DE102004028191B4

DE102004028191B4 - Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Erfassung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems

Info

Publication number: DE102004028191B4
Application number: DE200410028191
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Driescher; Jahn Prof. Dr. Herbert; Martin Dr. Scheele; Reinhard Dr. Schuster; Hanns-Rainer Prof. Dr. Lehmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: DE102004028191A1

Abstract

Vorrichtung zur quantitativen Erfassung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems, umfassend eine Quelle paralleler Strahlung und eine Einrichtung zur definierten Verstellung des optoelektronischen Sensorsystems, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Quelle paralleler Strahlung (9) und dem optoelektronischen Sensorsystem (2) ein beugendes Medium (6) angeordnet ist, dessen Flächennormale parallel zur Strahlung (9) der Quelle ist, wobei das beugende Medium (6) ein symmetrisches Beugungsbild (16) in der Bildebene des optoelektronischen Sensorsystems (2) erzeugt, wobei das resultierende Beugungsbild (16) von translatorischen und rotatorischen Verschiebungen abhängig ist, wobei das resultierende Beugungsbild (16) hinsichtlich der Symmetrie mit einem Eichbeugungsbild (17) vergleichbar ist, wobei mittels der Einrichtung (7) das optoelektronische Sensorsystem (2) derart nachführbar ist, dass das resultierende Beugungsbild (16) hinsichtlich der Symmetrie mit dem Eichbeugungsbild (17) innerhalb vorgebbarer Grenzen übereinstimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems.
Die Bestimmung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems, bezogen auf die Sensorebene, ist eine notwendige Vorraussetzung für die Erlangung metrischer Eigenschaften dieses Sensorsystems (z. B. CCD-Kameras). Der Durchstoßpunkt der optischen Achse durch die Bild-, sprich Sensorebene, ist der physikalische Koordinatenursprung für alle Bildkoordinatensysteme. Nur die genaue Kenntnis dieses Durchstoßpunktes erlaubt es, die Abbildungen für Vermessungsaufgaben zu nutzen. Bisher wurde dieser Durchstoßpunkt indirekt durch Aufnahmen eines Testfeldes, wobei die Kamera bei jeder Aufnahme um die optische Achse gedreht wird, gewonnen. Ein anderes Verfahren besteht darin, dass paralleles Licht durch das Sensorsystem abgebildet wird und die Kamera dabei mit jeder Abbildung um eine Achse, die ungefähr der optischen Achse entspricht, gedreht wird. Dabei entsteht durch die Bildfolge eine geschlossene Kurve, deren Mittelpunkt dem Durchstoßpunkt der optischen Achse entspricht. Um die Richtung der optischen Achse, gemessen zu einer festen Achse im Laborsystem, wie die Richtung des Kollimators- oder eines Laserstrahls, zu bestimmen, verwendet man qualitative Verfahren wie die Interferenzmuster eines am Linsensystem reflektierten Laserstrahls.
Der Nachteil der gegenwärtigen Verfahren besteht darin, dass das optoelektronische Sensorsystem eine Vielzahl von Abbildungen realisieren muss, wobei jede Abbildung mit einem bestimmten Rotationswinkel des optoelektronischen Sensorsystems verknüpft ist. Dazu benötigt man eine aufwendige Mechanik oder ein genau vermessenes Testfeld von erheblichen räumlichen Abmaßen.

Aus der DE 16 73 846 B2 ist eine Anordnung zum optischen Ausrichten von räumlich getrennten Elementen mit Hilfe eines Laserstrahls als Systemachse und einer Einrichtung zur Feststellung der Intensitätsverteilung bekannt, wobei die Systemachse zur Ausrichtung der Elemente durch ein über einen in dem Laserstrahlengang eingebrachten Phasenkonverter erzeugtes scharfes zentrales Intensitätsminimum gegeben ist.

Aus der DE 198 56 761 C1 ist ein Verfahren zur Feldkalibrierung einer digitalmetrischen Kamera mittels eines Aufnahmeadapters zur reproduzierbaren Befestigung einer Vorrichtung an der digital-metrischen Kamera bekannt, wobei die Vorrichtung einen Schirm mit definierten, lichtdurchlässigen Strukturen zur Erzeugung einer unscharfen Abbildung der definierten Strukturen auf der Fokalebene der Kamera umfasst, der starr mit dem Aufnahmeadapter verbunden ist, wobei nach dem Befestigen der Vorrichtung mittels des Aufnahmeadapters an der zu kalibrierenden Kamera diese in ein Kalibriermodus umgeschaltet wird. Anschließend wird die mittels der Vorrichtung erzeugte unscharfe Abbildung auf der Fokalebene aufgenommen und abgespeichert, wobei diese mit einer vorab bestimmten kameraspezifischen Referenzabbildung verglichen wird, die bei der Labor-Kalibrierung der Kamera mittels der Vorrichtung erzeugt und abgespeichert wurde, sowie angezeigt, ob die erzeugte Abbildung innerhalb einer definierten Toleranzschwelle zur Referenzabbildung liegt.

