[发明专利]用于检测物体的优选结构化表面的图像的设备和方法

说明书

本发明的目标是一种物体的快速和非常精确的重构。这通过一种用于检测物体(6)的优选结构化表面的图像的设备和方法，包括用于照明所述物体(6)的至少一个图案投影单元以及用于捕捉所投影的图案的图像的至少一个成像单元(7)。所接收的一个或多个图像的时间和/或空间分析被执行以便重构该表面。所述至少一个图案投影单元被设计成使用在光栅上的光衍射生成图案。而且，所述用于检测图像的方法被表征为通过使用所捕捉图像或图像序列的时间和/或空间分析，借助于算法可以确定对应的像素，所述对应的像素连同成像功能一起允许表面点的三角测量。

本发明涉及一种具有用于照亮物体的至少一个图案投影单元以及用于捕捉所投影的图案的图像的用于至少一个成像单元来检测物体的优选结构化表面的图像的设备，其中执行所捕捉的图像或图像序列的时间和/或空间分析以便重构所述表面。

此外，本发明涉及一种用于检测物体的优选结构化表面的图像的方法，其中所述表面被至少一个图案投影单元照亮，其中所投影的图案的图像被至少一个成像单元捕捉，并且其中执行所捕捉的图像或图像序列的时间和/或空间分析以便重构所述表面。

首先提到的类型的设备和方法是从实践中知晓的且存在于不同的实施例中。

基本上，一方面，存在用于对表面形状进行三维捕捉的不同光学传感器或设备。具体而言，具有活动图案投影的传感器在此起到核心的作用，因为利用这些传感器可能实现在几个微米(μm)的范围内的高度分辨率。典型的且经证实的方案是带状投影方法—确定性的图案序列—以及统计图案序列的投影。这些方案与是否进行了线性或平面投影无关。

光学3-D传感器的其它方案基于运行时方法，例如在飞行时间相机或静态图案投影中的光子混合检测器(PMD传感器)，静态图案投影例如来自PrimeSense公司的光编码技术、来自Ensenso公司的人造纹理的投影，它们可以部分提供非常快速的3-D数据但与具有活动图案投影的3-D传感器相比在分辨率和精确度方面存在缺陷。

根据活动图案投影的原理的光学传感器由一个或多个图案投影单元以及一个或多个成像单元构成。图案投影单元，就它而言，由至少一个光源、适当适配的照明透镜、光调制器(例如显示器)以及投影透镜构成。

当前的发展是例如具有结构化照明的3-D线传感器(马德宝/NB大学；DE 10 2013212 409 A1)以及基于具有激光散斑的随机图案投影的3-D传感器(Jena大学；DE 10 2012002 161 A1)。

使用相位分析方法或时间相关性方法来从对所投影的图案的捕捉中计算出表面形状。

为了实现高测量精确度以及所测量的结果的无歧义性，通常4到10个个体图案的图案序列对于3-D图像是必须的，由此得到相对长的图像捕捉时间。在该时间期间，在采用平面投影的传感器的情况下，不会有传感器相对于表面的移动发生。在采用线性投影的传感器的情况下，可以根据传感器在表面上的移动来构成该表面。

在光学传感器中的图像捕捉的时间一方面取决于投影速度和成像单元的速度，另一方面取决于可以经由图案投影单元被带到要被测量的物体上且可以以可使用方式被再次带入到成像单元中的光量。成像单元的敏感度在此也起着重要的作用。

然而，当可以在成像单元中实现相对高的成像速度(线性相机高至数百kHz，矩阵相机高至数百Hz)的同时，通常使用的投影单元则被限制于至多1900Hz的速度(DMD，数字微镜设备)。对于二元图案的投影，例如来自德州仪器(Texas Instruments)的DMD确实实现了高至32kHz二元的图像饱和频率，参见数据表TI DLP7000–0.7 2x LVDS类型-A DMD。然而，由于例如正弦带状图案的投影要求非二元灰度值，因此可实现的图像变化频率因为用于随后必需的图像的表示的脉宽调制而被显著降低。

高照明强度的必需性也限制了光学传感器的图像捕捉速度。原则上，LED可以以高周期率被切换；然而，考虑到因而将非常短的照明时间，对于检测用于捕捉图像的充足的光来说，所使用的成像单元大多太不敏感。