DE3924684A1 - Abbildungsverfahren und vorrichtung zur optischen abstands- und reflektivitaetsmessung - Google Patents

Abbildungsverfahren und vorrichtung zur optischen abstands- und reflektivitaetsmessung

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Description

Die Erfindung betrifft ein spezielles Abbildungsverfahren mit nützlichen Eigenschaften für die berührungslose, optische Abstands- oder Reflektivitätsmessung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung ist vorwiegend für die Automatisierung von Sichtprüfungsaufgaben z. B. Vollständigkeitsprüfung, Län­ genmessung usw., sowie als Sensorsystem für automatische Fahrzeugführung und -leitung bestimmt. Aus den Eigen­ schaften des Systems ergibt sich noch die Möglichkeit einer abstandsunabhängigen Reflektivitätsmessung von Oberflächen.
Bei fortschreitender Fertigungsautomatisierung ist auch eine automatische Kontrolle der gefertigten Produkte immer wichtiger. Dabei werden i.A. Fragen nach der Geometrie des Produkts gestellt. Diese Fragen lassen sich besonders zweckmäßig mit 3-D-Daten [Datensatz z(x, y)] beantworten. Um diese Daten z(x, y) von einem Objekt zu erhalten, benötigt man Sensoren, welche diese aufnehmen können. Berührungslos arbeitende, optische 3-D-Sensoren sind dafür gut geeignet, da sie schnell und genau die Daten liefern können (H. J. Tiziani, "AUTOMATISIERUNG DER OPTISCHEN QUALITÄTSPRÜFUNG", Technisches Messen, Jahrgang 55, Heft 12/1988, S. 481).
Die Sensoren tasten dabei den Abstand z(x, y) der ver­ schiedenen Objektpunkte (x, y) zu einer Bezugsebene ab, die gewöhnlich parallel zur Objektebene orientiert ist.
Für diese Aufgabe werden Sensoren mit hoher Genauigkeit und Meßgeschwindigkeit benötigt.
In der heutigen, mobilen Gesellschaft, sowie bei der flexibilisierten Fertigung werden immer mehr Transport­ systeme mit unbemannten Einzelfahrzeugen eingesetzt. Diese Fahrzeuge sollen dann in einer fast beliebigen Umwelt sicher ihren Weg finden. Dazu benötigen sie Sensoren, welche das Fahrzeug z. B. an einer Schiene entlang führen, oder Hinternisse erkennen, damit diese umgangen werden können. Hierfür eignen sich besonders optische Sensoren, die schnell, kostengünstig und robust gegen Umwelteinflüsse (Störlicht) sind.
Aus der Literatur sind eine Vielzahl von optischen Abstandsmeßverfahren bekannt. Man unterscheidet dabei mehrere Grundprinzipien (T. Strand, "OPTICS IN MACHINE VISION", SPIE-Proc. Vol. 456, 1984; L. H. Bieman, "THREE- DIMENSIONAL MACHINE VISION", Photonics Spectra, May 88, S. 81): Laufzeitmessung, Triangulation, Interferometrie und Fokussuche. Es lassen sich bei vielen Verfahren durch Heterodyne Auswertungstechniken eine Steigerung der Ge­ nauigkeit, sowie größere Robustheit gegen Störeinflüsse erreichen (R. Crane, "INTERFERENCE PHASE MEASUREMENT", Applied Optics, Vol. 8, No. 3, 1969).
Für die automatisierte Sichtprüfung, wie für die Fahr­ zeugführung sind Sensoren nötig, deren Meßbereich bzw. Meßabstand im Bereich 0,1 m bis 2 m liegen. Die Auflösung soll dabei einige hundert bis einige tausend Tiefenstufen erreichen.
Für diese Abstände haben sich hauptsächlich Laufzeit- und Triangulationsmeßverfahren aber auch interferometrische Ansätze bewährt (G. Häusler, J. Hutfless, M. Maul, H. Weißmann, "RANGE SENSING BASED ON SHEARING INTERFERO- METRY", Applied Optics Vol. 27, No. 22, S. 4638).
