DE10301094B4

DE10301094B4 - Vorrichtung zur Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera

Info

Publication number: DE10301094B4
Application number: DE10301094.7A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hippenmeyer
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: DE10301094A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera, mit – einer einzigen Videokamera (10) zur Aufnahme von Bildern von in einem Erfassungsraum (R) befindlichen Entfernungspunkten (A, B), – einer Primärlichtquelle (20) zur Erzeugung eines Lichtbündels zur Beleuchtung der Entfernungspunkte (A, B) mit einer ersten Beleuchtungsintensität, – einer Sekundärlichtquelle (30) zur Erzeugung eines Lichtbündels zur Beleuchtung der Entfernungspunkte (A, B) mit einer weiteren Beleuchtungsintensität, wobei eines der beiden Lichtbündel parallel und das andere konvergent oder divergent ist, und mit – einer Auswerteeinheit zur Ermittlung des Abstandes der Entfernungspunkte (A, B) zu der Videokamera (10) durch einen Vergleich der über die Pixel der einzigen Videokamera (10) ermittelten, jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten an den Entfernungspunkten (A, B) bei Beleuchtung mit der Primärlichtquelle (20) und bei Beleuchtung mit der Sekundärlichtquelle (30) und mit – einer Kondensoranordnung (26) zur Herstellung eines parallelen Lichtbündels der Primärlichtquelle (20) oder der Sekundärlichtquelle (30), die beispielsweise einen Hohlspiegel, eine Fresnellinse, eine Kondensor- oder Kollimatorlinse oder ein holographisches Element umfasst, wobei die Kondensoranordnung (26) zur telezentrischen Abbildung des Erfassungsraumes (R) auf die Kamera (10) dient.

Description

Vorrichtungen und Verfahren zur Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera unter Verwendung einer Videokamera sind in vielerlei Ausführungsformen bekannt. 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 Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera wiederum in dem erforderlichen komplizierten Systemaufbau.
DE 33 22 710 C2 offenbart eine optische Abstandsmessvorrichtung nach dem Fokusverfahren, die mit zwei in zueinander senkrechten Ebenen polarisiertem Primärlicht arbeitet. Über ein doppelbrechendes optisches Bauelement werden gegenläufige Verschiebungen zweier Brennpunkte erzeugt. Bei in der Mitte der beiden Brennpunkte liegender Messoberfläche wird eine gleiche Intensität der reflektierten Strahlung gemessen. Ein gemessener Intensitätsunterschied gibt eine Abstandsänderung an.
Die JP S63-233 312 A offenbart eine Abstandsmessung zu jedem Punkt auf einer Oberfläche eines Objekts durch Beleuchten des Objekts mit Licht von einer Vielzahl von Punktlichtquellen und Aufnehmen der Bilder des von dem Objekt reflektierten Lichtes durch ein Bildaufnahmemittel und Berechnen der Helligkeitsverteilung in dem erhaltenen Bild. Aus der erhaltenen Helligkeitsverteilung können anhand einer Nachschlagetabelle die entsprechenden Entfernungen ermittelt werden.
Die US 5 930 383 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines dreidimensionalen Tiefen- und Helligkeitsbildes einer Szene. Die Szene wird nacheinander mit mehreren Punktlichtquellen beleuchtet, die sich jeweils an einem im Voraus festgelegten Ort in einem Referenzkoordinatensystem befinden. Die resultierenden Reflexionen werden von einer stationären digitalen Kamera erfasst, die jedes Szenenelement in ein entsprechendes Bildpixel abbildet, um eine zweidimensionale Helligkeitskarte vorzusehen. Es werden durch Verwendung unterschiedlicher Punktlichtquellen jeweils mehrere Helligkeitskarten erzeugt. Durch Verrechnen der Helligkeitskarten kann die räumliche Lage jedes Szenenelements relativ zu den festen Punktlichtquellen ermittelt werden.
Die JP 2001 304 821 A offenbart eine Bildaufnahmevorrichtung und ein Entfernungsmessverfahren, bei dem ein zu vermessendes Objekt mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen beleuchtet wird und das reflektierte Licht spektroskopisch getrennt wird. Die Intensität des so getrennten reflektierten Lichts wird gemessen und aus den Messwerten ein Tiefenbereich des zu vermessenden Objekts berechnet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera 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.
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 Lichtbündel 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, 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 nicht erfindungsgemäße 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 Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
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 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 Sekundärlichtquellen 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 Algorithmen, 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 Hintergrundhelligkeit 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 Messung des Abstandes von Enffernungspunkten zu einer Kamera 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 Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera 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 ausgestrahlte 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 Entfernungspunkten A, B erzielte Helligkeit konstant, wohingegen die durch die Sekundärlichtquelle 30 an den Entfernungspunkten 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 Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera 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 42 eingespiegelt wird. Das von dem Spiegel 42 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 Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera 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 die 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 Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera 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.
Bezugszeichenliste

