DE3824613A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen messen von entfernungen oder zum beruehrungslosen vermessen von objekten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen messen von entfernungen oder zum beruehrungslosen vermessen von objekten

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DE3824613A1
DE3824613A1 DE19883824613 DE3824613A DE3824613A1 DE 3824613 A1 DE3824613 A1 DE 3824613A1 DE 19883824613 DE19883824613 DE 19883824613 DE 3824613 A DE3824613 A DE 3824613A DE 3824613 A1 DE3824613 A1 DE 3824613A1
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/002Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungs­ losen Messen von Entfernungen oder zum berührungslosen Vermessen von Objekten, mit den Verfahrensschritten:
  • (a) Leiten von Licht wenigstens einer Lichtquelle auf einen Punkt eines zu vermessenden Objekts,
  • (b) Erfassen des von dem Punkt des Objekts in wenigstens einer bestimmten Richtung reflektierten Lichts von lichterfassenden Mitteln,
  • (c) Ermittlung der Lage des Punktes des Objekts durch Triangulation.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum berührungslosen Vermessen von Objekten, enthaltend:
  • (a) wenigstens eine Lichtquelle zur Erzeugung wenigstens eines Lichtflecks auf dem zu vermessenden Objekt,
  • (b) lichterfassende Mittel zum Erfassen des vom Objekt in einer bestimmten Richtung reflektierten Lichtes des Lichtflecks.
Unter "Lichtquelle" wird hier eine Quelle verstanden, die elektromagnetische Wellen aussendet, also nicht nur Lichtquellen zum Aussenden von Licht im sichtbaren Bereich.
Beispielsweise bei der Erfassung und Vermessung von Objekten mit empfindlichen Oberflächen (wie z.B. von Wachsmodellen) ist die berührungslose Abtastung von besonderer Bedeutung. Bei mechanischem Kontakt der Meßvorrichtung mit dem Objekt besteht nämlich die Gefahr einer Beschädigung des Objekts.
Zugrundeliegender Stand der Technik
Es sind mehrere Verfahren und Vorrichtungen zum Vermessen von Objekten bekannt.
Aus beispielsweise DE-OS 32 05 362 und DE-OS 36 29 689 sind Vorrichtungen bekannt, bei welchen die Abtastung des zu erfassenden Objektes durch Berührung mittels eines Tasters erfolgt. Solche Anordnungen sind mechanisch sehr aufwendig und können empfindliche zu untersuchende Objekte beschädigen. Außerdem arbeiten solche Vorrichtungen sehr langsam.
Durch die DE-OS 35 11 611 ist ein Meßsystem bekannt, mit welchem eine Oberfläche berührungslos abgetastet wird. Ein berührungsloses Verschiebungsmeßgerät bewegt sich längs der zu messenden Fläche und ein Meßfühler kontrolliert die Stellung des Verschiebungsmeßgerätes.
Die Koordinaten der Meßfläche werden in einer Koordinaten-Verarbeitungseinheit ermittelt und einem Rechner zugeführt. Zum Erfassen der einzelnen Punkte der Meßfläche muß also bei dieser Anordnung jedesmal das ganze Verschiebungsmeßgerät bewegt werden. Dies erfordert einen hohen mechanischen Aufwand und das Meßsystem arbeitet sehr langsam.
Die DE-OS 31 45 823 beschreibt ein Verfahren zur Koordinatenvermessung von großen Objekten durch Vorwärtseinschneiden mit Hilfe zweier in festem Abstand zueinander aufgestellter Winkelmeßgeräte. Mit Hilfe eines Zielmarkenprojektors werden die anzuzielenden Punkte des Objekts markiert. Es werden zwei aufwendige Winkelmeßgeräte benötigt. Die Erfassung von mehreren Punkten des Objekts ist nur unter großem Zeitaufwand und mit geringer Genauigkeit möglich. Der Meßvorgang ist nicht automatisierbar.
Durch beispielsweise DE-OS 29 03 529 und DE-OS 21 13 522 ist es bekannt, Objekte zu vermessen, indem ein Lichtfleck auf das Objekt projiziert wird, und mit Hilfe einer Abbildungsoptik ein Bild des Lichtflecks auf einem positionsempfindlichen Detektor erzeugt wird. Aus der Lage des Bildes des Lichtflecks, d.h. der Lage­ information des Detektors, wird durch Triangulation der Abstand zu dem gerade beleuchteten Punkt des Objekts bestimmt. Es ist auch bekannt, den Projektor und das Abbildungssystem zu einer Baugruppe zusammenzufassen, die durch geeignete Führungsmittel über das Objekt bewegt werden kann. Die DE-OS 33 42 675 beschreibt ein ähnliches Verfahren, wobei zusätzlich die Form des Lichtflecks gemessen wird. Hieraus läßt sich die Neigung der Objektoberfläche zur Beobachtungsrichtung ermitteln und dadurch die Genauigkeit der Entfernungs­ bestimmung erhöhen. Mit solchen Verfahren und Vorrichtungen läßt sich nur ein kleiner Raumbereich erfassen, ohne daß die Vorrichtung selbst bewegt werden muß. Um das ganze Objekt zu erfassen, müssen also die Vorrichtungen häufig bewegt werden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum berührungslosen Vermessen von Objekten so auszubilden, daß die Geschwindigkeit und die Genauigkeit des Vermessens erhöht wird.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie sich bequem automatisieren lassen.
