CN107044847B - 发光单元和基于三角测量的测距装置 - Google Patents

发光单元和基于三角测量的测距装置 Download PDF

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Abstract

发光单元和基于三角测量的测距装置。一种用于提供具体为激光的限定测量光的发光单元，具体为基于三角测量的测距装置的发光单元或者用于基于三角测量的测距装置的发光单元，该发光单元包括：用于发射光的光源，具体为用于发射激光的激光源；以及射束成形组合件，其用于通过影响由光源发射的光的传播来整形所述光，其中，射束成形组合件被设置并设计成使得按具有中点和两个相对端部的光线形式来提供测量光。射束成形组合件包括至少一个微透镜阵列，至少一个微透镜阵列包括多个微透镜，其中，多个微透镜被设计和设置为彼此相邻地接合，并且连续的微透镜的曲率的代数符号相反，使得提供周期性的结构，其中，周期性由至少两个连续的微透镜限定。

Description

发光单元和基于三角测量的测距装置
技术领域
本发明总体上属于涉及提供限定的光线的装置，所述限定的光线优选用于利用改进光发射方法来对物体表面进行基于三角测量的测量。
背景技术
通常的做法是，在诸如坐标测量机(CMM)的坐标定位装置上检查生产之后的工件，以便检查预定物体参数的正确性，比如物体的尺寸和形状。而且，未知物体的表面的检测在许多工业应用中受到关注。这种测量典型地还可以利用坐标测量机或者任何其它合适类型的扫描装置来提供。
在常规的3D坐标测量机中，支持探头(probe head)沿三个相互垂直的轴(沿方向X、Y、Z)移动。由此，可以将探头引导至坐标测量机的测量体积空间中的任意点，并且可利用探头所携带的测量传感器(探测单元)测量物体。这种探测单元可以被设计为例如基于三角测量原理来提供表面测量的触觉探针或光学传感器。
在简单形式的机器中，与各个轴平行地安装的合适的换能器能够确定探头相对于该机器基部的位置，并因此确定被传感器照射的物体上的测量点的坐标。为了提供探头的可移动性，典型的坐标测量机可以包括设置探头的框架结构以及用于彼此相对地移动框架结构的框架组件的驱动装置。
利用光学传感器的一个优点是，光学传感器不与部件相接触，并因此在测量期间不使光学传感器像使用触觉探针的情况那样变形或者被破坏。
结合CMM地利用线三角测量装置来测量表面的特定优点是，通过一个时间步长接收到的距离信息的量(即，沿整个投影三角测量线的距离值)可以确定，并且可以导出相应坐标。由此，通过沿希望测量路径移动该传感器，可以显著较快地整个扫描要测量的物体。
在过去的20年，手动操作的便携式CMM***(通常包括用每个联动装置一个或两个旋转轴和总计六个或七个轴链接的四个区段)对于工作场所的非重复性测量任务来已经成为流行的。线三角测量装置也被用于这种便携式CMM，以极大地增加数据捕捉速度。
使用三角测量单元的其它便携式测量装置包括利用多个像机跟踪探针位置和取向的光学跟踪***，或者干涉测量距离跟踪装置，其中利用附加像机来跟踪探针的旋转轴。
线三角测量传感器的其它应用包括固定安装，其中将物体放置在传感器或多个传感器前方并且对静止物体进行单一线测量，使得部件的关键特征可以在单一步骤中捕获，而不需要昂贵的定位***。
而且，用于提供表面的形貌测量的装置可被具体实施为包括三角测量传感器的(手持式)装置，其中，通过人工或机器人沿要测量的表面导引该装置，并且在移动该装置的同时通过传感器获取距离数据。另外，这种装置的位置和/或取向可以在全局坐标系中连续确定(例如，跟踪)，由此使能确定与物体的表面相对应的绝对坐标。
一般来说，三角测量提供了用于以快速且精确的方式扫描表面的方法。基于该原理工作的测量装置例如从DE 10 2004 026 090 A1或者WO 2011/000435 A1获知。
具体来说，在要测量的物体上生成通过激光器单元生成的线(例如，通过沿这种线移动激光点或者通过提供激光扇)，并且从表面反射的光被像机检测到，该像机由光敏图像传感器(光检测器)和用于控制该图像传感器并且读出该图像的电子装置构成。捕获反射光的图像并且导出根据检测到的线的轮廓的距离信息。基于此，可以确定物体的表面的形貌。
为了高精度的三角测量，必须提供相应反射光的照度和检测，这包括恰当的照度水平和对光信息的恰当检测。为了调节照度以使反射光到达检测器，从而满足其相应检测特性(例如，信噪水平和饱和度限制)，WO 2011/000435 A1公开了一种提前照射以便确定测量光的合适照射水平的方法。WO 2007/125081 A1公开了用于依靠像机检测到的强度来主动控制照射光的功率的另一方法。
WO 2014/109810 A1教导通过使用一个或更多个透镜和滤波器部件来操纵由激光源发射的光以便提供在整个激光线上以均匀强度发射的激光线(即，通过使激光器的高斯轮廓平坦)的方法。在使用超过一个透镜的情况下，沿激光线的非均质光分布问题导致横跨所捕获的激光线的不可靠测量结果。这些透镜被设计或设置得越小或越紧凑，这种问题就变得越来越重要。
为了可视化所提到的问题，图1a示出了本领域已知的透镜阵列的横截面。透镜包括沿剪切方向的特定高度H和限定宽度x。可以看出，透镜以特定周期性设置。关注区域(即，所生成的激光线中的不规则性的源)是两个连续的微透镜的接触区100。由于制造工艺，在接触区100中生成毛刺或其它类型的污染，使得光的限定操纵不再在这种区域中做出。材料中的这种不规则性还可以在图1b中看到，图1b是相应透镜阵列的俯视图的图像。有问题的制造区域用100标出。尽管这种非均匀生成的阵列是一般问题，但在设计具有这种部件的测量设备时，就变得特别显著。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种尤其用于三角测量装置的改进照明单元，其用于使能改进对要测量的物体的照射，使得提供关于该物体上的可靠的，具体来说均质的光信息。
