提供改进测量质量的光线上的光强度补偿技术领域
本发明总体上属于使用改进发光方法对物体表面进行三角测量以补偿沿着相机
要接收的光线的光强度减小的方法和装置。
背景技术
常见的作法是在诸如坐标测量机器(CMM)的坐标定位设备上检查制作后的工件，
以检查如物体尺寸和形状的预定物体参数的正确性。此外，在一些工业应用中，关注的是未
知物体表面的检测。通常，还可使用坐标测量机器或任何其他合适类型的扫描装置来提供
这种测量。
在传统的3-D坐标测量机器中，探头被支承，以便沿着三个相互垂直轴(在方向X、Y
和Z上)进行移动。由此，探头可被引导到坐标测量机器的测量体积空间内的任何任意点并
且能用探头所携带的测量传感器(探测单元)测量物体。例如，可将此探测单元设计为基于
三角测量原理提供表面测量的触觉探针或光学传感器。
以机器的简化形式，平行于各轴安装的合适换能器能够确定探头相对于机器底部
的位置，因此，确定正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，
典型的坐标测量机器可包括上面布置有探头的框架结构和用于将框架结构的框架部件相
对于彼此移动的驱动装置。
使用光学传感器的优点在于，它并不接触零件，因此在测量期间没有使其变形或
者使其受损，触觉探针可能是这种情况。
将线三角测量装置与用于测量表面的CMM结合起来测量表面的优点是，可确定通
过一个时间步长接收的距离信息的量(即，沿着整个投影三角测量线的距离值)并且可推导
各个坐标。因此，通过将传感器沿着所预期测量路径移动，待测量物体可被完全明显更快地
扫描。
在过去20年来，手动操作的便携式CMM系统已经变得被普遍用于对车间进行非重
复的测量任务，CMM系统通常包括利用各联杆的一个或两个旋转轴(总共六个或七个轴)联
接在一起的四个节段。线三角测量装置还在这些便携式CMM上用于大大增加数据采集速度。
其中使用三角测量单元的其他便携式测量装置包括光学追踪系统，追踪系统要么
使用多个相机来追踪探针位置和方位，要么使用其中使用额外相机来追踪探针旋转轴的干
涉量度距离追踪装置。
线三角测量传感器的其他应用包括固定安装，在固定安装中，将物体放置在(一个
或多个)传感器前方并且进行静态物体的单线测量，使得可在单个步骤中采集零件的关键
特征，而不需要用昂贵的定位系统。
此外，用于提供表面的形貌测量的装置可被实施为包括三角测量传感器的(手持)
装置，其中，装置被沿着待测量表面引导-要么手动地要么借助机器人-并且在移动装置的
同时通过传感器采集距离数据。另外，可在全球坐标系统中连续地确定(例如，追踪)此装置
的位置和/或方位，从而能够确定对应于物体表面的绝对坐标。
通常，三角测量提供了一种以快速精确的方式扫描表面的方法。在该原理下工作
的测量装置是例如DE 10 2004 026 090 A1或WO 2011/000435 A1中已知的。
特别地，在待测量物体上产生通过激光单元(例如，通过将激光点沿着此线移动或
者通过提供激光器风扇)所生成的线并且通过由感光图像传感器(光检测器)和用于控制图
像传感器并且读取出图像的电子器件组成的相机来检测被表面反射的光。采集被反射光的
图像并且推导根据检测到的线轮廓的距离信息。基于此，可确定物体表面的形貌。
为了以高精确度进行三角测量，必须分别提供被反射光的照射和检测，包括正确
的照射水平和足够的光信息检测。为了调节照射使得被反射光到达检测器从而满足其各自
的检测性质(例如，信噪比和饱和度极限)，WO 2011/000435 A1公开了一种先进照射方法，
以确定测量光的合适照射水平。WO 2007/125081 A1公开了一种依赖于相机检测到的强度
来主动控制照射光功率的其他方法。
然而，即使在调节照射水平的情况下，也仍然存在由于接收器镜头系统的光学性
质，而导致投影和检测到的激光线的端部的光强度通常减小的缺点。这种效果被称为使相
机图像上的照射衰减的cos4定律。一些镜头还表现出被称为渐晕的更加强的衰减。
WO 2014/109810 A1教导了一种操纵激光源发射的光以提供激光线的方法，以整
个线上的强度均匀的方式即通过使激光的高斯分布平坦来发射该激光线。然而，因为系统
的接收零件的光学器件仍然引入了强度耗散和/或非均匀强度分布，所以仍然存在接收到
对整个检测区域内的读取质量产生负面影响的被反射和非均匀激光线的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于能够照射待测量物体并且检测被反射光使得
可在整个照射区域中检测到可靠的(特别地，均匀的)光信息的改进方法和三角测量装置。
本发明的另一个目的是提供一种提供改进测量性质的对应测量装置。
这些目的是通过实现如下特征来实现的。以下描述了进一步以替代或有利方式形
成本发明的特征。
激光三角测量传感器通常使用光或激光线，通过使用相对于光/激光平面成特定
基线距离和方位而设置的相机观察被照射线的移位，使用光或激光线来测量沿着该线的点
的3D位置。
本发明涉及提供基于三角测量进行距离测量的方法和装置的总体思路，其中，反
射之后入射到相机的检测器上的光或激光线的光以其线性延伸上的一致光强度到达检测
器。
根据现有技术的激光器发射器发射的并且在相机侧接收的激光线包括在线上不
