Einerseits existieren Systeme, die
die Lichtlaufzeit messen und in interferometrische Verfahren und
Impulslaufzeitverfahren zu unterscheiden sind. Diese Systeme bieten
eine hohe Auflösung
und Genauigkeit, erfordern aber einen hohen apparativen Aufwand.
Andererseits existieren geometrische
Verfahren, die an einem zu messenden Objekt ein künstliches
Amplitudenmuster erzeugen, das auf Orts- oder Frequenzveränderungen untersucht wird und das
unter Berücksichtigung
der Systemgeometrie Informationen über den Objektabstand liefert.
Diese Verfahren bieten eine weniger hohe Auflösung und sind im Allgemeinen
für den
industriellen Einsatz in der Automatisierungstechnik geeignet. Der
Hauptnachteil dieser Verfahren besteht bei der zweidimensionalen
Abstandsmessung wiederum in dem erforderlichen komplizierten Systemaufbau.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zweidimensionalen
Abstandsmessung bereitzustellen, das unter Verwendung einer Videokamera
für Anwendungen
in der industriellen Kontrolltechnik, wie etwa bei der Überwachung
von Kleinteilen in einer Montageanlage, geeignet ist, kostengünstig in
der Herstellung und im Betrieb ist und mittleren Anforderungen bei der
lateralen Auflösung
genügt.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
nach Anspruch 1 gelöst,
und insbesondere dadurch, dass eine Vorrichtung zur zweidimensionalen
Abstandsmessung bereitgestellt wird, mit
- – einer
Kamera zur Aufnahme von Bildern von in einem Erfassungsraum befindlichen
Entfernungspunkten,
- – mindestens
einer Primärlichtquelle
zur Erzeugung eines Lichtbündels
zur Beleuchtung der Entfernungspunkte mit einer ersten Beleuchtungsintensität,
- – mirdestens
einer Sekundärlichtquelle
zur Erzeugung eines Lichtbündels
zur Beleuchtung der Entfernungspunkte mit einer weiteren Beleuchtungsintensität, wobei
a)
eines der beiden Lichtbündel
parallel und das andere konvergent oder divergent ist, oder
b)
das eine Lichtbündel
konvergent und das andere divergent ist, oder
c) beide Lichtbündel unterschiedlich
konvergent sind, oder
d) beide Lichtbündel unterschiedlich divergent sind,
und mit
- – einer
Auswerteeinheit zur Ermittlung des Abstandes der Entfernungspunkte
durch einen Vergleich der jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten an den
Entfernungspunkten bei Beleuchtung mit der Primärlichtquelle und bei Beleuchtung
mit der Sekundärlichtquelle.
Die Erfindung macht sich dabei die
Erkenntnis zunutze, dass sich die Helligkeit, die an einem Entfernungspunkt
bei Beleuchtung mit einer konvergenten oder divergenten Lichtquelle
erzeugt wird, mit einer Veränderung
des Abstands zwischen Lichtquelle und Entfernungspunkt ebenfalls ändert. Genauer gesagt,
nimmt bei einem konvergierenden Lichtbün del die Helligkeit am Entfernungspunkt
mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle zu, bei einem divergierenden
Lichtbündel
hingegen nimmt die Helligkeit an dem Entfernungspunkt mit zunehmender Entfernung
von der Lichtquelle ab.
Die sich mit ändernder Entfernung von der Primärlichtquelle
bzw. der Sekundärlichtquelle
unterschiedlich ändernde
Helligkeit des Entfernungspunktes wird von der Kamera erfasst und
kann von der Auswerteeinheit dazu verwendet werden, Rückschlüsse auf
den Abstand des Entfernungspunktes von der Primärlichtquelle bzw. der Sekundärlichtquelle
zu ziehen. In die Abstandsberechnung gehen dabei die festen geometrischen
Gegebenheiten, wie beispielsweise die Apertur der Empfangsoptik
der Kamera, Abstände
der Lichtquellen zur Kamera, Einfallswinkel des Lichtbündels auf
den Entfernungspunkt usw. ein.
