DE3044831A1 - Automatic optical position detection system - uses coaxial scanning and measuring beams to form three=dimensional image - Google Patents

Automatic optical position detection system - uses coaxial scanning and measuring beams to form three=dimensional image

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DE3044831A1 DE19803044831 DE3044831A DE3044831A1 DE 3044831 A1 DE3044831 A1 DE 3044831A1 DE 19803044831 DE19803044831 DE 19803044831 DE 3044831 A DE3044831 A DE 3044831A DE 3044831 A1 DE3044831 A1 DE 3044831A1
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Abstract

The position monitoring system for a selected object uses a modulated optical scanning beam which is automatically deflected to impinge on the object with a partial beam reflected from the latter being detected by a photosensor. The scanning beam and the measuring beam extend approx. coaxially and are deflected in conjunction with one another. The photodetector signal is used to measure the distance of the point on the object from which the measuring beam is reflected, in dependence on the angle of the scanning beam, so that a 3-dimensional image of the object can be built up, from which its position within the room is determined. The system can be used for a fully automatic industrial assembly plant to determine the position of the components.

Description

ANORDNUNG ZUR AUTOMATISCHEN BERÜHRUNGSLOSEN MESSUNGDER RäUMLICHENARRANGEMENT FOR AUTOMATIC CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE SPATIAL

LAGE VON GEGENSTÄNDEN Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.LOCATION OF OBJECTS The invention relates to an arrangement according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Einrichtung ist z. B. aus der DE-OS 25 26 753 bekannt.Such a device is z. B. from DE-OS 25 26 753 known.

In der industriellen Fertigung und Montage, besonders von Kleinteilen, stellt sich jedoch in zunehmendem Maße das Problem, Sortierungs-, Prüf- und Meßaufgaben vollautomatisch durchzuführen, wobei dreidimensionale Lage-Information über die Meßobjekte unumgänglich ist. Ein Beispiel dafür ist der "Griff in die Kiste", d. h. das Herausgreifen eines bestimmten Gegenstandes aus einem in einer Kiste befindlichen, ungeordneten Haufen von Gegenständen.In industrial production and assembly, especially of small parts, However, the problem arises to an increasing extent, sorting, testing and measuring tasks to be carried out fully automatically, with three-dimensional position information on the DUT is unavoidable. An example of this is the "picking in the box", i. H. picking out a certain object from a box, disordered pile of items.

Eine Anordnung nach DE-OS 25 26 753 ist jedoch zur Lösung solcher Aufgaben nicht geeignet, weil sowohl charakteristische Eigenschaften der Meßobjekte als auch Bedingungen des Arbeitsplatzes nicht berücksichtigt werden. Beispielsweise werden als Meßpunkte vorher festgelegte Oberflächenflecke vorausgesetzt, welche entweder als diffus reflektierende Farbflecke auf das Meßobjekt aufgetragen oder mittels eines Lichtstrahls aufprojiziert werden. Solche Maßnahmen stellen jedoch zusätzliche Arbeitsgänge dar, welche sich zumeist nicht automatisch durchführen lassen oder später rückgängig gemacht werden müssen.However, an arrangement according to DE-OS 25 26 753 is to solve such Tasks not suitable because both characteristic properties of the test objects as well as conditions of the workplace are not taken into account. For example predetermined surface spots are assumed as measuring points, which either applied to the measurement object as diffuse reflective patches of color or are projected by means of a light beam. Such measures represent however represent additional operations, which are usually not carried out automatically leave or have to be reversed later.

Anstatt von solchen Voraussetzungen muß man viel mclir davoll nusgehen, daß im allgemeinen - die jeweiligen aktuellen Positionen vorgewählter, für die Lagebestimmung relevanter Oberflächenstellen nicht bekannt sind und daher deren gezielte Markierung nicht möglich ist; - nicht nur ausgedehnte Oberflächenteile, sonderen auch schmale Vertiefungen, kleine Bohrungen, enge Stufen und ähnliches ausmeßbar sein müssen.Instead of such prerequisites, one has to go through it a lot, that in general - the respective current positions selected, for the orientation relevant surface locations are not known and therefore their targeted marking not possible; - not only extensive surface parts, but also narrow ones Depressions, small bores, narrow steps and the like must be measurable.

