DE2739679A1 - Verfahren und anlage zur dreidimensionalen bestimmung der oberflaechenform eines koerpers - Google Patents
Verfahren und anlage zur dreidimensionalen bestimmung der oberflaechenform eines koerpersInfo
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Description
IRIA Institut de Recherche A 35 848-ko
d1 Informatique et d1Automatique
Domaine de Voluceau
F-78150 Rocquencourt Ie Chesnay
Verfahren und Anlage zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberflächenform eines Körpers
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art sowie auf eine
Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Bestimmung der Form von Objekten auf optischem Wege macht
man häufig von der Stereoskopie Gebrauch. Hierzu erzeugt man eine erste und eine zweite Aufnahme des Objektes unter zwei
verschiedenen Aufnahmewinkeln, wobei die Beurteilung dieser Aufnahmen bei bekanntem Abstand zwischen den Aufnahmeorten
die Bestimmung der Lage unterschiedlicher Oberflüchenpunkte
de3 Objekte gestattet.
Die Durchführung dieses Verfahrens bereitet jedoch in der
Praxis erhebliche Schwierigkeiten, wenn man keinen Bezugspunkt
vorsieht, da es dann nicht möglich 13t, ohne andere Information die Bilder eines gleichen Punktes auf den beiden Aufnalimen
einander zuzuordnen.
Zur Behebung dieser Schwierigkeiten hat man vorgeschlagen,
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Flächen mit gleicher Form auf dem einen und dem anderen Bild
miteinander zu vergleichen und die mehr oder weniger große Korrelation zu bestimmen, welche einerseits zwischen der
Leuchtstärke der verschiedenen Punkte einer Fläche des einen Hildes und andererseits der Leuchtstärke der verschiedenen
Punkte der Flächen mit gleicher Form bei dem anderen, lageveränderlichen
Bild bestehen. Diese Korrelation ist dann maximal, wenn die Fläche auf dem zweiten Bild der gleichen Objektzone
wie die Fläche des ersten Bildes entspricht.
Gewöhnlich drückt man die Luminanz jedes Bildpunktes in Form einer digitalen Zahl aus, wobei die einer Vielzahl von Punktepaaren
entsprechenden Zahlen zwecks Ermittlung der Korrelation in einem Rechner verarbeitet werden. Diese Verarbeitung ist
jedoch zeitraubend und aufwendig, und zwar um so mehr, als es oft erforderlich ist, zwischen mehreren Korrelationsmaxima
zu unterscheiden.
tis gibt au2h Analogrechner, insbesondere optische, mit Drehspiegeln
arbeitende Rechner, welche eine schnellere Berechnung der Korrelation zwischen den Leuchtstärken der beiden Flächen
ermöglichen. Abgesehen davon, daß der Gebrauch und die Regelung dieser Rechner kritisch ist, bestehen wie bei Digialrochnern
Probleme bezüglich eines hohen Platzbedarfs, der Verschiebungen der beweglichen Fläche sowie des Schnitts und der
Form der Flächen, welche ausreichend klein sein müssen, um noch "quasi-punktförmig" zu sein und andererseits ausreichend
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groß sein müssen, um die für die Durchführung der Korrelation erforderliche Information zu enthalten.
Obwohl diese Verfahren für topographische Aufnahmen aus der
Luft oder mittels Satelliten Verwendung gefunden haben, ist
ein Einsatz für industrielle Zwecke ungeeignet, teils aufgrund der langsamen Arbeitsweise, weLche die Verwendung auf statische Szenen beschränkt, und teils aufgrund der hohen Rechenkosten.
Luft oder mittels Satelliten Verwendung gefunden haben, ist
ein Einsatz für industrielle Zwecke ungeeignet, teils aufgrund der langsamen Arbeitsweise, weLche die Verwendung auf statische Szenen beschränkt, und teils aufgrund der hohen Rechenkosten.