Grundsätzlich ist die Erfindung mit
einer Vielzahl von unterschiedlichen Strahlformen von Primär- und Sekundärlichtquelle
realisierbar. Es muss allerdings zumindest ein konvergenter oder
divergenter Lichtstrahl zum Einsatz gelangen und zusätzlich muss
sichergestellt sein, dass die von Primär- und Sekundärlichtquelle
ausgesandten Lichtstrahlen nicht eine zueinander gleiche Konvergenz
oder Divergenz aufweisen.
Vorteilhaft ist es, wenn für ein möglichst
unterschiedliches Verhalten der Helligkeitsänderung, d.h. Intensitätsänderung,
an den Entfernungspunkten jeweils bei Beleuchtung mit der Primärlichtquelle bzw.
bei Beleuchtung mit der Sekundärlichtquelle
gesorgt wird. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass eine
Lichtquelle ein relativ stark divergentes und die andere Lichtquelle
ein relativ stark konvergentes Lichtbündel aussendet.
Die Primärlichtquelle und die Sekundärlichtquelle
emittieren vorzugsweise Licht, das etwa im gleichen Wellenlängenbereich
liegt.
Bei der Verrechnung der mit Beleuchtung durch
die jeweiligen Lichtquellen aufgenommenen Bilder, etwa durch Subtraktion
der einzelnen Pixel, heben sich die Einflüsse optischer Eigenschaften
der Entfernungspunkte, wie z.B. deren Farbe oder Reflexionsvermögen aufgrund
ihrer Oberflächengüte, auf die
Messung auf, sodass sie unabhängig
von diesen Objekteigenschaften wird.
Zur Bestimmung der Entfernung eines
Entfernungspunktes reichen grundsätzlich zwei aufeinander folgende
Aufnahmen, nämlich
eine mit der Primär-
und eine mit der Sekundärlichtquelle
aus. Da diese Aufnahmen sehr schnell nacheinander erfolgen können, ist
die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl
zur Abstandsmessung an statischen Objekten als auch an dynamischen
Objekten geeignet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung
ist das Lichtbündel
der Primärlichtquelle
parallel oder konvergent, und das Lichtbündel der Sekundärlichtquelle ist
divergent. Die Helligkeitsänderung,
die bei Beleuchtung unterschiedlicher Entfernungspunkte mit der
Primärlichtquelle
bzw. der Sekundärlichtquelle erzielt
wird, ist in diesem Fall besonders stark, sodass das am Kamerasensor
erzeugte Signal bezüglich
verschiedener Abstände
eine besonders große Steilheit
aufweist und daher entsprechend gut von der Auswerteeinheit auswertbar
ist. Eine Anordnung mit einem von der Primärlichtquelle erzeugten konvergierenden
Lichtbündel
und einem von der Sekundärlichtquelle
erzeugten divergierenden Lichtbündel ist
bei kleinen Messvolumina und entsprechend großer freier Apertur einer zur
Bildung des Lichtbündels der
Primärlichtquelle
verwendeten Kondensoranordnung geeignet, da dann die Primärlichtquelle
fokussiert werden kann und sich durch die gegenläufige Abstandsabhängigkeit
der Beleuchtung mit den beiden Lichtquellen eine große differentielle
Beleuchtungsintensität
an dem zu messenden Entfernungspunkt ergibt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das
Lichtbündel
der Primärlichtquelle
und/oder das Lichtbündel
der Sekundärlichtquelle
koaxial zur Empfangsoptik der Kamera ausgerichtet. Bei koaxialer Ausrichtung
von zumindest einem der Lichtbündel wird
durch dieses Lichtbündel
im Erfassungsraum quer zur optischen Achse der Empfangsoptik kein Helligkeitsgradient
erzeugt, der bei der Auswertung der von der Kamera aufgenommenen
Bilder zu berücksichtigen,
d.h. rechnerisch zu kompensieren wäre. Dies vereinfacht die zur
Abstandsberechnung notwendigen Algorithmen.
