DE3119505A1 - Optischer sensor fuer die erfassung von dreidimensionalen objekten - Google Patents

Description

• Optischer Sensor für die Erfassung von dreidimensionalen
• Ob ekten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Prüfung von dreidimensionalen Objekten, wobei ein Licht-Punkt (Lmserscnnner) gezielt über die Oberfläche geführt wird und die Lagekoordinaten x', yt dieses Lichtpunktes über einen positionsempfindlichen Detektor, z. B.
• eine entsprechende Halbleiterdiode, an einer zur Senderichtung unterschiedlichen Richtung bestimmt werden und die Halbleiterdiode neben der Ortsinformation des Lichtpunktes noch einen Ausgang besitzt, dessen Amplitude der momentanen Intensität des auf der Diode abgebildeten Lichtpunktes entspricht.
• Die zunehmende Automatisierung macht die Erkennung und Prüfung von dreidimensionalen Objekten unumgänglich. Als Beispiel sei auf sensorgeführte Roboter für die Handhabung, automatische Prüfung von Leiterplatten auf vollständige und richtige Bestückung und die Prüfung von Lötstellen oder Bonds auf integrierten Schaltkreisen verwiesen.
• Ein Weg, dieses Problem zu lösen, besteht in der Aufnahmefumsetzung eines 3D-Bildes in eine 2D-Helligkeitsverteilung durch eine optische Abbildung und die sich daran anschließende Rekonstruktion der räumlichen Ausdehnung der Objekte, meistens anhand von lla priorit-Wissen. Die-Rekonstruktion erfolgt über umfangreiche und zeitintensive Softwareprogramme, die Anwendbarkeit ist häufig auf Modellkörper beschränkt.
• Die Verarbeitung von Bildern zweidimensionaler Objekte wird in der praktischen Anwendung in vielen Fällen durch objektspezifische Eigenschaften (z. B. Kontraste) äußerst erschwert. Noch wesentlich schwieriger ist es, aus zweidimensionalen Bildern auf dreidimensionale Objekte allgemeiner Art zu schließen. Dieser Gesichtspunkt, sowie die relativ langsame Verarbeitungszeit, machen dieses Verfähren für die industrielle Anwendung aus heutiger Sicht kaum geeignet.
• Es ist vielmehr erforderlich, schon bei der Bildaufnahme die dritte Dimension zu erfassen. Auf dieser Basis beruhen alle Triangulationsverfahren. Dabei wird ein Punkt P (x, y, z) des Objektes unter dem bekannten Winkel (betrachtet. Aus dem Winkel SS sowie aus den in Betrachtungsrichtung beobachteten Koordinaten (x', y') des Lichtpunktes, läßt sich die Raumkoordinate P (x, y, z) des Objektes nach trigonometrischen Berechnungen bestimmen und so die gesamte Oberfläche des Objektes dreidimensional erfassen.
• Die Figur 1 zeigt die wesentlichen Elemente der Triangulation zur Bestimmung der Raumkoordinaten x, y, z eines Objektes 1. Ferner sind in dieser Figur noch ein Empfänger 2 und ein Sender 3 dargestellt, die unter verschiedenen, bekannten Winkeln g und die punktuelle Beleuchtung des Objektes 1 und die Aufnahme der Information (x', y) durchführen. Nach bekannten trigonometrischen Beziehungen läßt sich aus den Sende- Y und Betrachtungswinkel t sowie aus den in Betrachtungsrichtung festgestellten Lagekoordinaten x' und y' des Lichtpunktes die jeweilige Raumkoordinate P (x, y, z) des Objektes berechnen.
• Für die technische Realisierung eines Verfahrens zur Erkennung und Prüfung von dreidimensionalen Objekten sind folgende Varianten bekannt: a) Ein Lichtpunkt (Laserscanner) wird gezielt über die Oberfläche geführt und die Lagekoordinaten (x', y') über Bildwandler (z. B. TV-Kamera, Image Dissector Camera) erfaßt. Der Nachteil eines derartigen Verfahrens besteht darin, daß für jeden Bildpunkt ein Bilddurchlauf erforderlich ist. Dadurch wird der Verfahrensablauf sehr langsam (mehrere Sekunden).
• b) Anstatt eines Lichtpunktes wird ein Lichtband unter definierter Richtung auf das Objekt geworfen und dessen Verlauf über TV-Bild ausgewertet. Die gesamte Szenenerfassung erfolgt seriell über eine Folge von Lichtbändern. Auch dieses Verfahren ist zu langsam, da je Lichtband ca. 20 msec benötigt werden. Pur eine präzise Lageerfassung sind ca. 100 Lichtbänder erforderlich.
• c) Eine Beschleunigung des Verfahrens mit Lichtbändern wird durch eine gleichzeitige Projektion von mehreren Gittern auf das Objekt erreicht. Dieses Gitter kann dann in einem Fernsehbild ausgewertet werden0 Nachteilig ist hierbei aber, daß das gleichzeitige Auftreten mehrerer Linien die Eindeutigkeit der Auswertung erheblich erschwert und das Verfahren nicht für alle Objekte geeignet macht.
• Alle drei genannten Verfahren a, b und c erfordern für die Lageerfassung einen Bildwandler mit großer Dynamik.
• Die bei TV Systemen im allgemeinen vorliegenden 256 Graustrukturen sind für technische Oberflächen für diese Anwendung häufig nicht ausreichend. Bei den unterschiedlichen Orientierungen dreidimensionaler Objekte können starke Intens itäts schwankungen auftreten.