Daraus folgt: - Die Oberfläche der Meßobjekte muß diffus reflektieren; die Reflexion braucht jedoch keinesfalls ideal diffus (Lambertscher Reflektor) zu sein. Gelegentlich auftretende spiegelnde Reflexion (z. B. an blanken Stellen) stellt dabei kein prinzipielles Hindernis gegen den Einsatz dieser Methode dar.It follows from this: - The surface of the test objects must reflect diffusely; however, the reflection does not need to be ideally diffuse (Lambertian reflector) be. Occasional specular reflections (e.g. at bare spots) does not represent a fundamental obstacle to the use of this method.

- Wird die Oberfläche des Meßobjekts mit einem Lichtstrahl (Senderstrahl) abgetastet, so ist der Auftreffpunkt des Senderstrahls nur dann ein (möglicher) Meßpunkt, wenn ein Meßstrahl existiert, d. h. wenn ein Teil des - im allgemeinen diffus reflektierten -Lichts auf den Lichtdetektor fällt. Jeder mögliche Meßpunkt muß somit auch vom Lichtdetektor aus sichtbar sein. - If the surface of the object to be measured is exposed to a light beam (transmitter beam) scanned, the point of impact of the transmitter beam is only then a (possible) Measuring point if a measuring beam exists, d. H. if part of - in general diffusely reflected light falls on the light detector. Every possible measuring point must therefore also be visible from the light detector.

Senderstrahl und Meßstrahl müssen so weitgehend wie m(jglich zueinander koaxial sein. Infolge dessen kann die Entfernung der Meßpunkte nur mit Hilfe eines Lichtlaufzeit-Meßverfahrens bestimmt werden. Der Senderstrahl muß somit moduliert sein.The transmitter beam and the measuring beam must be as close as possible to one another be coaxial. As a result, the distance of the measuring points can only be done with the help of one Time-of-flight measurement method can be determined. The transmitter beam must therefore be modulated be.

Noch einschneidendere Bedingungen als durch die Eigenschaften der Meßobjekte ergeben sich von Seiten der Sicherheit des Arbeitsplatzes: - Die direkte Reflexion des Senderstrahls an blanken Oberflächenstelen kann nicht ausgeschlossen werden. Relativ hohe Lichtleistungen - wie sie z. B. beim Impulsbetrieb eines Lasers auftreten - erfordern zusätzliche Schutzmaßnahmen. Dies würde in der Regel zu einer Beeinträchtigung des Arbeitsraumes in der Umgebung führen, so daß eine völlige Neugestaltung des-Arbeitsplatzes notwendig wäre.Even more drastic conditions than through the properties of the Objects to be measured arise from the side of the safety of the workplace: - The direct reflection of the transmitter beam on bare surface steles cannot be excluded. Relatively high light output - as it is e.g. B. in pulse mode of a laser - require additional protective measures. This would be in the Usually lead to an impairment of the work area in the area, so that a complete redesign of the workplace would be necessary.

Den damit verbundenenPzusätzlichen hohen Aufwand möchte man tunlichst vermeiden. Der Senderstrahl darf daher nur eine verhältnismäßig geringe maximale Leistung aufweisen. The associated additional high effort is what you want as much as possible avoid. The transmitter beam must therefore only have a relatively low maximum Show performance.

- Die Meßanordnung sall den Arbeitsraum der am Arbeitsplatz installierten Maschinen (z. B. Industrieroboter) nicht beeinträchtigen. Die Meßanordnung muß daher in größerer Entfernung von den Meßobjekten angebracht sein (einige Meter). - The measuring arrangement sall the workspace of the one installed at the workplace Do not affect machines (e.g. industrial robots). The measuring arrangement must therefore be placed at a greater distance from the objects to be measured (a few meters).