均匀的强度分布。特别地，接收到的光的亮度在采集图像的中心高，向着其边界减小。
到达三角测量装置的传感器的光强度的不均匀性主要是基于相机图像的亮度下
降的所谓cos4定律。该定律描述了当通过透镜投影均匀照射的对象时的亮度下降，其中，参
照投影的(由透镜的光轴限定的)中间的光强度的亮度下降根据因子cos4α随着与该中点的
(角)距离升高而增大(α代表与透镜的光轴和待投影对象的各个点之间的距离的角度)。
具有大视野(FOV)的透镜-物镜表示出图像的强度下降。如果物体被均匀照射，则
相机芯片的外部像素不太亮并且动态结果损失。
光照度减小的主要成因是因透镜-物镜的孔径光阑使采集的立体角减小。
对于cos4定律的第一贡献源自光的照度强度减小。这是基于与物体中心(光轴和
物体平面的相交处)具有限定距离的物体的表面元件看上去缩短了因子cos(α)，因为元件
相对于各个视角倾斜了角度α。这就是为什么在透镜(进而传感器；Lambeertian定律)的方
向上发射相应较少的光。因此，通过I′＝I·cos(α)定义对于此表面元件的光强度(其中，I
代表物体平面的表面的垂直方向上的光强度)。
对于cos4定律的其他贡献源自从表面元件看到的孔径光阑(透镜)随后不再看上
去是圆形，而是看上去是其短轴缩短了因子cos(α)的椭圆形。这导致对于短轴而言的虚长
d′＝d·cos(α)，其中，d是圆形透镜的直径。
此外，透镜和表面元件之间的距离随着表面元件与物体中间的距离而增大，即，与
透镜的距离随着张角α而增长。非居中的表面元件和孔径光阑之间的距离是其
中，g是沿着光轴的从透镜到物体的距离。
通过透镜的直径d和距物体的距离g，给出立体角ω(倘若表面元件在光轴上)
因此，通过定义不位于光轴上的表面元件的立体
角。
通常，通过透镜(孔径光阑)的光通量Φ取决于立体角ω和各个光的强度I并且是
Φ＝ω·I。
现在，再考虑位置偏离中心的表面元件，通过Φ′＝ω′·I′＝Φ·cos4(α)给出光
通量。
因为通过定义这里的亮度E并且dA’对应于通过表面元件的投影定义的图
像平面中的面积，所以图像平面上的亮度与因子cos4(α)成比例。
对cos4定律的其他描述可见于例如“Digitale Luftbildkamera”，R.Sandau,
Wichmann Verlag(2005)。
上述的亮度下降不仅仅对于如透镜的光学元件是有效的，而且通常对于通过(圆
形)孔径的光通量Φ是有效的。
因为，为了接收并且检测激光线以进行三角测量，cos4定律也适用并且造成向着
激光线的端部有相应的强度损失。
根据cos4定律的下降效果不仅仅限于激光线，而是也适用于光线，例如，使用LED
和特定滤光器的组合而生成的光线。
本发明涉及用于测量光或激光线形式的光的方法(和相应装置)，其中，所生成的
线上的强度分布被改变，使得考虑特别地由于cos4定律而导致的可预测损失。即，在预期有
相应损失的区域中过量调节所发射光的强度，反之亦然。
根据按照本发明的另一个-另选或另外的-方法，在接收单元(例如，相机)侧设置
到达(激光)光的相应过滤，使得较高强度的区域中的光衰减，以实现光强度的均匀分布。相
应过滤是基于知悉在三角测量系统内出现的光学损失。
换句话讲，本发明涉及一种提供测量光的方法，所述测量光特别地是激光，用于对
待测量物体进行基于三角测量的距离测量，其中，通过检测被物体反射的测量光的至少一
些部分，能推导距离信息。该方法包括：发射光；以及对光进行整形，使得所述测量光被设置
成具有中点和两个相对端部的光或激光线的形式。
根据本发明，设置(调节)所述光或激光线上的光的强度分布，使得所述线的端部
处的相应光强度比所述中点周围的光强度大至少10％。换句话讲，所述线的端部(其自身的
每个端部)处的光强度可具有与所述中点周围的强度的至少110％对应的强度(每个强度)。
这种光调节考虑了通过尤其在光接收单元(例如，带有相应传感器的相机)侧的光
学元件(例如，透镜、孔径)和/或由于随光投影而出现的效果带来的损失，其中，这些损失主
要取决于三角测量系统的设计，优选地是熟知的。
通过这样做，由于相应损失减少或被避免，可改进整个测量处理的动力学，进而提
供整条线上的均匀检测条件。因此，可调节检测传感器的曝光时间，使其对于所有像素而言
是一个共同的水平，从而改进传感器的动力学。
因为由于cos4定律使得所生成的激光线的端部处的(激光)光强度显著减小，所以
特别地以能够补偿传感器单元处的这种强度衰减的强度分布来产生所发射光。特别地，调
节线上的光的强度分布，使得从线的中点到各个端部的光强度根据与成比例的因
子而增大。此特定强度分布可通过在发光单元处使用至少一个柱状或圆柱状透镜阵列(或
单单一个(圆)柱状透镜)来实现。“圆柱状”在这里意指为了特定功能而优化的接近圆柱形
形状，与“球面”用于圆形对称透镜类似。以下，“柱状”和“圆柱状”可互换地使用，同时指这
两种可能性。
倘若预期根据比cos4(α)小的因子沿着光线的强度衰减，光线可被设置成具有向
着其端部的分别被调节的强度增加。
例如，如果并非以上提到的每个和每一个(cos-)因子的可能强度损失起作用或者
倘若一个或更多个效果的作用小于因子cos(α)，则可调节线上的光的强度分布，使得线的