本发明的另一目的是提供一种具有改进的光学特性的相应照明装置，具体用于避免所照射的区域中的不规则性。
本发明的另一目的是提供一种提供改进的测量特性的对应改进测量装置。
激光三角测量传感器通常使用光线或激光线，通过利用位于相对于该光/激光平面的特定基线距离和取向的像机观察所述线的移位，来测量沿所照射的线的点的3D位置。
本发明涉及提供用于基于三角测量的距离测量的装置的大概构思，其中，碰撞在要测量的物体上的光线或激光线的光包括在其线性延伸上的基本均匀的光强度，没有具有可变亮度的交替区域。
据此，通过激光发射器发射并且在像机一侧接收到的激光线包括光线的改进(更均匀)强度分布，这导致更准确且精确的距离测量。
本发明涉及一种用于提供具体地基于三角测量的测距装置的发光单元或者用于基于三角测量的测距装置的发光单元，该发光单元具体提供限定测量光，具体为激光器。所述发光单元包括：用于发射光的光源，具体为用于发射激光的激光源；以及射束成形组合件，该射束成形组合件用于通过影响由所述光源发射的所述光的传播来整形所述光。所述射束成形组合件被设置并设计成使得按具有中点和两个相对端部的光线形式来提供测量光。
所述光源可以被具体实施为激光源，具体来说，激光二极管或调节的LED，具体包括用于发射具有优选射束形状的光的孔径。
所述射束成形组合件包括至少一个微透镜阵列，所述至少一个微透镜阵列包括多个微透镜，其中，所述多个微透镜按彼此相邻的接合方式设计和布置。连续的微透镜的曲率的(代数)符号相反(从微透镜至微透镜交替)，并且所述透镜阵列的周期性结构利用由至少两个连续微透镜(的尺寸和形状)限定的限定周期性来提供。
通过提供具有上述特性的微透镜阵列，即，具有波状表面形状或者具有一种正弦形状，可以避免或者至少显著减小微透镜阵列的尖锐边缘。结果，很少有光散射出光线外侧，并且通过这种装置生成的光线关于沿该光线的光分布具有相对高的均匀性。可以投射该光线，使得在该光线上不存在亮度方面的显著变化。
在本发明的一个实施方式中，所述微透镜阵列被具体实施为柱面微透镜阵列，该柱面微透镜阵列具有多个柱面微透镜作为微透镜，所述多个微透镜在阵列中沿第一方向彼此相邻设置。具体地，所述第一方向对应于与所述柱面微透镜的延伸方向垂直的横切。另选地，所述微透镜阵列被具体实施为例如具有抛物线轮廓的周期性非柱面(a-cylindrical)阵列。具体地，所述轮廓具有半正弦周期或者π与2*π之间的正弦轮廓。
根据本发明的相关实施方式，所述光(激光)束的一维(垂直聚焦)可以例如利用像公共柱面透镜一样的另一柱面光学装置来实现。宽条形激光器(broad area laser)输出可以首先通过对准并与该宽条形激光源永久性安装在一起的球面(圆对称、非柱面)透镜准直。还可以跳过该准直仪而使用更强的垂直聚焦透镜。然而，由于源的强发散性，更实用的是首先对光进行准直，使得可以利用更大空间来设置另一些组件。
另选的是，可以省略柱面透镜。取而代之的是，通过向前移位所述激光准直透镜来获取所述垂直聚焦。这还沿水平方向聚焦射束，但与随后的水平漫射器(微透镜阵列)相比，这种效果可以忽略。
另选的是，准直仪和/或规则的柱面透镜可以用“快轴准直仪”(FAC)代替，FAC是靠近激光器定位并且具有高数值孔径以产生完美焦点的非常小的非柱面透镜。与利用圆对称准直仪相比，FAC需要非常准确地旋转对准，但另一方面，可以沿其长度方向自由定位。利用FAC的一个附加益处是不再需要第一水平扩展部件。
射束成形组合件还可以包括一个或两个柱面小透镜(lenslet)阵列，其基本上不影响沿垂直方向的射束成形，但其被定位和对准成使得能够实现沿水平方向的特定射束成形。
可以忽略柱面透镜在水平方向对所发射的光/激光的影响。然而，微透镜阵列影响所述激光束，使得造成沿水平面的传播(角)扩展。所述柱面微透镜阵列几乎不影响垂直聚焦的质量。换句话说，激光束通过与所述一个或两个微透镜阵列的交互作用而水平地(所谓激光二极管的慢轴)漫射。
而且，可以设计相应的微透镜阵列，使得在所生成的激光线上提供激光的希望强度分布。微透镜间节距、相应微透镜的高度以及相应曲率半径因此可以加以选择。光强度因而在激光线中心可以最低，而在两端最高(例如，至少高10％)。按大漫射角(环绕激光线的端部)的这种过大强度提供了对特别是由于cos4定律而造成的预期强度影响(损失)的预补偿。这意味着在相应接收单元一侧仍出现朝着激光线的端部的强度衰退，但衰退量按照在传感器处得到的强度包括基本一个级别的强度的方式，基本上对应于初始提供的超高(superelevation)量。
根据所述发光单元的实施方式，所述柱面微透镜阵列中的所述柱面微透镜被设置并设计成使得沿所述第一方向在所述阵列的表面上提供周期性轮廓，其中，所述周期性轮廓具有波浪形状。
在本发明的另一实施方式中，所述柱面微透镜阵列的所述柱面微透镜的轮廓包括至少局部圆形形状。特别地，半圆形式(表示第一微透镜)的表面轮廓紧挨着半中空圆(穿过半中空球的横切)定位，其中，沿两个方向的圆形形状包括相同的光学和尺度特性(例如，半径、折射率)但相反的曲率。优选的是，所述柱面微透镜阵列的轮廓具有半正弦周期或者π与2*π之间的正弦轮廓。
当然，在本发明的上下文中，所述微透镜阵列的、提供具有交替曲率(有关曲率方向)的连续微透镜的各种设计都在本发明的范围内。例如，所述微透镜的轮廓可以具有抛物线形状，或者像半正弦周期区段一样不精确但相似地成形。
具体来说，所述柱面微透镜阵列中的所述柱面微透镜被设计并设置为彼此相邻，使得在所述表面上沿所述第一方向提供正弦轮廓。
