DE10355352A1

DE10355352A1 - Imaging optical system for car inspection has curved surfaces so that object movement along line through image plane does not change image shape

Info

Publication number: DE10355352A1
Application number: DE10355352A
Authority: DE
Inventors: Peter Ott
Original assignee: Ott Peter Prof
Current assignee: Ott Peter Prof
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2004-06-03
Also published as: WO2004048890A1; AU2003289808A1

Abstract

An imaging optical system (1) is laid out using curved surfaces (2) so that when the object point (4, 5) is moved along a line (3) that cuts the image plane (8), the image (4', 5') remains in the same plane and changes only in size and not in shape. Includes Independent claims for measurement equipment using the optical system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abbildungsoptik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren zur optischen Bestimmung der Entfernung zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to imaging optics the preamble of claim 1 and a method for optical Determination of the distance between a measuring device and a Object according to the preamble of claim 13 and a device to carry out of the procedure.

Stand der Technik:State of the art:

Eine berührungslose Entfernungsmessung zu einem Messobjekt kann über sogenannte optische Triangulationssensoren vorgenommen werden. In der Industrie werden solche Triangulationssensoren für die Inspektion gefertigter mechanischer Bauteile und die Ermittlung der Form von Bauteilen mit Freiformflächen und beispielsweise anschließende Rückführung der Daten in ein CAD-System verwendet. Mittels Triangulationssensoren kann auch die Breite von Spalten, z.B. Spalt zwischen Tür und Karosserie an einem Auto oder Kanten, vermessen werden.A non-contact distance measurement too a measurement object can over so-called optical triangulation sensors are made. In the Industry, such triangulation sensors are manufactured for inspection mechanical components and determining the shape of components with free-form surfaces and, for example, subsequent repatriation of the Data used in a CAD system. Using triangulation sensors the width of columns, e.g. Gap between door and body on a car or edges.

Aus der deutschen Patentschrift DE 35 07 445 C2 ist ein Verfahren zur optischen Bestimmung der Entfernung zwischen einer Messvorrichtung und wählbaren Stellen auf der Oberfläche eines Prüflings bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Marke auf eine ausgewählte Stelle projiziert und mittels einer Abbildungsoptik auf die Messvorrichtung abgebildet, wobei aus der Bildweite der Marke die zu bestimmende Entfernung ermittelt wird. Dabei wird eine Abbildungsoptik mit sphärischer Aberration eingesetzt, bei welcher unter Ausschluss des achsnahen Strahlenganges in einer die optische Achse der Abbildungsoptik konzentrisch umgebenden Ringzone die von der Marke ausgehenden Strahlen gesammelt werden. Die Lage der Ringzone dient als Maß für die Bestimmung der Bildweite. Für die Bestimmung der Lage der Bildzone ist allerdings ein spezieller vergleichsweise teurer optischer Detektor erforderlich. Zudem ist die Unterdrückung von Störlicht bei diesem Detektor nur bedingt möglich, was die Messgenauigkeit beschränkt.From the German patent specification DE 35 07 445 C2 a method for optically determining the distance between a measuring device and selectable locations on the surface of a test specimen is known. In this method, a mark is projected onto a selected location and imaged on the measuring device by means of imaging optics, the distance to be determined being determined from the image width of the mark. Imaging optics with spherical aberration are used in which the rays emanating from the mark are collected in an annular zone concentrically surrounding the optical axis of the imaging optics, with the exclusion of the beam path close to the axis. The position of the ring zone serves as a measure for determining the image width. However, a special, comparatively expensive optical detector is required to determine the position of the image zone. In addition, suppression of stray light is only possible to a limited extent with this detector, which limits the measurement accuracy.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung:Task and advantages of Invention:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei Entfernungsmessvorrichtungen kleine flächige Detektoren, wie z.B. handelsübliche CCD- oder CMOS-Detektoren einsetzen zu können.The invention has for its object, in particular small area detectors for distance measuring devices, e.g. commercially available CCD or to be able to use CMOS detectors.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1, 13 sowie 14 gelöst.This task is due to the characteristics of claims 1, 13 and 14 solved.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäflige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.Advantageous and expedient further developments are in the subclaims specified the invention.