从中点到各个端部的光强度根据与成比例的因子而增大，其中，n是正整数并且小
于或等于5，特别地，其中，2≤n≤5。优选地，n＝3并且沿着线的强度增大被设计为对应于
特别地，为了调节光限定元件的各个光学性质，调节线上的光的强度分布，使得根
据由于与光学元件的相互作用而导致强度沿着所述线的预期衰减，特别地使得所述预期衰
减被补偿并且能被设置用于接收所述线的检测器侧的信号幅度沿着接收到的所述线是基
本上恒定的，从所述线的中点到各个端部，光强度增大。因此，所发射光可具体地适于所使
用光学元件的结构性质。例如，如通过模拟或实验可看到的，相比于根据cos4行为，透镜设
计会更好(更平坦)，并且调节所生成的光线，以得到这种更平坦的衰减。
此外，通过使用柱状透镜阵列生成线，将在角谱内限定强度分布。对于视野中的被
照射的对象点，投影区因而可按其他cos因子加宽。然后，从对象点的辐射I'中减去照射角α
的余弦。
因此，可调节激光线上的(激光)光的强度分布，使得随着从激光线的中点到各个
端部的角度的变化而变化的光强度根据与成比例的因子而增大。通过这样做，另外
考虑因柱状透镜阵列造成的光减少影响并且已经通过生成并且发射测量激光补偿了该影
响。结果，可在各个检测单元设置具有一致强度的光(尤其，激光)。
根据本发明，所述线上的所生成光或激光的强度分布可由具有特定漫射角的发射
光的限定漫射来限定，其中，线的中点定义大约0°的漫射角并且最大漫射角值对应于线的
各个端部。
因此，沿着所生成的(激光)线的光强度的增加可被设置为强度随着漫射(视野)角
度值根据与成比例的因子而增大，其中，n是正整数并且n≤5，其中，2≤n≤5，特别
地，根据与或成比例的因子而增大。
上述方法涉及生成并且发射正确的测量激光，以补偿特定的强度不规则。如提到
的，另外或另选地，过滤到达传感器的测量(激光)光的方法可以是针对此补偿的单独解决
方案或其他作用。
因此，本发明还涉及一种检测测量光的方法，所述测量光特别地是激光，被设置用
于对待测量物体进行基于三角测量的距离测量，其中，测量(激光)光被设置成具有线上的
已知强度分布的光(或激光)线形式。特别地，沿着线的强度分布是非均匀的(不一致的)。该
检测方法包括接收被待测量物体反射的测量光，将接收到的所述测量光导向传感器以及通
过所述传感器检测接收到的所述测量光。
根据本发明的该方面，过滤接收到的所述测量光，使得基于所提供的所述测量光
的已知强度分布，特别地，基于因各个光学元件造成的光学效果，补偿接收到的所述线上的
强度分布的不一致，所述测量光被导向所述光学元件或者按照所述光学元件来整形。另外，
由于过滤，导致测量光以所述线上的大体一致的强度分布到达所述传感器。
为了提供合适的滤波性质，可考虑各个三角测量装置的光学成像性质，即，所生成
光的类型及其强度分布、用于形成测量(激光)光的光学元件、接收单元侧的光学元件的性
质和布置和例如传感器推的荐视野。例如，可通过反cosn滤波器提供滤波，其中，n是≤5的
正整数，特别地，其中，2≤n≤5，特别地，通过反cos3滤波器、反cos4滤波器或反cos5滤波器
提供滤波。
此外，还可考虑用特定传感器性质调节各个滤波。例如，可考虑图像传感器的预知
角度依赖敏感性。因此，接收到的测量光可以以线上大体一致的信号幅度分布被传感器记
录(检测)。通过这样做，还考虑图像传感器的角度依赖性并且传感器记录的各个图像表现
出沿着采集线的一致峰强度。
当然，可同时或替代地考虑这些传感器性质来调节生成测量光侧的光线上的发射
光的强度。
通过光学器件中的所谓“渐晕”，可引起亮度通量的进一步损失，尤其是对于具有
大视野的相机物镜。光学渐晕的成因是，出瞳只“看到”针对较高张角的一部分入瞳。结果是
出瞳的模糊阴影。可针对所使用的相机物镜，通过模拟或实验，确定张角内渐晕的精确行
为。
此外，大多数传感器具有通常大约20°的入射角的接收角，以增大电子信号减小的
角度，因为光子正撞击金属化接触件或比菲涅尔反射更强地反射(入射角内的传感器灵敏
度)。
因此，强度的总减小可比cos5(α)甚至更强。可通过推导各个衰减数据(例如，用于
渐晕和用于入射角内的传感器灵敏度)并且根据此数据进行调节光线上的发射测量光的强
度和/或光线上的滤光，来考虑对于强度的这种进一步影响。
关于通过使用根据以上发明的方法中的至少一种测量与物体的距离，本发明涉及
基于三角测量的原理来确定与待测量物体的距离的方法。用于确定与物体的距离的方法包
括
·例如从激光器、LED或SLED发射(激光)光，
·对所述光进行整形，使得测量光被设置成光或激光线的形式，
·将测量光导向待测量物体，
·接收被待测量物体反射的测量光，
·将接收到的所述测量光导向传感器，
·通过传感器检测接收到的测量光，以及
·基于检测到的反射，推导距离信息。
该方法是根据以上本发明的方法以光线的形式发射测量光和/或通过根据以上的
各个方法过滤接收到的测量光来限定该方法。调节发射和/或过滤，使得接收到的测量光以
光线上的大体一致的强度分布到达传感器或者使得传感器记录(检测)的接收到的测量光
具有线上的大体一致的信号幅度。
本发明还涉及一种发光单元，特别地，用于提供限定测量光的基于三角测量的距
