CN109115126A

CN109115126A - 三角测量传感器的校准

Info

Publication number: CN109115126A
Application number: CN201810643148.5A
Authority: CN
Inventors: J·斯蒂格瓦尔; 贝亚特·埃比舍尔; P·钱普
Original assignee: Hexagon Technology Center GmbH
Current assignee: Hexagon Technology Center GmbH
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2019-01-01
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: US20180372481A1; EP3418681B1; EP3418681A1; US10323927B2; EP3783304B1; CN109115126B; EP3783304A1

Abstract

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。

Description

三角测量传感器的校准

技术领域

本发明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。

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。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(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)，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。

发明内容

因此，本发明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。

本发明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。

本发明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发明的特征在从属权利要求中被描述。

本发明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(chromatic measuringproperty)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(calibration setup)，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。

根据本发明的该第一方面，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置有关的信息，并且获得参照内传感器图像坐标系的光图像位置，光图像位置提供与撞击在校准目标上的测量光在所捕捉图像中的位置(光图案的投射位置)有关的信息。

基于三角测量传感器和校准目标的相对位置、基于图案图像位置以及基于光图像位置获得校准数据。

这意味着校准数据可以基于参照外坐标系的、传感器与目标之间的距离和方向、图像中表示目标或其特征参照内坐标系的位置以及也参照内坐标系的光图案的位置的知识。具有参照外坐标系并参照内坐标系这两者的、用于目标或其图案的位置信息使得能够将光图案的内坐标变换到外坐标系，并由此提供所投射测量光参照外系的位置的确定。由此，给出测量光相对于校准图案的位置，并且该位置可以用作校准数据。

本发明的优点由以下事实给出：使得光接收单元(例如，具有CCD或CMOS传感器和相应光学元件的相机)不仅能够检测测量光，还能够检测(并识别)校准图案，该校准图案可以由测量光或具有已调节波长的另外光来照射，或者可以用相应已调节的光来主动照射(例如，自发光)。由此，执行校准变得更简单且更快速。

在本申请中在内传感器图像坐标系(I，J)和外坐标系(X，Y，Z)之间进行区分。外坐标系可以指的是三角测量传感器的测量坐标系和/或指的是(通过坐标的已知变换)参照测量坐标系的另外坐标系(例如，由CMM限定的坐标系)。关于本发明，可以优选这些坐标系之间的已知基准，这两个坐标系被称为外坐标系(X，Y，Z)。当然，三角测量传感器和另外坐标系的轴线不是必须彼此平行。

内传感器图像坐标系指的是图像像素及其在三角测量传感器侧上的图像传感器上的坐标(2D)。可以由图像传感器看到的外坐标系中的点可以利用内坐标和/或外坐标来表示。

在一个实施方式中，校准图案限定校准目标处的基准点，并且基于所捕捉的图像的处理确定表示基准点在所捕捉的图像中的位置的基准点图像位置。例如，图案被具体实施为圆，并且基准点是圆的中心点。由此，可以高精度地确定光图案相对于校准图案的位置。

可以通过处理所捕捉的图像在所捕捉的图像中确定撞击测量光相对于基准点图像位置的距离和/或方位。通过确定方位，可以记录激光平面的可能倾斜。距离可以表示相应偏移。

可以获得测量光的投射相对于基准点的偏移，并且可以基于偏移处理校准数据。测量光的投射与基准点之间的相应距离可以在图像中确定并变换成给出与参照真比例的偏移有关的信息的真实世界坐标。由此，给出提供所测量位置数据的相应补偿的相应校准信息。

根据一个实施方式，参照外坐标系提供三角测量传感器与基准点之间的已限定距离，并且基于以下内容执行校准三角测量传感器：关于外坐标系的相应距离数据；关于由三角测量传感器限定的内图像坐标系的基准点图像位置；以及关于内图像坐标系的光图像位置。由此，基于基准点的两组坐标数据提供坐标数据的变换，其中，第一组指的是外坐标系，并且第二组指的是内坐标系。

光接收单元的校准可以基于三角测量传感器和校准目标的已限定相对位置以及图案图像位置。

光发射单元的校准可以基于三角测量传感器和校准目标的已限定相对位置以及光图像位置。

根据一实施方式，利用具有已限定色度照明特性的光对校准目标进行照射，其中，色度照明特性被调节为色度接收特性，使得测量光和照明光可由光接收单元来检测。这种另外照明可以提供借助于光接收单元进行的校准图案的改进识别。

特别地，照明光可以由与光发射单元不同(特别是分离)的照明单元来发射。另选地，传感器的光发射单元可以包括用于这种照明的另外光源。

根据本发明的实施方式，校准装备包括定位装置，该定位装置被设置为提供校准目标与三角测量传感器的已限定且可变的相对定位，特别是其中，提供校准目标和/或三角测量传感器的位置，作为与外坐标系有关的坐标数据。比如，定位装置使得能够使校准目标或三角测量传感器沿着已限定路径移动，同时提供被移动元件的相应坐标并可以处理该坐标，以便生成校准数据。被移动元件还可以被保持在已限定位置处，例如以便在这种对齐中执行校准测量。

校准目标可以被设计为使得它校准特征/图案的主动照明。这在也没有另外外部照明的情况下提供校准图案的检测。在传感器被设置在要移动的定位装置处的情况下这可以是优选的。

特别地，控制定位装置，使得以已限定方式顺序或连续改变三角测量传感器和校准目标的相对位置并限定一组不同相对位置，其中，测量光保持撞击在校准目标上，特别是其中，沿与测量光的发射轴线基本正交的方向改变位置。

例如，沿使得可以在校准目标上扫描被提供为激光线的测量光的方向移动校准目标。换言之，可以通过特别是在与测量光的发射轴线正交的平面中提供校准目标与三角测量传感器之间的相对移动利用定位装置来提供测量光在校准目标的至少一部分上的掠过(sweep)。

在本发明的实施方式中，借助于光接收单元根据一组不同的相对位置捕捉校准目标的一系列图像。处理所述一系列图像并由此获得提供与校准图案在一系列图像中的位置有关的信息(即，还有与目标或传感器的位置变化有关的信息)的一系列图案图像位置。特别地，获得提供与撞击在校准目标上的测量光在一系列图像中的位置有关的信息的一系列光图像位置。基于一组不同的相对位置、一系列图案图像位置以及特别是一系列光图像位置获得校准数据。

