本發(fā)明總體上屬于使用改進(jìn)發(fā)光方法對物體表面進(jìn)行三角測量以補(bǔ)償沿著相機(jī)要接收的光線的光強(qiáng)度減小的方法和裝置。

背景技術(shù)：

常見的作法是在諸如坐標(biāo)測量機(jī)器(CMM)的坐標(biāo)定位設(shè)備上檢查制作后的工件，以檢查如物體尺寸和形狀的預(yù)定物體參數(shù)的正確性。此外，在一些工業(yè)應(yīng)用中，關(guān)注的是未知物體表面的檢測。通常，還可使用坐標(biāo)測量機(jī)器或任何其他合適類型的掃描裝置來提供這種測量。

在傳統(tǒng)的3-D坐標(biāo)測量機(jī)器中，探頭被支承，以便沿著三個相互垂直軸(在方向X、Y和Z上)進(jìn)行移動。由此，探頭可被引導(dǎo)到坐標(biāo)測量機(jī)器的測量體積空間內(nèi)的任何任意點并且能用探頭所攜帶的測量傳感器(探測單元)測量物體。例如，可將此探測單元設(shè)計為基于三角測量原理提供表面測量的觸覺探針或光學(xué)傳感器。

以機(jī)器的簡化形式，平行于各軸安裝的合適換能器能夠確定探頭相對于機(jī)器底部的位置，因此，確定正被傳感器照射的物體上的測量點的坐標(biāo)。為了提供探頭的可移動性，典型的坐標(biāo)測量機(jī)器可包括上面布置有探頭的框架結(jié)構(gòu)和用于將框架結(jié)構(gòu)的框架部件相對于彼此移動的驅(qū)動裝置。

使用光學(xué)傳感器的優(yōu)點在于，它并不接觸零件，因此在測量期間沒有使其變形或者使其受損，觸覺探針可能是這種情況。

將線三角測量裝置與用于測量表面的CMM結(jié)合起來測量表面的優(yōu)點是，可確定通過一個時間步長接收的距離信息的量(即，沿著整個投影三角測量線的距離值)并且可推導(dǎo)各個坐標(biāo)。因此，通過將傳感器沿著所預(yù)期測量路徑移動，待測量物體可被完全明顯更快地掃描。

在過去20年來，手動操作的便攜式CMM系統(tǒng)已經(jīng)變得被普遍用于對車間進(jìn)行非重復(fù)的測量任務(wù)，CMM系統(tǒng)通常包括利用各聯(lián)桿的一個或兩個旋轉(zhuǎn)軸(總共六個或七個軸)聯(lián)接在一起的四個節(jié)段。線三角測量裝置還在這些便攜式CMM上用于大大增加數(shù)據(jù)采集速度。

其中使用三角測量單元的其他便攜式測量裝置包括光學(xué)追蹤系統(tǒng)，追蹤系統(tǒng)要么使用多個相機(jī)來追蹤探針位置和方位，要么使用其中使用額外相機(jī)來追蹤探針旋轉(zhuǎn)軸的干涉量度距離追蹤裝置。

線三角測量傳感器的其他應(yīng)用包括固定安裝，在固定安裝中，將物體放置在(一個或多個)傳感器前方并且進(jìn)行靜態(tài)物體的單線測量，使得可在單個步驟中采集零件的關(guān)鍵特征，而不需要用昂貴的定位系統(tǒng)。

此外，用于提供表面的形貌測量的裝置可被實施為包括三角測量傳感器的(手持)裝置，其中，裝置被沿著待測量表面引導(dǎo)-要么手動地要么借助機(jī)器人-并且在移動裝置的同時通過傳感器采集距離數(shù)據(jù)。另外，可在全球坐標(biāo)系統(tǒng)中連續(xù)地確定(例如，追蹤)此裝置的位置和/或方位，從而能夠確定對應(yīng)于物體表面的絕對坐標(biāo)。

通常，三角測量提供了一種以快速精確的方式掃描表面的方法。在該原理下工作的測量裝置是例如DE 10 2004 026 090 A1或WO 2011/000435 A1中已知的。

特別地，在待測量物體上產(chǎn)生通過激光單元(例如，通過將激光點沿著此線移動或者通過提供激光器風(fēng)扇)所生成的線并且通過由感光圖像傳感器(光檢測器)和用于控制圖像傳感器并且讀取出圖像的電子器件組成的相機(jī)來檢測被表面反射的光。采集被反射光的圖像并且推導(dǎo)根據(jù)檢測到的線輪廓的距離信息?；诖?，可確定物體表面的形貌。

為了以高精確度進(jìn)行三角測量，必須分別提供被反射光的照射和檢測，包括正確的照射水平和足夠的光信息檢測。為了調(diào)節(jié)照射使得被反射光到達(dá)檢測器從而滿足其各自的檢測性質(zhì)(例如，信噪比和飽和度極限)，WO 2011/000435 A1公開了一種先進(jìn)照射方法，以確定測量光的合適照射水平。WO 2007/125081 A1公開了一種依賴于相機(jī)檢測到的強(qiáng)度來主動控制照射光功率的其他方法。

然而，即使在調(diào)節(jié)照射水平的情況下，也仍然存在由于接收器鏡頭系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)，而導(dǎo)致投影和檢測到的激光線的端部的光強(qiáng)度通常減小的缺點。這種效果被稱為使相機(jī)圖像上的照射衰減的cos⁴定律。一些鏡頭還表現(xiàn)出被稱為漸暈的更加強(qiáng)的衰減。

WO 2014/109810 A1教導(dǎo)了一種操縱激光源發(fā)射的光以提供激光線的方法，以整個線上的強(qiáng)度均勻的方式即通過使激光的高斯分布平坦來發(fā)射該激光線。然而，因為系統(tǒng)的接收零件的光學(xué)器件仍然引入了強(qiáng)度耗散和/或非均勻強(qiáng)度分布，所以仍然存在接收到對整個檢測區(qū)域內(nèi)的讀取質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響的被反射和非均勻激光線的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于能夠照射待測量物體并且檢測被反射光使得可在整個照射區(qū)域中檢測到可靠的(特別地，均勻的)光信息的改進(jìn)方法和三角測量裝置。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種提供改進(jìn)測量性質(zhì)的對應(yīng)測量裝置。

這些目的是通過實現(xiàn)如下特征來實現(xiàn)的。以下描述了進(jìn)一步以替代或有利方式形成本發(fā)明的特征。

激光三角測量傳感器通常使用光或激光線，通過使用相對于光/激光平面成特定基線距離和方位而設(shè)置的相機(jī)觀察被照射線的移位，使用光或激光線來測量沿著該線的點的3D位置。

本發(fā)明涉及提供基于三角測量進(jìn)行距離測量的方法和裝置的總體思路，其中，反射之后入射到相機(jī)的檢測器上的光或激光線的光以其線性延伸上的一致光強(qiáng)度到達(dá)檢測器。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光器發(fā)射器發(fā)射的并且在相機(jī)側(cè)接收的激光線包括在線上不均勻的強(qiáng)度分布。特別地，接收到的光的亮度在采集圖像的中心高，向著其邊界減小。