10: Kamera
12: Empfangsoptik
14: Kamerabildaufnehmer
20: Primärlichtquelle, LED
26: Kondensoranordnung, Kondensorlinse, Kollimatorlinse, Hohlspiegel, HOE
30: Sekundärlichtquelle, LED
40: optisches Element, Spiegel
42: optisches Element, Spiegel
A: Entfernungspunkt
B: Entfernungspunkt
r: Abstand Entfernungspunkt-Lichtquelle
P: Position Sekundärlichtquelle
R: Erfassungsraum
⌀₁: Lichtstrom Primärlichtquelle
⌀₂: Lichtstrom Sekundärlichtquelle

Claims

Vorrichtung zur Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera, mit – einer einzigen Videokamera (10) zur Aufnahme von Bildern von in einem Erfassungsraum (R) befindlichen Entfernungspunkten (A, B), – einer Primärlichtquelle (20) zur Erzeugung eines Lichtbündels zur Beleuchtung der Entfernungspunkte (A, B) mit einer ersten Beleuchtungsintensität, – einer Sekundärlichtquelle (30) zur Erzeugung eines Lichtbündels zur Beleuchtung der Entfernungspunkte (A, B) mit einer weiteren Beleuchtungsintensität, wobei eines der beiden Lichtbündel parallel und das andere konvergent oder divergent ist, und mit – einer Auswerteeinheit zur Ermittlung des Abstandes der Entfernungspunkte (A, B) zu der Videokamera (10) durch einen Vergleich der über die Pixel der einzigen Videokamera (10) ermittelten, jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten an den Entfernungspunkten (A, B) bei Beleuchtung mit der Primärlichtquelle (20) und bei Beleuchtung mit der Sekundärlichtquelle (30) und mit – einer Kondensoranordnung (26) zur Herstellung eines parallelen Lichtbündels der Primärlichtquelle (20) oder der Sekundärlichtquelle (30), die beispielsweise einen Hohlspiegel, eine Fresnellinse, eine Kondensor- oder Kollimatorlinse oder ein holographisches Element umfasst, wobei die Kondensoranordnung (26) zur telezentrischen Abbildung des Erfassungsraumes (R) auf die Kamera (10) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel der Primärlichtquelle (20) parallel ist, und dass das Lichtbündel der Sekundärlichtquelle (30) divergent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel der Primärlichtquelle (20) und/oder das Lichtbündel der Sekundärlichtquelle (30) koaxial zu einer Empfangsoptik (12) der Kamera (10) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel der Primärlichtquelle (20) und das Lichtbündel der Sekundärlichtquelle (30) nicht koaxial zur Empfangsoptik (12) der Kamera (10) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element (40, 42), vorzugsweise zumindest ein halbdurchlässiger Spiegel, zur koaxialen Ausrichtung des Lichtbündels der Primärlichtquelle (20) und/oder Sekundärlichtquelle (30) zur Empfangsoptik (12) der Kamera (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärlichtquelle (20) und/oder die Sekundärlichtquelle (30) als Punktlichtquelle, vorzugsweise als Leuchtdiode ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehreren Primärlichtquellen (20) oder mehreren Sekundärlichtquellen (30) eine gemeinsame Kondensoranordnung (26) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (20, 30) zur Ausstrahlung von Licht im IR-Bereich ausgelegt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung des Abstandes von Entfernungspunkten zu einer Kamera in ein einziges Gehäuse integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Abstandsmessung im Nahbereich von Entfernungspunkten (A, B) mit einer Größe im Bereich zwischen 1 und 4 mm vorgesehen ist.