Es gibt punktweise antastende und quasi parallele Metho­ den. Für die Abstände 0,1-2 m sind in der Meßtechnik bisher kaum focussuchende Abstandsmeßverfahren aufge­ taucht. In der Photographie sind jedoch durch die Ein­ führung der Autofokuskameras einige einfache, meist fo­ kussuchende Abstandsmeßverfahren entwickelt worden (Nau­ mann, Schröder, "TASCHENBUCH DER TECHNISCHEN OPTIK", Kap.: 9.6, S. 350ff, 5. Auflage, 1987).
Es gibt parallele Fokussucheverfahren wie z. B. von Herrn Engelhardt (K. Engelhardt, G. Häusler, "ACQUISITION OF 3-D-DATA BY FOCUS SENSING", Applied Optics, Vol. 27, No. 22, 1988, S. 4684). Dabei wird ein Gitter mit geringer Schärfentiefe auf ein Objekt projiziert und dann mit einer Fernsehkamera (CCD-Kamera) aus der gleichen Rich­ tung beobachtet. Befinden sich Objektteile in der Schär­ fenebene des Projektionsgitters, so erhält man maximale Modulation des beobachteten Gitters. Damit kennt man den Abstand der kontrastreichen Objektteile im gesamten Bild­ feld der Beobachtungskamera während eines TV-Bildes. Durch Verschieben des Objekts relativ zum Projektionsgit­ ter erhält man für weitere Objektteile die zu messende Tiefe.
Neben diesem parallelen Fokussucheverfahren gibt es jedoch noch ein größere Anzahl von seriellen - punktweise antastenden - Meßverfahren (vergl. Naumann, Schröder). Viele dieser Meßverfahren sind jedoch für mikroskopische Messungen wie z. B. Rauheitsmessung gedacht (K. Leonhardt, K.-H. Rippert, H. J. Tiziani, "OPTISCHE MIKROPROFILOMETRIE UND RAUHEITSMESSUNG", Technisches Messen, Jahrgang 54, Heft 6/1987, S. 243; H. T. M. van der Voort, G. J. Braken­ hoff, "DETERMINATION OF 3-DIMENSIONAL OPTICAL PROPERTIES OF CONFOCAL SCANNING", Optik 78, No. 2/1988, S. 48). Die Auswertung des Meßsignals erfolgt dabei oft mit einer Intensitätsbalance nach intra- und extrafocal angeordne­ ten Blenden (vergl. K. Leonhardt et. al.) oder aber mit der Vermessung des anamorphotisch abgebildeten Bildpunk­ tes (K. Mitsui, M. Sakai, Y. Kizuka, "DEVELOPEMENT OF HIGH RESOLUTION SENSOR FOR SURFACE ROUGHNESS", Optical Engineering, Vol. 27 No. 6/1988, S. 498). Dabei ist die Fokustiefe wegen der großen Apertur von Natur aus schon sehr klein. Durch Steigerung der elektronischen Auswer­ tungsgenauigkeit lassen sich Tiefenauflösungen von 1 nm und besser erreichen (vergl. K. Mitsui et. al.).
Einige Fokussuche Meßverfahren sind dynamisch, wobei z. B. der Fokus des Projektions- und Abbildungssystems zeitlich moduliert wird (vergl. "RM 600 Laser Stylus" der Firma Optische Werke G. Rodenstock, München). Dabei wird dann beobachtet, bei welcher Objektiveinstellung der Fokus des Systems genau auf der zu messenden Oberfläche sitzt. Es gibt dann noch die bekannte Methode des Foucault-Schnei­ den Tests. Ein Schneide coppt in den Nähe des Fokus den Lichtstrahl, dabei ergibt sich je nach Lage des Fokus ein mitlaufende (Schneide zwischen Fokus und Beobachtungs­ schirm) oder gegenläufige Schattenlinie. anhand des zeitl. Verlaufs der Schattenlinie läßt sich die Lage des Fokuses feststellen (D. G. Kocher, MIT, Lincoln Lab, Lexington "POINT IMAGE FOCUS SENSING USING AN AUTOMATED FOUCAULT TEST", Vorabdruck, keine Veröffentlichung be­ kannt). Dynamische Verfahren können nicht sehr schnell sein (max. 1 kHz Datenrate), weil dabei Teile mechanisch bewegt werden müssen.
