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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft Sichtsystemkameras und insbesondere Sichtsystemkameras, die zur Abbildung von Oberflächenprofilen geeignet sind.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Ein Laserstrahlvermesser (auch einfach als Lasermesser bezeichnet), bildet das räumliche Intensitätsprofil eines Laserstrahls in einer bestimmten Ebene, die quer zum Ausbreitungspfad des Strahls verläuft, ab und bestimmt es. Die Kamera liegt oberhalb der Ebene und die Kameraobjektivachse liegt in einem spitzen Winkel im Verhältnis zu der Ebene. Lasermesser sind bei einer großen Bandbreite an Inspektions- und Herstellungsarbeitsgängen nützlich, in denen der Benutzer Oberflächeneinzelheiten eines ebenflächigen Objektes durch Triangulation messen und charakterisieren möchte. Ein Beispiel ist die Inspektion von Tastaturen, bei der im Vermessungsarbeitsgang bestimmt wird, ob alle Tasten eine ähnliche Höhe aufweisen. Eine Art von Lasermesser verwendet eine Sichtsystemkamera, die einen Bildsensor (oder „Imager“) aufweist, der auf CCD- oder CMOS-Design basieren kann. Der Imager definiert ein vorgegebenes Feld an Graustufen- oder Farbsensorik-Pixeln auf einer Bildebene, die durch ein Objektiv fokussiertes Licht von einer abgebildeten Szene empfangen. Der Vermesser verwendet eine bestimmte Objektivanordnung, die reflektiertes Laserlicht von der ebenflächigen Szene in einem spitzen Winkel im Verhältnis zur optischen Achse des Kamerasensors (die lotrecht zur Bildebene liegt) auf den Sensor richtet. Auf diese Weise kann der nicht lotrechte Winkel zwischen der Laserachse, der Objektivachse und der Bildebene des Sensors die sogenannte Scheimpflugsche Regel erfüllen, um in jedem Messungsabstand ein scharfes Bild der Laserlinie zu definieren (nachstehend ausführlicher beschrieben). Wenn eine Kameraachse in einem nicht lotrechten Winkel auf eine ebenflächige Szene gerichtet ist, ist normalerweise nur eine kleine Schnittbreite der Gesamthöhe des erhaltenen Bilds scharf fokussiert und der Fokus verschwimmt ober- und unterhalb dieses Bereiches.
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Eine erhebliche Herausforderung beim Durchführen genauer Laservermessung ist, dass die relativen Winkel der Laserachse im Verhältnis zu der Objektivachse sehr genau sein sollten. Gleichermaßen sollte der Abstand zwischen dem Laser und der Linse mit einem gewissen Grad der Genauigkeit bekannt sein. Das Einrichten einer Anordnung an Befestigungselementen für die Kamera und den Laser und das anschließende Kalibrieren dieser Anordnung ist zeitaufwendig und kann eine Variabilität der Gesamtgenauigkeit und -leistung des Systems zur Folge haben.
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Demnach ist es wünschenswert, ein Laservermessungssystem zur Verwendung mit einer Sichtsystemkamera bereitzustellen, das hohe Genauigkeit bereitstellt und ein wiederholbares Einrichten einer Laservermessungsanordnung mit weniger Zeitaufwand und Mühe ermöglicht.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung löst Nachteile im Stand der Technik durch das Bereitstellen eines Systems und Verfahrens zur Laservermessung, das die Einrichtung und Verwendung eines Laservermessungssystems und zugehöriger Anwendungen vereinfacht, indem es eine Vermessungsvorrichtung bereitstellt, die eine vorgegebene Anordnung von Linse und in einem Abstand angeordnetem Laser beinhaltet, in der die Geometrie- und Kalibrierungsparameter vorgegeben sind. Die Vermessungsvorrichtung ist zur Montage direkt auf dem Objektivanschluss (üblicherweise mit Gewinde) einer herkömmlichen Sichtsystemkamera geeignet. Alle Komponenten, die für die Ausführung der Vermessungstätigkeit erforderlich sind, können in die Vermessungsvorrichtung integriert sein. Die Integration der Komponenten in einer einzigen austauschbaren/auswechselbaren Vermessungsvorrichtung macht es einfach, die Vorrichtung für eine bestimmte Vermessungsanwendung zu optimieren/anzupassen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Vorrichtung für die Laservermessung einer Objektoberfläche unter Verwendung einer Sichtsystemkamera mit einem Anschluss, der koaxial zu einer Kameraachse liegt, bereitgestellt. Die Vorrichtung beinhaltet eine Objektivbasis, die eine Linse mit einer optischen Objektivachse beinhaltet, wobei die Objektivbasis außerdem ein hinteres Ende mit einer Befestigungsstruktur beinhaltet, die konstruiert und angeordnet ist, um die Objektivbasis in einer vorgegebenen Rotationsausrichtung im Verhältnis zu der Kameraachse entfernbar am Anschluss zu fixieren. Eine Stange verläuft von der Objektivbasis zu einem distalen Ende. Das distale Ende ist konstruiert und angeordnet, um einen Laser zu tragen, sodass eine Projektionsachse des Lasers im Verhältnis zu der optischen Objektivachse in eine vorgegebene Richtung ausgerichtet ist. Die Vorrichtung kann Teil eines Laservermessungssystems sein, das seine Sichtsystemkamera mit (beispielsweise) einem herkömmlichen Anschluss beinhaltet, der ein Austauschen mit wenigstens einer zweiten ganzheitlichen Laservermessungsvorrichtung ermöglicht. Die zwei Laservermessungsvorrichtungen können verschiedene Geometrien aufweisen – z. B. Brennweiten, Objektivarten und/oder relative Winkel der Objektivachse und Laserprojektionsachse können für verschiedene Vermessungstätigkeiten verschieden sein.
