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专利名称：图像测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及供在室内布局测量或例如建筑构造等的现场的测量中使用的图像测量系统。
背景技术：
作为执行预定目标区域中的测量或要测量对象的测量、目标区域的图像获取或要测量对象的图像获取以及测量结果和图像的关联的系统，存在图像总站或3D图像扫描仪。虽然图像总站图像全站仪具有独有的距离测量功能和角度测量功能且能够将距离测量和角度测量数据叠加在获取的图像上，但全站仪的结构是基本的，并且该结构是复杂的，例如全站仪具有垂直旋转轴或水平旋转轴，并且要求角度检测器，其检测垂直旋转轴和水平旋转轴等的旋转角度，因此全站仪是昂贵的设备。此外，虽然3D图像扫描仪能够瞬时地测量点的距离，但3D激光扫描仪要求发射例如脉冲激光束等的特殊光源，还像全站仪一样要求垂直旋转轴和水平旋转轴，具有复杂的结构，并且具有维护或校准被复杂化的问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种图像测量系统，其具有简单的结构且使得能够容易地获取目标区域或要测量对象的图像并测量目标区域。根据本发明的图像测量系统包括投射光学系统，其具有光投射光轴和用于发射照明光的光源，并通过光投射光轴来投射照明光、光检测光学系统，其具有光检测光轴和图像拾取元件，并由图像拾取元件通过光检测光轴从要测量对象接收回射光、以及用于处理由图像拾取元件获取的数据的控制算术设备，并且在图像测量系统中，投射光学系统包括用于将光投射光轴朝着要测量对象指引并投射照明光的光投射单元、用于使光投射单元沿着高度(elevating)方向和水平方向旋转并用于改变照明光的投射角的投射角改变装置、以及用于检测光投射光轴相对于光检测光轴的方向角的方向检测装置。此外，在根据本发明的图像测量系统中，控制算术设备获取照射点作为照射到要测量对象的照明光的图像以及图像拾取区域的图像，并且以照射点作为参考使图像拾取区域的多个图像部分地重叠并相连。此外，在根据本发明的图像测量系统中，控制算术设备使图像拾取区域的多个图像部分地重叠和相连，并且用于使图像拾取区域的多个图像重叠的参考是从图像拾取区域的图像提取的特征点。此外，在根据本发明的图像测量系统中，该图像拾取元件是范围图像传感器，并且该范围图像传感器获取要测量对象的图像和要测量对象的三维度量。此外，在根据本发明的图像测量系统中，图像拾取元件是像素的聚合体，并且投射角改变装置依照像素的节距来改变光投射光轴的方向。此外，在根据本发明的图像测量系统中，光源是半导体激光器，并且该半导体激光器被配置成在驱动电流不高于阈值值且不低于该阈值值的情况下发射光。此外，在根据本发明的图像测量系统中，方向检测装置包括用于从照明光划分一部分的光学构件和用于接收被引导至光学构件的划分光的象限元件(quadrant eIement)。此外，在根据本发明的图像测量系统中，方向检测装置包括用于从照明光划分一部分的光学构件和用于接收被引导至光学构件的划分光的轮廓传感器。此外，在根据本发明的图像测量系统中，光投射单元具有聚焦功能。此外，在根据本发明的图像测量系统中，半导体激光器被配置成从而使得在驱动电流不高于阈值值的情况下发射光并照射广泛的范围，并且在由图像拾取元件捕捉到要测量对象之后，半导体激光器被配置成从而使得在驱动电流不低于阈值值的情况下发射光并照射要测量对象的必需点。此外，在根据本发明的图像测量系统中，光投射单元具有用于扩展照明光的光通量的光通量直径扩展装置。此外，在根据本发明的图像测量系统中，投射单元被配置成从而使得由光通量直径扩展装置来扩展光通量并照射广泛的范围，以及由图像拾取元件进行要测量对象的捕捉，投射单元被配置成使光通量收缩并照射要测量对象的必需点。