Verfahren zum Messen des Abstandes von Entfernungspunkten (A, B) in einem Erfassungsraum (R) zu einer Kamera, wobei – der Erfassungsraum (R) mit einem von einer Primärlichtquelle (20) erzeugten parallelen Lichtbündel ausgeleuchtet wird, sodass die im Erfassungsraum (R) befindlichen Entfernungspunkte (A, B) mit einer ersten Beleuchtungsintensität beleuchtet werden, – bei dieser Ausleuchtung ein erstes Bild des Erfassungsraumes (R) mit den in diesem befindlichen mehreren Entfernungspunkten (A, B) von einer einzigen Videokamera (10) aufgenommen wird, – der Erfassungsraum (R) mit einem von einer Sekundärlichtquelle (30) erzeugten, gegenüber dem von der Primärlichtquelle (20) erzeugten Lichtbündel verschiedenen, divergenten oder konvergenten Lichtbündel ausgeleuchtet wird, sodass die im Erfassungsraum (R) befindlichen Entfernungspunkte (A, B) mit einer weiteren Beleuchtungsintensität beleuchtet werden, – bei dieser Ausleuchtung ein weiteres Bild des Erfassungsraumes (R) mit den in diesem befindlichen Entfernungspunkten (A, B) von der einzigen Videokamera (10) aufgenommen wird, – wobei das eine parallele Lichtbündel der Primärlichtquelle (20) oder der Sekundärlichtquelle (30) mittels einer Kondensoranordnung (26) hergestellt wird, wobei die Kondensoranordnung (26) zur telezentrischen Abbildung des Erfassungsraumes (R) auf die Kamera (10) dient, und – die beiden von der einzigen Videokamera (10) aufgenommenen Bilder in einer Auswerteeinheit verarbeitet werden, um über einen Vergleich der über die Pixel der einzigen Videokamera (10) ermittelten, jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten an den Entfernungspunkten (A, B) deren Abstand zu der Videokamera (10) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – der Erfassungsraum (R) von der Primärlichtquelle (20) mit einem parallelen Lichtbündel ausgeleuchtet wird, und dass – der Erfassungsraum (R) von der Sekundärlichtquelle (30) mit einem divergenten Lichtbündel ausgeleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass – der Erfassungsraum (R) mit einem weiteren, von einer weiteren Sekundärlichtquelle (30) erzeugten Lichtbündel ausgeleuchtet wird, sodass die im Erfassungsraum (R) befindlichen Entfernungspunkte (A, B) mit einer weiteren Beleuchtungsintensität beleuchtet werden, – bei dieser Ausleuchtung ein weiteres Bild des Erfassungsraumes (R) mit den in diesem befindlichen Entfernungspunkten (A, B) von der Kamera (10) aufgenommen wird, und – von der Auswerteeinheit entschieden wird, welches der bei Beleuchtung mit den Sekundärlichtquellen (30) aufgenommenen Bilder zur Ermittlung der Entfernungspunktabstände am besten geeignet ist, oder die von den Sekundärlichtquellen (30) aufgenommenen Bilder miteinander verrechnet werden, vorzugsweise indem ein Mittelwert gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbündel der Primärlichtquelle (20) und/oder der Sekundärlichtquelle (30) koaxial zur Empfangsoptik (12) der Kamera (10) eingespiegelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch nicht koaxial zu einer Empfangsoptik (12) der Kamera (10) verlaufende Lichtbündel erzeugte Gradienten der Beleuchtungsintensität im Erfassungsraum (R) in der Auswerteeinheit über Kalibrierung und/oder Algorithmen herausgefiltert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dass zur Berücksichtigung von Einflussgrößen, wie etwa Hintergrundhelligkeit oder Randabfall der durch die Sekundärlichtquelle (30) erzeugten Beleuchtungsintensität, eine Aufnahme der Kamera (10) ohne Beleuchtung durch die Primär- und Sekundärlichtquellen (20, 30) in die Auswertung mit einbezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein paralleles Lichtbündel von der Primärlichtquelle (20) oder der Sekundärlichtquelle (30) an den Entfernungspunkten eine unveränderliche Beleuchtungsintensität erzielt wird, durch ein divergentes Lichtbündel von der Primärlichtquelle (20) oder der Sekundärlichtquelle (30) an den Entfernungspunkten eine mit zunehmender Entfernung abnehmende Beleuchtungsintensität erzielt wird, und durch ein konvergentes Lichtbündel von der Primärlichtquelle (20) oder der Sekundärlichtquelle (30) an den Entfernungspunkten eine mit zunehmender Entfernung zunehmende Beleuchtungsintensität erzielt wird.