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Die optische Objektivachse ist zum Beispiel im Verhältnis zur Kameraachse in einem spitzen Winkel ausgerichtet. Das hintere Ende kann einen verschiebbar montierten Montagering beinhalten, der in den Objektivanschluss geschraubt werden kann. Gleichermaßen ist das hintere Ende außen mit einem Gewinde versehen und beinhaltet einen Brennweitenring, der sich hinter dem Montagerings befindet. Der Brennweitenring wird auf das Außengewinde des hinteren Endes geschraubt, um eine variable axiale Positionierung des Rings zu ermöglichen. Dadurch wird ein Stopper bereitgestellt, wenn der Montagering gegen eine radial nach innen gerichtete Wand des Anschlusses festgeschraubt wird. Auf diese Weise stellt das Einstellen der axialen Position des Brennweitenrings entlang des hinteren Endes die gewünschte Brennweite zwischen der Linse und der Bildebene des Kamerasensors bereit. In einer Ausführungsform umfassen die Objektivbasis und die Stange eine einheitliche Struktur eines Materials mit geringer Wärmeausdehnung.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Anordnen eines Lasermessers das Bereitstellen einer Sichtsystemkamera, die einen koaxial zu einer Kameraachse liegenden Anschluss und einen Sensor mit einer lotrecht zur Kameraachse liegenden Bildebene umfasst. Eine erste ganzheitliche Vermessungsvorrichtung ist entfernbar am Objektivanschluss montiert. Diese Vorrichtung beinhaltet eine Objektivbasis und eine Stange mit einem Laser an einem distalen Ende, wobei eine optische Objektivachse und eine Projektionsachse des Lasers mit einem Abstand voneinander entlang der Stange angeordnet sind. Durch das entfernbare Montieren der Vorrichtung wird eine Befestigungsstruktur der ersten ganzheitlichen Vermessungsvorrichtung anhand eines Montagerings, der entlang einem hinteren Ende der Objektivbasis verschiebbar ist, mit dem Objektivanschluss verschraubt.
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In einem anderen Schritt beinhaltet das Verfahren das Übertragen von geometrischen Daten und Kalibrierungsparametern bezüglich der befestigten ganzheitlichen Laservermessungsvorrichtung an einen Sichtsystemprozessor, der operativ mit der Sichtsystemkamera verbunden ist, sodass die mit der Vermessungstätigkeit verbundenen Sichtsystemprozesse die Daten beim Ausführen der Vermessungstätigkeit verwenden können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die nachstehende Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Laservermessungssystems, das eine Laservermessungsvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführung, die an einem beispielhaften Sichtsystemobjektivanschluss befestigt ist, beinhaltet;
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2 einen teilweisen Querschnitt des Systems entlang der Linie 2-2 aus 1;
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2A eine schematische Draufsicht einer beispielhaften Laservorrichtung, die einen divergierenden Fächerstrahl zur Verwendung in der Laservermessungsvorrichtung aus 1 erzeugt;
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3 eine fragmentarische Seitenansicht der Vermessungsvorrichtung aus 1, die die Funktion der Scheimpflugschen Regel beim Erhalten eines Bildes von einer mit der Laserachse ausgerichteten Szene und das Fokussieren des Bildes durch eine geneigte Linse auf die Bildebene des Kamerasensors darstellt;
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4 eine Seitenansicht der Vermessungsvorrichtung aus 1;
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5 eine perspektivische Vorderansicht der Vermessungsvorrichtung aus 1;
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6 eine perspektivische Rückansicht der Vermessungsvorrichtung aus 1;
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7 einen teilweisen Querschnitt der Vermessungsvorrichtung entlang der Linie 7-7 aus 5; und
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8 eine perspektivische Rückansicht der Vorderseite der Kamera und des Anschlusses, abgetrennt vom Körper der Kamera, einschließlich eines Führungsstiftes zur vertikalen Ausrichtung der Vermessungsvorrichtung im Verhältnis zu der Kamera.
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9 eine weitere Ausführungsform einer Vermessungsvorrichtung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein Laservermessungssystem 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das System beinhaltet eine beispielhafte Sichtsystemkameraeinheit 110, bei der es sich um jede annehmbare Kamera handeln kann, die einen Bildsensor mit (zum Beispiel) einem zweidimensionalen Array an Bildpixeln aufweist. Die Kamera 110 kann eine „intelligente“ Kamera mit einem internen Prozessor sein, der einige oder alle einer Mehrzahl an Sichtsystemtätigkeiten (z. B. Kantenerkennung, Blob-Analyse, Rotation und skaleninvariante Suche usw.) durchführt, wie das von Cognex Corporation aus Natick, MA, USA, erhältliche Insight System. Alternativ kann die Kamera weniger Verarbeitungsfunktionen aufweisen und aufgenommene Bilder (über eine verkabelte oder kabellose Verbindung) an ein entfernt gelegenes Verarbeitungsgerät, wie einen persönlichen Computer (PC), auf dem eine geeignete Sichtsystemsoftware installiert ist (nicht dargestellt), übertragen. Es gilt zu beachten, dass, wie sie hierin verwendet werden, jegliche Prozesse oder Prozeduren durch elektronische Hardware, aus einem nicht flüchtigen computerlesbaren Medium mit Programmanweisungen bestehende Software oder eine Kombination aus Hardware und Software ausgeführt sein können.
