DE4134546A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der absolut-koordinaten eines objektes - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der absolut-koordinaten eines objektesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Abso
lut-Koordinaten eines Objektes, bei dem das Objekt durch ein
Projektionsgitter mit Licht bestrahlt wird, bei dem das von dem
Objekt reflektierte Licht von einem Sensor aufgenommen wird und
bei dem die Aufnahme des Sensors ausgewertet wird. Ferner be
trifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens, also eine Vorrichtung zur Bestimmung der
Absolut-Koordinaten eines Objekts, bestehend aus einer Licht
quelle, einer Projektionsoptik, insbesondere einem Projek
tionsobjektiv, einem Projektionsgitter, das durch die Projek
tionsoptik auf das Objekt abgebildet wird, einem Sensor zum
Aufnehmen des von dem Objekt reflektierten Lichts und einem
Objektiv, das das von dem Objekt reflektierte Licht auf den
Sensor abbildet.
Mit der Moir´-Technik und mit projizierten Linien kann die
dreidimensionale Geometrie der Oberfläche eines Objekts bestimmt
werden. Dies wird in der Literaturstelle Takasaki, H.: Moire
Topography, Applied Optics, Vol. 9, No. 8, 1970, p. 1457-1472,
auf die Bezug genommen wird, beschrieben.
Die Auswertung der Konturlinienbilder erfolgt durch einen
Rechner, beispielsweise mit dem sogenannten Phasenshift-
Verfahren, das in den Literaturstellen Dändliker R., Tahlmann
R., Willemin J.F.: Fringe Interpretation by Two-Referenz-Beam
Holographic Interferography: Reducing Sensitivity to Hologram
Misaglignment, Oct. Comm. 41.301 (1982), und B. Breuckmann,
"Ein Gerätesystem für die rechnergestützte optische Meß
technik", VDI-Berichte 617, Lasermeßtechnik, S. 245-254,
auf die Bezug genommen wird, beschrieben wird. Bei diesem
Phasenshift-Verfahren werden nacheinander phasenverschobene
Bilder (Sensor-Aufnahmen) in den Rechner über eine Video
kamera eingelesen. Es ist auch möglich, die Konturlinien
bilder über eine Fourier-Auswertung zu verarbeiten. Diese
Fourier-Auswertung wird in der Literaturstelle Th. Kreis, K.
Roesener, W. Jüptner/D, Holografisch interferometrische
Verformungsmessung mit dem Fourier-Transformations-Verfahren,
Laser 87, Optoelektronik in der Technik, Springer Verlag, auf
die Bezug genommen wird, beschrieben. Ferner kann die Auswer
tung auch über andere Techniken, bei denen nur ein Kontur
linienbild (Sensor-Aufnahme bzw. Videobild) notwendig ist,
erfolgen. Dies wird beschrieben in der DE-PS 39 07 430 und in
der DE-PS 38 43 396, auf die ebenfalls Bezug genommen wird.
Die Moire-Technik liefert zwar die relative Form der Objekt-
Oberfläche. Mit ihr kann im allgemeinen jedoch nicht der
absolute Abstand zwischen Sensor (Kamera) und Objekt aus
einem Konturlinienbild bestimmt werden. Es ist also nicht
möglich, die absoluten Koordinaten (Absolut-Koordinaten) der
Objekt-Oberfläche mit den erwähnten, an sich bekannten Tech
niken und Verfahren zu bestimmen.
Die Absolut-Koordinaten des Objekts werden jedoch benötigt,
um die absolute Größe des Objekts zu bestimmen oder die Tiefe
des Objekts bei stufenförmigen Querschnitten. Da im Kontur
linienbild keine Information über den Abbildungsmaßstab ent
halten ist, werden für die Bestimmung der Absolut-Koordinaten
zusätzliche, über das Konturlinienbild hinausgehende Infor
mationen benötigt. Diese werden bei bekannten Verfahren durch
Abstandsensoren gewonnen oder durch Ändern des Konturlinien
abstandes oder durch Verschieben des Objekts oder der Kamera.