Bei einer anderen Ausführungsform
sind das Lichtbündel
der Primärlichtquelle
und das Lichtbündel
der Sekundärlichtquelle
nicht koaxial zur Empfangsoptik der Kamera ausgerichtet. Es ist
für die Funktion
der vorliegenden Erfindung unerheblich, wie das entsprechende Lichtbündel der
Primärlichtquelle
oder der Sekundärlichtquelle
zur Empfangsoptik der Kamera liegt, wenn die durch schrägen Einfall auf
den Entfernungspunkt erzeugten Verzerrungen in der Auswerteeinheit
rechnerisch kompensiert werden. Im Einzelfall kann es vorteilhaft
sein, die Lichtbündel
der einzelnen Lichtquellen nicht koaxial zur Empfangsoptik der Kamera
auszurichten, z.B. wenn die Anzahl der notwendigen Bauteile bzw.
die Anordnung der Lichtquellen in Bezug auf die Kamera dies aus
konstruktiven Erwägungen,
insbesondere um vorgegebene geometrische Randbedingungen zu berücksichtigen,
oder aus Kostengründen
erzwingen. Bei nicht koaxialer Anordnung der Lichtquellen wird die
Ausleuchtung des Erfassungsraumes ggf. durch mehrere Primär- oder
Sekundärlichtquellen
sichergestellt.
Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst ein optisches Element, vorzugsweise zumindest einen halbdurchlässigen Spiegel,
zur koaxialen Ausrichtung des Lichtbündels der Primärlichtquelle
und/oder Sekundärlichtquelle
zur Empfangsoptik der Kamera. Ist es nicht möglich, die einzelnen Lichtquellen
selbst koaxial zur Empfangsoptik der Kamera auszurichten, kann dann
beispielsweise unter Zuhilfenahme des genannten halbdurchlässigen Spiegels
das Lichtbündel
der entsprechenden Lichtquelle dennoch koaxial zur Empfangsoptik
der Kamera eingespiegelt werden.
Es ist von Vorteil, wenn die Primärlichtquelle und/oder
die Sekundärlichtquelle
als Punktlichtquelle, vorzugsweise als Leuchtdiode ausgebildet sind. Punktlichtquellen,
wie etwa Leuchtdioden, sind ein zuverlässiges und kostengünstiges
Mittel zur Realisierung der unterschiedlichen Lichtbündel.
Insbesondere wenn eine Kondensoranordnung
zur Herstellung eines parallelen Lichtbündels der Primärlichtquelle
und/oder der Sekundärlichtquelle
vorgesehen ist, die beispielsweise einen Hohlspiegel, eine Fresnellinse,
eine Kondensor- oder Kollimatorlinse oder ein holographisches Element
umfasst, lässt
sich das von einer Lichtquelle ausgehende divergierende Lichtbündel zu
einem ggf. gewünschten
parallelen Lichtbündel
formen.
Befindet sich eine Lichtquelle in
unmittelbarer Nähe
der Kamera, kann bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die
Kondensoranordnung auch zur telezentrischen Abbildung des Erfassungsraumes
auf die Kamera dienen. Dadurch kann die Anzahl der optischen Bauteile
der Vorrichtung verringert werden, und das Kamerabild ist durch
die telezentrische Abbildung des Erfassungsraumes auf die Kamera
besser auswertbar.