到達(dá)三角測量裝置的傳感器的光強(qiáng)度的不均勻性主要是基于相機(jī)圖像的亮度下降的所謂cos⁴定律。該定律描述了當(dāng)通過透鏡投影均勻照射的對象時的亮度下降，其中，參照投影的(由透鏡的光軸限定的)中間的光強(qiáng)度的亮度下降根據(jù)因子cos⁴α隨著與該中點的(角)距離升高而增大(α代表與透鏡的光軸和待投影對象的各個點之間的距離的角度)。

具有大視野(FOV)的透鏡-物鏡表示出圖像的強(qiáng)度下降。如果物體被均勻照射，則相機(jī)芯片的外部像素不太亮并且動態(tài)結(jié)果損失。

光照度減小的主要成因是因透鏡-物鏡的孔徑光闌使采集的立體角減小。

對于cos⁴定律的第一貢獻(xiàn)源自光的照度強(qiáng)度減小。這是基于與物體中心(光軸和物體平面的相交處)具有限定距離的物體的表面元件看上去縮短了因子cos(α)，因為元件相對于各個視角傾斜了角度α。這就是為什么在透鏡(進(jìn)而傳感器；Lambeertian定律)的方向上發(fā)射相應(yīng)較少的光。因此，通過I′＝I·cos(α)定義對于此表面元件的光強(qiáng)度(其中，I代表物體平面的表面的垂直方向上的光強(qiáng)度)。

對于cos⁴定律的其他貢獻(xiàn)源自從表面元件看到的孔徑光闌(透鏡)隨后不再看上去是圓形，而是看上去是其短軸縮短了因子cos(α)的橢圓形。這導(dǎo)致對于短軸而言的虛長d′＝d·cos(α)，其中，d是圓形透鏡的直徑。

此外，透鏡和表面元件之間的距離隨著表面元件與物體中間的距離而增大，即，與透鏡的距離隨著張角α而增長。非居中的表面元件和孔徑光闌之間的距離是其中，g是沿著光軸的從透鏡到物體的距離。

通過透鏡的直徑d和距物體的距離g，給出立體角ω(倘若表面元件在光軸上)

因此，通過定義不位于光軸上的表面元件的立體角。

通常，通過透鏡(孔徑光闌)的光通量Φ取決于立體角ω和各個光的強(qiáng)度I并且是Φ＝ω·I。

現(xiàn)在，再考慮位置偏離中心的表面元件，通過Φ′＝ω′·I′＝Φ·cos⁴(α)給出光通量。

因為通過定義這里的亮度E并且dA’對應(yīng)于通過表面元件的投影定義的圖像平面中的面積，所以圖像平面上的亮度與因子cos⁴(α)成比例。

對cos⁴定律的其他描述可見于例如“Digitale Luftbildkamera”，R.Sandau,Wichmann Verlag(2005)。

上述的亮度下降不僅僅對于如透鏡的光學(xué)元件是有效的，而且通常對于通過(圓形)孔徑的光通量Φ是有效的。

因為，為了接收并且檢測激光線以進(jìn)行三角測量，cos⁴定律也適用并且造成向著激光線的端部有相應(yīng)的強(qiáng)度損失。

根據(jù)cos⁴定律的下降效果不僅僅限于激光線，而是也適用于光線，例如，使用LED和特定濾光器的組合而生成的光線。

本發(fā)明涉及用于測量光或激光線形式的光的方法(和相應(yīng)裝置)，其中，所生成的線上的強(qiáng)度分布被改變，使得考慮特別地由于cos⁴定律而導(dǎo)致的可預(yù)測損失。即，在預(yù)期有相應(yīng)損失的區(qū)域中過量調(diào)節(jié)所發(fā)射光的強(qiáng)度，反之亦然。

根據(jù)按照本發(fā)明的另一個-另選或另外的-方法，在接收單元(例如，相機(jī))側(cè)設(shè)置到達(dá)(激光)光的相應(yīng)過濾，使得較高強(qiáng)度的區(qū)域中的光衰減，以實現(xiàn)光強(qiáng)度的均勻分布。相應(yīng)過濾是基于知悉在三角測量系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的光學(xué)損失。

換句話講，本發(fā)明涉及一種提供測量光的方法，所述測量光特別地是激光，用于對待測量物體進(jìn)行基于三角測量的距離測量，其中，通過檢測被物體反射的測量光的至少一些部分，能推導(dǎo)距離信息。該方法包括：發(fā)射光；以及對光進(jìn)行整形，使得所述測量光被設(shè)置成具有中點和兩個相對端部的光或激光線的形式。

根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置(調(diào)節(jié))所述光或激光線上的光的強(qiáng)度分布，使得所述線的端部處的相應(yīng)光強(qiáng)度比所述中點周圍的光強(qiáng)度大至少10％。換句話講，所述線的端部(其自身的每個端部)處的光強(qiáng)度可具有與所述中點周圍的強(qiáng)度的至少110％對應(yīng)的強(qiáng)度(每個強(qiáng)度)。

這種光調(diào)節(jié)考慮了通過尤其在光接收單元(例如，帶有相應(yīng)傳感器的相機(jī))側(cè)的光學(xué)元件(例如，透鏡、孔徑)和/或由于隨光投影而出現(xiàn)的效果帶來的損失，其中，這些損失主要取決于三角測量系統(tǒng)的設(shè)計，優(yōu)選地是熟知的。

通過這樣做，由于相應(yīng)損失減少或被避免，可改進(jìn)整個測量處理的動力學(xué)，進(jìn)而提供整條線上的均勻檢測條件。因此，可調(diào)節(jié)檢測傳感器的曝光時間，使其對于所有像素而言是一個共同的水平，從而改進(jìn)傳感器的動力學(xué)。

因為由于cos⁴定律使得所生成的激光線的端部處的(激光)光強(qiáng)度顯著減小，所以特別地以能夠補(bǔ)償傳感器單元處的這種強(qiáng)度衰減的強(qiáng)度分布來產(chǎn)生所發(fā)射光。特別地，調(diào)節(jié)線上的光的強(qiáng)度分布，使得從線的中點到各個端部的光強(qiáng)度根據(jù)與成比例的因子而增大。此特定強(qiáng)度分布可通過在發(fā)光單元處使用至少一個柱狀或圓柱狀透鏡陣列(或單單一個(圓)柱狀透鏡)來實現(xiàn)?！皥A柱狀”在這里意指為了特定功能而優(yōu)化的接近圓柱形形狀，與“球面”用于圓形對稱透鏡類似。以下，“柱狀”和“圓柱狀”可互換地使用，同時指這兩種可能性。

倘若預(yù)期根據(jù)比cos⁴(α)小的因子沿著光線的強(qiáng)度衰減，光線可被設(shè)置成具有向著其端部的分別被調(diào)節(jié)的強(qiáng)度增加。