Der Erfindung liegt schließlich die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Konstruktion einfach und kompakt wird.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch
  • (c) jeweils erste schwenkbare optische Ablenkmittel zum Ablenken des Lichtes von der Lichtquelle auf das zu vermessende Objekt, und
  • (d) jeweils zweite schwenkbare optische Ablenkmittel zum Ablenken des reflektierten Lichtes auf die lichterfassenden Mittel.
Das Licht der Lichtquelle wird auf die ersten schwenkbaren optischen Ablenkmittel geleitet. Die ersten optischen Ablenkmittel werden dann so verschwenkt, daß sie das Licht der Lichtquelle auf einen Punkt des Objekts leiten. In einem vorgebbaren Abstand von den ersten optischen Ablenkmitteln angeordnete zweite schwenkbare optische Ablenkmittel werden so verschwenkt, daß sie das von dem Punkt des Objekts in dieser Richtung reflektierte Licht auf die lichterfassenden Mittel leiten. Aus dem vorgebbaren Abstand zwischen den ersten und den zweiten Ablenk­ mitteln und den Winkelstellungen der ersten und zweiten Ablenkmittel läßt sich dann die Lage des Punktes genau bestimmen.
Bei einigen bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind entweder mehrere Vorrichtungen zum Erfassen des Objekts vorgesehen, wird die Vorrichtung auf oder durch Träger oder das Objekt selbst in definierter Weise bewegt.
Ein Automatisieren des Verfahrens und der Vorrichtung läßt sich dadurch erreichen, daß die beweglichen Teile der Vorrichtung automatisch durch Steuer- bzw. Rechen­ mittel bewegbar sind.
Im Gegensatz zu den durch die DE-OS 35 11 611 und die DE-OS 31 45 823 bekannten Vorrichtungen ermöglicht die vorliegende Erfindung eine sehr schnelle Erfassung und Vermessung des Objekts. Die optischen Ablenkmittel können eine sehr niedrige Masse haben und können dadurch sehr schnell und genau bewegt werden, wobei die u.U. mit großer Masse behafteten Lichtquellen und licht­ erfassenden Mittel fest angeordnet sind.
Mit den aus der DE-OS 29 03 529, DE-OS 21 13 522 und DE-OS 33 42 675 bekannten Vorrichtungen ist es zwar möglich, einen kleinen Bereich des Objekts schnell zu erfassen. Die Vorrichtungen müssen jedoch oft verschoben werden, um das ganze Objekt zu erfassen. Durch die Ausbildung mit den schwenkbaren optischen Ablenkmitteln ist es mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung möglich, einen sehr großen Raumbereich zu erfassen, ohne daß die Vorrichtung selbst bewegt wird. Die optischen Ablenkmittel können nämlich über einen beliebig großen Winkel bewegt werden. Die Größe des erfaßten Raumbereichs ist nicht etwa durch die Öffnung der lichterfassenden Mittel beschränkt. Außerdem ermöglicht die Ausführung mit mehreren Vorrichtungen oder mit bewegtem Objekt eine Erfassung und Vermessung, ohne daß die Vorrichtungen überhaupt verstellt werden müssen.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Einige Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 veranschaulicht das Prinzip des erfindungs­ gemäßen Verfahrens zum Messen von Entfernungen an einer einfachen Vorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt den Strahlengang von Fig. 1 in der X-Y- Ebene.
Fig. 3 zeigt den Strahlengang von Fig. 1 in der Y-Z- Ebene.
Fig. 4 zeigt eine tragbare Vorrichtung nach der Erfindung mit einem längenveränderlichen Träger für die ersten und zweiten optischen Ablenkmittel, in teilweise auseinander­ gezogenem Zustand.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit um zwei Achsen beweglichen ersten und zweiten optischen Ablenkmitteln.
Fig. 6 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit schwenkbarem Träger für die ersten und zweiten optischen Ablenkmittel.
Fig. 7 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit dritten optischen Ablenkmitteln.
