DE3330939C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. In der US-PS 41 85 191 ist ein System zur Verwendung in Autofokus- Kameras dargestellt und beschrieben worden, mit dem die Entfernung zu einem Objekt durch die Verwendung von Detektor­ paaren bestimmt wird, die in einer Reihe hinter einer ent­ sprechenden Reihe kleiner Elementarlinsen angeordnet sind, welchen Licht von dem entfernten Objekt durch die Aufnahme­ linse der Kamera zugeführt wird. Jedes Detektorpaar emp­ fängt ein Bild der Austrittspupille der Aufnahmelinse, und wenn diese das Objekt scharf abbildet, so ist der Betrag der durch jeden Detektor innerhalb des Paares empfangenen Strahlung annähernd gleich groß. Bildet die Aufnahmelinse das Objekt nicht scharf ab, so ist der Betrag der durch die Detektoren empfangenen Strahlung unterschiedich, und es kann durch Analysierung der Ausgangssignale der Einzel­ detektoren in jedem Paar ein Kurvenpaar erzeugt werden, dessen relative Verschiebung zueinander ein Hinweis auf die Objektentfernung ist. Diese Information kann beispiels­ weise benutzt werden, um die Linse einer Kamera automatisch zu fokussieren.

In der EP 0 69 938 A1 ist eine Vorrichtung dargestellt und beschrieben, bei der die Detektoren der eingangs ge­ nannten US-PS zweidimensional in einer Ebene angeordnet sind. Diese Vorrichtung ist nicht nur in der Lage, dem Benutzer die Entfernung zu einem Objekt anzuzeigen, sondern sie kann auch die Struktur des Objektes erkennen und somit das Objekt identifizieren. Die beabsichtigte Verwendung dieser Vorrichtung liegt beispielsweise auf dem Gebiet der Industrie­ roboter, die den Abstand zu einem Objekt messen und zusätz­ lich die Gestalt des Objekts feststellen, um einen Roboter­ arm in gesteuerter Weise zu bewegen.

Das System gemäß der eingangs erwähnten US-PS 41 85 191 er­ fordert einen bestimmten Kontrast hinsichtlich des Objektes, um die Entfernungsmessung genau ausführen zu können. Es gibt jedoch Fälle, in denen Objekte erfaßt werden müssen, die kaum strukturiert sind und keinen hinreichenden Kontrast aufweisen. Daher ist das eingangs erwähnte System nicht in der Lage, in jedem Fall die Entfernung zu dem Objekt genau festzustellen und eine mit diesem System ausgerüstete Kamera bzw. ein Industrieroboter kann daher nicht in jedem Fall in der gewünschten Weise gesteuert werden.

