DE19517855A1 - Verfahren und Anordnung zum Erfassen von Bewegungen eines Teiles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erfassen von Bewegungen eines Teiles mit einer spiegelnden Fläche, welche in ein optisches System zur Abbildung einer Lichtquelle auf ein Bildsensor-Array integriert ist, wobei das Bildsensor-Array einen Aufnahmebereich und einen Speicher­ bereich, jeweils mit Zeilen und Spalten, aufweist und zum zeilenweisen Transfer des Inhalts des Aufnahmebereiches in den Speicherbereich eingerichtet ist und zum seriellen Auslesen der Spalten einer Auslesezeile im Speicherbereich eingerichtet ist.

Zur Erfassung des Drehwinkels eines Polygonspiegels in einer Ausführung mit Autokollimator und CCD-Array ist derartiges aus US 5,103,090 bekannt. Über den Aufbau, die Art der Ansteuerung und des Betriebs des CCD-Arrays ist darin nichts ausgesagt.

Bildsensor-Arrays der beschriebenen Art sind als CCD-Arrays vom Frame-Transfer-Typ handelsüblich, z. B. unter der Bezeichnung CCD 17 der Firma EEV, Großbritannien.

Diese Bildsensor-Arrays werden regelmäßig gemäß der Video- Technik so betrieben, daß für ein Zeitintervall der Aufnahmebereich sensibel geschaltet ist und integriert, daß dann in schnellem Takt die Zeilen in den Speicherbereich verschoben werden und während im Aufnahmebereich wieder integriert wird, die Zeilen des Speicherbereichs relativ langsam in die Auslesezeile verschoben und dort spaltenweise ausgelesen werden.

Durch Verkleinern des ausgenutzten Aufnahmebereiches - nur ein Teil wird vom Bild erfaßt - und Unterteilen des Speicher­ bereichs und des restlichen ursprünglichen Aufnahmebereichs in Teil-Speicherbereiche, wird es in der DE 36 28 147 möglich, eine Bildfolgefrequenz zu erzielen, die ein Mehrfaches der Frequenz ist, welche bei normalem Betrieb erreichbar ist. Eine Umschaltung auf Normalbetrieb ist vorgesehen.

Den Grenzfall eines Aufnahmebereiches mit nur einer Zeile realisiert die Schmierbildkamera nach DE 41 20 623, bei der eine elektronische Zeilenblende durch Löschen aller anderen belichteten Zeilen wirkt. Alternativ wird eine Spaltblende zum gleichen Zweck eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine entsprechende Anordnung anzugeben, welche hohe Aufnahme­ geschwindigkeit und universelle Wahlmöglichkeiten des Aufnahme­ modus ermöglichen, bei geringem Aufwand.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Kennzeichen des Anspruchs 1, wonach der Auslese-Takt und der Transfer-Takt gleichmäßig und so synchronisiert sind, daß jeweils nach Aus­ lesen einer Zeile die Inhalte aller Zeilen von Aufnahmebereich und Speicherbereich um eine Zeile in Richtung auf die Auslese- Zeile verschoben werden.

Eine Anordnung, welche die Aufgabe löst, hat die Kennzeichen des Anspruchs 3, wonach ein einstellbarer Transfer-Taktgeber zum Steuern des Transfers und ein einstellbarer Auslese- Taktgeber zum Steuern des Auslesens vorgesehen sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 4 bis 14.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß bei einer optischen Anordnung zum Erfassen von Bewegungen, wie einem Autokollimator, bei der auf dem Detektor ein Lichtfleck als Bild einer Lichtquelle entsteht, unübliche Betriebsweisen eines Array-Detektors, insbesondere eines Frame-Transfer-CCD-Arrays, nur durch Beeinflussung der Steuertakte und ohne weitere optisch-mechanische (Blenden) oder elektronische (löschen von Zeilen) Maßnahmen möglich werden.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Überblick über die Gesamtanordnung;

Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines Bildsensor-Arrays, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist.

Fig. 1 zeigt einen Autokollimator 1, enthaltend eine Lichtquelle 11, nämlich eine Laserdiode als intensive kleine Quelle, einen Strahlteilerwürfel 12, eine Kollimatorlinse 13 und ein CCD-Array 14 in bekannter Ausführung. Auf dem CCD-Array 14 wird die Lichtquelle 11 in einem nahezu punktförmigen Fleck 140 abgebildet. Zwischen dem Strahlteiler 12 und dem CCD-Array 14 kann optional ein weiterer Strahlteiler 15 vorgesehen sein, der Licht auf ein zweites CCD-Array 14′ lenkt. Damit können dann Auslenkungen in zwei orthogonalen Koordinaten getrennt erfaßt werden.