Fig. 8 zeigt eine Ausführung der Erfindung mit mehreren lichterfassenden Mitteln.
Fig. 9 zeigt einen bevorzugten Detektor als licht­ erfassende Mittel.
Fig. 10 ist ein Blockschaltbild und veranschaulicht die Signalverarbeitung bei einer Vorrichtung nach der Erfindung.
Fig. 11 ist eine Draufsicht und zeigt eine Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer der Fig. 5 bis 8.
Fig. 12 ist eine Draufsicht und zeigt eine weitere Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer der Fig. 5 bis 8.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung
In Fig. 1 sind mit X, Y und Z die Achsen eines recht­ winkligen Koordinatensystems bezeichnet. Ein als Lichtquelle 10 dienender Laser ist so ausgerichtet, daß das von dem Laser ausgestrahlte Licht auf erste optische Ablenkmittel 14 fällt, die hier als ein Planspiegel ausgebildet sind. Der Spiegel 14 lenkt das Laserlicht auf einen Punkt 26, dessen Abstand bzw. Koordinaten bestimmt werden sollen. Hier ebenfalls als Planspiegel ausgebildete zweite optische Ablenkmittel 16 lenken das von dem Punkt 26 in dieser Richtung reflektierte Laserlicht auf lichterfassende Mittel 12, die hier als handelsüblicher Lichtdetektor ausgebildet sind. Die Spiegel 14 und 16 sind durch Stellmittel 36 bzw. 38 um zwei Achsen schwenkbar. Die Stellmittel 36 und 38 sind mit Winkelskalen versehen. Der Spiegel 16, der Detektor 12, der Laser 10 und der Spiegel 14 sind in einer Linie an einem Träger 18 angeordnet, so daß sie eine Einheit 30 bilden. Der Lichtweg ist gestrichelt dargestellt und die Lichtrichtung ist durch Pfeile angezeigt. Zum besseren Verständnis ist der Punkt 26 mit den Koordinaten x, y, z des Punktes 26 an den Koordinatenachsen X, Y, Z durch gepunktete Linien verbunden.
Die in Fig. 1 beschriebene Anordnung funktioniert wie folgt:
Der Spiegel 14 wird durch die Stellmittel 36 so verschwenkt, daß er das Laserlicht auf den Punkt 26 lenkt. Anschließend wird der Spiegel 16 durch die Stellmittel 38 so verschwenkt, daß er das von dem Punkt 26 in dieser Richtung reflektierte Licht auf den Detektor 12 lenkt. An den vier Winkelskalen der Stellmittel 36 und 38 werden die Winkel α, ϕ bzw. β, ψ abgelesen. Bei dieser Anordnung sind dabei die Winkel ϕ und ψ gleich. Wenn der Ursprung des frei wählbaren Koordinatenkreuzes X, Y, Z in den Mittelpunkt des Spiegels 14 gelegt wird und die X-Achse durch den Mittelpunkt des Spiegels 16 verläuft, dann lassen sich hieraus zusammen mit dem Abstand a zwischen den Mittelpunkten der beiden Spiegel 14 und 16 die Koordinaten des Punktes 26 trigonometrisch berechnen zu (s. Fig. 2 und 3):
x = a/(1 + tan 2 α cot 2 β), y = a/(cot 2 α + cot 2 b) und
z = a tan 2 ϕ/(cot 2 α + cot 2 β),
wobei die Längeneinheit die ist, in der a gemessen wird.
Bei Entfernungsmessung ist meistens nur der Abstand des Punktes 26 von einem gegebenen Ort interessant. Der Abstand des Punktes 26 von dem Mittelpunkt des Spiegels 14 läßt sich berechnen zu
a/(cos 2 α cos 2 ϕ (1 + tan 2 α cot 2 β)).
Die jeweiligen Stellungen der Spiegel 14 und 16 können in bekannter Weise automatisch durch Positionsgeber abgegriffen werden und einem (nicht dargestellten) mit der Einheit 30 integrierten Rechner zugeführt werden, der die Koordinaten bzw. den Abstand automatisch berechnet.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die in einem mit einem Griff versehenen Gehäuse 64 untergebracht ist. Der Träger 18 ist auseinander- und zusammenschiebbar und mit einer Längenskala zum Ablesen des Abstands a versehen. Dies liefert eine sehr kompakte Bauweise, wobei trotzdem ein genügend großer Abstand a zwischen den Spiegeln 14 und 16 realisierbar ist. Der Abstand a geht ebenfalls in die Berechnung ein, so daß ein größerer Abstand a eine höhere Genauigkeit bewirkt.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen von Objekten. Die optischen Ablenkmittel 14 und 16 sind wieder als Planspiegel ausgebildet. Der Spiegel 14 ist um die Achsen 56 und 60 schwenkbar. Der Spiegel 16 ist um die Achsen 58 und 62 schwenkbar. Die lichterfassenden Mittel 12 werden von einem bevorzugten Detektor gebildet, der noch zu beschreiben ist. Mit 34 sind Steuer- bzw. Rechenmittel bezeichnet, die die Spiegel 14 und 16 über Stellmittel 36 bzw. 38 ansteuern und die Koordinaten x, y und z der zu messenden Punkte ermitteln. Diese Koordinaten können zur weiteren Verarbeitung an (nicht dargestellte) externe Verarbeitungsmittel weitergegeben werden. Diese externen Verarbeitungsmittel können beispielsweise Koordinatenverarbeitungsmittel, Steuermittel eines Roboterarms oder Ein- und Ausgabeeinheiten sein.