Für größere Meßabstände (0,1 m bis 2 m) wurden bisher kaum Fokussuche Abstandsmeßverfahren entwickelt. Man hat bei diesen Abständen nur relativ kleine Aperturen zur Verfügung, somit ist die Tiefenauflösungen nicht beson­ ders hoch. Wegen der möglichen kollinearen Anordnung von Beleuchtung und Abbildung hat man jedoch kaum abgeschat­ tete Bereiche, und damit Vorteile gegeüber konvertionel­ len Triangualtionssystemen, man kann bei kleiner Apertur sogar "in Löcher sehen".
Die Erfindung betrifft in einer Ausprägung ein serielles, fokussuchendes Meßverfahren mit linearem Meßbereich und relativ hoher Tiefenauflösung bei kleiner Apertur, wobei durch ein phasenmessendes AC-Auswerteverfahren der Sensor unempfindlich gegen Umwelteinflüsse und schnell ist.
Eine andere Ausprägung der Erfindung führt zu einem Abstandsmeßgerät, dessen Abstandsmaß aus der Intensitäts­ abnahme (I ∼ 1/R2) einer Lichtquelle bei wachsendem Abstand (R) gewonnen wird. Auch dieses System ist mit spezieller Auswertung unempfindlich gegen Umwelteinflüsse schnell und preiswert zu realisieren.
Eine weitere Ausprägung der Erfindung beschäftigt sich mit der "abstandsunabhängigen" Reflektivitätsmessung, wobei die Eigenschaft des Systems ausgenutzt wird, daß man innerhalb des Meßbereichs eine abstandsunabhängige integrale Intensität messen kann.
Der Erfindung liegt folgendes Prinzip zugrunde:
(vergl. Fig.: 1)
Ein beleuchteter Punkt (2) auf dem Objekt (1) wird mittels eines optischen Abbildungssystems (z. B. Linse) (4) abgebildet. Die Lage des Bildpunkts (6) läßt sich nach den Newtonformeln berechnen. Der Abstand x′ (Bildweite) zwischen hinterem Brennpunkt der Linse (F′) und Bildpunkt (6) ergibt sich aus dem Abstand x (Objektweite) zwischen forderen Brennpunkt (F) und Objektpunkt (2).
Es gilt:
x * x′ = -f² [1]
(f = Brennweite)
Bringt man nun eine Blende (5) in der hinteren Brennebene des Abbildungssystems (bei F′) so an, daß deren freie Öffnung (Öffnungsquerschnitt = 2 h) das Lichtündel bei maximaler Objektweite x bzw. minimaler Bildweite x′ gerade vollständig durchläßt, so erhält man in einem definierten Abstand m (Abstand zwischen Brennpunkt (F′) und Beobachtungsebene (8)) ein Zerstreuungsscheibchen, dessen Durchmesser linear vom Abstand abhängt.
Es gilt:
r = h * x * m/f² + h [2]
(r = Zerst.-radius).
Durch messen dieses Zerstreuungsscheibenradiuses (r) erhält man ein direktes und lineares Maß für die Objekt­ weite (x) des beleuchteten Objektpunkts. Über denn Abstand m zwischen Brennpunkt (F′) und Beobachtungsebene (8) läßt sich laut obiger Formel [2] die Empfindlichkeit des Systems einstellen. Für große Empfindlichkeit soll m möglichst groß gewählt werden. Außerdem muß m größer sein als die maximale Bildweite x′ (Abstand zwischen F′ und 7) die sich bei Abbildung des nächsten Objektpunktes (3) ergibt.
Betrachtet man sich die Fläche des Zerstreuungsscheib­ chens bei kreisförmiger Blende, so erhält man folgende Abhängigkeit.
Es gilt:
A = π [(h²m²/f⁴)ײ - h²] [3]
(A = Fläche)
Man sieht, daß die beleuchtet Fläche quadratisch mit wachsendem x ansteigt. Zieht man von der Fläche A die konstante Teilfläche πh2(Blendenfläche bei runder Loch­ blende) ab, so erhält man eine Restfläche deren Inhalt quadratisch in x ansteigt. Damit läßt sich die Abhäng­ igkeit der von einer Lichtquelle im Abstand R mit einer konstanten Aufnahmefläche empfangenen Intensität I ∼ 1/R2 bzw. I ∼ 1/x2 kompensieren.
