三角测量传感器的校准制造技术

三角测量传感器的校准。一种用于校准三角测量传感器(10)的方法，其中，三角测量传感器(10)包括：光发射单元，该光发射单元用于发射测量光；以及光接收单元。光发射单元以相对于光接收单元已知位置和方位被设置，并且三角测量传感器(10)适于提供基于三角测量的位置测量。提供校准装备，该校准装备包括：三角测量传感器和校准目标(30)，该校准目标(30)提供已限定的校准图案，并且借助于三角测量传感器(10)参照校准目标(30)执行校准测量。

Calibration of triangulation sensor

Calibration of triangulation sensor. A method for calibrating a triangulation sensor (10) includes an optical transmitting unit for transmitting measured light and an optical receiving unit. The optical transmitting unit is set at a known position and orientation relative to the optical receiving unit, and the triangulation sensor (10) is suitable for providing position measurement based on triangulation. A calibration device is provided, which includes a triangulation sensor and a calibration target (30). The calibration target (30) provides a defined calibration pattern and carries out calibration measurement by means of a triangulation sensor (10) referring to the calibration target (30).

【技术实现步骤摘要】
三角测量传感器的校准
本专利技术总体涉及用于校准三角测量传感器并基于校准补偿测量的相应方法。
技术介绍
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。此外，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(probehead)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)可以被确定，并且可以获得相应坐标。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系统(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相机跟踪探针位置和取向的光学跟踪系统，或者干涉测量距离跟踪装置，其中利用附加相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捉，而不需要昂贵的定位系统。此外，用于提供表面的地形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DE102004026090A1或者WO2011/000435A1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相机检测到，该相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。捕捉反射光的图像并且获得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地形。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，这包括所需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)，WO2011/000435A1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。WO2007/125081A1公开了用于依靠相机检测到的强度来主动控制照射光的功率的另一方法。然而，在关于反射特性显著不同的、要照射的区域的情况下，仍然存在在所投射激光线的整个宽度上提供可用信号的问题。特别地，具有低粗糙度的表面(即，诸如铬的镜状表面)由于朝向图像传感器的所反射光的强不均匀性而难以测量。关于测量精度的另一个问题是例如电子器件或光学结构的特定传感器部件的长期漂移或关于这种部件的相对布置的漂移的可能出现。这种漂移可能由于像光源的升温的热效应或环境条件的变化而引入。作为这种效应的一个结果，可以以最终导致错误位置测量的特定误差获取用系统测量的位置值。由于热变化而产生的可能影响是由在测量光源侧上的激光源生成的激光平面的未知倾斜或偏移。这种倾斜或偏移可能引起比如关于所计算距离的重大错误测量。此外，位置和/或方位的偏差还可能针对传感器的光接收部而出现。因此，仍然存在鉴于以上所提及的长期漂移提供可靠测量值的问题。