此外，在根据本发明的图像测量系统中，光通量直径扩展装置是扩散器，其被提供从而使得可插入光投射光轴或可从其中去除。此外，在根据本发明的图像测量系统中，光检测光学系统具有增加光检测放大率的功率变化功能。根据本发明，所述图像测量系统包括具有光投射光轴和用于发射照明光的光源并通过光投射光轴投射照明光的投射光学系统、具有光检测光轴和图像拾取元件并通过光检测光轴由图像拾取元件从要测量对象接收回射光的光检测光学系统、以及用于处理由图像拾取元件获取的数据的控制算术设备，并且在图像测量系统中，投射光学系统包括用于朝着要测量对象指引光投射光轴并投射照明光的光投射单元、用于使光投射单元沿着高度方向和水平方向旋转并改变照明光的投射角的投射角改变装置、以及用于检测光投射光轴相对于光检测光轴的方向角的方向检测装置。结果，可以用照明光来照射由光检测光学系统获取的图像拾取区域中的任意点，并且可以由方向检测装置或基于照射点图像在图像拾取元件上的位置来测量照射点的方向角。此外，根据本发明，在图像测量系统中，控制算术设备获取照射点作为照射到要测量对象的照明光的图像以及图像拾取区域的图像，并且以照射点作为参考使图像拾取区域的多个图像部分地重叠并相连。结果，图像拾取区域的图像使得能够在更广泛的范围内执行测量。此外，根据本发明，在图像测量系统中，图像拾取元件是范围图像传感器，并且该范围图像传感器获取要测量对象的图像和要测量对象的三维度量。结果，可以容易地获取具有三维数据的图像。此外，根据本发明，在图像测量系统中，图像拾取元件是像素的聚合体，并且投射角改变装置依照像素的节距来改变光投射光轴的方向。结果，可以改善角分辨能力。此外，根据本发明，在图像测量系统中，光源是半导体激光器，并且该半导体激光器被配置成在驱动电流不高于阈值值且不低于阈值值的情况下发射光。结果，可以容易地变换用于照射广泛的范围的照明光和用于精确照射的照明光。此外，根据本发明，在图像测量系统中，方向检测装置包括用于划分来自照明光的一部分的光学构件和用于接收被指引到该光学构件的划分光的象限元件以及包括用于划分来自照明光的一部分的光学构件和用于接收被指引到该光学构件的划分光的轮廓传感器的方向检测装置。结果，可以基于象限元件或轮廓传感器的检测结果来测量照射点的方向角。此外，根据本发明，在图像测量系统中，光投射单元具有聚焦功能。结果，可以以精确的方式来照射所述照射点，并且可以增加回射光的S/N。此外，根据本发明，在图像测量系统中，光投射单元具有用于扩展照明光的光通量的光通量直径扩展装置。结果，可以在广泛的范围内执行使用照明光的照明，并且可以促进要测量对象的捕捉。此外，根据本发明，在图像测量系统中，光通量直径扩展装置是扩散器，其被提供从而使得可插入光投射光轴或从其中去除。结果，可以容易地扩展照明光的光通量。此外，根据本发明，在图像测量系统中，光检测光学系统具有增加光检测放大率的功率变化功能。结果，可以进一步改善角分辨能力。


图1是示出了根据本发明的实施例的图像测量系统的示意性方框图2是图像测量系统中的投射光学系统部分的后视图3A是用以表示图像测量系统的主要部分并示出投射光学系统的第一修改的示意性方框图，并且图3B是示出了投射光学系统的轮廓传感器的说明图4是示出了投射光学系统的第二修改的示意性方框图5是示出了投射光学系统的第三修改的示意性方框图6是示出了投射光学系统的第四修改的示意性方框图7A是示出了电流被施加于半导体激光器时的电流值和光发射状态的图表，并且图7B是示出了电流被施加于半导体激光器的情况下电流值不大于阈值值和超过阈值值时的发射强度和发射波长之间的关系的图表；
图8是示出了具有在光检测光学系统中使用的光检测透镜中的功率变化功能的配置的示例的说明图9是示出了光检测光学系统中的入射角与图像拾取元件之间的关系的说明图10是示出了光投射单元出射角改变时的图像拾取元件上的回射光的光检测位置的变化的说明图；以及
图11是测量比图像拾取区域更广泛的范围时的说明图。