Im Stand der Technik gibt es jedoch aktive Systeme, die be­ züglich des Objektes keinen Kontrast erfordern. Ein solches System ist beispielsweise in der US-PS 43 17 991 dargestellt und beschrieben. Bei diesem aktiven Autofokussystem wird ein modulierter Lichtstrahl auf das Objekt geworfen, und die von dem Objekt reflektierte Energie wird über eine spezielle Optik auf eine Detektoranordnung gerichtet. Durch Fest­ stellung der Lage des reflektierten Lichtstrahles auf der Detektoranordnung erhält man die Entfernung zu dem Objekt. Daneben sind viele andere aktive Systeme bekannt, von denen manche mit Schallsendern und einer Schall-Laufzeitmessung arbeiten und andere Lichtenergie im sichtbaren oder im infraroten Bereich zusammen mit einer Detektoranordnung basierend auf einer Triangulation verwenden, um die Ent­ fernung zu messen. Derartige Systeme sind in ihrer Fähig­ keit die Entfernung zu bestimmen nicht von dem Kontrast abhängig. Bei der Benutzung aktiver Systeme können jedoch die Merkmale des Objektes nicht bestimmt werden, so daß solche Systeme nicht für die Objekterkennung verwendet werden können. Keines der bekannten Systeme, weder ein aktives noch ein passives System, ist in der Lage, mit der gleichen Gruppe von Detektorelementen sowohl die Struktur eines Objekts als auch dessen Entfernung zu messen, wenn das Objekt einen geringen Kontrast aufweist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie mit der gleichen Detektoranordnung sowohl die Struktur eines Objektes als auch dessen Entfernung zu ermitteln gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Bei dem erfindungsgemäßen System gestatten die Detektoren die Bildung eines ersten Ausgangssignales aufgrund der Struktur des Objektes und die Bildung eines zweiten Aus­ gangssignales entsprechend der Entfernung des Objektes auch wenn das Objekt schwach strukturiert ist. Dies wird bewerkstelligt durch die Kombination der Merkmale eines aktiven Systems mit den Merkmalen eines passiven Systems. Das erfindungsgemäße System ist ein aktives System auf­ grund der Anordnung einer Vielzahl von lichtemittierenden Elementen, die bei einer Aktivierung in einem ersten Modus das entfernte Objekt gleichförmig beleuchten, so daß seine Form bzw. Struktur in einer passiven Weise festgestellt werden kann und die bei einer Aktivierung in einem zweiten Modus das Objekt mit einem vorbestimmten Muster beleuchten, um einen Objektkontrast zu liefern, mit welchem die Detektoranordnung passiv die Objektentfernung bestimmen kann. Eine Anordnung von Lampen oder lichtemittierenden Dioden stellt eine Möglichkeit einer Beleuchtungsquelle dar, wobei alle oder nahezu alle Lampen oder Dioden ange­ steuert werden, um das Objekt gleichförmig zu beleuchten und wobei bestimmte Lampen oder Dioden angesteuert werden, um das gewünschte Muster auf dem Objekt zu erzeugen, wobei dies so geschieht, daß die Beleuchtung auf die Größe der Detektoranordnung abgestimmt ist. Ein Diffusor vor den lichtemittierenden Elementen dient der Erzeugung einer gleichförmigen Beleuchtung bei der Erkennung der Objekt­ struktur und gestattet zusätzlich die Projektion des definierten Musters, wenn bestimmte lichtemittierende Elemente für die Entfernungsbestimmung eingeschaltet werden. Ein Filter vor der Detektoranordnung dient zur Dämpfung von Wellenlängen außerhalb der Wellenlänge, die von den Lampen oder den lichtemittierenden Dioden stammt. Die erfindungs­ gemäße Vorrichtung kann ferner verwendet werden, um die Dicke eines stillstehenden oder eines beweglichen Objektes, wie beispielsweise einer Bahn zu messen, indem jeweils ein System zu beiden Seiten der Bahn angeordnet wird, und die Ausgangssignale beider Vorrichtungen über eine synchroni­ sierte Schnittstelle einem Mikrocomputer zur Errechnung der Bahndicke zugeführt werden. Im Stand der Technik be­ nötigt man sehr teuere Sensoren, um die Stärke einer Bahn zu überwachen.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die erfindungsgemäße Vorrichtung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 2 eine Meßanordnung zur Ermittlung der Dicke einer beweglichen Bahn unter Verwendung zweier Vorrichtungen gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist ein System 10 dargestellt, daß die Struktur und die Entfernung eines entfernten Objekts 12 ermittelt, wobei das Objekt 12 eine nahezu merkmallose Oberfläche aufweisen kann.