Fig. 6 zeigt eine ähnliche Vorrichtung zum berührungs­ losen Vermessen von Objekten. Hier sind jedoch die Spiegel 14 und 16 nur um jeweils eine Achse 56 bzw. 58 schwenkbar gelagert. Der Träger 18 ist um die durch die Mittelpunkte der beiden Spiegel 14 und 16 verlaufende Achse 66 schwenkbar angeordnet. Zu diesem Zweck ist der Träger 18 an einer in Lagerungen 84 und 86 gelagerten Aufhängungsanordnung 88 befestigt.
Auch Fig. 7 zeigt eine ähnliche Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen von Objekten. Der Träger 18 ist fest angeordnet. Die Spiegel 14 und 16 sind um jeweils eine Achse 56 bzw. 58 schwenkbar gelagert. Zwischen den Spiegeln 14, 16 und dem zu vermessenden Objekt 24 sind dritte optische Ablenkmittel 20, 22 in Form von Planspiegeln um eine Achse 68 drehbar angeordnet.
Fig. 8 zeigt eine weitere Vorrichtung nach der Erfindung. Wie bei den anderen Ausführungen erzeugt ein Laser 10 über einen um zwei Achsen 56 und 60 schwenk­ baren Spiegel 14 einen Lichtfleck auf dem zu erfassenden Objekt 24. Das reflektierte Licht wird entweder von einem ersten Detektor 12 A über einen Spiegel 16 A oder von einem zweiten Detektor 12 B über einen Spiegel 16 B erfaßt. Der Detektor 12 A und der Spiegel 16 A sind an einem gemeinsamen Träger 18 A angeordnet. Der Detektor 12 B und der Spiegel 16 B sind an einem gemeinsamen Träger 18 B angeordnet, der mit dem Träger 18 A so verbunden ist, daß die beiden Träger 18 A und 18 B um einen Winkel schwenkbar zueinander sind. Diese Ausführung mit zwei empfangenden Spiegeln 16 A und 16 B und zwei Detektoren 12 A und 12 B hat den Vorteil, daß ein größerer Teil des Objekts 24 erfaßt werden kann, ohne daß die Vorrichtung 30 oder das Objekt 24 verschoben werden müssen.
Die in den in Fig. 5 bis 8 dargestellten Ausführungs­ beispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Lichtquelle 10 kann ein impulsmodulierter Laser sein. Die Impulsmodulation kann mittels eines pulsbetriebenen Lasers oder mittels externer Mittel erfolgen. Durch eine Modulation mit kleinem Impuls- Pausenverhältnis, d.h. lange Pausendauer und kurze Lichtdauer, kann der Laser Licht mit einer hohen Intensität aussenden, ohne daß die Energie zu groß wird. Da der Detektor 12 auf die Lichtintensität anspricht, die Gefährlichkeit des Laserlichts für das Auge jedoch mit der Energie des Laserlichts steigt, bietet dies den Vorteil, daß unter Berücksichtigung einer hohen Sicherheit hohe Lichtintensitäten verwendet und damit größere Abstände gemessen werden können.
Die Stellmittel 36, 38, 40, 42, und 44 können beispiels­ weise Schrittmotoren oder empfindliche Aktuatoren sein.
In Fig. 9 ist ein bevorzugter Detektor als lichter­ fassende Mittel 12 dargestellt. In einem rohrförmigen Gehäuse 70 sind mehrere lichtempfindliche Elemente 48 rasterförmig angeordnet, die für Licht einer bestimmten Wellenlänge empfindlich sind. An die lichtempfindlichen Elemente 48 ist ein (nicht dargestellter) frequenz­ selektierender Verstärker angeschlossen, welcher diejenige Impulsmodulationsfrequenz ausfiltert, mit welcher das zu empfangende Laserlicht moduliert wird. In dem Gehäuse sind weiterhin durch Stellmittel 46 verstellbare, optische Mittel 28 zum Fokussieren des Lichts auf die lichtempfindlichen Elemente 48 vorgesehen. Die optischen Mittel 28 werden in Fig. 9 durch eine Blende repräsentiert. Sie können aber auch z.B. durch ein Varioobjektiv verkörpert sein. In der Nähe der Öffnung 72 des Detektors 12 ist ein Farbfilter 50 vorgesehen.
