DE3121070A1

DE3121070A1 - Vorrichtung zur lagebestimmung einer markierung auf einem objekt

Info

Publication number: DE3121070A1
Application number: DE19813121070
Authority: DE
Inventors: Masanori Wako Saitama Idesawa; Toyohiko Tokyo Yatagai
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1980-05-28
Filing date: 1981-05-27
Publication date: 1982-03-18
Also published as: US4457626A; JPS56168104A; DE3121070C2; JPS6112202B2

Description

Fasanen« D-7920 H

DIPL.-ING. WERNER LORENZ

PATENTANWALT Feeanenetraße 7 D-7920 Heldenhelm

18.05.1981 - to Akte: RI 787

Anmelder:

Rikagaku Kenkyusho
No. 2-1 Hirosawa
Wako-shi,
Saitama-ken,
JAPAN

Vorrichtung zur Lagebestimmung einer Markierung auf einem Objekt

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagebestimmung einer Markierung auf einem Objekt oder Körper, der nach seiner geometrischen oder physikalischen Beschaffenheit bestimmt werden soll.

Seit einiger Zeit besteht ein wachsender Wunsch nach der Lagebestimmung einer Markierung,-einem hellen Fleckf einem leuchtenden Stück oder irgend einer anderen Markierung, die auf einem Objekt oder Körper erscheint, ohne denselben zu berühren und zur Bestimmung der geometrischen oder physikalischen Beschaffenheit eines Objektes, wie z.B.-

- r-

die Gestalt oder Konfiguration des Objektes, die Neigungslinie des Objektes oder dessen Bewegung und zwar mit Hilfe der nacheinander festgestellten Markierungspositionen. Das Wort "Markierung" wird als Anzeige eines bestimmten ausgewählten Punktes auf einem Objekt oder Körper verstanden, wie z.B. einem daraufbefestigten oder eingedruckten Zeichen, ein projezierterLichtfleck oder irgendein anderes beleuchtetes oder selbstleuchtendes (oder lumineszierendes) Objekt.

Die Genauigkeit mit der die geometrische oder physikalische Beschaffenheit eines Objektes oder Körpers bestimmt werden kann,hängt im hohen Maße von der Genauigkeit ab mit der die Lage der Markierung auf dem Objekt oder Körper bestimmt wird.

Zum Zwecke der Lagebestimmung der Markierung auf dem Objekt kann eine Fernsehkamera, ein Photohalbleiter, eine Festkörperbildabtasteinrichtung u« dgl_o verwendet werden. Auf diese Weise hängt die Genauigkeit der letzten Messung sehr stark von dem Einfluß der Genauigkeit eines derartigen Lichtanzeigers und von der Genauigkeit der daran angeschlossenen Einrichtungen, wie nachfolgend beschrieben, ab.

Aus diesem Grunde kann der wirksame Meßbereich eines lichtempfindlichen Elementes durch Vergrößerung des lichtempfindlichen Bereiches des Elementes ausgeweitet werden. Es ist jedoch äußerst schwierig eine Homogenität über den ganzen vergrößerten lichtempfindlichen Bereich, bei der Proj.ezierung des Elementes, sicherzustellen» Ein anderes Problem besteht darin, daß das Ertragsergebnis

ζ.

in dem Falle, in dem hochpräzise lichtempfindliche Elemente notwendig sind, drastisch abnimmt. Sogar wenn Hochpräzisions elemente verwendet werden, können diese nicht mit ihrer vollen Genauigkeit ohne Verwendung einer damit verbundenen Leistungsquelle und Verstärkern ,deren Präizision der Präzision für das lichtempfindliche Element ziemlich nahe kommt, eingesetzt werden. Es ist jedoch schwierig die Präzision einer Leistungsquelle und eines Verstärkers so stark wie die Präzision des lichtempfindlichen Elementes zu verbessern und eine derartige Präzisionsleistungsquelle und Verstärker würden überaus teuer werden_e Dies ist mit einem Analog-Digitalumwandlffder Fall, der notwendig ist um eine Markierungsposition in eine digitale Form zu bringen. Als eine Alternative zu dem Analog-Digitalumwandler kann eine festkörp^erbildformem.de Einrichtung, die ein Feld von zahlreichen Fotodioden aufweist, verwendet werden^um Teile einer Digitalinformatiorr zu ergeben. Diese Alternative reduziert das Problem mit dem Analog-Digitalumwandler, aber ein anderes Problem liegt darin, daß es schwierig ist eine festkörperbildformende Einrichtung von genügender Präzision herzustelleno