Zunächst geht die Erfindung von einer Abbildungsoptik mit Abbildungsmittel aus, die wenigstens eine gekrümmte Fläche umfassen und aus einem Objektpunkt ein Bild in einer Ebene (Bildebene) erzeugen. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass die Abbildungsmittel derart ausgelegt sind, dass bei Verschiebung des Objektpunktes entlang wenigstens einer Achse (Verschiebeachse), die die Bildebene schneidet, das Bild immer in der gleichen Bildebene entsteht, d.h. die Bildebene bleibt unverändert an der gleichen Position, und dass mit Ausnahme eines einzigen Falles, in dem es zu einer Punkt zu Punkt-Abbildung kommt, der auftreten kann, wenn das Bild des Objektpunktes auf der Verschiebeachse liegt, die die Bildebene schneidet, das Bild aus wenigstens einer gekrümmten Linie, aus mehreren geraden Linienstücken oder aus wenigstens einem gekrümmten und einem geraden Linienstück besteht. Diese Vorgehensweise hat insbesondere im Vergleich zu der in der DE 35 07 445 C2 offenbarten Messvorrichtung den Vorteil, dass ein flächiger herkömmlicher Detektor zur Detektion des Bildes einsetzbar ist, und zudem das Bild eines Objektpunktes in einem vergleichsweise kleinen Bereich erzeugt werden kann, was insbesondere den Einsatz von herkömmlichen CCD- oder CMOS-Detektoren erlaubt, um das Bild auswerten zu können. Für einen kompakten Aufbau kann es vorteilhaft sein, wenn die Abbildungsmittel auf dem Detektor, z.B. durch Kleben direkt aufgebracht sind. Bei einer herkömmlichen Abbildungsoptik verschiebt sich die Bildebene, wenn ein Objektpunkt entlang der optischen Achse verschoben wird. Bei der vorliegenden Optik ergibt sich die immer gleiche Bildebene aus der Summe der Abbildungen in allen Tangentialebenen. Tangentialebenen sind alle Ebenen, die die Verschiebeachse enthalten. Betrachtet man eine Tangentialebene und die Abbildung von Objektpunkten darin, wird ein Objektpunkt der entlang der Verschiebeachse verschoben wird, immer auf eine gerade Linie abgebildet, wobei in jeder Tangentialebene die optische Achse und die Verschiebeachse auseinanderfallen. Alle geraden Linien, auf denen die Bilder verschiedener Objektpunkte entlang der Verschiebeachse für die verschiedenen Tangentialebenen entstehen, liegen zudem in einer Ebene, nämlich der ausgezeichneten Bildebene. In jeder Tangentialebene ist deren optische Achse eine an der gekrümmten Fläche geknickte Linie. In einem tatsächlichen Aufbau ist ein Objektpunkt naturgemäß nie ein idealer Punkt auf der Verschiebeachse, sondern wird immer als ein ausgedehnter Lichtfleck mit einer wenn auch kleinen Dimension senkrecht zur Verschiebeachse vorliegen. Dadurch wird in der Bildebene eine Figur entstehen, die leicht unscharf ist, da der Objektpunkt Anteile hat, die nicht auf der Verschiebeachse liegen. Nur ein Punkt auf der Verschiebeachse wird scharf in die Bildebene abgebildet. Die Optik lässt sich jedoch so auslegen, dass die Breite der Linienfigur, die insbesondere von der unscharfen Abbildung herrührt, eine Abstandsmessung nicht beeinträchtigt.First of all, the invention is based on imaging optics with imaging means that comprise at least one curved surface and generate an image in one plane (image plane) from an object point. The essence of the invention lies in the fact that the imaging means are designed such that when the object point is moved along at least one axis (displacement axis) that intersects the image plane, the image always arises in the same image plane, ie the image plane remains unchanged on the same Position, and with the exception of a single case in which a point-to-point mapping occurs, which can occur if the image of the object point lies on the displacement axis that intersects the image plane, the image from at least one curved line consists of several straight line pieces or at least one curved and one straight line piece. This approach has particularly compared to that in the DE 35 07 445 C2 disclosed measuring device the advantage that a flat conventional detector can be used to detect the image and that the image of an object point can be generated in a comparatively small area, which in particular allows the use of conventional CCD or CMOS detectors to evaluate the image to be able to. For a compact structure, it can be advantageous if the imaging means are applied directly to the detector, for example by gluing. With conventional imaging optics, the image plane shifts when an object point is shifted along the optical axis. In the present optics, the same image plane always results from the sum of the images in all tangential planes. Tangential planes are all planes that contain the displacement axis. If you consider a tangential plane and the representation of object points in it, an object point that is displaced along the displacement axis is always depicted on a straight line, the optical axis and the displacement axis falling apart in each tangential plane. All straight lines on which the images of different object points are created along the displacement axis for the different tangential planes also lie in one plane, namely the excellent image plane. In each tangential plane, its optical axis is a line that is bent on the curved surface. In an actual construction, an object point is naturally never an ideal point on the displacement axis, but will always be present as an extended light spot with a dimension, albeit small, perpendicular to the displacement axis. This will result in a figure in the image plane that is slightly out of focus, since the object point has portions that are not on the displacement axis. Only a point on the displacement axis is sharply imaged in the image plane. However, the optics can be designed so that the width of the line figure, which results in particular from the blurred image, does not impair a distance measurement.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Bildebene senkrecht zur Verschiebeachse. Durch diese Maßnahme kann die Abbildungsoptik symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch um eine Achse, die vorzugsweise mit der Verschiebeachse zusammenfällt, aufgebaut werden.In a particularly preferred embodiment of the invention, the image plane runs perpendicular to the displacement axis. This measure can the imaging optics are constructed symmetrically, in particular rotationally symmetrically, about an axis which preferably coincides with the displacement axis.

Liegt der Objektpunkt, z.B. eine Lichtmarke auf dem zu messenden Objekt, nicht exakt auf der Verschiebe- bzw. Symmetrieachse, entsteht auf einem Detektor in der Bildebene ein unscharfer Kreis, dessen Mittelpunkt nicht auf der Verschiebeachse liegt. Aus der Bestimmung der Lage und eventuell der Größe kann jedoch auf die Position der Stelle auf dem Objekt, d.h. auf den Abstand zur Verschiebeachse senkrecht zur Verschiebeachse geschlossen werden.Is the object point, e.g. a Light mark on the object to be measured, not exactly on the displacement or axis of symmetry, arises on a detector in the image plane a blurred circle, the center of which is not on the axis of displacement. From the determination of the location and possibly the size, however, the position the location on the object, i.e. on the distance to the displacement axis be closed perpendicular to the axis of displacement.