Geringe Lichtleistungen und große Lichtwege erfordern auf jeden Fall einen sehr empfindlichen 'Lichtdetektor. Es muß jedoch vermieden werden, daß der Lichtdetektor durch die Helligkeit der Umgebung übersteuert wird und dadurch kein Nutzsignal mehr liefert.Low light outputs and large light paths definitely require a very sensitive 'light detector. However, it must be avoided that the Light detector is overridden by the brightness of the environment and therefore no Useful signal delivers more.

Diese Situation tritt nicht ein, wenn dafür gesorgt wird, daß das Gesichtsfeld des Lichtdetektors im wesentlichen identisch ist mit dem jeweiligen Beleuchtungsfeld des Lichtsenders. Läßt man aus praktischen Gründen Lichtsender und Lichtdetektorortsfest, dann müssen Senderstrahl und Meßstrahl simultan abgelenkt werden.This situation does not arise if the The field of view of the light detector is essentially identical to the respective one Illumination field of the light transmitter. For practical reasons one leaves light emitters and light detector stationary, then the transmitter beam and measuring beam must be deflected simultaneously will.

Aus Gründen des geringeren Aufwandes wird man ferner diese Ablenkung mit ein und derselben Ablenkvorrichtung bewerkstelligen wollen. Bei nichtmechanischen Ablenksystemen ergeben sich dabei gewisse Schwierigkeiten mit der Polarisation und dem Querschnitt des Meßstrahls. Der einrz1llerlde SLralil wird bei solchen Systemen stets als in bestimmter Weise polarisiert vorausgesetzt. Selbst bei fester Polarisation des Senderstrahls ist die des Meßstrahls im allgemeinen von Meßpunkt.zu Meßpunkt verschieden. Änderungen finden statt während des Ablenkvorganges selbst und dann bei der Reflexion am Meßobjekt. - Will man weiters die hohe Ablenkgeschwindigkeit nichtmechanischer Systeme voll nutzen, dann muß der einfallende Strahl ziemlich stark gebündelt sein. Dies gelingt noch gut beim ohnehin schmalen Senderstrahl. Der Meßstrahl muß jedoch vor der Bündelung einen hinreichend großen Querschnitt aufweisen, damit sowohl der Pegel wie das Signal-Rausch-Verhältnis des elektrischen Meßsignals sinnvolle Werte annehmen. Aus diesen Gründen stellen mechanisch bewegte Lichtablenkvorrichtungen einen guten Kompromiß dar.For reasons of less effort, this distraction is also used want to accomplish with one and the same deflection device. With non-mechanical Deflection systems result in certain difficulties with the polarization and the cross section of the measuring beam. The individual SLralil is used in such systems always assumed to be polarized in a certain way. Even with a fixed polarization of the transmitter beam is that of the measuring beam in general from measuring point to measuring point different. Changes take place during the distraction process itself and then when reflecting on the object to be measured. - You want furthermore the high deflection speed make full use of non-mechanical systems, then the incident ray must be quite be strongly bundled. This still works well with the already narrow transmitter beam. However, the measuring beam must have a sufficiently large cross-section before it is bundled thus both the level and the signal-to-noise ratio of the electrical Measuring signal assume meaningful values. For these reasons, make mechanically moving Light deflectors are a good compromise.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Auf gabe zugrunde, die Anordnung nach der DE-OS 25 26 753 so zu verbessern, daß die automatische berührungsfreie Messung der räumlichen Lage eines bekannten, diffus reflektierenden Gegenstandes aus einer dreidimensionalen Abbildung nach dem Prinzip des optischen Radars unter Bedingungen, die für den Arbeitsplatz in der industriellen Fertigung und Montage zulässig sind, mit vertretbaremAufwand möglich wird.The present invention is based on the task, the arrangement to improve according to DE-OS 25 26 753 so that the automatic contact-free Measurement of the spatial position of a known, diffusely reflective object from a three-dimensional image based on the principle of optical radar below Conditions that apply to the workplace in industrial manufacturing and assembly are permissible, becomes possible with a reasonable amount of effort.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäßgelöst durch die in Anspruch 1 angegebene Anordnung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegehen.The object set is achieved according to the invention by the claims 1 specified arrangement. Advantageous refinements are set out in the subclaims approach.