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin eine Vorrichtung vorzusehen, die für eine Lagebestimmung einer Markierung auf einem Objekt über einen erweiterten Meßbereich geeignet isto Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung au schaffen, die dazu geeignet ist die Lagebestimmung einer Markierung auf einem Objekt mit einer höheren Genauigkeit zu treffen,»

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben bei einer Vorrichtung

der Eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß sie ein lichtreflektierendes Element oder einen Körper aufweist, der so angeordnet ist, daß er den Lichtstrahl von einem zu prüfenden Objekt aufnimmt und auf die Anzeigefläche eines lichtempfindlichen Elementes wirft, wobei der Lichtstrahl anderenfalls nicht auf die lichtempfindliche Fläche fallen würde _} sondern sich davon wegbewegen würde. Auf diese Weise wird offensichtlich die wirksame Fläche des lichtempfindlichen Elementes vergrößert.

Weitere Ausgestaltungen undVorteile ergeben sich aus den Ansprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschriebenen Ausführungsbeispieles.

Es zeigt:

Fig„ 1: Eine bekannte Vorrichtung zum Erfassen einer Markierungsposition;

Fig₀ 2: bestimmte Parameter, durch welche die Position einer Markierung auf einem Objekt bestimmt werden kann;

Fig_e 3: das Prinzip der Erfindung, nach der die Position einer Markierung bestimmt wird;

Fig₀ 4: die Position eines hellen Fleckes auf einem Objekt im Verhältnis zu der Position der Reflexion des hellen Fleckes auf der lichtempfindlichen Fläche, und

Fig. 5: den Weg eines sich bewegenden hellen Fleckes und den dazugehörigen Weg seiner Reflexion.

In der Fig. 1, welche nachfolgend beschrieben wird, ist eine bekannte Vorrichtung zur Bestimmung von Markierungspositionen dargestellt« Ein zu prüfendes Objekt 1, z.B. in Bezug auf seine Konfiguration wird mit einem Lichtstrahl beaufschlagt und der reflektierte Lichtstrahl fällt von dem Objekt 1 durch eine Linse 2 und auf eine lichtempfindliche Fläche 3_O Die Linse 2 und die lichtempfindliche Fläche 3 bilden zusammen einen Lichtfleckerfassungsabschnitt und eine damit verbundene Koordinatenbestimmungseinrichtung 4 erfasst die momentane Koordinatenlage des Lichtfleckes auf der lichtempfindlichen Fläche nach den folgenden Gleichungen:

X —

^xm

y = ^m « ζ ( = ζ tan J ), und

a
ζ = L

(tan S ^xm ) a

Wobei "Q" der Projektionswinkel in der x-z Ebene und " Ϊ? " ein Projektionswinkel bezogen auf die x-z Ebene ist (siehe Fig„ 2)₀

In der Fig. 3 ist das Prinzip der· Erfindung dargestellt» Wie ersichtlich,ist ein lichtreflektierender Körper 5 um ein lichtempfindliches Element 3 gelegt. Mit dieser Anordnung konnte die wirksame lichtempfindliche Fläche des Elementes 3 , wie durch die gestrichelten Linien dargestellt, vergrößert werden. So werden Z₀B₀ Markierungen auf verschiedenen

-Sr-

Positionen "A", "B" und "C" auf einem Objekt auf korrespondierenden Punkten "a", "b" und "c" jeweils auf der lichtempfindlichen Fläche entdeckt. Wenn kein lichtreflektierender Körper 5 vorhanden wäre, wurden die Bilder der Markierungen ^rA" und "C" auf Orte außerhalb der lichtempfindlichen Fläche, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt, fallen und könnten deshalb nicht von dem lichtempfindlichen Element erfaßt werden.