离测量装置。该发光单元包括光源(特别地，用于发射光(特别地，激光)的激光源)和用于通
过影响所述光源所发射的光的传播将光整形的光束形成组件，其中，所述光束形成组件被
布置和设计成，使得所述测量光被设置成具有中点和两个相对端的光线的形式。
光源和光束形成组件被布置和设计成，使得光线上的光的强度分布是能调节的，
使得光线的端部处的相应光强度比所述中点周围的光强度高至少10％。
因此，可通过以正确方式初始调节所发射的强度分布，被布置成接收被反射的三
角测量光的传感器单元上的亮度下降可被减小或者被全部补偿。
根据本发明的实施方式，所述光束形成组件被布置并且设计成，使得提供光线上
的光的强度分布，以致根据与成比例的因子，其中，n是正整数并且n≤5，特别地，其
中，2≤n≤5，特别地与或成比例的因子，从所述线的中点到各个
端部，光强度增大。此比例因子的选择是基于cos4定律的存在并且与出现强度影响效果相
关。当然，就光强度的任何其他替代的所预期衰减行为而言(根据例如光源和/或接收器侧
的光学性质)，可提供对强度增大的相应调节。
此外，光束形成组件可被布置和设计成，使得所述光源发射的测量光被特定漫射
角漫射，其中，光线的中点限定大致0°的张角并且最大漫射角绝对值对应于光线的相应端
部。
根据本发明的实施方式，漫射角α的范围可以是±25°至±30°(即，始于中点的激
光线的各方向上的25°或30°)，特别地，其中，漫射的总体夹角对应于50°至60°。光源发射的
(激光)光根据以上的角度而扩展，因此可限定例如50°、54°、60°或其间任一角度的张角。
使用用于限定光线上的强度的漫射(视场)角，光强度可根据与成比例的
因子特别地与或成比例的因子随着视场角度值的增大而增大，
其中，n是正整数并且n≤5。
光束形成组件可包括柱状透镜和/或第一和/或第二微透镜阵列，特别地，各个柱
状透镜阵列，用于提供光的特定漫射。然后，可将第一微透镜阵列布置成接收由光源发射的
测量光并且柱状透镜可布置在第一微透镜阵列和第二微透镜阵列之间。
特别地，光束形成组件另外包括准直仪、快轴孔径光阑和/或用于进一步限定待发
射光线形状的挡板。
特定实施方式涉及至少一个微透镜阵列的设计，其中，第一和/或第二微透镜阵列
中的至少一个可被设计成具有20μm至200μm的范围内的微透镜-微透镜节距，特别地，具有
120μm至170μm的范围内的节距，特别地，具有150μm的节距。即，从一个微透镜的峰值点到后
续的微透镜的峰值的距离优选地是大约150μm。
此外，对于至少5μm的特别地在5μm与50μm之间或在40μm与50μm之间的各个微透镜
阵列的表面(透镜阵列表面上的最低点和微透镜的峰之间的正常距离)，第一和/或第二微
透镜阵列中的至少一个可被设计成具有地形透镜高度(topographic lens height)。
此外，至少一个微透镜阵列中的微透镜(优选地，第二个微透镜)包括55μm和56μm
之间的曲率半径。各个阵列可包括大约-1.45的圆锥常数和/或大约1.5的折射率。
此外，第一和/或第二微透镜阵列中的至少一个可包括周期表面结构，特别地，是
正弦的，特别地其中，各个微透镜阵列以凸和凹圆柱透镜的图案为代表。换句话讲并且根据
特定实施方式，至少一个微透镜阵列的设计是正弦的，这意味着，凸和凹圆柱状透镜的周期
图案具有7μm和18μm之间的交替半径符号。
根据本发明的发光单元的所得输出光束特别地限定了在与发光单元的距离是
150mm时线长度是150mm(例如，平坦顶部形状)的光线，特别地，激光线。对应线宽度将是大
约150μm(例如，至少几乎Gaussian)。光束包括水平方向(准直的激光二极管的慢轴)上的±
27°的区域中的发散。
优选地，通过光(激光)源产生波长是450nm的激光。
本发明还涉及用于三角测量的相应装置。基于三角测量的距离测量装置包括：发
光单元，其具有用于以具有线上的受限定强度分布的光线(例如，激光线)形式提供测量光
(例如，激光)的光源(例如，激光器或LED)；光接收单元，其具有传感器，所述传感器用于检
测被待测量物体反射和接收的测量光；以及控制和处理单元，其用于基于检测到的反射来
推导距离信息。特别地，根据Scheimpflug标准，发光单元和光检测单元被布置成具有相对
于彼此已知的空间位置和方位。
根据本发明，发光单元和光检测单元被如此设计并且相对于彼此布置，使得能够
由发光单元提供并且由所述光接收单元接收到的测量光以光线上的大体一致的强度分布
到达所述传感器，或者所述测量光以所述线上的大体一致的信号幅度被所述传感器记录
(检测)。
优选地，根据上述发光单元的实施方式，设计基于三角测量的距离测量装置的发
光单元。
另选或另外地，光接收单元可包括滤光器元件，所述滤光器元件适于基于所述发
光单元能提供的所述测量光的已知强度分布来过滤接收测量光的强度分布，使得所述测量
光以所述光线上的大体一致的强度分布到达所述传感器或者以所述光线上的大体一致的
信号幅度被所述传感器记录(检测)。
特别地，所述光接收单元可包括反cosn滤光器，其中，n是≤5的正整数，特别地，其
中，2≤n≤5，特别地，反cos3滤光器、反cos4滤光器或反cos5滤光器。
要理解，在本发明的背景下，以上方法可应用于如LED的用“普通”光源产生的光线