Integriert man nun mit einem großen Empfängerelement die gesamte Intensität I1 auf der Restfläche in der Beobach­ tungsebene, so erhält man für alle Objektweiten xmin × xmax die gleiche Intensität I1. Dieser Meßwert kann nun mit einem Intensitätswert I2(x) verglichen werden, der mit dem gleichen Abbildungssystem, jedoch ohne Blende (5) aufgenommen wurde. Es ergibt sich eine abstandsabhängige Relation dieser beiden Intensitäten wie folgt.
Es gilt:
I₁/I₂(x) ∼ x²/x²max [4]
Da xmax durch die Geometrie des Systems festgelegt ist, kann es als Konstante angesehen werden. Die obige Relation ist damit proportional zu x2. Man kann damit aus der Verhältnismessung von zwei Intensitäten die Objekt­ weite x ermitteln. Es ist dabei kein ortsauflösender Detektor mehr nötig. Dieses System erlaubt es sehr einfach und kostengünstig Entfernungen zu messen.
Mit den oben beschriebenen Eigenschaften des Systems lassen sich einige optische Meßaufgaben lösen. Im Folgen­ den sollen einige Ausführungsbeispiele anhand von Zeich­ nungen erläutert werden.
Fig. 2 Ausführungsbeispiel als Fokussuche - Abstands­ sensor mit kollinearem Beleuchtungs- und Abbil­ dungsstrahlengang und Zeilenkamera zur Meß­ wertaufnahme.
Fig. 3 Ausführungsbeispiel als Fokussuche - Abstands­ sensor mit kollinearem Beleuchtungs- und Abbil­ dungsstrahlengang, mit diskreten Detektoren.
Fig. 3a Ausführungsbeispiel als Fokussuche - Abstands­ sensor mit kollinearem Beleuchtungs- und Abbil­ dungsstrahlengang, mit PSD-Meßwertaufnahme.
Fig. 4 Ausführungsbeispiel als Fokussuche - Abstands­ sensor mit kollinearem Beleuchtungs- und Abbil­ dungsstrahlengang, wobei eine Lichtlinie gleichzeitig mit einem ortsauflösendem Flächen­ sensor (z. B. CCD-TV Kamera) vermessen wird.
Fig. 5 Ausführungsbeispiel als intensitätsmessender Abstandssensor mit kollinearem Beleuchtungs­ und Abbildungsstrahlengang.
Fig. 6 Ausführungsbeispiel als abstandsunabhängige Reflexionsmessung mit kollinearem Beleuchtungs­ und Abbildungsstrahlengang.
Zu Fig.: 2
Bei dieser Ausprägung der Erfindung wird mit einer Lichtquelle (10) - meist ein Laser - nach erfolgter Strahlformung, Fokussierung und Specklereduktion (11) ein Lichtfleck (14) auf dem Objekt (13) erzeugt. Diese Projektion erfolgt mit kleiner Apertur - hohe Schärfen­ tiefe bei der Projektion - direkt auf der optischen Achse des Abbildungssystems, wobei der Beleuchtungsstrahl über den kleinen Spiegel (12) in die optische Achse mittels Pupillenteilung eingekoppelt wird (Es wäre auch ein physikalischer Teilerspiegel möglich).
Die Abbildung des beleuchteten Objektpunkts erfolgt wie oben beschrieben mit dem Abbildungssystem (z. B. Linse) (16). Durch die Blende (17) ergeben sich die verschiede­ nen Radien des Zerstreuungsscheibchens auf der Zeilenka­ mera (20), je nach Lage der Bildpunkte (18 od. 19). Diese Zeilenkamera liefert ein diskretes ortsvariantes Intensi­ tätsprofil, welches einem Querschnitt durch das Zer­ streuungsscheibchen (abgekürzt: ZSS) entspricht. Die Breite des Intensitätsprofils gibt den Radius des ZSS und damit den Abstand des beleuchteten Objektpunkts wieder. Die Auswertung des Zeilenkamerasignals erfolgt dabei vorzugsweise nach einer AD-Wandlung im Computer. Es läßt sich jedoch auch eine hardwaremäßige Auswertung mittels Schwellwertoperationen im Zeilensignals denken.