Vor dem Autokollimator 1 ist ein Teil 2 angeordnet, das um Achsen senkrecht zur optischen Achse A gekippt werden kann. Es trägt dem Autokollimator 1 zugewandt eine spiegelnde Fläche 21, die plan ist.

Besonders geeignet ist die Anordnung z. B. zum Ausmessen des Verhaltens von Spiegeln, die aktiv verstellt werden, z. B. oszillierenden Spiegeln oder dergleichen.

Für nicht plane Spiegel 21 ist der Autokollimator 1 entsprechend abzuwandeln, z. B. durch Vorsatzlinsen oder für Hohlspiegel 21 auch durch Weglassen der Linse 13.

Andere als Kippbewegungen des Teils 2 können erfaßt werden, wenn die Optik entsprechend verändert wird. Z.B. können mit einer zusätzlichen Fokussieroptik am Autokollimator und einem Tripelspiegel am Teil 2 lineare seitliche Bewegungen des Teils 2 erfaßt werden.

Das CCD-Array 14 (und ggf. gleichartig, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt, das zweite CCD-Array 14′) ist an eine Schaltung 6 angeschlossen, welche für das CCD-Array 14 die nötigen Betriebs- und Steuerspannungen und Signale liefert und die ausgelesenen Signale verstärkt und an die Schnittstelle eines nachgeschalteten Monitors 5, Videospeichers oder dergleichen anpaßt.

Ein einstellbarer Transfer-Taktgeber 2 versorgt die Schaltung 6 erfindungsgemäß mit einer einstellbaren Taktfrequenz für den zeilenweisen Transfer 20 des Inhalts des Aufnahmebereichs b in den Speicherbereich s. Ein gleichfalls einstellbarer Auslese- Taktgeber 3 versorgt die Schaltung 6 erfindungsgemäß mit einer einstellbaren Taktfrequenz zum Steuern des Auslesens 30.

Die Lichtquelle 11 wird von einer Betriebsschaltung 4 in Dauerstrich- oder Taktbetrieb mit Energie versorgt, gesteuert und überwacht.

Eine Zentraleinheit 7 steuert, koordiniert und überwacht die Elemente 2 bis 6 entsprechend vom Benutzer vorzunehmender Einstellungen für die Durchführung der verschiedenen möglichen Meßverfahren. Bevorzugt ist diese Zentraleinheit 7 ein Personalcomputer, der auch Funktionen der Elemente 2 bis 5 integriert haben kann.

Das CCD-Array 14 (bzw. 14′) ist z. B. ein Typ CCD 17 von der Firma EEV, Großbritannien, mit je 512 Zeilen zbi, zsi im Aufnahmebereich b und im Speicherbereich s und mit 512 Spalten si bei einer Pixelgröße von 15 × 15 µ². Die größte mögliche Taktfrequenz für den Transfer 20 der Zeilen, bei der noch jede Zeile za mit der entsprechenden Taktfrequenz zum Auslesen 30 ausgelesen werden kann, beträgt ca. 10-20 kHz.

Eine begrenzende Blende im optischen Strahlengang oder ein elektronisches Äquivalent wie bei DE 41 20 623 wird nicht benötigt. Es ist aber möglich, daß der vom Autokollimator 1 mit dem Bild 140 der Lichtquelle 11 je nach Position des Teils 2 ausleuchtbare Bereich nicht den ganzen Aufnahmebereich b des CCD-Arrays 14 erfaßt. Der ausleuchtbare Bereich kann z. B. ein in das Quadrat des Aufnahmebereichs b eingeschriebener Kreis sein.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Bildsensor-Array 14, wie es erfindungsgemäß in der Anordnung Fig. 1 vorgesehen ist. Zur Funktionserläuterung ist hier nur ein 5 × 5-Array gezeichnet.

In fünf Zeilen zb1 bis zb5 und fünf Spalten s1 bis s5 sind die lichtempfindlichen Speicherzellen des Aufnahmebereichs b angeordnet. Der Speicherbereich s ist in Verlängerung der Spalten s1 bis s5 darunter angeordnet und hat die Zeilen zs1 bis zs4 und za.