Wenn Informationen bezüglich der Seite,auf die der reflektierende Körper die Lichtstrahlen von den Markierungen "A" und "C" reflektiert, gegeben werden und wie oft die Lichtstrahlen reflektiert werden, können die Positionen der Bildpunkte "a" und "c" auf die Positionen der Punkte "a'" und "c¹" aufgrund-einer mathematischen Beziehung, die nachfolgend erläutert wird, übertragen werden.

In der Fig. 4 sind jene Punkte, auf die Lichtstrahlen von bestimmten Markierungen auf einen Körper fallen, auf einer sinusförmigen Welle dargestellt. Der wirkliche Bereich des lichtempfindlichen Elementes erstreckt sich von -W bis +W . In Fig. 4 stellen die numerischen Figuren,

X X

die zwischen den gegenüberliegenden Seiten des reflektierenden Körpers erscheinen, die Reflexionszeiten dar und werden mit den Reflexionszeitindex "n " oder "n " versehene Das

χ y

Vorzeichen des Reflexionszeitindex zeigt auf welcher Seite die erste Reflexion auftritt (obere oder untere Seite) und die Figur des Reflexionszeitindex zeigt wie nachher die Abweisung auftritt. Auf diese Weise bedeutet dies, wenn z. B. der Reflexionszeitindex bei +3 ist_f daß der Lichtstrahl auf die obere Seite, die untere Seite, und schließlich auf die obere Seite des reflektierenden Körpers

reflektiert. Ebenso stellt das Zeichen fest, in welche Seite sich der Lichtstrahl auf dem Objekt mit Rücksicht auf die obere oder untere Bezugsebene sich bewegt.

Eine Außenbereichslage "x", auf die der Strahl oder das Licht fällt kann in der Form der koordinate "x,ⁿ in der wirklichen lichtempfindlichen Fläche und dem Reflexionszeitindex "n_x" (+3) aus der folgenden Gleichung festgelegt werden:

χ = 2n_xw_x

• ^xd

Jn_y| (oder y = 2n_yw + (-1J

y_d)

Die Tabelle 1 zeigt wie die RefleocJ-onszeit anzeigen η und η und die erweiterten Abschnitte in dem orthogonalen Koordinatenbereich miteinander in Beziehung stehen, und in Verbindung damit zeigt die Tabelle 2 in welche Richtungen sich die Markierung bewegte

+y

-X

-*■ +x

-y

-2,	+2	-1, +2	O₁	+2	/ ti	+1,	+2	+2,	+2
-2,	-1	-I₁ +1	o,	+1		+1,	+1	+2,	+1
-2,	O	-1, O	/ X / J / / J	0 / / /		+1,	O	+2,	0
-2,	-1	-1, -1	o,	-1	+1,	-1	+2,	-1
.-2,	-2	-1, -2	O₁	-2	+1.	-2	+2,	-2

Tabelle 1

	ί <—	' ί ί , —> '	4^_	4_^

T^	U		C-	!_^
4 —>

Tabelle 2

Um die AuÄen&eereichfelage des Lichtfleckes vonr der korrespondierenden Innenbereichslage zu bestimmen, ist es notwendig die Refle,x_ionszeitindexe η_χ und n_y in "X" und "Y" Richtungen zu erhalten. Anderenfalls ist es notwendig zu wissen wie oft und auf welchen Seiten des Reflektionskörpers die Reflexion aufgetreten ist, bevor der Lichtfleck auf das lichtempfindliche Element fällt. Die notwendige Information kann erhalten werden bei Betrachtung von:

1. Der Kontinuität der Bewegung der Markierung;

2o Bei Betrachtung der Regelmäßigkeit in der Bewegung der Markierung oder

3o mit Hilfe eines anderen Positionserfaseungsgerätes.