Gegebenenfalls kann mehreren Primärlichtquellen
oder mehreren Sekundärlichtquellen
eine gemeinsame Kondensoranordnung zugeordnet sein, wodurch die
Anzahl von Bauteilen weiter verringert wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet
Lichtquellen zur Ausstrahlung von Licht im IR-Bereich, d.h. von
elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von größer als 770 nm. Die Beleuchtung
der Entfernungspunkte mit Infrarotstrahlung erweist sich bei den
Vermessungsaufgaben der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft,
da dann eventuell störende
Einflüsse
auf die Messung durch Lichtquellen im sichtbaren Spektralbereich ausgeschlossen
sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist diese in ein einziges
Gehäuse
integriert. Damit ist eine kompakte, vorzugsweise mobile Einheit geschaffen,
die an ihrem Einsatzort unkompliziert und flexibel gehandhabt werden
kann.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist zur Abstandsmessung im Nahbereich von Entfernungspunkten mit
einer Größe im Bereich zwischen
1 und 4 mm vorgesehen. Durch den einfachen und kompakten Aufbau
mit klein gehaltenen Bauteilen, wie beispielsweise Leuchtdioden
zur Beleuchtung der Entfernungspunkte, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
besonders zur Abstandsmessung bei Kleinteilen geeignet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
wird weiterhin durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum zweidimensionalen
Messen des Abstandes von Entfernungspunkten in einem Erfassungsraum
gelöst,
und insbesondere dadurch, dass
- – der Erfassungsraum
mit einem von wenigstens einer Primärlichtquelle erzeugten parallelen,
divergenten oder konvergenten Lichtbündel ausgeleuchtet wird, sodass
die im Erfassungsraum befindlichen Entfernungspunkte mit einer ersten
Beleuchtungsintensität
beleuchtet werden,
- – bei
dieser Ausleuchtung ein erstes Bild des Erfassungsraumes mit den
in diesem befindlichen Entfernungspunkten von einer Kamera aufgenommen
wird,
- – der
Erfassungsraum mit einem von wenigstens einer Sekundärlichtquelle
erzeugten, gegenüber
dem von der Primärlichtquelle
erzeugten Lichtbündel
verschiedenen, parallelen, divergenten oder konvergenten Lichtbündel ausgeleuchtet
wird, sodass die im Erfassungsraum befindlichen Entfernungspunkte
mit einer weiteren Beleuchtungsintensität beleuchtet werden,
- – bei
dieser Ausleuchtung ein weiteres Bild des Erfassungsraumes mit den
in diesem befindlichen Entfernungspunkten von der Kamera aufgenommen wird,
- – die
beiden von der Kamera aufgenommenen Bilder in einer Auswerteeinheit
verarbeitet werden, um über die
jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten an den Entfernungspunkten
deren Abstand zu ermitteln.
Das Verfahren beruht ebenso wie die
vorstehend erläuterte
erfindungsgemäße Vorrichtung
auf der Idee, dass zwei Kamerabilder, die abwechselnd bei Beleuchtung
mit einer Primärlichtquelle
und einer Sekundärlichtquelle
aufgenommen werden, miteinander verglichen werden, wobei aus der
von der Primärlichtquelle
erzeugten Helligkeit durch entsprechende Verrechnung mit der von
der Sekundärlichtquelle
erzeugten Helligkeit auf den Abstand des jeweiligen Entfernungspunktes
dadurch geschlossen werden kann, dass sich die auf dem Entfernungspunkt
erzeugte Helligkeit bei Beleuchtung mit der Primärlichtquelle anders ändert als
bei Beleuchtung mit der Sekundärlichtquelle.
Diese Helligkeitsänderungen
können
von der Kamera erfasst und in einer Auswerteeinheit über an sich
bekannte Verfahren der Bildverarbeitung, wie etwa Differenzbildung,
verarbeitet werden, wobei die zur Auswertung zu benutzenden Algorithmen
an die optischen/geometrischen Eigenschaften der Vorrichtung angepasst
sind.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Erfassungsraum von der Primärlichtquelle mit einem parallelen
bzw. konvergenten Lichtbündel
ausgeleuchtet, und der Erfassungsraum wird von der Sekundärlichtquelle
mit einem divergenten Lichtbündel
ausgeleuchtet. In diesem Fall ändert
sich die Helligkeit an dem Entfernungspunkt mit zunehmender Entfernung
von der Primärlichtquelle
nicht bzw. nimmt mit der Entfernung zur Primärlichtquelle quadratisch zu.