具体实施例方式下面将通过参考附图给出根据本发明的实施例的描述。图1示出了根据本发明的第一实施例的图像测量系统I。图像测量系统I主要由测量系统主单元2、调平单元3以及旋转机构4组成。旋转机构4是在调平单元3上提供的，并且测量系统主单元2通过旋转轴9被提供给旋转机构4。调平单元3具有通过旋转机构4将测量系统主单元2调平至水平姿势的调平功能，并且旋转机构4具有使测量系统主单元2沿着水平方向可旋转地移动的功能。测量系统主单元2包括投射光学系统5、光检测光学系统6、控制算术设备7、以及外壳8，并且投射光学系统5、光检测光学系统6以及控制算术设备7被容纳在外壳8中。光检测光学系统6包括镜筒11。光检测透镜12、安装在光检测透镜12的基本上焦点位置处的图像拾取元件13以及具有安装在其上面的图像拾取元件13的印刷电路14被容纳在镜筒11中。光检测透镜12被布置在光检测光轴15上，并且光检测光轴15水平地延伸并穿过图像拾取元件13的中心。光检测透镜12通常表示组成光学系统的透镜组。此外，图像拾取元件13由例如C⑶或CMOS传感器等的许多像素组成。指定每个像素的坐标位置，其中穿过光检测光轴15的点被指定为原点，每个光检测信号、以及发射的光检测信号和坐标位置相互关联。回射光29’从要测量对象进入光电透镜12，并且在图像拾取元件13上形成回射光29’的图像。现在将描述投射光学系统5。投射光学系统5具有与镜筒11耦合的分叉框架16，水平旋转轴17被可旋转地提供给分叉框架16，并且高度旋转框架18被固定于水平旋转轴17，从而使得与水平旋转轴17成整体地旋转。水平旋转轴17是水平的且沿着正交于光检测光轴15的方向延伸，并且光检测光轴15与水平旋转轴17的轴中心之间的距离是已知的。如图2所示，在水平旋转轴17的一端处提供了高度电动机19，并且向高度电动机19提供了高度角检测器，例如高度角编码器21。高度旋转框架18通过高度电动机19倾斜通过水平旋转轴17，并且由高度角编码器21来检测高度电动机19的倾斜角。此外，高度旋转框架18的旋转范围是由高度电动机19提供的且光投射单元25的旋转范围是由水平电动机23提供的，亦即照明光29的旋转范围被设置成从而使得变得等于或大于光检测光学系统6的场角。高度角编码器21和水平角编码器24中的每一个(稍后将对其进行描述)具有作为参考点的0°，并且在图像拾取元件13的中心处接收到照明光29的回射光29’的位置是高度角编码器21和水平角编码器24中的每一个的0°。此外，高度角编码器21和水平角编码器24组成方向检测装置。该方向检测装置检测照明光29的退出方向，并且还检测光检测光轴15与光投射光轴26之间的关系。高度旋转框架18被形成为在其上端和下端处具有水平突出部分的通道形状，并且可旋转地提供了穿过上和下水平突出部分的垂直旋转轴22。在垂直旋转轴22的上端处提供了水平电动机23，并且向该水平电动机23提供了水平角检测器，例如水平角编码器
24。垂直旋转轴22在参考位置(其中光投射光轴26和光检测器光轴15相互平行的位置)处沿着垂直方向延伸并正交于水平旋转轴17。光投射单元25被固定于垂直旋转轴22，光投射单元25与垂直旋转轴22成整体地旋转，光投射单元25通过水平电动机23旋转通过垂直旋转轴22。由水平角编码器24来检测光投射单元25的旋转量、即水平角。光投射单元25具有光投射光轴26，并且光源27和投射透镜28被布置在光投射光轴26上。光源27发射照明光29，其为可见光或不可见光。另外，投射透镜28通常表示组成投射光学系统5的透镜组。应注意的是可以向投射光学系统5提供聚焦机构。现在将描述控制算术设备7。控制算书设备7主要包括算术处理单元(CPU) 31、光源控制器32、电动机控制器33、存储单元34、操作单元35以及显示单元36。光源控制器32允许光源27以所需的时序发射光，并且电动机控制器33以所需的时序驱动高度电动机19和水平电动机23。光源控制器32和光源27组成发光装置，并且高度电动机19、水平电动机23和电动机控制器33组成投射角改变装置。