并且可应用于通过任何类型的激光源产生的激光线。
附图说明
以下，参照在附图中示意性示出的工作示例，仅仅以举例的方式，更详细地描述或
说明根据本发明的方法和装置。具体地，
图1示出本发明涉及的三角测量装置的工作原理；
图2示出根据本发明的发光单元的实施方式；
图3a至图3b示出根据本发明的发光单元的其他实施方式；
图4a至图4b示出根据本发明的发光单元的另一个实施方式；
图5示出根据本发明的光接收单元的实施方式；
图6示出根据本发明的在所提供的激光线上的强度分布；
图7示出根据本发明的传感器上检测到的激光线上的强度分布的谱；
图8示出根据本发明的照射并且对应地检测被物体反射的光的优选方法；以及
图9示出可用于以沿着光线的相应强度分布提供光线的微透镜阵列的实施方式的
表面测量。
具体实施方式
图1示出根据本发明的三角测量装置1的工作原理。装置1包括其相对位置和方位
已知的发光单元2和光接收单元3(例如，相机)。换句话讲，三角测量将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被反射光并且测量输入光的角度。
发光单元2包括可以以发射激光的激光二极管为代表的光源。此外，发光单元可包
括用于形成所发射激光使得可发射限定测量束4的光学单元。优选地，此测量光束根据第一
方向(垂直地)被聚焦并且相对于第二方向(水平地)漫射，第二方向与第一方向正交。通过
这样做，可产生激光线并且将其投影到待测量物体5上。
光接收或检测单元3也可包括光学组件(例如，成像镜头)，以形成被反射光6并且
将其导向该单元的图像传感器。传感器优选地被设计为CCD或CMOS传感器，从而提供线或区
域形式的像素阵列。传感器优选地还根据Scheimpflug标准倾斜，使得相机的物面与被照射
平面重合，使得所有被照射点在传感器上清晰成像。图像传感器被设计成至少对测量光5的
一定波长的光敏感。图像传感器的像素被暴露于输入的被反射光6并且可基于传感器的被
照射像素来推导物体5上的线的路线。这样允许基于知悉发射器2和检测器3的相对位置和
被检测线，特别地，另外基于光学组件的性质和图像传感器上的被检测线的位置，确定距物
体表面的距离。
根据这里未示出的替代实施方式，所发射光束4在垂直于外壳的方向上发射，从而
允许将另外的接收单元放置在发射单元2的左侧，以生成另外的测量数据。还可布置第三接
收单元3，第三接收单元3被放置在发射单元2旁边，与第一接收单元(和/或第二接收单元)
具有相同距离或者不同距离，以实现较高稳健性来耐受造成阴影效应的对比度变化强(引
入检测到的强度中心偏移)的物体的检测或边缘的检测。
通过将三角装置1在物体5上方移动，连续接收被反射光6并且处理由图像传感器
所提供的信号，可测量物体5的表面的全部。特别地，通过携带三角测量装置1并且将它沿着
所预期测量路径移动的(机动的或手持的)坐标测量机器，执行此扫描。
根据本发明，用于形成所发射激光的光学单元(光束形成组件)被设计成，使得所
发射测量光4包括在线端部处提供较大光强度并且在线中点周围的较低强度的激光线上的
强度分布，特别地，在端部处具有至少10％更高强度的光。优选地，通过正确分散(漫射)使
用例如微透镜阵列和/或柱状透镜的光源所发射的光，实现此强度分布。结果，在反射和接
收调节后的该测量光和相应衰减等之后，强度分布大体均匀的光到达传感器单元。
另外或另选地，光接收单元3包括光学滤光器元件，滤光器元件适于正确过滤在物
体5处被反射并且被作为被反射测量光6接收的已知性质的测量光4，使得接收光的强度分
布是大体已知的。因此，滤光器元件提供入射到传感器上的光，其具有基本上关于各个光线
的一个均匀强度分布。优选地，滤光器元件布置有在传感器正前方(物镜等后方)的光学组
件。
根据本发明的另一个方面，控制发光单元2，使得测量光4以脉动方式发射，并且接
收器3提供用于独立地检测因所发射脉冲中的每个造成的反射的特定检测顺序。此检测可
以使得能够推导用于亮照射像素和尽管其照射十分暗却保留的像素二者的合适测量信号，
即，用于同时地，物体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，用图3a
至图3b对其给出更详细的描述。
为了检查待测量物体5是否位于限定测量范围(与物体和测量装置之间的距离相
关)内，可在测量体积内投影光学视觉引导。该光学引导将给出物体5是否位于优选测量区
域(与测量装置的距离)内的信息。此引导可以以能在视觉上被接收和/或具有例如与测量
光波长不同的特定光颜色(波长)的光的线来代表。根据例如该视觉引导的在采集图像中的
相对位置，提供物体5参照测量范围的位置。例如，通过如例如“Laser Components”公司的
“Flexpoint DOE Series”已知的衍射全息图的照射，可实现此投影。
图2示出根据本发明的发光单元10的实施方式。单元10包括光源11和光束形成组
件12。光源11这里可被设计为发光二极管(LED)、激光二极管或大面积激光器(BAL)(和准直
透镜)或任何其他类型的合适光源。
大面积激光器(BAL)(也被称为“宽条带”、“平板”或“宽发射器”激光二极管)具有