Die Helligkeit des Erfassungspunktes ändert sich bei Beleuchtung mit
der Sekundärlichtquelle
dagegen derart, dass diese mit zunehmender Entfernung zur Sekundärlichtquelle
quadratisch abnimmt. Diese unterschiedlichen Helligkeitsänderungen
mit zu- bzw. abnehmender Entfernung zu den jeweiligen Lichtquellen
sind detektier- und auswertbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird der Erfassungsraum
mit einem weiteren, von einer weiteren Sekundärlichtquelle erzeugten Lichtbündel ausgeleuchtet,
sodass die im Erfassungsraum befindlichen Entfernungspunkte zeitlich
nacheinander von der Primärlichtquelle,
der ersten Sekundärlichtquelle und
der zweiten Sekundärlichtquelle
beleuchtet werden. Bei dieser erfindungsgemäßen Variante wird also zusätzlich noch
ein weiteres Bild des Erfassungsraumes mit den in diesem befindlichen
Entfernungspunkten von der Kamera aufgenommen. Anschließend wird
von der Auswerteeinheit entschieden, welches der bei Beleuchtung
mit den beiden Sekundärlichtquel len
aufgenommen Bilder zur Ermittlung der Entfernungspunktabstände besser
geeignet ist, woraufhin dann nur dieses besser geeignete Bild mit
dem von der Primärlichtquelle
beleuchteten Bild verrechnet wird. Alternativ können aber auch die von den
Sekundärlichtquellen
aufgenommenen Bilder miteinander verrechnet werden, vorzugsweise
indem ein Mittelwert gebildet wird, welcher dann mit dem von der
Primärlichtquelle
beleuchteten Bild verrechnet wird.
Die Beleuchtung der Entfernungspunkte
mit unterschiedlichen Sekundärlichtquellen
bietet also die Möglichkeit,
für die
Auswertung jeweils die Bilder heranzuziehen, die ein für die Auswertung
am besten geeignetes Signal des Kamerasensors ergeben. Es können die
Bilder des Erfassungsraumes ausgewählt werden, die am wenigsten
Störungen
aufgrund von Abschattungseffekten oder Reflexionen aufweisen. Alternativ
können
die anhand der Sekundärlichtquellen
aufgenommen Bilder beispielsweise über eine Mittelung miteinander
verrechnet werden, um Störeffekte
auszugleichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Lichtbündel
der Primärlichtquelle
und/oder der Sekundärlichtquelle
koaxial zu einer Empfangsoptik der Kamera eingespiegelt. Die Auswertealgorithmen
für die von
der Kamera aufgenommen Bilder können
in diesem Fall vereinfacht werden, da dann, abgesehen von einem
Randabfall, bei konvergenten oder divergenten Lichtbündeln kein
Helligkeitsgradient über den
Erfassungsraum, quer zur optischen Achse erzeugt wird. Bei nicht
koaxial zur Empfangsoptik der Kamera verlaufenden Lichtbündeln werden
erfindungsgemäß dadurch
erzeugte Gradienten der Beleuchtungsintensität im Erfassungsraum in der
Auswerteeinheit über
Kalibrierung und/oder Algorithmen herausgefiltert. Eine koaxial
zur Empfangsoptik der Kamera verlaufende Ausrichtung der Lichtbündel ist nicht
zwingend, bei nicht koaxialer Anordnung werden lediglich die Algo rithmen,
die zur Bildauswertung erforderlich sind, aufwendiger, jedoch ergibt
sich dadurch ein größerer Spielraum
bei der baulichen Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das heißt bei der
Platzierung der Kamera, der einzelnen Lichtquellen und der optischen
Elemente, wie Linsen oder Spiegel.