Die wenigstens eine gekrümmte Fläche muss nicht durchgehend rotationssymmetrisch sein, sie kann im Hinblick auf eine Verschiebeachse dahingehend symmetrisch sein, dass sie in Umfangsrichtung aus mehreren Segmenten besteht. Sie kann auch völlig unsymmetrisch sein, d.h. dass jede Schnittlinie mit einer Ebene senkrecht zur Verschiebeachse eine andere nicht rotationssymmetrische Linienform, die auch unterbrochen sein kann, aufweist. Dementsprechend können in Richtung der Verschiebeachse betrachtet beliebige gekrümmte Abschnitte zur Anwendung kommen, die zudem unterbrochen sein können.The at least one curved surface must not be rotationally symmetrical throughout, it can with regard be symmetrical on a displacement axis in that they consists of several segments in the circumferential direction. You can too completely be unbalanced, i.e. that every cut line with a plane another not rotationally symmetrical perpendicular to the axis of displacement Line shape, which can also be interrupted. Accordingly can any curved sections are viewed in the direction of the displacement axis Applications that may also be interrupted.

Beim Einsatz einer gekrümmten Fläche, die um die Verschiebeachse rationssymmetrisch ist, werden sich als Bilder Kreise ergeben. Durch nicht rotationssymmetrische gekrümmte Flächen können beliebige gerade oder gekrümmte Linien im Bild erzeugt werden.When using a curved surface that is around the axis of displacement is ration-symmetrical, will appear as pictures Circles result. Any surface can be created by non-rotationally symmetrical curved surfaces straight or curved Lines are created in the image.

Die wenigstens eine gekrümmte Fläche ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass bei einer Verschiebung des Objektpunktes entlang der Verschiebeachse sich die Struktur des Bildes, d.h. eine abgebildete Linienstruktur nicht ändert, sondern lediglich die Größe dieser Struktur. Die Abbildung über die gekrümmte Linie hat im Weiteren vorteilhafterweise die Eigenschaft, dass die Lage des Bildes um die Verschiebeachse gleich bleibt, wenn der Objektpunkt entlang der Verschiebeachse verschoben wird. Hierdurch wird auch bei einer größeren Verschiebung des Objektpunktes entlang der Verschiebeachse das Bild immer um eine Art imaginäres Zentrum erzeugt, bezüglich dessen die Position der Bildstruktur gleich bleibt, lediglich deren Größe variiert.The at least one curved surface is preferred designed such that when the object point is shifted along the axis of displacement the structure of the image, i.e. a line structure shown does not change, only the Size of this Structure. The picture above the curved one In addition, the line advantageously has the property that the The position of the image around the displacement axis remains the same when the object point is along the shift axis is shifted. This will also with a major shift of the object point along the shift axis always around the image a kind of imaginary Center generated, regarding whose position the image structure remains the same, only that Size varies.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung arbeitet die wenigstens eine gekrümmte Fläche als Spiegel. Im einfachsten Fall besteht der Aufbau aus einem insbesondere rotationssymmetrischen Hohlspiegel. Die Spiegelfläche kann auch so aufgebaut sein, dass Querschnitte elliptisch sind bzw. eine davon leicht abweichende Raumlinie verwirklichen, wodurch sich die Abbildungsqualität eines Objektpunktes außerhalb einer Position der Verschiebeachse verbessern lässt. Die Reflexionsfläche kann auch derart ausgestaltet sein, dass die Reflexion aufgrund von totaler interner Reflexion zustande kommt und damit keine Beschichtung zur Reflexion nötig ist.In a particularly preferred embodiment the at least one curved surface works as a mirror. In the simplest In this case, the structure consists of a, in particular, rotationally symmetrical concave mirror. The mirror surface can also be constructed so that cross sections are elliptical or realize a slightly different spatial line, whereby the image quality of an object point outside a position of the displacement axis can be improved. The reflection surface can also be designed such that the reflection is due to total internal reflection occurs and therefore no coating is used Reflection needed is.

Anstatt eines Hohlspiegels kann auch ein Körper, insbesondere rotationssymmetrischer Körper, aus transparentem Material, z.B. Glas oder Kunststoff zur Anwendung kommen, an dem die Reflexionsfläche außen angebracht ist. Zusätzlich lassen sich an diesem Körper Brechflächen realisieren, die dazu dienen, die Abbildungsqualität zu verbessern und den Abbildungsmaßstab zu verändern. Eine Brechfläche kann ein Ausschnitt aus einem kreisförmigen Torus sein oder leicht vom kreisförmigen Querschnitt abweichen, um die Abbildungsqualität zu erhöhen. Für den Fall, dass die Abbildungsmittel im wesentlichen aus einem Körper bestehen, ist keine gegenseitige Justage von optischen Elementen erforderlich. Die Reflexionsfläche kann auch als Ausschnitt eines Kegels realisiert sein. In diesem Fall wird die zur Abbildung notwendige Brechkraft allein durch weitere Brechflächen erzeugt.Instead of a concave mirror, too a body, in particular rotationally symmetrical body, made of transparent material, e.g. Glass or plastic are used, to which the reflective surface is attached on the outside is. additionally can be on this body refractive surfaces realize that serve to improve the image quality and the image scale to change. A crushing surface can be a section of a circular torus or light from circular Cross-section to increase the image quality. In the event that the imaging media essentially from one body exist, there is no mutual adjustment of optical elements required. The reflective surface can also be realized as a section of a cone. In this The refractive power necessary for imaging becomes the case solely by further refractive surfaces generated.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Abbildungsmittel mehrere gekrümmte, insbesondere rotationssymmetrische Reflexionsflächen. Dadurch kann die Abbildungsqualität, der Abbildungsmaßstab, der Winkel unter dem die gestreuten Strahlen eines Objektpunktes von der Optik gesammelt werden sowie der Einfallswinkel der Strahlen in eine Bildebene, in der z.B. ein Detektor angeordnet ist, gegenüber der Verwendung von nur einer Reflexionsfläche verbessert werden.In a further preferred embodiment of the Invention, the imaging means comprise a plurality of curved ones, in particular rotationally symmetrical reflection surfaces. As a result, the image quality, the image scale, the Angle at which the scattered rays of an object point from the optics and the angle of incidence of the rays into an image plane in which e.g. a detector is arranged opposite the Using only one reflection surface can be improved.