例如，如果并非以上提到的每個和每一個(cos-)因子的可能強(qiáng)度損失起作用或者倘若一個或更多個效果的作用小于因子cos(α)，則可調(diào)節(jié)線上的光的強(qiáng)度分布，使得線的從中點到各個端部的光強(qiáng)度根據(jù)與成比例的因子而增大，其中，n是正整數(shù)并且小于或等于5，特別地，其中，2≤n≤5。優(yōu)選地，n＝3并且沿著線的強(qiáng)度增大被設(shè)計為對應(yīng)于

特別地，為了調(diào)節(jié)光限定元件的各個光學(xué)性質(zhì)，調(diào)節(jié)線上的光的強(qiáng)度分布，使得根據(jù)由于與光學(xué)元件的相互作用而導(dǎo)致強(qiáng)度沿著所述線的預(yù)期衰減，特別地使得所述預(yù)期衰減被補(bǔ)償并且能被設(shè)置用于接收所述線的檢測器側(cè)的信號幅度沿著接收到的所述線是基本上恒定的，從所述線的中點到各個端部，光強(qiáng)度增大。因此，所發(fā)射光可具體地適于所使用光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。例如，如通過模擬或?qū)嶒灴煽吹降?，相比于根?jù)cos⁴行為，透鏡設(shè)計會更好(更平坦)，并且調(diào)節(jié)所生成的光線，以得到這種更平坦的衰減。

此外，通過使用柱狀透鏡陣列生成線，將在角譜內(nèi)限定強(qiáng)度分布。對于視野中的被照射的對象點，投影區(qū)因而可按其他cos因子加寬。然后，從對象點的輻射I'中減去照射角α的余弦。

因此，可調(diào)節(jié)激光線上的(激光)光的強(qiáng)度分布，使得隨著從激光線的中點到各個端部的角度的變化而變化的光強(qiáng)度根據(jù)與成比例的因子而增大。通過這樣做，另外考慮因柱狀透鏡陣列造成的光減少影響并且已經(jīng)通過生成并且發(fā)射測量激光補(bǔ)償了該影響。結(jié)果，可在各個檢測單元設(shè)置具有一致強(qiáng)度的光(尤其，激光)。

根據(jù)本發(fā)明，所述線上的所生成光或激光的強(qiáng)度分布可由具有特定漫射角的發(fā)射光的限定漫射來限定，其中，線的中點定義大約0°的漫射角并且最大漫射角值對應(yīng)于線的各個端部。

因此，沿著所生成的(激光)線的光強(qiáng)度的增加可被設(shè)置為強(qiáng)度隨著漫射(視野)角度值根據(jù)與成比例的因子而增大，其中，n是正整數(shù)并且n≤5，其中，2≤n≤5，特別地，根據(jù)與或成比例的因子而增大。

上述方法涉及生成并且發(fā)射正確的測量激光，以補(bǔ)償特定的強(qiáng)度不規(guī)則。如提到的，另外或另選地，過濾到達(dá)傳感器的測量(激光)光的方法可以是針對此補(bǔ)償?shù)膯为毥鉀Q方案或其他作用。

因此，本發(fā)明還涉及一種檢測測量光的方法，所述測量光特別地是激光，被設(shè)置用于對待測量物體進(jìn)行基于三角測量的距離測量，其中，測量(激光)光被設(shè)置成具有線上的已知強(qiáng)度分布的光(或激光)線形式。特別地，沿著線的強(qiáng)度分布是非均勻的(不一致的)。該檢測方法包括接收被待測量物體反射的測量光，將接收到的所述測量光導(dǎo)向傳感器以及通過所述傳感器檢測接收到的所述測量光。

根據(jù)本發(fā)明的該方面，過濾接收到的所述測量光，使得基于所提供的所述測量光的已知強(qiáng)度分布，特別地，基于因各個光學(xué)元件造成的光學(xué)效果，補(bǔ)償接收到的所述線上的強(qiáng)度分布的不一致，所述測量光被導(dǎo)向所述光學(xué)元件或者按照所述光學(xué)元件來整形。另外，由于過濾，導(dǎo)致測量光以所述線上的大體一致的強(qiáng)度分布到達(dá)所述傳感器。

為了提供合適的濾波性質(zhì)，可考慮各個三角測量裝置的光學(xué)成像性質(zhì)，即，所生成光的類型及其強(qiáng)度分布、用于形成測量(激光)光的光學(xué)元件、接收單元側(cè)的光學(xué)元件的性質(zhì)和布置和例如傳感器推的薦視野。例如，可通過反cosⁿ濾波器提供濾波，其中，n是≤5的正整數(shù)，特別地，其中，2≤n≤5，特別地，通過反cos³濾波器、反cos⁴濾波器或反cos⁵濾波器提供濾波。

此外，還可考慮用特定傳感器性質(zhì)調(diào)節(jié)各個濾波。例如，可考慮圖像傳感器的預(yù)知角度依賴敏感性。因此，接收到的測量光可以以線上大體一致的信號幅度分布被傳感器記錄(檢測)。通過這樣做，還考慮圖像傳感器的角度依賴性并且傳感器記錄的各個圖像表現(xiàn)出沿著采集線的一致峰強(qiáng)度。

當(dāng)然，可同時或替代地考慮這些傳感器性質(zhì)來調(diào)節(jié)生成測量光側(cè)的光線上的發(fā)射光的強(qiáng)度。

通過光學(xué)器件中的所謂“漸暈”，可引起亮度通量的進(jìn)一步損失，尤其是對于具有大視野的相機(jī)物鏡。光學(xué)漸暈的成因是，出瞳只“看到”針對較高張角的一部分入瞳。結(jié)果是出瞳的模糊陰影。可針對所使用的相機(jī)物鏡，通過模擬或?qū)嶒?，確定張角內(nèi)漸暈的精確行為。

此外，大多數(shù)傳感器具有通常大約20°的入射角的接收角，以增大電子信號減小的角度，因為光子正撞擊金屬化接觸件或比菲涅爾反射更強(qiáng)地反射(入射角內(nèi)的傳感器靈敏度)。

因此，強(qiáng)度的總減小可比cos⁵(α)甚至更強(qiáng)。可通過推導(dǎo)各個衰減數(shù)據(jù)(例如，用于漸暈和用于入射角內(nèi)的傳感器靈敏度)并且根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)光線上的發(fā)射測量光的強(qiáng)度和/或光線上的濾光，來考慮對于強(qiáng)度的這種進(jìn)一步影響。

關(guān)于通過使用根據(jù)以上發(fā)明的方法中的至少一種測量與物體的距離，本發(fā)明涉及基于三角測量的原理來確定與待測量物體的距離的方法。用于確定與物體的距離的方法包括

·例如從激光器、LED或SLED發(fā)射(激光)光，

·對所述光進(jìn)行整形，使得測量光被設(shè)置成光或激光線的形式，

·將測量光導(dǎo)向待測量物體，

·接收被待測量物體反射的測量光，

·將接收到的所述測量光導(dǎo)向傳感器，

·通過傳感器檢測接收到的測量光，以及

·基于檢測到的反射，推導(dǎo)距離信息。

該方法是根據(jù)以上本發(fā)明的方法以光線的形式發(fā)射測量光和/或通過根據(jù)以上的各個方法過濾接收到的測量光來限定該方法。調(diào)節(jié)發(fā)射和/或過濾，使得接收到的測量光以光線上的大體一致的強(qiáng)度分布到達(dá)傳感器或者使得傳感器記錄(檢測)的接收到的測量光具有線上的大體一致的信號幅度。