Bei einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zur Berücksichtigung
von Einflussgrößen, wie
etwa Hintergrundhel- ligkeit oder Randabfall der durch die Sekundärlichtquelle
erzeugten Beleuchtungsintensität,
eine Aufnahme der Kamera ohne Beleuchtung durch die Primär- und Sekundärlichtquellen
in die Auswertung miteinbezogen. Störstrahlung, die beispielsweise
von Lichtquellen in der Umgebung des Erfassungsraums stammt, kann
durch eine Aufnahme ohne die in der Vorrichtung vorgesehenen Lichtquellen
herausgefiltert werden. Eine derartige Aufnahme kann etwa bei Inbetriebnahme
der Vorrichtung in einer Kalibrierungsroutine stattfinden. Sie kann
aber ebenso im Messbetrieb im Praxiseinsatz jeweils in einer Serie der
Aufnahmen bei Beleuchtung mit der oder den Primärlichtquellen bzw. Sekundärlichtquellen
vorgenommen werden.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand
der Zeichnungen erläutert,
in diesen zeigen:
1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
zweidimensionalen Abstandsmessung mit koaxial zu einer Empfangsoptik
einer Kamera verlaufenden Lichtbündeln
einer Primärlichtquelle
und einer Sekundärlichtquelle,
2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
einem koaxial zu einer Empfangsoptik einer Kamera verlaufenden Lichtbündel einer
Primärlichtquelle
und nicht koaxial zur Empfangsoptik der Kamera verlaufenden Lichtbündeln zweier
Sekundärlichtquellen,
3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
nicht koaxial zu einer Empfangsoptik einer Kamera verlaufenden Lichtbündeln einer
Primärlichtquelle und
einer Sekundärlichtquelle
und,
4 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung, bei
der eine Primärlichtquelle
und eine Sekundärlichtquelle
koaxial zur Empfangsoptik einer Kamera angeordnet sind.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur zweidimensionalen Abstandsmessung umfasst nach 1 eine Kamera 10 mit einer Empfangsoptik 12 und
einem Kamerabildaufnehmer 14, eine nicht koaxial zur Empfangsoptik 12 der
Kamera 10 angeordnete Primärlichtquelle 20 mit
einer dieser zugeordneten Kondensoranordnung 26, die in
diesem Fall als Kondensorlinse ausgebildet ist. Weiterhin ist ein
halbdurchlässiger
Spiegel 40 vorgesehen, der das von der Primärlichtquelle 20 ausgestrahlte
und von der Kondensorlinse 26 parallel gerichtete Lichtbündel koaxial
zur Empfangsoptik 12 der Kamera 10 umlenkt. Eine
Sekundärlichtquelle 30 sendet
ein divergentes Lichtbündel
in Richtung eines weiteren halbdurchlässigen Spiegels 42,
der das von der Sekundärlichtquelle 30 ausgestrahlten
Lichtbündel
koaxial zur Empfangsoptik 12 der Kamera 10 umlenkt.
Ferner ist eine in der Figur nicht gezeigte Auswerteeinheit vorgesehen,
die die von der Kamera 10 aufgenommenen Bilder auswertet.
Die Apertur der Empfangsoptik 12 ist
derart eingerichtet, dass ein Erfassungsraum R abgedeckt wird, der
abwechselnd jeweils durch das Lichtbündel der Primärlichtquelle 20 bzw.
das Lichtbündel
der Sekundärlichtquelle 30 ausgeleuchtet
wird. Im Erfassungsraum befinden sich zwei Entfernungspunkte A und
B, die beispielsweise zwei elektronische Bauteile repräsentieren
können.
An den Entfernungspunkten A, B wird bei Beleuchtung mit der Primärlichtquelle 20 eine
bestimmte erste Helligkeit erzielt. Bei Beleuchtung mit der Sekundärlichtquelle
wird an den Entfernungspunkten A, B eine zweite Helligkeit erzielt.
Verändern
die Entfernungspunkte A, B ihren Abstand zu den Lichtquellen 20, 30,
wobei sie jedoch im Erfassungsraum R verbleiben, bleibt die durch
die Primärlichtquelle 20 an
den Erfassungspunkten A, B erzielte Helligkeit konstant, wohingegen
die durch die Sekundärlichtquelle 30 an
den Erfassungspunkten A, B erzielte Helligkeit mit zunehmender Entfernung
zur Kamera 10 mit 1/r2 abnimmt,
wobei r dem Abstand zwischen dem jeweiligen Entfernungspunkt A,
B und der virtuellen Position P der Sekundärlichtquelle 30 hinter
dem halbdurchlässigen
Spiegel 42 entspricht. In 1 ist
r jeweils als Strecke von den Punkten A bzw. B bis zu dem halbdurchlässigen Spiegel 42 und weiter
bis zu der Sekundärlichtquelle 30 eingezeichnet.
