DE3333830C2

DE3333830C2 - Verfahren zur Laserentfernungsmessung mit hoher Auflösung für den Nahbereich

Info

Publication number: DE3333830C2
Application number: DE3333830A
Authority: DE
Inventors: Ralf 6751 Katzweiler Hinkel
Original assignee: Individual
Current assignee: HINKEL RALF 6756 OTTERBACH DE
Priority date: 1983-09-20
Filing date: 1983-09-20
Publication date: 1985-08-01
Also published as: DE3333830A1; WO1986005872A1; EP0236296A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserentfernungsmessung mit hoher Auflösung für den Nahbereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6 zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei bekannten Verfahren zur Bestimmung von Entfernungen durch Unschärfemessung wird der Abstand der Aufnahmeebene zum Objektiv solange verändcri, bis die Intensitätsunterschied zweier benachbarter BiIdpunkte ein Maximum erreicht hat, wobei dann der eingestellte Abstand ein Maß für die Objektentfernung darstellt; vgL Zeitschrift »IEEE Trans. Pattern Anal Machine IntelL«, VoI PAMI-5, No. 2, März 1983, S 127, »A Perspective on Range Finding Techniques for Computer Vision«.

Diese Lösung ist wegen der benötigten Mechanik zur Fokussierung nicht für eine schnelle Bildauswertung mit hoher Meßgenauigkeit, wie sie beispielsweise Laser-Scanner in der Robotik erfordern, geeignet, da dort so viele Meßpunkte anfallen, daß die Meßzeit pro Bildpunkt 100 Mikrosekunden und weniger betragen muß.

Die nach der Laufzeitmethode oder durch Phasenvergleich arbeitenden Laserentfernungsmesser haben bei der geforderten Meßgenauigkeit von etwa 1 mm den Nachteil, daß, falls diese Auflösung überhaupt erreicht wird, die Aufnahmezeit pro Bildpunkt bis zu einigen Hundert Millisekunden betragen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein billiges und zuverlässiges Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, Entfernungen im Nahbereich (0,5—5 m) innerhalb kürzester Zeit bei einer Auflösung in der Größenordnung eines Millimeters zu messen.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß die Unschärfescheibe, des durch das optische System abgebildeten Laserlichtpunktes auf dem Objekt, auf einer Aufnahmeebene außerhalb der idealen Bildebene vermessen wird, muß zur Enlfcrnungsbestimmung keine Fokussierung mehr durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Meßzeit pro Bildpunkt lediglich durch die Ansprechzeit des verwendeten lichtempfindlichen Empfängers, beispielsweise eine CCD-Zeus oder ein Fotodiodenarray und nicht durch die Positioniergeschwindigkeit der Fokussierung begrenzt wird. Außerdem ist die Auflösung ebenfalls nicht von der mechanischen Fokussierung, sondern nur von der Auflösung des lichtcmpfindlichen Emfpängers (CCD-Zeile etwa 13 μπι) und der Dimensionierung des optischen Systems abhängig (siehe Fig. 1).

Ein Ausführungjbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Meßprinzip der ausgeführten Erfindung und

F i g. 2 ein Beispielaufbau zur Objektvermessung.
Wie F i g. 1 zeigt wird der Laserlichtpunkt durch das Objektiv nach dem Linsengesetz auf einen Bildpunkt mit der Bildweite b abgebildet. Da die Projektionswand jedoch außerhalb dieser Bildweite, hier bei der Objektivbrennweite, angeordnet ist, entsteht eine »unscharfe« Abbildung, die sogenannte Unschärfescheibe. Der

to Durchmesser dieser Scheibe ist dann umgekehrt proportional der Lichtpunktentfernung g, so daß mit einem lichtempfindlichen Zeilenempfänger anhand der Scheibengröße die Entfernung bestimmt werden kann. Da beispielsweise ein CCD-Zeilenempfänger eine Zcilenhöhe von 13 μίτι besitzt, wird, zur Erhöhung der einfallenden Lichtleistung, die Unschärfescheibe zu einem Unschärfeband komprimiert, so daß die Ansprcchcmpfindlichkeit bedeutend erhöht wird. Es ist klar, daß der

Laser einen gewissen Strahiendurchmesser und eine Strahldivergenz aufweist, die aber beide die Messung nicht beeinflussen, da sie nur einen konstanten Anteil an der Unscharfescheibe erzeugen.