Man hat das vorstehend beschriebene stereoskopische Verfahren auch vorgesehen, um Objekte zu markieren, deren Form festgestellt
werden soll. Diese Markierung ist jedoch langsam,
schwierig und aufwendig und daher für eine generelle Anwendung nicht geeignet. Darüberhinaus verwenden Anlagen dieser Art zur Herstellung von Aufnahmen der zu beobachtenden Körper zwei
Kameras mit herkömmlichem Sucher, was die Verarbeitung der von den Kameras gewonnenen Informationen langwierig macht. Weiter
sind diese Anlagen auf die Erkennung niveaugleicher Linien der Körperoberfläche beschränkt.
schwierig und aufwendig und daher für eine generelle Anwendung nicht geeignet. Darüberhinaus verwenden Anlagen dieser Art zur Herstellung von Aufnahmen der zu beobachtenden Körper zwei
Kameras mit herkömmlichem Sucher, was die Verarbeitung der von den Kameras gewonnenen Informationen langwierig macht. Weiter
sind diese Anlagen auf die Erkennung niveaugleicher Linien der Körperoberfläche beschränkt.
Eine weitere bekannte Anlage 13t zur Erkennung einer Profillinie
eines Körpers vorgesehen, welche für eine Reflexion auf
der Körperoberfläche ein Läse ratrahlenbundel mit einer variablen Neigung in einer bestimmten Ebene verwendet, wobei der
reflektierte Teil de3 Strahlenbündels in einer Empfangseinrichtung empfangen wird. Die Bestimmung der Korperprofillinie
erfordert die Berechnung der Neigung des ausgesendeten und des
der Körperoberfläche ein Läse ratrahlenbundel mit einer variablen Neigung in einer bestimmten Ebene verwendet, wobei der
reflektierte Teil de3 Strahlenbündels in einer Empfangseinrichtung empfangen wird. Die Bestimmung der Korperprofillinie
erfordert die Berechnung der Neigung des ausgesendeten und des
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— ξ mm
empfangenen Strahlenbündels bezüglich einer Referenzlinie sowie die Kenntnis der Lage des Laserstrahlensenders und
-empfängers. Eine derartige Anlage ist sowohl hinsichtlich ihres Objektes als auch hinsichtlich ihrer praktischen Anwendung
beschränkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, die Oberflächenform
von Objekten für industrielle Zwecke dreidimensional zu bestimmen, um beispielsweise ein Greiforgan gegen
eine Vielzahl von regellos angeordneten Objekten zu bewegen, mit dem Ziel, eines der Objekte auf bestimmte Art und Weise
aufzunehmen oder um ein Werkzeug gegen eine bestimmte Zone eines Objektes mit unbekannter Position zu steuern, wobei
sämtliche diese Vorgänge sozusagen roboterhaft sind.
Die auf die Schaffung eines Verfahrens gerichtete Teilaufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Die auf die Schaffung einer Anlage gerichtete Teilaufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 2 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Anlage nach Anr.'ruch 2 sind in den Ansprächen 3 bis 1J gekennzeichnet.
Obwohl die Erfindung in gleicher Weise wie die eingangs erwähnten bekannten Verfahren und Vorrichtungen die Kenntnis
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der Parallaxe erfordert, d.h., des Winkels, unter dem ein
Oberflächenpunkt des hinsichtlich seiner Lage zu bestimmenden Objektes zwei Aufnahmeapparate "sieht", gestattet sie
die Bestimmung der Position unterschiedlicher Oberflächenpunkte auf einfachere Weise, was eine industrielle Anwendung
gewährleistet.
Die Erfindung macht von der Tatsache Gebrauch, daß ein Punkt einer Oberfläche des Objektes, das anderweitig beleuchtet
sein kann, von den anderen Punkten der Oberfläche dadurch unterschieden werden kann, daß er selektiv einer Beleuchtung unterworfen
wird, die intensiver ist als die der anderen Oberflächenpunkte
.