Der absolute Abstand zum Beispiel
des Entfernungspunktes A zur Kamera 10 kann ermittelt werden,
indem Helligkeitsinformation – und
somit Abstandsinformation – zugrunde
gelegt wird, die anhand einer werksseitig oder am Einsatzort der
Vorrichtung vorgenommenen Eichmessung erhalten wird. Zur Eichung
wird beispielsweise ein Nullpunkt ermittelt, indem ein Abstand eines
Punktes zur Kamera 10 bestimmt wird, bei dem der durch
die Primärlichtquelle 20 erzeugte
Lichtstrom ∅1 gleich dem durch
die Sekundärlichtquelle 30 erzeugten
Lichtstrom ∅2 ist, wobei der Lichtstrom ∅ als
das Produkt aus der Lichtstärke
und dem durchstrahlten Raumwinkel definiert ist. Dieser Abstand
kann als Bezugsabstand verwendet werden. Ist der Entfernungspunkt A
bei der realen Messung weiter von der Kamera 10 entfernt,
so nimmt das Verhältnis
des durch die Primärlichtquelle 20 erzeugten
konstanten Lichtstromes ∅1 zu dem
von der Sekundärlichtquelle 30 erzeugten, mit
dem Abstand zur Kamera 10 abnehmenden Lichtstrom ∅2 zu. Diese Verhältnisänderung steht also direkt mit
dem Abstand des Punktes A zur Kamera 10 in Beziehung. Für Punkt
B gilt die gleiche Betrachtung. Da die Geometrie der Vorrichtung,
etwa die Apertur der Empfangsoptik 12 der Kamera 10,
bekannt ist, kann auch auf den Abstand der Entfernungspunkte A und
B zueinander geschlossen werden. Es ist festzustellen, dass diese
vollständig
koaxiale Anordnung der durch die Lichtquellen 20, 30.
erzeugten Lichtbündel
bei kleinen Erfassungsraumabmessungen im Bereich von 100 mm·100 mm
vorteilhaft sein kann.
Bei der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur zweidimensionalen Abstandsmessung ist wieder eine Kamera 10 vorgesehen,
die in diesem Fall baugleich mit der Kamera der ersten Ausführungsform ist.
Die Kamera erfasst wiederum einen Erfassungsraum R. Es ist eine
nicht koaxial angeordnete Primärlichtquelle
in Form einer Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) 20 vorgesehen,
deren Lichtbündel
koaxial zur Empfangsoptik 12 der Kamera 10 über einen halbdurchlässigen Spiegel 40 eingespiegelt
wird. Das von dem Spiegel 40 ausgehende Lichtbündel wird
in einer Kondensorlinse 26 parallel gerichtet, sodass der
Erfassungsraum R mit einem parallelen Lichtbündel ausgeleuchtet wird. Die
Kondensorlinse 26 dient gleichzeitig als telezentrisches
Objektiv für die
Kamera 10. Über
zwei als Leuchtdioden ausgebildete Sekundärlichtquellen 30 wird
der Erfassungsraum divergent ausgeleuchtet. Eine nicht dargestellte Auswerteeinheit
wertet die Kamerabilder aus.
Der Vorteil dieser Ausführungsform
ist, dass das Kamerabild durch die telezentrische Abbildung des
Erfassungsraumes auf die Kamera besser auswertbar ist, da die von
der Kamera wahrgenommene Größe des Entfernungspunktes
sich nicht mit dem Abstand zur Kamera ändert, sondern konstant beleibt.