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Die Kamera 110 beinhaltet eine Objektivanschlussbasis (auch als „Anschluss“ bezeichnet) 112 auf der Vorderseite 114 ihres Körpers, bei der es sich um einen herkömmlichen, mit einem Gewinde versehenen Anschluss handeln kann, wie einen C-Mount, einen CS-Mount oder ein F-Bajonett. Die beispielhafte C-Mount-Struktur 112 des Kamerakörpers hat ein herkömmliches Innengewinde mit 1 Zoll (2,54 cm) Innendurchmesser, das Fachleuten bekannt ist. Mit zusätzlicher Bezugnahme auf die Querschnittansicht aus 2 beinhaltet die beispielhafte Kamera 110 einen herkömmlichen Sensor 210, der eine Bildebene SP und eine lotrechte optische Kameraachse COA definiert. Der Sensor ist Teil der Schaltplattenvorrichtung 212, die gemäß einer beispielhaften Kameraanordnung mit weiteren Verarbeitungs- und Schnittstellenkomponenten 216 und 218 verknüpft ist. Die spezifische Implementierung und Funktion dieser Schaltungs- und Verarbeitungskomponenten ist sehr variabel. Im Allgemeinen sind die Positionen des Sensors 210 und der zugehörigen Bildebene SP für die Lehren der beispielhaften Ausführungsformen und insbesondere hinsichtlich der anhängigen beispielhaften Laservermessungsvorrichtung 120 relevant.
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Die Laserprofilanordnung 120 besteht aus einer Objektivbasis 130, einem Arm 140 und einem Laser 150, der an einem im Verhältnis zur Objektivbasis 130 distalen/entfernten Ende des Arms 140 montiert ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Objektivbasis 130 zwecks verbesserter Steifigkeit zusammen mit dem Arm als einteilig gegossene oder maschinell (aus einem soliden Stück) gefertigte Struktur gebildet. In einer Ausführungsform kann die Struktur aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung, wie einer Invar-Legierung, gebildet sein. Andere Materialien mit geringer Wärmeausdehnung und ausreichender Stärke und Steifigkeit können je nach Fachkenntnis als Ersatz dienen. Auf diese Weise verlängern oder verkürzen das Erwärmen der Kamera und/oder Schwankungen der Umgebungstemperatur die Stange 140 nicht nennenswert. Dadurch wird sichergestellt, dass die Anordnung während der Kalibrierung und der Verwendung dimensional stabil bleibt, wie nachstehend weiter beschrieben ist.
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Die Objektivbasis 130 beherbergt eine Objektivvorrichtung 160 mit einer geeigneten Größe, die eine optische Objektivachse LOA (2) definiert, die im Verhältnis zu einer optischen Achse COA des Sensors/der Kamera (wie veranschaulicht) in einem spitzen Winkel AA nach unten gerichtet ist. In einer Ausführungsform beträgt der Winkel AA ungefähr 13 Grad, eine große Bandbreite an potenziellen Winkeln für AA (z. B. ungefähr 5–45 Grad) wird jedoch ausdrücklich in Erwägung gezogen. Die Laservorrichtung 150 umfasst einen im Allgemeinen herkömmlichen Halbleiterlaser (z. B. mit einer sichtbaren Diode), der einen Strahl aufweist, der eine projizierte, sich ausbreitende Linie definieren kann, die entlang der horizontalen Richtung nach außen auffächert (nachstehend ausführlicher mit Bezugnahme insbesondere auf 2A beschrieben). Die Projektionsachse LA des Lasers ist im Verhältnis zu der vertikalen Achse VAB der Stange 140 (im Winkel AL) nach oben angewinkelt. Dadurch kann der Laser in einer Linie mit einer ebenflächigen Objektoberfläche (die vermessen wird) liegen und die Kamera kann in einem vorgegebenen Abstand über der Szene liegen, wobei von der Szene zur Linse 160 zurückgeworfenes Licht mit der optischen Objektivachse LOA ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform beträgt die Höhe HB der Stange, gemessen zwischen der Laserachse LA und der optischen Kameraachse COA, ungefähr 5 bis 20 Zentimeter und der zugehörige Winkel AL beträgt ungefähr 80 Grad. Die Höhe HB beträgt in der beispielhaften Ausführungsform ungefähr 8–9 Zentimeter. Ein genauerer Wert dieser Höhe in einer beispielhaften Ausführungsform ist nachstehend mit Bezugnahme auf 3 weiter beschrieben. Diese Geometrie erzeugt einen beispielhaften Winkel ALPHA zwischen der optischen Objektivachse LOA und der Laserachse LA von ungefähr 25 Grad, der in anderen Ausführungsformen beispielsweise zwischen ungefähr 5 Grad und 50 Grad variieren kann. Diese geometrischen Parameter sind in abweichenden Ausführungsformen sehr variabel. Allgemeiner sind der Anschluss 112 und die Objektivbasis 130 der Vorrichtung koaxial mit der Kameraachse COA angeordnet, die lotrecht zu der Bildebene am Sensor 210 liegt. Das Objektiv 160 definiert üblicherweise eine optische Objektivachse LOA im spitzen Winkel AA im Verhältnis zu der Kameraachse COA.
