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Optischer Sensor für die Erfassung von dreidimensionalen
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Ob,iekten.
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Zusatz zum Patent ..... (Pat.Anm. P 31 195 05.9) Im Hauptpatent wird
ein Verfahren zur Erkennung und Prüfung von dreidimensionalen Objekten beschrieben,
wobei ein Lichtpunkt von einem Laserscanner gezielt über die Oberfläche geführt
wird und die Lagekoordinaten xt, y' dieses Lichtpunktes über einen positionsempfindlichen
Detektor, z. B. eine entsprechende Halbleiterdiode, aus einer zur Senderichtung
unterschiedlichen Richtung bestimmt werden und der ortsempfindliche Detektor neben
der Ortsinformation des Lichtpunktes noch ein Signal liefert, dessen Amplitude der
momentanen Intensität des auf den Detektor abgebildeten Lichtpunktes entspricht.
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Das dem Hauptpatent zugrundeliegende Problem besteht darin, dreidimensionale
Objekte unterschiedlichster geometrischer und optischer Eigenschaften in kurzer
Zeit mit hinreichender Genauigkeit zu erfassen. Dies wird dadurch erreicht, daß
die Ausgangsspannung des positionsempfindlichen Detektors' über ein Regelglied aur
eine Einrichtung (z. B. einen akustooptischen Modulator) geführt wird, die es erlaubt,
die Intensität des Lasers ständig so zu regeln, daß die über den positionsempfindlichen
Detektor empfangene Intensität des Lichtpur1ctes weitgehend unabhängig von den lokalen
Objekteigenschaften, wie Reflektion und Winkelorientierung in Raum, ist.
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Die zunehmende Automatisierung macht die Erfassung und Erkennung dreidimensionaler
Objekte (3 D) unumgänglich.
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Die Probleme für einen industriellen Dinsa-cz bekannter
Verfahren
(Laser-Triangulation, Extraktion der 3 D-Szene aus einer 2 D-Intensitätsverteilung)
liegen im wesentlichen in folgenden Punkten: 1. Die Verfahren sind zu langsam und
2. nur für gewisse Oberflächeneigenschaften verwendbar.
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Durch das in der Hauptanmeldung beschriebene Verfahren (Triangulation
mit nachgeführter Laserintensität und positionsempfindlichen Halbleiterdetektor)
werden im wesentlichen diese Probleme gelöst.
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Nach wie vor sind jedoch-aufgrund der geometrischen Abschattung, bedingt
durch die unterschiedliche Sende- und Empfangsrichtung, gewisse Bereiche eines allgemeinen
3 D-Bildes nicht erfaßbar bzw. sind die erfaßbaren Teileformen gewissen Einschränkungen
unterworfen. Außerdem sind die bekannten Formen gerätetechnisch noch zu aufwendig
bzw. kostenintensiv.
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Die Figur 1 zeigt die Einschränkung üblicher Triangulationsverfahren
durch Abschattung. Diein der Hauptanmeldung verwendeten Bezugszeichen finden - soweit
es sich um gleiche Elemente handelt - auch in der vorliegenden Anmeldung Anwendung.
Zur Abtastung eines 3 D-Objektes 1 dient ein Empfänger 2 und ein Sender 3. Mit #
ist der Winkel bezeichnet, den das in Emp,angsrichtung zurückgestreute Licht gegenüber
der Senderichtung einschließt.
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Die Bezugszahl 13 kennzeichnet den mit diesem Verfahren nicht erfaßbaren
Bereich.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine Weiterbildung des in der
Hauptanmeldung beschriebenen Verfahrens angestrebt. Dieses Ziel wird dadurch erreicht,
daß mehrere positionsertfindliche Detektoren voreresehen sind, auf die das 3 Objekt
mit dem LichtpunJft abgebildet wird, und daß diese Detektoren mit der abbildenden
Optik aus ver-
schiedenen Raumrichtungen auf das Objekt gerichtet
sind.
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Die Detektion aus mehreren Raumrichtungen hat den Vorteil, daß Abschattungen
weitgehend vermieden werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind vorzugsweise drei Detektoren
unter gleichem Raumwinkel symmetrisch zur Mittelachse des Scanbereiches angeordnet.
Dadurch ist wiederum gewährleistet, daß bei Abschattung eines Detektors von einem
oder den beiden anderen Detektoren die.