Bei der Auswertung der Kamerabilder muss deshalb keine Größenänderung
eines Entfernungspunktes berücksichtigt
werden, wodurch der Auswertealgorithmus einfacher gestaltet werden
kann. Die Sekundärlichtquellen 20 können gleichzeitig
betrieben werden, wenn dies erforderlich ist, um einen Erfassungsraum
R auszuleuchten, der nicht allein mit einer einzigen Sekundärlichtquelle 20 ausgeleuchtet werden
kann. Alternativ kann der Erfassungsraum R unter Verwendung jeweils
einer Sekundärlichtquelle 20 ausgeleuchtet
werden, um an einem Entfernungspunkt A, B ein unterschiedliches
Helligkeitsmuster zu erzielen, das von den unterschiedlichen Relativpositionen
der einzelnen Sekundärlichtquellen 20 herrührt. Tritt
beispielsweise aufgrund eines Hindernisses (nicht gezeigt) im Erfassungsraum
R ein Schatten bei Beleuchtung mit einer Sekundärlichtquelle 20 auf,
kann dann zur Auswertung ein Kamerabild bei Beleuchtung mit der
anderen Sekundärlichtquelle 20 verwendet
werden, bei dem der Schatten an dem Entfernungspunkt A bzw. B nicht
vorhanden ist. Die Auswerteeinheit kann die Auswahl der jeweiligen
Kamerabilder vornehmen. Alternativ kann auch von vorneherein vorgegeben
werden, an welcher Position des Entfernungspunktes A, B dieser mit
einer bestimmten Sekundärlichtquelle 20 beleuchtet
wird.
3 zeigt
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur zweidimensionalen Abstandsmessung mit einer nicht koaxial zu
einer Empfangsoptik 12 einer Kamera 10 angeordneten Primärlichtquelle 20 und
einer ebenfalls nicht koaxial zu dieser Empfangsoptik 12 angeordneten
Sekundärlichtquelle 30,
wobei auch deren Lichtbündel
nicht koaxial zur Empfangsoptik 12 der Kamera 10 verlaufen,
d.h. unter einem Winkel zur Achse der Kameraoptik in den Erfassungsraum
R eintreten. Prinzipiell enthält
hier das Kamerabild die gleiche Information wie bei den beiden vorhergehenden
Ausführungsformen
und kann auf gleiche Weise ausgewertet werden, wobei aufgrund der
quer zur optischen Achse der Empfangsoptik 12 auftretenden
Gradienten ein erhöhter
Aufwand bei der Kalibrierung bzw. der Abstandsberechnung in einer
hierfür
vorgesehenen, aber nicht gezeigten Auswerteeinheit erforderlich
ist. Vorteilhaft ist jedoch die Verwendung getrennter Baugruppen
für die
Kamera, die Primärlichtquelle 20 mit ihrer
zugehörigen
Kondensoranordnung 26 und der Sekundärlichtquelle 30, da
bezüglich
dieser Baugruppen handelsübliche
Elemente miteinander kombiniert werden können und keine Sonderanfertigungen
benötigt
werden.
Die in 4 gezeigte
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur zweidimensionalen Abstandsmessung umfasst eine der Kameraanordnungen
der 1 bis 3 entsprechende Kamera 10,
eine koaxial zu einer Empfangsoptik 12 der Kamera 10 angeordnete
LED 20 mit einer dieser zugeordneten, ebenfalls koaxial
zur Empfangsoptik 12 der Kamera 10 angeordneten
Kondensorlinse 26, eine koaxial zur Empfangsoptik 12 der
Kamera 10 angeordnete LED 30 als Sekundärlichtquelle
sowie eine nicht gezeigte Auswerteeinheit. Die Funktionsweise dieser
Anordnung entspricht derjenigen der Ausführungsform von 1, wobei die Anordnung in Fällen angewandt
werden kann, in denen eine auf der Mittellinie der Empfangsoptik 12 liegende
kleine Lichtquelle entweder nicht störend wirkt oder bei der Auswertung
der Kamerabilder berücksichtigt
werden kann. Es ergibt sich ein sehr kompakter, einfach in ein kleines
Gehäuse
integrierbarer Aufbau.
Bei einer weiteren nicht dargestellten
Ausführungsform
können
die Primärlichtquelle
und/oder die Sekundärlichtquelle
auch unmittelbar neben der Kamera angeordnet sein, sodass die von
ihnen ausgehenden Lichtbündel
als quasi koaxial zur Empfangsoptik der Kamera angesehen werden
können, wodurch
sich ebenfalls ein sehr einfacher und kompakter Aufbau bei geringem
Aufwand für
die Auswertung der Kamerabilder ergibt.