Die Erfindung wird an Hand. eines bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.The invention is on hand. of a preferred embodiment explained with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt die optische Signalstrecke der erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung zur dreidimensionalen Lagemessung in Form eines Blockschaltbildes, Fig. 2 zeigt die elektrische Signal strecke derselben Anordnung in Form eines Blockschaltbildes.Fig. 1 shows the optical signal path formed according to the invention Arrangement for three-dimensional position measurement in the form of a block diagram, Fig. 2 shows the electrical signal route of the same arrangement in the form of a block diagram.

Man erkennt in Fig. 1 ein Objekt 1 im Schnitt, dessen Oberfläche mit einem intensitätsmodulierten Lichtstrahl (Senderstrahl) 2 abgetastet wird. Dieser Strahl wird von einem Lichtsender 4 erzeugt und passiert die Senderoptik 5 zwecks Fokussierung (oder Kollimierung) auf das Objekt 1, eine Umlenkvorrichtung 6 sowie eine automatisch arbeitende Lichtablenkvorrichtung 7. Im angepeilten -Objektpunkt wird der Senderstrahl 2 diffus reflektiert; ein Teil dieses Lichts durchläuft als MeR-strahl 3 - koaxial zum Senderstrahl 2 - Lichtablenkvorrichtung 7, Umlenkvorrichtung 6 und Empfängeroptik 8, von wo es auf die lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors 9 fokussiert wird.One recognizes in Fig. 1 an object 1 in section, its surface with an intensity-modulated light beam (transmitter beam) 2 is scanned. This The beam is generated by a light transmitter 4 and passes the transmitter optics 5 for the purpose Focusing (or collimation) on the object 1, a deflection device 6 and an automatically working light deflection device 7. In the targeted object point the transmitter beam 2 is reflected diffusely; part of this light passes through as MeR-strahl 3 - coaxial to the transmitter beam 2 - light deflection device 7, deflection device 6 and receiver optics 8, from where it hits the light-sensitive surface of the light detector 9 is focused.

Im Blockschaltbild der zugehörigen elektrischen Signalstrecke (Fig. 2) betreibt ein Hochfrequenzgenerator 13 eine Modulatorschaltung 14, welche sowohl das zur Intensitätsmodulation des Senderstrahls erforderliche Modulationssignal 10 als auch das zur Phasenmessung benötigte Referenzsignal. 11 erzeugt. Das Referenzsignal 11 sowie das vom Lichtdetektor 9 erzeugte Meßsignal 12 durchlaufen je eine Signal-Vorverarbeitungsschaltung 15, 16. Der mittels einer Phasenmeßanordnung 17 bestimmte Phasenunterschied zwischen beiden Signalen stellt ein Maß für die Entfernung des Objektpunktes von der messenden Anordnung dar. Eine nachgeschaltete Recheneinheit 18 verarbeitet die den Objektpunkten entsprechenden Entfernungs- und Richtungs-Informationen automatisch zu einem dreidimensionalen Bild, welches dann den Erfordernissen entsprechend weiterverarbeitet wird (z. B. durch Filtern, Merkmalsextraktion, Szenenanalyse usw.). Die Recheneinheit 18 enthält darüberhinaus a priori-Information zur Beschreibung der zugelassenen Objekte sowie zur Umgehung der durch die Phasenmessung bedingten Mehrdeutigkeit der Abstandswerte (Modulo-Problem).In the block diagram of the associated electrical signal path (Fig. 2) a high frequency generator 13 operates a modulator circuit 14, which both the modulation signal required to modulate the intensity of the transmitter beam 10 as well as the reference signal required for phase measurement. 11 generated. The reference signal 11 and the measurement signal 12 generated by the light detector 9 each pass through a signal preprocessing circuit 15, 16. The phase difference determined by means of a phase measuring arrangement 17 between both signals represents a measure for the distance of the object point from the measuring point Arrangement. A downstream arithmetic unit 18 processes the object points corresponding distance and direction information automatically to a three-dimensional Image, which is then processed further according to the requirements (e.g. by filtering, feature extraction, scene analysis, etc.). The computing unit 18 contains in addition, a priori information to describe the permitted objects as well to circumvent the ambiguity of the distance values caused by the phase measurement (Modulo problem).