Er unterscheidet sich vom Aufnahmebereich b dadurch, daß er lichtundurchlässig abgedeckt ist.

Die unterste Zeile ist die Auslesezeile za, aus der die Inhalte der Speicherzellen spaltenweise seriell ausgelesen werden können. Das Auslesen 30 ist durch einen Pfeil angedeutet und wird durch den Auslesetakt gesteuert. Der senkrechte Pfeil deutet den Transfer 20 der Zeileninhalte an.

Der Fleck 140 wird im Zeitpunkt t = t₀ gerade vom Bild der Lichtquelle 11 erfaßt und belichtet, es ist der Pixel zb2/s2. In den darunterliegenden Zeilen zb3 bis za sind die belichteten Pixel aus den vorhergehenden Zeiten durch Punkte markiert, man sieht die Schwingung des Spiegels 21 als Funktion der Zeit.

Die Ansteuer- und Verbindungsleitungen des Bildsensor-Arrays 14 sind nicht dargestellt. Deren Ausführung ist bekannt und es werden kommerzielle CCD-Arrays 14 verwendet.

Mit der anhand Fig. 1 und 2 beschriebenen Anordnung sind je nach Einstellung der am Transfer-Taktgeber 2 und am Auslese- Taktgeber 3 eingestellten Takte verschiedene Darstellungs- bzw. Meßverfahren für die Bewegung des Teils 2 möglich, insbesondere die in den Ansprüchen 1, 2 und 7 bis 11 beschriebenen.

Beim normalen Videobetrieb des CCD-Arrays 14 wird während eines Aufnahme-Zeitintervalls der Aufnahmebereich b vom Transfer-Takt abgekoppelt und in jedem Pixel des Aufnahmebereichs b wird das ankommende Licht aufintegriert. Dann werden alle Zeilen zb1 bis za in schnellem Takt transferiert, bis der gesamte Inhalt des Aufnahmebereichs b in den Speicherbereich s transferiert ist. Der Aufnahmebereich b nimmt dann wieder stationär Licht auf, während die Auslesezeile za im Auslesetakt 20 ausgelesen wird und der Transfer-Takt 20 die Zeilen zs1 bis zs4 des Speicherbereichs s nachschiebt.

Dieser Betrieb gibt brauchbare Aufzeichnungen besonders für überlagerte Schwingungen in zwei Koordinaten mit Frequenzen, bei denen mehrere Perioden in ein Aufnahme-Zeitintervall fallen. Dann entstehen aussagekräftige Figuren nach Art der Lissajous-Figuren, für sinusförmige Schwingungen genau Lissajous-Figuren.

Wird dabei die Lichtquelle 11 getaktet - mit einer Taktzeit deutlich kleiner als das Aufnahme-Zeitintervall -, dann werden die Lissajous-Figuren entsprechend der lokalen Geschwindigkeit gestrichelt oder punktiert dargestellt. Damit wird die Bewegung über der Zeit erfaßt und die lokale Geschwindigkeit bestimmbar.

Da erfindungsgemäß der Transfer-Taktgeber 2 und der Auslese- Taktgeber 3 - in den Grenzen der maximalen Transfer- und Auslesefrequenzen des CCD-Arrays 14 - frei wählbare Taktfrequenzen ermöglichen, sind jedoch ohne weitere Maßnahmen auch die folgenden besonders vorteilhaften Meßverfahren möglich:
Ein hochaufgelöstes Weg-Zeit-Diagramm einer Koordinate (Winkel) mit z. B. noch 10 Meßpunkten bei 2 kHz Oszillationsfrequenz wird erfaßt, wenn der Transfer-Takt (20) gleichmäßig ist und synchron an den Auslese-Takt (30) angebunden ist, so daß jeweils nach dem Auslesen einer Zeile za alle Inhalte der Zeilen zb1 bis zb5 und zs1 bis zs4 um eine Zeile in Richtung auf die Auslesezeile za verschoben werden. Die Belichtungszeit und damit die zeitliche Auflösung ist also im wesentlichen gleich der inversen Abtastrate, also der Taktzeit für das Auslesen einer Zeile za, wenn das Bild 140 der Lichtquelle 11 auf dem CCD-Array 14 genau einen Pixel erfaßt.