Aus der DE 102 28 882 A1 ist eine Vorrichtung zur Kalibrierung von hochgenauen photosensitiven Sensoren bekannt, umfassend eine Fokalebenengrundplatte, auf der mindestens ein photosensitiver Sensor anordenbar ist, wobei die Fokalebenengrundplatte mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme des photosensitiven Sensors aufweist, in der der photosensitive Sensor in mindestens zwei Freiheitsgraden über mindestens eine Stelleinrichtung bewegbar ist, eine Einrichtung zur Erzeugung einer Teststruktur, ein Objektiv und mindestens eine Auswerteelektronik zur Abtastung des photosensitiven Sensors, wobei die Einrichtung zur Erzeugung einer Teststruktur, das Objektiv und die Fokalebenengrundplatte mechanisch reproduzierbar zueinander angeordnet sind und über die Stelleinrichtung der photosensitive Sensor derart bewegbar ist, bis über die Auswerteelektronik eine scharfe Abbildung der Teststruktur erfassbar ist und anschließend fixierbar ist.

Aus der DE 100 13 299 C2 ist eine Vorrichtung zur geometrischen Kalibrierung einer Matrix- oder Zeilenkamera auf Basis pixelorientierter photosensitiver Elemente bekannt, umfassend eine kohärente Lichtquelle und ein Hologramm zur Erzeugung einer wohldefinierten Teststruktur, wobei das Hologramm als Gitter ausgebildet ist, das eine definierte, diskrete Punktmusterverteilung um die pixelorientierten Elemente erzeugt, wobei mittels einer Vorrichtung zur Drehung des Gitters oder einer Variation der Wellenlänge der Lichtquelle die Punktmusterverteilung über die Pixel bewegbar ist.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems zu schaffen, mittels derer mit geringem Aufwand eine Lagebestimmung durchführbar ist.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierzu ist zwischen der Quelle paralleler Strahlung und dem optoelektronischen Sensorsystem ein beugendes Medium angeordnet, dessen Flächennormale parallel zur Strahlung der Quelle ist, wobei das beugende Medium ein symmetrisches Beugungsbild in der Bildebene des optoelektronischen Sensorsystems erzeugt, wobei das resultierende Beugungsbild von translatorischen und rotatorischen Verschiebungen abhängig ist, wobei das resultierende Beugungsbild hinsichtlich der Symmetrie mit einem Eichbeugungsbild vergleichbar ist, wobei mittels der Einrichtung das optoelektronische Sensorsystem derart nachführbar ist, dass das resultierende Beugungsbild hinsichtlich der Symmetrie mit dem Eichbeugungsbild innerhalb vorgebbarer Grenzen übereinstimmt. Hierdurch wird erreicht, dass, bis auf Feineinstellungen, das optoelektronische Sensorsystem nicht rotiert werden muss. Ein weiterer Vorteil ist die Ausrichtung der optischen Achse in Bezug auf die Richtung der Strahlung der Quelle, was auch für nachfolgende geometrische Kalibrierungen nützlich ist.