作为存储单元34，使用诸如半导体存储设备、各种存储卡、HDD等存储设备。存储单元34具有程序存储区域和数据存储区域。在程序存储区域中存储了图像测量系统I的操作和距离测量所需的各种程序。所述各种程序包括时序控制程序，其用于控制时序、例如光源控制器32的光发射时序或图像拾取元件13的光接收时序等；测量程序，其用于基于光接收像素的位置来确定图像拾取元件13上的回射光29’的光接收位置，用于基于照明光29的光发射时序与由图像拾取元件13接收回射光29’的时序之间的时间偏差来测量到测量点的距离，用于基于光接收像素的位置来确定图像拾取元件13实现的回射光29’的光接收位置，用于测量所述测量点上的水平角和高度角，并且进一步地用于基于距离测量和角测量的结果来执行测量点的3D测量；投射控制程序，其用于根据来自操作单元35的指令并基于来自高度角编码器21和水平角编码器24的测量结果来控制照明光29的照射方向；信号转换程序，其用于将来自操作单元35的信号输入转换成指令信号；显示程序，其用于在显示单元36上显示例如目标测量区域的图像、测量状态或目标测量区域中的测量点等；图像组合程序，其用于将由光检测光学系统6获取的多个拍摄图像组合并用于在目标测量区域大于由光检测光学系统6获取的图像拾取区域(信号图像)时提供包括广泛的图像拾取区域的图像等。此外，数据存储区域存储由图像拾取元件13获取的图像拾取区域(由光检测光学系统6的场角确定的区域)的图像数据，并且还依照坐标位置来存储测量点的距离测量数据、角测量数据以及3D数据。操作单元35接收用于操作员执行操作所需的信息，并且还接收用于执行该操作的指令。在显示单元36上显示各种信息，例如由光检测光学系统6获取的图像、用以指示图像中的测量点的光标或测量条件等。可以使用触控面板作为显示单元36，使得能够指定测量点，能够输入操作员执行操作所需的信息，或者能够从显示单元36输入用于执行操作的指令。现在将描述第一实施例的功能。图像测量系统I被安装在预定位置处，例如房间的中心。测量系统主单元2被调平单元3调平。测量系统主单元2通过测量系统主单元2被调平的旋转结构4条件沿着预定方向旋转和定位。由光检测光学系统6来拍摄目标区域的图像，并且在显示单元36上显示所拍摄的目标区域。在所显示目标区域中确定测量点，并由操作单元35来指定测量点。由光源控制器32来驱动光源27，并且照明光29被作为脉冲光发射。当指定测量点时，由算术处理单元31以使得从投射光学系统发射的照明光29被照射到测量点这样的方式来驱动和控制高度电动机19和水平电动机23。另外，来自测量点的照明光29的反射光(回射光29’)通过光检测透镜12被图像拾取元件13接收到。图像拾取设备13的光检测信号被输入到算术处理单元31，执行信号处理，并且由算术处理单元31来计算光接收位置。并且在显示单元36将算术结果显示为图像。因此，在显示单元36上将照射点(照射点的图像)显示从而使得其将被叠加在目标区域的图像上。此外，当投射光学系统5包括聚焦机构时，操作聚焦机构，使得照明光29会聚在测量点上。当照射光会聚在测量点上时，增加了来自测量点的回射光29’的光强度，增加了 S/N，并且改善了测量准确度。另外，由在显示单元36上显示的状态来确认聚焦状态。此外，如果照明光29是可见光，则可以在视觉上确认该聚焦状态。当设定了测量点且向该测量点发射照明光29时，检测回射光29’，并基于照明光29的光发射时序与回射光29’的光接收时序之间的时间差测量到测量点的距离。此外，从图像拾取元件13上的回射光29’的光接收位置获得与光检测光轴15的高度角和水平角作为参考。另外，由算术处理单元31基于测量点的距离测量结果、高度角和水平角来计算三维数据，其图像拾取元件13的中心是原点。应注意的是可以在显示单元36上执行测量点的设置，或者当照明光29是可见光时，操作员可以在视觉上确认并确定照明光29的照射位置。