在一个横向方向(这里：第二或水平方向)上宽得多的增益体积。相比于具有在两个方向上
小的增益区域的单模激光二极管，BAL发射非常高的光学功率(大约1-10W)。可以以脉冲通
常低于100ns的脉冲的脉冲模式使用BAL。
在宽方向上，许多空间模式以及纵向模式可共存。在窄方向(这里：第一或垂直方
向)上，优选地，只有一个空间地模式传播，并且激光可因此顺着聚焦到衍射有限的线焦点。
此外，BAL的成本低并且BAL代表适于本发明的光源类型。
另选地，可使用关于垂直方向的范围非常小的光源或者包括提供对应小范围的额
外光学元件(例如，被非常细的隙缝掩蔽的LED)的光源。
光束形成组件12包括柱状透镜15和两个小透镜阵列13、14(微透镜阵列)。使用如
所示出的光学元件13-15的布置，提供光源11所发射的光的漫射(分散)，使得光线被作为用
于对物体进行三角测量的测量光来提供。光学元件13-15提供测量光的特定张(漫射)角(这
里，大约是±27°，即，大约54°的整体开度角)。
柱状透镜15优选地具有大致等于距小透镜阵列13的距离的焦距。基本上，通过激
光源11的设计来提供在垂直平面上的聚焦。
有益的是使用柱状透镜阵列(例如，替代单个表面大透镜)，因为横向定位容差并
不太严格。因具有两个漫射器(例如，如所示出的两个小透镜阵列13、14)，还通过将许多横
贯模式有效转换成空间相干来减少斑点。(分散光以覆盖第二漫射器的)第一漫射器可具有
比光束宽度小至少大约5倍的节距，以减弱横向定位的效应。
此外，柱状透镜和光源的阵列优选地被设计和布置成，使得测量光束能以基本连
续线(就其在第二方向上的延伸而言)的形式发射。为此，第一柱状透镜阵列的节距、激光二
极管的宽度和激光准直透镜角度可被选择成，使得投影的二极管宽度匹配透镜阵列的衍射
角度并且所发射光线进而变得连续，而没有任何暗斑(如果透镜阵列节距太细小，激光宽度
太小或准直器焦距太长，则原本会出现暗斑)。另一方面，太粗略的阵列节距、宽激光或短准
直仪焦距会造成两个投影重叠的亮斑，所以最佳的是精确选择这些参数，使得没有重叠，或
者重叠100％的倍数。
根据特定实施方式，构造包括一个微透镜阵列与10mm出射孔径的组合。
特别地，在最终漫射之前，使激光束“足够宽”，以提供大发射表面。所发射(并且准
直后的)光束的初始宽度可例如在第二方向上是大约1mm，而在加宽它之后，宽度可以在漫
射器14处是10mm。可使用许多类型的部件来加宽所发射光束，例如，其他柱状透镜、小透镜
阵列、衍射光学元件或所生成的某种类型的计算机或自然全息图。如果源是没有在水平方
向(慢轴)上准直的激光，则光束可足够快地偏离，以致不需要额外的光学器件。第一小透镜
阵列13可代表此光束分散，其中，第二小透镜阵列14代表光束漫射元件。
关于所使用的激光二极管和可能聚焦的准直仪，这些可包括不对称孔径。孔径特
别地被设计成与沿着线(以增强效率)即在水平方向上可能的一样大，并且另外在线上较窄
以增大并且限定焦深以及提高聚焦质量。当NA较小时，可以使用价格低的透镜。此外，难以
只用不带孔径的一个透镜实现大焦深，因为它将必须具有非常短的焦距。带孔径的具有较
长焦距的透镜提高了指向稳定性，因为从激光位置到光束角度的放大倍数较小。由于孔径
耗费了一些(例如，60％)效率，因此有益地具有像BAL的高功率激光二极管。
如所示出的发光单元10提供具有关于所发射光的特定强度分布的光线。通过光学
元件13-15各自的衍射和准直效果来提供此分布。在所生成线的中间，强度最小。光强度(亮
度)向着光线的端部增大。该增大对应于根据因子的强度增长，其中，α代表各自的
场或漫射角，即，从中点到各个端部的光线的距离。通过光学元件(例如，最终通过柱状微透
镜阵列14)限定的漫射角来限制α。
图3a和图3b以俯视图(图3b)和侧视图(图3a)示出根据本发明的发光单元10'的其
他实施方式。
发光单元10'包括激光源11'和相应光束形成组件12'。激光源11'这里被设计为大
面积激光器(BAL)(和准直透镜)。
光束形成组件12'包括柱状透镜33，柱状透镜33将激光源11'所发射的激光4聚焦
到第一方向(激光的快轴，这里被称为垂直方向)上，第一方向垂直于激光的传播方向。所发
射的激光4包括关于这个第一方向的空间相干。
柱状透镜33还允许透射激光4，而没有针对(垂直于第一和传播方向的)水平方向
上的光束形状的任何显著影响。
因此，使用柱状光学器件来实现一维(垂直)聚焦。大面积激光输出可首先被非球
面(圆形对称、非柱状)透镜准直，该透镜永久地一起与大面积激光源对准并安装。还可以跳
过准直仪并且使用较强垂直聚焦透镜。然而，由于源的强发散，导致首先准直光使得可用更
多空间设置其他组件更为实际。
在本发明的另一个实施方式中，省去柱状透镜33。替代地，通过将激光准直透镜向
前移位，得到垂直聚焦。这样还将光束聚焦在水平方向上，但相比于以下水平漫射器，可忽
略该效应。
光束形成组件32还包括两个柱状小透镜阵列34、35，柱状小透镜阵列34、35基本上
没有影响垂直方向上的光束形成，但是被定位并对准，使得能够进行水平方向上的光束形
成。图3b示出第二方向上的此光束形成。
图3b用俯视图示出发光单元10'，其中，示出关于第二(水平)方向的光束形成。如
