DE4107701A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen identifikation von objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind eine Reihe von Objekterkennungsverfahren und Einrichtungen mittels Lichtstrahlen und deren Auswertung über einen Detektor bekannt geworden. Im einzelnen beziehen sie sich immer auf ein ganz bestimmtes Problem. Zum Beispiel: Erkennen der Oberflächenstruktur oder aber das Erkennen der Konturen des jeweils zu erkennenden Gegenstandes.

So ist in der DE-OS 28 54 057 eine Ebenheits-Meßeinrichtung beschrie­ ben, welche vor einem Laserstrahl ein Revolver-Linsensystem einsetzt. Hiermit wird unter anderem die stufenweise Änderung der Brennweite des Linsensystems vorgenommen, indem ein Verschwenken um eine Dreh­ achse erfolgt.

Aus der EP 03 22 676 ist ein Verfahren zur Regelung der Emissions­ lichtwerte in einem optischen Tastkopf bekanntgeworden. Um für den dort beschriebenen speziellen Teil hohe Dynamikbereiche zu erhalten, wird die Strahlenquelle gepulst betrieben, wobei der Dynamikbereich über die Pulsdauer beeinflußt wird. Die Lichtpulse sind dabei so synchronisiert, daß die zugeordnete Auswerteeinheit immer in der Mitte eines Lichtimpulses arbeitet.

Bei anderen Verfahren zum berührungsfreien Messen von Oberflächen wird das von einem Laser erzeugte Licht in die Sollposition der Oberfläche fokussiert, und das von dieser Oberfläche reflektierte Licht wird einem Empfänger zugeführt, der die Lichtintensität mißt. Um hier eine gewisse Meßbereichserweiterung zu schaffen, kann eine vor dem Empfänger angeordnete Blende periodisch axial bewegt werden.

In Weiterführung hierzu ist durch die EP 01 26 475 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungsfreien Messen der Ist-Position eines Objektes und dessen Profil bekanntgeworden. Hier wird mit Laserlicht, welches mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen enthält, gearbeitet. Jedoch ist dort eine zusätzliche Referenzfläche notwendig, wenn man die Oberflächengüte feststellen will.

Eine Lichtempfangsanordnung mit einer periodischen Lichtablenkvor­ richtung ist schließlich aus der EP 01 68 772 bekannt geworden. Hier arbeitet die Lichtempfangsanordnung so, daß zeitlich nachein­ ander das in unterschiedliche Richtung gestreute Licht auf einen einzigen Photowandler gelenkt wird. Die Lichtempfangsanordnung ent­ hält hierzu vorzugsweise eine periodische Lichtablenkvorrichtung, wie einen Schwingspiegel oder ein Spiegelrad, mittels dessen ein bestimmter enger Winkelausschnitt aus dem rückgestreuten Lichtbün­ del zu einem an geeigneter Stelle angeordneten einzigen Photoempfän­ ger gelenkt wird. Auf diese Weise können von der periodischen Licht­ ablenkvorrichtung nacheinander unterschiedliche enge Winkelbereiche des rückgestreuten Lichtes erfaßt und auf den Photoempfänger gelenkt werden. In einer anschließenden elektronischen Auswerteschaltung, die gegebenenfalls mit Speichern ausgestattet ist, kann dann aus dem unter den verschiedenen Winkeln empfangenen Licht die Rückstreuin­ dikatrix gebildet und daraus auf die Rauhigkeit der Oberfläche rück­ geschlossen werden.

Soll jedoch die Erkennung der seitlichen Begrenzung unregelmäßig geformter, insbesondere flacher Objekte vorgenommen werden, ist es bekannt, nach dem Schattenprinzip (Ed. M. Williston: Computer control system for log processing and lumber manufacturing, 1985, Seite 230) zu arbeiten. Hier ist die Lichtquelle seitlich zum Objekt und die Auswerteeinheit über dem Objekt angeordnet.

Soll jedoch sowohl die Oberfläche als auch die Kontur ermittelt werden, ergeben sich bei Zusammenführung der Beleuchtung von oben und der Beleuchtung von der Seite eine gegenseitige Überstrahlung. Diese Überstrahlung verhindert dann eine optimale Erfassung der Meßwerte.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, bei einer opti­ schen Identifikation von Objekten durch entsprechende Maßnahmen sicherzustellen, daß beide Lichtquellen von demselben Detektor aus so unterschieden werden können, daß eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschaltet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches die im kennzeichnenden Teil des Anspruches angegebene Merkmale aufweist.

Mit diesem Verfahren ist eine mit einfachen Mitteln zu realisierende Erkennung von Objekten mit verschiedener Charakteristik gegeben.

