DE3840726A1

DE3840726A1 - Messverfahren und messeinrichtung zur durchmesser-bestimmung eines dreidimensionalen objektes

Info

Publication number: DE3840726A1
Application number: DE19883840726
Authority: DE
Inventors: Karl Friedrich Zimmer
Original assignee: KARL F ZIMMER KG
Current assignee: KARL F ZIMMER KG
Priority date: 1988-12-02
Filing date: 1988-12-02
Publication date: 1990-06-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung sowie ein Meßverfah ren zur Bestimmung des Durchmessers eines dreidimensionalen Objektes, beispielsweise eines Baumstamm-Durchmessers, mittels einer opto-elektronischen Abtasteinrichtung und einer auf die Abtasteinrichtung gerichteten Lichtquelle, wobei das auszumes sende Objekt zur Erzeugung eines Schattenbildes zwischen der Lichtquelle und der opto-elektronischen Abtasteinrichtung ange ordnet ist, mit einer Einrichtung zur Ermittlung des Abstandes des Objektes von der Lichtquelle sowie mit einer der opto-elek tronischen Abtasteinrichtung nachgeschalteten elektronischen Aus werteeinheit zur Erzeugung eines der Ausdehnung des Schatten bildes proportionalen Meßwertes.

Eine derartige Meßeinrichtung zur Ermittlung der Dicke und Brei te eines Baumstamms ist aus der US-PS 38 06 253 bekannt. Hierbei wird mit Hilfe einer Lichtquelle auf einer Fotodiodenzeile ein Querschnitt-Schattenbild des Baumstammes erzeugt und aus der An zahl der abgeschatteten bzw. belichteten Fotodioden der Baum stamm-Durchmesser ermittelt. Da bei der auf einem Triangula tionsverfahren beruhenden Auswertung des Schattenbildes der Ab stand des Baumstammes von der opto-elektronischen Abtasteinrich tung bekannt sein muß, wird dieser mit Hilfe einer zweiten Foto diodenreihe ermittelt, die unter einem vorgegebenen Winkel zur anderen Diodenreihe angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, wel che mit einem geringen Aufwand an opto-elektronischen Abtast einrichtungen auskommt und dennoch zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mittels einer weiteren Lichtquelle ein scharf gebündelter Lichtstrahl, vorzugsweise ein Laserstrahl, auf die der opto-elektronischen Einrichtung zugewandten Oberfläche des Objektes unter einem vorgegebenen Winkel zur optischen Achse der opto-elektronischen Abtastein heit zur Erzeugung eines Lichtflecks gerichtet wird, daß ein Bild des Lichtflecks an der opto-elektronischen Abtasteinheit erzeugt und seine Lage zur Bestimmung des Abstandes der be treffenden Oberfläche von der opto-elektronischen Abtastein richtung ausgewertet wird.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, innerhalb des vom Objekt erzeugten Schattens, der durch die Gegenlichtan ordnung des Objektes entsteht, einen durch Oberflächen-Reflexion entstehenden Lichtfleck zu erzeugen, der in Abhängigkeit vom Abstand der reflektierenden Oberfläche seine Position ändert. An der elektro-optischen Abtasteinrichtung wird somit an jeder Außenkante des Meßobjekts bzw. des Schattenbildes ein Hell-/ Dunkel-Übergang erzeugt und ferner wird zwischen diesen beiden Übergängen an die Stelle des Lichtflecks ein kurzer Hell-/Dunkel- Zustandswechsel erzeugt.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß lediglich eine einzige opto elektronische Abtasteinrichtung vorhanden zu sein braucht, so daß die Gefahr von Meßfehlern, die auf einer Verschmutzung oder ähnlichem beruhen, stark verringert wird.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß eine vorgegebene Anzahl von parallel und im gleichen Abstand ver laufenden Lichtstrahlen unter einem bestimmten Winkel auf das Meßgut geworfen wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil daß die Dicke des Meßgutes an mehreren Stellen über die Breite verteilt gemessen werden kann, um eine Aussage über das Dickenprofil machen zu können. Bei ebenen Meßflächen können hiermit auch Meßfehler ausgeschaltet werden. Grundsätzlich können sehr gute Meßergebnisse mit Hilfe einer Fotodiodenzeile als opto-elektronische Abtasteinrichtung er zielt werden. Gut geeignet sind ferner Image-Disektor-Röhren oder Fernsehkameras, die in der Lage sind, die Kontrastpunkte des Bildes zuverlässig zu ermitteln.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dar gestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Meßeinrichtung;

Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausgangssignal eines Zeilen sensors;

Fig. 3 zeigt schematisch eine zweite Meßeinrichtung

Fig. 4 zeigt schematisch einen Signalverlauf am Ausgang des Zeilensensors der zweiten Meßeinrichtung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 zeigt schematisch eine dritte Meßeinrichtung; und

Fig. 6 zeigt schematisch einen Signalverlauf am Ausgang des Zeilensensors der dritten Meßeinrichtung gemäß Fig. 5.

Gemäß Fig. 1 ist ein auszumessendes, hier einen rechteckigen Querschnitt aufweisendes Objekt 10 zwischen einer großflächigen Lichtquelle 13 und einer elektro-optischen Einrichtung 9 ange ordnet. Sie besteht aus einem Objektiv 14 und einer dahinter an geordneten elektro-optischen Abtasteinrichtung die dem hier dar gestellten Beispiel aus einem Zeilensensor 15 mit Fotodioden 22 besteht. Zur besseren Veranschaulichung sind die gezeigten Ein richtungen nicht maßstäblich wiedergegeben, insbesondere ist der Zeilensensor 15 stark vergrößert dargestellt. Die Ausgangssignale des Zeilensensors 15 werden einer elektronischen Auswerteeinheit 21 zugeführt die als Mikroprozessor ausgebildet sein kann. Aus gangsseitig befindet sich eine Anzeigevorrichtung 7 für den Meßwert. Mit der ersten Lichtquelle 13 wird das Objekt 10 bezüglich der elektro-optischen Einrichtung 9 gemäß den Pfeilen 23 im Gegen licht beleuchtet, so daß auf dem Zeilensensor 15 ein Schat tenbild des Objekts 10 erzeugt wird. Das bedeutet, daß die außenliegenden Fotodioden belichtet und die dazwischen lie genden Fotodioden abgeschattet sind. Der Hell-/Dunkel-Über gang wird durch einen linken und einen rechten Randstrahl 18, 19 bestimmt.

Eine optische Achse 27 der elektro-optischen Einrichtung 9 legt einerseits die Mitte eines Aufnahmebereichs 8 für das zu messende Objekt 10 und andererseits die Mitte des Zeilensen sors 15 fest. Somit ist ein erster Winkel α zwischen dem linken Randstrahl 18 und der optischen Achse 27 direkt proportio nal zur Anzahl derjenigen Fotodioden, die im abgeschatteten Be reich auf der zugehörigen Seite neben der Sensormitte bzw. der optischen Achse 27 angeordnet sind. Sinngemäß ist der zwischen der optischen Achse 27 und dem rechten Randstrahl 19 vorhandene zweite Winkel β direkt proportional zur Anzahl derjenigen Fotodioden des Zeilensensors, die im abgeschatteten Bereich der zugehörigen, anderen Seite der optischen Achse 27 liegen. Die Breite des Objekts 10, welche der Summen der beiden Gegenkatheten der rechtwinkeligen Dreiecke entspricht, kann über ein an sich bekanntes Triangulationsverfahren unter Berücksichtigung der Ähnlichkeit derjenigen Dreiecke, welche den ersten bzw. zweiten Winkel α, β enthalten, mit denjenigen Dreiecken 40 bzw. 41berechnet werden die von der optischen Achse 27 und den abgeschatteten Strecken des Zeilensensors 15 gebildet werden. Zur Bestimmung des Absolutwertes ist es erforderlich, den Abstand der von den Randstrahlen 18, 19 begrenzten Oberfläche 36 des Objekts 10 von der elektro-optischen Einrichtung 9 zu bestimmen. Aus diesem Ab stand und einem vorgegebenen Abstand einer Referenzebene 12, auf welcher das Objekt 10 mit seiner der ersten Lichtquelle 13 zugewandten Seite gelagert ist, wird die Dicke des Objekts 10 errechnet.