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Es gilt zu beachten, dass verschiedene Richtungs- und Orientierungsbezeichnungen, wie vertikal, horizontal, hoch, runter, unten, oben, seitlich, vorne, hinten und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, ausschließlich als relative Orientierungspunkte und nicht als absolute Ausrichtungen im Verhältnis zu einem festen Koordinatensystem, wie der Schwerkraft, verwendet werden.
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Mit erneuter Bezugnahme auf 2A besteht die Laservorrichtung aus einer Mehrzahl an Komponenten, die eine sich ausbreitende „Linie“ an Laserlicht von der ausstrahlenden Spitze der Vorrichtung erzeugen. Diese Linie (dargestellt als Element 260) liegt in einer Ebene, die lotrecht zu der Ebene des Querschnitts aus 2 liegt (d. h. eine Linie in einer Ebene, die lotrecht zu einer Ebene liegt, die durch die optische Objektivachse LOA und die Laserachse LA definiert ist und außerdem die Laserachse LA enthält) und sich wie dargestellt in einen Fächer 262 ausbreitet, sodass die Linie aus mit zunehmendem Abstand von der Laservorrichtung 150 an Länge zunimmt. In einer Ausführungsform ist der Fächer 262 im Wesentlichen symmetrisch zur Laserachse LA und der Fächerwinkel AF beträgt ungefähr 30 Grad. Der Winkel AF kann in beispielhaften Ausführungsformen variieren. Die Laservorrichtung 150 (als Kasten mit gestrichelter Umrandung dargestellt) wird durch eine geeignete Spannungsquelle 270 betrieben, die eine elektronische Laserdiodentreiberschaltung 280 mit Strom versorgt. Diese Komponenten 270, 280 können ein herkömmliches Design aufweisen. Die Spannungsquelle 270 kann auf/in der Laservorrichtung 150 montiert sein oder ist typischerweise als eine separate Einheit bereitgestellt, die durch Netzspannung betrieben wird und über eine oder mehrere Leitungen/Kabel operativ mit der Vorrichtung verbunden ist. Außerdem kann in verschiedenen Ausführungsformen Batteriestrom verwendet werden, um den Laser zu betreiben. Die Treiberschaltung 280 treibt den Betrieb der Laserdiode 282 auf herkömmliche Art und Weise an. Die Laserdiode 282 kann jede beliebige annehmbare Einheit sein, die Laserlicht in einer sichtbaren oder fast sichtbaren Wellenlänge ausstrahlt. Der von der Laserdiode 282 ausgestrahlte Strahl divergiert, wenn er in die Kollimatorlinse 284 eintritt. Die Kollimatorlinse 284 beinhaltet eine herkömmliche Optik, die den divergierenden Strahl kollimiert. Der ausgesendete Strahl wird dann von einer umformenden Linse (oder einer anderen optischen Komponente) aufgenommen, die aus dem kollimierten Strahl den divergierenden Fächerstrahl 262 erzeugt. Die umformende Linse kann verschiedene optische Geräte (oder eine Kombination eigenständiger Geräte) umfassen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, eine zylindrische Linse, ein holografisches Element oder eine sogenannte Powell-Linse.
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Mit Bezugnahme auf 3 ist die Vermessungsvorrichtung 120 mit gewinkeltem Profil als die Scheimpflugsche Regel erfüllend dargestellt. In vielen typischen Bildgebungsanwendungen sind die Objektivebene (lotrecht zur optischen Objektivachse LOA) und die Bild- oder Sensorebene SP parallel und die Fokusebene (PoF) liegt parallel zu den Objektiv- und Bildebenen. Wenn ein ebenflächiger Gegenstand (z. B. die Seite eines Gebäudes) auch zu der Bildebene parallel ist, kann er mit der Fokusebene zusammenfallen und der gesamte Gegenstand kann scharf abgebildet werden. Wenn die Gegenstandsebene jedoch nicht parallel zu der Bildebene liegt, wie in 3 dargestellt, dann ist eine typische Kameraanordnung mit koaxial ausgerichteten Objektiv- und Kameraoptikachsen (LOA und COA – d. h. parallele Objektivebene und Bildebene) nur entlang einer Linie, an der sie die PoF schneidet, genau fokussiert. Wenn eine schräge Tangente jedoch von der Bildebene (SP in 3) aus und eine weitere von der Objektivebene (LP in 3) aus fortgesetzt werden, treffen sich diese Linien laut der Scheimpflugschen Regel in einer Linie (310 in 3), durch die auch die PoF verläuft. Dieser Schnittpunkt 314 wird Scheimpflugscher Schnittpunkt genannt. Basierend auf dieser Richtlinie kann eine ebenflächige Oberfläche, die nicht parallel zu der Bildebene liegt, über ein jeweiliges Sichtfeld vollständig im Fokus sein.