本發(fā)明還涉及一種發(fā)光單元，特別地，用于提供限定測量光的基于三角測量的距離測量裝置。該發(fā)光單元包括光源(特別地，用于發(fā)射光(特別地，激光)的激光源)和用于通過影響所述光源所發(fā)射的光的傳播將光整形的光束形成組件，其中，所述光束形成組件被布置和設(shè)計成，使得所述測量光被設(shè)置成具有中點和兩個相對端的光線的形式。

光源和光束形成組件被布置和設(shè)計成，使得光線上的光的強(qiáng)度分布是能調(diào)節(jié)的，使得光線的端部處的相應(yīng)光強(qiáng)度比所述中點周圍的光強(qiáng)度高至少10％。

因此，可通過以正確方式初始調(diào)節(jié)所發(fā)射的強(qiáng)度分布，被布置成接收被反射的三角測量光的傳感器單元上的亮度下降可被減小或者被全部補(bǔ)償。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，所述光束形成組件被布置并且設(shè)計成，使得提供光線上的光的強(qiáng)度分布，以致根據(jù)與成比例的因子，其中，n是正整數(shù)并且n≤5，特別地，其中，2≤n≤5，特別地與或成比例的因子，從所述線的中點到各個端部，光強(qiáng)度增大。此比例因子的選擇是基于cos⁴定律的存在并且與出現(xiàn)強(qiáng)度影響效果相關(guān)。當(dāng)然，就光強(qiáng)度的任何其他替代的所預(yù)期衰減行為而言(根據(jù)例如光源和/或接收器側(cè)的光學(xué)性質(zhì))，可提供對強(qiáng)度增大的相應(yīng)調(diào)節(jié)。

此外，光束形成組件可被布置和設(shè)計成，使得所述光源發(fā)射的測量光被特定漫射角漫射，其中，光線的中點限定大致0°的張角并且最大漫射角絕對值對應(yīng)于光線的相應(yīng)端部。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，漫射角α的范圍可以是±25°至±30°(即，始于中點的激光線的各方向上的25°或30°)，特別地，其中，漫射的總體夾角對應(yīng)于50°至60°。光源發(fā)射的(激光)光根據(jù)以上的角度而擴(kuò)展，因此可限定例如50°、54°、60°或其間任一角度的張角。

使用用于限定光線上的強(qiáng)度的漫射(視場)角，光強(qiáng)度可根據(jù)與成比例的因子特別地與或成比例的因子隨著視場角度值的增大而增大，其中，n是正整數(shù)并且n≤5。

光束形成組件可包括柱狀透鏡和/或第一和/或第二微透鏡陣列，特別地，各個柱狀透鏡陣列，用于提供光的特定漫射。然后，可將第一微透鏡陣列布置成接收由光源發(fā)射的測量光并且柱狀透鏡可布置在第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列之間。

特別地，光束形成組件另外包括準(zhǔn)直儀、快軸孔徑光闌和/或用于進(jìn)一步限定待發(fā)射光線形狀的擋板。

特定實施方式涉及至少一個微透鏡陣列的設(shè)計，其中，第一和/或第二微透鏡陣列中的至少一個可被設(shè)計成具有20μm至200μm的范圍內(nèi)的微透鏡-微透鏡節(jié)距，特別地，具有120μm至170μm的范圍內(nèi)的節(jié)距，特別地，具有150μm的節(jié)距。即，從一個微透鏡的峰值點到后續(xù)的微透鏡的峰值的距離優(yōu)選地是大約150μm。

此外，對于至少5μm的特別地在5μm與50μm之間或在40μm與50μm之間的各個微透鏡陣列的表面(透鏡陣列表面上的最低點和微透鏡的峰之間的正常距離)，第一和/或第二微透鏡陣列中的至少一個可被設(shè)計成具有地形透鏡高度(topographic lens height)。

此外，至少一個微透鏡陣列中的微透鏡(優(yōu)選地，第二個微透鏡)包括55μm和56μm之間的曲率半徑。各個陣列可包括大約-1.45的圓錐常數(shù)和/或大約1.5的折射率。

此外，第一和/或第二微透鏡陣列中的至少一個可包括周期表面結(jié)構(gòu)，特別地，是正弦的，特別地其中，各個微透鏡陣列以凸和凹圓柱透鏡的圖案為代表。換句話講并且根據(jù)特定實施方式，至少一個微透鏡陣列的設(shè)計是正弦的，這意味著，凸和凹圓柱狀透鏡的周期圖案具有7μm和18μm之間的交替半徑符號。

根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光單元的所得輸出光束特別地限定了在與發(fā)光單元的距離是150mm時線長度是150mm(例如，平坦頂部形狀)的光線，特別地，激光線。對應(yīng)線寬度將是大約150μm(例如，至少幾乎Gaussian)。光束包括水平方向(準(zhǔn)直的激光二極管的慢軸)上的±27°的區(qū)域中的發(fā)散。

優(yōu)選地，通過光(激光)源產(chǎn)生波長是450nm的激光。

本發(fā)明還涉及用于三角測量的相應(yīng)裝置?；谌菧y量的距離測量裝置包括：發(fā)光單元，其具有用于以具有線上的受限定強(qiáng)度分布的光線(例如，激光線)形式提供測量光(例如，激光)的光源(例如，激光器或LED)；光接收單元，其具有傳感器，所述傳感器用于檢測被待測量物體反射和接收的測量光；以及控制和處理單元，其用于基于檢測到的反射來推導(dǎo)距離信息。特別地，根據(jù)Scheimpflug標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)光單元和光檢測單元被布置成具有相對于彼此已知的空間位置和方位。

根據(jù)本發(fā)明，發(fā)光單元和光檢測單元被如此設(shè)計并且相對于彼此布置，使得能夠由發(fā)光單元提供并且由所述光接收單元接收到的測量光以光線上的大體一致的強(qiáng)度分布到達(dá)所述傳感器，或者所述測量光以所述線上的大體一致的信號幅度被所述傳感器記錄(檢測)。

優(yōu)選地，根據(jù)上述發(fā)光單元的實施方式，設(shè)計基于三角測量的距離測量裝置的發(fā)光單元。

另選或另外地，光接收單元可包括濾光器元件，所述濾光器元件適于基于所述發(fā)光單元能提供的所述測量光的已知強(qiáng)度分布來過濾接收測量光的強(qiáng)度分布，使得所述測量光以所述光線上的大體一致的強(qiáng)度分布到達(dá)所述傳感器或者以所述光線上的大體一致的信號幅度被所述傳感器記錄(檢測)。

特別地，所述光接收單元可包括反cosⁿ濾光器，其中，n是≤5的正整數(shù)，特別地，其中，2≤n≤5，特別地，反cos³濾光器、反cos⁴濾光器或反cos⁵濾光器。

