DE3121070A1 - Vorrichtung zur lagebestimmung einer markierung auf einem objekt - Google Patents
Vorrichtung zur lagebestimmung einer markierung auf einem objektInfo
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Description
Fasanen« D-7920 H
DIPL.-ING. WERNER LORENZ
18.05.1981 - to Akte: RI 787
Anmelder:
Rikagaku Kenkyusho
No. 2-1 Hirosawa
Wako-shi,
Saitama-ken,
JAPAN
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« dglo 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 werdene 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;
Fige 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 3O 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
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 istf 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 "nx" (+3) aus der folgenden Gleichung festgelegt
werden:
χ = 2nxwx
• xd
Jny| (oder y = 2nyw + (-1J
yd)
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 | |
ί
<— |
' ί ί
, —> ' |
4^_ | 4_^ | |
T^ | U | C- | !_^ | |
4
—> |
||||
Um die AuÄen&eereichfelage des Lichtfleckes vonr der korrespondierenden
Innenbereichslage zu bestimmen, ist es notwendig die Refle,x_ionszeitindexe ηχ und ny 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.ho, 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 ooao Gleichung
bestimmt werdeno
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 wirds 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 ηχ und η
in den verbleibenden Abschnitten bestimmte Der "Hilfspositionslägebestimmer"
der hierfür benützt wird, kann von einer geringeren Genauigkeit seino Diese Methode
kann in Verbindung mit den unter 1. und 2. genannten Verwendet werdeno 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 (2)
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.
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