DE3121070C2

DE3121070C2 -

Info

Publication number: DE3121070C2
Application number: DE3121070A
Authority: DE
Inventors: Masanori Wako Saitama Jp Idesawa; Toyohiko Tokio/Tokyo Jp 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: 1988-09-29
Also published as: JPS56168104A; US4457626A; JPS6112202B2; DE3121070A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Lage einer Markierung auf einem Objekt oder Körper nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Seit einiger Zeit besteht ein wachsender Wunsch nach der Lagebestimmung einer Markierung, einem hellen Fleck, 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. 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 darauf befestigten oder eingedruckten Zeichen, ein projezierter Lichtfleck 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 Lager 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. verwendet werden. Auf diese Weise hängt die Genauigkeit der letzteren 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 Projezierung des Elementes, sicherzustellen. Ein anderes Problem besteht darin, daß das Ergebnis in dem Falle, in dem hochpräzise lichtempfindliche Elemente notwendig sind, drastisch abnimmt. Sogar wenn Hochpräzisionselemente verwendet werden, können diese nicht mit ihrer vollen Genauigkeit ohne Verwendung einer damit verbundenen Energiequelle und Verstärkern, deren Präzision der Präzision für das lichtempfindliche Element ziemlich nahe kommt, eingesetzt werden. Es ist jedoch schwierig die Präzision einer Energiequelle und eines Verstärkers so stark wie die Präzision des lichtempfindlichen Elementes zu verbessern und eine derartige Präzisionsenergiequelle und Verstärker würden überaus teuer werden. Dies ist mit einem Analog-Digitalumwandler der Fall, der notwendig ist um eine Markierungsposition in eine digitale Form zu bringen. Als eine Alternative zu dem Analog-Digitalumwandler kann eine festkörperbildformende Einrichtung, die ein Feld von zahlreichen Fotodioden aufweist, verwendet werden, um Teile einer Digitalinformation zu ergeben. Diese Alternative reduziert das Problem mit einem Analog-Digitalumwandler, aber ein anderes Problem liegt darin, daß es schwierig ist eine festkörperbildformende Einrichtung von genügender Präzision herzustellen.

In der DE-PS 30 16 361 ist eine Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt beschrieben. Hierzu wird der zu messende Gegenstand auf einem Drehtisch gedreht, wobei sich der Abstand der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes von der Meßeinrichtung ändert. Dadurch wandert der auf der Empfangseinrichtung abgebildete Lichtfleck auf dieser seitlich aus. Die Ablenkung ist dabei ein Maß für den Abstand der Oberfläche des Gegenstandes von der Meßeinrichtung. Ein Spiegel als lichtreflektierender Körper dient dabei zur Verkleinerung auf der Empfangseinrichtung. Der Meßbereich dieser Einrichtung ist jedoch beschränkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin eine Vorrichtung vorzusehen, die für eine Lagebestimmung einer Markierung auf einem Objekt über einen erweiterten Meßbereich mit möglichst hoher Genauigkeit geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Meßbereich deutlich erweitert und zwar durch die geschickte Anordnung des lichtempfindlichen Körpers, d. h. die Abbildung von Gegenständen auf einem lichtempfindlichen Element, die wesentlich größer sind, wobei im Normalfalle die außenliegenden Lichtpunkte A und C nicht mehr auf das lichtempfindliche Element fallen würden.

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

Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zum Erfassen einer Markierungsposition;

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

Fig. 3 das Prinzip der Erfindung, nach der die Position einer Markierung bestimmt wird;

Fig. 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. 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:

wobei "R" der Projektionswinkel in der x-z Ebene und "ϕ" ein Projektionswinkel bezogen auf die x-z Ebene ist (siehe Fig. 2).

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 z. B. Markierungen auf verschiedenen 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, würden die Bilder der Markierungen "A" 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 "c′" 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 _x bis +W _x. In Fig. 4 stellen die numerischen Größen, die zwischen den gegenüberliegenden Seiten des reflektierenden Körpers angetragen sind, die Anzahl der Reflexionen eines Strahls dar und sie werden als Reflexionszahlen "n _x" bzw. "n _y" bezeichnet. Das Vorzeichen einer Reflexionszahl gibt an, auf welcher Seite des Reflexionskörpers (obere oder untere Seite) die erste Reflexion auftritt und die Zahl selbst gibt an, wie oft der Strahl reflektiert wird. So besagt z. B. die Reflexionszahl +3, daß der Strahl zuerst auf der oberen Seite, dann auf der unteren Seite und schließlich wieder auf der oberen Seite des reflektierenden Körpers reflektiert wird. Das Vorzeichen des Reflexionszahl gibt auch an, auf welche Hälfte (obere oder untere) der lichtempfindlichen Fläche der Strahl gerichtet ist.