Vorteilhafterweise sind die Reflexionsflächen in einem einzigen Bauteil angeordnet, so dass eine gegenseitige Justage entfällt. Um das Auffangen von größeren Strahlenbündeln und damit eine lichtempfindlichere Detektion zu erlauben, kann die eine oder mehrere Reflexionsflächen einen insbesondere ringförmigen Schlitz aufweisen, durch den Strahlen von einem weiter außen liegenden Spiegel hindurchtreten.The reflection surfaces are advantageously in a single component arranged so that a mutual adjustment eliminated. To collect larger beams and in order to allow a more light-sensitive detection, one or several reflection surfaces one particularly ring-shaped Have slit, by the rays from a further out Step through the mirror.

Neben einer reflektierenden gekrümmten Fläche in der elliptischen oder einer leicht davon abweichenden Querschnittsform kann vorteilhafterweise auch eine hyperbolische oder eine davon leicht abweichende Form in Alleinstellung oder Ergänzung zur Anwendung kommen. Für die Aufnahme des Bildes in der Bildebene ist es nicht unbedingt erforderlich, dass dort der Detektor angeordnet wird. Das Bild der Bildebene kann auch lediglich z.B. eine virtuelle Zwischenebene darstellen. Über eine nachfolgende konventionelle Abbildungsoptik kann dann die Zwischenbildebene auf eine weitere Ebene, z.B. eine Detektorebene abgebildet werden.In addition to a reflective curved surface in the elliptical or a slightly different cross-sectional shape can advantageously also be a hyperbolic or one of them slightly different form in isolation or supplement to Application come. For it is not absolutely necessary to take the picture in the picture plane required that the detector be arranged there. The picture of the Image plane can also e.g. a virtual intermediate level represent. about a subsequent conventional imaging optics can then the intermediate image plane to another level, e.g. a detector plane can be mapped.

In einer überdies bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Zentrum der Abbildungsmittel eine Abbildungsoptik vorgesehen, die es erlaubt, mit einem Detektor in der Bildebene gleichzeitig die Oberfläche des Messobjekts zu beobachten. Auf diese Weise lässt sich z.B. feststellen, wo eine Messstelle sich auf der gewünschten Stelle der Topografie des Messobjekts befindet. Die Messstelle wird vorzugsweise auf die Stelle des Detektors abgebildet, an welcher die Verschiebeachse den Detektor schneidet. Bis auf einen einzigen ausgezeichneten Punkt werden auf dem Detektor regelmäßig nur Kreisringe abgebildet, die sich um das Bild der Messstelle auf dem Detektor anordnen, wodurch diese Art der Beobachtung ohne Überlagerungen möglich ist.In a further preferred embodiment of the invention, an imaging optical system is provided in the center of the imaging means, which allows the surface of the measurement object to be observed simultaneously with a detector in the image plane. In this way it can be determined, for example, where a measuring point is located at the desired point in the topography of the measuring object. The measuring point is preferably mapped to the position of the detector which intersects the displacement axis of the detector. Except for a single excellent point, only circular rings are arranged on the detector, which are arranged around the image of the measuring point on the detector, so that this type of observation is possible without superimposition.

Die beschriebene Abbildungsoptik lässt sich bevorzugt zur Bestimmung der Entfernung einer Messvorrichtung mit einer solchen Abbildungsoptik zu einem Objektpunkt verwenden.The described imaging optics can be preferred to determine the distance of a measuring device with one Use imaging optics for an object point.