Zu 1.: Mit Bezug auf die Kontinuität dec Bewegung der Markierung:

Angenommen, daß eine Markierung auf einen, gegebenen-Punkt

eines Objektes, das in Bezug auf seins Bewegung bestimmt werden soll, gebracht ist, wird sich die Geschwindigkeit mit welcher sich das Objekt und damit die Markierung bewegt in einer kontinuierlichen Weise ändern, und deswegen kann mit Recht festgestellt werden, daß,wenn die Geschwindigkeit sich in einer nicht-kontinuierlichen Art verändert (d.h_o, wenn die Richtung in welcher das Markierungsbild sich bewegt, umkehrt wie bei den Punkten 1, 2,3,4- in der Fig„ 5 angedeutet),sich das Reflexionsverhältnis (RefIexjionszeitindex) ändert» Wenn der Reflexionszeitindex" in einem augewählten Abschnitt bestimmt ist, kann jener in den anderen Abschnitten aus der Tabelle 1 bestimmt werden« Dann kann die Außenbereichslage des Lichtfleckes aus der o_oa_o Gleichung bestimmt werden_o

Zu 2.: In Bezug auf die Regelmäßigkeit in der Bewegung der Markierung:

In dem Fall, in dem ein Objekt bezüglich seiner Konfiguration durch Bestrahlen des Objektes mit einem Lichtstrahl bestimmt wird, kann die Bewegung des Lichtfleckes kontrolliert werden und der Reflexionszeitindex kann unter Bezugnahme auf die Regelmäßigkeit mit der die Bewegung des Lichtstrahles kontrolliert wird_s bestimmt werden. In dem Falle ZoB₀, wo ein Lichtfleck in eine bestimmte Richtung verschoben wird, kehrt sich' jedesmal die Richtung, in der der Lichtfleck sich in dem Innenbereich des lichtempfindlichen Elementes bewegt, um, ändert sich der Reflexionszeitindex» Ein Reflexionszeitindex wird in einem ausgewählten Abschnitt bestimmt und dann können die Reflexionszeitindexe in den verbleibenden Abschnitten bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Außen- oder Innenbereichslage des Lichtfleckes

- 10 -

- Λβ -

mathematisch bestimmt werden,,

Zu 3₀: In Bezug auf die Hilfe einer anderen Lagebestimmungseinrichtung:

Eine weitere Positionsbestimmungseinrichtum.g wird nur zum Zwecke der Feststellung,in welchem Abschnitt die Markierung steht, verwendete Dann werden unter Bezugnahme auf den so bestimmten Abschnitt die Reflexionszeitindexe η_χ und η in den verbleibenden Abschnitten bestimmte Der "Hilfspositionslägebestimmer" der hierfür benützt wird, kann von einer geringeren Genauigkeit sein_o Diese Methode kann in Verbindung mit den unter 1. und 2. genannten Verwendet werden_o Wenn diese Methode 3 dazu benützt wird, die absoluten Reflexionszeitindexe in einem gegebenen Abschnitt zu bestimmen, kann die absolute oder wirkliche Position der Markierung entsprechend bestimmt werden.

Claims

Faaanena D-7920 H DIPL.-ING. WERNER LORENZ PATENTANWATT FaaanenetreB· 7 r Ά J. JJ IN IAiN WALi D,7920 HeIdenheIm 18.05.1981 - to Akte: RI 787 Anmelder: Rikagaku Kenkyusho No0 2-1 Hirosawa Wako-shi, Saitama-ken, JAPAN Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur Lagebestimmung einer Markierung auf einem zu prüfenden Objekt in Bezug auf seine Konfiguration, seine Bewegung oder irgendeine andere geometrische oder physikalische Beschaffenheit,

dadurch gekennzeichnet, daß sie ein lichtempfindliches Element (3) und einen lichtreflektierenden Körper (5) aufweist, der so angeordnet ist, daß er den Lichtstrahl von der genannten Markierung (A, B,C) aufnimmt und auf die lichtempfindliche Fläche des genannten Elementes (3) richtet,, wobei der Lichtstrahl anderenfalls sich an der lichtempfindlichen Fläche des Elementes (3) vorbeibewegen und nicht darauf fallen würde.

2. Vorrichtung naeh Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element eine Photohalbleitereinrichtung, eine Fernsehkamera oder ein Bildabtaster isto

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der lichtreflektierende Körper ein Spiegel, ein Glas, eine Kunststoffplatte oder die Oberfläche eines ruhigen Flüssigkeitsbades ist.