Das Funktionsprinzip des in der erfindungsgemäßen Anordnung angewendeten opto-elektronischen Entfernungsmeßverfahrens ist allgemein bekannt. Die'geforderte hohe Entfernungsauflösung wird im vorliegenden Fall über eine sehr hohe Modulationsfrequenz des Lichts (von mehreren 102 MHz) zugunsten einer groben Phasenmessung erreicht. Die hohe Modulationsfrequenz ermöglicht außerdem eine kurze Meßzeit pro Meßpunkt, da die Anzahl der Einzelwerte in einem festen Zeitintervall direkt proportional zur Anzahl der Schwingungen je Zeiteinheit ist. Um trotzdem nicht mit unkonventionellen oder sehr aufwendigen Techniken arbeiten zu sen, wird als Licht sender 4 eine direkt modulierbare taser- (oder Lumineszenz-) Diode und als Lichtdetektor 9 eine lawinenphotodiode benützt.The principle of operation of that used in the arrangement according to the invention Opto-electronic distance measuring method is well known. The'required In the present case, high distance resolution is achieved via a very high modulation frequency of light (of several 102 MHz) in favor of a rough phase measurement. The high modulation frequency also enables a short measuring time per measuring point, because the number of individual values in a fixed time interval directly is proportional to the number of oscillations per unit of time. To still not with Working with unconventional or very elaborate techniques is called light transmitter 4 a directly modulatable taser (or luminescence) diode and as a light detector 9 an avalanche photodiode is used.

Die Lichtablenkvorrichtung 7 wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit als mechanisch bewegtes System ausgeführt - beispielsweise als rotierender Polygonspiegel. Dieser gewährleistet sowohl eine automatische Strahlablenkung als auch eine genaue Kenntnis der momentanen Strahlrichtung (aus dem jeweiligen Achsdrehwinkel).The light deflecting device 7 is for the sake of convenience as Mechanically moving system - for example as a rotating polygon mirror. This ensures both an automatic beam deflection and an accurate one Knowledge of the current beam direction (from the respective axis rotation angle).

Mit Hilfe eines Spiegels, diesmal jedoch räumlich fest und eben, kann auch die Umlenkvorrichtung 6 realisiert werden. In einer Ausführungsform ist dieser Spiegel hinreichend groß und weist eine Bohrung zum ungehinderten Durchtritt des Senderstrahls 2 auf. Der Spiegel kann aber auch so klein sein, daß nur der Senderstrahl 2 umgelenkt wird.With the help of a mirror, but this time spatially fixed and level, you can the deflection device 6 can also be realized. In one embodiment, this is The mirror is sufficiently large and has a hole for the unhindered passage of the Transmitter beam 2. But the mirror can also be so small that only the transmitter beam 2 is diverted.

Die Entfernung des angepeilten Objektpunktes wird im Prinzip aus der Laufzeit des Lichtes vom Sender 4 über das Objekt 1 zum Detektor 9 bestimmt. Diese Bestimmung wird üblicherweise entweder direkt unter Verwendung gepulsten Lichts oder über einen Phasenvergleich unter Verwendung dauerstrich-(intensitäts-)modulierten Lichts durchgeführt. Es ist allgemein bekannt, daß bei nicht-zu großen Entfernungen (etwa kleiner als 1 km) und vergleichbarem Aufwand die Phasenmessung genauere Werte ergibt als die direkte Puls-Laufzeitmessung. Die Grenze zwischen beiden Methoden der Laufzeitbestimmung ist jedoch fließend. Haben nämlich alle Lichtpulse identische Form und zeitlich konstanten Abstand, so liegt ein Lichtsignal mit nicht-sinusfL3rniiger peri<)-discher Modulation vor. Man kann aus dem Modulatioiissigiiil durch selektive Filterung entweder die Grund schwingung oder eine geeignete höhere Harmonische, also ein sinusförmiges Signal, gewinnen und zur Phasenmessung heranziehen. Im Falle eines Multivibrator-Signals ist die Phasenmessung sogar direkt möglich.The distance of the targeted object point is in principle from the The transit time of the light from the transmitter 4 via the object 1 to the detector 9 is determined. These Determination is usually done either directly using pulsed light or via a phase comparison using continuous wave (intensity) modulated Performed light. It is well known that at not-too-great distances (about less than 1 km) and a comparable effort the phase measurement more precise values results as the direct pulse time-of-flight measurement. The boundary between the two methods the determination of the running time is, however, fluid. Namely, all light pulses have identical ones Form and temporally constant distance, a light signal with a non-sinusoidal curve is less peri <) - dic modulation. One can choose from the modulatioiissigiiil by selective Filtering either the fundamental or a suitable higher harmonic, So a sinusoidal signal, win and use for phase measurement. In the event of With a multivibrator signal, phase measurement is even possible directly.