例如，校准目标可以被移动为使得校准图案的基准点位于所投射的激光平面上。者允许高精度地确定激光平面的位置。

作为另外的示例，可以在机器坐标系中获得传感器与目标之间的至少两个不同距离中的每一个的中心点，其中，中心点与光发射平面和校准图案的中心垂直基准(例如，环图案的直径)的交叉点对应。可以根据所确定的中心点拟合虚拟平面。

定位装置可以被具体实施为坐标测量机(CMM)，其中，校准目标被设置在探头处，以便借助于坐标测量机在其位置上变化，特别是以便提供一组不同的相对位置，或者三角测量传感器被设置在探头处，以便借助于坐标测量机在其位置上变化，特别是以便提供一组不同的相对位置。

CMM可以被具体实施为便携式CMM、SCARA式机器或铰接臂。应当理解，CMM可以另选地根据从现有技术已知的任何其他类型的CMM来具体实施。使用CMM的优点是可以高精度且以自动化(受控)方式提供相对位置及其变化。

CMM可以被控制为使目标或传感器沿着已限定路径移动。CMM可以被移动1mm/s至200mm/s(特别是5mm/s或10mm/s)。

此外，还可以借助于在CMM侧上的测量探针确定固定部件(传感器或目标)的位置。由此，不需要任何另外测量装置来提供确切相对位置。另外地或另选地，可以那样确定校准部件的相对方位，并且基于此，可以限定校准测量的相对移动或位置。

在一个实施方式中，定位装置可以由相对简单的位移单元来实现，其中，可以由像激光跟踪器的另外测量装置跟踪被移动元件的运动和位置。例如可以在整个校准装备被设置在气候室(climatic chamber)内部以在校准期间保证恒定或良好限定的变化温度时使用这种系统。还可以考虑相应温度以便获得校准数据。

根据一个实施方式，可以以校准目标与三角测量传感器之间的至少两个不同距离提供测量光在校准目标的至少一部分上的掠过，并且可以在机器坐标系中确定用于至少两个不同距离中的每一个的中心点，中心点与光发射轴线和校准图案的交叉点对应。可以根据所确定的中心点拟合虚拟(激光)平面。

本发明还涉及一种用于通过使用具有特定校准图案的校准目标校准三角测量传感器(扫描仪)的控制和处理单元。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：

·接收关于角测量传感器和校准目标参照外坐标系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的图案图像位置，图案图像位置提供与校准图案(31)在由扫描仪的光接收单元捕捉的图像中的位置有关的信息，

·接收参照内传感器图像坐标系的光图像位置，光图像位置提供与撞击在校准目标上的测量光在所捕捉的图像中的位置有关的信息，并且

·基于三角测量传感器和校准目标的相对位置、图案图像位置以及光图像位置获得校准数据。

应当理解，控制和处理单元及其校准功能适于基于上述方法获得校准数据。控制和处理单元可以适于控制、发起和/或分别执行如上的方法的步骤。另选地或另外地，控制和处理单元可以由三角测量传感器来提供。控制和处理单元可以适于检查相应步骤是否完成，例如，目标和传感器是否以相应关系来定位或是否发射测量光。为此，控制和处理单元可以被配置为等待确认相应方法步骤的相应输入。

此外，本发明涉及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在控制和处理单元上运行时执行、检查和/或控制至少上述方法的、以下内容的校准三角测量传感器的步骤：

·朝向校准目标引导测量光，使得测量光撞击在校准目标上，

·借助于光接收单元捕捉校准目标的图像，

·通过获得参照内传感器图像坐标系的图案图像位置并获得参照内传感器图像坐标系的光图像位置来处理所捕捉的图像，并且

计算机程序产品可以包括相应的算法，该算法允许处理所接收的数据或由三角测量传感器主动执行测量。此外，计算机程序产品还可以被配置并设置(连接)为控制CMM，以便提供传感器与目标之间的相对位置的相应变化。

本发明的另外方面涉及用于校准三角测量传感器的以下方法。三角测量传感器包括：光发射单元，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；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。

方法包括以下步骤：提供校准装备，该校准装备包括：三角测量传感器；以及校准目标，校准目标提供已限定的校准特征，并且借助于三角测量传感器参照校准目标执行校准测量。

参照外坐标系将三角测量传感器和校准目标以已限定相对位置设置在气候体积内部。气候体积可以为气候室或类似物。可以以已限定方式设置并改变封闭体积的特性(像温度或湿度)。特别地，体积可以被选择为封闭可以包括CMM等的校准装备。

朝向校准目标引导三角测量传感器的测量光，使得它撞击在校准目标上。此外，应用在气候体积中的温度的已限定变化，从而限定一组校准温度。由此，三角测量传感器在温度上的已限定校准变成可能。

至少根据一组校准温度借助于光接收单元捕捉校准目标的一组图像。例如，提供三个良好限定的校准温度，并且在各温度下捕捉相应图像。

通过参照内传感器图像坐标系获得一组相应的光图案外观(light patternappearance)来处理一组所捕捉的图像，光图案外观提供与被投射到校准目标上的光图案在所捕捉的图像中的路线和/或位置有关的信息。

基于三角测量传感器和校准目标的相对位置、一组校准温度以及一组光图案外观获得校准数据。

通过具有相应的一系列已记录光图案外观(即，所投射测量光的位置和/或方位)，可以跟踪该外观的变化，并且可以获得关于所发射测量光随着温度的漂移的信息。

特别地，测量光被发射为使得限定激光线，其中，激光线的基准方位可以被调节为与横向测量X轴平行或垂直，特别是其中，测量光被设计为激光线，并且通过发射测量光来限定激光平面。

提供为一条或更多条线(特别是激光线)形式的测量光的优点是可以通过获取所投射线的一个图像并基于如在图像中捕捉的线的位置和/或方位沿着所捕捉的线获得或计算相应距离来生成相对大量的距离数据。在具有多于一条线的图案的情况下，线优选地可以相对于彼此交叉或被定向为倾斜。

根据本发明的三角测量传感器通常可以被装配有生成光线的光源，或者更特别地被装配有被设计为提供激光线的激光源。可以通过捕捉并处理所投射线的图像沿着整条线(同时)提供到物体处的测量点的位置和/或距离测量。

在一个实施方式中，校准特征被具体实施为校准图案，并且一组所捕捉的图像的处理包括参照内传感器图像坐标系获得一组图案图像位置，图案图像位置提供与校准图案在所捕捉的图像中的位置有关的信息。校准特征可以根据以上所提及或以下所示出的图案来实现。校准图案可以被印刷到校准目标上并利用另外的照明光源来照射。