Die Entfernungsbestimmung erfolgt mit Hilfe einer zweiten Licht quelle, die hier als Laser 16 ausgebildet ist. Es wird ein scharf gebündelter, dünner, intensiver Lichtstrahl 17 unter einem vorgegebenen Winkel w zur optischen Achse 27 erzeugt. Der Lichtstrahl 17 ist ferner so einjustiert, daß er das Ob jekt 10 auf der der elektro-optischen Einrichtung 9 zugewand ten Oberfläche 36 trifft und dort einen Lichtfleck 28 erzeugt. Der Lichtfleck 28 wird über einen Reflexionsstrahl 29 auf dem Zeilensensor 15 abgebildet und belichtet dabei eine innerhalb des abgeschatteten Bereichs liegende Fotodiode. Der Reflexions strahl 29 stellt die Hypothenuse eines Dreiecks dar, dessen An kathete unter Einschluß eines Winkels γ die optische Achse 27 bildet. Die Gegenkathete wird von der Oberfläche 36 des Objekts 10 zwischen der optischen Achse 27 und dem Lichtfleck 28 gebildet. Über das bekannte Triangulationsverfahren und un ter Berücksichtigung ähnlicher Dreiecke kann aus der Position der belichteten Fotodiode innerhalb des Zeilensensors 15 die Länge der Ankathete bzw. der Abstand errechnet werden. Die Dicke des Objekts 10 ermittelt sich dann aus der Differenz und der Ent fernung der Referenzebene 12 und diesem Abstand zur elektro optischen Einrichtung 9. Ein auf die Referenzebene 12 bezogener Referenzwert kann beispielsweise anhand eines auf der Referenz ebene 12 erzeugten Lichtflecks 35 ermittelt werden. Der zugehöri ge Reflexionsstrahl 29′ ist dabei parallel verschoben. Allgemein gilt, daß der jeweils erzeugte Leuchtfleck bei unterschiedlich dicken Objekten 10 seitlich versetzt ist und daß der Versatz des zugehörigen Lichtfleckbildes am Zeilensensor 15 hierzu di rekt proportional ist.

In Fig. 2 ist der Zeilensensor 15 sowie das zugehörige Ausgangs signal dargestellt, welches bei einer seriellen Abtastung der Fotodioden 22 erhalten würde. Ein hoher Signalpegel H zeigt an, daß die betreffende Fotodiode belichtet ist und ein niedriger Signalpegel L signalisiert Abschattung. Demnach sind die linken und rechten äußeren Fotodioden 24 durch das Licht der ersten Lichtquelle 13 (Fig. 1) und die im abgeschatteten Bereich lie gende Fotodiode 26 durch den Reflexionsstrahl 29 belichtet.

Zur Veranschaulichung ist in Fig. 2 auch die vom Referenz- Lichtfleck 35 belichtete Fotodiode 39 und der zugehörige Aus gangsimpuls 43 gestrichelt wiedergegeben. Es wird daraus er sichtlich, daß mit zunehmender Dicke des Objekts 10 das zuge hörige Bild des Lichtflecks wandert, wobei der Dickenunter schied über das Triangulationsverfahren durch Abzählen der da zwischenliegenden Fotodioden ermittelbar ist.