In der erfindungsgemäßen Anordnung durchlaufen sowohl das Referenzsignal 11 wie das Meßsignal 12 geeignete Vorverarbeitungsschal-LuLigLit 1'>> l 'J, 16, W:lelle die Signale selektiv verstärken und - je nach Art der nachgeschalteten Phasenmeßanordnung 17 - deren Frequenz unverändert lassen oder auf einen geeigneten niedrigeren Wert transponieren. Im Prinzip würde eine Vorverarbeitung des Meßsignals 12 allein hinreichen. Im Falle der Verwendung zweier identischer Vorverarbeitungsschaltungen hat man jedoch denVorteil, daß die beiden Signale 11, 12 weitgehend dieselben, von Art und Entfernung des Meßobjekts unabhängigen Phasenverschiebungen erfahren, wodurch Temperatur- Kompensations-und ähnliche Maßnahmen überflüssig werden.In the arrangement according to the invention, both the reference signal pass through 11 like the measurement signal 12 suitable preprocessing scarf LuLigLit 1 '>> l' J, 16, W: lelle selectively amplify the signals and - depending on the type of downstream Phase measuring arrangement 17 - leave the frequency unchanged or change to a suitable one transpose lower value. In principle, preprocessing of the measurement signal would take place 12 alone are sufficient. In the case of using two identical preprocessing circuits however, one has the advantage that the two signals 11, 12 are largely the same, from Type and distance of the test object experienced independent phase shifts, whereby Temperature compensation and similar measures become superfluous.

In der Praxis kann die Anordnung nach den Fig. 1 und 2 aus folgenden Elementen aufgebaut werden: - als Lichtsender 4 eine GaA1As-Laserdiode LCW-1O von Laser Diode; - als Umlenkvorrichtung 6 ein geeignet im Strahlengang angeordneter, räumlich fester, ebener durchbohrter Spiegel; - als automatische Lichtablenkvorrichtung 7 ein rotierender Polygonspiegel; - als Lichtdetektor 9 eine Silizium-Lawinenphotodiode BPW 28 von Telefunken; - als Anordnung zur Erzeugung des Referenzsignals 11 eine Antenne, welche eine elektromagnetische Einkopplung des Modulationssignals-in die Referenzsignal-Vorverarbeitungsschaltung 15 bewirkt; - als Phasenmeßanordnung 17 ein Vector-Analyzer ZPV mit Tuner ZPV-E3 von Rohde & Schwarz; - als Recheneinheit 18 ein beliebiger handelsüblicher Rechner.In practice, the arrangement according to FIGS. 1 and 2 can consist of the following Elements are set up: - As a light transmitter 4 a GaA1As laser diode LCW-1O from Laser diode; - As a deflection device 6 a suitably arranged in the beam path, spatially fixed, flat, pierced mirror; - As an automatic light deflection device 7 a rotating polygon mirror; - As a light detector 9, a silicon avalanche photodiode BPW 28 from Telefunken; - As an arrangement for generating the reference signal 11 a Antenna, which an electromagnetic coupling of the modulation signal into the Reference signal preprocessing circuit 15 causes; - As a phase measuring arrangement 17 a vector analyzer ZPV with tuner ZPV-E3 from Rohde &Schwarz; - as an arithmetic unit 18 any commercially available calculator.