假定传感器和校准目标的相对布置恒定(校准装备可以用具有低热膨胀系数CTE的材料来建造)，则光接收单元在温度上的校准变成可能。在图像中的校准图案的位置变化的情况下，因此可以确定图像获取中的漂移。

由此，提供三角测量传感器的相机和光源的单独且独立的校准。

可以基于光图案外观和图案图像位置确定所投射光图案的方位和/或位置，特别是相对于校准目标的倾斜。这种倾斜可以通过生成校准数据来考虑。

根据本发明的另外实施方式，由校准目标的结构设计提供校准特征，其中，校准目标限定至少一个边缘。朝向校准目标引导测量光，使得光图案覆盖边缘，并且获得一组光图案外观包括确定覆盖边缘的所投射光图案的路线。换言之，校准目标由专门设计的人工制品来提供，这允许例如通过处理目标上的投射形状确定所投射测量光的高度(Z方向上的位置)和投射的倾斜。

特别地，校准目标被对齐并设计为使得校准特征提供面向三角测量传感器的平面表面，特别是其中，平面表面上的法线平行于光发射单元的光轴，平面表面相对于第二方向(Z或J)沿第一方向(X或I方向，其中，X指的是外坐标系而I指内坐标系)提供变化的宽度，特别是提供三角形状，并且一组光图案外观的确定包括：基于表面的已知宽度确定光图案在平面表面上沿第一方向(X)的扩展，并且基于所确定的宽度获得光图案在第二方向(Z)上的位置。

校准目标可以被对齐并设计为使得校准特征提供相对于三角测量传感器的至少一个倾斜表面，即，表面包括相对于传感器或相对于与测量轴线垂直的平面的已限定倾斜。一组光图案外观的确定包括：确定光图案在倾斜表面上的方位；以及基于至少所确定的光图案的方位获得用于测量光的倾斜信息。

根据本发明，可以基于光图案的方位和校准特征的确定获得所投射光图案的方位，特别是相对于校准目标的倾斜。

此外，可以基于光图案外观中的一个确定所发射测量光相对于(基准)发射轴线的偏移。

在本发明的一个实施方式中，提供多个校准目标，所述多个校准目标中的每一个具有校准特征，其中，相对于光图案外观和/或图案图像位置获取并处理与多个校准目标有关的图像数据。多个目标以更高精度和更多自由度这两者提供校准。

如已经提及的，现在换言之，可以特别是根据一组校准温度，通过确定基准特征在一组图像中的位置来确定一组相机校准参数，其中，基准特征在外坐标系中的已限定位置中被设置有已知形状和尺寸。这允许校准光接收系统。

特别地，可以基于一组所捕捉的图像通过确定校准特征在所述一组图像中的位置获得一组特征图像位置，并且可以通过对位置进行插值来获得校准数据。这使得能够提供已限定温度范围内的相应校准。

根据本发明，可以基于校准数据获得校准函数，其中，校准函数提供关于以下内容的补偿数据：光发射单元相对于光接收单元的方位；和/或作为温度的函数的、三角测量传感器与校准目标之间的距离和/或方位。这种函数可以取决于温度数据提供距离误差的连续表示。这种函数可以被实现为查找表。

热补偿(即，特别是校准函数)可以提供对激光器或照相机的任何6DOF漂移进行独立建模(即，总共12个自由度)。

可以基于校准数据确定发射测量光的倾角；倾角表示光发射轴线围绕与发射轴线正交的I轴和/或围绕与发射轴线平行的Y轴的旋转。

校准装备和/或校准目标可以由(准)热材料(例如，微晶玻璃)来建造或可以由热膨胀系数公知的材料来建造，使得可以用校准方法考虑由于温度变化而引起的人工制品的可能尺寸变化。

目标和传感器的相对位置和方位优选地在温度校准测量期间保持不变。与三角测量传感器与校准人工制品之间的基准距离(例如，在正常测量条件下测量的、到人工制品处的至少一个特定点的距离)有关的知识可以用于生成校准数据。可以使所测量位置(特别是位置的Y坐标)与基准距离有关，并且可以针对相应坐标获得与基准距离的特定偏差。

在一个实施方式中，测量光被发射为使得限定激光线，其中，激光线的基准方位与横向测量X轴(I轴)平行。另选地，可以沿一个方向由斑状激光束的1D扫描提供激光线。

可以通过沿着线重复测量多个测量点的位置来确定关于X轴和Y轴的坐标值。这意味着对于各位置，可以确定与X轴有关的坐标和与Y轴有关的坐标。

根据本发明的一个实施方式，校准数据可以包括提供一组补偿距离值的查找表或矩阵，其中，可基于已限定温度和对应指派的坐标的选择识别特定补偿距离值。换言之，通过将温度、图像坐标X值以及Y值用作输入变量，可以基于在查找表或矩阵中包括的信息获得相关补偿值。查找表可以具有有限网格间距，并且网格节点之间的值被内插为提供连续补偿函数(compensation function)。

可以通过针对至少一个温度(特别是体对于时间段期间的变化温度)插值多个测量点的所测量位置获得校准数据。相应插值允许更精确地表示参照坐标轴的路线或距离漂移。

本发明还涉及一种用于通过使用校准目标校准三角测量传感器的控制和处理单元，其中，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：

·接收关于三角测量传感器和校准目标参照外坐标系的已限定相对位置的位置信息，

·接收与气候体积的一组校准温度有关的信息，在该气候体积内，设置三角测量传感器和校准目标，

·接收参照内传感器图像坐标系的一组光图案外观，光图案外观提供与校准目标上投射的光图案在所捕捉的图像中的路线和/或位置有关的信息，并且

·基于三角测量传感器和校准目标的相对位置、一组校准温度以及一组光图案外观获得校准数据。

控制和处理单元可以适于控制、发起和/或分别执行上述方法的方法步骤。另外，控制和处理单元可以由三角测量传感器来提供。

本发明还涉及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在如之前提及的控制和处理单元上运行时执行并相应控制至少上述方法的、以下内容的校准三角测量传感器的步骤：

·在气候体积中应用温度的已限定变化，并且从而限定一组校准温度，

·至少根据一组校准温度借助于光接收单元捕捉校准目标的一组图像，

·凭借参照内传感器图像坐标系获得一组相应的光图案外观来处理一组所捕捉的图像，光图案外观提供与在校准目标上投射的光图案在所捕捉的图像中的路线和/或位置有关的信息，并且