Hierfür müssen allerdings Massen bewegt werden, was einen
stabilen Aufbau der Versuchsanlage erfordert und verhältnis
mäßig viel Zeit in Anspruch nimmt. Der mechanische Aufwand
ist sehr hoch, wenn eine gewisse Präzision erreicht werden
soll. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen
Absolutvermessung der dreidimensionalen Koordinaten eines
Prüfobjekts mittels Moire-Technik ist aus der älteren, noch
nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 40 11 406.6
bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren ist eine
Verschiebeeinrichtung zum Verschieben und Messen des Ver
schiebeweges eines Eichkörpers und/oder des Prüfobjekts
senkrecht zur Ebene der Gitter (Projektionsgitter und
Referenzgitter) vorhanden. Auf diese Patentanmeldung P 40 11 406.6
wird Bezug genommen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art die Absolut-
Koordinaten des Objekts auf einfache Weise bestimmen zu
können. Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine
Vorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit der
die Absolut-Koordinaten des Objekts auf einfache Weise be
stimmt werden können.
Bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer ersten Stellung des
Projektionsgitters und des Sensors eine erste Aufnahme und
Auswertung vorgenommen werden, daß anschließend das Projek
tionsgitter und/oder der Sensor um einen bestimmten Winkel
gedreht werden und eine zweite Aufnahme und Auswertung des
Sensors vorgenommen werden und daß aus den Auswertungen die
Absolut-Koordinaten des Objekts bestimmt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Absolut-
Koordinaten des Objekts aus einer Messung und Berechnung
bestimmt. Es werden die Absolut-Koordinaten derjenigen Punkte
des Objekts bestimmt, die das auf das Objekt geworfene Licht
reflektieren. Dies sind im allgemeinen Punkte an der Ober
fläche des Objekts, es können aber auch bei einem zumindest
teilweise transparenten Objekt Punkte im Inneren des Objekts
sein. Das Objekt kann mit beliebigem Licht bestrahlt werden,
vorzugsweise mit weißem Licht. Es ist aber auch möglich,
kohärentes Licht, beispielsweise Laserlicht, zu verwenden.
Das Projektionsgitter kann sinusförmig, rampenförmig oder
rechteckig oder von sonstiger Beschaffenheit sein. Das Pro
jektionsgitter kann durch eine Projektionsoptik auf das
Objekt bzw. dessen Oberfläche abgebildet werden. Als Pro
jektionsoptik ist jede Optik geeignet, die das Projektions
gitter auf das Objekt projiziert, vorzugsweise ein Projek
tionsobjektiv, beispielsweise aber auch ein Michelson-
Interferometer.
Der Sensor, der das von dem Objekt bzw. dessen Oberfläche
reflektierte Licht aufnimmt, ist ein Flächensensor (flächen
hafter Sensor), beispielsweise ein CCD-Sensor. Er kann das
von dem Objekt bzw. von dessen Oberfläche reflektierte Licht
durch ein Objektiv empfangen. Die Aufnahme des Sensors wird
mit einer an sich bekannten Methode ausgewertet, beispiels
weise mit einer Phasenshiftmethode, einer Fourier-Transfor
mation oder mit der Methode der DE-PS 38 43 396.
Die Bestimmung der Absolut-Koordinaten des Objekts erfolgt
nach dem Prinzip der Triangulation (Dreiecksberechnung). Um
die Absolut-Koordinaten eines Objektpunkts zu bestimmen, wird
das Dreieck, bestehend aus Projektionsgitter-Punkt, Sensor
punkt und Objektpunkt, bestimmt. Der Sensorpunkt ist aus dem
einzelnen beleuchteten Pixel (picture element) des Sensors
bekannt. Aus dem geometrischen Aufbau der Optik ist auch der
Winkel von dem Sensorpunkt zum Objektpunkt bekannt. Bestimmt
werden müssen demnach noch der zugehörige Gitterpunkt (Punkt
auf dem Projektionsgitter) sowie der zu diesem Gitterpunkt
gehörende Winkel zum Objektpunkt.
Zu diesem Zweck werden zwei Sensoraufnahmen bei verschiedenen
Gitterwinkeln ausgewertet. Dies ermöglicht die Bestimmung des
Gitterpunkts und des Winkels vom Gitterpunkt zum Objektpunkt.
Damit können wiederum die Absolut-Koordinaten des Objekt
punkts bestimmt werden.
Vorzugsweise wird das Gitter (und nicht der Sensor) um einen
bestimmten Winkel gedreht. Dies ist deshalb von Vorteil, weil
eine Drehung des Gitters mit einem geringeren Aufwand, ins
besondere mit einem geringeren mechanischen Aufwand, durch
geführt werden kann als eine Drehung des Sensors.
Bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art wird die der
Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nach einem weiteren Vor
schlag, für den selbständig Schutz beansprucht wird, dadurch
gelöst, daß das Objekt durch ein erstes Projektionsgitter mit
Licht einer ersten Farbe und durch ein zweites Projektions
gitter, das zum ersten Projektionsgitter um einen bestimmten
Winkel gedreht ist, mit Licht einer zweiten Farbe bestrahlt,
das von dem Objekt reflektierte Licht von zwei Sensoren oder
von einem für die beiden Farben empfindlichen Sensor (Farb
sensor) aufgenommen, die Aufnahmen des oder der Sensoren aus
gewertet und aus den Auswertungen die Absolut-Koordinaten des
Objekts bestimmt werden. Eine Drehung des Gitters (bzw. des
Sensors) ist nicht erforderlich, weil zwei verschiedenfarbige
Gitter, die einen bestimmten Winkel zueinander aufweisen, auf
das Objekt aufprojiziert werden. Die Drehung des Gitters wird
also ersetzt durch zwei gesondert auswertbare Gitter. Die
aufprojizierten Gitter werden auf einen farbempfindlichen
Sensor, beispielsweise eine Farbvideokamera, abgebildet. Sie
können dort getrennt ausgewertet werden. Die Farben der
Gitter können dabei den Empfindlichkeiten des Farbsensors
(rot, grün, blau) entsprechen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be
schrieben.
Die Auswertung erfolgt vorzugsweise nach der Formel
Hierin bedeuten:
I = Intensität (Leuchtdichte) auf einem Punkt (Pixel) des Sensors,
r = Radius, also Abstand des Punkts auf dem Projektionsgitter (Gitterpunkt) von einem Bezugspunkt des Projektionsgitters, wobei dieser Bezugspunkt vorzugsweise der Drehpunkt des Projektionsgitters ist,
phi = Drehwinkel des Projektionsgitters zwischen der ersten und der zweiten Auswertung bzw. Winkel zwischen den beiden (farbigen) Gittern;
phio = Winkel des Punktes auf dem Projektionsgitter (Gitterpunkt) zu einer Bezugsgeraden
a = Untergrundhelligkeit,
b = Kontrast,
g = Gitterkonstante des Projektionsgitters,
α) = Phasenkonstante.
I = Intensität (Leuchtdichte) auf einem Punkt (Pixel) des Sensors,
r = Radius, also Abstand des Punkts auf dem Projektionsgitter (Gitterpunkt) von einem Bezugspunkt des Projektionsgitters, wobei dieser Bezugspunkt vorzugsweise der Drehpunkt des Projektionsgitters ist,
phi = Drehwinkel des Projektionsgitters zwischen der ersten und der zweiten Auswertung bzw. Winkel zwischen den beiden (farbigen) Gittern;
phio = Winkel des Punktes auf dem Projektionsgitter (Gitterpunkt) zu einer Bezugsgeraden
a = Untergrundhelligkeit,
b = Kontrast,
g = Gitterkonstante des Projektionsgitters,
α) = Phasenkonstante.
Der gesuchte Punkt in dem Projektionsgitter (Gitterpunkt)
wird in Polarkoordinaten (r, phio) angegeben. Man erhält dann
die Intensitätsverteilung (Leuchtdichteverteilung) I eines
linearen, vorzugsweise sinusförmigen Gitters mit der Gitter
periode g durch die oben angegebene Formel. Die Intensität I
wird vom Sensor gemessen. Sie ist in der durch die oben ange
gebene Formel bestimmten Weise vom Gitterpunkt mit den Polar
koordinaten r, phio abhängig. Die vom Sensor gemessene Inten
sität entspricht der Leuchtdichte des zugehörigen Objekt
punkts. Da zwei Aufnahmen bei verschiedenen Gitterwinkeln
gemacht werden, stehen zur Auswertung zwei Gleichungen nach
der oben angegebenen Formel zur Verfügung. Daraus können die
beiden Unkekannten r und phio bestimmt werden. Hieraus
wiederum ergibt sich nach der Methode der Triangulation die
Absolut-Koordinate des zugehörigen Objektpunkts.
Die Größe b/a wird auch als Modulation des Gitters bezeich
net.
Die Leuchtdichte I wird auf das Objekt und von dort auf den
Sensor abgebildet. Wenn phi durch die Drehung des Projektions
gitters geändert wird, ändert sich auch die Intensität am
zugehörigen Pixel des Sensors. Diese Intensitätsänderung
erlaubt es durch Einlesen mehrerer, mindestens zweier,
Bilder, die sich durch die Winkellage phi des Gitters unter
scheiden, r und sin (phi - phio) und damit auch phio zu be
stimmen. Hiermit wiederum kann die Triangulation zur Be
stimmung des Objektpunkts durchgeführt werden.