在测量操作中，光检测系统是固定的，并且单独的光投射单元25 (即光投射光轴26)的旋转可能足够了。旋转部分仅仅是光投射单元25，是轻质的，并且结构可以简化。此夕卜，由于根据图像拾取元件13的光检测结果来测量照射点的位置，因此不需要高准确度以便驱动光投射单元25。因此，可以获取目标区域的图像，并且可以容易地在目标区域中的任意点上的任意位置上执行三维测量。此外，由于测量点的图像被叠加在目标区域的图像上且所获得的图像被存储的事实，可以促进确认测量位置或测量点的操作。此外，使照明光29经受脉冲光发射，控制高度电动机19和水平电动机23，将照明光29用于预定速度下的沿水平方向和垂直方向的扫描，并且能够因此获取整个目标测量区域的3D数据。图3不出了投射光学系统5的第一修改。在第一实施例中，方向检测装置由高度角编码器21和水平角编码器24组成，但是在第一修改中方向检测装置由轮廓传感器43组成。在图3中，用相同的附图标记来指代与图1所示相同的部件。在光投射光轴26上，将作为光通量分离构件的半反射镜41布置于在投射透镜28的要测量对象的一侧的位置处，并将作为偏转构件的反射镜42布置在被半反射镜41划分的光轴上。已经通过投射透镜28的照明光29被半反射镜41划分，并且划分的部分光29a被反射镜42反射。被反射镜42反射的部分光29a平行于光投射光轴26。在与反射镜42相对的分叉框架16的位置处，提供了轮廓传感器43。此外，在其中光投射光轴26处于参考位置处的情况下，部分光29a垂直地进入轮廓传感器43。如图3B所示，轮廓传感器43是光检测传感器(象限元件)，其具有被相互正交的两个直线四等分的光接收表面，将划分部分的光接收量相互比较。当相应划分部分具有相同光接收量时，可以判断光通量的中心与光接收表面的中心重合。在第一修改中，将光通量的中心与光接收表面的中心重合的状态判断为光投射单元25的参考位置。光投射光轴26的水平角和高度角以1:1的水平对应于部分光29a相对于轮廓传感器43的中心的位移，并且由轮廓传感器43检测部分光29a的光接收位置使得能够检测光投射光轴26的投射方向。因此，半反射镜41、反射镜42以及轮廓传感器43组成方向检测装置。应注意的是作为轮廓传感器43，例如，使用二维CCD轮廓传感器或二维CMOS轮廓传感器等。图4示出了投射光学系统5的第二修改。在上述第一修改中，方向检测装置由半反射镜41、反射镜42以及轮廓传感器43组成，但是在第二修改中，使用绝对图案44和光检测元件45作为检测部分光29a的位置的传感器。在图4中，用相同的附图标记来指代与图3所示相同的部件。以与第一修改相同的方式，由半反射镜41和反射镜42将照明光29划分成一部分，并且所划分光在作为部分光29a垂直地进入光检测元件45。在被反射镜42反射的部分光29a的光程上提供了绝对图案44，并且部分光29a通过绝对图案44且被光检测元件45接收。因此，光检测元件45检测部分光29a已通过的位置处的绝对图案44的图像并检测部分光29a的位置。由于光检测元件45根据接收到的图案来检测部分光29a与参考位置的偏差且该偏差以1:1的水平对应于光投射光轴26的高度角和水平角中的每一个，所以可以基于光检测元件45的检测结果来检测光投射光轴26高度角和水平角。图5示出了投射角系统5的第三修改。在第三修改中，向光投射单元25提供光通量直径扩展装置。在第三修改中，作为光通量直径扩展装置，提供了使投射透镜28的位置沿着光轴方向移动的位置变化机构。当投射透镜28的位置改变时，扩展照明光29的光通量，并且可以照射更广泛的范围。应注意的是可以使用投射透镜28作为液体透镜，并且可以改变投射透镜28的焦距，使得可以改变照射光29的扩散角。因此，扩展了照明光29的光通量，并且在首先增加照明范围的状态下，捕捉要测量对象的轮廓，并且然后以可以增加测量点处的照明光的亮度的方式使照明光29会聚。图6示出了投射光学系统5的第四修改。在第四修改中，作为光通量直径扩展装置，在投射透镜28的要测量对象的一侧上提供了扩散器46,并且可以将该扩散器46插入光投射光轴26中或从其中去除。