根据本发明的实施方式，所述微透镜阵列用凸透镜和凹透镜的图案来表示。
关于所述微透镜阵列的周期性，即，所述表面轮廓的周期性，所述周期性结构可以包括在所述阵列中特别是沿所述第一方向的恒定周期性和幅度，即，相同节距(从微透镜间的距离)和在整个阵列上所述微透镜的高度(幅度)。
另选的是，根据所述光线的希望特性，所述微透镜阵列可以在所述阵列上特别是沿所述第一方向包括可变的周期性(节距)和/或幅度(高度)。通过这种可变表面轮廓，可以实现对透射光或反射光的特定光学操纵。
根据本发明的实施方式，利用借助所述微透镜阵列生成的光线的测量***的测量距离至少根据相应微透镜阵列的设计来限定。因此，使用的微透镜阵列必须被调整到特定测量要求，特别是因为光学效果变得或多或少与从所述透镜阵列的特定距离有关。
光发射方向的特定测量距离可以根据具有限定的微透镜间节距(透镜间的距离)的微透镜的周期性排布结构来限定。最大测量距离可以取决于至少根据所述微透镜间节距(和所述微透镜的特定形状和尺度)限定的Talbot长度(zt)，具体来说，其中，所述测量范围的最小值对应于所述Talbot长度的一半(zt/2)。由此，所述微透镜阵列可以优选地设计成使得优选的测量范围位于出现Talbot图案的区域内，其不包括或仅包括不(负面地)影响可能距离测量的结果的小尺寸亮斑或暗斑。
根据一个实施方式，所述微透镜阵列被设计成使得针对希望的测量范围的有关Talbot影响的可能散斑的尺寸小于被设置用于接收所生成光在成像到传感器上时的反射的传感器单元的相应像素。换句话说，所述传感器上的图像中的Talbot图案的结构小于像素节距。
所述微透镜间节距可以被设置成使得所述微透镜阵列在所述激光线上按相距所述微透镜阵列的限定距离(例如，在优选测量范围内)的Talbot自成像提供具有光结构的Talbot图案，其在成像到所述传感器上时小于被设置用于成像所述激光线的传感器的像素尺寸。
在该背景下，最大测量范围可以通过所述微透镜阵列的相应选择来设置。所述Talbot长度zt相应地根据所述阵列的设计来限定。
为了检查要测量的物体是否位于限定的测量范围内(与所述物体至所述测量装置的距离有关)，可以将光学可视导引投影到所述测量体积中。所述光学导引给出所述物体是否位于优选测量区域(到所述测量装置的距离)内的信息(例如提供给***的操作员)。这种导引可以用能够以可视方式接收和/或例如具有与测量光的波长不同的特定光色(波长)的光线表示。根据该可视导引例如在捕获的图像中的相对位置，提供所述物体5关于所述测量范围的位置。这种投影可以例如通过照射衍射全息图来实现，举例来说，如通过“LaserComponents”公司的“Flexpoint DOE Series”已知的。
根据本发明的具体实施方式，所述微透镜按照20μm至200μm范围内的微透镜间节距布置，特别是按照150μm的节距设置。
在所述发光单元的另一实施方式中，有关所述微透镜阵列的平均表面水平高度的形貌微透镜高度(幅度)至少为5μm，具体在40μm至50μm之间。
关于射束最优化形成的任务，根据本发明的实施方式，所述发光单元可以包括设置在所述光源与上面提到的第一微透镜阵列之间的第二微透镜阵列，其中，该第二微透镜阵列可以根据所述的微透镜阵列来设计，并且其中，该第二微透镜阵列提供所述第一微透镜阵列相对于所述光源的平移不变(translation-invariant)定位。
根据本发明另一实施方式，所述柱面透镜用Fresnel柱面透镜替换，该Fresnel柱面透镜被设置成提供由所述光源发射的光在到达所述微透镜阵列之前的转变(transition)，其中，所述测量光的时间相干性由于所述光与所述Fresnel柱面透镜的交互作用来减少。
关于所使用的光源，所述光源可以优选地设计成使得所述测量光可以沿第一(垂直)方向空间相干而有关第二(水平)方向不相干地生成，具体来说，其中，所述光源可以被设计成使得所述测量光可生成为包括有关第一方向的一种空间地模式和有关第二方向的超过一个空间模式(多种横向(transversal)模式)。
更具体地，所述光源可以用发光二极管(LED)表示，该发光二极管具体包括空间滤波器，具体为具有狭缝的遮罩。另选的是，所述光源可以包括或者被设计为激光源，其中，所述发射光被设置为激光并且所述光束是激光束，具体为宽条形激光器(BAL)、超发光二极管(SLED)或多模激光源。
对于所述光源包括发光二极管或激光源的情况来说，所述光源还可以包括具有非对称发光孔径的准直部件，其中，所述准直部件被设计成使得所述发光孔径沿所述第一方向的长度显著小于沿所述第二方向的长度。
本发明还涉及基于三角测量的测距装置，该基于三角测量的测距装置包括：具有光源的发光单元，该发光单元用于提供光线形式的测量光，所述测量光在整个光线上具有限定的强度分布；具有传感器的光接收单元，该传感器用于检测从要测量的物体反射和接收的测量光；以及控制和处理单元，该控制和处理单元用于基于检测到的反射来导出距离信息。所述发光单元和所述光检测单元以相对彼此已知的空间位置和取向布置，特别是根据Scheimpflug准则来布置。
所述基于三角测量的测距装置的所述发光单元包括至少一个微透镜阵列，其中，所述至少一个微透镜阵列包括多个微透镜，其中，所述多个微透镜按彼此相邻的接合方式设计和设置，并且用于连续的微透镜的曲率的代数符号相反(交替)，并且使得提供周期性的结构，其中，周期性由具有相反曲率的至少两个连续微透镜限定。
根据所述基于三角测量的测距装置的实施方式，所述微透镜以限定的微透镜间节距设置，其中，被成像到所述CMOS或CCD传感器上的所述节距等于或小于所述传感器的像素尺寸，具体来说，其中，成像到所述CMOS或CCD传感器上的所述节距等于或小于所述传感器的像素尺寸。