Die Erfindung ist sowohl auf Objekte im Dunkeln als auch auf umgebungsbeleuchtete Objekte anwendbar und besteht im wesentlichen
darin, daß man auf das Objekt, dessen Form bestimmt werden soll und das ein gleichförmiges Aussehen besitzen
kann, einen Dauerstrich-Laser richtet, welcher Von dem Objekt nur eine punktuelle oder quasi-punktuelle Zone beleuchtet
oder Uberbeleuchtet, wodurch man ohne Schwierigkeit auf der einen oder auf der anderen Aufnahme die Bilderdes beleuchteten
oder überbeleuchteten Punktes erkennen kann. Diese Punkte ersoheinen äußerst kontrastreich zu den nicht beleuchteten bzw.
nicht überbeleuchteten Punkten der Objektoberfläche, wobei die
Lage der Punkte auf dem einen oder dem anderen Bild durch numerische Informationen, beispielsweise in einem digitalen
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und/oder analogen System ausgedrückt wird, derart, dai3 die
Raumlage des beleuchteten oder überbeleuchteten Objektpunktes durch eine außerordentlich einfache numerische Auswertung oder
durch Betrachtung ermittelt werden kann. Auf diese Weise wird der gesamte KorrelationsVorgang entbehrlich·
Man unterzieht nacheinander die verschiedenen punktförmigen
oder quasi-punktförmigen Objektzonen der erwähnten Beleuchtung oder Überbeleuchtung, wodurch man auf einfache und schnelle
Weise zu einer dreidimensionalen Bestimmung der Objektform
gelangt.
Die Erfindung umfaßt ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit zwei Aufnahmeapparaten oder Kameras, die
im wesentliehen folgende Merkmale aufweist: Einen Dauerstrich-Lasergenerator,
der zum aufeinanderfolgenden Beleuchten oder Überbeleuchten der verschiedenen Punkte des Objektes vorgesehen
ist, deren Form in einer quasi-punktförmigen Zone bestimmt werden soll; ferner eine Einrichtung zur Zuordnung von numerischen
und/oder analogen Informationen der Lage der Bilder der beleuchteten Zone auf dem Träger; und eine numerische und/oder
analoge Recheneinrichtung zur Verarbeitung der numerischen Informationen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich beide Aufnahmen
auf einer gemeinsamen fotosensiblen Oberfläche bzw.
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- ίο -
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Verwendung bei einer erfindungsgemäßen Anlage;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Verwendung bei einer
erfindungsgemäßen Anlage;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Verwendung bei einer
erfindungsgemäßen Anlage;
Fign.4»5 Detailansichten zweier Ausführungsformen eines Bestandteils
der Vorrichtung nach Fig. 3, und
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anlage.
Zur Bestimmung der Stärke eines Körpers C (Fig. 1) beleuchtet man eine punktförmige oder quasi-punktförmige Zone Z. Der
Körper C wird dabei mit Hilfe eines ersten Aufnahmeapparates 111 und eines zweiten Aufnahmeapparates 11p anvisiert, wobei
die gegenseitigen Positionen bekannt sind. Der Aufnahmeapparat 11-j erzeugt über sein Objektiv 12-j auf der fotosensiblen Oberfläche
13-j ein Bild z-j der quasi-punktförmigen Zone Z, das
sich in einer Entfernung d1 von dem Schnittpunkt C1 der fotosensiblen
Oberfläche 13-) mit Achse a.j des Objektivs 12.) befindet
O
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Der Aufnahmeapparat 11,, erzeugt über sein Objektiv 122 ein
Bild Z2 von der quasi-punktförmigen Zone Z auf fotosensiblen
Oberfläche 132, das sich in einer Entfernung dp von dem Schnittpunkt
C2 der fotosensiblen Oberfläche 132 mit der Achse a2 des
Objektivs 122 befindet.