Bei einem entsprechenden Verfahren, bei welchem eine Marke auf die ausgewählte Stelle projiziert wird und von dieser Marke über wenigstens eine gekrümmte Fläche von Abbildungsmitteln der Abbildungsoptik in einer Bildebene ein Bild erzeugt wird, liegt der Kerngedanke der Erfindung darin, dass durch die Abbildungsmittel das Bild immer in der gleichen Bildebene entsteht, auch wenn der Objektpunkt entlang wenigstens der Verschiebeachse verschoben wird, die die Bildebene schneidet und mit Ausnahme eines einzigen Falles, in dem es zu einer Punkt zu Punkt-Abbildung kommt, als Bild wenigstens eine gekrümmte Linie, mehrere gerade Linienstücke oder wenigstens eine gekrümmte und wenigstens eine gerade Linie erzeugt wird und aus der Größe der Linienstrukturen in der Bildebene der Abstand zum Objektpunkt bestimmt wird. Liegt das Bild des Objektpunktes auf der Verschiebeachse, kann sich eine Punkt zu Punkt-Abbildung ergeben. Das setzt voraus, dass sich die Lage einer Linienstruktur bei Verschiebung des Objektpunktes entlang der Verschiebeachse nicht ändert, sondern lediglich deren Größe, so dass in einem Fall das "Linien-Bild" in einen einzigen Punkt "zusammenschrumpft", der sich dann auf der Verschiebeachse befinden kann.With an appropriate procedure, at which a mark is projected onto the selected location and from this brand over at least one curved area of imaging means of imaging optics in an image plane Image is generated, the main idea of the invention is that by the imaging means the image is always created in the same image plane, even if the object point is along at least the axis of displacement that intersects the image plane and with the exception of one only case in which a point-to-point mapping occurs, as a picture at least a curved one Line, several straight line pieces or at least a curved one and at least one straight line is generated and from the size of the line structures the distance to the object point is determined in the image plane. Lies the image of the object point on the displacement axis can be a Point-to-point mapping. That presupposes that the Position of a line structure when moving the object point along the displacement axis does not change, just their size, so that in one case the "line image" into one Point "shrinks" which then turns on the displacement axis can be.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist neben einer oben beschriebenen Abbildungsoptik auch Mittel zur Projektion einer Marke, z.B. eine Laserdiode auf, deren Licht entlang der Verschiebeachse ausgerichtet ist. Durch das Abbilden eines Objektpunktes in eine Ebene in einen zudem kleinen Flächenbereich, lassen sich herkömmliche und damit kostengünstige Detektoren für eine derartige Messvorrichtung verwenden.A device for carrying out the In addition to the imaging optics described above, the method has also means for projecting a brand, e.g. a laser diode on, whose light is aligned along the displacement axis. By the mapping of an object point into a plane in a small one Area, can be conventional and thus inexpensive Detectors for use such a measuring device.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind vor und oder nach den Abbildungsmittel Scannmittel vorgesehen. Durch die Scannmittel kann ein Beleuchtungsstrahl der Mittel zur Projektion und das reflektierte Licht auf einen Detektor, also der Detektionsstrahl, gescannt werden, so dass nicht nur eine Messstelle gemessen wird, sondern durch das Scannen eine Abfolge von Messstellen, d.h. ein Linienzug. Zum Scannen eignen sich z.B. bewegbare Spiegel oder Prismen, z. B. ein rotierender Polygonspiegel oder ein rotierender Glaskeil. Dadurch können ohne die Messvorrichtung zu bewegen, auf einem Objekt verschiedene Objektstellen vermessen werden. Am Detektor selber ändert sich für das entstehende Bild nichts, solange die optischen Weglängen sich durch das Scannen in Bezug auf die Objektstelle nicht ändern. Durch das gleichzeitige Scannen von Beleuchtungsstrahl und Detektionstrahl wird sich jedoch regelmäßig die optische Weglänge ändern, so dass auf dem Detektor zwar die Lage einer entstehenden Linienfigur, z.B. eines Kreises konstant bleibt, aber nicht dessen Größe. Diese ändert sich in zeitlicher Abfolge des Scannvorgangs entsprechend dem gescannten Abstandsprofil auf dem Messobjekt.In a preferred embodiment of the device are scanning means before and or after the imaging means intended. An illuminating beam can be scanned by the scanning means Projection means and the reflected light onto a detector, ie the detection beam, are scanned so that not only one Measuring point is measured, but by scanning a sequence from measuring points, i.e. a line train. For scanning, e.g. movable mirrors or prisms, e.g. B. a rotating polygon mirror or a rotating glass wedge. This allows without the measuring device to move, different object locations are measured on an object. Changes on the detector itself for the resulting image is nothing as long as the optical path lengths change do not change by scanning for the object location. By the simultaneous scanning of the illumination beam and detection beam However, the change optical path length so that the position of an emerging line figure on the detector, e.g. of a circle remains constant, but not its size. This changes in chronological order of the scanning process according to the scanned Distance profile on the measurement object.

Im weiteren ist es besonders bevorzugt, wenn Scannmittel vorhanden sind, um nur den von den Mitteln zur Projektion einer Marke erzeugten Beleuchtungsstrahl zu scannen. Durch diese Maßnahme ergeben sich Linienfiguren in zeitlicher Abfolge auf dem Detektor, deren Lage, z.B. der Mittelpunkt eines Kreises, und Größe, z.B. der Durchmesser des Kreises, auf dem Detektor variiert. Zudem wird die Linienfigur in der Regel unscharf, wenn der gescannte Beleuchtungsstrahl Objektpunkte beleuchtet, die außerhalb der Verschiebeachse bzw. Symmetrieachse liegen. Das System kann so ausgelegt werden, dass aus der Bestimmung der Parameter der Linienfigur, z.B. Durchmesser und Mittelpunkt eines Kreises, auf den Abstand des dazugehörigen Objektpunkts und eventuell auf dessen Ort auf dem Objekt geschlossen werden kann.Furthermore, it is particularly preferred if Scanning means are available to only those from the means for projection to scan a beam of illumination generated. Through this measure there are line figures in chronological order on the detector, their location, e.g. the center of a circle, and size, e.g. the diameter of the circle on the detector varies. In addition, the line figure is usually out of focus when the scanned illuminating beam Object points illuminated, the outside the displacement axis or axis of symmetry. The system can be designed so that from the determination of the parameters of the line figure, e.g. Diameter and center point of a circle, on the distance of the associated object point and may be inferred on the location of the object.

Bei einer überdies bevorzugten Ausführungsform erzeugen die Mittel zur Projektion mehrere Beleuchtungsstrahlen für mehrere Marken. Dadurch entstehen mehrere Linienfiguren gleichzeitig auf einem Detektor. In der Regel werden die Linienfiguren, die zu Beleuchtungsstrahlen außerhalb der Verschiebeachse bzw. Symmetrieachse gehören, auf dem Detektor, wie oben beschrieben, unscharf. Dennoch kann bei geeigneter Auslegung des Systems aus der Bestimmung der Parameter der Linienfigur und/oder der Schnittpunkte der Linienfiguren auf den Abstand der zu den einzelnen Beleuchtungsstrahlen gehörenden Objektpunkte geschlossen werden. Die Lage der jeweiligen Linienfigur auf dem Detektor kann zur Zuordnung der Linienfigur zum jeweiligen Beleuchtungsstrahl dienen.In a further preferred embodiment the means for projecting generate multiple illuminating beams for many Brands. This creates several line figures at the same time a detector. As a rule, the line figures become lighting rays outside the displacement axis or axis of symmetry belong on the detector, such as described above, out of focus. Nevertheless, with a suitable design of the system from the determination of the parameters of the line figure and / or the Intersection of the line figures on the distance from the individual Belonging to lighting beams Object points are closed. The location of each line figure on the detector can be used to assign the line figure to the respective Serve lighting beam.