Zu Fig.: 3
Der optische Aufbau und die Funktions sind mit Fig. 2 identisch. Die Auswertung des ZSS-Radiuses in der Beo­ bachtungsebene (35) erfolgt hier jedoch mit einer diskre­ ten Photodetektoranordnung (35). Die Form und Anordnung dieser diskreten Detektoren ist der Blendenform (32) angepaßt und wurde hier z. B. rund in Vorderansicht (36) dargestellt. Die einzelen kreisförmigen Detektoren sind hier konzentrisch angeordnet. Ihre Anzahl ist dabei fast beliebig, es müssen jedoch mindestens zwei sein. Der innerste bzw. die inneren Photodetektor(en) dienen als Referenz und liefern das Bezugssignal. Je nach Radius des ZSS werden noch mehrer äußere Detektoren voll oder teilweise beleuchtet. Sie liefern dann ebenfalls ein Intensitätssignal, in dessen Größe die Bedeckung des jeweiligen Detektors kodiert ist. Aus dem Verhältnis der Intensitäten von Referenz und einzelner äußerer Detekto­ ren läßt sich dann die Ausdehnung des ZSS bestimmen. Verwendet man dabei eine intensitätsmodulierte Licht­ quelle, so läßt sich diese Auswertung auch rein wech­ selspannungsmäßig, analog und in Echtzeit durchführen. Damit werden äußere Störungen wirksam unterdrückt und man erhält ein robustes, schnelles und genaues Abstandsmeß­ system.
Zu Fig.: 3a
Diese Ausprägung der Erfindung ist ganz ähnlich der unter Fig. 3. Die dort verwendete diskrete Detektoranordnung (36) wird durch eine blendenabhängige (hier kreisförmige) Anordnung (37) von mehreren positionsempfindlichen Detektroren PSD (38) ersetzt. Diese schwerpunktbildenden Photodetektoren (38) werden dabei nur teilweise vom ZSS beleuchtet. Verändert sich nun der ZSS-Radius, so ergibt sich auch eine Verschiebung des Beleuchtungsschwerpunkts auf jeder PSD und damit eine Änderung des Meßsignals. Durch eine größere Anzahl von PSD erhält man einen guten Mittelungseffekt und kann somit eine Steigerung der Meßgenauigkeit. Dies wird praktisch ohne Mehraufwand bei der Auswertung erkauft, da alle Einzelmeßsignale einach nur addiert werden müssen. Verwendet man statt der Lochblende (32) eine Ringblende, so werden die Mittel­ teile der Lichtverteilung ausgeblendet, es bleibt nur ein schmaler Leuchtring in der Detektorebene erhalten. Verän­ dert sich dann der ZSS-Radius, so ändert in sich der Radius des Leuchtrings in gleicher Weise. Da der Schwer­ punkt eines Leuchtringteils auf einer PSD sich praktisch genau mit dem ZSS-Radius verändert, erhält man hier eine größere Änderung des Meßsignals als bei Verwendung eine Lochblende. Eine Ringblende sollte bei dieser Auswertung eine höhere Genauigkeit liefern.
Zu Fig.: 4
Bei dieser Ausprägung der Erfindung wird das Meßsystem aus Fig. 2 um eine Dimension erweitert. Hierbei wird mit einer Lichtquelle mit entsprechender Strahlformung (40) über den kleinen Pupillenteilerspiegel (41) eine Licht­ schneide (42) auf dem Objekt erzeugt. Diese Lichtschneide wird dann mittels anamophotischer Abbildung (43) abgebil­ det. Durch die Schlitzblende (44) welche in Lichtschnei­ denrichtung orientiert ist wird dann in der Beobachtungs­ ebene (45) z. B. CCD-TV-Kamera-Chip eine Zerstreuungs­ lichtverteilung erzeugt, deren lokale Breite vom Abstand des jeweiligen zugeordneten Objektpunkts abhängt. Man kann mit dieser Anordnung das Tiefenprofil des Objekts entlang der Lichtlinie (42) während eines TV-Zykluses bestimmen. Damit erhält man zwar eine geringere Tiefen­ auflösung - bedingt durch kleine Pixelzahl einer TV- Kamera - dafür erhält man sehr viele Meßpunkte, ohne weitere serielle Antastungen zu machen. Die Auswertung des Kamerasignals erfolgt vorzugsweise nach einer AD- Wandlung im Rechner. Man kann jedoch auch durch Schwell­ wertoperationen eine Hardwareauswertung erreichen.