Durch die längliche Ausbildung des Gehäuses 70 wird ein großer Teil des Hintergrundlichts abgeschirmt. Das Filter 50 läßt nur Licht mit der Wellenlänge des Lichts der Lichtquelle 10 durch. Der frequenzselektierende Verstärker filtert diejenige Impulsmodulationsfrequenz aus, mit welcher das zu empfangende Licht moduliert wird. Dadurch wird sichergestellt, daß der Detektor 12 nur auf das Licht der Lichtquelle 10 anspricht, und nicht auf irgendwelches Licht der Umgebung.
Fig. 10 zeigt an einem Blockschaltbild die Signalver­ arbeitung bei der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung nach der Erfindung. An einem Rechner 34 sind die Stellmittel 36 des Spiegels 14, die Stellmittel 38 des Spiegels 16, die lichtempfindlichen Elemente 48 des Detektors 12 und die Stellmittel 46 der optischen Mittel 28 des Detektors 12 angeschlossen. Mit 74 sind Aus- und Eingänge des Rechners 34 für externe Verarbeitungsmittel bzw. Ein- und Ausgabeeinheiten bezeichnet.
Entsprechende Blockschaltbilder der Signalverarbeitung bei den in Fig. 6 bis 8 dargestellten Vorrichtungen sehen ähnlich aus und werden nicht im einzelnen beschrieben. Zusätzlich an den Rechner 34 angeschlossen und von diesem gesteuert sind die Stellmittel 44 des schwenkbaren Trägers 18 bzw. die Stellmittel 40, 42 der drehbaren Spiegel 20, 22.
Das Verfahren nach der Erfindung zum berührungslosen Vermessen von Objekten wird nachstehend an zwei Beispielen erläutert.
In Fig. 11 befindet sich das zu vermessende Objekt 24 auf einem ebenfalls an den (hier nicht dargestellten) Steuer- und Rechenmitteln 34 angeschlossenen Drehtisch 76. Zur Verringerung des Hintergrundlichts wird der Drehtisch 76 von einer lichtabsorbierenden Wandung 78 umgeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach einem der Ausführungsbeispiele von Fig. 5 bis 8 ist vor dem Drehtisch 76 fest oder höhenverstellbar angeordnet. Eine ebenfalls an den Steuer- bzw. Rechenmitteln 34 angeschlossene Aufnahmevorrichtung 32, z.B. eine Videokamera, ist auf das Objekt 24 ausgerichtet.
Das zu vermessende Objekt 24 wird auf den Drehtisch 76 gelegt. Durch die Videokamera 32 wird die ungefähre Lage des Objekts 24 festgestellt und an den Rechner 34 gegeben. Der Rechner 34 gibt nun Signale an die Stellmittel 36, die den Spiegel 14 so verstellen, daß das von dem Spiegel 14 reflektierte Laserlicht auf einem Punkt 26 des Objekts 24 geleitet wird. Der Spiegel 16 wird nun von dem Rechner 34 über die Stellmittel 38 so verschwenkt, daß das von dem Punkt 26 in dieser Richtung reflektierte Laserlicht auf den Detektor 12 fällt. Von dem Detektor 12 erhält der Rechner 34 Informationen über die Lage des Lichtflecks an den lichtempfindlichen Elementen 48. Der Spiegel 16 wird nun von dem Rechner 34 über die Stellmittel 38 so justiert, daß der Lichtfleck auf dem Detektor 12 zentriert wird. Je nach gewünschter Genauigkeit der Messung können nun die optischen Mittel 28 (z.B. die Blende) von dem Rechner über die Stellmittel 46 so verstellt werden, daß ein kleineres und schärferes Bild auf den lichtempfindlichen Elementen 48 erzielt wird. Die Koordinaten des Punktes 26 des Objekts 24 werden von dem Rechner 34 nach dem anhand von Fig. 1 bis 3 dargestellten Rechenverfahren berechnet und abge­ speichert. Der Spiegel 14 wird nun in definierter Weise weiterverschwenkt, so daß ein weiterer Punkt des Objekts in gleicher Weise erfaßt wird. Der Betrag der Weiterverschwenkung des Spiegels 14 wird nach gewünschter Genauigkeit der Vermessung vom Rechner 34 vorgegeben. Diese Weiterverschwenkung des Spiegels 14 kann aber auch in Abhängigkeit von den Koordinaten der bereits erfaßten Punkte des Objekts erfolgen, oder so, daß der Lichtfleck an dem Detektor 12 nicht verschwindet. Dies bietet den Vorteil, daß die anschließende Verschwenkung des Spiegels 16 vorherberechenbar ist. Es können auch die Spiegel 14 und 16 und die optischen Mittel 28 gleichzeitig betätigt werden, was zu einer höheren Geschwindigkeit der Messung führt. Wenn die von dem Laserstrahl über den Spiegel 14 bei dieser Lage der Vorrichtung 30 relativ zu dem Objekt 24 erreichbaren Punkte des Objekts 24 erfaßt sind, wird der Drehtisch 76 um einen vorgebbaren Betrag gedreht und eine weitere Seite des Objekts 24 in oben beschriebener Weise erfaßt. Dies wird wiederholt, bis das ganze Objekt 24 erfaßt ist. Vor jeder Drehung des Drehtisches 76 kann die Vorrichtung 30 in der Höhe verstellt werden, um die Höhenausdehnung des Objekts 24 besser erfassen zu können.