上述问题与导致可能测量误差的、对测量系统的外部影响有关。在考虑环境影响之前，通常必须提供可以保证测量值的正确且准确确定的三角测量传感器的另外(几何)校准。特别地，可以利用三角测量传感器测量物体处的基准坐标，并且通过使用另外的测量系统来验证或校正该基准坐标。这种基本校准相对于设置校准结构通常相对耗时，并且非常复杂，因为必须提供确切的基准坐标信息。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种被提供为考虑上述问题的改进的三角测量传感器并提供一种相应改进的校准方法。本专利技术的另一个目的是提供一种改进的校准方法，该改进的校准方法允许补偿三角测量传感器结构的长期漂移和/或几何偏差。本专利技术的另一个目的是提供一种使得能够对所进行测量应用相应补偿的改进的三角测量传感器。上述目的通过实现独立权利要求的特征来实现。以另选或有利方式进一步开发本专利技术的特征在从属权利要求中被描述。本专利技术涉及一种校准三角测量传感器(本文中还被称为“扫描仪”)的方法。三角测量传感器包括：光发射单元，特别是激光二极管、发光二极管(LED)或超发光LED(SLED)，该光发射单元用于以已限定光图案发射已限定色度测量特性(chromaticmeasuringproperty)的测量光；以及光接收单元，特别是相机，该光接收单元用于根据已限定的色度接收特性接收光，其中，色度接收特性被调节为色度测量特性。光发射单元以相对于光接收单元的已知位置和方位被设置，并且三角测量传感器适于通过确定所反射测量光在内传感器图像坐标系中的图像位置，特别是参照外坐标系，来提供基于三角测量的位置测量。内传感器图像坐标系由三角测量传感器(例如，由三角测量传感器的图像传感器)来限定。为此，可以发射测量光并将其引导到待测量物体，并且可以在光接收单元侧上检测在物体处反射(并后向散射)的测量光的至少一部分。基于传感器的已知设计和结构(arrangement)，由此可以通过应用相应的三角测量原理来计算距离数据。距离数据可以包括关于光图案的扩展的多个距离值。轴向测量Y轴可以与光发射单元的中心光轴同轴或平行。方法包括以下步骤：提供校准装备(calibrationsetup)，该校准装备具有三角测量传感器和校准目标，校准目标提供已限定的校准图案。借助于三角测量传感器参照校准目标执行校准测量。根据本专利技术的该第一方面，参照外(全局、机器或真实世界)坐标系将三角测量传感器和校准目标设置在已限定相对位置。特别地，从而已知相对距离和方位。朝向校准目标引导测量光，使得测量光撞击在校准目标上，并且提供光图案(例如，光线)的相应投射。借助于在三角测量传感器侧上的光接收单元捕捉校准目标的图像。在下一步骤中，处理所捕捉的图像。获得参照内传感器图像坐标系的图案图像位置，其中，图案图像位置提供与校准图案在所捕捉图像中的位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于校准三角测量传感器(10、10’、10”)的方法，所述三角测量传感器(10、10’、10”)包括：●光发射单元(11、11’)，特别是激光二极管，该光发射单元用于发射已限定色度测量特性的测量光(13、13’、44、55)；以及●光接收单元(12)，特别是相机，该光接收单元用于根据已限定色度接收特性接收光，其中，所述色度接收特性被调节为所述色度测量特性，其中，●所述光发射单元(11、11’)以相对于所述光接收单元(12)的已知位置和方位被设置，并且●所述三角测量传感器(10、10’、10”)适于通过确定所反射测量光在内传感器图像坐标系(I，J)中的图像位置，特别是参照外坐标系(X，Y，Z)，来提供基于三角测量的位置测量，所述方法包括以下步骤：●提供校准装备，该校准装备包括：□所述三角测量传感器(10、10’、10”)；以及□校准目标(30、50、61、62、63)，所述校准目标(30、50、61、62、63)提供已限定校准图案(31)；以及●借助于所述三角测量传感器(10、10’、10”)参照所述校准目标(30、50、61、62、63)执行校准测量，其特征在于，●参照外坐标系(X，Y，Z)将所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)设置在已限定相对位置，●通过以下方式执行所述校准测量：□朝向所述校准目标(30、50、61、62、63)引导所述测量光(13、13’、44、55)，使得所述测量光(13、13’、44、55)撞击在所述校准目标(30、50、61、62、63)上，□借助于所述光接收单元(12)捕捉所述校准目标(30、50、61、62、63)的图像(40)，□通过以下方式处理所捕捉的图像(40)：·获得参照内传感器图像坐标系(I，J)的图案图像位置，所述图案图像位置提供与所述校准图案(31)在所捕捉的图像(40)中的位置有关的信息，并且·获得参照所述内传感器图像坐标系(I，J)的光图像位置，所述光图像位置提供与撞击在所述校准目标(30、50、61、62、63)上的所述测量光(13、13’、44、55)在所捕捉的图像(40)中的位置有关的信息，并且●基于以下内容获得校准数据：□所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)的所述相对位置；□所述图案图像位置；以及□所述光图像位置。...