• Einer der einschränkenden Faktoren für die Anwendung des oben beschriebenen Laserscannerverfahrens zur Erfassung von dreidimensionalen Objekten liegt in der extremen Unterschiedlichkeit der optischen Eigenschaften realer Oberflächen. Das in der Empfangsrichtung zurückgestreute Licht kann je nach Orientierung der Objektfläche bzw.
• der Reflektionseigenschaften im Verhältnis von 1:1000 und mehr variieren. Die Figur 2 veranschaulicht diesen Zusammenhang am Beispiel einer geneigten, gut reflektierenden Fläche 4. Aufgrund der guten Reflektion bildet sich hier eine schmale Keule 5 aus, deren Intensität in Empfängerrichtung 6 äußerst gering ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dreidimensionale Objekte unterschiedlichster geometrischer und optischer Eigenschaften in kurzer Zeit mit hinreichender Genauigkeit zu erfassen. Diese Aufgabe wird mit einem eingangs definierten Verfahren dadurch gelöst, daß die Ausgangsspannung des positionsempfindlichen Detektors über ein Regelglied auf eine Einrichtung geführt wird, die es erlaubt, die Intensität des Lasers ständig so zu regeln, daß die über dem positionsempfindlichen Detektor empfangene Intensität des Lichtpunktes weitgehend unabhängig von den lokalen Objekteigenschaften, wie Reflektion und Winkelorientierung im Raum, ist.
• Durch die Verwendung eines Halbleiterdetektors und die Bereitstellung einer nahezu konstanten Intensität des empfangenen Lichtes wird erreicht, daß die Abtastung sehr schnell vor sich gehen kann und die für die Berechnung der Raumkoordinaten P (x, y, z) notwendigen Informationen x', y1 ständig vorliegen. Mit der Anordnung nach der Erfindung ist es möglich, bei hoher Auflösung in Bruchteilen von Sekunden die Raumkoordinaten P (x, y, z) eines Objektes vollstandig zu erfassen und zur weiteren Verarbeitung in einen Rechner abzuspeichern.
• Die Erfindung wird anhand der Figur 3 erläutert.
• Es zeigen: Figur 1 ein prinzipielles Verfahren der Triangulation, Figur 2 die Intensitätsabnaabme der empfangenen Intensität bei geneigten, schwach streuenden Oberflächen und Figur 3 einen 3D-Sensor, bestehend aus positionempfindlichem Halbleiterdetektor, über dessen Intensitätsausgang die Laserbeleuchtung entsprechend der lokalen optischen Bedingung ständig nachgeregelt wird.
• Auf der Empfängerseite besteht die Anordnung aus einer Optik 7 und einem positionsempfindlichen Halbleiterdetektor 8. Die Senderseite beinhaltet einen Laser 9, einen Modulator 10 und einen Scanner 11 zur Strahlablenkung sowie eine die Sender- und Empfangerseite verbindende Regeleinrichtung 12.
• Das Objekt 1, beschrieben durch seine Raumkoordina ten P (x, y, z), wird unter einem Winkel von dem Laserscanner abgetastet. Der Laserpunkt wird über die Optik 7 in Betrachtungsrichtung auf dem positionsempfindlichen Halbleiterdetektor 8 abgebildet, der in Echtzeit die in Betrachtungsrichtung festgestellten Koordinaten sec', yl in Form der Spannung Uxts und U liefert sowie zusätzlich ein Signal UT bereitstellt, dessen Amplitude der Intensität des auf dem positionsempfindlichen Halbleiterdetektor abgebildeten Lichtpunktes entspricht. Dieses Signal UI wird auf einen Regler 12 gegeben, der daraus eine Stellgröße ermittelt, die es gestattet, die Laserintensität so zu ändern, daß von dem Halbleiterdetektor eine Intensität empfangen wird, die weitgehend unabhängig von lokalen Objekteigenschaften ist Zur Modulation des Laserstrahls kann ein akustooptischer Modulator verwendet werden, der über den Regler 12 so angesteuert wird, daß seine Transmission T ungefähr umgekehrt proportional zur Empfägerintensität U1 ist.
• 1 Patentanspruch 3 Figuren

Claims (1)

1. Patentanstruch.

   Verfahren zur Erkennung und Prüfung von dreidimensionalen Objekten, wobei ein Lichtpunkt (Laserscanner) gezielt über die Oberfläche geführt wird und die Lagekoordinaten x', y' dieses Lichtpunktes über einen positionsempfindlichen Detektor, z. B. eine entsprechende Haibleiterdiode, an einer zur Senderichtung unterschiedlichen Richtung bestimmt werden und die Halbleiterdiode neben der Ortsinformation des Lichtpunktes noch einen Ausgang besitzt, dessen Amplitude der momentanen Intensität des auf der Diode abgebildeten Lichtpunktes entspricht, d a d u r e h g e k e n n z e i c h n e t daß diese Ausgangsspannung über ein Regelglied (12) auf eine Einrichtung (z. B. einen elektrooptischen Modulator (10)) geführt wird, die es erlaubt, die Intensität des Lasers (9) ständig so zu regeln, daß die über den positionsempfindlichen Detektor (8) empfangene Intensität des Lichtpunktes weitgehend unabhängig von den totalen Objekteigenschaften, wie Reflektion und Winkelorientierung im Raum, ist.