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Die Objektoberfläche (die vermessen wird 310) liegt entlang der Linie der Laserachse LA. Verschiedene Punkte 320, 322, 324 im vertikalen Sichtfeld sind entlang der Oberfläche 310 dargestellt. Diese Punkte 320, 322 und 324 sind jeweiligen kreuzenden Strahlen 330 (LOA), 332 und 334 mit variierenden Längen zugeordnet. Die Strahlen 330, 332, 334 treffen außerdem an den Punkten 350, 352 und 354 auf der gegenüberliegenden Seite des Schnittpunktes 340 (d. h. der Bildgebungseintrittspupille) auf die Bildebene des Sensors SP. In einer beispielhaften Ausführungsform werden unter Verwendung eines beispielhaften Sensors, der einen rechteckigen Bereich von ungefähr 10,32 × 7,74 Millimeter definiert, geeignete (im Stand der Technik bekannte) Berechnungen durchgeführt, um die Scheimpflugsche Regel umzusetzen. Die Brennweite der Linse vom Schnittpunkt 340 (und der Linsenebene LP) zur Sensorbildebene SP beträgt ungefähr 21,2 Millimeter. Der Abstand DA zwischen dem Schnittpunkt 340 auf der optischen Objektivachse LOA und der Laserachse LA am ausstrahlenden Ende 344 der Vorrichtung beträgt ungefähr 88,59 Millimeter. Der relative Winkel BETA zwischen der optischen Objektivachse LOA und der Sensorbildebene SP beträgt ungefähr 77,1 Grad. Wie oben beschrieben, beträgt der Winkel ALPHA zwischen der optischen Objektivachse LOA und der Laserachse LA ungefähr 25 Grad. Die Strahlen 332 und 334 definieren jeweils das maximale Sichtfeld und den Arbeitsbereich entlang der Z-Richtung (Pfeil Z). Basierend auf den oben beschriebenen, beispielhaften Parametern definieren die Strahlen 332 und 334 jeweils einen relativen Winkel von ungefähr 9,6 Grad auf jeder Seite der optischen Objektivachse LOA. Dadurch wird ein maximaler Sichtabstand auf der Oberfläche (vom Strahl DA durch den Schnittpunkt 340) ZMAX von ungefähr 321,04 Millimetern und ein minimaler Abstand ZMIN von ungefähr 128,55 Millimetern bereitgestellt, wobei die Mitte des Abstands ZM ungefähr 189,98 Millimeter vom Strahl DA liegt. Dadurch wird ein Gesamtarbeitsbereich in der Z-Richtung von ungefähr 129–321 Millimetern (110–115 Millimeter vom Kameragehäuse) mit einem Abstand ZRANGE entlang der Objektoberfläche von ungefähr 192,49 Millimetern bereitgestellt. Zwischen den Punkten 324 und 322 divergiert der Bereich in der X-Richtung (X-Achse, lotrecht zu der Ebene der Seite dargestellt) von ungefähr 65,74 Millimetern auf 162,25 Millimeter (ein X-Abstand von 97 Millimetern). Demnach ist der Z-Abstand über den Bereich mehr als doppelt so groß wie der X-Abstand, bleibt jedoch aufgrund der Regel im Fokus. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, stellen die in dieser Ausführungsform beschriebenen Winkel und die Geometrie abhängig von der spezifischen Vermessungstätigkeit und den gewünschten Triangulierungsparametern lediglich Beispiele für eine große Bandbreite an Werten bereit. Zum Beispiel kann der Winkel ALPHA zwischen der Laserachse LA und der optischen Objektivachse LOA zwischen ungefähr 5 Grad und 50 Grad variieren. Auf ähnliche Weise kann der dargestellte Abstand D zwischen der optischen Objektivachse LOA und der Laserachse LA zwischen ungefähr 5 und 20 Zentimetern variieren. Zudem kann die Brennweite des Objektivs (die den Messungsbereich des Kamerasystems definiert) zwischen ungefähr 7 und 50 Millimetern variieren. Die geeignete Anordnung der Komponenten in einer Vermessungsvorrichtung gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen kann durch die Anwendung bekannter Berechnungen unter Verwendung von Werten dieser drei Eigenschaften bestimmt werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Objektiv 160 ein herkömmliches verzerrungsarmes Objektiv mit großer Blende und einem ungefähren Durchmesser von 5 Millimetern umfassen. Es ist in der Objektivbasis 130 durch ein M12 × 0,5-Gewinde befestigt. Verschiedene andere Objektivanordnungen können bereitgestellt sein, einschließlich Anordnungen, die prismatische Komponenten (nicht dargestellt) beinhalten, um Licht von einer Achse in eine andere nicht parallele Achse zu krümmen. Insbesondere können die Objektivparameter und die Geometrie der Anordnung (d. h. Winkel der Objektivachse im Verhältnis zu der Kameraachse, dem Winkel der Laserachse, dem Abstand zwischen den Achsen) abhängig von der jeweiligen Vermessungstätigkeit variieren. Bei einigen Tätigkeiten kann die Brennweite von 10 Zentimetern bis zu einem Meter betragen. Bei anderen Tätigkeiten kann die Brennweite für hochpräzise Messungstätigkeiten nur wenige Zentimeter oder weniger betragen. Die Vorrichtung kann für die gewünschte Brennweite und das Präzisionsniveau speziell angefertigt worden sein und eine große Bandbreite an Vermessungsvorrichtungsmodellen kann abhängig von der Aufgabe vom Hersteller erhältlich sein. Alle Anordnungen können austauschbar auf einer jeweiligen Sichtsystemkamera montiert werden.
