且对于使用1阶衍射，成像透镜变得更加复杂。[0039]可以用这样的投影单元通过施加合适的模拟控制电压在一个步骤中就表示出特定模拟灰度值图案，这呈现出相比较于DMD、LCD或LCoS而言在速度方面的显著优势，这可以仅在连续脉宽调制二元图案的时间积分的帮助下表示模拟灰度值图案。而且，这样的投影单元也可以是原生一维的，即被设计用于不同于DMD、LCD或LcoS的线性或一维投影，这也允许相比较于采用其它所提到的技术的可设想的解决方案而言在基于线的3-D传感器的用途中的明显更高的使用速度。因此，上述投影单元是比当前利用DMD、LCD或LCoS可能的方案相比明显更加快速的图案投影和图像捕捉的基础。[0040]上述投影单元原先在一维中可用（二维原型正在开发中）并且原先单单具体用在数字胶印、EUV平版印刷以及数字电影投影中。另外，这样的投影单元被描述为通常可用于环境识别的方法DE102007040176A1以及位置跟踪的方法US20070268398，但仅构成这些方法的几种等价变型中的一种可能的变型，相比较而言，这种类型的投影在此对于所提出的问题的解决方案是必要的。[0041]所述作为用于任何具有非常高的能量密度的确定的、模拟灰度值图案的投影单元，以及在用于基于图案序列和时间或局部相关性的方法的3-D测量技术的传感器中的一个或多个快速且高分辨率的成像单元的使用是新的。[0042]根据活动图案投影的原理的光学传感器由一个或多个图案投影单元以及一个或多个成像单元构成。图案投影单元通常由至少一个光源、适当适配的照明透镜、光调制器例如显示器以及投影透镜构成。[0043]表面形状通过根据由成像单元对所投影图案的捕捉使用相位分析方法或时间相关性方法以及关于传感器布置的知识进行三角测量来计算出。[0044]与先前已知的设备相比，如上所述的MEMS光调制器被用作通过在光栅上的衍射对光进行调制的图案投影单元。[0045]基本上，具有这些投影单元的3-D传感器的非常不同的布置是有利的：[0046]具有仅仅一个投影单元以及仅仅一个相机直至具有共面方式的两个或更多投影单元以及共面方式的一个或多个相机的3-D线传感器以便实现更高的横向分辨率或更大的测量区域是可能的，同样参见W02014000738A2。[0047]3-D矩阵传感器可以直接利用一个或若干个二维投影单元以及一个或多个矩阵相机被构建。而且，即使一维投影单元的成像也能在专用透镜例如Powell透镜、棒形透镜等等的帮助下在表面上被加宽。[0048]在偏折法中使用这样的投影单元也是可构想的，其中受所述方法的条件限制，没有投影透镜被用于在要被测量的物体上的成像，而是需要图案投影单元可以将图案投影到其上的例如毛玻璃盘或类似物。[0049]唯一的附图以具有一个图案投影单元和作为成像单元的两个相机的3-D线传感器的形式示出了示例性实施例。[0050]具有投影显示器3的宽度和活动范围水平的激光线在合适的透镜2的帮助下从激光光源1生成，并且投影单元被其照亮。投影单元在像素级对该激光线进行调制，参见上文。期望的衍射阶通过傅里叶透镜4被过滤，并且经调制的激光线通过投影透镜5被投影到物体6上。[0051]通过用作成像单元的经彼此同步和校准的两个相机7从被投影到物体上的图案中捕捉特定数目的图像。[0052]来自图像对的序列被用于物体表面的三维重构。为了计算表面形状，例如在使用反射码greycode图案和或正弦图案期间，可以使用用于3-D重构的已知算法相位相关性、时间相关性）。而且，具有经优化统计的图案序列也可以被计算并被用于所述测量，例如，正弦、三角形或具有逐行变化的相位和或周期长度的其它周期性图案。例如，具有不同的相位位置和不同的频率的正弦图案的序列可以被使用。[0053]对于图案投影，在从UV到NIR的频谱范围中的单色光源例如GLV显示器中的激光以及PLV显示器中的白色或多色光都可以被使用。常用的点状光源通过合适的透镜被理想地加宽到投影显示器的高度和宽度。通过加宽产生的照明不均匀可以由投影显示器的合适的、像素级校准来校正。[0054]通过使用单色光源，在成像单元前面的合适的滤色器的帮助下来抑制扰动的外部光影响是可能的。为了避免当使用单色光源时的主观散斑，可以使用各种方法，例如，激光器Chirp的波长调制、使用宽带激光器、第二极化方向的生成和混合以及与经由漫射器的成像。[0055]关于根据本发明的设备和根据本发明的方法的其它有利实施例，作出对说明书的一般部分以及对所附权利要求的参照，以避免重复。[0056]最终，特别指出，先前所描述的本发明的示教的示例性实施例仅用作解释所要求保护的教导，但其并不限于所述示例性的实施例。[0057]附图标记列表[0058]1光源[0059]2透镜[0060]3投影显示器[0061]4傅里叶透镜[0062]5投影透镜[0063]6物体[0064]7相机，成像单元

权利要求：1.一种用于通过用于照明物体6的至少一个图案投影单元以及用于捕捉被投影的图案的图像的至少一个成像单元C7来检测物体⑹的优选结构化表面的图像的设备，其中执行对所捕捉的图像或图像序列的时间和或空间分析以便重构所述表面，其特征在于，所述至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射生成图案。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述表面的重构能够通过相位分析方法和或时间相关性方法被执行。3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述至少一个图案投影单元包括至少一个MEMS光调制器微电机系统）。4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述MEMS光调制器包括金属带和或金属板，所述金属带和或金属板可以向上和向远方或前后静电地移动。5.如权利要求1到4中任一权利要求所述的设备，其特征在于，可以使用〇阶或1阶衍射。6.如权利要求1到5中任一权利要求所述的设备，其特征在于，可设置的模拟灰度值能够通过优选地针对每个像素施加一个合适的模拟控制电压或多个合适的模拟控制电压来表示。7.如权利要求1到6中任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述至少一个图案投影单元具有被设计成线性或一维投影的构造。8.如权利要求1到7中任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备形成3-D线传感器或3-D矩阵传感器或可以在偏折法中被使用。9.如权利要求1到8中任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述至少一个图案投影单元包括单色光源（1、白色光源或多色光源，其中所述至少一个图案投影单元优选地包括将所生成的光加宽到投影显示器C3的水平和宽度的透镜。10.—种特别是通过如权利要求1-9中任一权利要求所述的设备来捕捉物体6的优选结构化表面的图像的方法，其中所投影的图案的图像由至少一个成像单元7捕捉，并且其中为了所述表面的重构执行所捕捉的图像或图像序列的时间和或空间分析，其特征在于，通过使用所捕捉的图像或图像序列的时间和或空间分析，确定了对应的像素，所述对应的像素结合成像函数使得对表面点的三角测量成为可能。

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