Eine Außenbereichslage "x", auf die der Strahl oder das Licht fällt kann in der Form der Koordinate "x _d" in der wirklichen lichtempfindlichen Fläche und der Reflexionszahl "n _x (+3) aus der folgenden Gleichung festgelegt werden:

Die Tabelle 1 zeigt wie die Reflexionszahlen n _x und n _y 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 bewegt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Um die Außenbereichslage des Lichtfleckes von der korrespondierenden Innenbereichslage zu bestimmen, ist es notwendig die Reflexionszahlen n _x bzw. n _y in "X" und "Y"-Richtungen zu erhalten. Anderenfalls ist es notwendig zu wissen wie oft und auf welchen Seiten des Reflexionskörpers 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;
2. bei Betrachtung der Regelmäßigkeit in der Bewegung der Markierung oder
3. mit Hilfe eines anderen Positionserfassungsgerätes.

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

Angenommen, daß eine Markierung auf einen gegebenen Punkt eines Objektes, das in bezug auf seine 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., 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 (Reflexionszahl) ändert. Wenn die Reflexionszahl in einem ausgewählten Abschnitt bestimmt ist, kann jene in den anderen Abschnitten aus der Tabelle 1 bestimmt werden. Dann kann die Außenbereichslage des Lichtfleckes aus der o. a. Gleichung bestimmt werden.

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 die Reflexionszahl kann unter Bezugnahme auf die Regelmäßigkeit mit der die Bewegung des Lichtstrahles kontrolliert wird, bestimmt werden. In dem Falle z. B. 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 die Reflexionszahl. Eine Reflexionszahl wird in einem ausgewählten Abschnitt bestimmt und dann können die Reflexionszahlen in den verbleibenden Abschnitten bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Außen- oder Innenbereichslage des Lichtfleckes mathematisch bestimmt werden.

Zu 3.: In bezug auf die Hilfe einer anderen Lagebestimmungseinrichtung

Eine weitere Positionsbestimmungseinrichtung wird nur zum Zwecke der Feststellung, in welchem Abschnitt die Markierung steht, verwendet. Dann werden unter Bezugnahme auf den so bestimmten Abschnitt die Reflexionszahlen n _x und n _y in den verbleibenden Abschnitten bestimmt. Der "Hilfspositionslagebestimmer" der hierfür benützt wird, kann von einer geringeren Genauigkeit sein. Diese Methode kann in Verbindung mit den unter 1. und 2. genannten verwendet werden. Wenn diese Methode 3 dazu benützt wird, die absoluten Reflexionszahlen in einem gegebenen Abschnitt zu bestimmen, kann die absolute oder wirkliche Position der Markierung entsprechend bestimmt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Lage einer Markierung auf einem Objekt, dessen geometrische Beschaffenheit (Kontur) und/oder dessen Bewegung zu erfassen ist, wobei die Markierung auf einen ortsempfindlichen Detektor abgebildet wird und die Signale des Detektors in einer Recheneinheit ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche eines rechteckigen ortsempfindlichen Detektors ein rechtwinkliges Prisma mit spiegelnden Flächen angeordnet ist, mit dessen Hilfe der Meßraum durch Superposition auf den Detektor abgebildet wird und daß in der Recheneinheit aus den kontinuierlich gemessenen Koordinaten x _d und y _d des Bildpunktes der Markierung und dessen Bewegungsablauf auf dem Detektor die Zahl der Reflexionen n _x und n _y des Abbildungsstrahlengangs für den Bildpunkt an den spiegelnden Flächen berechnet wird und daß aus den Koordinatenmeßwerten x _d und y _d, den Reflexionszahlen n _x und n _y und den Schnittpunkten der reflektierenden Flächen mit den Koordinatenachsen des rechteckigen Detektors die Koordinaten x und y der Markierung im Meßraum nach folgenden Formeln berechnet werden

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element (3) eine Photohalbleitereinrichtung, eine Fernsehkamera oder ein Bildabtaster ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Körper (5) aus Spiegeln, Glas- oder Kunststoffplatten aufgebaut ist oder eine seiner spiegelnden Oberflächen die Oberfläche eines ruhigen Flüssigkeitsbades ist.