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In der beispielhaften Ausführungsform ist das Objektiv 160 in der Objektivbasis befestigt, sodass die Brennweite allgemein durch die mit einem Gewinde versehene Befestigungsstruktur 170 der Objektivbasis bereitgestellt wird. Diese Struktur 170 ist ausführlicher mit Bezugnahme in 4–7 beschrieben. Die Befestigungsstruktur 170 beinhaltet ein Außengewinde 410, das in das Innengewinde der Anschlussbasis 112 (wie in 2 dargestellt) greift. In der beispielhaften Ausführungsform sind das Außengewinde 410 und das Innengewinde 112 gemäß einer herkömmlichen C-Mount-Konfiguration angeordnet; in abweichenden Ausführungsformen sind jedoch auch andere herkömmliche oder unkonventionelle Montageanordnungen ausdrücklich angedacht. Die Verwendung einer C-Mount-(oder CS-Mount)-Halterung ermöglicht es, dass die Vorrichtung 120, falls gewünscht, mit einer anderen Objektivart ausgetauscht werden kann, damit eine Kamera für eine andere Funktion ausgerüstet werden kann.
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Wie dargestellt, beinhaltet die Objektivbasis 130 ein einheitliches, außen mit einem Gewinde versehenes hinteres Ende 420 mit einem Gewinde, das nach vorne zu einer hinteren Flanke 422 verläuft. Die hintere Flanke ist wie in 7 dargestellt abgeschrägt. Das mit einem Gewinde versehene Ende 420 beinhaltet in einer beispielhaften Ausführungsform ein M20 × 0,75 Gewinde, aber diese Geometrie ist in abweichenden Ausführungsformen sehr variabel. Allgemein wird die Gewindegröße teilweise ausgewählt, um eine ausreichend große (abgeschrägte) Innenöffnung 610 bereitzustellen, damit Licht von der Linse 160 den Sensor vollständig bedecken kann, ohne das Außengewinde zu schneiden. Es gilt zu beachten, dass in 6 die Unterseite des Innenrings des Endes 420 einen konkaven Anstieg beinhaltet, um an der Rückseite des Objektivs 160 einen vollständigen Zylinder bereitzustellen. Die äußere Abmessung des Gewindes des hinteren Endes wird außerdem so ausgewählt, dass der hinterste Teil des hinteren Endes 420 durch die von der radial nach innen gerichteten Wand 250 (2) am hinteren Ende des Anschlusses 112 gebildete Öffnung passt. Mit anderen Worten, der Außendurchmesser des hinteren Endes 420 ist wenigstens ein bisschen kleiner als der Innendurchmesser der hinteren Innenwand 250 des Anschlusses.
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Mit Bezugnahme auf 7 kann das Objektivsystem einen geeigneten Bandpassfilter 750 (in der Darstellung als optischer Aufsatz oder Beschichtung dargestellt) beinhalten, der Wellenlängen in andere Lichtwellenlängen als die des Lasers abschwächt. Auf diese Weise bildet das System ausschließlich die beleuchteten Merkmale der anvisierten Szene ab.
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Das mit einem Gewinde versehene Ende 420 trägt zwei mit Gewinden versehene Komponenten. Der Montagering 430, der das externe C-Mount-Gewinde 410 beinhaltet, ist vorne auf dem Ende gegenüber der Flanke 422 bereitgestellt. Der Ring beinhaltet einen vorderen Flansch 432, der (optional) abgeschrägt ist, um an die Flanke 422 zu passen und für den Benutzer eine praktische Struktur bereitstellt, die er beim Anpassen der axialen Position des Montagerings 430 im Verhältnis zum mit einem Gewinde versehenen Ende 420 (und der zugehörigen Objektivbasis 130) greifen und drehen kann. Das Gewindeende 420 trägt außerdem einen Brennweitenring 440, der das hintere Ende des Montagerings 430 berührt. Es gilt zu beachten, dass der Montagering 430 innen nicht mit einem Gewinde versehen ist und verschiebbar auf dem hinteren Ende 420 der Objektivbasis 130 sitzt. Der Brennweitenring 440 ist hingegen innen mit einem Gewinde versehen, um in das Außengewinde des hinteren Endes 420 zu greifen. Der Brennweitenring 440 ist demnach geeignet, um die radial nach innen gerichtete Wand (250 in 2) auf dem hinteren Ende des mit einem Gewinde versehenen Kameraobjektivanschlusses 112 zu greifen. Der Benutzer bewegt den Brennweitenring entlang des Endes 420 in eine axiale Position, was einen gewünschten Fokus am Sensor bereitstellt, wenn die hintere Seite des Brennweitenrings an die radial nach innen gerichtete Wand 250 des Objektanschlusses 112 anliegt. Das hintere Ende 720 (7) des Montagerings 430 und das vordere Ende 730 des Brennweitenrings 440 definieren jeweils ineinandergreifende kegelstumpfförmige Oberflächen, die ein sicheres, ausgerichtetes Ineinandergreifen bereitstellen, wenn diese zwei Komponenten zusammengezogen werden. Der Montagering 430 fungiert demnach als Schloss, wenn er in den Objektivanschluss 112 gedreht wird.