计算机程序产品可以包括用于控制处理步骤或用于检查是否执行步骤中的任一个的相应算法。

附图说明

以下参照在附图中示意性地示出的工作示例仅用示例的方式更详细地描述或说明根据本发明的方法。具体地：

图1示出了提供根据本发明的方法的执行的结构；

图2a至图2b示出了根据本发明的光发射或照明单元的实施方式；

图3示出了根据本发明的、具有校准图案的校准目标的实施方式；

图4示出了根据本发明的、用于覆盖校准特征的所捕捉的图像的实施方式；

图5a至图5b示出了由于热影响而产生的、与测量光的发射有关的可能偏差或误差；

图6a至图6b示出了根据本发明的、具有已限定3D形状的校准目标和覆盖目标的一部分的图像的实施方式；以及

图7示出了具有三个校准目标的校准装备的实施方式。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的校准实施方式。激光三角测量传感器10被设置在坐标测量机20(CMM)的基部21上。安装单元22提供这种传感器10在CMM 20上的可再生安装。

CMM 20还包括框架结构，该框架结构具有用于提供探针或工具头25相对于基部21的移动性的门部23和Z轴柱塞(Z-ram)24。头25可以至少沿三个轴X、Y、Z移动。头和/或CMM结构还可以被设计为使得也提供头25的旋转运动。

校准目标30设置在CMM 20的头25处。由此，可以通过控制CMM 20来提供目标30相对于三角测量传感器10的运动。

通常，CMM 20和三角测量传感器10在基部21上的已知位置处的定位提供两个校准元件(传感器10和目标30)的已限定且已知的相对定位。CMM 20提供有关目标30的实际位置的坐标数据的确定。因此，例如还针对目标30的变化位置分别提供三角测量传感器10与校准目标之间的相对位置(例如，距离和/或方位)。

X、Y以及Z限定了固定到CMM的坐标系，其中，X、Y以及Z应被理解为还随着扫描仪10安装到CMM上而固定到扫描仪，以便校准。扫描仪和CMM可以分别相对于彼此校准。换言之，扫描仪本身可以限定另外的(外)测量坐标系，其中，通过利用扫描仪采取测量来相对于该另外的系确定坐标。通过了解系的相对变换，还可以以CMM坐标表达外扫描仪坐标。为了简单起见，在本申请中应用这种表达。

当然，首先，未确切知道外扫描仪坐标与CMM坐标之间的关系。这是CMM到扫描仪对齐过程所推算出的。一旦建立相应变换，则有人可以根据本发明执行校准测量。最后，校准提供从内传感器图像像素2D坐标I、J到局部外3D坐标X、Y以及Z的转换。

校准目标30可以被设计为几何和/或温度校准。它允许在目标图像中的单个2D点与对应的3D真实世界坐标之间的对应关系的直接测量。因为这种校准中的各点然后仅依赖在点的局部区域周围的少量测量，所以容易获得例如可以将小规模激光线非直和透镜失真考虑在内的高分辨率校准地图。这通过使用具有允许光图案(例如，激光线)和特征的同时测量的摄影测量特征的目标来进行。

为了从2D像素坐标向3D真实世界坐标映射校准功能，可以以细测量点间隔(例如，0.5mm至5mm)或以连续方式在整个测量平面上由运动系统(例如，如由固定坐标测量机CMM示出)平移具有光图案(激光线)被同时投射到上面的这种摄影测量点特征的单个校准目标30。如果将以可追溯方式校准的CMM 20用于该运动，则三角测量扫描仪10的绝对精确度也是可追溯且准确的。图1示出了传感器10被安装到CMM 20的台21且校准目标30被安装到运动平台25(头)的示例。

还可以颠倒设置，其中，扫描仪10可移动，并且校准目标30被固定到CMM 20的台21(未示出)。

根据实施方式，还可以由在传感器10侧上或在结构上与传感器分离的一个或更多个照明模块照射目标。

为了对摄影测量目标结构进行成像，可以有利的是照射比仅将由测量光照射的区域更宽的、摄影测量目标结构的一部分。因此，可以提供外部照明。

几何校准可以利用CMM 20的运动平台上的传感器10或校准目标30来设置，并且两个中的另一个被安装固定到例如CMM基部21。如果传感器10已经为CMM可兼容的，则可以有利的是将所述传感器安装到CMM头25，因为照明然后仅需要照射小固定目标。在校准一批中的多个传感器10时，然后可以使用标准CMM工具变换器自动交换它们。

如果三角测量传感器10不是CMM可兼容的，则可以有利的是将其安装为固定的，以简化布线并允许多传感器批量校准。在这种情况下，可能需要更多且更宽的角度照明来覆盖目标30的所有可能位置。图1中示出了具有一个三角测量传感器10的设置。

具有一系列传感器的设置可以被设置为使得传感器被定位为靠近彼此。由此，对于各扫描仪，可以在扫描期间触发两个相邻照明模块，以获得基本恒定的照明强度。

随着目标30可移动，在照明仅照亮(例如，被定心在传感器的测量光的所投射激光平面周围的)相对窄(5-10mm)区域时可以是有利的。通过将照明光垂直准直为使得所照明区域的宽度恒定，强度随着距离的下降可以被调节为线性的(而不是对于全向点源发射器为平方的)，并且由此匹配光线本身的下降。由此，所投射测量光与另外照明之间的对比度(contrast)保持恒定。另外，光学效率高于全向光的光学效率，这降低了照明模块中的热生成，该热量生成由于加热传感器10或CMM 20而可能在其他方面影响传感器10的精确度。

图2a(侧视图)和图2b(顶视图)中示出了将激光二极管73用于照明的这种模块72。应当理解，代替激光二极管，还可以设置LED或类似光源。模块72还包括用于(仅)沿一个方向准直发射测量光的圆柱透镜74，并且还可以包括像漫射器等的其他光学元件75。

除了所示实施方式之外，模块72可以具有产生更均匀强度(减少目标激光斑点)的第二漫射器。还可以采用任意数量的光源(包括仅一个源)、代替折射圆柱透镜74的圆柱菲涅尔(Fresnel)透镜以及不同的机械安装几何结构。

关于校准目标30，目标30包括已限定校准特征或图案31(图3)。

目标30可以由可以重叠在前侧和后侧上的一块玻璃来制造。目标30的前侧可以构图有由构成相应提供的校准图案31的亮区域和暗区域的薄(～1μm)铬层。所重叠玻璃面的粗糙度可以提供漫反射。暗区域可以在暴露未加工所重叠玻璃的未构图区域中获得。这由于在折射率中的空气-玻璃步骤而可以导致大约4％的反射率。