In Fig. 12 sind vier erfindungsgemäße Vorrichtungen 30 A, 30 B, 30 C und 30 D nach einem der Ausführungs­ beispiele von Fig. 5 bis 8 an einem drehbaren und höhenverstellbaren kreisförmigen Träger 52 angeordnet. Die Drehung und Höhenverstellung des Trägers 52 erfolgt über den hier nicht dargestellten Rechner 34 (Fig. 10).
Zunächst wird der Träger 52 mit den Vorrichtungen 30 A-D hochgefahren. Das zu vermessende Objekt 24 wird von einem Laufband 80 in einer Position unterhalb des Trägers 52 gebracht. Zur Feststellung, wann das Objekt 24 sich in der gewünschten Position befindet, dienen hier vier ebenfalls an den Rechner angeschlossene Lichtschranken 78 A-D. Diese Aufgabe kann aber auch von einer Aufnahmevorrichtung, z.B. einer Videokamera, übernommen werden. Wenn die Lichtschranken 78 A-D die gewünschte Position des Objekts 24 an den Rechner 34 signalisieren, wird der Träger 52 in seine unterste Stellung hinuntergefahren. Das Objekt 24 wird von den Vorrichtungen 30 A-D in der in dem ersten Beispiel beschriebenen Weise abgetastet und erfaßt. Falls es zum Erfassen des ganzen Objekts 24 nötig ist, wird der Träger 52 in der Höhe verstellt und gedreht, wobei diese Anordnung zum Erfassen des ganzen Objekts 24 weniger Drehungen benötigt als die Anordnung im ersten Beispiel.
Wenn das Objekt in gewünschter Weise erfaßt ist, wird der Träger 24 wieder hochgefahren und das nächste zu erfassende Objekt 82 durch das Laufband 80 in Position unterhalb des Trägers 52 gebracht. Das zweite Objekt 82 wird dann in gleicher Weise erfaßt wie das erste Objekt 24.
Um die Schnelligkeit des Erfassens des Objekts zu erhöhen, kann eine geringere Anzahl von Punkten des Objekts erfaßt werden und die Koordinaten der dazwischenliegenden Punkte durch Fourieranalyse bestimmt werden.