Vorzugsweise ist die Helligkeit des von den Mitteln zur Projektion einer Marke erzeugten Beleuchtungsstrahl einstellbar. Damit können die auf dem Objekt erzeugten Marken immer möglichst gleich hell auf den Detektor abgebildet werden.Preferably, the brightness of the Illumination beam generated by the means for projecting a mark adjustable. So that can the marks created on the object are always as bright as possible on the Detector are imaged.

Zeichnungen:Drawings:

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Es zeigenSeveral embodiments of the invention are in the drawings with further advantages and details explained in more detail. It demonstrate

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Abbildungsoptik mit schematisch dargestellten Lichtstrahlen zur Verdeutlichung der Abbildung, 1 2 shows a schematic longitudinal section through an imaging optics with schematically represented light beams to clarify the illustration,

2 eine weitere Ausführungsform mit zu 1 unterschiedlichen Reflexionsmitteln, 2 another embodiment with too 1 different means of reflection,

3a–d Längsschnitte durch Abbildungsoptiken stark schematisiert, mit eingezeichneten Lichtstrahlenbündeln bei Verwendung von zwei reflektierenden gekrümmten Flächen, 3a-d Longitudinal sections highly schematized by imaging optics, with those drawn Beams of light when using two reflective curved surfaces,

4a–c einen Längsschnitt durch Abbildungsoptiken mit zwei reflektierenden gekrümmten Flächen und exemplarisch dargestellten zwei Strahlenbündeln, die durch eine Schlitzblende gehen in einer stark schematisierten Darstellung. 4a-c a longitudinal section through imaging optics with two reflecting curved surfaces and exemplarily shown two beams that go through a slit diaphragm in a highly schematic representation.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele:Description of the embodiments:

In 1 ist eine Abbildungsoptik mit einer rotationssymmetrischen Hohlspiegelfläche 2 um eine Symmetrieachse 3 dargestellt.In 1 is an imaging optics with a rotationally symmetrical concave mirror surface 2 around an axis of symmetry 3 shown.

Liegt ein Objektpunkt 4, 5 auf der Achse 3, wird ein jeweils hiervon ausgehendes Lichtbündel 6, 7 in eine feste Bildebene 8 abgebildet.There is an object point 4 . 5 on the axis 3 , a beam of light emanating therefrom becomes 6 . 7 in a fixed image plane 8th displayed.

Für einen ausgezeichneten Fall, wenn der Objektpunkt 4 entsprechend dem in 1 eingezeichneten (r|z)-Koordinatensystem im Punkt (0|0) liegt, erfolgt eine Abbildung wiederum in einen Punkt 4' in der Bildebene B. Ist der Objektpunkt, wie der Punkt 5 etwas nach oben verschoben (dieser liegt z.B. bei (0|6)) entsteht hieraus in der Bildebene ein Bild 5', jedoch im vorliegenden Fall bei einer rotationssymmetrischen Spiegelfläche nicht in Form eines einzigen Punktes, sondern als Kreislinie. Der Übersichtlichkeit halber ist in 1 jeweils nur ein Strahlenbündel 6, 7 in einer Richtung eingezeichnet.For an excellent case if the object point 4 according to the in 1 drawn (r | z) coordinate system lies in the point (0 | 0), it is again mapped to a point 4 ' in the image plane B. Is the object point like the point 5 slightly shifted upwards (this is for example at (0 | 6)) this creates an image in the image plane 5 ' , but in the present case with a rotationally symmetrical mirror surface not in the form of a single point, but as a circular line. For the sake of clarity, in 1 only one beam each 6 . 7 drawn in one direction.

Das Charakteristikum der Abbildungsoptik liegt also darin, dass unabhängig von der Position eines Objektpunktes 4, 5 auf einer Achse 3, die hier mit der Symmetrieachse des Hohlspiegels 2 zusammenfällt und zudem beispielhaft senkrecht auf der Bildebene 8 steht, das Bild immer in der gleichen Bildebene 8 entsteht.The characteristic of the imaging optics is that it is independent of the position of an object point 4 . 5 on one axis 3 that here with the axis of symmetry of the concave mirror 2 coincides and also exemplarily vertically on the image plane 8th the picture is always in the same picture plane 8th arises.

Bei einem rotationssymmetrischen Aufbau variiert bei einer Verschiebung des Objektpunktes entlang der Achse 3 lediglich der Durchmesser des Kreises, nicht aber deren Form und Lage. In dem ausgezeichneten Fall, nämlich beim Punkt (0|0) "schrumpft" der Kreis in der Bildebene dann zu einem Punkt.In the case of a rotationally symmetrical structure, the object point varies along the axis 3 only the diameter of the circle, but not its shape and location. In the excellent case, namely at point (0 | 0), the circle then "shrinks" in the image plane to a point.