Wird beispielsweise ein Objektiv mit einer Brennweite von 500 mm und einem Elendendurchmesser von 50 mm verwendet, so beträgt der Durchmesser der Unscharf escheibe bei einem Objektabstand von 1 Meter etwa 25 mm und bei 1,5 Meter etwa 16,7 mm. d.h. der Scheibendurchmesser verkleinert sich um 83 mm. Dies entspricht bei einem Zellenabstand von 13 μΐη bei einer CCD-Zeile einer Anzahl von 638 Empfangszellen, so daß in diesem Entfernungsbereich die geforderte Auflösung von 1 Millimeter erreicht wird. Dabei sind Meßzeiten von 100 Mikrosekunden bei Verwendung von CCD-Zeilen zu erreichen, d. h. es können etwa 10 000 Messungen pro Sekunde erfolgen. Zu beachten ist noch, daß die Auflösung allerdings quadratisch mit der Entfernung abnimmt, so daß der Arbeitsbereich durch eine entsprechend dimensionierte Optik angepaßt werden muß.

Ein Ausführungsbeispiel zur Objektvermessung mit einer Ablenkeinheit, die vom Rechner gesteuert das Objekt wahlfrei abtastet, zeigt F i g. 2. Durch den Strahlteilerwürfel können Laser und Empfangsoptik auf der selben optischen Achse angeordnet werden, so daß beide Sirahlengänge nach der Ablenkung immer synchronisiert sind. Die Anzahl der ansprechenden Zellen des Zeilenempfängers wird vom Auswerterechner in den entsprechenden Entfernungswert umgerechnet, wobei gleichzeitig die Intensität der Unschärfescheibe zur Be-Stimmung der Reflexionskonstante des angestrahlten Objekts benutzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Laserentferr.ungsmessung mit hoher Auflösung für den Nahbereich bei dem der von einem Laser auf dem Meßobjekt erzeugte Lichtpunkt über ein optisches System auf eine Aufnahmeebene abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abbildung des Lichtpunktes auf die Aufnahmeebene außerhalb der idealen Bildweite der Durchmesser der dabei entstehenden Unschärfescheibe zur Entfernungsmessung herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Unschärfescheibe ein lichtempfindlicher Zeilenempfänger, wie beispielsweise ein Fotodiodenarray oder ein CCD-Bildwandler benutzt wird

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unschärfescheibe zur Erhöhung der Empfangsintensität auf dem Zeilenempfänger mittels einer geeigneten Optik, beispielsweise einer Zylinderlinse, zu einem Lichtband komprimiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Unschärfescheibe gleichzeitig als Maß für die Reflexionskonstante des angestrahlten Objekts benutzt wird

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Lichtpunkt erzeugende Laserstrahl und C.e Empfangsoptik auf der selben optischen Achse liegen.

6. Einrichtung zur Durchfüh ung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Laser, einer Aufnahmeoptik, einem lichtempfindlichen Zeilenempfänger und einem Auswerterechner, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeilenempfänger im Brennpunkt der Aufnahmeoptik die entstehende Unschärfescheibe des Laserlichtpunktes auf dem Objekt detektiert und der Auswerterechner anhand der Anzahl der ansprechenden Empfangszellen den entsprechenden Entfernungswert errechnet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner die Empfangsintensität zur Berechnung der Reflexionskonstante des angestrahlten Objekts benutzt.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 und 7 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner durch die Ablenkeinheit den Meßpunkt wahlfrei positionieren kann.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 8 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser und die Empfangsoptik durch einen Strahlteilerwürfel auf der selben optischen Achse angeordnet sind.