因此，所述(结构性)微透镜节距本身不必小于所述像素节距，但通过所述(CCD或CMOS)传感器获取的具有所述微透镜节距的图像应当小于所述像素节距。
通过满足该标准，因Talbot效应而显现的自图像图案包括散斑，散斑在主要成像到所述传感器上时与像素尺寸相比，它们的尺寸更小。结果，在要测量的物体上生成的图案可以按非常精确且准确的方式来检测，使得显著改进了三角距离测量。
附图说明
下面，参照附图中示意性地示出的工作例，完全通过示例的方式，对根据本发明的装置进行更详细描述或说明。具体来说，
图1a和图1b示出了根据现有技术的微透镜阵列的横截面和俯视图；
图2示出了根据本发明的发光单元的实施方式；
图3示出了根据本发明的发光单元的微透镜阵列的轮廓；
图4示出了根据本发明的发光单元的实施方式；
图5a和图5b从不同角度示出了根据本发明的发光单元和各自光源的另一实施方式；
图6示出了根据本发明的具有Fresnel透镜的发光单元的另一实施方式；
图7a和图7b示出了由Fresnel透镜和微透镜阵列的组合产生的传统卷绕(wrapping)和最佳卷绕；
图8示出了由于照射像根据本发明的(柱面)微透镜阵列一样的周期性结构而显现的Talbot图案；
图9示出了根据本发明的微透镜阵列的实施方式的表面测量；以及
图10示出了本发明所涉及的三角测量装置的工作原理。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的发光单元10。发光单元10包括光源11和微透镜阵列14。光源11在此可以被设计为发光二极管(LED)、激光二极管或宽条形激光器(BAL)(例如，具有准直透镜)或者任何其它种类的合适光源。
宽条形激光器(BAL)(还已知为“宽条纹(broad stripe)”、“板式(slab)”或“宽发射器”激光二极管)具有沿一个横向方向(x方向)宽得多的增益体积。与具有沿两个方向的较小的增益区的单模激光二极管相比，BAL发射非常高的光学功率(大约1-10W)。BAL可以在脉冲模式中使用，其中脉冲典型地低于100ns，但在某些情况下，还具有更长脉冲甚或在连续模式中使用。
在宽的方向上，许多空间模式和纵向模式可以共存。在窄的方向上，优选的是，仅一个空间地(spatial ground)模式传播，并且激光由此可以向下聚焦至衍射限制的线焦点。而且，BAL低成本并且代表用于本发明的合适类型的光源。
另选的是，光源可以在其垂直方向上的范围非常小的情况下使用，或者包括提供对应的小范围的附加光学部件(例如，用非常细的狭缝遮蔽的LED)。
利用所示的光源11和微透镜阵列14的排布结构提供了通过光源11发射的光沿一个方向的漫射(展开)，使得将光线提供为用于对物体进行三角测量的测量光。光学部件14提供测量光的特定漫射角，在此大约±27°，即，总开度角大约54°。
而且，透镜阵列14和光源11优选地被设计并设置成使得测量射束能够以有关其沿宽的方向(x方向)的扩展的基本连续的线的形式发射。为此，透镜阵列14的节距和激光二极管的宽度可以被选择成使得投射的二极管宽度匹配透镜阵列14的衍射角，并且发射的光线由此变得连续，而没有任何暗斑，要不然，如果透镜阵列节距太精细或者激光宽度太小，则可以出现暗斑。另一方面，太粗糙的阵列节距或者宽的激光可以造成两个投射交叠的亮斑，因此，最佳的是精确地选择这些参数，使得不存在交叠，或者多次100％交叠。
根据具体实施方式，该配置包括与10mm出射孔径相结合的一个微透镜阵列14。
具体来说，在通过微透镜阵列14的最终漫射之前，使光束(具体为激光束)“足够宽”以提供大的发射面。所发射的(并准直的)射束的初始宽度例如可以为大约1mm，而在加宽之后，其在漫射器14(透镜阵列)处可以大约为10mm。可以使用几种类型的组件来加宽发射的射束，例如，另一柱面透镜、微透镜阵列、衍射光学部件、Fresnel透镜或者某种计算机生成或自然全息图。另一小透镜阵列可以代表这种射束扩展部件，其中，所示小透镜阵列14表示射束漫射部件。如果源是沿水平方向(慢轴)没有准直的激光器，那么射束可以足够快地发散，不需要额外的光学装置。
有关所使用的光或激光二极管和可能的聚焦准直仪，这些可包括非对称孔径。所述孔径被特别设计成沿光线尽可能大(以增强效率)，即，沿水平方向(慢轴)，并且另外横跨该光线更窄以增加并限定焦点的深度，并且改进焦点质量。利用较小的NA，可以使用更便宜的透镜。而且，难于仅利用没有孔径的一个透镜来实现大的焦点深度，因为其必须具有非常短的焦距。具有孔径的焦距较长的透镜改进了指向稳定性，因为从激光器位置至射束角的放大率较小。因为孔径以某一效率(例如，60％)为代价，所以其益处是具有像BAL一样的高功率激光二极管。
微透镜阵列14包括彼此相邻设置的许多微透镜，其中，连续的微透镜具有相反曲率方向，即，符号或曲率从微透镜至微透镜交替。因此，波状表面轮廓根据透镜的该特定排布结构来提供。
凹状和凸状透镜沿横跨透镜阵列14的线交替，具体来说，沿x方向。
通过微透镜的这种排布结构，提供了周期性结构，其在表面上没有光学不规则性(毛刺、污垢、制造残留等)。这种不规则性的量因两个连续的微透镜的接触区中的均匀过渡区而至少大大减小或避免。
图3示出了根据本发明的发光单元的微透镜阵列的轮廓。这种轮廓表示连续设置的微透镜141、141、143的形状。可以看出，透镜141和143具有方向相同的曲率(相同符号)，其中，中间的透镜142具有符号相反的曲率。从微透镜至微透镜的曲率符号在两个连续的透镜的接触点(用虚线描绘)处改变。
当然，要明白的是，图3仅示出了整个微透镜阵列的相当小的一部分。该结构还至少沿x方向周期性地延伸。
阵列的表面上的周期性通过连续重复设置具有相反曲率符号的两个透镜而获得。