Im Aufbau einer optoelektronischen Entfernungsmesseinrichtung kann in der Bildebene 8 ein Detektor, z.B. ein CCD- oder CMOS-Detektor angeordnet sein, mit dem das Bild eines Objektpunktes analysiert wird. Des Weiteren kann z.B. mit Hilfe einer Laserdiode mit Kolminationsoptik in Richtung und vorzugsweise entlang der Achse 3 ein Beleuchtungslichtstrahl erzeugt werden, der den zu messenden Punkt am Objekt beleuchtet und dessen Streustrahlung (in 1 sind beispielhaft die reflektierten Lichtbündel 6, 7 eingezeichnet) in der Bildebene, z.B. mit einem Flächendetektor ausgewertet wird.In the construction of an optoelectronic distance measuring device in the image plane 8th a detector, for example a CCD or CMOS detector, can be arranged with which the image of an object point is analyzed. Furthermore, for example with the aid of a laser diode with collimation optics in the direction and preferably along the axis 3 an illuminating light beam is generated which illuminates the point to be measured on the object and its scattered radiation (in 1 are, for example, the reflected light beams 6 . 7 drawn in) in the image plane, for example with an area detector.

In 2 ist eine Abbildungsoptik 20 mit ebenfalls zwei beispielhaft eingezeichneten Lichtbündeln 21 und 22 von zwei Objektpunkten 4, 5, die in die Bildebene 8 in die Bilder 4' und 5' abgebildet werden, dargestellt. Im Unterschied zur Abbildungsoptik 1 in 1 findet hier die Reflexion der von einem Objektpunkt ausgehenden Lichtstrahlen nicht an einem Hohlspiegel statt, sondern an der gekrümmten Außenseite 23 eines transparenten, hier rotationssymmetrischen Körpers 24, z.B. aus Glas oder Kunststoff. Die reflektierende Außenseite 23 kann, hierzu verspiegelt sein.In 2 is an imaging optics 20 with two light beams drawn as examples 21 and 22 from two object points 4 . 5 that in the image plane 8th in the pictures 4 ' and 5 ' are shown. In contrast to the imaging optics 1 in 1 Here the reflection of the light rays emanating from an object point does not take place on a concave mirror, but on the curved outside 23 of a transparent, here rotationally symmetrical body 24 , for example made of glass or plastic. The reflective outside 23 can be mirrored for this.

Um die Abbildungsqualität zu verbessern und den Abbildungsmaßstab zu verändern, können in den Bereichen 23a bzw. 23b am Körper 24 Brechflächen vorgesehen werden. Eine Brechfläche kann ein Ausschnitt aus einem kreisförmigen Torus sein oder leicht vom kreisförmigen Querschnitt abweichen, um die Abbildungsqualität noch weiter zu verbessern. Da die Reflexionsfläche und die möglichen Brechflächen an einem einstückigen Körper ausgestaltet sind, entfällt eine Justage von optischen Elementen.To improve the image quality and change the image scale, you can in the areas 23a respectively. 23b on the body 24 Crushing surfaces are provided. A refractive surface can be a section of a circular torus or can deviate slightly from the circular cross section in order to further improve the imaging quality. Since the reflection surface and the possible refractive surfaces are designed on a one-piece body, there is no need to adjust optical elements.

In 3a bis 3d sind Abbildungsoptiken 30 bis 33 dargestellt, die zwei, vorzugsweise rotationssymmetrische Spiegelflächen, z.B. Hohlspiegelflächen 34a bis 34d bzw. 35a bis 35d aufweisen.In 3a to 3d are imaging optics 30 to 33 shown, the two, preferably rotationally symmetrical mirror surfaces, for example concave mirror surfaces 34a to 34d respectively. 35a to 35d exhibit.

Durch mehrere, insbesondere zwei Spiegelflächen kann die Abbildungsoptik, der Abbildungsmaßstab, der Winkel, unter dem die gestreuten Strahlen von der Optik gesammelt werden sowie der Einfallswinkel der Strahlen in einem Detektor (nicht dargestellt) in der Bildebene 8 gegenüber der Verwendung von nur einer Spiegelfläche verbessert werden.The imaging optics, the imaging scale, the angle at which the scattered rays are collected by the optics and the angle of incidence of the rays in a detector (not shown) in the image plane can be determined by several, in particular two, mirror surfaces 8th be improved compared to the use of only one mirror surface.

Bei einem Aufbau der Abbildungsoptik mit einer oder mehreren Spiegelflächen können diese mit einem Schlitz, insbesondere ringförmigen Schlitz versehen sein, durch den Strahlen von einem weiter außen liegenden Spiegel hindurchtreten. In den 4a bis 4c sind hierzu drei Ausführungsformen einer Abbildungsoptik 40, 41, 42 dargestellt, bei welcher beispielhaft jeweils ein Spiegel 43a bis 43c einen Schlitz 44, insbesondere ringförmig über den kompletten Umfang des jeweiligen Hohlspiegels 43a bis 43c besitzt, durch den Lichtstrahlen von dem jeweils weiter außen liegenden Hohlspiegel 45a bis 45c zum jeweiligen weiteren Hohlspiegel 46a, 46b, 46c hindurchtreten können. Dies erlaubt das Auffangen eines größeren Strahlenbündels und damit eine lichtempfindlichere Detektion.When the imaging optics are constructed with one or more mirror surfaces, these can be provided with a slit, in particular an annular slit, through which rays from a mirror located further out can pass. In the 4a to 4c are three embodiments of imaging optics 40 . 41 . 42 shown, each with a mirror as an example 43a to 43c a slot 44 , in particular in a ring over the entire circumference of the respective concave mirror 43a to 43c possesses, through the light rays from the concave mirror located further outside 45a to 45c to the respective other concave mirror 46a . 46b . 46c can step through. This allows a larger beam of rays to be collected and thus more light-sensitive detection.