In dem System 10 können mehrere Lampen oder lichtemit­ tierende Dioden 14 durch einen Schalter 16 in der Weise betätigt werden, daß eine oder mehrere der lichtemittieren­ den Dioden 14 Licht erzeugt, welches über einen Diffusor 18 übertragen wird und entlang eines Weges, der durch den Pfeil 20 und die gestrichelten Linien 22 und 24 veranschau­ licht ist, zu einem Spiegel 26 verläuft. Dort wird der Strahl nach unten abgelenkt, wie dies durch den Pfeil 28 und die gestrichelten Linien 30 und 32 veranschaulicht ist. Der Strahl verläuft über eine Zerstreuungslinse 34 zu einem teilweise versilberten Spiegel 36. Ein Teil des Lichtes wird von dem Spiegel 36 nach links entlang eines Pfades reflektiert, der durch den Pfeil 38 und die gestrichelten Linien 40 und 42 angedeutet ist. Der Lichtstrahl verläuft über eine Linse 44, die die Aufnahmelinse einer Kamera oder die Hauptlinse eines Entfernungsmeßsystems darstellen kann, und er verläuft entlang eines Pfades, der durch den Pfeil 46 und die gestrichelten Linien 48 und 50 angedeutet ist, zu dem Objekt 12. Die von der Oberfläche des Objektes 12 reflektierte Energie verläuft entlang eines Pfades zurück, der durch den Pfeil 52 und die gestrichelten Linien 54 und 56 angedeutet ist. Der Lichtstrahl tritt erneut durch die Linse 44 hindurch, und er passiert den teilweise reflektierenden Spiegel 36 entlang eines Pfades, der durch den Pfeil 58 und die gestrichelten Linien 60 und 62 veranschaulicht ist. Über ein Filter 64 fällt der Lichtstrahl auf eine Detektoranordnung 66, die derjenigen entsprechen kann, wie sie in der EP-OS 82 105 928 darge­ stellt und beschrieben ist. Wie dort erläutert, erzeugt die Detekoranordnung Signale, die einem Entfernungsmeß­ system 68 über einen Anschluß 70 zugeführt werden und die einem Bildprozessor 72 über einen Anschluß 74 zugeführt werden, so daß an einem Ausgang 76 ein Signal entsprechend der Entfernungsinformation und an einem Ausgang 78 ein Signal entsprechend der Strukturinformation geliefert wird. Beide Signale legen somit zusammen fest, um welches Objekt 12 es sich handelt und wo es angeordnet ist.

Um die Struktur des Obejektes 12 festzustellen, ist es wünschenswert, das Objekt 12 im wesentlichen gleichförmig zu beleuchten und dementsprechend kann der Schalter 16 so betätigt werden, daß alle Lampen bzw. lichtemittierenden Dioden 14 zur gleichen Zeit angesteuert werden, so daß das durch den Diffusor 18 hindurchtretende Licht entlang des zuvor beschriebenen Pfades die Oberfläche des Objektes 12 gleichförmig beleuchtet. Dies ermöglicht dem Prozessorteil des Systems die Feststellung der Natur des Objekts. Wenn die Oberfläche des Objektes 12 im wesentlichen ohne Struktur ist, so kann zur Bestimmung der Entfernung des Objektes der Schalter 16 so betätigt werden, daß nur eine oder ver­ schiedene vorbestimmte Lampen oder lichtemittierende Dioden 14 angesteuert werden und somit auf der Oberfläche des Objekts 12 ein Lichtmuster erzeugt wird, das durch die Detektoranordnung 66 detektiert werden kann, um in passiver Weise, wie bei Objekten mit befriedigendem Kontrast, eine Entfernungsinformation zu erzeugen.

Da die Detektoranordnung 66 von ziemlich kleiner Abmessung ist, ist im allgemeinen das von der Lampenanordnung 14 auf dem Objekt 12 projizierte Bildmuster größer als die Detektoranordnung 66 . Daher wird eine Zerstreuungslinse 34 in dem Lichtpfad angeordnet, so daß das Bild auf der Detektoranordnung 66 die geeignete Größe aufweist. Das Filter 64 dient dem Herausfiltern unerwünschter Wellen­ längen, und es gestattet dem Detektor 66 die Feststellung der Entfernung zu dem Objekt 12 unter Verwendung lediglich des Musters, das durch die Lampen oder die lichtemit­ tierenden Dioden 14 erzeugt wird.

Es sei vermerkt, daß bei dem System gemäß Fig. 1 das die Oberfläche des Objektes 12 beleuchtende aktive System sein Licht durch die gleiche Linse 44 wirft, durch die auch das von dem Objekt reflektierte Licht zu dem Detektor 66 verläuft. Hierdurch wird das Parallaxenproblem umgangen, das bei bekannten System auftritt, wenn der projizierte Lichtstrahl zu dem Objekt entlang eines Pfades verläuft, der einen Winkel zu dem Pfad des reflektierten Licht­ strahles aufweist. Derartige Systeme können nur die Ent­ fernung über einen ziemlich begrenzten Meßabstand be­ stimmen. In dem System gemäß Fig. 1 wird dieses Problem durch den teilweise versilberten Spiegel 36 umgangen, und es wird ein genauer Hinweis auf die Entfernung erzielt, wie dies bei Industrierobotern erwünscht ist.