要理解，在本發(fā)明的背景下，以上方法可應(yīng)用于如LED的用“普通”光源產(chǎn)生的光線并且可應(yīng)用于通過任何類型的激光源產(chǎn)生的激光線。

附圖說明

以下，參照在附圖中示意性示出的工作示例，僅僅以舉例的方式，更詳細(xì)地描述或說明根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置。具體地，

圖1示出本發(fā)明涉及的三角測量裝置的工作原理；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光單元的實施方式；

圖3a至圖3b示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光單元的其他實施方式；

圖4a至圖4b示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光單元的另一個實施方式；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的光接收單元的實施方式；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的在所提供的激光線上的強(qiáng)度分布；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器上檢測到的激光線上的強(qiáng)度分布的譜；

圖8示出根據(jù)本發(fā)明的照射并且對應(yīng)地檢測被物體反射的光的優(yōu)選方法；以及

圖9示出可用于以沿著光線的相應(yīng)強(qiáng)度分布提供光線的微透鏡陣列的實施方式的表面測量。

具體實施方式

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的三角測量裝置1的工作原理。裝置1包括其相對位置和方位已知的發(fā)光單元2和光接收單元3(例如，相機(jī))。換句話講，三角測量將從已知位置在一個已知方向上發(fā)出光并且從已知位置接收被反射光并且測量輸入光的角度。

發(fā)光單元2包括可以以發(fā)射激光的激光二極管為代表的光源。此外，發(fā)光單元可包括用于形成所發(fā)射激光使得可發(fā)射限定測量束4的光學(xué)單元。優(yōu)選地，此測量光束根據(jù)第一方向(垂直地)被聚焦并且相對于第二方向(水平地)漫射，第二方向與第一方向正交。通過這樣做，可產(chǎn)生激光線并且將其投影到待測量物體5上。

光接收或檢測單元3也可包括光學(xué)組件(例如，成像鏡頭)，以形成被反射光6并且將其導(dǎo)向該單元的圖像傳感器。傳感器優(yōu)選地被設(shè)計為CCD或CMOS傳感器，從而提供線或區(qū)域形式的像素陣列。傳感器優(yōu)選地還根據(jù)Scheimpflug標(biāo)準(zhǔn)傾斜，使得相機(jī)的物面與被照射平面重合，使得所有被照射點在傳感器上清晰成像。圖像傳感器被設(shè)計成至少對測量光5的一定波長的光敏感。圖像傳感器的像素被暴露于輸入的被反射光6并且可基于傳感器的被照射像素來推導(dǎo)物體5上的線的路線。這樣允許基于知悉發(fā)射器2和檢測器3的相對位置和被檢測線，特別地，另外基于光學(xué)組件的性質(zhì)和圖像傳感器上的被檢測線的位置，確定距物體表面的距離。

根據(jù)這里未示出的替代實施方式，所發(fā)射光束4在垂直于外殼的方向上發(fā)射，從而允許將另外的接收單元放置在發(fā)射單元2的左側(cè)，以生成另外的測量數(shù)據(jù)。還可布置第三接收單元3，第三接收單元3被放置在發(fā)射單元2旁邊，與第一接收單元(和/或第二接收單元)具有相同距離或者不同距離，以實現(xiàn)較高穩(wěn)健性來耐受造成陰影效應(yīng)的對比度變化強(qiáng)(引入檢測到的強(qiáng)度中心偏移)的物體的檢測或邊緣的檢測。

通過將三角裝置1在物體5上方移動，連續(xù)接收被反射光6并且處理由圖像傳感器所提供的信號，可測量物體5的表面的全部。特別地，通過攜帶三角測量裝置1并且將它沿著所預(yù)期測量路徑移動的(機(jī)動的或手持的)坐標(biāo)測量機(jī)器，執(zhí)行此掃描。

根據(jù)本發(fā)明，用于形成所發(fā)射激光的光學(xué)單元(光束形成組件)被設(shè)計成，使得所發(fā)射測量光4包括在線端部處提供較大光強(qiáng)度并且在線中點周圍的較低強(qiáng)度的激光線上的強(qiáng)度分布，特別地，在端部處具有至少10％更高強(qiáng)度的光。優(yōu)選地，通過正確分散(漫射)使用例如微透鏡陣列和/或柱狀透鏡的光源所發(fā)射的光，實現(xiàn)此強(qiáng)度分布。結(jié)果，在反射和接收調(diào)節(jié)后的該測量光和相應(yīng)衰減等之后，強(qiáng)度分布大體均勻的光到達(dá)傳感器單元。

另外或另選地，光接收單元3包括光學(xué)濾光器元件，濾光器元件適于正確過濾在物體5處被反射并且被作為被反射測量光6接收的已知性質(zhì)的測量光4，使得接收光的強(qiáng)度分布是大體已知的。因此，濾光器元件提供入射到傳感器上的光，其具有基本上關(guān)于各個光線的一個均勻強(qiáng)度分布。優(yōu)選地，濾光器元件布置有在傳感器正前方(物鏡等后方)的光學(xué)組件。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，控制發(fā)光單元2，使得測量光4以脈動方式發(fā)射，并且接收器3提供用于獨立地檢測因所發(fā)射脈沖中的每個造成的反射的特定檢測順序。此檢測可以使得能夠推導(dǎo)用于亮照射像素和盡管其照射十分暗卻保留的像素二者的合適測量信號，即，用于同時地，物體5的零件的照射提供高反射率且其他零件具有低反射率。以下，用圖3a至圖3b對其給出更詳細(xì)的描述。

為了檢查待測量物體5是否位于限定測量范圍(與物體和測量裝置之間的距離相關(guān))內(nèi)，可在測量體積內(nèi)投影光學(xué)視覺引導(dǎo)。該光學(xué)引導(dǎo)將給出物體5是否位于優(yōu)選測量區(qū)域(與測量裝置的距離)內(nèi)的信息。此引導(dǎo)可以以能在視覺上被接收和/或具有例如與測量光波長不同的特定光顏色(波長)的光的線來代表。根據(jù)例如該視覺引導(dǎo)的在采集圖像中的相對位置，提供物體5參照測量范圍的位置。例如，通過如例如“Laser Components”公司的“Flexpoint DOE Series”已知的衍射全息圖的照射，可實現(xiàn)此投影。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光單元10的實施方式。單元10包括光源11和光束形成組件12。光源11這里可被設(shè)計為發(fā)光二極管(LED)、激光二極管或大面積激光器(BAL)(和準(zhǔn)直透鏡)或任何其他類型的合適光源。

大面積激光器(BAL)(也被稱為“寬條帶”、“平板”或“寬發(fā)射器”激光二極管)具有在一個橫向方向(這里：第二或水平方向)上寬得多的增益體積。相比于具有在兩個方向上小的增益區(qū)域的單模激光二極管，BAL發(fā)射非常高的光學(xué)功率(大約1-10W)。可以以脈沖通常低于100ns的脈沖的脈沖模式使用BAL。