Aus den bekannten Koordinaten der Bilder z.. und Z2 auf den
fotosensiblen Oberflächen 13-i und 132 kann mit Hilfe elementarer
geometrischer und/oder trigonometrischer Überlegungen die Parallaxe der punktförmigen oder quasi-punktförmigen Zone Z
bezüglich der Aufnahmeapparate, genauer gesagt bezüglich der Mittelpunkte O1 und O2 ihrer Objektive 12., und 122, ermittelt
werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die Aufnahmeapparate
zu einem einzigen Apparat 14 vereinigt, welcher zwei Objektive 12., und 122 und einen einzigen Träger 15 der
fotosensiblen Oberfläche bzw. Film enthält. Bei dieser Aueführungsform sind Schwierigkeiten mit der genauen Aufstellung
des einen Aufnahmeapparates bezüglich des anderen Aufnahmeapparates
ausgeschlossen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 umfaßt der Apparat 21 ein einziges Objektiv oder eine einzige Linsenanordnung 22, die
vor einem einzigen Träger der fotosensiblen Oberfläche bzw. Film 23 angeordnet ist. Des weiteren umfaßt diese Ausführungsform eine Vorrichtung 24, die aus zwei um beispielsweise 90°
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gekreuzten, gleichzeitig durchlässigen und reflektierenden
Spiegeln 25 und 26 besteht (Fig. 4), wobei der Schnittpunkt 27 der Spiegel 25, 26 auf der Achse 28 der Linsenanordnung
22 liegt.
Spiegeln 25 und 26 besteht (Fig. 4), wobei der Schnittpunkt 27 der Spiegel 25, 26 auf der Achse 28 der Linsenanordnung
22 liegt.
Bei einer Variante gemäß Fig. 5 verwendet man eine Vorrichtung 24', welche aus zwei ausschließlich reflektierenden, üblichen
Spiegeln 25' und 26' besteht, die beispielsweise um versetzt übereinander angeordnet sind und beiderseits auf der
Geraden 27' liegen.
Die Erfindung umfaßt gleichermaßen auch Ausfiihrungsformen,
bei denen die Spiegel durch Prismen und/oder Linsen ersetzt sind.
bei denen die Spiegel durch Prismen und/oder Linsen ersetzt sind.
Die Vorrichtung 24 oder 24' wird von zwei Spiegeln 31 und
umgeben, die beispielsweise parallel zu den Spiegeln 26 und 25 liegen. In Fig. 3 ist der Strahlengang der reflektierten
oder diffundierten Strahlen beim Verlassen der quasi-punktförmigen
Zone Z schematisch dargestellt. Der Spiegel 31 erzeugt von der Zone Z ein Bild Z.., von welchem der Spiegel
ein Bild Z^ 1 erzeugt und von dem wiederum die Linsenanordnung
22 auf dem Film 23 ein Bild z^ erzeugt, dessen Lage auf dem
Film numerisch übertragen wird.
In gleicher Weise erzeugt der Spiegel 32 von der punktförmigen
Zone Z ein Bild Z2, von dem der Spiegel 25 ein Bild Z2 2 erzeugt.
Die Linsenanordnung 22 erzeugt von dem Bild Z0 o ein
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Bild Z2» dessen Läge auf dem Film ebenfalls numerisch übertragen
wird.
Die gemessene Entfernung zwischen den Bildern z* und z~ entspricht
der vorstehend erwähnten Parallaxe.