沿x方向的轮廓的形状还可以以数学方式进行更一般描述。所示的轮廓表示横跨该表面上的横向位置(x)的轮廓高度(h)。沿x方向的轮廓高度与轮廓的斜率的函数(＝轮廓函数的一阶求导)可以是没有任何跳跃不连续性的连续函数。
例如，根据本发明的一个特定实施方式的轮廓高度(h)的函数是
Figure GDA0002039666850000111
其中，R0是曲率半径，而k是圆锥常数。
具体来说，该曲率半径在9μm至20μm之间的范围外，而圆锥常数范围在-1.5至-1.1之间变动。利用这种参数，微透镜间的节距结果在20μm至40μm之间，而优选的透镜高度在5μm至10μm之间。
根据本发明的实施方式，微透镜阵列可以包括至少150对微透镜，优选为超过180对，具体来说，其中，所述透镜是柱面透镜。
图4示出了根据本发明的发光单元10'的实施方式。单元10'包括光源11'和射束成形组合件12。光源11'可以被设计为发光二极管(LED)、激光二极管或宽条形激光器(BAL)(和准直透镜)或者任何其它种类的合适光源。
射束成形组合件12包括柱面透镜15和两个透镜阵列13、14'(微透镜阵列)，其中，两个透镜阵列13、14'中的至少一个包括具有交替的曲率符号的连续设置的微透镜(在此，用微透镜阵列14'示出)。利用所示的光学部件13-15的排布结构，提供了针对光源11'发射的光的漫射(展开)，使得将光线提供为用于物体的三角测量的测量光。光学部件13-15提供测量光的特定漫射角。
柱面透镜15优选为具有基本上等于到小透镜阵列13的距离的焦距。沿垂直平面的聚焦基本上由激光源11'的设计来提供。
有益的是例如使用柱面透镜阵列13来代替单一表面大透镜，因为针对横向定位的容差不严格得多。具有两个漫射器(例如，所示的两个小透镜阵列13、14')还通过实际上将几个横向模式转换成空间相干来减小散斑。第一漫射器(其将光扩展成覆盖第二漫射器)可以具有至少比射束宽度小至少大约五倍的节距，以减小横向定位影响。
而且，柱面透镜和光源的阵列优选地被设计并设置成使得测量射束可用有关其沿第二方向的扩展的基本连续的线的形式发射。为此，第一柱面透镜阵列13的节距、激光二极管的宽度以及激光器准直透镜焦距可以被选择成使得投射的二极管宽度匹配透镜阵列的衍射角，并且发射的线由此变得连续，而没有任何暗斑，要不然，如果透镜阵列节距太精细、激光宽度太小或者准直仪焦距太长，则可出现暗斑。另一方面，太粗糙的阵列节距、宽激光或者短准直仪焦距可以造成两个投射交叠的亮斑，因此，最佳的是，精确地选择这些参数以使不存在交叠，或者多次100％交叠。
所示的发光单元10可以提供具有涉及所发射的光的特定强度分布的光线。这种分布根据光学部件13-15的相应衍射和准直效果来提供。强度可以在所生成的光线的中部最低。光强度(亮度)因而朝着光线的端部增加。所述增加可以具体对应于根据因子
Figure GDA0002039666850000121
的强度增长，其中，α表示相应漫射角，即，沿光线的从中点至相应端部的距离。α被由光学部件限定(例如，最终由柱面微透镜阵列14'限定)的漫射角来限制。
而且，如上提到，微透镜阵列14'被具体实施为柱面微透镜阵列14'，其包括彼此相邻设置的多个柱面微透镜，深度毗邻的透镜包括反曲率。除了连续的透镜的相反曲率以外，例如像焦距的其它(光学)特性可以相同。
微透镜阵列13还可以被具体实施为柱面透镜阵列，其包括曲率交替的连续透镜(未示出)。
图5a和图5b从不同角度示出了根据本发明的发光单元10″和相应的光源11″的另一实施方式。所示的光学部件36和37可以直接并且固定地与光源11″布置，其中，光源可以被理解为已经配备有这种组件的激光源。图5a以侧视图示出了激光源和具有曲率符号交替的透镜的微透镜阵列34。发光单元10"包括激光二极管11"和(准直)透镜36。另外，发光单元10"包括不对称形状的孔径37。可以在侧视图中看出，部件37包括相当小的孔径，例如，用于光透射的十分窄的狭缝，以提供沿第一(垂直)方向的大的焦点深度。这种准直部件37还在第二方向上提供大孔径，以减少在水平面中漫射的损耗(图5b)。由于激光束针对垂直方向的准直和空间限制可以这样按充分方式设置，不需要用于聚焦的另一柱面透镜。
沿垂直方向聚焦激光并且沿水平方向漫射导致减少主观散斑形成，同时提供非常适于三角测量的很好限定的线。除降低散斑噪声和由此改进深度准确度以外，低散斑准直仪还允许大大增加的像机景深。对此的理由是，散斑对比度不再如在全相干源的情况下那样取决于像机NA。
另外，与检测所生成的激光束相关，特定的像机光学装置可以设置有图像传感器。像机光学装置可以包括像机透镜，像机透镜还可以具有不对称孔径，因为沿线(水平地)的光学分辨率可以比横跨更关键。这还导致实现减小的曝光时间，并由此改进眼睛安全。这种像机透镜可以是失真的(有关第一和第二方向的不同放大率)，以例如获取更宽视野。优选的是，像机包括强度过滤器以提供对传入光的适当过滤。
由于透镜阵列34的设计(和具体来说，激光源11″、透镜36以及孔径37的设计)，这种排布结构可发射的光线的强度分布可以被调节成，与该线的中心相比，端部具有显著更大的强度。具体来说，沿该线的强度增加与因子
Figure GDA0002039666850000131
或
Figure GDA0002039666850000132
成比例。
图6示出了根据本发明的发光单元10″′的另一实施方式。
单元10″′包括光源11″和射束成形组合件12'。光源11″例如可以被设计为宽接触激光器(BAL)。
射束成形组合件12'包括柱面Fresnel透镜16和两个小透镜阵列13'、14″(柱面微透镜阵列)，其中，两个小透镜阵列13'、14″中的至少一个包括具有交替曲率符号的连续设置的微透镜(在此，针对两个阵列示出)。利用所示的光学部件(13'、14″、16)的排布结构提供了通过光源11″发射的光的漫射(展开)，使得将光线提供为用于物体的三角测量的测量光。光学部件提供测量光的大约23°的特定漫射角。