In Fig. 2 ist gezeigt, wie zwei Systeme gemäß Fig. 1 verwendet werden können, um die Dicke eines Objektes, wie beispielsweise einer wandernden Bahn zu bestimmen. In Fig. 2 ist eine Materialbahn 80 dargestellt, die sich nach unten in der durch den Pfeil 82 veranschaulichten Richtung bewegt. Eine erste Einheit 84 , die der Einheit gemäß Fig. 1 entsprechen kann, ist auf der linken Seite der Bahn 80 montiert und wird verwendet, um die Entfernung D 1 auf der linken Seite zwischen der Bahn 80 und der Ein­ heit 84 zu bestimmen. Eine zweite Einheit 86, die ebenfalls dem System gemäß Fig. 1 entsprechen kann, ist auf der anderen Seite der Bahn 80 montiert und wird verwendet, um die Entfernung D 2 zwischen der rechten Seite der Bahn 80 und der Einheit 86 zu bestimmen. Der Abstand zwischen den Einheiten 84 und 86 ist als vorbestimmter bekannter Abstand D eingezeichnet, und die Entfernungs-Ausgangs­ signale der Einheiten 84 und 86 werden über Anschlüsse 88 und 90 einem Rechner 92 zugeführt, der die Entfernungs­ information D 1 und D 2 der Einheiten 84 und 86 von der bekannten Entfernung D subtrahiert, um ein Ausgangs­ signal an einem Anschluß 94 zu erzeugen, das die Dicke der Bahn 80 anzeigt.

Claims (8)

1. Vorrichtung mit einer Detektoranordnung zur Erzeugung des ersten Signales entsprechend der Struktur eines ent­ fernten Objektes und zur Erzeugung eines zweiten Signales entsprechend der Entfernung des Objekts, gekenn­ zeichnet durch die Anordnung einer Strah­ lung aussendenden Einrichtung (14), die in einem ersten Zustand Strahlung (20, 28, 38, 46) zu dem Objekt (12) aus­ sendet, um dieses im wesentlichen gleichmäßig zu beleuchten, so daß das Objekt (12) wenigstens einen Teil der Strahlung (52, 48) zwecks Erzeugung des ersten Signales (78) zu der Detektoranordnung (66) reflektiert, und die in einem zweiten Zustand Strahlung (20, 28, 38, 46) zu dem Objekt (12) aussendet, um ein ungleichmäßiges Beleuchtungsmuster auf diesem zu erzeugen, so daß das Objekt (12) wenigstens einen Teil der Strahlung (52, 48) zwecks Erzeugung des zweiten Signales (76) zu der Detektoranordnung (66) reflektiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Linse (44) zur Übertragung der zu dem Objekt (12) ausgesandten und der von dem Objekt (12) reflektierten Strahlung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Strahlung aussendende Ein­ richtung eine Gruppe von Strahlungsquellen (14) umfaßt, die jeweils anregbar sind, um Strahlung zu erzeugen und daß Mittel (16) vorgesehen sind, die bei ihrer Betätigung ent­ weder mehrere Strahlungsquellen in der Gruppe ansteuern, um den ersten Zustand zu erzeugen oder wenigstens eine der Strahlungsquellen ansteuern, um den zweiten Zustand zu erzeugen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Diffusoreinrichtung (18) zwischen den Strahlungsquellen (14) und dem entfernten Objekt (12).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zerstreuungslinse (34) zwischen den Strahlungsquellen (14) und dem entfernten Objekt (12) zur Anpassung des vorbestimmten Beleuchtungsmusters an die Größe der Detektoranordnung (66).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Filter (64) zwischen dem Objekt (12) und der Detektoranordnung (66) zur Ausfilterung von Neben­ strahlung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gruppe von Strahlungs­ quellen aus lichtemittierenden Dioden (14) besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie zweifach angeordnet ist und daß beide Vorrichtungen (84, 86) in vorbestimmtem Abstand (D) zu beiden Seiten der Bewegungsstrecke (82) eines be­ weglichen Elementes (80) angeordnet sind, und daß die zweiten Signale (76; 88, 90) beider Vorrichtungen (84, 86) jeweils einer Recheneinrichtung (92) zugeführt werden, die die Summe der zweiten Signale (D 1, D 2) von einem dritten Signal (D) entsprechend dem vorbestimmten Abstand subtrahiert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das der Dickenabmessung des beweglichen Elementes (80) entspricht.