颜色编码的三角测量中的动态增加

摘要

公开了一种通过使用匹配的窄带滤色器在颜色编码的三角测量中增加动态的装置。滤色器的谱通过范围与照相机传感器的敏感谱范围重叠。然而，与照相机传感器的敏感谱范围相比，谱通过范围不连续，从而以唯一的方式识别透过的颜色。

说明书

技术领域

本发明涉及一种借助颜色编码的三角测量来测量对象表面的装置。

背景技术

在许多方面使用光学三角测量法，以便无接触地测量三维对象的表面或者整体几何形状。一般来说，三角测量是通过三角形内部的角度测量进行光学测距的几何方法。在此，借助三角函数进行计算。通常，被动和主动三角测量方法是不同的。与被动方法相比，主动方法具有投射器单元，其向对象的表面投射结构化的光。投射器单元可以是投影仪或者激光器或激光二极管。根据现有技术，向待测量对象的表面投射光。随后，在固定的角度、即三角测量角度下借助照相机记录并分析散射光。从光源到照相机的连接线以及从和到待测量对象的两个光线形成一个三角形，从而在已知光源和照相机的距离并且已知光线方向的情况下，可以确定照相机和对象的距离。

在借助颜色编码的三角测量的三维测量中，一般在预先给定的光线方向下向待测量对象投射例如借助幻灯片(Dia)产生的、由色带构成的图案(Muster)。有利的是，投射器中的空间位置在对象表面上以颜色编码的方式显示。随后，在固定的角度下借助照相机对彩色散射光进行分析。由于对象表面曲折的形状，色带经历与位置有关的相位偏移，根据其最终可以确定表面的形状。然而，散射光的图像中的色带经受亮度调制，该亮度调制由对象表面上的局部地与颜色有关的吸收和反射得到。此外，总是出现与环境的通常是彩色的光的重叠。因此，例如其可能在图像中导致颜色在颜色空间中的偏移，或者现在由于亮度的损失而使得难以识别各个颜色。根据现有技术，寻求利用HDR照相机对这种动态损失进行补偿。然而，特别地对于医疗应用，迄今为止由于快速的对象移动而无法使用这种技术。

在照相机侧，根据现有技术，使用在前面连接有拜尔传感器(Bayer-Sensor)的图像传感器。在此，拜尔传感器具有通常位于蓝色、绿色和红色中的三个敏感谱范围。因此，对象表面的图像的彩色光可以在其到达照相机的图像传感器的光敏表面之前根据颜色进行谱过滤。然而，该装置对于确定颜色而言非常不准确，因为众所周知在拜尔传感器的情况下可能出现颜色的串扰。代替具有拜尔传感器的照相机，还可以使用颜色分离相对稍好的3芯片照相机(3-Chip-Kamera)。其结果是，颜色的不清晰的选择或分离导致确定待测量对象的三维形状时的测量偏差。例如，在投影红色带时，由于拜尔传感器的敏感范围的重叠，还可能形成绿色信号。在具有高对比度动态的对象表面的情况下，这导致对带的颜色的评估错误，由此导致缺少可能必须通过不同三角测量角度下的多次扫描补足的表面区域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于进行三角测量的装置，其使得能够在分析投投射到待测量对象的表面上的颜色图案的图像时，鲁棒地分离谱范围。

上述技术问题通过具有独立权利要求的特征的装置来解决。在其从属权利要求中，给出了本发明的有利构造和扩展方案。

根据本发明的装置包括投射器单元和至少一个具有照相机传感器的照相机，其中，投射器单元向待测量对象的表面投射颜色图案。照相机用于记录投影到表面上的颜色图案的图像。照相机传感器在第一谱范围中、在至少一个第二谱范围和第三谱范围中对于光是透明或敏感的，其中，将敏感的谱范围按照增大的波长进行排列。此外，该装置包括滤色器，其在第一谱通过范围中、在至少一个第二谱通过范围和第三谱通过范围中是透明的，其中，滤色器的各个谱通过范围成对地不连续。第一谱通过范围的上边缘波长位于照相机传感器的第一敏感谱范围中。至少一个第二谱通过范围的上边缘波长和下边缘波长位于照相机传感器的第二敏感谱范围中，并且第三谱通过范围的下边缘波长位于照相机传感器的第三敏感谱范围中。

照相机传感器可以具有多个第二敏感谱范围。滤色器也可以包括多个第二通过范围。在此，第二通过范围的上和下边缘波长分别位于照相机传感器的第二谱范围中的一个中。适宜的是，照相机传感器具有4个敏感谱范围，从而存在两个第二谱范围。由此，这两个第二谱范围在光谱上位于照相机传感器的第一和第三谱范围之间。

在一个有利的构造中，将滤色器安装为使得表面的图像的彩色光首先通过滤色器，随后通过照相机传感器、特别是拜尔传感器。

在一个特别有利的构造中，将滤色器集成在拜尔传感器的棋盘状的颜色图案中。滤色器具有至少三个成对地不连续的谱通过范围，其优选位于绿色、蓝色和红色光谱中。有利的是，将谱通过范围构成为具有高边缘陡度的窄带。

滤色器的通过范围应当被理解为通过上和下边缘波长限界的谱范围。上和下边缘波长是滤色器的透射率相应地下降到最大透射率的一半的波长。在此，下边缘波长具有比上边缘波长小的波长。滤色器的通过范围一般也称为半值宽度(Halbwertsbreite)。

有利地可以经由通过范围的边缘波长的、相对于照相机传感器的敏感谱范围的谱位置，将透射的图像的颜色鲁棒地与谱通过范围、由此唯一地与照相机传感器的敏感谱范围相关联。特别有利的是，由此能够避免利用照相机记录时的颜色的串扰，从而提高测量精度以及增加动态范围。适宜的是，通过使用滤色器，在记录时不考虑在照相机传感器中重叠的波长范围。例如，由此能够将原色蓝色、绿色和红色以及次色、例如青色、品红色和白色很好地分离。在滤色器的谱通过范围之外的范围内，适宜的是将其透射率限制到至少3％。特别适宜的是，将透射率限制到小于等于1％。

在一个有利的构造中，对置的边缘波长的谱距离可以是至少10nm。由此实现高的光效率。特别有利的是30nm。由此获得良好的谱分离，从而能够鲁棒地识别或分离颜色。

一个有利构造使用第一谱通过范围位于480nm以下的蓝色光谱范围中、至少一个第二谱通过范围位于520nm和565nm之间的绿色中以及第三谱通过范围位于600nm以上的红色光谱中的滤色器。由此，对置的边缘波长的谱距离大于30nm，从而实现颜色的唯一对应。此外，通过范围分别位于典型的照相机传感器的敏感谱范围内。由此，滤色器的谱通过范围匹配于一般的照相机传感器、特别是一般的拜尔传感器。有利的是，组合的滤色器和照相机传感器像具有唯一地分离的敏感谱范围的优化照相机传感器一样起作用。特别有利的是，不考虑在一般的照相机传感器中、例如在3芯片照相机中重叠的波长范围。由此颜色的识别可靠性提高。

在一个有利构造中，照相机包括滤色器，从而特别地图像的光首先通过滤色器，随后通过照相机传感器。在一个特别有利的构造中，滤色器匹配于拜尔传感器的棋盘状的彩色图案并且集成在其中。也可以将滤色器集成在普通的照相机传感器中。由此，滤色器和照相机传感器形成有效的窄带照相机传感器或有效的窄带拜尔传感器。由此，颜色的识别可靠性、因此测量精度提高。

在一个有利构造中，投射器单元包括滤色器。由此，从投射器单元发出的光可以在到达待测量对象的表面之前在光谱方面被预处理。

滤色器优选可以在投射器单元中安装在光源和具有颜色图案的幻灯片之间。由此，光源的光在具有颜色图案的幻灯片之前已经在光谱方面被预处理，从而能够通过照相机传感器对颜色进行鲁棒的对应。在一个特别有利的构造中，在照相机的壳体内部安装第二滤色器，从而在对对象投射颜色图案之前，并且在利用照相机检测图像之前，分别对颜色进行过滤。由此避免彩色环境光对颜色的识别可靠性的影响。

投射器单元的光源可以被构造为具有至少一个激光器的激光光源。在一个有利构造中，激光的波长位于滤色器的谱通过范围中。由此，滤色器在对颜色的鲁棒性的谱分离中得到支持。

投射器单元的光源可以包括波长位于蓝色、绿色和红色光谱中的三个激光光源。优选蓝色激光源的波长位于滤色器的第一谱通过范围内，绿色激光光源的波长位于第二谱通过范围内，并且红色激光源的波长位于第三谱通过范围内。由此，滤色器在对颜色的鲁棒性的谱分离中得到支持。

投射器单元可以被构造为DLP投射器。在一个有利构造中，存在于DLP投射器中的色盘被滤色器适宜地代替或集成在已有的色盘中。由此限制在投射中使用的颜色的谱，从而在利用照相机分析图像时，能够将颜色鲁棒地对应。

附图说明

下面参考附图根据三个优选实施例描述本发明，在附图中：

图1示出了拜尔传感器的敏感谱范围和滤色器的谱通过范围，

图2示出了颜色编码的三角测量的第一实施方式，其中，滤色器安装在照相机的壳体中，

图3示出了颜色编码的三角测量的第二实施方式，其中，滤色器安装在投射器单元内部。

具体实施方式

图1示出了谱，其示出了典型的拜尔传感器10的第一、第二和第三敏感谱范围12、14、16的谱位置以及滤色器18的第一、第二和第三通过范围20、22、24。拜尔传感器10的敏感谱范围12、14、16作为实线示出，而滤色器18的谱通过范围20、22、24作为虚线以矩形示出。横轴36以nm为单位给出波长。纵轴38以％为单位给出拜尔传感器10和滤色器18的透射率。在该实施例中，拜尔传感器10的第一敏感谱范围12位于蓝色光谱中，第二敏感谱范围14位于绿色光谱中，并且第三敏感谱范围16位于红色光谱中。滤色器18的第一、第二和第三谱通过范围20、22、24同样位于蓝色、绿色和红色光谱中。根据本发明，第一谱通过范围20的上边缘波长26位于拜尔传感器10的第一敏感谱范围12内。第二谱通过范围22的上和下边缘波长28、30位于拜尔传感器10的第二敏感谱范围14内。第三通过范围24的下边缘波长32位于拜尔传感器10的第三敏感谱范围16内。例如，第一谱通过范围20的上边缘波长26位于460nm附近。然后，第二谱通过范围22的下和上边缘波长28、30优选位于520nm或560nm附近，并且第三谱通过范围24的下边缘波长32位于610nm附近。由此，滤色器18的谱通过范围20、22、24不连续，并且还具有在该示例中为60nm和50nm的谱距离。因此，例如当光通过滤色器18时，由此保证颜色的鲁棒的识别可靠性。此外，可以将透过滤色器18的颜色唯一地与拜尔传感器10的敏感谱范围12、14、16相对应。特别地，在这种意义上滤色器18匹配于拜尔传感器10。

图2示出了用于待测量对象2的颜色编码的三角测量的第一装置1。该装置包括具有光源34和幻灯片6的投射器单元4。光源34例如是白光灯，由此包含光谱的所有颜色。特别是蓝色、绿色和红色，其优选以相等的份额存在。幻灯片6具有颜色图案，其优选由蓝色、绿色和红色色带构成。此外，装置1包括具有照相机传感器10、特别是具有拜尔传感器的照相机8。滤色器18例如安装在照相机壳体内部，并且相对于第二光线方向42位于照相机传感器10前面。投射器单元4沿着第一光线方向40向待测量对象2的表面投射通过幻灯片6产生的色带。沿着第二光线方向42散射的对象表面的图像的光由照相机8记录，之后通过滤色器18，并且到达照相机传感器10。由此，对象表面的图像的光在被照相机8记录之前被划分到三个能唯一地关联的谱范围中，其中，这些被对应的谱范围相应于滤色器18的谱通过范围20、22、24。

图3示出了用于待测量对象2的颜色编码的三角测量的第二装置1。图2包含与图3相同的元素，其设置有相同的附图标记。与图2不同，在图3中，滤色器18被安装在投射器单元4内部在光源34和幻灯片6之间。由此，滤色器18相对于第一光线方向40位于光源18前面和幻灯片6后面。由此，从光源34沿着第一光线方向40发出的光根据滤色器18的谱通过范围20、22、24在投射色带之前已经在光谱方面被预处理。