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Um die Vermessungsvorrichtung an der Kamera zu befestigen, positioniert der Benutzer den Brennweitenring 440 (oder der Brennweitenring wird bereits richtig positioniert bereitgestellt) an einer axialen Position entlang des hinteren Endes 420, die den besten Brennpunkt für die abgebildete Szene auf dem Sensor bereitstellt. Dies kann das Fixieren der Kamera im Verhältnis zu der Szene und das Einfügen der Objektivbasis in den Objektivanschluss umfassen, während das sich ergebende, erhaltene Bild auf einem Bildschirm betrachtet wird. Sobald der Brennweitenring 440 in der geeigneten axialen Position positioniert ist, sodass die richtige Fokussierung erreicht wird, wenn er die radial nach innen gerichtete Wand 250 des Anschlusses berührt, kann der Montagering 430 vollständig im Anschluss 112 festgezogen werden. Auf diese Weise sorgt das Ineinandergreifen des Außengewindes des Montagerings und des Innengewindes des Objektivanschlusses dafür, dass der Brennweitenring 440 mit Druck gegen den Anschluss 112 gedrückt wird. Dieser axiale Druck sorgt dadurch dafür, dass die Vorrichtung 120 fest und ohne jegliche Rotation oder axiale Bewegung im Verhältnis zum Kamerakörper fixiert bleibt. Da der Montagering 430 im Verhältnis zum hinteren Ende 420 frei rotierbar ist (da er kein Gewinde aufweist), kann die gewünschte vertikal nach unten verlaufende Position der Stange 140 und des Lasers 150 der Vorrichtung aufrechterhalten werden, wenn der Montagering 430 in eine vollständig festgezogene Position gedreht wird. Es gilt zu beachten, dass sowohl der Montagering 430 als auch der Brennweitenring 440 aus jedem beliebigen geeigneten Material gefertigt sein können, einschließlich Invar, Stahllegierung, Aluminiumlegierung und dergleichen.
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Um sicherzustellen, dass die Vermessungsvorrichtung 120 im Verhältnis zu der Kameraachse in einer vorgegebenen Rotationsausrichtung (d. h. in einer vertikalen Ausrichtung nach unten) verbleibt, beinhaltet das hintere Ende 420 einen Schlitz 650 (6), der auf ununterbrochene Art durch die Gewinde verläuft. Mit Bezugnahme auf 8 beinhaltet die Vorderseite 114 der Kamera einen beispielhaften Führungsstift 810, der ziemlich genau der Breite des Schlitzes 650 entspricht. Während des Zusammenbaus ist die Objektivbasis 130 durch Drehung mit dem Kamerakörper ausgerichtet, sodass der Stift 810 in den Schlitz gleitet, wenn das hintere Ende 420 axial nach hinten in den Anschluss 112 geschoben wird. Diese Führungsanordnung stellt sicher, dass während des Befestigungsprozesses und danach ein präzises und wiederholbares vertikales Verhältnis zwischen dem Kamerakörper und der Vermessungsvorrichtung aufrechterhalten wird. In abweichenden Ausführungsformen kann der Stift durch einen anderen Führungsmechanismus ersetzt werden, wie eine externe Führungsstruktur auf dem Anschluss, die in entsprechende Strukturen auf der Objektivbasis der Vermessungsvorrichtung greift. Gleichermaßen kann ein moderner Führungsmechanismus, wie eine Einspannvorrichtung, verwendet werden, um die Vermessungsvorrichtung an der Kamera zu befestigen. Alternativ kann die Vorrichtung unter Verwendung herkömmlicher Messungstechniken an der Kamera befestigt werden, die allgemein keine Einspannvorrichtung oder eine permanente Führungsstruktur beinhalten.
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Wenngleich die Lasereinheit 150 verschiedene externe Formfaktoren und Befestigungsanordnungen hinsichtlich des entfernten Endes der Stange 140 definieren kann, beinhaltet eine mögliche Befestigungsanordnung eine Feststellschraube 550 (in der Darstellung gezeigt), die festgezogen wird, sobald der Laser in das Stangenmontageloch 552 platziert wird. In alternativen Ausführungsformen können verschiedene wechselweise permanente oder entfernbare Befestigungsanordnungen eingesetzt werden. In dieser Ausführungsform definiert die Stange 140 beispielsweise ein Dicke TB von vorne bis hinten (5) von schätzungsweise 6 Millimetern und eine Breite WB von Seite zu Seite von ungefähr 20 Millimetern. Diese Abmessungen sind abhängig von der Gesamtgröße der Vermessungsvorrichtung und der Gesamtlänge der Stange 140 sehr variabel.
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Wie kurz in 9 dargestellt, beinhaltet eine andere Ausführungsform einer Vermessungsvorrichtung 910, die für kleinere Brennabstände verwendet werden kann, ein Objektiv 920 mit einem steileren Winkel und geeigneten Parametern und eine kürzere Stange 930. Es gilt zu beachten, dass diese Vorrichtung 910 das gleiche hintere Ende 940 und den gleichen Montagering 950 aufweist, wie andere verfügbare Vorrichtung, sodass sie leicht an einer herkömmlichen Kameraeinheit mit einem entsprechenden Objektivanschluss befestigt werden kann. Diese Austauschbarkeit erhöht die Vielseitigkeit des Gesamtsystems.