在扩散器46被插入光投射光轴26中的状态下，当照射照明光29时，由扩散器46来扩展照明光29的光通量，并且在广泛的范围内照射要测量对象。当扩散器46被去除时，在会聚状态下向要测量对象照射照明光29。根据投射光学系统5的第五修改，使用半导体激光器作为光源27，控制用于向光源27施加电流的电流值，并且使从光源27发射的光的光通量扩展或收缩。如图7A和图7B所示，已知的是半导体激光器在用于向半导体激光器施加电流的电流超过阈值值时使激光振荡。因此，当在广泛的范围内照射要测量对象时，光源27被施加不大于阈值值的电流，使得自发地发射光。当部分地照射测量点时或者当执行测量时，向光源27施加大于或等于阈值值的电流，因此照射激光束。
接下来,现在将描述光检测光学系统6的第一修改。在第一修改中，向光检测透镜12添加功率变化功能。图8示出了具有功率变化功能的光检测透镜12的示例。在图8中，附图标记48a和48b表示沿着光检测光轴15整体地移动的聚焦透镜且49是在聚焦透镜48a和48b之间固定地提供的凹透镜且50是在聚焦透镜48b与图像拾取元件13之间提供的中继透镜。当移动聚焦透镜48a和48b时，在图像拾取元件13上形成的图像可以被放大或缩小。当向光检测光学系统6提供功率变化功能时，可以将要测量对象的图像放大，并且可以改善图像拾取的分辨能力。由投射光学系统5提供的照明光29的水平和垂直振荡角对应于与图像拾取元件13的像素节距相对应的分辨能力。也就是说，由高度电动机19执行的高度旋转框架18的旋转和由水平电动机23执行的光投射单元25的旋转中的每一个具有使得能够在图像拾取元件13 (参见图1)的像素节距下旋转光投射光轴26的一定角度(水平角和高度角)的角分辨能力。因此，当由光检测光学系统6来增加放大率时，相对地减小了一个像素节距相对于要测量对象的图像的角度，并且改善了投射光学系统5的角分辨能力。图9示出了图像拾取元件13被布置在光检测透镜12的焦点位置处时的角分辨能力。可以由arcTAN (光检测透镜12的像素节距p/焦距长度f)来获得相对于目标对象的角测量的分辨能力。因此，适当地选择图像拾取元件13的像素数(即像素节距)与光检测透镜12的焦距的组合使得能够获得期望的角分辨能力。图像拾取元件13由像素13a组成。当使用CXD或CMOS传感器时，能够以像素13a为单位来检测光检测强度。因此，即使当在图像拾取元件13上形成其图像的光通量的直径大于像素节距时，也基于来自像素的信号而检测到回射光29’的光接收图像的重心位置，并且可以因此用以像素为单位的分辨率来检测回射光29’的光接收位置。此外，当图像拾取元件13上的回射光29’的光接收位置的检测结果被反馈回至光投射单元25的驱动单元的控制机构时，可以将沿投射方向的光投射单元25的分辨能力改善至像素单元。图10举例说明了光投射单元25的高度角或水平角改变且照明光29的投射方向改变时的图像拾取元件13上的回射光29’的光接收位置的变化。应注意的是图10示出了其中高度角改变的情况。参考图10，通过控制光投射单元25的角位移，可以使图像拾取元件13上的光接收位置依照每个像素节距而移位。通过使用光检测透镜12的功率变化功能来增加光检测放大率，可以在放大光接收图像上相对地减小位置位移。结果，可以改善角分辨能力。此外，在图1所示的图像测量系统I中，可以应用图5所示的投射光学图像5的第三修改、图6所示的第四修改或图7所示的第五修改，使得可以扩展或缩减照明光29的光通量，并且可以将图8所图示出的功率变化光学系统应用于光检测光学系统6，使得可以增加或降低光检测放大率。当应用光检测光学系统5的修改时，可以用照明光29来照亮更广泛的范围，可以容易地捕捉要测量对象。在捕捉之后可以使照明光29的光通量扩展或收缩，可以用具有高亮度的照明光29’来照射测量点，并且可以改善来自测量点的回射光29’的S/N。