AT414174B - Einrichtung zur abbildung von lichtquellen - Google Patents

Description

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AT 414174 B

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abbildung von Lichtquellen durch mindestens eine optische Linse auf wenigstens einen lichtempfindlichen Sensor, wobei die zur Erzeugung der Abbildung verwendete Optik mindestens eine toroidale Linse aufweist. 5 Toroidale Linsen sind an sich bekannt und werden in einigen Produkten zur Fokussierung von Licht eingesetzt [JP 11084287 A (Ricoh) und US 5 703 351 A (Meyers)]. Bei diesen toroidalen Linsen handelt es sich im speziellen um sphärische Linsen.

Sphärische, toroidale Linsen haben den Vorteil, entlang der Linsenkrümmung immer zu fokus-io sieren, haben aber den Nachteil, normal auf die Linsenkrümmung rasch zu defokussieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die auch normal zur Linsenkrümmung einen festen Fokus über einen großen Winkelbereich aufweist. 15

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die zur Erzeugung der Abbildung verwendete(n) Linse(n) neben der toroidalen auch eine asphärische Form aufweist (aufweisen).

Durch die Fokussierbarkeit in beiden Achsen kann ein großer, gleichmäßiger Raumbereich 20 optisch abgebildet werden.

Linse(n) und Sensor bilden zusammen eine optische Kameraeinheit, die zur Vermessung von Bewegungen im Raum verwendet wird. Einfallendes Licht wird durch die toroidalen, asphärischen Linsen aus einer Ebene linienförmig auf ein lichtempfindliches Zeilen- oder Flächenarray, 25 bestehend aus einer größeren Anzahl von Einzelsensoren, fokussiert. Aus den durch Lichteinfall aktivierten Einzelsensoren läßt sich der Einfallswinkel der Ebene errechnen, in der sich eine Lichtquelle befindet.

Wird eine punktförmige Leuchtdiode als Lichtquelle verwendet, so kann mit Hilfe von drei zu-30 einander fest montierten Kameraeinheiten der Raumpunkt bestimmt werden, an welchem sich die Lichtquelle befindet. Der Schnittpunkt der drei gemessenen Ebenen ergibt den definierten Raumpunkt. Die drei Kameraeinheiten müssen zur Messung in einer stabilen und fixierten Position zueinander stehen. Diese Fixierung erfolgt über einen Aluminiumbalken. 35 Die Messung der Raumposition der punktförmigen Lichtquellen erfolgt mehrmals in der Sekunde. Aus der zeitlichen Abfolge der Messungen können Ortsänderungen bestimmt werden. Werden mehrere Lichtquellen auf essentiellen Punkten eines Körpers befestigt, kann aus den gemessenen Raumkoordinaten und deren Bewegungen die Bewegung des Körpers errechnet und exakt analysiert werden. 40

Die Erfindung wird anhand von Beispielen durch die Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a - eine toroidale, asphärische Einzellinse Fig. 1b - eine toroidale, asphärische Doppellinse 45 Fig. 2 - Strahlengänge mit unterschiedlichen Einfallswinkeln und die resultierende Brennlinie Fig. 3a - Innen- und Aussenkontur einer Einzellinse; Linse weist sehr flache Aussenkontur auf Fig. 3b - Innen- und Aussenkonturen einer Doppellinse

Fig. 4 - Aufbau und Funktion der Kamera; Abb. einer LED durch eine Linse auf Zeilensensor Fig. 5 - Gaußförmige Verteilung der Pixelaktivierung auf einem Sensor durch Lichtstrahl so Fig. 6 - Gesamtsystem bestehend aus drei Kameras und einem Aluminiumgestell

Linsenoptik: Zentrale Einheit dieses Bewegungsmeßsystems ist die verwendete Optik. Diese Optik besteht aus einer einzelnen bzw. einer Kombination mehrerer Linsen und hat die Aufgabe, einfallendes Licht auf eine Linie abzubilden. Das neuartige an der Erfindung ist, daß als 55 Fokussierungsoptik toroidale, ashphärische Linsen anstatt herkömmliche Zylinderlinsen 3

AT 414 174 B verwendet werden. Eine toroidale, ashphärische Einzellinse und eine Kombination von zwei derartigen Linsen, wie sie im Meßsystem verwendet werden, sind in Fig. 1a) und 1b) dargestellt.