11: Abbildungsoptikimaging optics
22: HohlspiegelflächeConcave mirror surface
33: Symmetrieachseaxis of symmetry
44: Objektpunktobject point
4'4 ': Bildimage
55: Objektpunktobject point
5'5 ': Bildimage
66: Lichtbündellight beam
77: Lichtbündellight beam
88th: Bildebeneimage plane
2020: Abbildungsoptikimaging optics
2121: Lichtbündellight beam
2222: Lichtbündellight beam
2323: reflektierende Flächereflective area
23a23a: BereichArea
23b23b: BereichArea
2424: Körperbody
3030: Abbildungsoptikimaging optics
3131: Abbildungsoptikimaging optics
3232: Abbildungsoptikimaging optics
34a34a: Spiegelflächemirror surface
34b34b: Spiegelflächemirror surface
34c34c: Spiegelflächemirror surface
34d34d: Spiegelflächemirror surface
35a35a: Spiegelflächemirror surface
35b35b: Spiegelflächemirror surface
35c35c: Spiegelflächemirror surface
35d35d: Spiegelflächemirror surface
4040: Abbildungsoptikimaging optics
4141: Abbildungsoptikimaging optics
4242: Abbildungsoptikimaging optics
43a43a: Hohlspiegelconcave mirror
43b43b: Hohlspiegelconcave mirror
43c43c: Hohlspiegelconcave mirror
4444: Schlitzslot
45a45a: Hohlspiegelconcave mirror
45b45b: Hohlspiegelconcave mirror
45c45c: Hohlspiegelconcave mirror
46a46a: Hohlspiegelconcave mirror
46b46b: Hohlspiegelconcave mirror
46c46c: Hohlspiegelconcave mirror

Claims

Imaging optics ( 1 . 20 . 30 . 31 . 32 . 33 . 40 . 41 . 42 ) with imaging means that have at least one curved surface ( 2 . 23 . 34a - 34d . 35a-35d . 43a-43c . 45a-45c . 46a-46c ) and from an object point ( 4 . 5 ) a picture ( 4 ' . 5 ' ) in one level ( 8th ) (Image plane), characterized in that the imaging means are designed such that when the object point is moved along at least one axis ( 3 ) (Shift axis), which is the image plane ( 8th ) cuts the picture ( 4 ' . 5 ' ) at least almost always in the same image plane ( 8th ) arises and that, with the exception of a single case in which a point-to-point mapping occurs, the image consists of at least one curved line, of several straight line pieces or of at least one curved and at least one straight line piece.

Imaging optics according to claim 1, characterized in that the image plane ( 8th ) perpendicular to the displacement axis ( 3 ) runs.

Imaging optics according to claim 1 or 2, characterized in that the imaging means are designed such that when the object point ( 4 . 5 ) along the displacement axis ( 3 ) the structure of the image (5 ') does not change, only its size.

Imaging optics according to one of the preceding claims, characterized in that the imaging means are designed such that the position of the image ( 5 ' ) around the displacement axis ( 3 ) remains the same if the object point ( 5 ) along the displacement axis ( 3 ) is moved.

Imaging optics according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the at least one curved surface works as a mirror.

Imaging optics according to one of the preceding claims, characterized characterized that the curved area comprises a concave mirror.

Imaging optics according to one of the preceding claims, characterized in that the curved surface is a body ( 24 ), in particular has a rotationally symmetrical body made of transparent material on which the reflecting surface ( 23 ) is attached outside.

Imaging optics according to one of the preceding claims, characterized in that the imaging means have a plurality of curved, in particular rotationally symmetrical reflection surfaces ( 34a - 34d . 35a-35d . 43a-43c . 45a-45c . 46a-46c ) include.

Imaging optics according to one of the preceding claims, characterized in that one or more reflecting surfaces have a slot ( 44 ), in particular have an annular slot, through which rays from an object point ( 4 . 5 ) from a reflective surface further out ( 45a - 45c ) can pass through.

Imaging optics according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the reflective surface, e.g. a mirror surface one Section of an ellipsoid, a hyperboloid and / or one slightly different area having.

Imaging optics according to one of the previous existing claims, characterized in that the image plane ( 8th ) is an intermediate level and conventional imaging optics reproduce this image in a further level.

Imaging optics according to one of the preceding claims, characterized characterized in that in the center of the imaging means an imaging optics is provided, which allows a detector in the image plane at the same time the surface of the measurement object.

Method for optically determining the distance between a measuring device and an object point ( 4 . 5 ) on a measurement object, in which a mark is projected onto the selected location and from this mark over at least one curved surface ( 2 . 23 . 34a-34d . 35a- 35d . 43a-43c . 45a-45c . 46a-46c ) of imaging means of an imaging optics ( 1 . 20 . 30 . 31 . 32 . 33 . 40 . 41 . 42 ) in one image plane ( 8th ) a picture ( 4 ' . 5 ' ) is generated, characterized in that a) the imaging means always at least approximately always in the same image plane ( 8th ) arises even if the object point ( 4 . 5 ) along at least one displacement axis ( 3 ) which moves the image plane ( 8th ) intersects and with the exception of a single case in which a point-to-point mapping occurs, at least one curved line, several straight line pieces or at least one curved and at least one straight line is produced as an image, b) from the size of the line structures in the image plane ( 8th ) the distance to the object point ( 4 . 5 ) is determined.

Device for carrying out the method according to claim 12 with imaging optics according to one of the preceding claims 1 to 11 and means for projecting a mark onto the object point ( 4 . 5 ), especially along the displacement axis ( 3 ).

Device according to claim 14, characterized in that scanning means are provided before and / or after the imaging means are.

Device according to claim 14 or 15, characterized in that that scanning means are available to only scan from the means for Projection of a mark to scan the generated illumination beam.

Device according to claim 14, 15 or 16, characterized characterized that the means of projecting multiple illuminating beams for many Create brands.

Device according to one of the preceding claims 14 to 16, characterized in that the brightness of the means illumination beam generated for projecting a mark adjustable is.