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In einer weiteren Ausführungsform kann/können der Montagering und/oder Brennweitenring auf einem herkömmlichen hinteren Ende der Vorrichtung austauschbar sein, sodass die Vorrichtung an eine Vielzahl verschiedener Anschlusstypen angepasst werden kann. Zum Beispiel kann ein spezifischer Ring die Befestigung eines F-Bajonett-Anschlusses ermöglichen, ohne dass die Objektivbasis, das hintere Ende, die Geometrie oder die Gewinde ausgetauscht werden müssen. Ein derartiger Anschluss kann ein F-Bajonett-Außengewinde und das Standardinnengewinde am hinteren Ende beinhalten.
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Mit Bezugnahme auf 1 kann der Kameraprozessor oder ein externer Prozessor mit den spezifischen geometrischen Parametern der Vermessungsvorrichtung (z. B. den relativen Winkeln der Achsen und dem Abstand zwischen dem Laser und der Linse) sowie allen beliebigen Kalibrierungsdaten, die erforderlich sind, um es dem Sichtsystem zu ermöglichen, die spezifizierte Vermessungstätigkeit genauer durchzuführen, bereitgestellt sein. Diese Informationen (als Block 180 dargestellt) können im Kameraspeicher oder an einem anderen Speicherstandort gespeichert werden. Sie können manuell oder auf automatisierte Art und Weise (z. B. auf einer Einrichtungs-CD, die vom Hersteller mit der Vermessungsvorrichtung bereitgestellt wird) an den Sichtsystemprozess/-prozessor bereitgestellt werden. Für Fachleute versteht es sich, dass der unter Verwendung der Anordnung 120 eingesetzte Sichtprozess je nach Anforderung der Vermessungstätigkeit herkömmlich und/oder angepasst sein kann.
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Es sollte nun deutlich sein, dass die Laservermessungsvorrichtung gemäß den hierin bereitgestellten beispielhaften Ausführungsformen eine effektive, einfache und genaue Einheit zum Durchführen von Laservermessung auf verschiedenen Oberflächen bereitstellt. Diese Vorrichtung vermeidet lange Einrichtungszeiten und ermöglicht es, verschiedene Geometrie- und Kalibrierungsdaten zu bestimmen und ohne Versuch- und Irrtums-Experimente an den Benutzer bereitzustellen. Diese Vorrichtung kann außerdem in verschiedenen austauschbaren Modellen bereitgestellt werden, die zum Beispiel abhängig von der erforderlichen Präzision, Oberflächengröße und Brennweite speziell für eine bestimmte Vermessungstätigkeit geeignet sind.
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Das Vorangehende ist eine ausführliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. Verschiedene Modifizierungen und Hinzufügungen können durchgeführt werden, ohne vom Geist und Umfang dieser Erfindung abzuweichen. Merkmale jeder der verschiedenen, oben beschriebenen Ausführungsformen können je nach Bedarf mit Merkmalen von anderen beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden, um eine Vielfalt an Merkmalkombinationen in jeweiligen neuen Ausführungsformen bereitzustellen. Wenngleich vorstehend eine Anzahl an separaten Ausführungsformen des Apparates und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, ist das hierin Beschriebene ferner lediglich ein Beispiel für die Anwendung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann die Stange unter Verwendung mechanischer Befestigungstechniken, wie Hartlöten oder Schweißen an der Objektivbasis befestigt werden. Außerdem kann das Objektiv beweglich innerhalb der Objektivbasis angeordnet sein, um eine Feinjustierung der Brennweite zu ermöglichen. Wenngleich dies nicht dargestellt ist, kann der Flansch des Montagerings ferner eine geriffelte oder anderweitig strukturierte Oberfläche für bessere Griffigkeit während der Rotation durch eine Hand eines Benutzers beinhalten. Alternativ kann der Montagering zur Rotation durch ein spezialisiertes oder herkömmliches Werkzeug angepasst sein. Zudem muss das Objektiv nicht mit einer Objektivachse positioniert werden, die im Verhältnis zu der Kameraachse nicht parallel ist (spitze Winkel), zum Beispiel bei Vermessungstätigkeiten mit vertikal begrenztem Sichtfeld. Ferner kann die Stange jede beliebige Struktur sein, die es der Projektionsachse des Lasers ermöglicht, in einem Abstand von der Objektivachse angeordnet zu sein. Außerdem kann die Vermessungsvorrichtung elektronische Komponenten und entsprechende Verbindungen zum Übertragen von geometrischen Parametern und/oder Kalibrierungsinformationen, die für die Anordnung einzigartig sind, direkt an die Kamera und/oder den Sichtprozessor über eine geeignete verkabelte oder kabellose Verbindung beinhalten. Wenngleich die beispielhafte Vermessungsvorrichtung geeignet ist, um im Verhältnis zu der optischen Kameraachse in einer vorgegebenen Rotationsausrichtung auf der Kamera montiert zu werden, wird zudem ausdrücklich in Erwägung gezogen, dass die Rotationsausrichtung frei wählbar oder/oder unbekannt sein kann. In derartigen Fällen kann die Sichtsystem-Software oder ein anderer Mechanismus eingesetzt werden, um das erhaltene Bild unter Verwendung bekannter Techniken in eine geeignete Rotationsausrichtung zu drehen. Dementsprechend dient diese Beschreibung lediglich als Beispiel und nicht dazu, den Umfang dieser Erfindung anderweitig einzuschränken.