Weiterführende Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 und 5 gekennzeichnet.

Zweckmäßige Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen 6 bis 10 hervor.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsformen erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Meßanordnung, welche mit unterschiedlichen Lichtwellen­ längen arbeitet,

Fig. 2 eine Meßanordnung, in welcher die Lichtquellen wechselweise angesteuert werden.

In Fig. 1 wird eine erste prinzipielle Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt. Ein Detektor 1, welcher hier als CCD-Video­ kamera dargestellt ist, befindet sich über dem zu messenden Objekt 2. In den Strahlengang des Detektors 1 ist eine drehbar gelagerte Wech­ seleinrichtung 3 eingesetzt. Diese Wechseleinrichtung 3 enthält zwei Filter 4 und 5, welche den Filtern 4.1 und 5.1 der Lichtquellen 6 und 7 entsprechen. Die Lichtquelle 6 befindet sich über dem Objekt 2, während die Lichtquelle 7 sich in der Objektebene befindet. Die Filter 4.1 und 5.1 sind jeweils in die Strahlengänge der Lichtquellen 6 und 7 gefügt. Der Detektor 1 und die Wechseleinrichtung 3 sind mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 verbunden, die hier als PC dargestellt ist.

Die prinzipielle Arbeitsweise besteht jetzt darin, sicherzustellen, daß beide Lichtquellen 6, 7 von der CCD-Videokamera 1 unterschieden werden können. Dazu wird durch die eingesetzten Filter 4.1, 5.1 vor den Lichtquellen 6, 7 erreicht, daß das Licht mit verschiedenen Wellenlängen auf das Objekt 2 trifft. Durch die Auswerte- und Steuer­ einheit 8 wird gewährleistet, daß die Filter 4 und 5 in ständigem Wechsel vor die CCD-Videokamera geführt werden. Entsprechend des jeweils vor der CCD-Videokamera 1 befindlichen Filters 4, 5 werden auch in der Auswerteeinheit 8 über die CCD-Videokamera 1 immer nur die reflektierten Strahlen einer Lichtquelle 6, 7 erkannt. Dieses sogenannte λ-Multiplex-Verfahren kann natürlich auf die Verwendung mehrerer Lichtquellen verschiedener Wellenlängen λ und/oder Frequen­ zen ausgedehnt werden. Diese müssen dann am Ort der CCD-Videokamera oder an geeigneter Stelle im Strahlengang mittels Filteranordnungen synchron selektiert werden.

Für die verschiedenen Beleuchtungs-Wellenlängen können auch verschie­ dene Moden eines Lasers eingesetzt werden, zwischen denen durch geeignete optische Komponenten im Resonator gewechselt werden kann. Anderenfalls können die Moden eines Lasers auch im Multimode-Betrieb durch geeignete externe Modulatoren wechselseitig ausgewählt werden. In diesem Fall ist insbesondere empfängerseitig die Verwendung schmal­ bandiger Interferenzfilter angebracht, so daß das Gesamtsystem unemp­ findlich gegen Einflüsse der Umgebungshelligkeit wird.

In Fig. 2 wird eine weitere Möglichkeit der Objekterkennung aufge­ zeigt. Der Detektor 1 ist hier ebenfalls über dem Objekt 2 angeord­ net. Ebenso sind als Lichtquellen zwei Gasentladungslampen 9, 10 in den gleichen Beleuchtungsebenen angeordnet. Der Detektor 1 arbeitet auch hier mit einer Auswerteeinheit 8, wobei die Steuerung der Licht­ quellen 9, 10 durch einen Wechselstrom erfolgt, der im einfachsten Fall aus dem 50 Hz-Wechselstromnetz entnommen werden kann. Die Steue­ rung erfolgt dabei derart, daß jeweils eine Halbwelle des Wechsel­ stromes auf eine der Lichtquellen 9, 10 wirkt. Gleichzeitig wird von der Halbwellengleichrichterschaltung 11 eine dem Detektor 1 vorgeschaltete Synchronisiereinrichtung 12 und die Auswerteeinheit 8 beaufschlagt. Damit ist eine einfache Realisierungsmöglichkeit gegeben. Durch die einfache Halbwellengleichrichterschaltung 11 wird es er­ möglicht, jeweils nur eine der Lichtquellen, d. h. die Gasentladungs­ lampen 9, 10, zu takten. Bei geeigneter Synchronisation der CCD-Vi­ deokamera kann so jedes Halbbild einer der beiden Lichtquellen 9, 10 wechselseitig zugeordnet werden. Somit ist ein dynamischer Wechsel zwischen beiden Beleuchtungsebenen mit einer Scann-Frequenz von 50 Hz gegeben. Die wechselseitig aufgenommenen Halbbilder werden dann mittels eines geeigneten Interface zur weiteren Verarbeitung in der Auswerteeinheit, beispielsweise einem PC, gespeichert. Im Falle dieses Zeit-multiplexen-Vorgehens ist natürlich außer dem einfachen beschriebenen netzsynchronen System auf die Verwendung extern getakteter stroboskopischer Lichtquellen möglich, die mit der Bildfrequenz des eingesetzten Detektors 1 synchronisiert werden müssen.

