DE3433889A1

DE3433889A1 - Optische anordnung zur objekterkennung

Info

Publication number: DE3433889A1
Application number: DE19843433889
Authority: DE
Inventors: Hans-Helmut Dipl.-Phys. 7541 Straubenhardt Marguerre
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-09-14
Filing date: 1984-09-14
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE3433889C2

Description

Optische Anordnung zur Objekterkennung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur Objekterkennung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Es ist bereits bekannt (Forschungsberichte TÜV Rheinland "Weiterentwicklung von Innenbesichtigungsgeräten und Untersuchung der Anwendbarkeit neuer Bildaufzeichnungsmethoden", 1982, Blatt 14, Blatt 30), für die Objekterkennung und Qualitätsprüfung flexible oder starre Endoskope (Boreskope) einzusetzen, die aus einem Bündel von Lichtleitfasern und ein daran angeschlossenen Fotokamera aufgebaut sind. Ein Teil der Lichtleitfasern dient dazu, das Licht einer Lichtquelle auf die zu untersuchenden Teile des Objekts zu führen, die anderen Lichtleitfasern dienen dazu, jeweils das am Objekt reflektierte Licht in das Objektiv der Fotokamera zu übertragen. Bei dieser bekannten Anordnung ist es nur unter Verwendung von sehr vielen Lichtleitfasern möglich, größere Objekt flächen gleichmäßig auszuleuchten und zu erfassen, wodurch die Flexibilität wiederum eingeschränkt wird. Außerdem ist die Empfindlichkeit bei der Objekterkennung sehr stark von der Oberflächenbeschaffenheit bzw. vom Reflexionsverhalten des Objekts abhängig.
Bei glänzenden Oberflächen treten Überstrahlungen (Spitzenlichter) im Bild auf; eine gleichmäßige Ausleuchtung ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zur Objekterkennung zu schaffen, bei der bei Erhaltung einer großen Flexibilität der Anordnung auch Objektuntersuchungen an glänzenden Oberflächen möglich sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine erfindungsgemäße Anordnung der eingangs genannten Art die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf. Mit der erfindungsgemäße.
optischen Anordnung kann die Qualitätsprüfung und/oder Objekterkennung von Formteilen auf einfache Weise durchgeführt werden. Hierzu gehören die Kontrolle der Maßhaltigkeit von beliebig geformten Objekten und die Prüfung von gekrümmten Oberflächen auf Fertigungsfehler. Die Fehler können sich dabei als Helligkeits-, Farb- oder Formabweichungen äußern. Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht der Bildaufnahmesensor gemäß Anspruch 2 aus einer Videokamera mit nachgeschalteter Auswerteeinheit.
Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich hierbei bei der Gesamtprüfung von Formteilen beispielsweise an Automnhilkarosserien im Rohbau oder im Lackierbetrieb. Bei diesen Prüfvorgängen kann auf einfache Weise, beispielsweise mit einem Handhabungsautomaten, die berührungslose Prüfung der Automobilkarosserie mit einer relativ einfachen kinematischen Vorrichtung durchgeführt werden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung muß hier nur das Ende des Endoskops mit Objektiv und der Retroreflektor an einem beweglichen Arm geführt werden. Die Lichtleitfasern dienen hier sowohl zur Übertragung des Lichtes von der Lichtquelle zum Objekt als auch des von der Oberfläche des Objekts reflektierten Lichts zum Bildaufnahmesensor. Bei der Erfassung von Dimensionen, Helligkeits- oder Farbunterschieden an den zu untersuchenden Objekten ist die erfindungsgemäße Anordnung insofern vorteilhaft, als daß mit dem Retroreflektor eine gleichmäßige Ausleuchtung des Objekts erreicht werden kann.
Ohne die Anbringung des Retroreflektors würde eine homogene Helligkeitsverteilung im Bild nur dann entstehen, wenn die Oberfläche das Licht diffus reflektiert (idealer Lambert'scher Strahler). In der Praxis ist der diffusen Reflexion von Objekten jedoch eine spiegelnde Reflexion überlagert, die bei Ausleuchtung und Abbildung der Oberfläche durch ein Endoskop zu Helligkeitsunterschieden führt. Eine Bildauswertung wäre in diesem Fall je nach Glanzmaß erschwert oder unmöglich. Der Retroreflektor ermöglicht außerdem je nach Einstellwinkel zum zu untersuchenden Objekt die Erfassung von räumlichen Unebenheiten der Oberfläche.
Es ist bereits für sich in der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 34 06 066.9 beschrieben, daß bei einer optischen Meßanordnung zur Erfassung räumlicher Unebenheiten in der Struktur eines Objekts Retroreflektoren im Lichtweg der Meßanordnung angebracht werden. Auch hier wird das Objekt zunächst von einer Lichtquelle beleuchtet, und die vom Meßobjekt zurückgeworfenen Lichtstrahlen werden analysiert. Auch bei dieser Meßanordnung können die Lichtverluste in der Meßanordnung dadurch klein gehalten werden, daß eine Retroreflektoranordnung angebracht ist, die die vom Meßobjekt reflektierten Lichtstrahlen wieder zurück auf das Meßobjekt und in eine Kamera reflektiert. Bei dieser Anordnung ist jedoch keine faseroptische Übertragungsstrekke und kein spezieller, konstruktiv aufwendiger Meßfühler vorhanden, womit hinsichtlich der Lichtverluste andere Bedingungen herrschen und auch bei der Anbringung der Retroreflektoranordnung anderen konstruktiven Gegebenheiten Rechnung getragen wird.
Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der optischen Anordnung und die Figuren 2 und 3 Detaildarstellungen von besonderen Ausführungsformen des Endoskops mit jeweils abgewandelten Retroreflektoren zeigen.
Bei der in der Figur 1 dargestellten optischen Anordnung ist ein flexibles Endoskop EK vorhanden, das aus mindestens einer Lichtleitfaser LF aufgebaut ist. Das Endoskop EK weist an seinem flexiblen Ende ein Objektiv OV auf, das die Lichteintritts- und -austrittsebene darstellt. Am anderen Ende des Endoskops ist eine Videokamera VK als Bildaufnahmesensor vorhanden, die über ein Okular an das Endoskop EK gekoppelt ist. Die Lichtquelle ist über weitere Lichtleitfasern LF' angekoppelt.
Das Licht der Lichtquelle LQ wird über eine Faseroptik im Endoskop auf die Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts OB geleitet. Die Oberfläche des Objekts OB ist glänzend oder hat neben der diffusen Lichtreflexion zumindest teilweise einen Oberflächenglanz, der eventue;il nur von den zu untersuchenden Unregelmäßigkeiten, wie Helligkeits-, Farbunterschiede bzw. Oberflächenkrümmung, gestört ist. Ein Teil der Lichtstrahlen wird von der Oberfläche des Objekts OB auf einen Retroreflektor RR reflektiert, durch den wiederum eine parallele Rückreflexion auf die Oberfläche und somit in das Objektiv OV des Endoskops EK erfolgt.
Der mechanisch mit dem Ende des Endoskops EK gekoppelte Retroreflektor kann in seinem Neigungswinkel so eingestellt werden, daß hier eine optimale Lichtausbeute bei der Untersuchung des Objekts OB erreicht wird. So kann beispielsweise gemäß Figur 2 bei senkrechter Betrachtung der Oberfläche auch das Objektiv OV mit dem Lichtaustritt symmetrisch vom Retroreflektor RR umgeben sein. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch ein der Objektform entsprechendes Schwenken und Positionieren des flexiblen Endes des Endoskops EK.
In der Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Objekt OB zwischen der Austrittsebene des Lichts am Objektiv OV des Endoskops EK und dem gegenüber- liegenden Retroreflektor RR angeordnet ist. Durch die hervorragende Reflexion in den nicht durch das Objekt OB abgeschatteten Bereichen des Retroreflektors RR, die einer eventuellen Reflexion am Objekt OB überlegen ist, kann hier auf einfache Weise ein Schattenbild des Objekts OB detektiert werden.
In Verbindung mit einem Handhabungsautomaten kann die optische Anordnung auch zur Objekterkennung beim Greifen von Objekten oder bei der automatisierten Montage eingesetzt werden. Der Bildaufnahmesensor bzw. die Videokamera VK kann entweder aus einem Flächensensor (Vidikon bzw. CCD-Array) oder als Zeilensensor (CCD-Zeile) ausgebildet sein.
4 Patentansprüche 3 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1. Optische Anordnung zur Objekterkennung mit - einem Endoskop (EK) mit mindestens einer Lichtleitfaser (LF), - einem Bildaufnahmesensor (VK), zu dem über die mindestens eine Lichtleitfaser (LF, LF') Lichtstrahlen vom zu untersuchenden Objekt (OB) führbar sind, und - mit einer Lichtquelle (LQ) zur Ausleuchtung des Objekts (OB), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die Lichtquelle (LQ) im Bereich des Bildaufnahmesensors (VK) an die mindestens eine Lichtleitfaser angekoppelt ist, daß - am Lichtaustritt des Endoskops (EK) am zu untersunhenden Objekt (OB) ein Objektiv (OV) angebracht ist und daß - ein Retroreflektor (RR) derart im Bereich des Objekts (OB) angebracht ist, - daß die Lichtstrahlen nach dem Austritt aus der mindestens einen Lichtleitfaser (LF) des Endoskops (EK) von der Oberfläche des Objekts (OB), von dem Retroreflektor (RR) und wiederum von der Oberfläche des Objekts (OB) zurück in das Objektiv (OV) und somit in die gleiche mindestens eine Lichtleitfaser in den Bildaufnahmesensor (VK) reflektierbar sind.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - der Bildaufnahmesensor eine Videokamera (VK) mit nachgeschalteter Auswerteeinheit (AE) ist.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - das Objektiv (OV) symmetrisch vom Retroreflektor (RR) umgeben ist (Figur 2).
4. Optische Anordnung zur Objekterkennung mit - einem Endoskop (EK) mit mindestens einer Lichtleitfaser (LF), - einem Bildaufnahmesensor (VK), zu dem über die mindestens eine Lichtleitfaser (LF, LF') Lichtstrahlen vom zu untersuchenden Objekt (OB) führbar sind, und - mit einer Lichtquelle (LQ) zur Ausleuchtung des Objekts (OB), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - die Lichtquelle (LQ) im Bereich des Bildaufnahmesensors (VK) an die mindestens eine Lichtleitfaser angekoppelt ist, daß - am Lichtaustritt des Endoskops (EK) am zu untersuchenden Objekt (OB) ein Objektiv (OV) angebracht ist, daß - ein Retroreflektor (RR) der Lichtaustrittsebene am OD-jektiv (OV( gegenüberliegend angeordnet ist und daß - das zu untersuchende Objekt (OB) zwischen dem Objektiv (OV) und dem Retroreflektor (RR) liegt, wobei - die Lichtstrahlen in den nicht vom Objekt (OB) abgeschatteten Bereichen des Retroreflektors (RR) zurück in das Objektiv (OV) reflektiert werden (Figur 3).