所提到的，可忽略相对于第二方向的柱状透镜33对所发射激光4的影响。然而，微透镜阵列
34和35影响激光束，使得造成水平平面上的传播延伸(角度)。柱状透镜阵列几乎没有影响
垂直聚焦的质量。换句话讲，激光束通过与小透镜阵列34、35相互作用而被水平地漫射(就
第二方向或激光二极管的所谓慢轴而言)。
此外，微透镜阵列34、35被设计成，使得在所生成的激光线上提供激光的预期强度
分布。相应地选择微透镜-微透镜节距、各个微透镜的高度和各个曲率半径。光强度在激光
线的中心是最低的并且在其两端处是最高的(至少高10％)。(激光线端部周围的)大漫射角
度下的这些过量强度提供了对特别地由于与cos4定律相关的影响因素而导致的预期强度
影响(损失)的预先补偿。这意味着，在各个接收单元侧仍然存在向着激光线的端部的强度
衰减，但衰减量基本上对应于初始提供的超高量，使得传感器处的最终强度包括基本上一
个水平的强度。
图4a和图4b从不同方面分别地示出根据本发明的发光单元10″和光源11″的其他
实施方式。如所示出的光学元件36和37可直接固定地布置有光源11″，其中，光源可被理解
为已经配备这些组件的光源。图4a用侧视图示出激光源和透镜阵列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。如可从侧视图
看到的，元件37包括相当小的孔径(例如，用于透光的十分窄的缝隙)，用于提供第一(垂直)
方向上的大焦距。此准直元件37还提供第二方向上的大孔径，以减少水平平面(图4b)上漫
射的损失。因为可如此以充分方式提供激光束相对于垂直方向的准直和空间限制，所以不
需要用于聚焦的其他柱状透镜。
垂直方向上的激光聚焦和水平方向上的漫射造成主观散斑减少，同时提供非常适
于三角测量的良好限定的线。除了降低散斑噪声并因此提高深度准确性之外，低散斑照射
器还允许相机景深大幅增加。如此的原因是散斑对比度不再取决于相机NA，如同其与全相
干源那样。
另外，与检测所生成激光束相关地，特定相机光学器件可设置有图像传感器。相机
光学器件可包括还可具有不对称孔径的相机镜头，因为(水平地)沿着线的光学分辨率可比
交叉地更关键。这还导致了实现缩短的曝光时间，进而提高了眼睛安全性。此相机镜头会出
现歪像(关于第一和第二方向的放大倍数不同)，以例如得到加宽视野。优选地，相机包括强
度过滤器，用于对输入光提供正确的过滤。
由于透镜阵列34的设计-特别是激光源11'的设计，导致透镜36和孔径37-能在此
布置下发射的线的强度分布被调节，使得在线的端部处比在线的中心具有明显更大(至少
高10％)的强度。特别地，沿着线的强度增加与因子成比例，其中，n是正整数并且n
小于或等于5，特别地，与因子或成比例。
图5示出根据本发明的光接收单元40(例如，相机)的实施方式。光接收单元40包括
限定相机视野的物镜41和用于检测被物体5反射的入射光的传感器单元42。传感器可被构
建为CMOS或CCD传感器，提供限定量和构造(布置，例如，区域传感器)的传感器像素。另外，
单元40包括滤光器元件43，滤光器元件43布置在传感器42前方，用于针对输入光的强度分
布来过滤输入光。
滤光器元件43被设计成在其中心提供光强度的最大衰减，其对应于透镜41的光
轴，特别地，对应于传感器42的中心。靠近传感器单元42的边界(即，靠近通过透镜41投影到
传感器42上的光的边缘)的区域中的衰减被设置成最小值。
滤光元件43的区域内的衰减过程(行为)是根据反cos4滤光器限定的，即，衰减最
大值是处于滤光器的中心点并且根据与cos4(α)成比例的分子(因子)向着边缘减小。通过
提供如上的光接收单元40，可补偿因光接收单元40的光学系统造成的强度的损失，使得测
量光以在光入射区域内的大体均匀光强度到达传感器42。
根据本发明的另一个实施方式，各个滤光器元件被设计成如同反cos3或反cos5滤
光器，因此另外被设计用于补偿对被反射测量光的更少或更多的影响，尤其是考虑到由发
光单元侧的柱状透镜阵列引入的其他余弦因子时。
图6示出根据本发明的激光线上的强度分布。这里示出的强度谱包括大角度(水平
轴)的过量强度(垂直轴)，以至少补偿在成像时因cos4定律造成的效果，特别是因关于(以
上提到的)线的投影的cos定律而提供的效果。
对应于该谱，提供各自的漫射角是±27°的总漫射，其中，使用至少一个微透镜阵
列和柱状透镜(如所描述的)产生漫射。
特别地，强度谱的过程取决于与或成比例的因子。
图7示出关于传感器上的激光线上的强度分布的谱，该传感器适于检测被待测量
物体反射的测量激光。可通过使用具有根据图6的谱的激光线作为测量光来实现此分布。在
将所提供的线投影到物体上，在物体处反射并且通过检测单元侧的光学元件接收的被反射
光之后，相机芯片(传感器)上的谱优选地表示根据图7的图示曲线的分布，即，激光线上的
强度分布基本上是一致的(提供大体一致的强度水平)。针对-27°至+27°的各个角度，示出
相机芯片上的强度分布(相对强度)。
图8示出根据本发明的照射待测量物体并且相应地检测被物体反射的光的优选方
法。
用于该方法的图像传感器优选地被设计成具有限定数量和群集的检测像素的高
(宽)动态范围图像传感器(HDR传感器)。优选地，传感器被构建为区域图像传感器(2D像素