Bei größeren Flecken verringert sich an sich die Auflösung durch Überlagerung aufeinanderfolgender Zeiten, jedoch kann mit bekannten Methoden die Auflösung unter die Bildstrukturbreite gebracht werden, auch Sub-pixel-Auflösung ist möglich.

Durch Einstellung des Auslese-Takts (30) bei daran gekoppeltem Transfer-Takt (20) kann die Auflösung des Weg-Zeit-Diagramms der vorliegenden Bewegung mit bestimmtem Frequenzgang angepaßt werden.

Hierbei ist es ohne weiteres möglich, vor dem CCD-Array 14 ein Spektrometer vorzusehen, das den ankommenden Lichtstrahl in Zeilenrichtung spektral zerlegt. Das Weg-Zeit-Diagramm wird dadurch mit einem Spektrum-Zeit-Diagramm ergänzt, das auf die Weg-Zeit-Kurve aufgesetzt ist.

Auf welche Zeile zbi des Aufnahmebereichs b das Punktbild 140 der Lichtquelle 11 abgebildet wird, spielt keine Rolle für das entstehende Diagramm am Ausgang, z. B. auf dem Monitor 5.

Bei sehr hochfrequenten Vorgängen, z. B. bei der Untersuchung der Pulsantwort eines mechanischen Systems, bei denen die Auflösung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 9 nicht ausreicht, kann ein in Intervallen arbeitendes Zeitlupen- Verfahren ähnlich einer Streak-Kamera aus oben beschriebenem Verfahren abgeleitet werden:

Der Taktgeber 2 steigert die Frequenz des Transfers (20) bis zur Grenzfrequenz des CCD-Arrays 14 für den Zeilentransfer. Diese Grenzfrequenz liegt regelmäßig deutlich höher als die maximale Frequenz der Folge von ausgelesenen Zeilen, da im Video-Betrieb die Transfer-Zeit vom Aufnahmeteil b zum Speicherteil s minimiert ist, und erreicht ca. 400 kHz bis einige MHz für handelsübliche CCD-Arrays.

Mit dieser erhöhten Frequenz kann aber nur ein Zeitintervall der Bewegung am Stück erfaßt werden, das dem Produkt aus der Zeilenzahl von der belichteten Zeile zbi im Aufnahmebereich b bis zur Auslesezeile za, erweitert bei Bedarf um die Zahl der mittlerweile schon langsamer ausgelesenen Zeilen, mal der Transfer-Taktzeit entspricht.

Für diesen Betrieb ist es also vorteilhaft, wenn das Bild 140 der Lichtquelle 11 auf die erste Zeile zb1 des Aufnahmebereichs b fällt.

Für langsame Vorgänge kann auch ein Zeitraffer-Verfahren abgeleitet werden, bei dem nur ein ganzzahliger Bruchteil der zur Auslesezeile za transferierten Zeilen der Ausgabe (Monitor 5) zugeführt werden. Dies kann erfolgen, indem der Auslesetakt 30 nach Auslesen einer Zeile jeweils für eine Anzahl von Zeilentransfertakten aussetzt und der Inhalt der Auslesezeile za jeweils gelöscht wird.

Claims (14)

1. Verfahren zum Erfassen von Bewegungen eines Teiles (2) mit einer spiegelnden Fläche (21), auf die ein optisches System, insbesondere ein Autokollimator (1), mit einem Bildsensor-Array (14) gerichtet wird, wobei das Bildsensor-Array (14) einen Aufnahmebereich (b) und einen Speicherbereich (s) jeweils mit Zeilen (zbi, zsi, za) und Spalten (si) aufweist und durch einen Transfer-Takt gesteuert zum zeilenweisen Transfer (20) des Inhalts des Aufnahmebereichs (b) in den Speicherbereich (s) eingerichtet ist und durch einen Auslese-Takt gesteuert zum seriellen Auslesen (30) der Spalten (si) einer Auslesezeile (za) im Speicherbereich (s) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslese-Takt (30) und der Transfer-Takt (20) gleichmäßig und so synchronisiert sind, daß jeweils nach Auslesen einer Zeile (za) die Inhalte aller Zeilen (zbi, zsi) von Aufnahmebereich (b) und Speicherbereich (s) um eine Zeile in Richtung auf die Auslese-Zeile (za) verschoben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Koordinate der Bewegung als Funktion der Zeit mit einer Auflösung entsprechend der für das Auslesen einer Zeile (za) benötigten Zeitspanne aufgezeichnet wird.