Fig.: 5
Diese Ausprägung der Erfindung liefert ein neues Sensor­ konzept für die berührungslose optische Abstandsmessung. Dabei wird ohne ortsauflösende Empfängerelemente eine tiefenauflösende Abstandsmessung ermöglicht. Die Beleuch­ tung erfolgt auch hier mit einer Lichtquelle (56), die nach erfolgter Strahlformung (57) und evtl. Specklereduk­ tion - bei Laserlicht nötig - über den Einkoppelspiegel (58) einen Lichtpunkt (59) auf dem Objekt (60) erzeugt. Die Abbildung erfolgt über ein Abbildungselement (z. B. Linse) (62), welches über einen Teilerspiegel (67) zwei Bildräume erzeugt. Einer davon wird mit der Blende (63) versehen, sodaß sich die abstandsunabhängige Intensität auf der Restfläche in der Beobachtungsebene (66) ein­ stellt (vergl. oben). In der Beobachtungsebene (66) befindet sich ein großer, nicht ortsauflösender Detektor. Im zweiten Bildraum befindet sich keine Blende, sodaß sich die abstandsabhängige Intensität mit einem Detektor (70) feststellen läßt.
Aus dem Verhältnis der beiden Detektorsignale (von 66 und 70) läßt sich dann der Abstand des beleuchteten Objekt­ punkts (59) berechnen. Man hat hier eine Abstandsmessung auf eine Verhältnismessung von Intensitäten zurückge­ führt. Diese Messung kann sehr schnell, rein AC-gekoppelt und damit störunanfällig erfolgen.
Zu Fig.: 6
Diese Ausprägung der Erfindung beschäftigt sich mit der abstandsunabhängigen Reflektivitätsmessung von Oberflä­ chen bzw. Strahlstärkebestimmung von Lichtquellen. Mit einer Lichtquelle bekannter Intensität (71) mit Strahl­ formung (72) wird über den Spiegel (73) das Objekt (75) punktweise (74) beleuchtet. Die reflektierte Strahlung wird über ein Abbildungssystem (77) in den Bildraum abgebildet. Die Blende (78) erlaubt die abstandsunab­ hängige Detektion der reflektierten Intensität. Aus der Größe der gemessenen Intensität im Detektor (81) und der Intensität der Lichtquelle läßt sich dann der Reflexions­ koefizient berechnen. Der Vorteil diese Systems liegt in der Abstandsunabhängigkeit, da man sonst bei einer kon­ ventionellen Reflektivitätsmessung immer den Abstand von der Oberfläche extra messen muß, um ein richtiges Ergeb­ nis zu erhalten.
Man kann mit diesem Verfahren auch die Strahlstärke einer Lichtquelle unabhängig vom Abstand vermessen, da die Optik immer die gleiche objektseitige Apertur besitzt unabhängig vom Abstand. Dazu wird im optischen Aufbau statt des "beleuchteten Objektpunktes" (74) eine selbst­ leuchtende zu messende Lichtquelle angebracht. Der gemes­ sene Raumwinkel (objektseitige Apertur) ist durch die Blende bestimmt, damit kann man durch die einfache Intensitätsmessung, die Strahlstärke der Lichtquelle (jetzt 74) bestimmen.