Claims (46)

1. Verfahren zum berührungslosen Messen von Entfernungen oder zum berührungslosen Vermessen von Objekten, mit den Verfahrensschritten:
  • (a) Leiten von Licht wenigstens einer Lichtquelle (10) auf einen Punkt (26) eines zu vermessenden Objekts (24),
  • (b) Erfassen des von dem Punkt (26) des Objekts (24) in wenigstens einer bestimmten Richtung reflektierten Lichts von lichterfassenden Mitteln (12),
  • (c) Ermittlung der Lage des Punktes (26) des Objekts (24) durch Triangulation,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • (d) das Licht der Lichtquelle (10) auf erste schwenkbare optische Ablenkmittel (14) geleitet wird,
  • (e) die ersten optischen Ablenkmittel (14) so verschwenkt werden, daß sie das Licht der Lichtquelle (10) auf einen Punkt (26) des Objekts (24) leiten, und
  • (f) in einem vorgebbaren Abstand (a) von den ersten optischen Ablenkmitteln (14) angeordnete zweite schwenkbare optische Ablenkmittel (16) so verschwenkt werden, daß sie das von dem Punkt (26) des Objekts (24) in dieser Richtung reflektierte Licht auf die lichterfassenden Mittel (12) leiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dritte verschwenkbare optische Ablenkmittel (20, 22) so angeordnet und verschwenkt werden, daß sie das Licht von den ersten optischen Ablenkmitteln (14) auf den Punkt (26) des Objekts (24) leiten und das von dem Punkt (26) des Objekts (24) in einer bestimmten Richtung reflektierte Licht auf die zweiten optischen Ablenkmittel (16) leiten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Punktes (26) des Objekts (24) aus dem Abstand (a) zwischen den ersten und den zweiten optischen Ablenkmitteln (14 bzw. 16) und aus Verschwenkungen (α, β und γ, δ) der optischen Ablenkmittel (14 bzw. 16) geometrisch ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Punktes (26) des Objekts (24) aus dem Abstand (a) zwischen den ersten und den zweiten optischen Ablenkmitteln (14 bzw. 16), aus Verschwenkungen (α und β) der optischen Ablenkmittel (14 bzw. 16) und aus Verschwenkungen (ϕ, ψ) der dritten optischen Ablenkmittel (20,22) geometrisch ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Punktes (26) des Objekts (24) aus dem Abstand (a) zwischen den ersten und den zweiten optischen Ablenkmitteln (14 bzw. 16), aus Verschwenkungen (α und β) der optischen Ablenkmittel (14 bzw. 16) und aus der Verdrehung (ω) eines für die ersten und die zweiten optischen Ablenkmittel gemeinsamen Trägers (18) geometrisch ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erfassen des Lichtflecks durch die lichterfassenden Mittel (12), verstellbare optische Mittel (28) so verstellt werden, daß der Öffnungswinkel und damit das Bild des Lichtflecks (26) an den lichterfassenden Mitteln (12) kleiner wird, und die zweiten optischen Ablenkmittel (16), die dritten optischen Ablenkmittel (22) und/oder der Träger (18) in Abhängigkeit von der Lage des Bildes an den lichterfassenden Mitteln (12) erneut verstellt werden, so daß das Bild möglichst zentriert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die ersten optischen Ablenkmittel (14), die dritten optischen Ablenkmittel (20) und/oder der Träger (18) so verschwenkt werden, daß das Licht der Lichtquelle (10) auf mehrere Punkte des Objekts (24) durch diese ersten bzw. dritten optischen Ablenkmittel (14 bzw. 20) geleitet wird, und die jeweiligen Verfahrensschritte für jeden dieser Punkte wiederholt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschwenkung der ersten optischen Ablenkmittel (14), der dritten optischen Ablenkmittel (20) und/oder des Trägers (18) in Abhängigkeit von den Koordinaten (x, y, z) der bereits erfaßten Punkte des Objekts (24) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die relative Lage zwischen dem Objekt (24) und der aus Lichtquelle (10), lichterfassenden Mitteln (12), ersten und zweiten optischen Ablenkmitteln (14 bzw. 16), Träger (18) und/oder dritten optischen Ablenkmitteln (20, 22) bestehenden Einheit (30) verändert wird, und die jeweiligen Verfahrenschritte wiederholt werden, bis die Lagekoordinaten aller in Betracht gezogenen Objektpunkte erfaßt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der relativen Lage zwischen dem Objekt (24) und der Einheit (30) in Abhängigkeit von den Koordinaten der bereits erfaßten Punkte des Objekts (24) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ungefähre Lage des Objekts (24) durch eine feste oder verstellbare Aufnahmevorrichtung (32), wie z.B. eine Videokamera, vorbestimmt wird und eine oder mehrere Verstellungen der ersten optischen Ablenkmittel (14), der dritten optischen Ablenkmittel (20), des Trägers (18) und/oder der relativen Lage zwischen dem Objekt (24) und der Einheit (30) in Abhängigkeit von dieser ungefähren Lage erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellungen
  • (a) der ersten optischen Ablenkmittel (14),
  • (b) der zweiten optischen Ablenkmittel (16),
  • (c) der dritten optischen Ablenkmittel (20, 22),
  • (d) des für die ersten und zweiten optischen Ablenkmittel (14 bwz. 16) gemeinsamen Trägers (18),
  • (e) der optischen Mittel (28) der lichterfassenden Mittel (12),
  • (f) der relativen Lage zwischen dem Objekt (24) und der Einheit (30) und/oder