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Lage des Lichtpunktes erfaßt werden kann, wobei insbesondere aufgrund
einer symmetrischen Anordnung die Ausgangsinformation der Detektoren hinsichtlich
der geometrischen Größen gleichwertig ist. Außerdem wird auf diese Weise der Aufbau
vereinfacht.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Intensitäten
der positionsempfindlichen Detektoren durch einen Komparator verglichen und der
Detektor für die Bestimmung der Raumkoordinaten P (x, y, z) herangezogen, der momentan
im Vergleich zu den anderen Detektoren die größte Intensität empfängt. Dadurch kann
vermieden werden, daß die Detektoren, die abgeschattet sind, zur Auswertung herangezogen
werden. Ferner werden die Signale jenes Detektors benützt, der das günstigste Verhältnis
Signal/Rauschverhältnis aufweist.
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In Rahmen der Erfindung wird die Stellgröße für die Regelung der Laserintensität
aus allen drei empfangenen Intensitäten abgeleitet, indem vorzugsweise eine Summe
der drei Intensitäten gebildet und ein Vergleich mit einem vorgegebenen Summensollwert
durchgeführt wird.
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Durch diese Regelung wird ein äußerst schneller Abtastvorgang ermöglicht,
wie er durch eine Regelung über den jeweils benutzten Detektor laum erre Lohbar
.
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Zur vereinfachten Auswertung können ach einer Weiterbildung der Erfindung
nur zwei Betrachtungsrichtungen
verwendet werden, die über zwei
Spiegel und einen Teilerspiegel auf einen positionsempfindlichen Detektor vereinigt
werden, über dessen Intensitätsausgang die Regelung des Laserlichts erfolgt, und
die Scannung so vorgenommen werden, daß der Laserstrahl in der Symmetrieebene zwischen
den beiden Betrachtungsrichtungen verläuft und daß eine Relativbewegung zwischen
Objekt und Abtasteinrichtung vorzugsweise orthogonal zu dieser Symmetrieebene erfolgt.
Durch den Verlauf des Laserstrahls in der Symmetrieebene wird erreicht, daß der
Auftreffpunkt des Laserstrahles auf das Objekt stets in der erwähnten Symmetrieebene
liegt, was Voraussetzung ist, um die aus den zwei Betrachtungsrichtungen empfangenen
Bilder des Auftreffpunktes optisch vereinigen zu können. Die Orthogonalität von
Relativbewegung (Objekt-Meßkopf) und Scanebene (Symmetrieebene) ermöglicht eine
einfache Definition eines rechtwinkligen Koordinatensystems (Figur 4).
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer orthogonalen
Scannung, d. h. Laserstrahl stets senkrecht auf x-y-Ebene, die Höhenkoordinate des
Objektes in Echtzeit ohne trigonome-trische Umrechnung aus einem eindimensionalen
positionsempfindlichen Detektor abgeleitet, in dessen Beobachtungsstrahlengängen
beider Betrachtungsrichtungen Schlit-z.blenden und Zylinderlinsen angeordnet sind.
Dies hat den Vorteil, daß die in den rückwärtigen Brennebenen der Objekte liegenden
Schlitzblenden nur solche Lichtstrahlen passieren lassen, die (nach Streuung am
Objekt) in Ebenen verlaufen, die parallel zu der durch den Schlitz und die optische
Achse definierten Szene liegen. Somit bleibt die Betrachtungsrichtung trotz unterschIedlicher
Höhenlage des Auftreffpunktes konstant. Die-Zylinderlinsen vereinigen das aus einer
Dbene kommende Licht zu einem Bildpunkt auf dem positionsempfindlichen Detektor,
so daß dessen Ausgangssignal die Lage der ßbene liefert. Der mathematische
Schnitt
dieser Ebene mit der Scanebene, aufgespannt durch den scannenden Laserstrahl, ergibt
unmittelbar die Höhenkoordinate z, ohne daß ein Rechner erforderlich ist. Die y-Koordinate
ergibt sich aus dem momentanen Ablenkwinkel des Laserstrahlablenkers.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt bei feststehendem Objekt
die Scannung senkrecht zur x- und y-Ebene in Richtung von x und y. Die Höhenkoordinate
des Objekts wird in Echtzeit ohne trigonometrische Umrechnung von zwei eindimensionalen
positionsempfindlichen Detektoren abgeleitet, in deren Beobachtungsstrahlengängen
beider Betrachtungsrichtungen Schlitzblenden und Zylinderlinsen angeordnet sind.