Nachfolgend wird die Funktion der Meßeinrichtung anhand der Fig. 1 und 2 weiter erläutert. Zunächst ermittelt die Auswerte einheit 21 aus der Folge und der Polarität der Hell-/Dunkel bzw. Dunkel-/Hell-Übergänge 31, 32, 33, 34 die Position der sich im abgeschatteten Bereich befindenden belichteten Fotodiode 26 innerhalb des Zeilensensors 15. Durch Vergleich mit dem vorge gebenen Referenzwert wird dann der Abstand der Oberfläche 36 von der elektro-optischen Einrichtung 9 und von der Referenz ebene 12 errechnet, was dem Dickenmaß entspricht.

Anschließend werden die den Randstrahlen 18, 19 zugeordneten Hell-/ Dunkel-Übergänge 31, 34 innerhalb des Zeilensensors 15 ermittelt und daraus die linke und rechte Außenkante 37, 38 (Fig. 1) des Objekts 10 errechnet. Aus deren Abstand wird die Breite des Ob jekts 10 abgeleitet.

Das in Fig. 3 dargestellte Beispiel einer zweiten Meßeinrichtung unterscheidet sich vorrichtungsmäßig von der in Fig. 1 dar gestellten ersten Meßeinrichtung dadurch, daß anstelle eines einzigen gebündelten Lichtstrahls 17 mehrere parallel und im gleichen Abstand verlaufende derartige Lichtstrahlen 41 vorhanden sind. Sie werden mit Hilfe einer Lichtquelle 40 er zeugt, die beispielsweise aus mehreren parallel angeordneten Lasern bestehen kann. Der Winkel δ dieser Lichtstrahlen 47 zur optischen Achse 27 ist wiederum fest vorgegeben. Sinnge mäß zum Auswerteverfahren, wie es anhand der Fig. 1 und 2 be schrieben wird, werden hierbei gemäß Fig. 4 diejenigen Foto dioden 51 bis 56 ermittelt, welche durch die Lichtpunkte 28′ auf der Oberfläche 36′ des Objekts 10′ belichtet sind. Auf diese Weise können durch das bekannte Triangulationsverfahren diejenigen im wesentlichen parallelen Seitwärts-Verschiebungen ermittelt wer den, unter welchen die von den Lichtstrahlen 47 erzeugten Reflexionsstrahlen 61 bis 66 auf den Zeilensensor 15 treffen. Anhand dieser Versetzungen kann die jeweilige Dicke des Ob jektes 10′ über die gesamte Breite des Objekts 10′ verteilt ge messen werden. Hieraus ergibt sich das Dickenprofil bzw. die Kontur des Objekts 10′. Bei einer geraden Oberfläche können die Abstände der Reflexionsstrahlen zur Meßfehlererkennung aus gewertet werden.

Die einzelnen Lichtstrahlen 47 können sowohl gleichzeitig als auch nacheinander erzeugt und die zugehörigen Winkel berechnet werden

Die Breitenmessung des Objekts 10′ erfolgt in der in Fig. 1 und 2 beschriebenen Weise.

Ein in der Fig. 5 dargestelltes drittes Beispiel einer Meßein richtung dient insbesondere zur Waldkantenvermessung eines Brettes (Objekt 10′′), wobei unter "Waldkante" die Abrundung und Verjüngung eines Brettes aufgrund der Stammrundung verstanden wird. Bei der Waldkantenvermessung eines Brettes sollen die Gesamtbreite 71 einschließlich der Waldkanten 68, 69, die Lage der Außenkanten 72, die Breite 73 des Brettes ohne Waldkanten, die linke Waldkan tenbreite 74 sowie die rechte Waldkantenbreite 75 erfaßt und be rechnet werden.

Der Aufbau der elektro-optischen Einrichtung 9 entspricht hier bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung 9.