【技术特征摘要】
2017.06.22 EP 17177439.11.一种用于校准三角测量传感器(10、10’、10”)的方法，所述三角测量传感器(10、10’、10”)包括：●光发射单元(11、11’)，特别是激光二极管，该光发射单元用于发射已限定色度测量特性的测量光(13、13’、44、55)；以及●光接收单元(12)，特别是相机，该光接收单元用于根据已限定色度接收特性接收光，其中，所述色度接收特性被调节为所述色度测量特性，其中，●所述光发射单元(11、11’)以相对于所述光接收单元(12)的已知位置和方位被设置，并且●所述三角测量传感器(10、10’、10”)适于通过确定所反射测量光在内传感器图像坐标系(I，J)中的图像位置，特别是参照外坐标系(X，Y，Z)，来提供基于三角测量的位置测量，所述方法包括以下步骤：●提供校准装备，该校准装备包括：□所述三角测量传感器(10、10’、10”)；以及□校准目标(30、50、61、62、63)，所述校准目标(30、50、61、62、63)提供已限定校准图案(31)；以及●借助于所述三角测量传感器(10、10’、10”)参照所述校准目标(30、50、61、62、63)执行校准测量，其特征在于，●参照外坐标系(X，Y，Z)将所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)设置在已限定相对位置，●通过以下方式执行所述校准测量：□朝向所述校准目标(30、50、61、62、63)引导所述测量光(13、13’、44、55)，使得所述测量光(13、13’、44、55)撞击在所述校准目标(30、50、61、62、63)上，□借助于所述光接收单元(12)捕捉所述校准目标(30、50、61、62、63)的图像(40)，□通过以下方式处理所捕捉的图像(40)：·获得参照内传感器图像坐标系(I，J)的图案图像位置，所述图案图像位置提供与所述校准图案(31)在所捕捉的图像(40)中的位置有关的信息，并且·获得参照所述内传感器图像坐标系(I，J)的光图像位置，所述光图像位置提供与撞击在所述校准目标(30、50、61、62、63)上的所述测量光(13、13’、44、55)在所捕捉的图像(40)中的位置有关的信息，并且●基于以下内容获得校准数据：□所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)的所述相对位置；□所述图案图像位置；以及□所述光图像位置。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校准图案(31)限定所述校准目标(30、50、61、62、63)处的基准点(43)，并且基于所捕捉的图像(40)的处理确定表示所述基准点(43)在所述所捕捉的图像(40)中的位置的基准点图像位置。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，●借助于所述所捕捉的图像(40)的处理确定在所述所捕捉的图像(40)中撞击测量光(13、13’、44、55)相对于所述基准点图像位置的距离和/或方位，和/或●获得所述测量光(13、13’、44、55)的投射相对于所述基准点(43)的偏移(O)并基于所述偏移(O)处理所述校准数据。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，●参照所述外坐标系(X，Y，Z)提供所述三角测量传感器(10、10’、10”)与所述基准点(43)之间的已限定距离，并且●基于以下内容执行校准所述三角测量传感器(10、10’、10”)：□关于所述外坐标系(X，Y，Z)的相应距离数据；□关于由所述三角测量传感器(10、10’、10”)限定的所述内传感器图像坐标系(I，J)的所述基准点图像位置；以及□关于所述内传感器图像坐标系(I，J)的所述光图像位置，其中，基于所述基准点(43)的两组坐标数据提供坐标数据的变换，其中，第一组指的是所述外坐标系(X，Y，Z)，并且第二组指的是所述内传感器图像坐标系(I，J)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，利用具有已限定色度照明特性的照明光对所述校准目标(30、50、61、62、63)进行照射，其中，所述色度照明特性被调节为所述色度接收特性，使得测量光(13、13’、44、55)和照明光能够由所述光接收单元(12)来检测，特别是其中，所述照明光由与所述光发射单元(11、11’)不同的照明单元来发射，特别是与所述光发射单元(11、11’)分离的照明单元来发射。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述校准装备包括定位装置，该定位装置被设置为提供所述校准目标(30、50、61、62、63)与所述三角测量传感器(10、10’、10”)的已限定且可变的相对定位，特别是其中，提供所述校准目标(30、50、61、62、63)和/或所述三角测量传感器(10、10’、10”)的位置，作为与所述外坐标系(X，Y，Z)有关的坐标数据。