Fresnel柱面透镜16被设置用于减少或避免在要测量的物体处和因而在用于拍摄该物体的图像的像机传感器上生成Talbot图案(参见图8和下面的描述)。透镜16在不同射束部分之间引入至少2π的几个相移，这些在经过测量场中的微透镜阵列14"之后相干地加起来。优选的是，光学路径长度差异超出光源的相干长度。
例如，通过使用具有大约30°的漫射角的第一透镜阵列13'和漫射角大约23°的第二阵列14"，可以实现1.5mm的光学路径差异。由此，减少或去除了利用发光单元10"发射的激光的时间相干。
通过以低相干发射光，同时减少了Talbot图案的出现。因此，沿激光线生成如此产生的Talbot图案变得不太可能，并且利用这种激光线的表面测量变得更精确和可靠。
根据本发明另一实施方式，通过添加对应的光学调相功能，Fresnel透镜可以与第二微透镜阵列组合成单一微光学组件。为避免因传统模-2π卷绕而产生的过度相位跳变和锐角，该卷绕算法可以通过向左或向右移动相位跳变来最优化，以最小化跳变数量并且最大化每一个相位跳变的每一侧上的边缘钝形。这将以稍微增加总相位范围为代价，但极大改进了可制造性和完成的微结构的质量。实际上，这种最优化方法将跳变(即，Fresnel区域边界)移位至整数倍的微透镜节距。
利用图7a和图7b示出了这种最优化。图7a示出了包括要避免的不需要的跳变51和锐角52的传统出现的模-(2π)卷绕。图7b示出了在如上所述地组合并调节了Fresnel透镜和微透镜阵列之后所完成的具有希望的钝角53的卷绕。
另选的是，保持Fresnel区域不变，可以针对每一个区域调整微透镜节距，以同样在相位跳变时实现钝角。微透镜高度因而还被调整以保持同一角谱。
在非常强的Fresnel透镜的情况下，相位跳变可以是2π的倍数。而且，在这种情况下，可以利用相同的原理来使得跳变位置适应于微透镜，或者使微透镜适应于跳变位置。
根据另一实施方式，一个或更多个附加的非柱面微透镜阵列沿该射束定位，以进一步减小相干。
根据另一实施方式，第二微透镜阵列被设计成按偏移角(例如，45±20度)产生线。不同于路径长度差异非常小的角＝0(轴上)，按这样大的角，该阵列的左端与右端之间的路径长度差异显著，并且主观散斑(Talbot图案)因此显著减少。以功率为代价，通过遮蔽同轴中心线(on-axis centered line)，还可以获取角度偏移线(angularly offset line)。另选地，可以通过在最后的微透镜阵列之前或之后添加闪耀光栅而使来自同轴线激光器的射束离轴。
图8示出了通过照射如(柱面)微透镜阵列一样的周期性结构44而显现的Talbot图案(或“Talbot carpet”)。
该光学Talbot效应在此针对单色光示出。在该图的左侧，可以看到光衍射穿过透镜阵列44，其中，在该图片的右侧上，按远离该结构性图案的限定距离(远离该阵列的一个Talbot长度zt)再现45该精确图案。在各个边缘与中部(＝次级Talbot图像46)之间的中途，看到向该侧移位的图像(双倍频率47的微小图像)。而且，在Talbot长度的规则的几分之一处，清楚地看到子图像。Talbot长度根据
Figure GDA0002039666850000141
限定，其中，a是两个连续的微透镜之间的节距。
该图案按距离z以周期zt重复，直到衍射级分离为止。该图案还上下延伸(沿着激光线)，但可因纵向相干而越远离中心就越弱。
针对三角测量，在检测到包含与检测传感器单元的像素尺寸相比的相对较大尺寸的亮区和暗区的光线的情况下，相应的距离测量的结果将变得不准确。因此，为了提供准确的测量，存在围绕所述问题工作的某些可能方法。
首先，选择这种小周期的微透镜，使得出现的Talbot图案的尺寸不是大的问题。具体来说，选择透镜间周期，该周期小于相应的三角测量传感器中的像机的像素分辨率，例如，小于50μm。
另选地，选择大的周期并调节工作范围以在zt至zt/2之间适配。由于子图像中出现的图案相当小，因而它们不会显著地负面影响测量的准确度。然而，因为即使双倍频率Talbot效应可以大于像机像素分辨率，微透镜阵列的相应设计也必须同样加以选择。
进一步减小Talbot效应可以通过减小光的相干来实现。利用Fresnel柱面透镜，在经过测量场中的微透镜阵列之后不同射束部分之间引入相干地加起来至少2π的几个相移。优选的是，光学路径长度差异超出光源的相干长度。
根据本发明的另一实施方式(未示出)，可以将几个Fresnel透镜用在一种光学中继结构(交替准直和聚焦)中，以进一步增加不同射束部分之间的路径长度差异，从而减小Talbot效应。
在所设置的柱面透镜由像Fresnel透镜的衍射透镜构成的情况下，可以添加微透镜阵列的轮廓(添加相位轮廓(phase profile))，以生成新的组合衍射部件，该组合衍射部件在一个部件中并且在一个衍射结构中提供了柱面透镜的和微透镜阵列的光学响应。
而且，通过在非常短的脉冲模式中，以高脉冲重复率(优选地具有几纳秒的脉冲宽度)来驱动光源(激光二极管)，所发射的频谱因许多纵向模式开始与SLED装置类似地振荡而加宽。这种效果还减小了光源的时间相干性，并且据此将减小该测量范围中的Talbot效应的可见性。
根据本发明的相关实施方式，该光源被具体实施成按脉冲模式来驱动，其中，针对发光单元的操作提供具有几纳秒的脉冲持续时间的脉冲。
图9示出根据本发明的微透镜阵列的实施方式的表面测量。这种微透镜阵列的设计是表示凸柱面透镜与凹柱面透镜的周期性模式的正弦曲线。该图表示出在进行测量(以微米为单位)的相应横向位置上的测得的高度(同样以微米为单位)。可以看出，根据所示实施方式，该轮廓中的最低点与最高点之间的高度处于70μm至90μm的范围中。
当然，根据微透镜阵列的另选实施方式(未示出)，不同透镜中可能存在不同高度和/或距离。例如，这些透镜可以设置有7μm至18μm之间的交替的半径符号，即，设置有大约15μm至36μm之间的高度。
根据本发明另一实施方式(未示出)，柱面微透镜阵列的横截面可以采用球体的曲率交替部分的形式。具体来说，将具有相反曲率(例如，依次为凸状和凹状)的多个半球彼此紧挨着设置。
图10示出了根据本发明的三角测量装置1的工作原理。装置1包括发光单元2和光接收单元3，例如，像机，它们的相对位置和取向已知。换句话说，这种激光三角测量是从已知位置在一个已知方向上发出光，并且从已知位置接收光，接着测量传入光的角度。
发光单元2包括可以由用于发射激光的激光二极管来表示的光源。而且，该发光单元包括用于形成发射的激光以使得可以发射限定的测量射束4的光学单元。这种测量射束根据第一方向(垂直地)聚焦，而关于与第一方向正交的第二方向(水平)漫射。通过这样做，可以生成激光线并且投射到要测量的物体5上。
光接收或检测单元3同样包括光学组合件(例如，成像透镜)，以形成反射光6并将其对准至该单元的图像传感器。该传感器被优选地设计为提供采用线或区域形式的像素阵列的CCD或CMOS传感器。该传感器还优选地根据Scheimpflug标准倾斜，以使像机的物平面与照射平面重合，使得所有照明点锐利地成像到传感器上。该图像传感器被设计成至少对具有测量光5的波长的光敏感。图像传感器的像素被传入的反射光6曝光，光线在物体5处的路线(course)可以基于传感器的被照射的像素导出。这允许基于获知的发射器2和检测器3与所检测线的相对位置，来确定到该物体表面的距离，具体来说，另外基于光学组合件的特性和检测的线在图像传感器上的位置。
根据另选实施方式(在此未示出)，发射射束4沿垂直于外壳的方向发射，允许将附加的接收单元放置在发射单元2的左侧，以便生成附加测量数据。还可以布置第三接收单元3，与第一接收单元(和/或第二接收单元)相比按相同距离或者按不同距离放置在发射单元2旁边，以针对具有强对比度变化(引入检测强度质心的移位)的物体的检测或者导致阴影效应的边缘的检测实现更大的鲁棒性。
通过在物体5上移动三角测量装置1，连续接收反射光6并且处理由图像传感器提供的处理信号，可以全面测量物体5的表面。具体来说，这种扫描通过承载三角测量装置1并且将其沿着希望测量路径移动的坐标测量机(机动或者手持)来执行
根据本发明，发光单元2包括具有曲率交替的连续设置的微透镜的微透镜阵列，例如，在本发明的背景下，根据上面描述的相应微透镜阵列的任何实施方式。
尽管上面部分参照一些具体实施方式例示了本发明，但必须明白，可以做出这些实施方式的不同特征的许多修改例和组合，并且这些不同特征可以彼此组合，或者与根据现有技术已知的三角测量原理和/或坐标测量机组合。

Claims (19)

1.一种用于提供限定的测量光(4)的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，所述发光单元为基于三角测量的测距装置的发光单元或者用于基于三角测量的测距装置的发光单元，所述发光单元(2、10、10'、10”、10”')包括：
·用于发射光的光源(11、11'、11"、11"')；以及
·射束成形组合件(12、12')，该射束成形组合件用于通过影响所述光源(11、11'、11"、11"')发射的光的传播对所述光进行整形，其中，所述射束成形组合件(12、12')被设置并设计成使得测量光(4)按照具有中点和两个相对端部的光线的形式提供，
其特征在于，
所述射束成形组合件(12)包括至少一个微透镜阵列(14、14'、14"、34)，所述至少一个微透镜阵列(14、14'、14"、34)包括多个微透镜，其中，所述多个微透镜被设计和设置为彼此相邻地接合，
·连续的微透镜的曲率的代数符号相反，并且
·使得提供周期性结构，其中，周期性由至少两个连续的微透镜限定。
2.根据权利要求1所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所限定的测量光(4)是激光，并且所述光源(11、11'、11"、11"')是用于发射激光的激光源。
3.根据权利要求1所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述微透镜阵列(14、14'、14”、34)是柱面微透镜阵列，所述柱面微透镜阵列具有作为微透镜的多个柱面微透镜，所述多个柱面微透镜沿第一方向(x)横跨所述柱面微透镜阵列彼此相邻地设置，其中，所述第一方向对应于与所述柱面微透镜的延伸方向垂直的横切。
4.根据权利要求3所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述柱面微透镜阵列(14、14'、14”、34)中的所述柱面微透镜被设置并设计成使得沿所述第一方向在所述柱面微透镜阵列的表面上提供周期性轮廓，其中，所述周期性轮廓具有波浪形状。
5.根据权利要求3或4所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述柱面微透镜阵列(14、14'、14”、34)的所述柱面微透镜的轮廓包括至少局部圆形形状。
6.根据权利要求4所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述柱面微透镜阵列(14、14'、14”、34)的所述柱面微透镜被设计并设置为彼此相邻，使得在所述表面上沿所述第一方向提供正弦曲线轮廓。
7.根据权利要求1所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述周期性结构包括：