在寬方向上，許多空間模式以及縱向模式可共存。在窄方向(這里：第一或垂直方向)上，優(yōu)選地，只有一個空間地模式傳播，并且激光可因此順著聚焦到衍射有限的線焦點。此外，BAL的成本低并且BAL代表適于本發(fā)明的光源類型。

另選地，可使用關(guān)于垂直方向的范圍非常小的光源或者包括提供對應(yīng)小范圍的額外光學(xué)元件(例如，被非常細(xì)的隙縫掩蔽的LED)的光源。

光束形成組件12包括柱狀透鏡15和兩個小透鏡陣列13、14(微透鏡陣列)。使用如所示出的光學(xué)元件13-15的布置，提供光源11所發(fā)射的光的漫射(分散)，使得光線被作為用于對物體進(jìn)行三角測量的測量光來提供。光學(xué)元件13-15提供測量光的特定張(漫射)角(這里，大約是±27°，即，大約54°的整體開度角)。

柱狀透鏡15優(yōu)選地具有大致等于距小透鏡陣列13的距離的焦距?；旧?，通過激光源11的設(shè)計來提供在垂直平面上的聚焦。

有益的是使用柱狀透鏡陣列(例如，替代單個表面大透鏡)，因為橫向定位容差并不太嚴(yán)格。因具有兩個漫射器(例如，如所示出的兩個小透鏡陣列13、14)，還通過將許多橫貫?zāi)Ｊ接行мD(zhuǎn)換成空間相干來減少斑點。(分散光以覆蓋第二漫射器的)第一漫射器可具有比光束寬度小至少大約5倍的節(jié)距，以減弱橫向定位的效應(yīng)。

此外，柱狀透鏡和光源的陣列優(yōu)選地被設(shè)計和布置成，使得測量光束能以基本連續(xù)線(就其在第二方向上的延伸而言)的形式發(fā)射。為此，第一柱狀透鏡陣列的節(jié)距、激光二極管的寬度和激光準(zhǔn)直透鏡角度可被選擇成，使得投影的二極管寬度匹配透鏡陣列的衍射角度并且所發(fā)射光線進(jìn)而變得連續(xù)，而沒有任何暗斑(如果透鏡陣列節(jié)距太細(xì)小，激光寬度太小或準(zhǔn)直器焦距太長，則原本會出現(xiàn)暗斑)。另一方面，太粗略的陣列節(jié)距、寬激光或短準(zhǔn)直儀焦距會造成兩個投影重疊的亮斑，所以最佳的是精確選擇這些參數(shù)，使得沒有重疊，或者重疊100％的倍數(shù)。

根據(jù)特定實施方式，構(gòu)造包括一個微透鏡陣列與10mm出射孔徑的組合。

特別地，在最終漫射之前，使激光束“足夠?qū)挕?，以提供大發(fā)射表面。所發(fā)射(并且準(zhǔn)直后的)光束的初始寬度可例如在第二方向上是大約1mm，而在加寬它之后，寬度可以在漫射器14處是10mm?？墒褂迷S多類型的部件來加寬所發(fā)射光束，例如，其他柱狀透鏡、小透鏡陣列、衍射光學(xué)元件或所生成的某種類型的計算機(jī)或自然全息圖。如果源是沒有在水平方向(慢軸)上準(zhǔn)直的激光，則光束可足夠快地偏離，以致不需要額外的光學(xué)器件。第一小透鏡陣列13可代表此光束分散，其中，第二小透鏡陣列14代表光束漫射元件。

關(guān)于所使用的激光二極管和可能聚焦的準(zhǔn)直儀，這些可包括不對稱孔徑。孔徑特別地被設(shè)計成與沿著線(以增強(qiáng)效率)即在水平方向上可能的一樣大，并且另外在線上較窄以增大并且限定焦深以及提高聚焦質(zhì)量。當(dāng)NA較小時，可以使用價格低的透鏡。此外，難以只用不帶孔徑的一個透鏡實現(xiàn)大焦深，因為它將必須具有非常短的焦距。帶孔徑的具有較長焦距的透鏡提高了指向穩(wěn)定性，因為從激光位置到光束角度的放大倍數(shù)較小。由于孔徑耗費(fèi)了一些(例如，60％)效率，因此有益地具有像BAL的高功率激光二極管。

如所示出的發(fā)光單元10提供具有關(guān)于所發(fā)射光的特定強(qiáng)度分布的光線。通過光學(xué)元件13-15各自的衍射和準(zhǔn)直效果來提供此分布。在所生成線的中間，強(qiáng)度最小。光強(qiáng)度(亮度)向著光線的端部增大。該增大對應(yīng)于根據(jù)因子的強(qiáng)度增長，其中，α代表各自的場或漫射角，即，從中點到各個端部的光線的距離。通過光學(xué)元件(例如，最終通過柱狀微透鏡陣列14)限定的漫射角來限制α。

圖3a和圖3b以俯視圖(圖3b)和側(cè)視圖(圖3a)示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光單元10'的其他實施方式。

發(fā)光單元10'包括激光源11'和相應(yīng)光束形成組件12'。激光源11'這里被設(shè)計為大面積激光器(BAL)(和準(zhǔn)直透鏡)。

光束形成組件12'包括柱狀透鏡33，柱狀透鏡33將激光源11'所發(fā)射的激光4聚焦到第一方向(激光的快軸，這里被稱為垂直方向)上，第一方向垂直于激光的傳播方向。所發(fā)射的激光4包括關(guān)于這個第一方向的空間相干。

柱狀透鏡33還允許透射激光4，而沒有針對(垂直于第一和傳播方向的)水平方向上的光束形狀的任何顯著影響。

因此，使用柱狀光學(xué)器件來實現(xiàn)一維(垂直)聚焦。大面積激光輸出可首先被非球面(圓形對稱、非柱狀)透鏡準(zhǔn)直，該透鏡永久地一起與大面積激光源對準(zhǔn)并安裝。還可以跳過準(zhǔn)直儀并且使用較強(qiáng)垂直聚焦透鏡。然而，由于源的強(qiáng)發(fā)散，導(dǎo)致首先準(zhǔn)直光使得可用更多空間設(shè)置其他組件更為實際。

在本發(fā)明的另一個實施方式中，省去柱狀透鏡33。替代地，通過將激光準(zhǔn)直透鏡向前移位，得到垂直聚焦。這樣還將光束聚焦在水平方向上，但相比于以下水平漫射器，可忽略該效應(yīng)。

光束形成組件32還包括兩個柱狀小透鏡陣列34、35，柱狀小透鏡陣列34、35基本上沒有影響垂直方向上的光束形成，但是被定位并對準(zhǔn)，使得能夠進(jìn)行水平方向上的光束形成。圖3b示出第二方向上的此光束形成。

圖3b用俯視圖示出發(fā)光單元10'，其中，示出關(guān)于第二(水平)方向的光束形成。如所提到的，可忽略相對于第二方向的柱狀透鏡33對所發(fā)射激光4的影響。然而，微透鏡陣列34和35影響激光束，使得造成水平平面上的傳播延伸(角度)。柱狀透鏡陣列幾乎沒有影響垂直聚焦的質(zhì)量。換句話講，激光束通過與小透鏡陣列34、35相互作用而被水平地漫射(就第二方向或激光二極管的所謂慢軸而言)。