Die charakteristischen Merkmale der vorliegenden Erfindung schaffen die notwendigen Voraussetzungen, um automatische berührungsfreie Lagemessungen bekannter, diffus reflektierender Gegenstände auch unter für den industriellen Arbeitsplatz zulässigen Bedingungen mit einer Meßgenauigkeit in drei Dimensionen von wenigen Millimetern, in einem Abstnndsbcreicli von etwa 0,5 Meter bis etwa 5 Meter von der Lichtablenkvorrichtung, mit vertretbarem Aufwand rasch und zuverlässig durchzuführen.To create the characteristic features of the present invention the necessary prerequisites for automatic, non-contact position measurements of known, Diffusely reflective objects also under for the industrial workplace permissible conditions with a measurement accuracy in three dimensions of a few Millimeters, at a distance of about 0.5 meters to about 5 meters from the Light deflection device to be carried out quickly and reliably with reasonable effort.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Anordnung auch zur automatischen berührungsfrein Bestimmung der Identität eines Gegenstandes aus einer Menge möglicher bekannter Gegenstände dienen.In addition, the arrangement according to the invention can also be used for automatic Contact-free determination of the identity of an object from a set of possible known objects.

Claims (13)

Patentansprüche 1. Anordnung zur automatischen berührungslosen Messung der räumlichen Lage von bekannten Gegenständen mit einer Einrichtung zum Aussenden modulierten Lichts (Senderstrahl), einem Lichtdetektor zum Empfang eines Teiles des vom Objekt reflektierten modulierten Lichts (Meßstrahl), einer Lichtablenkvorrichtung zur automatischen Ablenkung des Senderstrahls und einer Meß- und Auswerteeinheit, dadurch g e k e n n z e i c h n e-t, daß einerseits Meßstrahl und SellderFtr; annähernd koaxial angeordnet sind und gemeinsam von der Äblenkvorrichtung abgelenkt werden, und daß andererseits mit der MeReinrichtung die Entfernung der anvisierten Punkte des Gegenstandes gemessen werden in Abhängigkeit von den Ablenkwinkeln des Senderstrahls und daß das dreidimensionale Bild des Gegenstandes und damit die Lage des Gegenstandes im Raum bestimmt wird.Claims 1. Arrangement for automatic contactless measurement the spatial position of known objects with a device for transmitting modulated light (transmitter beam), a light detector to receive a part of the modulated light (measuring beam) reflected by the object, a light deflection device for the automatic deflection of the transmitter beam and a measuring and evaluation unit, by the fact that on the one hand measuring beam and SellderFtr; nearly are arranged coaxially and are jointly deflected by the deflection device, and that on the other hand with the measuring device the distance of the targeted points of the object can be measured depending on the deflection angles of the transmitter beam and that the three-dimensional image of the object and thus the position of the object is determined in space. 2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Modulation des Lichts mit zumindest einem periodischen Signal erfolgt, und daß die kürzeste Periodendauer des Signals klein gewählt ist (Größenordnung 10 ns).2. Arrangement according to claim I, characterized in that g e k e n n z e i c h n e t, that the modulation of the light takes place with at least one periodic signal, and that the shortest period of the signal is chosen to be small (order of magnitude 10 ns). 3. Anordnung nach Anspruch ] und 2, dadurch g e k e n n z e i c n e t, daß der Lichtsender einen direkt modulierbaren Laser, z. B. eine Laserdiode oder Lumineszenzdiodeoder Super-Lumineszenzdiode, enthält, und daßdieFokussierung bzw. Kollimierung des Senderstrahls, sofern sie nicht laserspezifisch ist, mit Hilfe eines dem Licht sender nachgeschalteten optischen Systems erfolgt.3. Arrangement according to claim] and 2, characterized in that g e k e n n z e i c n e t that the light transmitter is a directly modulatable laser, e.g. B. a laser diode or light emitting diode or super light emitting diode, and that the focusing or collimation of the transmitter beam, provided it is not laser-specific, with the help an optical system connected downstream of the light transmitter takes place. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Lichtdetektor eine Photodiode mit hinreichend kurzer Anstiegszeit, z. B. eine Lawinenphotodiode oder pin-Photodiode,enthält, und daß eine Abbildung des Meßstrahls auf die lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors mit Hilft eines vorgeschalteten optischen Systems erfolgt.