在后侧上，目标30的基板可以涂有黑涂料，该黑涂料具有与玻璃类似的折射率，由此以非常小的反射吸收光。为了避免来自后侧上的残余反射的干扰，可以使得基板足够厚，以致在目标的前侧和后侧上的激光线的图像之间没有交叠。可以对目标30的后侧进行抛光。

因以上所描述的目标构图法产生的目标30与利用体散射多孔表面的典型摄影测量目标相比的益处可以在于它可以具有非常高的平坦度、没有体散射以及亮区域与暗区域之间的非常小的深度差。

图3的校准目标30具有目标图案31应用到上面的平坦表面。该图案31具有限定空间中点的中心特征32(双环)，并且还可以具有用于例如激光线的所投射测量光的轮廓的精细特征描述的另外特征33和34以及用于辅助校准目标30相对于传感器10的手动对齐的特征35。

中心特征32允许测量特征32在传感器10的光接收单元(例如，扫描仪相机)的图像中的位置。为此，捕获并处理覆盖图案31或特别是特征32的图像(图像处理)，并且基于处理识别特征32。例如，可以由此计算已成像特征32的中心点。中心点可以表示特征在图像中的位置。

图4示出了与图3的所捕捉图像类似的、覆盖中心校准特征42的所捕捉图像。通过执行特定图像处理确定与特征42在图像中的位置有关的中心点43(基准点)(基准点图像位置)。

同时，根据已限定图案(这里为激光线)的测量激光被投射到校准目标的中心特征上。激光线44及其在所捕捉的图像40中的位置也可以通过使用图像处理来识别。可以执行激光线44的这种识别(例如，分析沿着图像轴J的像素强度或饱和度)。如图所示，可以在图像中的至少两个不同图像区域45a和45b中执行这种分析。由此且特别是通过假定激光线的投射基本为线性的，可以至少针对两个不同的水平(I)位置确定激光线的垂直位置(关于轴线J)，并且可以获得线在图像中的位置。

基于这种图像处理，可以在图像中确定所捕捉的特征42(特别是基准点)与激光线之间的偏移(O)。此外，通过将特征42的环用作基准(例如，已知特征的尺寸)，还可以确定图像的局部比例(scale)。

CMM 20还提供校准目标30在测量体积中的确切位置，并且由此提供中心特征的中心点相对于传感器10在机器坐标系中的已限定位置。这意味着限定并已知校准目标30与三角测量传感器10之间(优选地相对于Y轴)的距离。

为了校准三角测量传感器10，现在可以逐步或连续(特别是只要获取在其中基准点43与所投射激光线44一致或靠近所投射激光线44的图像即可)沿着Z轴垂直于Y轴移动校准目标30。基于目标30沿着Z轴的平移，可以获得激光平面(激光线)与基准点对应所根据的位置(机器坐标)。基于此获得校准数据。可以基于此获得外机器X、Y、Z坐标和内传感器I、J坐标之间的变换。

校准数据提供在利用传感器10测量给定距离(由CMM)的情况下检测激光线所根据的、光接收单元(关于三角测量传感器的内坐标系)的位置。

换言之，关于另选方法，可以通过取得激光线偏差被添加到的特征(该特征由运动系统给出)的3D位置来获得激光平面(激光线)上的点。这然后与同一位置处的激光线的2D图像位置相关联。这些对2D至3D点然后是用于校准模型的原始数据。

可以在校准目标30的不同Y位置处执行以上所描述的方法。对于各位置，可以生成相应校准数据。可以组合数据，并且可以获得一组全局校准数据。通过使用全局校准，可以参照内坐标系计算虚拟平面，并且由此可以为三角测量传感器10提供传感器CMM对齐。通过关于各个图像检测激光线，还可以计算激光平面。

现在参照校准目标的设计(图3)及其图案的实施方式，特征33和34具有非常薄的明亮段(例如，比相机的分辨率更窄)。通过在激光线上扫描它们(通过移动CMM)，可以以等于这些明亮段的宽度的高分辨率描述强度轮廓的特征。

当然，代替中心特征32，可以使用另选特征(像交叉、圆或点的布置)。被发现为非常有益于该应用的一种特征是环(或如图3中的双环)，因为它对梯度照明、梯度模糊、非线性图像传感器或打印具有良好的免疫力，并且还提供其直径上的准确比例基准。这些益处中的许多因以下事实而产生：以接近相同的大小沿相反方向影响环的内缘和外缘。仿真已经示出：环的位置在梯度强度、梯度模糊、强度非线性以及非对称激光切割区域的实际水平下可以以0.02像素的精确度来确定。

中心特征优选地被设计为使得可以与点特征的图像位置同时地测量激光线高度。该特征例如可以利用任何印刷技术(平版印刷、丝网印刷、喷墨等)直接印刷到跟踪目标，或者首先印刷到薄基板(例如，张贴物)，然后粘贴到目标30的表面。特征的尺寸优选地是使得它可以以合理的清晰度来成像，这意味着它在光接收单元的相机镜头的景深内。

图5a和图5b描绘了由于使用三角测量传感器10’而可能发生的误差的原理。通常，扫描仪10’硬件(例如，由于温度而产生)的变形受两个效应支配：基线B的变化(图5a)和激光器的倾斜度(pitch)α的变化(I轴周围，图5b)。由于对称性，因为剩余自由度的影响更小，所以经常可以忽略它们。

图5a示出了三角测量传感器10’的基线B的变化。传感器10’包括这里为激光器的光发射单元11和用于检测在待测物体15处的反射光的相机12。激光线13可由激光源11来发射。处于其原始位置中的激光器用附图标记11来示出。

然而，特别是由于热变化(即，变化的温度)，光源11的结构偏移ΔB可能出现，使得激光器被移位到用附图标记11’示出的位置。如果在这种偏移ΔB的情况下发射测量光13’，则参照J轴以相应偏移ΔB将激光线投射在物体15上。这意味着相机12看到根据接收方向14(即，处于物体15上的不同J位置16处)的所投射测量激光线。

如果三角测量设置被假定为恒定(即，未应用相应补偿)，则将仍然假定没有任何漂移地发射激光线。因此，原始投射平面13和接收方向14的虚拟检查点17被假设为是相关测量位置。如在图5a中看到的，分别在J轴和I轴(内图像坐标系)或XYZ轴(外坐标系)中存在真实测量位置16相对于虚拟(但假设为正确的)点17的偏差。这种误差的相应补偿提高了三角测量的可靠性和精度。