Es ist auch möglich, das Projektionsgitter mehrmals zu
drehen, also Sensoraufnahmen bei mehr als zwei Winkeln
durchzuführen. Bei der Verwendung einer Farbkamera werden
vorzugsweise drei Aufnahmen entsprechend den Empfindlich
keiten rot, grün, blau des Farbsensors ausgewertet. Bei der
Messung können also mehrere Winkel phii eingestellt werden,
um die Genauigkeit zu erhöhen, und eine Phasenshift-Aus
wertung (oder eine andere der oben beschriebenen Auswer
tungen) durchgeführt werden. Grundsätzlich reichen zwei
Messungen (i=2) für zwei verschiedene Gitterwinkel, da nur
zwei Größen, nämlich r und phio für die Bestimmung der
Absolut-Koordinaten des Objektpunkts benötigt werden. Zur
Erhöhung der Genauigkeit können jedoch mehrere Messungen
durchgeführt werden. Im Endergebnis werden für jeden
Objektpunkt, der von dem Sensor erfaßt wird, für jeden
Sensorpunkt (Pixel) unabhängig die Absolut-Koordinaten des
Objektpunkts angegeben.
Vorzugsweise erfolgen die Auswertungen nach der Phasen
shiftmethode. Es ist aber auch möglich, die Auswertungen nach
einer Fourier-Transformation vorzunehmen. Die Auswertungen
können auch mit phasenverschobenen Bildern erfolgen, die
gleichzeitig eingelesen werden (dies ist aus der DE-PS 38 43 396,
auf die Bezug genommen wird, an sich bekannt).
Bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art wird die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß
das Projektionsgitter und/oder der Sensor drehbar, also in
verschiedene Winkellagen bringbar, ist und daß eine Aus
werteeinheit vorhanden ist, die die Aufnahmen des Sensors bei
mindestens zwei verschiedenen Winkellagen des Projektions
gitters bzw. des Sensors auswertet und daraus die Absolut-
Koordinaten des Objekts bestimmt.
Vorzugsweise ist das Projektionsgitter (und nicht der Sensor)
drehbar. Eine Drehbarkeit des Projektionsgitters kann nämlich
mit weniger Aufwand, insbesondere mit weniger mechanischem
Aufwand, realisiert werden als eine Drehbarkeit des Sensors.
Nach einem weiteren Vorschlag, für den selbständig Schutz
beansprucht wird, wird bei einer Vorrichtung der eingangs
angegebenen Art die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe
gelöst durch ein erstes Projektionsgitter für Licht einer
ersten Farbe, ein zweites Projektionsgitter, das zum ersten
Projektionsgitter um einen bestimmten Winkel gedreht ist, für
Licht einer zweiten Farbe, zwei Sensoren oder einen für die
beiden Farben empfindlichen Sensor und eine Auswerteeinheit,
die die Aufnahmen des oder der Sensoren auswertet und daraus
die Absolut-Koordinaten des Objekts bestimmt. Anstelle eines
einzigen Gitters, für das eine Drehmöglichkeit vorgesehen
werden muß, werden also (mindestens) zwei Projektionsgitter
verwendet, die in einem bestimmten Winkel zueinander stehen
und die vom Sensor getrennt auswertbar sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren
Unteransprüche.
Vorzugsweise erfolgen die Auswertungen nach der oben erläu
terten Formel.
Die Auswertungen können nach einer Phasenshiftmethode er
folgen. Sie können aber auch nach einer Fourier-Transfor
mation erfolgen. Ferner können die Auswertungen mit phasen
verschobenen Bildern erfolgen, die gleichzeitig eingelesen
werden (dies wird in der DE-PS 38 43 398, auf die Bezug ge
nommen wird, beschrieben).
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist gekennzeichnet
durch ein Referenzgitter, durch das das von dem Objekt
reflektierte Licht auf den Sensor abgebildet wird. Dieses
Referenzgitter erhöht die erreichbare Auflösung. Vorzugsweise
wird das Referenzgitter von dem Sensor selbst gebildet. Wenn
der Sensor - wie beispielsweise ein CCD-Sensor - zeilenweise
aufgebaut ist, bildet er durch diesen zeilenweisen Aufbau
gleichzeitig ein Referenzgitter. Das Referenzgitter und der
Sensor werden damit auf besonders einfache Weise durch ein
und dasselbe Bauteil realisiert.