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，●借助于所述光接收单元(12)根据一组不同的相对位置捕捉所述校准目标(30、50、61、62、63)的一系列图像(40)，●处理所述一系列图像(40)并由此，□获得提供与所述校准图案(31)在所述一系列图像(40)中的位置有关的信息的一系列图案图像位置，□特别是获得提供与撞击在所述校准目标(30、50、61、62、63)上的所述测量光(13、13’、44、55)在所述一系列图像(40)中的位置有关的信息的一系列光图像位置，并且●基于以下内容获得所述校准数据：□所述一组不同的相对位置；□所述一系列图案图像位置；以及□特别是所一系列光图像位置。8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，其特征在于，所述定位装置被具体实施为坐标测量机，其中，●所述校准目标(30、50、61、62、63)被设置在探头处，以便借助于所述坐标测量机在其位置上变化，特别是以便提供所述一组不同的相对位置，或者●所述三角测量传感器(10、10’、10”)被设置在所述探头处，以便借助于所述坐标测量机在其位置上变化，特别是以便提供所述一组不同的相对位置。9.一种用于通过使用包括校准图案(31)的校准目标(30、50、61、62、63)校准三角测量传感器(10、10’、10”)的控制和处理单元，其中，所述控制和处理单元包括校准功能，通过执行该校准功能，通过以下方式提供校准数据的生成：●接收关于所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)参照外坐标系(X，Y，Z)的已限定相对位置的位置信息，●接收参照内传感器图像坐标系(I，J)的图案图像位置，所述图案图像位置提供与所述校准图案(31)在由所述三角测量传感器(10、10’、10”)的光接收单元(12)捕捉的图像(40)中的位置有关的信息，●接收参照所述内传感器图像坐标系(I，J)的光图像位置，所述光图像位置提供与撞击在所述校准目标(30、50、61、62、63)上的测量光(13、13’、44、55)在所捕捉的图像(40)中的位置有关的信息，并且●基于以下内容获得所述校准数据：□所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)的所述相对位置；□所述图案图像位置；以及□所述光图像位置，特别是其中，●所述控制和处理单元适于控制、发起和/或分别执行根据权利要求1至8或26至29中任一项的方法的步骤，和/或●所述控制和处理单元由所述三角测量传感器(10、10’、10”)来提供。10.一种具有计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机可执行指令被实施为，特别是当在根据权利要求9的控制和处理单元上运行时，执行并相应控制至少根据权利要求1至8或26至29中任一项的方法的、以下内容的校准三角测量传感器(10、10’、10”)的步骤：●朝向所述校准目标(30、50、61、62、63)引导所述测量光(13、13’、44、55)，使得所述测量光(13、13’、44、55)撞击在所述校准目标(30、50、61、62、63)上，●借助于所述光接收单元(12)捕捉所述校准目标(30、50、61、62、63)的图像(40)，●凭借以下方式处理所捕捉的图像(40)：□获得参照所述内传感器图像坐标系(I，J)的图案图像位置，并且□获得参照所述内传感器图像坐标系(I，J)的光图像位置，并且●基于以下内容获得所述校准数据：□所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)的所述相对位置；□所述图案图像位置；以及□所述光图像位置。11.一种用于校准三角测量传感器(10、10’、10”)的方法，所述三角测量传感器(10、10’、10”)包括：●光发射单元(11、11’)，特别是激光二极管，该光发射单元用于以已限定光图案发射已限定色度测量特性的测量光(13、13’、44、55)；以及●光接收单元(12)，特别是相机，该光接收单元用于根据已限定色度接收特性接收光，其中，所述色度接收特性被调节为所述色度测量特性，其中，●所述光发射单元(11、11’)以相对于所述光接收单元(12)的已知位置和方位被设置，并且●所述三角测量传感器(10、10’、10”)适于通过确定所反射测量光在内传感器图像坐标系(I，J)中的图像位置，特别是参照外坐标系(X，Y，Z)，来提供基于三角测量的位置测量，所述方法包括以下步骤：●提供校准装备，该校准装备包括：□所述三角测量传感器(10、10’、10”)；以及□校准目标(30、50、61、62、63)，所述校准目标(30、50、61、62、63)提供已限定校准特征，以及●借助于所述三角测量传感器(10、10’、10”)参照所述校准目标(30、50、61、62、63)执行校准测量，其特征在于，●参照外坐标系(X，Y，Z)将所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)以已限定相对位置设置在气候体积内部，●通过以下方式执行所述校准测量：□朝向所述校准目标(30、50、61、62、63)引导所述测量光(13、13’、44、55)，使得所述测量光(13、13’、44、55)撞击在所述校准目标(30、50、61、62...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·斯蒂格瓦尔，贝亚特·埃比舍尔，P·钱普，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH