本發(fā)明涉及具有用于非接觸式測量的掃描系統(tǒng)的車輛裝備。

背景技術：

車輛裝備是指適配為對車輛或者陸地車輛的部件進行測量或者執(zhí)行維修操作(例如，車輪定位、車輛檢查、輪胎撤換、車輪平衡)的設備或者發(fā)動機診斷設備、升降機或者這些的組合。

非接觸式3D結(jié)構光掃描系統(tǒng)在車輛裝備領域中是眾所周知的。

例如在US2013271574中已知的這種掃描系統(tǒng)包括：投影儀，設置為將具有圖案(例如亮點)的結(jié)構光投射到測量對象上；一個或多個攝像機，設置為布置投射在測量對象上的圖案；處理單元，用于處理通過攝像機獲取的圖像以進行測量對象3D重建。

這種掃描系統(tǒng)用于車輛的部件(例如車輪，或者車體的部件)、或者其他車輛裝備的移動部件(例如輪胎撤換臂或者升降機)、或者操作員的身體的部分的3D重建，以識別它們的控制。

通過將照相機獲取的的測量對象(結(jié)構光投射其上)的圖像彼此進行比較、并且可能還將先前加載到處理單元的存儲器中的圖案的幾何結(jié)構與所述圖像進行比較，處理單元執(zhí)行3D掃描。在僅具有一個照相機的設備中，圖案的幾何結(jié)構的所述比較是必要的；在具有超過一個照相機的設備中，該比較是可選的。

投影儀優(yōu)選使用激光源，因為相對于諸如LED或者白熾燈的其他來源，激光源是相干的并因此允許采用衍射光學元件(DOE)以便宜且有效地生成圖案，激光源具有窄的發(fā)射帶并因此允許攝像機使用窄帶濾波器改善環(huán)境照明抑制，激光源具有小的發(fā)射區(qū)域并因此允許光功率集中到小點因此允許增加圖案的分辯率和3D重建。

激光源通常由橫向發(fā)射二極管構成，然而，客觀地，橫向發(fā)射二極管具有一系列缺點。

首先，橫向發(fā)射二極管的成本與環(huán)境干擾抑制比高。事實上，如果光功率增加并且均勻分布，那么環(huán)境干擾的抑制增加，但是成本隨著光功率增加并且隨著用于增加光功率的相同的成本的增加，波束的質(zhì)量降低由此光功率分布的均勻性降低。為此，在車輛裝備領域，當前使用具有有限光功率的橫向發(fā)射二極管。

第二，橫向發(fā)射二極管具有低的最高操作溫度以及波長對溫度的高靈敏度，使得必須使二極管連接至復雜且成本高的熱電致冷器(TEC)。

第三，如果橫向發(fā)射二極管與DOE結(jié)合使用，需要復雜且成本高的投影系統(tǒng)來減少非衍射激光束(零階)，可能逆激活(retro-activated)，以驗證正確操作，從而滿足安全要求(參見例如EP2475956)。

第四，橫向發(fā)射二極管降低了嚴重故障的可靠性(尤其在灰塵的情況下)。

因此，本發(fā)明的技術任務提供了排除現(xiàn)有技術的上述技術缺點的具有用于非接觸式測量的掃描系統(tǒng)的車輛裝備。

技術實現(xiàn)要素：

在該技術任務的范圍內(nèi)，本發(fā)明的目的是提供用于非接觸式測量的掃描系統(tǒng)的車輛裝備，該掃描系統(tǒng)具有利用較小成本提高了測量對象的3D重建的精確度。

通過以下技術方案實現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的技術任務以及這些及其他目的：提供包括用于非接觸式測量的掃描系統(tǒng)的車輛裝備，該測量系統(tǒng)包括至少一個投影儀，布置為至少用于將具有圖案的結(jié)構光投射在在待測量的對象上；至少一個攝像機，布置為用于獲取待測量的對象的圖像；處理單元，用于為了待測量對象的三維重建處理獲取的圖像，其特征在于，所述投影儀包括集成到單塊基板中的發(fā)射器的至少一個陣列。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，發(fā)射器是配置為在與發(fā)射器所在的平面正交的方向上發(fā)射輻射的激光器(VCSEL)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述發(fā)射器的陣列包括用于發(fā)射平行于激光二極管所在的平面的輻射的激光二極管的陣列，激光二極管的陣列與和激光二極管對齊的反射鏡協(xié)作以在與激光二極管所在平面正交的方向上重定向所發(fā)射的輻射。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，發(fā)射器的總光功率不少于1瓦。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，根據(jù)投射角(W/srad)的圖案的強度隨著在投射的零位偏角范圍內(nèi)的投射角增加。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，投影儀的最大投射角不小于80°。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，提供了至少兩個攝像機。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，投影儀包括被配置為防止人眼進入的保護裝置。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，提供的均勻光產(chǎn)生裝置包括與結(jié)構光投影儀獨立的、用于投射均勻光的投影儀和/或布置為將結(jié)構光轉(zhuǎn)換為均勻光、在編程模式下可激活的擴散器。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，提供了倍增裝置，該倍增裝置用于倍增集成到單塊基板中的發(fā)射器的陣列的圖像或者圖像的部分。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，倍增裝置包括衍射光學元件(DOE)和/或微透鏡的陣列和/或反射表面。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，提供了移動裝置用于移動所述投影儀。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，提供了用于耗散由所述發(fā)射器的陣列產(chǎn)生的熱功率的耗散裝置。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，車輛裝備用于測量車輪定位裝置中的車輪的特征尺寸和角度、車輛的轉(zhuǎn)向和底盤。