Vorzugsweise liegen die Hauptebenen der Objektive (Pro
jektionsobjektiv und Objektiv für den Sensor) in derselben
Ebene; die Hauptebenen der Objektive sind also vorzugsweise
miteinander fluchtend angeordnet. Daraus ergibt sich der
Vorteil, daß die Moire-Flächen Ebenen darstellen. Dies
erleichtert die Bestimmung (Berechnung) der Absolut-Koordi
naten. Der visuelle Eindruck der entstehenden Bilder ent
spricht demjenigen von (topographischen) Höhenlinien und ist
eindeutig.
Vorteilhaft ist es, wenn die Brennweiten der Objektive gleich
groß sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die
Hauptebenen der Objektive in derselben Ebene liegen. Die
Bestimmung (Berechnung) der Absolut-Koordinaten wird durch
gleich große Brennweiten weiter vereinfacht.
Das Projektionsgitter kann eine sinusförmige oder rampenför
mige Transparenz aufweisen. Auch andere Projektionsgitter-
Transparenzen sind allerdings möglich, beispielsweise recht
eckige oder dreieckige oder sonstige Transparenzen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die
Gitterkonstante und/oder die Transparenz des Projektions
gitters einstellbar und/oder drehbar. Die Drehung des Pro
jektionsgitters erfolgt dann nicht durch mechanisches Drehen
des Gitters, sondern über einstellbare Masken, beispielsweise
rechnergesteuerte LCD (liquid cristal display = Flüssig
kristall-Display)-Masken, deren Gitterkonstante, Intensitäts
verlauf und Gitterorientierung beliebig und auf einfache
Weise eingestellt werden kann. Dementsprechend wird das
Projektionsgitter vorzugsweise von einem LCD-Display ge
bildet.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten (Absolutmessung) der
dreidimensionalen Gestalt von Objekten (Körpern) mit der
Moire-Technik oder mit aufprojizierten Linien geschaffen.
Zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten wird das Prinzip der
Triangulation verwendet. Es ergibt sich der Vorteil, daß nur
das Projektionsgitter mechanisch bewegt werden muß, was mit
einem sehr geringen mechanischen Aufwand und sehr präzise
realisiert werden kann, nicht aber (wie bisher) das Objekt
oder die Aufnahmeoptik. Das Projektionsgitter hat eine ver
hältnismäßig geringe Masse, im Gegensatz zur Aufnahmeoptik
und zum aufzunehmenden Objekt. Bei einer Bewegung der Optik
oder des Objekts entstehen aufgrund der verhältnismäßig
großen Massen Durchbiegungen, was nach der Erfindung ver
mieden wird. Wenn mit einem Farbsensor gearbeitet wird, sind
überhaupt keine mechanisch bewegten Teile vorhanden. Auch
dann, wenn mit einem Projektionsgitter gearbeitet wird,
dessen Gitterkonstante bzw. Transparenz einstellbar ist,
beispielsweise mit einem LCD-Display, sind keine mechanisch
bewegten Teile vorhanden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand
der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der
Zeichnung zeigt die
einzige Figur eine Vorrichtung zur Bestimmung der
Absolut-Koordinaten eines Objekts in
einer schematischen Darstellung.
Die Lichtquelle 6 sendet weißes Licht aus, das von dem Konden
sor 11 gebündelt wird und durch das Projektionsgitter 2 hin
durchtritt. Das Projektionsgitter 2 wird durch das Projek
tionsobjektiv 7 auf das Objekt 1 bzw. auf dessen Oberfläche
abgebildet. Die Hauptebene 10 des Projektionsobjektivs 7
verläuft parallel zur Ebene des Gitters 2, und zwar im Ab
stand d2.
Das vom Objekt 1 reflektierte Licht 4 gelangt durch das
Objektiv 8 und das Referenzgitter 9 hindurch auf den Sensor
5. Die Hauptebene 10′ des Objektivs 8 liegt in derselben
Ebene wie die Hauptebene 10 des Projektionsobjektivs 7. Das
Referenzgitter 9 verläuft parallel zur Hauptebene 10′ des
Objektivs 8, und zwar im Abstand d1, der genauso groß ist wie
der Abstand d2. In Strahlungsrichtung unmittelbar hinter dem
Referenzgitter 9 befindet sich der Sensor 5. Aus Gründen der
vereinfachten zeichnerischen Darstellung ist in der einzigen
Figur ein Abstand zwischen dem Sensor 5 und dem Referenz
gitter 9 gezeigt, der bei der praktischen Realisierung aller
dings nicht vorhanden ist. Ferner wird beim tatsächlichen
Aufbau ein CCD-Sensor verwendet, dessen Pixel zeilenweise
angeordnet sind, so daß dieser CCD-Sensor 5 gleichzeitig das
Referenzgitter 9 bildet. Die Gitterlinien des Referenzgitters
9 verlaufen senkrecht zur Zeichenebene der einzigen Figur. In
der Ausgangslage, also in der unverdrehten Stellung, verlau
fen auch die Gitterlinien des Projektionsgitters 2 senkrecht
zur Zeichenebene. In dieser Ausgangslage sind also die Gitter
linien des Projektionsgitters 2 zu den Gitterlinien des
Referenzgitters 9 parallel.