3. Anordnung zum Erfassen von Bewegungen eines Teiles (2) mit einer spiegelnden Fläche (21), welche in ein optisches System (1) zur Abbildung einer Lichtquelle (1) auf ein Bildsensor-Array (14) integriert ist, wobei das Bildsensor-Array (14) einen Aufnahmebereich (b) und einen Speicherbereich (s), jeweils mit Zeilen (zbi, zsi, za) und Spalten (si) aufweist und zum zeilenweisen Transfer des Inhalts des Aufnahmebereichs (b) in den Speicherbereich (s) eingerichtet ist und zum seriellen Auslesen der Spalten (si) einer Auslesezeile (za) im Speicherbereich (s) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Transfer-Taktgeber (2) zum Steuern des Transfers und ein einstellbarer Auslese-Taktgeber (3) zum Steuern des Auslesens vorgesehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Bildsensor-Array (14) ein zusammenhängender Fleck (140), insbesondere nur einzelne Pixel umfassend, beleuchtet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bildsensor-Array (14) eine spektral zerlegende optische Anordnung vorgesehen ist, die das Bild (140) der Lichtquelle (11) in Zeilenrichtung über die Spalten (si) spektral verteilt.

6. Anordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische System (1) zur Abbildung einer Lichtquelle (11) ein Autokollimator ist.

7. Verfahren zum Erfassen von Bewegungen eines Teiles (2) mit einer Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transfer-Taktgeber (2) und der Auslese-Taktgeber (3) für normalen Videobetrieb eingestellt sind und die Lichtquelle (11) konstant leuchtet, so daß eine Bahn in zwei Koordinaten aufgenommen wird.

8. Verfahren zum Erfassen von Bewegungen eines Teiles (2) mit einer Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transfer-Taktgeber (2) und der Auslese-Taktgeber (3) für normalen Videobetrieb eingestellt sind und die Lichtquelle (11) getaktet wird, so daß eine Bahn in zwei Koordinaten aufgenommen wird, wobei aus den Längen im Zeitmaßstab der Hell-Dunkel- Strecken die lokale Geschwindigkeit bestimmt werden kann.

9. Verfahren zum Erfassen von Bewegungen eines Teiles (2) mit einer Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transfer-Taktgeber (2) und der Auslese-Taktgeber (3) so eingestellt sind, daß der Zeilentransfer (20) gleichmäßig und nach jedem Auslesen der Auslesezeile (za) stattfindet, so daß ein vollständiges hochaufgelöstes Weg-Zeit-Diagramm in einer Koordinate aufgenommen wird.

10. Verfahren zum Erfassen von Bewegungen eines Teiles (2) mit einer Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transfer-Taktgeber (2) und der Auslese-Taktgeber (3) so eingestellt sind, daß der Zeilentransfer (20) bis zum Erreichen einer Höchstzahl die kleiner oder gleich ist der Summe aller Zeilen (zbi, zsi, za) vom Aufnahmebereich (b) und Speicherbereich (s) und der zwischenzeitlich ausgelesenen Zeilen, gleichmäßig verläuft und das Auslesen der Auslese-Zeile (za) langsamer erfolgt, so daß Zeitlupen-Aufnahmen von Intervallen eines Weg-Zeit-Diagrammes mit gesteigerter Auflösung entstehen.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein ganzzahliger Bruchteil der Auslese-Zeilen (za) abgespeichert wird, so daß eine Zeitraffer-Aufnahme des Weg-Zeit-Diagrammes, insbesondere für langsame Vorgänge, entsteht.

12. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 3-6, gekennzeichnet durch die Ausführung zur wahlweisen Anwendung der Verfahren nach den Ansprüchen 7-11.

13. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 3-6 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmebereich (b) weder durch optische Blenden noch durch die elektronische Ansteuerung (6) auf weniger als 50% seiner Fläche abgeblendet ist.

14. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 3-6 oder 12, 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bildsensor-Array (14) ein zweiter Strahlteiler (15) angeordnet ist und in dessen zweiten Ausgang ein zweites Bildsensor-Array (14′) gelegt ist, womit die Bewegung in einer weiteren Koordinate erfaßt werden kann.