附圖說明

本發(fā)明的進一步特征和優(yōu)點將更全面地從根據(jù)本發(fā)明的具有用于非接觸式測量的掃描系統(tǒng)的車輛裝備的優(yōu)選的而不是排他的實施方式的描述顯露出來，通過附圖中的非限制性實例的方式圖示本發(fā)明，其中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的具有兩個攝像機的掃描系統(tǒng)；

圖2a示出倍增裝置的第一實施方式；

圖2b示出倍增裝置的第二實施方式；

圖2c示出倍增裝置的第三實施方式；

圖3a示出均勻光產(chǎn)生裝置的第一實施方式；

圖3b示出均勻光產(chǎn)生裝置的第二實施方式；

圖4示出發(fā)射器的陣列的正視圖；

圖5a示出用于人眼的保護裝置的第一實施方式；

圖5b示出用于人眼的保護裝置的第二實施方式；以及

圖6示出發(fā)射器的陣列的圖像的周期復制品中的四個，其中，發(fā)射器的陣列的周期復制品中的四個與圖像的其他復制品結(jié)合形成亮點的圖案，該亮點是圖像倍增裝置(包括例如DOE)生成的。

具體實施方式

參考提到的附圖，車輛裝備包括非接觸式測量的3D掃描系統(tǒng)1，該非接觸式測量的3D掃描系統(tǒng)1裝備有投影儀2、兩個攝像機3和處理單元(未示出)。

投影儀2布置為在待測量對象4(在圖示的示例中，包括例如車輪)上投射具有圖案的結(jié)構光。

圖案5可以由例如周期或者非周期分布的圓點、線條或者2D圖形組成。圖6中示出的示例包括亮點5a的分配區(qū)，5°投射區(qū)的子集內(nèi)優(yōu)選地包括至少16個任意的圓點，如復制區(qū)5'、5”、5”示例所描述地周期地復制以平鋪整個投射區(qū)。

攝像機3設置為用于獲取待測量對象4的圖像。

用于處理獲取的圖像的處理單元設置為用于待測量對象4的3D重建。

有利地，為了改善待測量對象4的3D重建的精確度，掃描系統(tǒng)1正對著兩個攝像機3，因此圖案的幾何結(jié)構不需要預先知道，并且隨著時間的過去例如由于熱、機械或者光學原因，避免了因推導該幾何結(jié)構而導致的測量不準確。

投影儀2包括微型激光器發(fā)射器6的陣列，其中，微型激光器發(fā)射器6的陣列是對單塊基板7(尤其GaAs)進行半導體處理生成的，單獨的微型激光器之間的距離通常大約數(shù)十μm并且波長優(yōu)選地包括在800nm與860nm之間，以生產(chǎn)用于可見光譜的便宜的傳感器。這種類型結(jié)構在行業(yè)中通過縮略詞VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)而眾所周知。

發(fā)射器6的陣列優(yōu)選地包括在至少1mm²面積中的至少500個發(fā)射器，和至少1W的總光功率，但是總光功率可以超過10W。

如此構造的發(fā)射器6的陣列不易受嚴重故障的影響并且實際上對灰塵不敏感。

此外，激光發(fā)射器6相對于橫向發(fā)射二極管其成本與光功率比較低，并且可以在高操作溫度下操作，通常高達80℃保持波長對溫度的低靈敏度(通常0.07nm/℃)，使TEC不必要。

有利地，為了使3D重建場最大化，投影儀2具有至少80°的最大投射角。

投射角是指光線相對于與發(fā)射器6所在平面正交方向形成的θ角的值的雙倍。有利地，為了獲得圖案在投射軸線的垂直面上的均勻的輻射度，投影儀2的光學器件利用被稱為“蝙蝠翼”(l/cos^Λ2(θ))(即，圍繞投射的零位偏角增加)的圖案調(diào)制圖案的輻射強度(W/srad)。