Der Grundgedanke des hier vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass durch ein beugendes Medium in der Bildebene eines optoelektronischen Sensorsystems ein Beugungsbild entsteht, das gegen Verdrehung der optischen Achse gegenüber der Richtung eines Laser- oder Kollimatorstrahls und gegen translatorischen Versatz des optoelektronischen Sensorsystems gegenüber dem beugenden Medium nicht invariant ist. Da das Beugungsbild durch theoretische Berechnung und/oder durch experimentelle Bestimmungen für den Fall der Parallelität der optischen Achse mit dem Laser- oder Kollimatorstrahl bekannt ist, kann durch Feinjustage die Parallelität hergestellt werden. Wenn diese hergestellt ist, bestimmt der Ort der nullten Ordnung des Beugungsbildes den Durchstoßpunkt der optischen Achse durch die Bildebene. Das Beugungsbild muss symmetrisch sein. Für eine exakte Justage ist die Form des Beugungsbildes unerheblich. Die Justage muss so erfolgen, dass die Unsymmetrie im Beugungsbild eliminiert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Quelle paralleler Strahlung als Laser mit nachgeordneter Spaltblende und Kollimatoroptik ausgebildet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das beugende Medium als Lochblende ausgebildet, umfassend eine Zentralöffnung und mehrere symmetrisch zur Zentralöffnung angeordnete Nebenöffnungen. Vorzugsweise umfasst die Lochblende vier Nebenöffnungen, die jeweils um 90° zueinander versetzt um die Zentralöffnung angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Anordnung einer Vorrichtung zur quantitativen Erfassung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems,
2 eine Draufsicht auf ein als Lochblende ausgebildetes beugendes Medium,
3 eine Darstellung eines erfassten Beugungsbildes und
4 eine Darstellung eines Eichbeugungsbildes.
Die Vorrichtung 1 zur quantitativen Erfassung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems 2 umfasst einen Laser 3, eine Spaltblende 4, eine Kollimatoroptik 5, ein beugendes Medium 6 und eine Einrichtung 7 zur Verstellung des optoelektronischen Sensorsystems 2. Der Laserstrahl 8 des Lasers 3 wird zunächst an der Spaltblende 4 gebeugt und anschließend durch die Kollimatoroptik 5 parallelisiert. Die parallele Strahlung 9 trifft dann auf das beugende Medium 6. Dabei ist die Flächennormale des beugenden Mediums 6 parallel zur Strahlung 9 und zum Laserstrahl 8. Das gebeugte Licht 10 wird über eine Optik 11 des optoelektronischen Sensorsystems 2 auf die optoelektronischen Sensoren der Fokalebene 12 des optoelektronischen Systems 2 abgebildet, wo dann das resultierende Beugungsbild ausgelesen werden kann. Dieses resultierende Beugungsbild kann dann mit einem Eichbeugungsbild hinsichtlich der Symmetrie verglichen werden, wobei dann mittels der Einrichtung 7 die Lage des optoelektronischen Sensorsystems 2 derart nachgeführt wird, bis resultierende Beugungsbild und Eichbeugungsbild in der Symmetrie übereinstimmen.
In der 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des beugenden Mediums dargestellt. In einer Trägerplatte 13 ist eine Zentralöffnung 14 und vier Nebenöffnungen 15, die symmetrisch jeweils um 90° versetzt zueinander um die Zentralöffnung angeordnet sind. Die Durchmesser der Öffnungen 14, 15 und deren Abstand werden dabei vorzugsweise in Abhängigkeit der Apertur der Optik 11 sowie des Abstandes des beugenden Mediums 6 von Projektionszentren auf der Fokalebene 12 gewählt. Dabei ist der Abstand vorzugsweise die doppelte Brennweite der Optik 11.
In der 3 ist ein resultierendes Beugungsbild 16 und in 4 das Eichbeugungsbild 17 des beugenden Mediums 6 gemäß 2 dargestellt. Wie man in 3 erkennt, ist die Helligkeit in der linken Nebenöffnung 15 etwas zu groß, was auf eine translatorische Verschiebung schließen lässt. Durch Nachführen des optoelektronischen Sensorsystems 2 mittels der Einrichtung 7 lässt sich dann diese Verschiebung korrigieren, bis das resultierende Beugungsbild 16 mit dem Eichbeugungsbild 17 übereinstimmt. Dann stimmen die optische Achse des optoelektronischen Sensorsystems 2 und die Richtung des Laserstrahls 8 überein. Der Mittelpunkt der nullten Ordnung der Beugungsfigur kann dann mit bekannten Verfahren der Bildverarbeitung bestimmt werden. Dieser Punkt markiert den Durchstoßpunkt der optischen Achse durch den Mittelpunkt der Fokalebene.

Claims

Vorrichtung zur quantitativen Erfassung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems, umfassend eine Quelle paralleler Strahlung und eine Einrichtung zur definierten Verstellung des optoelektronischen Sensorsystems, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Quelle paralleler Strahlung (9) und dem optoelektronischen Sensorsystem (2) ein beugendes Medium (6) angeordnet ist, dessen Flächennormale parallel zur Strahlung (9) der Quelle ist, wobei das beugende Medium (6) ein symmetrisches Beugungsbild (16) in der Bildebene des optoelektronischen Sensorsystems (2) erzeugt, wobei das resultierende Beugungsbild (16) von translatorischen und rotatorischen Verschiebungen abhängig ist, wobei das resultierende Beugungsbild (16) hinsichtlich der Symmetrie mit einem Eichbeugungsbild (17) vergleichbar ist, wobei mittels der Einrichtung (7) das optoelektronische Sensorsystem (2) derart nachführbar ist, dass das resultierende Beugungsbild (16) hinsichtlich der Symmetrie mit dem Eichbeugungsbild (17) innerhalb vorgebbarer Grenzen übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle als Laser (3) mit nachgeordneter Spaltblende (4) und Kollimatoroptik (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das beugende Medium (6) als Lochblende ausgebildet ist, umfassend eine Zentralöffnung (14) und mehrere symmetrisch zur Zentralöffnung angeordnete Nebenöffnungen (15).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass vier Nebenöffnungen (15) jeweils um 90° zueinander versetzt um die Zentralöffnung (14) angeordnet sind.
Verfahren zur quantitativen Erfassung der Lage der optischen Achse eines optoelektronischen Sensorsystems (2), mittels einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Ermitteln des auf dem optoelektronischen Sensorsystem (2) erzeugten Beugungsbildes (16), b) Vergleichen des Beugungsbildes (16) mit einem Eichbeugungsbild (17), c) Verstellen des optoelektronischen Sensorsystems (2) mittels einer Einrichtung (7) bis das ermittelte Beugungsbild (16) hinsichtlich der Symmetrie innerhalb vorgegebener Grenzen mit dem Eichbeugungsbild (17) übereinstimmt, d) Ermitteln des Mittelpunktes der nullten Ordnung innerhalb des ermittelten Beugungsbildes (16) und e) Abspeichern des ermittelten Punktes als optischer Mittelpunkt des optoelektronischen Sensorsystems (2).