Normale Zylinderlinsen können nur in einem sehr eingeschränkten Winkelbereich abbilden und 5 defokussieren bei größeren Einfallswinkeln. Durch das Kombinieren mit anderen Linsen kann dieses Verhalten z.T. minimiert werden. Fig. 2 veranschaulicht den Vorgang der Defokussierung durch Zylinderlinsen bei kleinen Winkeln. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß sich bei geringfügiger Änderung des Einfallswinkels 1 die Brennlinie 2 der Linse von der Sensorebene 3 abhebt und die Abbildung auf dem Sensor defokussiert wird. 10

Wird zur Fokussierung eine toroidale Linse verwendet, bleibt der Fokus auf dem Zeilensensor, unabhängig vom Einfallswinkel des Lichtstrahls. Bei diesem Aufbau ist der Einsatz von mehreren kombinierten Linsen nicht notwendig. 15 Die toroidalen, asphärischen Linsen haben eine zur Fokussierung optimierte Aussen- und Innenkontur [4, 5]. Die Formen dieser Konturen werden anhand dem idealen Strahlengang des Lichtes durch die Linsen berechnet und dafür optimiert. Auf diese Weise läßt sich mit nur 1-2 Linsen eine annähernd ideale Abbildung erreichen. Aufgabe dieser Linse(n) ist es, einfallendes Licht ohne Intensitätsverluste aus einem möglichst weitwinkeligen Meßbereich zu fokussieren. 20 Die Aussen- und Innenkonturen einer asphärischen Einzellinse und einer Doppellinse sind in Fig. 3 a) und b) abgebildet.

Es läßt sich durch keine Kombination vorhandener Standardlinsen eine annähernd gleiche Abbildungsqualität erzielen, wie mit einer toroidalen, asphärischen Linse mit einer mathema-25 tisch optimierten Oberflächenkontur.

Der Einsatz einer Optik bestehend aus drei und mehr toroidalen, asphärischen Linsen erhöht die Abbildungsqualität der Kameras und ist für die Durchführung von bestimmten, sehr präzisen Messungen sinnvoll. Die Qualität der Abbildung von 1-2 toroidalen Linsen ist für die meisten 30 Messungen ausreichend.

Die Linsen werden aus durchsichtigem Kunststoff [z.B. PMMA] gefertigt. Das Material ist weich und leicht zu bearbeiten, ist kostengünstig und weist im sichtbar-infraroten Strahlungsbereich einen Brechungsindex auf, der jenem von Glas entspricht [n = 1,52], Der Brechungsindex des 35 Materials hat einen Einfluß auf die Form der Linsenkonturen. Die möglichen Kunststoffe lassen sich einerseits mechanisch oder andererseits im Spritzgußverfahren herstellen und bearbeiten. Die Oberflächenbehandlung ist bei diesen Kunststoffen einfach.

Die Einzellinse liegt im gegebenen Fall in den Größenordnungen mit Aussenradien von 40 45-65 mm und Innenradien von 30-50 mm, die Linsendicke liegt im Bereich 7-15 mm. Je nach

Linse variieren die Werte in den gegebenen Bereichen.

Kamera: Eine Kamera besteht aus a) der Linsenoptik 6 (aus einer oder mehreren Linsen), b) einer Linsenhalterung, c) einem lichtempfindlichen Sensor 7, d) einem lichtdurchlässigen Filter-45 glas 8 und e) einem Kameragehäuse. Der prinzipielle Aufbau einer Kamera ohne Gehäuse ist in Fig. 4 graphisch dargestellt.

Als lichtempfindliche Sensoren werden zumeist Zeilensensoren verwendet, die aus einer Reihe von Einzelsensoren aufgebaut sind. Um die Empfindlichkeit der Kamera zu erhöhen, können so entweder breitere Zeilensensoren oder auch Flächensensor verwendet werden. Aufgabe der Kamera ist es, Linsen und Sensor derart zu fixieren, daß das einfallende Licht durch die Optik auf den Sensor fokussiert wird und daß die vom Licht aktivierten Einzelsensoren von einer Elektronik ausgelesen werden, um daraus die Meßwerte zu errechnen. 55 Die Optiken werden in einer verstellbaren Halterung fixiert. Durch die Einsteilbarkeit der Linsen-

Claims (4)