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Die Auswertung der mit den erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen
Informationen zur Erkennung beliebiger dreidimensionaler Objekte, die sich in verschiedenen
stabilen Lagen befinden, kann in der Weise erfolgen, daß durch die Integration der
z-Koordinate das projizierte Volumen bestimmt, durch Maximalwertbestimmung der z-Koordinate
der höchste Punkt ermittelt und durch Aufsiwimation des differenzierten und gleichgerichteten
Verlaufes der z-Koordinate die senkrechte Projektion der Mantelfläche bestimmt wird.
Durch Vergleich dieser drei Zahlenwerte mit einer vorher bestimmten Tabelle wird
das entsprechende Objekt erkannt, was auch bei mehreren stabilen, unterschiedlichen
Lagen des Objekts möglich ist.
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Die Erfindung wird alUland der fissuren 2 bis 4 erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 die Einschränkung üblicher Triangul ationsverfahren
durch Abschattung, figur 2 die vollständige Erfassung eines , D-Objektes mittels
Triangulation und Betrachtung aus zwei
Raumrichtungen, Figur 3 einen
optischen Sensor zur Erfassung dreidimensionaler Objekte ohne Einschränkung hinsichtlich
Oberflächeneigenschaften und Form der Objekte und Figur 4 eine vereinfachte, praktische
Ausführungsvariante.
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Die Figur 2 unterscheidet sich nur durch einen zusätzlichen Empfänger
14 von der Figur 1. Die beiden Empfänger 2 und 14 sind symmetrisch zur Senderichtung
angeordnet.
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Zur einfachen Darstellung sind in der Figur 3 statt drei Beobachtungsstrahlengängen
nur zwei eingezeichnet. Nach dieser Figur 3 besteht der optische Sensor auf der
Empfängerseite aus je einer Optik 7 bzw. 15 und je einem zweidimensionalen, positionsempfindlichen
Halbleiterdetektor 8, 16. Die Senderseite beinhaltet einen Laser 9, einen Modulator
10 und einen Strahlablenker 11 sowie eine die Sender- und Empfängerseite verbindende
Regeleinrichtung 12. Am rechten Rand der Figur 3 sind oben ei Addierer 17, ein Komparator
18, ein Differenzverstärker 19, eine Schalteinheit 20 und eine Ausgabeeinheit 21
schematisch dargestellt.
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Nach der Figur 3 wird das Objekt 1, beschrieben durch seine Raumkoordinaten
P (, ;, z)vom Laserstrahl aDgetastet. Der Auftreffpunkt des Laserstrahls wird über
die Optiken 7 bzZ. 15 auf die positionsempfindlichen HA1D-leiterdetektoren 3 bzw
16 abgebildet, welche in vchtzeit die in Betrachtungsrichtung festgestellten oordlnaten
x'Ly'L bzw. x'R, y'R in Form der Spannungen Ux'L, Uy'L bzw. Ux'R, Uy'R liefern,
sowie zusätzlich je ein Signal JL bzw. JR bereitstellen, deren Amplitude der
Intensität
des auf die positionsempfindlichen flalbleiterdetektoren abgebildeten Lichtpunktes
entsprechen. Diese Signale werden vom Addierer 17 summiert, vom Komparator 18 mit
einem Summensollwert IS verglichen und auf den Regler 12 gegeben. Diese Regeleinrichtung
gestattet es, die Laserintensität so zu ändern, daß von den Halbleiterdetektoren
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 ungefähr
umgekehrt proportional zur Empfängerintensität JL + + JR ist.
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Um zu entscheiden, welcher Detektor zur Auswertung der Ortskoordinaten
herangezogen wird, werden unter den Signalen JL bzw. JR das Signal mit der höchsten
Intensität gesucht. Hierzu werden die Signale JL und JR in dem Differenzverstärker
19 miteinander verglichen. Entsprechend dessen Ausgangssignal schaltet die Einheit
20 die Ortssignale des rechten bzw. linken Detektors auf die Ausgabeeinrichtung
21 durch. In der Ausgabeeinheit findet die notwendige Koordinatentransformation
statt.
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In der Figur 4 ist das Ablenksystem 11 nach der Figur 3 durch ein
Scannerobjektiv 22, einen Schwingspiegel 23 und eine Strahlaufweitungsoptik 24 verwirklicht.