此外，通过接收光检测光学系统6的光检测放大率，可以改善角分辨能力。因此，可以改善操作容易性和可使用性，并且可以提高测量准确度。现在将参考图1、图5、图6和图8来描述当使用距离图像元件作为前述实施例中的图像拾取元件13时的第二实施例。在这里，距离图像元件由许多像素组成，并且可以拍摄要测量对象的图像，以依照每个像素来测量被照射到要测量对象的光在反射之后被范围图像元件接收到所需的时间，并且实时地获取三维距离图像。在第二实施例中，作为投射光学系统5，提供了使得能够使照明光29 (参见图5和图6)的光通量扩展或收缩的功能，并且作为光检测光学系统6，提供了使得能够增加或降低光检测放大率(参见图8)的功能。首先，由投射光学系统5的光通量直径扩展装置来增加照明光29的光通量，并且在广泛的范围内执行照射，使得可以尽可能容易地捕捉要测量对象。当捕捉到要测量对象时，照明光29的光通量被缩窄，并且以精确的方式在要测量对象的必需点上有限地照射光通量。来自必需点的回射光29’进入作为距离图像元件的图像拾取元件13，并且依照图像拾取元件13的每个像素来测量到要测量对象的必需点的距离。此外，根据图像拾取元件13上的每个像素的位置测量高度角和水平角。因此，可以三维地测量必需点。在本实施例中，可以容易地捕捉要测量对象，可以容易地选择测量点，可以增加S/N，并且可以高度准确地执行三维测量。现在将描述在其中测量准确度增加的情况下在广泛的范围内执行测量。当光检测放大率增加时，提高了角测量的分辨能力并改善了准确度，但是另一方面，减小了场角，缩窄了光检测光学系统6的图像拾取区域，并且还缩窄了测量范围。在其中设定了比图像拾取区域更广泛的目标区域的情况下，当将图像拾取区域拟合在类似于拼缀图的目标区域中时，增加了测量范围。图11示出了如何将相互邻近的图像拾取区域51和51定位、连接和拟合在目标区域52中。作为用于连接图像拾取区域图像51的方法之一，使相互邻近的图像拾取区域图像51和51重叠并沿着水平方向在重叠部分51a处单独地相连，并且使图像拾取区域图像51和51重叠并沿着垂直方向在重叠部分51b处单独地相连。通过使用重叠部分51a和51b，对相互邻近的图像拾取区域图像51和51被定位，并保证相互邻近的图像拾取区域图像51的连续性。此外，当通过使用重叠部分51a和51b对相互邻近的图像拾取区域图像51和51进行定位时，以精确的方式用照明光29来照射要测量对象，并且可以使用用照明光29照射的照射点53作为参考点。例如，当以使得照明光29的照射点53的位置不改变这样的方式移动光检测光学系统6的图像拾取区域时(即当使光投射光轴26沿着光检测光轴15的移动方向的相反方向移动时)，可以使用照射点53作为相互邻近的图像拾取区域图像51的公共点，可以立即由来自图像拾取元件13的光检测信号来指定每个图像拾取区域图像51中的照射点53的坐标，并且基于所获取的坐标值将相互邻近的图像组合使得能够在不执行图像处理的情况下将相互邻近的图像拾取区域图像51相连。此外，可以以精确的方式照射多个点，可以提取经受照射的点作为特征点，并且可以基于所提取特征点使相互邻近的图像拾取区域图像51和51重叠。在这种情况下，当找到对于图像拾取区域图像51和51而言有效的特征点时，使照明光29的光通量聚焦，并且将所获取的照射点53设置为参考点，其是有效的。
权利要求
1.一种图像测量系统，包括投射光学系统，其具有用于发射照明光的光投射光轴和光源，并且通过所述光投射光轴来投射所述照明光、光检测光学系统，其具有光检测光轴和图像拾取元件，并由所述图像拾取元件通过所述光检测光轴从要测量对象接收回射光、以及用于处理由所述图像拾取元件获取的数据的控制算术设备，其中，所述投射光学系统包括用于将所述光投射光轴朝着所述要测量对象指引并投射所述照明光的光投射单元、用于使所述光投射单元沿着高度方向和水平方向旋转并用于改变所述照明光的投射角的投射角改变装置、以及用于检测所述光投射光轴相对于所述光检测光轴的方向角的方向检测装置。