Durch die anschließende Verarbeitung der übertragenen Zahlen für die Positionen der Bilder z.j und Zp gewinnt man die Position
der quasi-punktfürmigen Zone Z. Indem man den Laserstrahl auf verschiedene quasi-punktförmigen Zonen des Körpers C richtet,
bestimmt man aufeinanderfolgend die erwähnten unterschiedlichen Zonen und damit letztlich die Form des Körpers C.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Anlage wird ein Laserstrahlenbündel
51 von einem Lasergenerator 52 erzeugt, dem eine Strahlablenkeinrichtung 53 nachgeschaltet ist. Als Einrichtung 53
kann eine von einem Galvanometer gesteuerte Spiegelvorrichtung oder eine piezo-elektrisch oder durch Ultraschall gesteuerte
Festkörpervorrichtung vorgesehen werden. Eine Vorrichtung der letztgenannten Art wird beispielsweise von der Firma SORO
ELEKTRO-OPTICS unter der Bezeichnung "ACOUSTO-OPTIC LASER
DEFLECTOR-Model D" hergestellt. Das aus der Einrichtung 53 austretende
Laserstrahlenbündel 54 beleuchtet eine quasi-punktförmige Zone Z des Körpers C. In Fig. 6 sind mit 56^ und 56«
die von der Zone Z des Körpers C reflektierten Strahlenbündel bezeichnet, welche in zwei Objektive einer elektronischen
Kamera 55 gelangen. Als Röhre(n) der Kamera 25 kann entweder
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ein Vidikon oder ein Bildauflöser verwendet werden, welcher
eine wahlfreie Bildabtastung besitzt und für die Zielverfolgung eines sich bewegenden Punktes hervorragend geeignet ist.
Eine derartige Vorrichtung wird beispielsweise von der Firma EMR SCHLUMBERGER unter der Bezeichnung "OPTICAL DATA DIGITIZER,
TYPE 658 A" verkauft, in welcher das von der gleichen Firma vertriebene Gerät mit der Bezeichnung 11EMR PHOTO-ELECTRIC
Model 575 IMAGE DISSECTOR" verwendet werden kann.
Der Ausgang 57 der Kamera 55 ist mit dem Eingang einer Einrichtung
58 verbunden, welche an ihrem Ausgang 59 die Koordinaten des oder der beleuchteten Punkte auf dem Film der Kamera
55 erzeugt. Der Ausgang 59 ist mit dem Eingang eines Rechners 61 verbunden, welcher eine Einrichtung 62 zur Berechnung der
Raumkoordinaten des Punktes Z enthält und einen Teil der Logikeinheit
63 des Rechners darstellt. Eine mit der Einrichtung über einen Schaltkreis 60 verbundene Einrichtung 64 bestimmt
die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels als Funktion der interessierenden Punkte des Körpers C. Als derartige interessierende
Punkte kommen in Frage: Die parallaxengleichen Punkte der Niveaulinien; oder die Gipfelpunkte oder die Punkte der
größten Seite, welohe man erhält, wenn man von irgend einem Punkt ausgeht und längs einer Linie größter Steigung läuft;
oder die Umrißpunkte, die sich durch eine Parallaxenungleichheit auszeichnen.
Die vorgenannten Arbeitsschritte können in vorteilhafter Weise
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ausgeführt werden, indem man lediglich einen einzigen, willkürlich
gewählten Punkt abtastet, ohne daß man zu einer Abtastung mittels eines Suchers Zuflucht zu nehmen braucht.
Die von der Einrichtung 64 erzeugte Information wird längs der Übertragungsstrecke 65 einer Einrichtung 66 zur numerischen
Steuerung der Laserstrahlablenkung zugeführt, deren Information am Ausgang 67 über die Zwischenschaltung eines Mgital-Analogwandlers
68 dem Steuereingang der Ablenkeinrichtung 53 zugeführt wird.
Eine Speichereinrichtung 69 ist in dem Rechner 61 vorgesehen,
welche eine Zusammenfassung der gewonnenen Information speichert. Um einen Universalrechner verwenden zu können, benutzt
man für die Speichereinrichtung 69 eine speziell verkabelte Logikeinrichtung.
Die Erfindung sieht eine Anlage vor, bei welcher der Laserdauerstrich
von einer beweglichen Quelle emittiert wird. Bei einer alternativen Ausführungsform wird der Laserdauerstrich
von mehreren Quellen emittiert, was die Überbeleuchtung derjenigen Punkte des Körpers ermöglicht, die von einem einzigen
Laserdauerstrich nicht erfaßt werden können.