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized g e k e n n -z e i c h n e t that the light detector is a photodiode with a sufficiently short rise time, z. B. an avalanche photodiode or pin photodiode, and that an image of the measuring beam on the light-sensitive surface of the light detector with the help of a upstream optical system takes place. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß die Lichtablenkvorrichtung ein mechanisch bewegtes System, z. B. ein rotierender Polygonspiegel ist, welches eine zweidimensionale Strahlablenkung ermöglicht.5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized g e k e n nz e i c h n e t that the light deflecting device is a mechanically moving system, e.g. B. is a rotating polygon mirror, which is a two-dimensional beam deflection enables. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n ne e i c h n e t, daß die Strahlablenkung automatisch, d. h. durch Regelung der Lichtablenkeinheit auf die Sollwerte der Ablenkwinkel, nach einem von Seiten der Auswerteeinheit vorgegebenen Programm erfolgt 6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized g e k e n ne e i c h n e t that the beam deflection is automatic, i. H. by regulating the light deflection unit on the setpoint values of the deflection angle, according to one specified by the evaluation unit Program takes place 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t,. daß die Strahlablenkung automatisch, d. h. durch Steuerung der Lichtablenkeinheit gemäß einem vorgegebenen Bewegungsablauf, erfolgt, und daß zu vorbestimmten Zeitpunkten die Istpostion an die Auswerteeinheit gemeldet wird.7. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized g e k e n n -z e i c h n e t ,. that the beam deflection is automatic, d. H. through control the light deflection unit takes place according to a predetermined sequence of movements, and that the actual position is reported to the evaluation unit at predetermined times. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die annähernde Koaxialität von Senderstrahl und Meßstrahl durch ein räumlich festes optisches System erreicht wird, welches im wesentlichen nur einen der beiden Strahlengänge beeinflußt. 8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized g e k e n It does not indicate that the approximate coaxiality of the transmitter beam and the measuring beam is achieved by a spatially fixed optical system, which essentially affects only one of the two beam paths. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die annähernde Koaxialität von Senderstrahl und Meßstrahl durch die Lichtablenkvorrich-Lung selbst bewerkstelligt wird, wobei der Verlauf beider Strahlengänge beeinflußt wird.9. Arrangement according to one of claims I to 7, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the approximate coaxiality of the transmitter beam and measuring beam through the Lichtablenkvorrich-Lung is accomplished itself, the course of both Beam paths is influenced. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Laufzeitmessung des modulierten Lichts mittels Phasenvergleichs zwischen elektrischen Meß- und Referenzsignal-Komponenten von jeweils -gleicher Periodendauer erfolgt.10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the transit time measurement of the modulated light by means of phase comparison between electrical measurement and reference signal components of the same in each case Period duration takes place. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Laufzeitmessung des modulierten Lichts aus dem zeitlichen Abstand von gepulsten Signalen, welche vom elektrischen Meß- und Referenzsignal abgeleitet sind, bestimmt wird.11. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the transit time measurement of the modulated light from the temporal Distance from pulsed signals, which from the electrical measurement and reference signal are derived, is determined. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das elektrische Referenzsignal vom elektrischem Modulationssignal durch im wesentlichen nicht-optische Mittel abgeleitet wird, z. B. mittels elektrodynamischer Ankopplung.12. Arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the electrical reference signal from the electrical modulation signal is derived by substantially non-optical means, e.g. B. by means of electrodynamic Coupling. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das elektriscile Rcf-t'rtzsignal von einem weiteren Lichtdetektor, welcher von einem Bruchteil des an geeigneter Stelle im Strahlgang abgezweigten Senderstrahls gespeist wird, herrührt.13. Arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized g e k e n n e i c h n e t that the electrical Rcf-t'rtzsignal from another light detector, which of a fraction of the branched off at a suitable point in the beam path Transmitter beam is fed, originates.
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