此外，微透鏡陣列34、35被設(shè)計成，使得在所生成的激光線上提供激光的預(yù)期強(qiáng)度分布。相應(yīng)地選擇微透鏡-微透鏡節(jié)距、各個微透鏡的高度和各個曲率半徑。光強(qiáng)度在激光線的中心是最低的并且在其兩端處是最高的(至少高10％)。(激光線端部周圍的)大漫射角度下的這些過量強(qiáng)度提供了對特別地由于與cos⁴定律相關(guān)的影響因素而導(dǎo)致的預(yù)期強(qiáng)度影響(損失)的預(yù)先補(bǔ)償。這意味著，在各個接收單元側(cè)仍然存在向著激光線的端部的強(qiáng)度衰減，但衰減量基本上對應(yīng)于初始提供的超高量，使得傳感器處的最終強(qiáng)度包括基本上一個水平的強(qiáng)度。

圖4a和圖4b從不同方面分別地示出根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光單元10″和光源11″的其他實施方式。如所示出的光學(xué)元件36和37可直接固定地布置有光源11″，其中，光源可被理解為已經(jīng)配備這些組件的光源。圖4a用側(cè)視圖示出激光源和透鏡陣列34。發(fā)光單元10″包括激光二極管11″和(準(zhǔn)直)透鏡36。另外，發(fā)光單元10″包括不對稱形狀的孔徑37。如可從側(cè)視圖看到的，元件37包括相當(dāng)小的孔徑(例如，用于透光的十分窄的縫隙)，用于提供第一(垂直)方向上的大焦距。此準(zhǔn)直元件37還提供第二方向上的大孔徑，以減少水平平面(圖4b)上漫射的損失。因為可如此以充分方式提供激光束相對于垂直方向的準(zhǔn)直和空間限制，所以不需要用于聚焦的其他柱狀透鏡。

垂直方向上的激光聚焦和水平方向上的漫射造成主觀散斑減少，同時提供非常適于三角測量的良好限定的線。除了降低散斑噪聲并因此提高深度準(zhǔn)確性之外，低散斑照射器還允許相機(jī)景深大幅增加。如此的原因是散斑對比度不再取決于相機(jī)NA，如同其與全相干源那樣。

另外，與檢測所生成激光束相關(guān)地，特定相機(jī)光學(xué)器件可設(shè)置有圖像傳感器。相機(jī)光學(xué)器件可包括還可具有不對稱孔徑的相機(jī)鏡頭，因為(水平地)沿著線的光學(xué)分辨率可比交叉地更關(guān)鍵。這還導(dǎo)致了實現(xiàn)縮短的曝光時間，進(jìn)而提高了眼睛安全性。此相機(jī)鏡頭會出現(xiàn)歪像(關(guān)于第一和第二方向的放大倍數(shù)不同)，以例如得到加寬視野。優(yōu)選地，相機(jī)包括強(qiáng)度過濾器，用于對輸入光提供正確的過濾。

由于透鏡陣列34的設(shè)計-特別是激光源11'的設(shè)計，導(dǎo)致透鏡36和孔徑37-能在此布置下發(fā)射的線的強(qiáng)度分布被調(diào)節(jié)，使得在線的端部處比在線的中心具有明顯更大(至少高10％)的強(qiáng)度。特別地，沿著線的強(qiáng)度增加與因子成比例，其中，n是正整數(shù)并且n小于或等于5，特別地，與因子或成比例。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的光接收單元40(例如，相機(jī))的實施方式。光接收單元40包括限定相機(jī)視野的物鏡41和用于檢測被物體5反射的入射光的傳感器單元42。傳感器可被構(gòu)建為CMOS或CCD傳感器，提供限定量和構(gòu)造(布置，例如，區(qū)域傳感器)的傳感器像素。另外，單元40包括濾光器元件43，濾光器元件43布置在傳感器42前方，用于針對輸入光的強(qiáng)度分布來過濾輸入光。

濾光器元件43被設(shè)計成在其中心提供光強(qiáng)度的最大衰減，其對應(yīng)于透鏡41的光軸，特別地，對應(yīng)于傳感器42的中心。靠近傳感器單元42的邊界(即，靠近通過透鏡41投影到傳感器42上的光的邊緣)的區(qū)域中的衰減被設(shè)置成最小值。

濾光元件43的區(qū)域內(nèi)的衰減過程(行為)是根據(jù)反cos⁴濾光器限定的，即，衰減最大值是處于濾光器的中心點并且根據(jù)與cos⁴(α)成比例的分子(因子)向著邊緣減小。通過提供如上的光接收單元40，可補(bǔ)償因光接收單元40的光學(xué)系統(tǒng)造成的強(qiáng)度的損失，使得測量光以在光入射區(qū)域內(nèi)的大體均勻光強(qiáng)度到達(dá)傳感器42。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，各個濾光器元件被設(shè)計成如同反cos³或反cos⁵濾光器，因此另外被設(shè)計用于補(bǔ)償對被反射測量光的更少或更多的影響，尤其是考慮到由發(fā)光單元側(cè)的柱狀透鏡陣列引入的其他余弦因子時。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明的激光線上的強(qiáng)度分布。這里示出的強(qiáng)度譜包括大角度(水平軸)的過量強(qiáng)度(垂直軸)，以至少補(bǔ)償在成像時因cos⁴定律造成的效果，特別是因關(guān)于(以上提到的)線的投影的cos定律而提供的效果。

對應(yīng)于該譜，提供各自的漫射角是±27°的總漫射，其中，使用至少一個微透鏡陣列和柱狀透鏡(如所描述的)產(chǎn)生漫射。

特別地，強(qiáng)度譜的過程取決于與或成比例的因子。

圖7示出關(guān)于傳感器上的激光線上的強(qiáng)度分布的譜，該傳感器適于檢測被待測量物體反射的測量激光?？赏ㄟ^使用具有根據(jù)圖6的譜的激光線作為測量光來實現(xiàn)此分布。在將所提供的線投影到物體上，在物體處反射并且通過檢測單元側(cè)的光學(xué)元件接收的被反射光之后，相機(jī)芯片(傳感器)上的譜優(yōu)選地表示根據(jù)圖7的圖示曲線的分布，即，激光線上的強(qiáng)度分布基本上是一致的(提供大體一致的強(qiáng)度水平)。針對-27°至+27°的各個角度，示出相機(jī)芯片上的強(qiáng)度分布(相對強(qiáng)度)。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明的照射待測量物體并且相應(yīng)地檢測被物體反射的光的優(yōu)選方法。

用于該方法的圖像傳感器優(yōu)選地被設(shè)計成具有限定數(shù)量和群集的檢測像素的高(寬)動態(tài)范圍圖像傳感器(HDR傳感器)。優(yōu)選地，傳感器被構(gòu)建為區(qū)域圖像傳感器(2D像素柵格)。