1. 4 AT 414 174 B Position kann der Fokus auf den Sensor optimiert werden. Die Funktionsweise der Kamera ist in Fig. 4 skizziert. Die Linsenoptik fokussiert das von einer Leuchtdiode abgestrahlte Licht auf eine Linie, die normal auf den Zeilensensor steht. Abhängig 5 vom Einfallswinkel α 9 zwischen Zeilensensor und Lichtstrahl werden unterschiedliche Pixel aktiviert, aus denen der genaue Winkel α berechtet werden kann. Der Einfallswinkel ß 10, der normal auf den Sensor steht hat keinen Einfluß auf die Messung, es wird ausschließlich der Winkel parallel zum Zeilensensor gemessen. Durch die Verwendung von drei Kameras, deren Positionen zueinander fixiert sind, kann das Gesamtsystem aus den drei gemessenen Einfalls-io winkeln den Schnittpunkt berechnen und so die exakte räumliche Position einer punktförmigen Leuchtdiode bestimmen. Dabei muß eine der drei Kameras gegenüber den anderen um 90° gedreht sein. Bis zu 1200 Meßwerte können pro Sekunde gemessen werden. Je nach Anzahl der Marker 15 können mehrere Bilder pro Sekunde aufgezeichnet und dargestellt werden. Aus dem zeitlichen Verlauf der Messungen lassen sich Bewegungen der Leuchtdioden im Raum bestimmen. Werden die Leuchtdioden auf essentiellen Punkten eines Körpers fixiert, kann aus den Markerbewegungen die Bewegung des zu vermessenden Körpers errechnet werden. 20 Ein beispielsweise verwendbarer Zeilensensor besteht aus 1725 Einzelsensoren, bzw. auch Pixel genannt, von denen durch das einfallende Licht des LED-Markers etwa 10-12 Pixel in einer gaussförmigen Intensitätsverteilung aktiviert werden, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Anhand dieser Verteilung wird eine Schwerpunktsberechnung durchgeführt und der Einfallswinkel des Zentral Strahls exakt errechnet. 25 Die drei notwendigen Kameras sind auf einem klappbaren Balken fest miteinander verbunden und haben die immer gleiche, fixierte Position zueinander, auf die das System letztlich kalibriert wird. In Fig. 6 ist das gesamte Meßsystem mitsamt drei Kameraeinheiten dargestellt. Jede Kamera mißt den Einfallswinkel aus einer Ebene, der Schnittpunkt der drei Ebenen definiert den 30 Raumpunkt der strahlenden Leuchtdiode. Durch den Einsatz von toroidalen, asphärischen Linsen können in der Kamera einfache, handelsübliche Zeilensensoren verwendet werden, die im Gegensatz zu Flächensensoren eine sehr rasche Auslesegeschwindigkeit der Meßwerte ermöglichen. Aufgrund dieser sehr hohen 35 Auslese- und Übertragungsraten kann das Meßsystem in Echtzeit betrieben werden, wodurch die Meßergebnisse und die Datenanalyse bereits während der Aufzeichnung errechnet und dargestellt werden können. Diese Kamera, die mit der beschriebenen Technologie ausgerüstet ist, weist eine Leistungsfähigkeit auf, die jenen mit den qualitativ hochwertigsten Bauelementen entspricht, aber aufgrund der toroidalen Linsen mit einfacheren Bauelementen realisierbar ist. 40 Die maximale Übertragungsrate des Meßgerätes beträgt 1200 Hz [optional: 2400 Hz], die Bildrate ergibt sich aus der Anzahl der verwendeten Marker. Beispielsweise ergibt sich bei der Verwendung von 48 Markern eine Bildrate von 25 Hz (ähnlich einem Fernsehgerät), was zur Darstellung von normalen, nicht übermäßig schnellen Bewegungen ausreichend ist. Die Auflö-45 sung liegt bei etwa 0.1 mm bei einer Entfernung von 1.2 Meter, das effektive Meßvolumen beträgt etwa 4 x 2.5 x 3 m. Durch den Einsatz dieser Spezialoptik kann ein qualitativ hochwertiges Bewegungsmeßsystem mit einfachen Bauelementen realisiert werden! 50 Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Abbildung von Lichtquellen durch mindestens eine optische Linse auf we-55 nigstens einen lichtempfindlichen Sensor, wobei die zur Erzeugung der Abbildung verwen- 5 AT 414174 B dete Optik mindestens eine toroidale Linse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsein) neben der toroidalen auch eine asphärische Form aufweist (aufweisen).
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Linse aus 5 Kunststoff, vorzugsweise PMMA, gefertigt ist.
3. 3. Einrichtung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse(n) eine punktförmige Lichtquelle aus einer Ebene auf eine Linie abbildet (abbilden). io
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als lichtempfindlicher Sensor ein Flächensensor oder ein Zeilensensor vorgesehen ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 20 25 30 35 40 45 50 55