2.根据权利要求1所述的图像测量系统，其中，所述控制算术设备获取照射点作为向所述要测量对象以及图像拾取区域的图像照射的所述照明光的图像，并以所述照射点作为参考使所述图像拾取区域的多个图像部分地重叠和相连。
3.根据权利要求1所述的图像测量系统，其中，所述控制算术设备使所述图像拾取区域的所述多个图像部分地重叠和相连，并且用于使所述图像拾取区域的所述多个图像重叠的参考是从所述图像拾取区域的所述图像提取的特征点。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的图像测量系统，其中，所述图像拾取元件是范围图像传感器，并且所述范围图像传感器获取所述要测量对象的图像并三维地测量所述要测量对象。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的图像测量系统，其中，所述图像拾取元件是像素的聚合体，并且所述投射角改变装置依照所述像素的节距来改变所述光投射光轴的方向。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的图像测量系统，其中，所述光源是半导体激光器，并且所述半导体激光器被配置成在驱动电流不高于阈值值且不低于所述阈值值的情况下发射光。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的图像测量系统，其中，所述方向检测装置包括用于从所述照明光划分一部分的光学构件和用于接收被指引到所述光学构件的划分光的象限元件。
8.根据权利要求1所述的图像测量系统，其中，所述方向检测装置包括用于从所述照明光划分一部分的光学构件和用于接收被指引到所述光学构件的轮廓传感器。
9.根据权利要求1所述的图像测量系统，其中，所述光投射单元具有聚焦功能。
10.根据权利要求6所述的图像测量系统，其中，所述半导体激光器被配置成从而在所述驱动电流不高于所述阈值值的情况下发射光并照射广泛的范围，并且在由所述图像拾取元件捕捉所述要测量对象之后，所述半导体激光器被配置成从而在所述驱动电流不低于所述阈值值的情况下发射光并照射所述要测量对象的必需点。
11.根据权利要求1或权利要求5所述的图像测量系统，其中，所述光投射单元具有用于扩展所述照明光的光通量的光通量直径扩展装置。
12.根据权利要求11所述的图像测量系统，其中，所述投射单元被配置成从而由所述光通量直径扩展装置来扩展所述光通量并照射广泛的范围，并且由所述图像拾取元件捕捉所述要测量对象，所述投射单元被配置成使所述光通量收缩并照射所述要测量对象的必需点。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的图像测量系统，其中，所述光通量直径扩展装置是被提供为从而可插入所述光投射光轴中或从其中去除的扩散器。
14.根据权利要求1所述的图像测量系统，其中，所述光检测光学系统具有增加光检测放大率的功率变化功能。
全文摘要
本发明涉及图像测量系统。一种图像测量系统包括投射光学系统5，其具有光投射光轴26和用于发射照明光29的光源27，并通过光投射光轴投射照明光、光检测光学系统6，其具有光检测光轴15和图像拾取元件13，并由图像拾取元件通过光检测光轴从要测量对象接收回射光29’、以及用于处理由图像拾取元件获取的数据的控制算术设备7，并且在该图像测量系统中，投射光学系统包括用于将光投射光轴朝着要测量对象指引并投射照明光的光投射单元25、用于使光投射单元沿着高度方向和水平方向旋转且用于改变照明光的投射角的投射角改变装置23、33、以及用于检测光投射光轴相对于光检测光轴的方向角的方向检测装置24。
文档编号G01C11/00GK103076002SQ20121041528
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者熊谷薰, 古平纯一 申请人:株式会社拓普康