Gemäß Fig. 5 erzeugen zwei beidseits des Objekts 10′′ angebrachte Lichtquellen 76, 77 parallele Strahlenbündel 78, 79, wobei jeweils eine der Lichtquellen 76, 77 auf eine der beiden Waldkanten 68 bzw. 69 gerichtet ist. Die Strahlenbündel 78, 79 sind in der Wei se mit einer leichten Neigung von schräg unten auf die Waldkan ten 68, 69 gerichtet, daß die im wesentlichen horizontale Ober fläche 80 des Objekts 10′′ im Schatten bleibt. Das heißt mit an deren Worten, daß am Übergang von den Waldkanten 68, 69 an die Oberseite 80 des Objekts 10′′ ein scharfer Hell-/Dunkel-Kontrast erzeugt wird. Der Hintergrund des Objekts 10′′ ist im übrigen dunkel gehalten.

Die den Hell-/Dunkel-Übergängen zugeordneten Randstrahlen 83, 84 der links dargestellten Waldkante 68 liegen unter einem Winkel α ₁, α ₂ zur optischen Achse 27, aus welchen über das bekannte Triangulationsverfahren die Breite der Waldkante 68 ermittelt werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für die rechts dargestellte Waldkante 69, deren Randstrahlen 85, 86 un ter einem Winkel β ₁ bzw. β ₂ zur optischen Achse 27 geneigt sind.

Aus den äußeren Randstrahlen 83 bzw. 85 bzw. den zugehörigen Winkeln α ₁ bzw. β ₁ kann ferner die absolute Breite des Ob jekts 10′′ unmittelbar abgeleitet werden, wenn die Entfernung der Referenzebene 12 von der elektro-optischen Einrichtung be kannt ist.

Um den Absolutwert der Breiten 74, 75 der beiden Waldkanten 68 und 69 sowie die oberseitige Breite 73 abzüglich der Waldkanten 68, 69 zu ermitteln, ist die Kenntnis der Dicke des Objekts 10′′ erforderlich. Diese kann mit der im einzelnen anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Einrichtung und Verfahrensschritte er mittelt werden.

Falls es zweckmäßig erscheint, können auch andere Meßverfahren zur Ermittlung der Dicke des Objekts 10′′ verwendet werden.

Die Fig. 6 veranschaulicht rein schematisch den Hell-/Dunkel- Kontrast, der bei einer Konstellation gemäß Fig. 5 am Zeilen sensor 15 vorliegt. Demnach sind die beidseitig außen liegenden Fotodioden 87, 88 aufgrund des dunklen Hintergrundes unbelichtet und an ihren Ausgängen ist ein niederwertiges Signal abgreifbar. Das von den beiden Waldkanten 68, 69 (Fig. 5) reflektierte Licht belichtet zwei getrennte Bereiche 89, 90 und an den zugehörigen Fotodioden sind Signale mit logisch H-Pegel abgreifbar. Zwischen den beiden belichteten Bereichen 89, 90 befinden sich abgedunkel te Fotodioden 91, deren Zustand auf die abgeschattete Oberseite 80 des Objekts 10′′ (Fig. 5) zurückgeht.

Claims

1. Meßverfahren zur Durchmesser-Bestimmung eines dreidimen sionalen Objektes beispielsweise eines Baumstamm-Durch messers, mittels einer opto-elektronischen Abtasteinrich tung und einer auf die Abtasteinrichtung gerichteten ersten Licht quelle, wobei das auszumessende Objekt zur Erzeugung eines Hell-/Dunkel-Kontrastes zwischen der Lichtquelle und der opto elektronischen Abtasteinrichtung angeordnet ist und die Positionen der Hell-/Dunkelübergänge ausgewertet werden, und wobei der Abstand des Objekts von der elektro-optischen Ablasteinrichtung mittels eines von einer zweiten Lichtquelle erzeugten Hell-/ Dunkel-Kontrastbildes elektro-optisch gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Abstandmessung mindestens ein gebündelter Licht strahl (17, 47) erzeugt und unter einem vorgegebenen Winkel (γ) auf die der opto-elektronischen Abtasteinrichtung (9) zugewandte Oberfläche (36, 36′) des Objekts (10, 10′) zur Erzeugung eines Lichtpunktes (28, 28′) in der Weise gerichtet wird, daß im abge schatteten Bereich auf der elektro-optischen Abtasteinrichtung (9) ein Bild des Lichtpunktes (28, 28′) erzeugt wird, und daß der Bildort des Lichtpunktes (28, 28′) innerhalb der elektro-optischen Abtasteinrichtung (9) ausgewertet wird.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gebündelte, parallel ausgerichtete Lichtstrahlen (47) in vorgegebenen Abständen auf die Oberfläche (36′) des Objekts (10′) gerichtet werden und daß die Position der jeweils erzeugten Lichtpunktbilder und/oder ihre Abstände voneinander ausgewertet werden.

3. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß Laser-Lichtstrahlen verwendet werden.

4. Meßverfahren zur Durchmesser-Bestimmung eines drei dimensionalen Objektes, beispielsweise eines Baumstamm- Durchmessers, wobei mit mindestens einer Lichtquelle ein Hell-/Dunkel-Kontrastbild zwischen dem auszumessenden Objekt und dessen Hintergrund erzeugt und mittels einer opto-elektronischen Abtasteinrichtung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (10′′) bezüglich der elektro-optischen Ab tasteinrichtung (9) von seitlich unten in der Weise ange leuchtet wird, daß die betreffende Seite beleuchtet und die der elektro-optischen Abtasteinrichtung (9) zugewandte Oberfläche (80) des Objekts (10′′) abgeschattet wird, und daß der bezüglich der elektro-optischen Abtasteinrichtung (9) abgewandte Hintergrund des Objekts (10′′) abgedunkelt wird.

5. Meßverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegenüberliegenden Seiten des Objekts (10′′) von seitlich unten angestrahlt werden.

6. Meßeinrichtung zur Durchmesser-Bestimmung eines drei dimensionalen Objektes, beispielsweise eines Baumstamm- Durchmessers, mit einer opto-elektronischen Abtasteinrich tung und einer auf die Abtasteinrichtung gerichteten ersten Licht quelle, wobei das auszumessende Objekt zur Erzeugung eines Hell-/Dunkel-Kontrastbildes zwischen der Lichtquelle und der opto-elektronischen Abtasteinrichtung angeordnet ist, und mit einer zweiten Lichtquelle zur Erzeugung eines wei teren Hell-/Dunkel-Kontrastbildes zur Abstandsermittlung des Objekts von der elektro-optischen Abtasteinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtquelle (16, 40) einen gebündelten Lichtstrahl (17, 47) erzeugt, welcher auf die der opto elektronischen Abtasteinrichtung (9) zugewandte Ober fläche (36, 36′) des Objekts (10, 10′) in der Weise unter einem vorgegebenen Winkel gerichtet ist, daß der Reflexions strahl (29, 61 bis 66) in den abgeschatteten Empfangsbereich der elektro-optischen Abtasteinrichtung (9) gerichtet ist.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zweite Lichtquellen (40) mit parallel zuein ander ausgerichteten Lichtstrahlen (47) vorhanden sind.

8. Meßeinrichtung zur Durchmesser-Bestimmung eines drei dimensionalen Objekts, beispielsweise eines Baumstamm- Durchmessers, mittels einer opto-elektronischen Abtastein richtung und mindestens einer auf die Abtasteinrichtung gerichteten Lichtquelle zur Erzeugung eines Hell-/Dunkel-Kontrastbildes, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (76, 77) bezüglich der elektro-optischen Abtasteinrichtung (9) seitlich unterhalb der der elektro-opti schen Abtasteinrichtung (9) zugewandten Oberfläche (80) des Objekts (10′′) in der Weise angeordnet ist, daß die betref fende Seite des Objekts (10′′) beleuchtet und die der elektro optischen Abtasteinrichtung zugewandte Oberfläche (80) ab geschattet ist, und
daß der der elektro-optischen Abtasteinrichtung (9) abge wandte Hintergrund des Objekts (10′′) abgedunkelt ist.

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtquellen (76) an zwei gegenüberliegenden Sei ten des Meßobjekts (10′′) angeordnet sind.