栅格)。
图像传感器的控制(即，三个曝光子序列(t0-t1、t1-t2和t2-te)的持续时间和时刻
以及分别限定的饱和度极限(33％、66％和100％))由曲线21代表。
如可看到的，传感器的像素的饱和度限制Sp在从t0至t1的初始曝光时间段被初始
地设置成传感器-像素的最大饱和度的33％。该初始曝光时间段对应于第一曝光子序列。
在t1，传感器-像素的饱和度水平被切换成较高状态，这里，切换成最大饱和度的
66％，并且在第二时间段t1至t2内得以保持。此外，在t2，应用与像素的最大容许饱和度对应
的第三饱和度水平。整个检测序列在时间te结束，其中，提供代表整体被照射像素的照射的
检测信号。
这些曝光性质可通过传感器的一体化控制处理来直接提供或者可通过用额外控
制单元进行外部控制来限定。当然，要理解，所提到的曝光子序列的设置能够被可变地限
定，其中，根据本发明限定至少两个子序列。
曝光时间段被限定成具有基本相等的持续时间，其中，时间段被优选地设置成具
有(通过各个传感器性质给出的)可能最短的持续时间。两个所提到的限制都是有效的，只
要该持续时间比所需的激光脉冲持续时间长。或者，换句话讲，如果传感器提供了设置更加
短的曝光时间段，则各曝光时间段的持续时间可被设置得与对应脉冲的持续时间一样短。
通过此改变，相比于典型的曝光设置(大致超过10ms)，提供明显更短(例如，大约100μs)的
整体曝光时间t0至te。结果，可提供以更大频率(时间分辨率)更加快速采集距离信息，从而
导致更精确的测量表面的表现。此外，这样可显著减少或者避免运动模糊的产生。
对应于((基本上相等的)最短持续时间)像这样设置曝光子序列，适当地改变待测
量物体的照射，以产生提供可靠和精确像素信息的测量数据。用曲线22(照射强度II的过
程)示出照射(即，发射测量光)的方式。特别地，曝光序列被设置成相当短，其中，所发射的
并且被接收的光的各个量相比于现有技术的量显著更高。
因此，这里的测量光不再以恒定方式发射，而是被作为脉冲测量光发射，优选地被
作为脉冲激光发射。调节脉冲，使得对于每个曝光子序列，发射一个脉冲。对于不同曝光时
间段，脉冲能量减小。例如，脉冲功率可基本恒定保持于例如激光二极管的最大功率下，同
时使脉冲持续时间减少。另选地，可在脉冲功率减小的同时，保持脉冲持续时间恒定。当然，
可替代地应用两种方法的组合。此发光与检测子序列的组合提供了略微密集的被照射的像
素的充电，使得没有到达各个像素的最大饱和度并且对于每个像素可推导出合适的像素信
息。
因此，主要通过应用和调节光脉冲并且保持曝光子序列的持续时间恒定(即，具有
基本上相等的持续时间)，对像素的照射提供控制。
三条线23、24(虚线)和25(点线)代表由于用脉冲测量光进行照射而导致的传感器
的三个示例性描绘的像素的充电。代表像素被十分低地照射的曲线23表示在第一时间段t0
至t1内进行照射期间的各个像素的充电，直到照射强度减小至0(即，激光脉冲的结束)。在
通过(第二时间段t1至t2内)第二脉冲进行的照射期间，像素从第一光脉冲结束的水平起持
续充电(因为在没有照射即零强度的时间段期间像素没有进一步充电)。此外，电荷也因发
射第三(最短)激光脉冲而增大，使得生成没有相应饱和度的该像素的最终检测信号。
对于曲线24和25表达的像素，同样适用，其中，对于这些像素，还应用充电状态的
部分重置或限制。这是因为，像素照射进入针对第一和第二曝光子序列而设置的各自饱和
度极限(33％和66％)。这些像素的充电或照射水平在从前一饱和度极限开始的连续曝光子
序列中持续增加。该增加取决于各自照射的持续时间(脉冲持续时间)和每个时间步长入射
到相应像素上的测量光的单独量(即，线23、24和25的斜率)。
此过程提供了用一个公共检测序列提供亮像素(用曲线25代表的对比像素)和暗
像素(曲线23)进行的检测，使得没有像素进入最大饱和度水平(100％)并且在检测序列的
结束te提供合适的可检测像素亮度。
根据替代实施方式，为了调节每个曝光子序列的光的照射量，不仅脉冲持续时间
而且脉冲功率可被特别独立地调节。
当然，要理解，就本发明而言，曝光子序列的数量不限于三个，而是本发明还涉及
具有至少两个曝光子序列(即，两个或更多个这样的子序列)的检测序列。对应地，由于所预
期的应用、子序列的数量和/或所提供的光源，单独的饱和度极限(33％、66％)的限定也可
有所不同。
图9示出如上所述可用于以沿着光线的相应强度分布提供光线的微透镜阵列的实
施方式的表面测量。此微透镜阵列的设计是正弦的，意味着凸和凹圆柱透镜的周期图案。该
图表示测得高度(单位：微米)与被采取测量的各个横向位置(同样地，单位：微米)。如可看
到的，根据所示出的实施方式，该轮廓中的最低点和最高点之间的高度在70μm至90μm的范
围内。
当然，根据微透镜阵列(未示出)的替代实施方式，对于不同透镜，高度和/或距离
可能不同。例如，透镜可设置有7μm和18μm之间的交替半径符号(即，具有15μm至36μm的高
度)。
虽然以上例证了本发明，但部分参照一些特定实施方式，必须要理解，可进行实施
方式的不同特征的众多修改和组合并且不同特征可被彼此组合或者与现有技术已知的三
角测量原理和/或坐标测量机器组合。