Claims (34)

1. Verfahren zur besonderen optischen Abbildung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende im Bildraum des Abbildungssystems, welche in der bildseitigen Brennebene liegt und deren Größe die maximal mögliche bildseitige Apertur für die größte, nicht unendliche, Objektweite gerade noch nicht begrenzt, eine Zertsteuungslichtvertei­ lung von einem abgebildeten, beleuchtenden Objekt­ punkt oder leuchtender Objektpunkte erzeugt, aus deren geometrischer Ausdehnung in der Beobachtungs­ ebene, welche hinter der maximalen Bildweite paral­ lel zur Fokusebene angeordnet ist, die Objektweite der leuchtenden Objektpunkte ermittelt wird, wobei zusätzlich die Lichtmenge der Zerstreuungslichtver­ teilung abzüglich der Lichtmenge einer Restfläche, oder die objektseitige Apertur für alle dem System möglichen Objektweiten konstant sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine der Symmetrie des Abbildungssystems angepaßte Form und Größe hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine runde Lochblende ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine runde Ringblende ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine Schlitzblende ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, und einen der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung kollinear mittels einer Pupillentei­ lung erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung kollinear mittels einer physikali­ schen Teilung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objektpunkt beleuchtet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrere Objektpunkte in Form einer Lichtschneide beleuchtet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungslichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels einer Zeilenkamera erfolgt, und hieraus die Objektweite des beleuchteten Objektpunktes bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungslichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels einer diskreten Detektoranordnung erfolgt, deren Form der Blendenform angepaßt ist und die durch ihre positionsempfindliche Anordnung eine der Größe der Zerstreuungslichtverteilung proportionales Ausgangssignal liefert, wodurch die Objektweite des beleuchteten Objektpunktes bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungslichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels einer der Symmetrie der Zerstreuungslicht­ verteilung folgenden Anordnung von positionsempfind­ lichen Photodioden (PSD) erfolgt, wobei diese ein der Größe der Zerstreuungslichtverteilung proportio­ nales Ausgangssignal liefern, wodurch die Objekt­ weite des beleuchteten Objektpunktes bestinmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtschneide auf das Objekt projiziert wird und gleichzeitig für viele Objektpunkte die Ermitt­ lung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungs­ lichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels eines flächenhaften, ortsempfindlichen Empfängers z. B. TV-Kamera erfolgt, wobei die lokale Größe der Zerstreuungslichtverteilung proportional zum jewei­ ligen konjugierten Objektpunkt ist, die Auswertung der Breite der Zerstreuungslichtverteilung und damit die Ermittlung der Objektweite für die beleuchteten Objektpunkte erfolgt dabei nach AD-Wandlung des Videosignals in einem Rechner softwaremäßig.
14. Verfahren mach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtschneide auf das Objekt projiziert wird und gleichzeitig für viele Objektpunkte die Ermitt­ lung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungs­ lichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels eines flächenhaften, ortsempfindlichen Empfängers z. B. TV-Kamera erfolgt, wobei die lokale Größe der Zerstreuungslichtverteilung proportional zum jewei­ ligen konjugierten Objektpunkt ist, die Auswertung der Breite der Zerstreuungslichtverteilung und damit die Ermittlung der Objektweite für die beleuchteten Objektpunkte erfolgt dabei nach AD-Wandlung des Videosignals mittels diskreter Logik in einer Hardwareschaltung.
15. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildraun mittels eines physikalischen Teiler­ spiegels in zwei Bildräume aufgeteilt ist, wobei in einem Bildraum die Blende angebracht ist, welche für den Empfänger damit eine konstante Lichtmenge für verschiedene Objektweiten erreicht, im anderen Bild­ raum befindet sich nur ein Empfänger, welcher eine objektweitenabhängige Lichtmenge empfängt, aus dem Verhältnis der beiden Lichtmengen, bzw. Detektorsig­ nale läßt sich die Objektweite des beleuchteten Objektpunktes ermitteln.
16. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit einer bekannten Intensität beleuchtet wird, und die reflektierte Intensität im Bildraum nach der Blende mit einem Empfänger integral gemes­ sen wird, dabei wird bei bekannter objektseitiger Apertur und Streuverhalten des Objekts eine ab­ standsunabhängige Reflektivitätsmessung durch das Verhältnis der beleuchteten und gemessenen Intensi­ tät gemacht.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleines selbstleuchtendes Objekt abgebildet und im Bildraum nach der Blende mit einem Empfänger integral gemessen wird, dabei wird bei bekannter objektseitiger Apertur die Strahlsärke durch eine objektweitenunabhängige Intensitätsmessung gemacht.
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 zur besonderen optischen Abbildung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende im Bildraum des Abbildungssystems, welche in der bildseitigen Brennebene liegt und deren Größe die maximal mögliche bildseitige Apertur für die größte, nicht unendliche, Objektweite gerade noch nicht begrenzt, eine Zertsteuungslichtvertei­ lung von einem abgebildeten, beleuchtenden Objekt­ punkt oder leuchtender Objektpunkte erzeugt, aus deren geometrischer Ausdehnung in der Beobachtungs­ ebene, welche hinter der maximalen Bildweite paral­ lel zur Fokusebene angeordnet ist, die Objektweite der leuchtenden Objektpunkte ermittelt wird, wobei zusätzlich die Lichtmenge der Zerstreuungslichtver­ teilung abzüglich der Lichtmenge einer Restfläche, oder die objektseitige Apertur für alle dem System möglichen Objektweiten konstant sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine der Symmetrie des Abbildungssystems angepaßte Form und Größe hat.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine runde Lochblende ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine runde Ringblende ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine Schlitzblende ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 18, und einen der An­ sprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung kollinear mittels einer Pupillentei­ lung erfolgt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 18, und einem der An­ sprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung kollinear mittels einer physikali­ schen Teilung erfolgt.