有利地，為了減少在靜態(tài)圖案的情況下出現(xiàn)的系統(tǒng)測量錯誤，掃描系統(tǒng)1重復測量(每次改變投射的圖案5)并且最終解調(diào)結(jié)果。

使用投影儀的機械運動系統(tǒng)可以使圖案5在攝像機3的兩個顯示器之間的間隔進行變化。

相對于可以以經(jīng)濟上可接受的方式設置在單塊基板上用于應用的發(fā)射器的數(shù)量，圖案的圓點數(shù)量(用于細致重建對象而在對象上的充足的圓點密度所需的)可能很高(越過10,000)。

因此，有利地，為了生成具有高數(shù)量圓點的圖案而不影響投影儀的成本，掃描系統(tǒng)1正對著倍增裝置用于倍增發(fā)射器6的陣列的圖像或者圖像的部分，所述裝置例如包括DOE和/或顯微透鏡的陣列和/或反射表面。

參考圖2a，倍增裝置包括，舉例來說，插入在基板7與DOE 9之間的透鏡8：透鏡8在投影面上產(chǎn)生發(fā)射器6的圖像并且DOE 9通過利用這樣一個圖像的復制品平鋪投影面倍增圖像。

參考圖2b，倍增裝置包括，舉例來說，插入在基板7與透鏡11之間的微透鏡10的陣列：每個微透鏡10產(chǎn)生面對該微透鏡的有源發(fā)射器6的圖像并且透鏡11在投影面上產(chǎn)生這種圖像的圖像。

參考圖2c，倍增裝置包括，舉例來說，鏡子12，尤其棱鏡或者具有鏡面壁的中空管，和透鏡13：通過有源發(fā)射器6發(fā)出的輻射通過鏡子12反射產(chǎn)生萬花筒效果并且透鏡13使所產(chǎn)生的圖像集中在投影面上。

有利地，為了允許處理單元識別對象的高對比度邊緣(例如車輪的輪緣和輪胎之間的邊緣)，用于處理以支持3D重建，例如，用于識別測量目標，掃描系統(tǒng)1具有均勻光產(chǎn)生裝置。

均勻光產(chǎn)生裝置，如在圖3a中所示，可以包括獨立于結(jié)構光投影儀2用于投射均勻光的投影儀14。

如在圖3b中所示，可替換地，均勻光產(chǎn)生裝置可包括光學元件15，該光學元件15的特征在于其可編程為從透射模式切換至漫射模式(可切換的擴散器)，以允許當切換至透射模式時的結(jié)構光的投射或者當切換至漫射模式時的均勻光的投射。

如在圖3c中所示，可替換地，均勻光產(chǎn)生裝置可包括編程模式的可變焦透鏡，以允許當圖案集中在投影面上時結(jié)構光的投射或者當圖案離焦時均勻光的投射。

可替換地，均勻光產(chǎn)生裝置可以包括用于在攝像機的獲取時間期間移動投影儀的裝置。

因為提到的發(fā)射器6的陣列的總光功率可以達到高值，甚至超過10W，有利地，設置保護裝置17a、17b，該保護裝置17a、17b被配置為例如，通過圖5a的漏斗狀凹槽17a或者圖5b的窗口17b防止人眼進入投影儀2附近可能處于暴露于輻射的危險的區(qū)域，以分類為低輻射暴露風險類別。

然而，必須注意到，雖然發(fā)射器6的陣列的總光功率可以假定高值，但是單獨的發(fā)射器6功率低并且因此，當它們與DOE結(jié)合使用時，不需要用于降低非衍射光波束(零階)的功率的系統(tǒng)。

考慮到指示的參考值(其在車輛裝備的專門應用領域是理想的)高于發(fā)射器6的陣列產(chǎn)生的總光功率，還可以設置用于耗散發(fā)射器6的陣列在其正常操作中產(chǎn)生的熱功率的專門耗散裝置。

包括本文中設想的用于非接觸式測量的掃描系統(tǒng)的車輛裝備可以進行多種變型和變化，所有變型和變化落入本發(fā)明原理的范圍內(nèi)；而且，所有細節(jié)可由技術上等效元件替換。

例如，本發(fā)明的可能實施方式中的發(fā)射器的陣列包括激光二極管的陣列或由激光二極管的陣列組成，其中激光二極管的陣列發(fā)射的輻射平行于它們所在的平面，該激光二極管的陣列與反射鏡(與激光二極管對齊)協(xié)作以在與激光二極管所在平面正交的方向上重定向所發(fā)射的輻射。