图5b示出了恒定基线B，而且示出了发射轴线由于例如热影响而产生的围绕I轴的旋转。如可以看到的，所发射激光线的方位从原始方向13到偏差方向13’的偏差可能出现。换言之，发射方向被移位角度α。因此，激光器在真实位置16处生成照明图案。在没有另外补偿的情况下，系统将假定：照明区域仅可以通过原始发射激光13和捕捉投射所根据的方向14的交叉点来提供。基于此将获得所假定测量点17。然而，正确测量点将为被照射的测量点16。再次，如果没有应用补偿，则在确定测量点的坐标时出现误差。

为了扩大测量保持精确的温度范围，根据本发明可以执行对温度的校准。

通常，因为可能难以提供在温度上精确的基准运动且因为难以在运动系统所需的较大体积上调整温度且其昂贵，所以关于固定目标进行热校准。

然而，在没有运动系统的情况下，难以跟踪扫描仪(三角测量传感器)的完全热变形。通常，因此，热校准中的人工制品是平板，并且仅补偿深度的测量误差。这种方法还经常需要在各温度变化之后的重新“赋予资格”，其中，通过从多个方向扫描例如球体来测量扫描仪相对于CMM的6DOF“位姿(pose)”。

本发明提出一种用于热校准的改进类型的校准目标，该校准目标允许完全跟踪都相对于机械参考系的线激光器的位姿以及相机位姿。由此，扫描仪可以在没有重新赋予资格的情况下在较大温度范围内保持精确。

为了描述传感器在温度上的行为的特征，可以选择温度稳定设置。由此，传感器可以被静态安装到由具有低热膨胀系数(CTE)的材料制成的夹具(包括目标和安装角)。材料例如可以为殷钢、微晶玻璃、玻璃陶瓷或具有足够低CTE的任何其他材料，使得所测量信号的所有变化可以归因于三角测量传感器本身的热漂移的任意。

另选地，可以使用具有已知热膨胀系数的设置，使得可以减去起源于夹具膨胀的所测量信号的变化，以隔离传感器本身的影响。

在目标上的激光平面的点(即，表示激光平面的位置(以及在考虑多个点时的方位)的一个点)可以通过确定相对于在一个或更多个跟踪目标上的2D点特征(如图3和图4所示)的激光线位置偏移并将该偏移加到点特征的已知3D位置(参照外坐标系)来获得(如以上已经描述的)。

另选地或另外地，通过使用具有激光线55以不同倾角碰撞三个表面51-53的、如在图6a中描绘的3D形状的校准目标50，激光平面的高度(即，激光平面沿着Z轴(或在内传感器图像坐标系中为沿着J轴)到校准目标50上的投射位置)还可以直接从中间线段的长度(即，激光线在表面52上的投射的长度)来推导出。

测量光和校准特征(目标的图案或形状)都由三角测量传感器的光接收单元来检测并记录。

图6b中例示了使用成形目标50获得所投射激光线55的Z坐标，图6b示出了表面上的线将被如何成像为三角测量传感器(扫描仪)的光接收单元(相机)的图像中的三个线段D、E、F。通过追踪各线段并拟合相应直线，可以分别精确地确定线段D与E、E与F之间的交叉点56、57。基于扫描仪的基本校准，这些图像交叉点然后可以被转换成真实世界坐标(外坐标系)和所计算的E段的宽度。如果已知3D目标50的形状，则然后可以将宽度转换成高度位置(即，参照Z轴的坐标)。此外，可以计算段D和F的交叉点，并且从此可以计算激光平面的激光倾斜角(laser pitch angle)(即，围绕I轴)。

如果使用第一方法(测量激光线相对于摄影测量特征的垂直偏移)，则校准目标不需要具有多面的形状，而是还可以为平坦的、圆柱的，或者具有允许摄影测量点特征附着到表面上并由相机进行成像的任何其他形状(例如，和图3中一样)。点还可以由摄影测量纹理和物体形状(例如，具有直线的“顶板”形状)的组合来限定，在以一角度观察直线时，限定在虚线的“v”形图像的峰顶处的点。

为了提高精度，可以在比仅在被印刷环(或其他类型的特征)内部更长的长度上测量激光线的高度。为了获得一个单值，线然后拟合到激光线55上的所有所获得点，并且最后，计算所拟合线在点特征的水平位置处的高度。

因为测量的空间分辨率对于热补偿不是必须与几何校准中一样高，所以将大的特征也将是可行的。

为了降低激光线55非常薄(即，薄于两个相机像素)时的空间像素量化的效应，有利的是朝向侧面地倾斜目标50的表面，使得所成像的线在相机图像中不是完全水平。

为了能够对点特征进行成像，可以设置照亮所有目标的第二照明源。为了避免由于彩色失真而引起的偏移，该另外照明源可以具有与扫描仪的激光器相同的波长。因此，照明优选地使用LED或激光器来取得正确的波长和窄谱，但还可以为具有合适的带通滤波器的白炽灯或弧光灯。可以存在一次照射所有目标的一个或更多个广角灯或单独照亮各目标的多个较小灯。这些照明例如可以和以图2a和图2b所示的照明一样地来构造，所述照明具有双漫射器，所述漫射器相对于彼此旋转90度，以既垂直又水平地散布光。

因为没有所涉及的运动，所以可以将各测量点划分为两个曝光(exposure)。一个仅利用被启用的测量光(激光)，并且一个仅利用广角照明。这样，特征的所有部分可以在不必去除太靠近激光线的点的情况下用于校准中。如果在场景上存在大照明差异，则甚至可以以不同曝光时间取得更多图像，使得最佳地曝光一个或更多个目标。

在目标50的所示实施方式中，这被设计为允许基线偏移与激光倾斜度变化分离。如图6a所示，目标具有平坦的中间表面52和两个倾斜的侧面51、53。校准装备被设置为使得三角测量传感器相对于目标50被安装为使得激光线55例如垂直地碰撞中间表面52。由此，在中心部52上的激光线55(沿着X轴)的长度取决于激光线的高度(沿着Z轴的位置)。