Eine erfindungsgemäße Anlage kann den Aufnehmer eines in drei Dimensionen beweglichen Steuerorgans bilden, welches Bestandteil
beispielsweise einer Fernsteuerung ist und die Erfassung, die Positionierung oder die Zusammensetzung von Gegenständen
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gestattet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gleichermaßen
geeignet, um unter einer Maschine regellos gestapelte Gegenstände zu positionieren oder um diese Gegenstände zusammenzufügen.
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Le e rs e i t
Claims (9)
1. Optisches Verfahren zur dreidimensionalen Bestimmung der
Oberflächenform eines Körpers, bei dem auf einem photosensiblen
Träger stereoskopische Aufnahmen hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß quasi-punktförmige Oberflächenzonen des Körpers aufeinanderfolgend
beleuchtet oder überbeleuchtet werden, wobei der Körper ein gleichförmiges Aussehen besitzen kann,
daß die Lage der Bilder der beleuchteten oder überbeleuchteten Oberflächenzone auf den beiden Aufnahmen numerischen
und/oder analogen Informationen zugeordnet wird und daß die Informationen in einem Rechner dahingehend verarbeitet
werden, daß hieraus die Raumlage der überbeleuchteten Oberflächenzone und die Oberflächenform des Körpers abgeleitet
wird.
2. Anlage zur dreidimensionalen Bestimmung der Oberflächenform
eines Körpers, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer stereoskopischen Vorrichtung
zur Herstellung von zwei Aufnahmen des Körpers auf wenigstens einem photosensiblen Träger, gekennzeich-
-2-
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net durch folgende Merkmale:
a) ein Strichlasergenerator (52) zur Beleuchtung oder Überbeleuchtung des Körpers an einer quasi-punktförmigen
Oberflächenzone;
b) eine Einrichtung (53) zum Verschieben des zur Beleuchtung oder Überbeleuchtung vorgesehenen Strichlasers (51)
Punkt für Punkt über die gesamte Körperoberfläche;
c) eine Einrichtung (58) zur Zuordnung von numerischen und/ oder analogen Informationen der Lage der Bilder der beleuchteten
oder überbeleuchteten Oberflächenzone auf dem Träger, und
d) ein Rechner (61) zur Verarbeitung der numerischen Informationen.
3. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (62) zum Zuordnen der numerischen
und/oder analogen Informationen einem willkürlich gewählten Punkt auf dem fotosensiblen Träger (15 bzw. 22) und ferner
durch eine Einrichtung (64) zum Bewerten der Koinzidenz dieses Punktes mit dem Bild der beleuchteten Oberflächenzone
(Z) des Körpers (C).
4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet
, daß der Aufnahmeapparat (z.B. 111, 112) eine einzige fotocensible Oberfläche (z.U. 13i,
132) für beide Aufnahmen aufweist.
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5. Anlage nach Anspruch 3 oder 4» gekennzeichnet durch eine Kamera in Form eines Bildauflösers.
6. Anlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Spiegel- und/oder Primen- und/oder Linsenvorrichtung
(24, 25; 24', 25'; 26, 27), um die von der quasipunktförmigen
Zone ausgehenden Strahlen gegen die fotosensible Oberfläche auf zwei verschiedene Punkte zu lenken,
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet
, daß die Vorrichtung zwei ebene Spiegel und eine einzige Linse umfaßt.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest einige der ebenen Spiegel
halbdurchlässig (halb-reflektierend) sind.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (66) zur Bestimmung
der Ablenkrichtung des Strahlenbündels als Punktion der interessierenden Punkte des Körpers.
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1977
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- 1977-09-02 DE DE2739679A patent/DE2739679C2/de not_active Expired
Patent Citations (1)
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Also Published As
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