Bei einer hohen Taktfrequenz des Wechsels der eingesetzten Beleuch­ tungssysteme bzw. Filter können auch bewegte Objekte gemessen werden. Da stets nur eine Registriereinheit, sprich CCD-Kamera, erforderlich ist, werden Justage- und Parallaxen-Probleme auf ein Minimum beschränkt.

Erwähnt werden soll noch, daß das Verfahren grundsätzlich überall dort einsetzbar ist, wo verschiedene Charakteristiken des zu erkennen­ den Objekts mittels unterschiedlicher Beleuchtungsanordnungen selek­ tiert werden können. Das gilt auch für drei-dimensionale unregel­ mäßig geformte Objekte. Dabei erscheint eine Anwendung beispielsweise in Systemen zur automatischen Erfassung der Umrisse rohgesägter Bretter automatisierter Sägewerkmaschinen vorteilhaft. Das ist beson­ ders dann von Bedeutung, wenn diese Bretter außer ihren Waldkanten auch noch auf ihrer Oberfläche Schwartenanteile aufweisen. Um aus solcher Brettware scharfkantige Bretter zu schneiden und die nicht nutzbaren Stellen auszusondern, kann über die Auswerteeinheit 8 dann im Sägewerk die Brettware entsprechend ausgerichtet und an­ schließend gesägt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur optischen Identifikation von Objekten mit Lichtquel­ len und einem Detektor, welcher über dem Objekt angeordnet ist und welchem eine Auswerteeinheit nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,daß die Lichtquellen (6, 7, 9, 10) das zu erkennende Objekt (2) aus verschiedenen Ebenen anstrahlen und die reflektierten Strahlen von dem Detektor (1) alternierend ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Lichtquellen (6, 7) Filter (4.1, 5.1) vorgesetzt werden und zur physikalischen Unterscheidung der Lichtquellen (6, 7) am Ort des Detektors (1) den Lichtquellen (6, 7) zugeordnete Filter (4, 5) eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (6, 7) mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten, welche am Ort des Detektors (1) mittels Filteranordnung (4, 5) synchron selektiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (6, 7) mit verschiedenen Frequenzen arbeiten, welche am Ort des Detektors (1) mittels Filteranordnungen syn­ chron selektiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Modulation der Lichtquellen (9, 10) und gleichzei­ tiger Synchronisation des Detektors (1) und der Auswerteeinheit (8) in dem Detektor (1) immer nur die Strahlen einer Lichtquelle (9,10) empfangen werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (7) in Objektebene und eine Lichtquelle (6) über dem Objekt (2) angeordnet ist, wobei jeder Lichtquelle (6, 7) ein Filter (4.1, 5.1) zugeordnet ist, und daß vor dem Detek­ tor (1) eine Wechseleinrichtung (3) angeordnet ist, die den der auszuwertenden Lichtquelle (6, 7) entsprechenden Filter (4, 5) vor den Detektor (1) setzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Wechseleinrichtung (3) für die Filter (4, 5) mit der dem Detektor (1) nachgeschalteten Auswerteeinrichtung (8) synchroni­ siert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquellen (6, 7) verschiedene Moden eines Lasers einge­ setzt werden und vor dem Detektor (1) schmalbandige Interferenz­ filter geführt werden.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Gasentladungslampe (9, 10) in der Objektebene und über dem Objekt (2) angeordnet ist, wobei sie über eine Halbwel­ lengleichrichterschaltung von einem Wechselstrom angesteuert werden, und daß mit den Halbwellen auch eine Synchronisiereinrich­ tung (12) geschaltet wird, welche dem Detektor (1) und der Auswer­ teeinheit zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lichtquellen (6, 7, 9, 10) stroboskopisch mit variabler Frequenz angesteuert werden und die Registrierung der mit dem Detektor (1) registrierten Teilbilder sowie deren Verarbeitung mit der Beleuchtungsfrequenz synchronisiert wird.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (1) als CCD-Videokamera ausgebildet ist.