在一个实施方式中，中间表面52相对于传感器的光发射单元的光轴稍微倾斜。

通过计算在所捕捉图像中的交叉点56和57，可以在相机坐标中(即，在I轴上)并由外(真实世界)坐标中(即，在X轴上)的变换来确定E的长度(图6b)。凭借目标50的已知形状和表面51-53的尺寸并通过已知在表面52上的线的长度与其在Z方向上的相关位置之间的相关性，可以将该长度转换成Z坐标(相应地J坐标)，并且可以计算激光平面上的一个点58。另外地，计算段D和F的交叉点，并且从该交叉点59与线E之间的距离，可以计算激光倾斜角。这是因为被投射在表面51和52上的光的斜率由于激光线的倾斜(特别是围绕X轴)而变化。

因为已知校准目标50的形状和尺寸且以良好限定的方式设置传感器和目标50，所以提供坐标在内坐标系(I，J)与外坐标系(X，Y，Z)之间的变换。对特征(像所示环)使用图像处理，还可以计算变换比例。比例可以在像素坐标系(内坐标系；I，J)与外系(X，Y，Z)之间来获得，使得可以基于图像测量获得环与激光线之间的真实世界距离。

假定相机为静止的，则还可以通过测量段E相对于水平方向的角和/或点56和57的高度差来测量激光器的滚动(围绕Y轴的旋转)。由此，可以跟踪激光平面的所有相关自由度。

在单个目标的情况下，几乎不可以独立于激光平面的可能运动跟踪相机的运动。这意味着相机位置和角度必须被假定为在温度上相对于目标50固定。

作为一个备注，在具有摄影测量特征的仅一个平坦目标的情况下，不能区分激光线的漂移或倾斜，因为在平坦或浅目标上看到的效应是线在Z方向上的偏移。

然而，在如图6a所示的校准目标的情况下，可以独立于基线变化ΔB(偏移)跟踪激光倾斜。所测量的两个变量然后是中间段E的长度以及相对于中间段E的高度的段D和F的交叉点59。通过几何计算，可以将这些值转换成基线偏移和激光倾斜角α。

图7示出了根据本发明的具有三个校准目标61-63和一个三角测量传感器10”的结构。目标61-63和传感器10”设置在具有低CTE的夹具基部64上。

由此，可以从一组三个点更准确地确定激光倾斜和滚动角(例如，代替如上所述地使用交叉点59)。

为了跟踪温度上的(传感器10”)的相机运动，将所投射激光平面65上的三个点与其图像位置进行比较。通过使用与目标61-63的3D形状有关的信息将例如(针对各目标的)相应交叉点56或57的图像坐标转换到3D点或通过处理联合图案的位置来计算3D点的图像位置。

在图5a和图5b中，通过“明显点(apparent point)”17和“实际点”16标志例示比较。实际点是通过使用段B宽度计算的一个点(如以上针对单个目标设置描述的)，而明显点是通过由校准应用将点58的图像空间坐标转换到3D点而获得的点。

如果已知三个点(一个点在每个目标上)的明显点和真实点，则例如可以通过数字优化方法计算相机运动的所有六个自由度。

这里所描述的方法的目标是独立跟踪相机和激光器相对于由扫描仪10”到夹具64的安装点限定的机械(外)参考系且相对于彼此的运动。这在要使用扫描仪10”的温度范围内进行。为此，传感器10”和目标61-63的结构被设置在可控气候体积内。根据温度的、如此校准的相机和激光器的位姿然后可以用于调节第一(几何)校准模型或应用第二补偿项，使得三角测量传感器10”可以在大温度范围内精确地测量。

对于相机模块，所有六个自由度(DOF)的漂移对扫描精确度具有影响。所有六个DOF可以通过对跟踪目标61-63上的至少三个摄影测量点特征(被示出为黑色环)成像来跟踪。

对于激光模块，因为一些自由度不影响激光平面位置或方位，所以不必要跟踪它们。即，可以忽略在激光平面(X轴和Y轴)的平移和围绕激光平面法线(Z轴)的旋转。可以跟踪(平面平移和旋转中的)剩余三个自由度，并且可以通过测量激光平面中的至少三个点(一个点在一个跟踪目标61-63中的每个上)来如此。

为了提高相机位姿估计的精确度，将有利的是具有除了三个普通目标61-63之外的、另一个平面中的至少一个点特征66-68。然而，因为相机的景深通常为几毫米深，所以可能难以清晰地对平面外目标66-68进行成像。由此，这些目标应适于清晰度的缺乏，并且例如可以为如图所示实心圆。该圆可以显露为图像中的非清晰“团(blob)”，但仍然可以通过其重心精确跟踪。

当然，应当理解，目标可以提供允许确定激光线偏移和倾斜的另选形状和尺寸。目标例如可以提供平坦朝向侧面倾斜的表面。

虽然以上部分参照一些具体实施方式例示了本发明，但必须理解，可以进行实施方式的大量修改和不同特征的组合，并且不同特征可以与彼此或与从现有技术已知的三角测量或校准方法组合。

Claims

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。

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

其中，

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

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：

□应用在所述气候体积中的温度的已限定变化，并且从而限定一组校准温度，

□至少根据所述一组校准温度借助于所述光接收单元(12)捕捉所述校准目标(30、50、61、62、63)的一组图像(40)，并且

□凭借获得参照内传感器图像坐标系(I，J)的一组相应的光图案外观来处理一组所捕捉的图像(40)，所述光图案外观提供与在所述校准目标(30、50、61、62、63)上投射的所述光图案在所述所捕捉的图像中的路线和/或位置有关的信息，并且

●基于以下内容获得校准数据：

□所述一组校准温度；以及

□所述一组光图案外观。

12.根据权利要求11所述的方法，

其特征在于，

●由所述校准目标(30、50、61、62、63)的结构设计提供所述校准特征，其中，所述校准目标(30、50、61、62、63)限定至少一个边缘，

●朝向所述校准目标(30、50、61、62、63)引导所述测量光(13、13’、44、55)，使得所述光图案覆盖所述边缘，并且

●所述一组光图案外观的获得包括确定覆盖所述边缘的所投射光图案的路线。

13.根据权利要求12所述的方法，

其特征在于，

●所述校准目标(30、50、61、62、63)被对齐并设计为使得所述校准特征提供面向所述三角测量传感器(10、10’、10”)的平面表面(52)，特别是其中，所述平面表面(52)上的法线相对于所述光发射单元(11、11’)的光轴平行或倾斜，

●所述平面表面(52)相对于第二方向(Z)沿第一方向(X)提供变化的宽度，特别是提供三角形状，并且

●所述一组光图案外观的确定包括：

□基于所述宽度确定所述光图案(E)在所述平面表面(52)上沿所述第一方向(X)的扩展，

□基于所确定的宽度获得所述光图案在所述第二方向(Z)上的位置。

14.一种用于通过使用校准目标(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：

●接收与气候体积的一组校准温度有关的信息，在该气候体积内，设置所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)，