  • (g) der Aufnahmevorrichtung (32) über Steuer- bzw. Rechenmittel (34) automatisch erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagekoordinaten der erfaßten Punkte des Objekts (24) Rechenmitteln (34) zugeführt werden und für weitere Auswertemittel zur Verfügung gestellt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Verstellungen der ersten optischen Mittel (14), der zweiten optischen Ablenkmittel (16), der optischen Mittel (28) der lichterfassenden Mittel (12), der dritten optischen Ablenkmittel (20) und/oder des Trägers (18) so erfolgt, daß das Bild des Lichtflecks an den lichterfassenden Mitteln (12) während der Messung möglichst nie verschwindet.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagekoordinaten des Objekts (24) aus den Lagekoordinaten einer Anzahl von Punkten des Objekts (24) durch Fourieranalyse ermittelt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (10) impulsmoduliert ist.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum berührungslosen Messen von Entfernungen oder zum berührungslosen Vermessen von Objekten, enthaltend:
  • (a) wenigstens eine Lichtquelle (10) zur Erzeugung wenigstens eines Lichtflecks (26) auf dem zu vermessenden Objekt (24),
  • (b) lichterfassende Mittel (12) zum Erfassen des vom Objekt (26) in einer bestimmten Richtung reflektierten Lichtes des Lichtflecks (24), gekennzeichnet durch
  • (c) jeweils erste schwenkbare optische Ablenkmittel (14) zum Ablenken des Lichtes von der Lichtquelle (10) auf das zu vermessende Objekt (24), und
  • (d) jeweils zweite schwenkbare optische Ablenkmittel (16) zum Ablenken des reflektierten Lichtes auf die lichterfassenden Mittel (12).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch dritte optische Ablenkmittel (20, 22), die optisch zwischen dem Objekt (26) und den ersten bzw. den zweiten optischen Ablenkmitteln (14 bzw. 16) angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die ersten und die zweiten optischen Ablenkmittel (14 und 16) an einem gemeinsamen Träger (18) angeordnet sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10), die lichterfassende Mittel (12), die ersten optischen Ablenkmittel (14), die zweiten optischen Ablenkmittel (16) und/oder die dritten optischen Ablenkmittel (20, 22) jeweils zueinander verschiebbar angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10), die lichterfassenden Mittel (12), die ersten optischen Ablenkmittel (14), die zweiten optischen Ablenkmittel (16) und/oder die dritten optischen Ablenkmittel (20, 22) in geometrisch zueinander bestimmbaren Positionen arretierbar sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) und/oder die lichterfassenden Mittel (12) zwischen den ersten und den zweiten optischen Ablenkmitteln (14 bzw. 16) angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und/oder die zweiten optischen Ablenkmittel (14 bzw. 16) durch Stellmittel (36 bzw. 38) jeweils um eine Achse (56 bzw. 58) drehbeweglich angeordnet sind.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und/oder die zweiten optischen Ablenkmittel (14 bzw. 16) durch Stellmittel (36 bzw. 38) jeweils um zwei Achsen (56, 60 bzw. 58, 62) drehbeweglich angeordnet sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten optischen Ablenkmittel (20, 22) durch Stellmittel (40, 42) drehbeweglich angeordnet sind.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (18) durch Stellmittel (44) drehbeweglich angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Trägers (18) veränderbar ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, die zweiten und/oder die dritten optischen Ablenkmittel (14, 16 bzw. 20, 22) als Reflektoren ausgebildet sind.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die lichterfassenden Mittel (12) Detektormittel sind, die nur auf Licht einer bestimmten Frequenz und/oder einer bestimmten Impulsmodulation ansprechen.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die lichterfassenden Mittel (12) mit verstellbaren optischen Mitteln (28) versehen sind.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren optischen Mittel (28) wenigstens eine Blende enthalten.
32. Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren optischen Mittel (22) ein Varioobjektiv enthalten.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren optischen Mittel (28) durch rechnergesteuerte Stellmittel (46) verstellbar sind.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die lichterfassenden Mittel (12) mehrere lichtempfindliche Elemente (48) enthalten.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die lichterfassenden Mittel (12) Quadrantendetektoren enthalten.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die lichterfassenden Mittel (12) mit Filtern (50) vesehen sind.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle beweglichen Teile der Vorrichtung automatisch durch Steuer- bzw. Rechenmittel (34) bewegbar sind.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10), die lichterfassenden Mittel (12), die ersten optischen Ablenkmittel (14), die zweiten optischen Ablenkmittel (16), die dritten optischen Ablenkmittel (20, 22), der Träger (18) und/oder die Steuer- bzw. Rechenmittel (34) zu einer Einheit (30) zusammengefaßt sind.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (30) in einer oder mehreren Richtungen verschiebbar und/oder um mindestens eine Achse verschwenkbar an einem Träger angeordnet ist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (30) auf einem kreisförmigen Träger (52) verschiebbar angeordnet ist.
41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Träger (52) drehbar und/oder höhenverstellbar ist.
42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Träger (52) durch rechnergesteuerte Stellmittel (54) verstellbar ist.
43. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen bzw. Einheiten (30) vorgesehen sind.
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) ein Laser ist.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) impulsmodulierbar ist.
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