圖像傳感器的控制(即，三個曝光子序列(t₀-t₁、t₁-t₂和t₂-t_e)的持續(xù)時間和時刻以及分別限定的飽和度極限(33％、66％和100％))由曲線21代表。

如可看到的，傳感器的像素的飽和度限制S_p在從t₀至t₁的初始曝光時間段被初始地設(shè)置成傳感器-像素的最大飽和度的33％。該初始曝光時間段對應(yīng)于第一曝光子序列。

在t₁，傳感器-像素的飽和度水平被切換成較高狀態(tài)，這里，切換成最大飽和度的66％，并且在第二時間段t₁至t₂內(nèi)得以保持。此外，在t₂，應(yīng)用與像素的最大容許飽和度對應(yīng)的第三飽和度水平。整個檢測序列在時間t_e結(jié)束，其中，提供代表整體被照射像素的照射的檢測信號。

這些曝光性質(zhì)可通過傳感器的一體化控制處理來直接提供或者可通過用額外控制單元進(jìn)行外部控制來限定。當(dāng)然，要理解，所提到的曝光子序列的設(shè)置能夠被可變地限定，其中，根據(jù)本發(fā)明限定至少兩個子序列。

曝光時間段被限定成具有基本相等的持續(xù)時間，其中，時間段被優(yōu)選地設(shè)置成具有(通過各個傳感器性質(zhì)給出的)可能最短的持續(xù)時間。兩個所提到的限制都是有效的，只要該持續(xù)時間比所需的激光脈沖持續(xù)時間長?；蛘?，換句話講，如果傳感器提供了設(shè)置更加短的曝光時間段，則各曝光時間段的持續(xù)時間可被設(shè)置得與對應(yīng)脈沖的持續(xù)時間一樣短。通過此改變，相比于典型的曝光設(shè)置(大致超過10ms)，提供明顯更短(例如，大約100μs)的整體曝光時間t₀至t_e。結(jié)果，可提供以更大頻率(時間分辨率)更加快速采集距離信息，從而導(dǎo)致更精確的測量表面的表現(xiàn)。此外，這樣可顯著減少或者避免運(yùn)動模糊的產(chǎn)生。

對應(yīng)于((基本上相等的)最短持續(xù)時間)像這樣設(shè)置曝光子序列，適當(dāng)?shù)馗淖兇郎y量物體的照射，以產(chǎn)生提供可靠和精確像素信息的測量數(shù)據(jù)。用曲線22(照射強(qiáng)度I_I的過程)示出照射(即，發(fā)射測量光)的方式。特別地，曝光序列被設(shè)置成相當(dāng)短，其中，所發(fā)射的并且被接收的光的各個量相比于現(xiàn)有技術(shù)的量顯著更高。

因此，這里的測量光不再以恒定方式發(fā)射，而是被作為脈沖測量光發(fā)射，優(yōu)選地被作為脈沖激光發(fā)射。調(diào)節(jié)脈沖，使得對于每個曝光子序列，發(fā)射一個脈沖。對于不同曝光時間段，脈沖能量減小。例如，脈沖功率可基本恒定保持于例如激光二極管的最大功率下，同時使脈沖持續(xù)時間減少。另選地，可在脈沖功率減小的同時，保持脈沖持續(xù)時間恒定。當(dāng)然，可替代地應(yīng)用兩種方法的組合。此發(fā)光與檢測子序列的組合提供了略微密集的被照射的像素的充電，使得沒有到達(dá)各個像素的最大飽和度并且對于每個像素可推導(dǎo)出合適的像素信息。

因此，主要通過應(yīng)用和調(diào)節(jié)光脈沖并且保持曝光子序列的持續(xù)時間恒定(即，具有基本上相等的持續(xù)時間)，對像素的照射提供控制。

三條線23、24(虛線)和25(點線)代表由于用脈沖測量光進(jìn)行照射而導(dǎo)致的傳感器的三個示例性描繪的像素的充電。代表像素被十分低地照射的曲線23表示在第一時間段t₀至t₁內(nèi)進(jìn)行照射期間的各個像素的充電，直到照射強(qiáng)度減小至0(即，激光脈沖的結(jié)束)。在通過(第二時間段t₁至t₂內(nèi))第二脈沖進(jìn)行的照射期間，像素從第一光脈沖結(jié)束的水平起持續(xù)充電(因為在沒有照射即零強(qiáng)度的時間段期間像素沒有進(jìn)一步充電)。此外，電荷也因發(fā)射第三(最短)激光脈沖而增大，使得生成沒有相應(yīng)飽和度的該像素的最終檢測信號。

對于曲線24和25表達(dá)的像素，同樣適用，其中，對于這些像素，還應(yīng)用充電狀態(tài)的部分重置或限制。這是因為，像素照射進(jìn)入針對第一和第二曝光子序列而設(shè)置的各自飽和度極限(33％和66％)。這些像素的充電或照射水平在從前一飽和度極限開始的連續(xù)曝光子序列中持續(xù)增加。該增加取決于各自照射的持續(xù)時間(脈沖持續(xù)時間)和每個時間步長入射到相應(yīng)像素上的測量光的單獨量(即，線23、24和25的斜率)。

此過程提供了用一個公共檢測序列提供亮像素(用曲線25代表的對比像素)和暗像素(曲線23)進(jìn)行的檢測，使得沒有像素進(jìn)入最大飽和度水平(100％)并且在檢測序列的結(jié)束t_e提供合適的可檢測像素亮度。

根據(jù)替代實施方式，為了調(diào)節(jié)每個曝光子序列的光的照射量，不僅脈沖持續(xù)時間而且脈沖功率可被特別獨立地調(diào)節(jié)。

當(dāng)然，要理解，就本發(fā)明而言，曝光子序列的數(shù)量不限于三個，而是本發(fā)明還涉及具有至少兩個曝光子序列(即，兩個或更多個這樣的子序列)的檢測序列。對應(yīng)地，由于所預(yù)期的應(yīng)用、子序列的數(shù)量和/或所提供的光源，單獨的飽和度極限(33％、66％)的限定也可有所不同。

圖9示出如上所述可用于以沿著光線的相應(yīng)強(qiáng)度分布提供光線的微透鏡陣列的實施方式的表面測量。此微透鏡陣列的設(shè)計是正弦的，意味著凸和凹圓柱透鏡的周期圖案。該圖表示測得高度(單位：微米)與被采取測量的各個橫向位置(同樣地，單位：微米)。如可看到的，根據(jù)所示出的實施方式，該輪廓中的最低點和最高點之間的高度在70μm至90μm的范圍內(nèi)。

當(dāng)然，根據(jù)微透鏡陣列(未示出)的替代實施方式，對于不同透鏡，高度和/或距離可能不同。例如，透鏡可設(shè)置有7μm和18μm之間的交替半徑符號(即，具有15μm至36μm的高度)。

雖然以上例證了本發(fā)明，但部分參照一些特定實施方式，必須要理解，可進(jìn)行實施方式的不同特征的眾多修改和組合并且不同特征可被彼此組合或者與現(xiàn)有技術(shù)已知的三角測量原理和/或坐標(biāo)測量機(jī)器組合。