●接收参照所述内传感器图像坐标系(I，J)的一组光图案外观，所述光图案外观提供与在所述校准目标(30、50、61、62、63)上投射的光图案在所捕捉的图像中的路线和/或位置有关的信息，并且

●基于以下内容获得所述校准数据：

□所述一组校准温度；以及

□所述一组光图案外观，

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11至13或16至25中任一项的方法的步骤，和/或

15.一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14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11至13或16至25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：

●朝向校准目标(30、50、61、62、63)引导测量光(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，

●应用在所述气候体积中的温度的已限定变化，并且从而限定一组校准温度，

●至少根据所述一组校准温度借助于所述光接收单元(12)捕捉所述校准目标(30、50、61、62、63)的一组图像(40)，

●凭借获得参照所述内传感器图像坐标系(I，J)的一组相应的光图案外观来处理一组所捕捉的图像(40)，所述光图案外观提供与在所述校准目标(30、50、61、62、63)上投射的所述光图案在所捕捉的图像中的路线和/或位置有关的信息，并且

●基于以下内容获得校准数据：

□所述一组校准温度；以及

□所述一组光图案外观。

16.根据权利要求12或13所述的方法，

其特征在于，

●所述校准目标(30、50、61、62、63)被对齐并设计为使得所述校准特征提供相对于所述三角测量传感器(10、10’、10”)的至少一个倾斜表面(51、53)，并且

●所述一组光图案外观的确定包括：

□确定所述光图案(D、F)在所述倾斜表面(51、53)上的方位；以及

□基于至少所确定的所述光图案(D、F)的方位获得所述测量光(13、13’、44、55)的倾斜(α)信息。

17.根据权利要求11至13或16中任一项所述的方法，

其特征在于，

基于确定所述光图案的方位和所述校准特征的方位获得所投射光图案的方位，特别是相对于所述校准目标(30、50、61、62、63)的倾斜。

18.根据权利要求11至13或16或17中任一项所述的方法，

其特征在于，

基于所述光图案外观中的一个确定所发射的测量光(13、13’、44、55)相对于由所述校准目标(30、50、61、62、63)限定的基准点(43)的偏移。

19.根据权利要求11至13或16至18中任一项所述的方法，

其特征在于，

提供多个校准目标(30、50、61、62、63)，所述多个校准目标(30、50、61、62、63)中的每一个具有校准特征，其中，获取并处理与所述多个校准目标(30、50、61、62、63)有关的图像数据。

20.根据权利要求11至13或16至19中任一项所述的方法，

其特征在于，

特别是根据所述一组校准温度，通过确定基准特征在所述一组图像(40)中的位置，来获得一组相机校准参数，其中，

●所述基准特征在所述外坐标系(X，Y，Z)中的已限定位置中被设置有已知形状和尺寸，和/或

●所述基准特征被设置在所述校准目标(30、50、61、62、63)处或相对于所述校准目标(30、50、61、62、63)具有恒定位置来设置。

21.根据权利要求11至13或16至20中任一项所述的方法，

其特征在于，

●基于一组所捕捉的图像(40)通过确定所述校准特征在一组图像(40)中的位置获得一组特征图像位置，并且

●通过对所述位置进行插值获得所述校准数据。

22.根据权利要求11至13或16至21中任一项所述的方法，

其特征在于，

●基于所述校准数据获得校准函数，其中，所述校准函数提供关于以下内容的补偿数据：

□所述光发射单元(11、11’)相对于所述光接收单元(12)的方位；和/或

□作为温度的函数的、所述三角测量传感器(10、10’、10”)与所述校准目标(30、50、61、62、63)之间的距离和/或方位；

和/或

●基于所述校准数据确定发射所述测量光(13、13’、44、55)的倾角(α)，所述倾角(α)表示光发射轴线围绕与发射轴线正交的X轴和/或围绕与所述发射轴线平行的Y轴的旋转。

23.根据权利要求11至13或16至22中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述测量光(13、13’、44、55)被发射为使得所述光图案被提供为激光线，其中，所述激光线的基准方位与横向测量X轴平行，特别是其中，所述测量光(13、13’、44、55)被设计为激光线，并且通过所述测量光(13、13’、44、55)的发射来限定激光平面。

24.根据权利要求11至13或16至23中任一项所述的方法，

其特征在于，

●所述校准特征被具体实施为校准图案(31)，并且

●所述一组所捕捉的图像(40)的处理包括获得的参照所述内传感器图像坐标系(I,J)的一组图案图像位置，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。

25.根据权利要求24所述的方法，

其特征在于，

基于光图案外观和图案图像位置获得所投射光图案的方位和位置，特别是相对于所述校准目标(30、50、61、62、63)的倾斜。

26.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，

其特征在于，

●基于以下内容校准所述光接收单元(12)：

□所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)的已限定相对位置；以及

□所述图案图像位置，

和/或

●基于以下内容校准所述光发射单元(11,11’)：

□所述光图像位置。

27.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，

其特征在于，

控制所述定位装置，使得以已限定方式顺序或连续改变所述三角测量传感器(10、10’、10”)和所述校准目标(30、50、61、62、63)的所述相对位置并限定一组不同的相对位置，其中，所述测量光(13、13’、44、55)保持撞击在所述校准目标(30、50、61、62、63)上，特别是其中，所述位置沿与所述测量光(13、13’、44、55)的发射轴线基本正交的方向改变。

28.根据权利要求1至8或26至27中任一项所述的方法，

其特征在于，

通过特别是在与所述测量光(13、13’、44、55)的发射轴线正交的平面中提供所述校准目标(30、50、61、62、63)和所述三角测量传感器(10、10’、10”)的相对运动，来提供所述测量光(13、13’、44、55)在所述校准目标(30、50、61、62、63)的至少一部分上的掠过。

29.根据权利要求28所述的方法，

其特征在于，

●在所述校准目标(30、50、61、62、63)与所述三角测量传感器(10、10’、10”)之间的至少两个不同距离提供所述测量光(13、13’、44、55)在所述校准目标(30、50、61、62、63)的至少一部分上的所述掠过，

●在机器坐标系中确定所述至少两个不同距离中的每一个的中心点，所述中心点与光发射平面和所述校准图案(31)的所述校准目标(30、50、61、62、63)的中心垂直基准的交叉点对应，并且

●根据所确定的中心点拟合虚拟平面。