Im Unterschied zur Figur 3 sind die beiden zweidimensionalen Halbleiterdetektoren
8, 16 ersetzt durch einen einzigen eindimensionalen, linearen, positionsempfindlichen
Detektor 25. Die Bezugszeichen 26, 27 bezeichnen Schlitzblenden, 28 einen teildurchlässigen
Spiegel, 29 und 30 je einen Umlenkspiegel und 31 eine Zylinderlinse. Mit 32 ist
ein Tischvorschub und mit 33 eine Koordinatenauswerteeinheit bezeichnet.
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Durch die Optik 24 wird der Laserstrahl aufgeweitet, über
den
Schwingspiegel 23 umgelenkt und durch das Scannerobjektiv 22 auf das Objekt 1 fokussiert.
Hierbei befinden sich der Schwingspiegel 23 und das Objekt 1 in der vor deren bzw.
hinteren Brennebene des Scannerobjektivs 22, so daß der auf das Objekt auftreffende
Laserstrahl stets senkrecht auf der x- y-Ebene steht. Die Drehachse des Schwingspiegels
verläuft parallel zur x-Achse, so daß der Laserstrahl in Richtung der y-Achse oszilliert.
Aus dem Drehwinkel des Schwingspiegels 23 kann somit unmittelbar die y-Koordinate
erfaßt werden.
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Entsprechend der Figur 3 wird das Intensitätssignal des Detektors
zur Regelung der Laserintensität herangezogen.
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Die in Figur 3 beschriebene elektronische Addition der Intensitäten
erfolgt in Figur 4 auf optischem Wege. Hierzu werden die Beobachtungsstrahlengänge
über die Spiegel 29 und 30 umgelenkt und über den teildurchlässigen Spiegel 28 vereinigt.
Falls die Anordnung der Beobachtungsobjektive 7 und 15 und der Spiegel 29 und 30
symmetrisch zurly- z-Ebene sind, das heißt der Ebene, in welcher der Laserstrahl.
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schwingt, kann der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf das Objekt 1
zu einem einzigen Bildpunkt auf den Detektor 25 vereinigt werden. Das Intensitätssignal
J des Detektors 25 entspricht somit der Summe JL + R in Abbildung 3. Wie bei der
Figur 3 beeinflußt der Regler 12 mit Hilfe des Modulators 10 die Laserüftensität.
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Der positionsempfindliche Detektor 25 liefert die Lagekoordinate zs
des Auftreffpunktes. Um zu verhindern, daß der oszillierende Lichtpunkt aus der
foto empfindlichen Schicht des Detektors in y-Richtung seitlich auswandert, ist
vor dem Detektor die Zylinderlinse 31 gesetzt.
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DF Auswerteeinheit 33 erhält somit vom Detektor 25 Sie z'-Koordinate,
vom Schwingspiegel 23 die y'-Koordinate und vom Tischvorschub 32 die x-Koordinate.
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Zur Vermeidung von aufwendigen Rechenoperationen bezüglich der z-Koordinate
erfolgt die Abbildung so, daß die Betrachtungsrichtung trotz unterschiedlicher Höhenlage
des Lichtpunktes konstant bleibt. Dies wird durch je eine schlitzförmige Blende
26, 27 in den hinteren Brernebenen der beiden abbildenden Objektive 7, 15 erreicht.
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Da die y-Koordinate durch den Schwingspiegel und die x-Koordinate
vom Vorschub her bekannt sind, genügt die Messung der z-Koordinate für eine vollständige
Erfassung des 3 D-Objektes. Es ist deshalb ausreichend, mit einem eindimensionalen,
positionsempfindlichen Detektor zu arbeiten, auf den über eine Zylinderlinse der
Verlauf des Lichtpunktes aus den beiden Betrachtungsrichtungen abgebildet wird.
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Falls Objekt und Sensor nicht relativ zueinander bewegt werden können,
ist folgende Variante ohne wesentlichen Mehraufwand machbar: Der Laserstrahl wird
über zwei Schwingspiegel wiederum senkrecht zur x-, y-Ebene ausgelenkt. Die Erfassung
der Lage des Lichtpunktes aus zwei Betrachtungsrichtungen muß dann jedoch mit zwei
ge trennten positionsempfindlichen Detektoren erfolgen.
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Durch Verwenduilg von Zylinderlinsen und Schlitzblenden kann auch
hier die Auswertung wesentlich vereinfacht, sowie auf eindimensnonale, positionser:ipfindliche
Halbleiterdetektoren zurückgegriffen werden.
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8 Patentansprüche 4 viCuren
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