·横跨所述微透镜阵列(14、14'、14”、34)的恒定周期性和幅度，或者
·根据所述光线的希望特性，横跨所述微透镜阵列(14、14'、14”、34)的变化周期性和/或幅度。
8.根据权利要求1所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
通过所述多个微透镜的、具有限定的微透镜间节距的周期性排布结构来限定关于光发射方向的特定测量范围，其中，最大测量范围取决于至少根据所述微透镜间节距限定的Talbot长度(zt)，其中，所述测量范围的最小值对应于所述Talbot长度的一半(zt/2)。
9.根据权利要求1所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
·所述多个微透镜按照范围在20μm至200μm的微透镜间节距设置，和/或
·有关所述微透镜阵列的表面的形貌微透镜高度(h)至少为5μm。
10.根据权利要求8或9所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
提供所述微透镜间节距，使得所述微透镜阵列(14、14'、14”、34)沿所述光线在离开所述微透镜阵列(14、14'、14”、34)的限定距离处的自成像提供具有光结构的Talbot图案，所述光结构在被成像到为所述光线的三角测量成像而设置的图像传感器上时小于所述图像传感器的像素尺寸。
11.根据权利要求1所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述光源(11、11'、11”、11”')被实施成在脉冲模式中驱动，其中，在操作所述发光单元(2、10、10'、10”、10”')时提供具有纳秒级脉冲持续时间的脉冲。
12.根据权利要求1所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述微透镜阵列(14、14'、14”、34)用凸透镜和凹透镜的图案来表示。
13.根据权利要求1所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述发光单元(2、10、10'、10”、10”')包括：
·作为根据权利要求1所述的微透镜阵列的另一微透镜阵列(13、13')，所述另一微透镜阵列(13、13')设置在所述光源(11、11'、11”、11”')与所述微透镜阵列(14、14'、14”、34)之间，所述另一微透镜阵列(13、13')提供所述微透镜阵列相对于所述光源(11、11'、11”、11”')的平移不变定位，和/或
·Fresnel柱面透镜(16)，所述Fresnel柱面透镜被设置成提供所述光源(11、11'、11”、11”')发射的光在到达所述微透镜阵列(14、14'、14”、34)之前的转变，其中，所述测量光(4)的时间相干性通过所述光与所述Fresnel柱面透镜(16)的交互作用减小。
14.根据权利要求3所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述光源(11、11'、11”、11”')包括或用以下表示：
·发光二极管，或者
·激光源，其中，所发射的光被提供为激光并且光束是激光束，
其中，
在所述光源(11、11'、11”、11”')包括发光二极管或激光源的情况下，所述光源(11、11'、11”、11”')还包括具有不对称发光孔径的准直部件(37)，其中，所述准直部件(37)被设计成使得所述发光孔径沿所述第一方向的长度显著大于沿第二方向的长度。
15.根据权利要求14所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述发光二极管包括空间滤波器，所述空间滤波器为具有狭缝的遮罩。
16.根据权利要求14所述的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，
其特征在于，
所述激光源包括：
宽条形激光器BAL；
超发光二极管SLED；或者
多模式激光源。
17.一种基于三角测量的测距装置(1)，该测距装置包括：
·具有光源(11、11'、11”、11”')的发光单元(2、10、10'、10”、10”')，该发光单元用于提供光线形式的测量光(4)，该测量光(4)具有跨越该光线的限定的强度分布；
·具有传感器的光检测单元(3)，该传感器用于检测从要测量的物体(5)反射和接收的测量光；以及
·控制和处理单元，该控制和处理单元用于基于检测到的反射来导出距离信息，
其中，所述发光单元(2、10、10'、10”、10”')和所述光检测单元(3)以相对彼此的已知相对空间位置和取向设置，
其特征在于，
所述发光单元(2、10、10'、10”、10”')包括至少一个微透镜阵列(14、14'、14"、34)，所述至少一个微透镜阵列(14、14'、14"、34)包括多个微透镜，其中，所述多个微透镜被设计和设置为彼此相邻地接合，
·连续的微透镜的曲率的代数符号相反，并且
·使得提供周期性的结构，其中，周期性由具有相反曲率的至少两个连续的微透镜限定。
18.根据权利要求17所述的测距装置(1)，
所述发光单元(2、10、10'、10”、10”')和所述光检测单元(3)根据Scheimpflug准则来设置。
19.根据权利要求17所述的测距装置(1)，
其特征在于，
所述微透镜以限定的微透镜间节距设置，其中，被成像到所述传感器上的所述节距等于或小于所述传感器的像素尺寸。
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