25. Vorrichung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objektpunkt beleuchtet wird.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrere Objektpunkte in Form einer Lichtschneide beleuchtet werden.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungslichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels einer Zeilenkamera erfolgt, und hieraus die Objektweite des beleuchteten Objektpunktes bestimmt wird.
28. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungslichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels einer diskreten Detektoranordnung erfolgt, deren Form der Blendenform angepaßt ist und die durch ihre positionsempfindliche Anordnung eine der Größe der Zerstreuungslichtverteilung proportionales Ausgangssignal liefert, wodurch die Objektweite des beleuchteten Objektpunktes bestimmt wird.
29. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungslichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels einer der Symmetrie der Zerstreuungslicht­ verteilung folgenden Anordnung von positionsempfind­ lichen Photodioden (PSD) erfolgt, wobei diese ein der Größe der Zerstreuungslichtverteilung proportio­ nales Ausgangssignal liefern, wodurch die Objekt­ weite des beleuchteten Objektpunktes bestimmt wird.
30. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtschneide auf das Objekt projiziert wird und gleichzeitig für viele Objektpunkte die Ermitt­ lung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungs­ lichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels eines flächenhaften, ortsempfindlichen Empfängers z. B. TV-Kamera erfolgt, wobei die lokale Größe der Zerstreuungslichtverteilung proportional zum jewei­ ligen konjugierten Objektpunkt ist, die Auswertung der Breite der Zerstreuungslichtverteilung und damit die Ermittlung der Objektweite für die beleuchteten Objektpunkte erfolgt dabei nach AD-Wandlung des Videosignals in einem Rechner softwaremäßig.
31. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtschneide auf das Objekt projiziert wird und gleichzeitig für viele Objektpunkte die Ermitt­ lung der geometrischen Ausdehnung der Zerstreuungs­ lichtverteilung in der Beobachtungsebene mittels eines flächenhaften, ortsempfindlichen Empfängers z. B. TV-Kamera erfolgt, wobei die lokale Größe der Zerstreuungslichtverteilung proportional zum jewei­ ligen konjugierten Objektpunkt ist, die Auswertung der Breite der Zerstreuungslichtverteilung und damit die Ermittlung der Objektweite für die beleuchteten Objektpunkte erfolgt dabei nach AD-Wandlung des Videosignals mittels diskreter Logik in einer Hardwareschaltung.
32. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildraum mittels eines physikalischen Teiler­ spiegels in zwei Bildräume aufgeteilt ist, wobei in einem Bildraum die Blende angebracht ist, welche für den Empfänger damit eine konstante Lichtmenge für verschiedene Objektweiten erreicht, im anderen Bild­ raum befindet sich nur ein Empfänger, welcher eine objektweitenabhängige Lichtmenge empfängt, aus dem Verhältnis der beiden Lichtmengen, bzw. Detektorsig­ nale läßt sich die Objektweite des beleuchteten Objektpunktes ermitteln.
33. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit einer bekannten Intensität beleuchtet wird, und die reflektierte Intensität im Bildraum nach der Blende mit einem Empfänger integral gemes­ sen wird, dabei wird bei bekannter objektseitiger Apertur und Streuverhalten des Objekts eine ab­ standsunabhängige Reflektivitätsmessung durch das Verhältnis der beleuchteten und gemessenen Intensi­ tät gemacht.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleines selbstleuchtendes Objekt abgebildet und im Bildraum nach der Blende mit einem Empfänger integral gemessen wird, dabei wird bei bekannter objektseitiger Apertur die Strahlsärke durch eine objektweitenunabhängige Intensitätsmessung gemacht.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102007028014A1 (de) * 2007-06-14 2008-12-18 Eads Deutschland Gmbh Faserwinkelsensor sowie Verfahren zur Bestimmung einer vorherrschenden Hauptfaserrichtung
EP3432023A1 (de) * 2017-07-21 2019-01-23 Sick AG Verfahren zur herstellung eines optoelektronischen sensors

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