Die optischen Achsen des Projektionsobjektivs 7 und des
Objektivs 8 verlaufen parallel zueinander und im Abstand b
voneinander. Die Brennweiten der Objektive 7, 8 sind gleich
groß. Die Gitter 2, 9 liegen im Tiefenschärfebereich der
Objektive 7, 8.
Das Projektionsgitter 2 ist um die optische Achse 12 des
Projektionsobjektivs drehbar.
Von jedem Punkt des Projektionsgitters 2 verläuft ein Strahl
3 durch den Mittelpunkt K2 des Projektionsobjektivs 7 zum
Objektpunkt 0. Von diesem Objektpunkt 0 verläuft der Strahl 4
durch den Mittelpunkt K1 des Objektivs 8 auf einen bestimmten
Punkt (Pixel) des Sensors 5. Zur Auswertung nach dem Prinzip
der Triangulation wird das Dreieck K1, K2, 0 betrachtet. Die
Basis b dieses Dreiecks ist aus dem vorgegebenen geometri
schen Aufbau der Optik bekannt. Die Mittelpunkte K1, K2 der
Objektive 8, 7 sind im Abstand b voneinander angeordnet. Für
alle Punkte im Tiefenschärfenbereich der beiden Objektive 7, 8
definieren die einzelnen Pixel (picture element) des Sen
sors (CCD-Sensor) 5 zusammen mit ihren Abständen d1 (die bei
der in der einzigen Figur dargestellten Anordnung für alle
Pixel gleich groß sind, da das Referenzgitter 9 und der CCD-
Sensor 5 parallel zur Hauptebene 10′ des Objektivs 8 ver
laufen) einen Satz von (räumlichen) Winkeln zur optischen
Achse 13 des Objektivs 8, unter denen die Oberflächenelemente
des Objekts 1 auf dem Sensor 5 abgebildet werden. Damit ist
dann auch der Winkel, unter dem ein Flächenelement der Ober
fläche des Objekts 1 von dem Mittelpunkt K1 des Objektivs 8
aus erscheint, gegeben bzw. bekannt.
Zur vollständigen Bestimmung des Dreiecks K1, K2, 0 muß folg
lich noch der zugehörige Punkt auf dem Projektionsgitter 2
und der zugehörige Winkel für diesen Punkt (Gitterpunkt) auf
dem Projektionsgitter 2 bestimmt werden. Damit ist dann die
Bestimmung der Absolut-Koordinaten des Punktes 0 auf der
Oberfläche des Objekts 1 möglich.
Jedes Oberflächenelement des Objekts 1 wird durch das Pro
jektionsobjektiv 7 von einem Punkt des Projektionsgitters 2
beleuchtet. Wenn man diesen zu dem Oberflächenpunkt 0 gehö
renden Ort auf dem Projektionsgitter 2 kennt, ergibt sich mit
dem Abstand d2 des Projektionsgitters 2 von der Hauptebene 10
des Projektionsobjektivs 7 der Winkel des Strahls 3 zur opti
schen Achse 12 des Projektionsobjektivs 7. Damit ist die
Triangulationsrechnung zur Bestimmung des Dreiecks K1, K2, 0
durchführbar.
Zur Bestimmung dieses Ortes auf dem Projektionsgitter 2 wird
dieses Projektionsgitter 2 um die Achse 12 gedreht, die mit
der optischen Achse des Projektionsobjektivs 7 übereinstimmt.
Die Drehung des Projektionsgitters 2 kann durch mechanisches
Drehen des Projektionsgitters 2 oder über einstellbare
Masken, z. B. rechnergesteuerte LCD-Masken (Flüssigkristall-
Displays), deren Gitterkonstante, Intensitätsverlauf und
Gitterorientierung beliebig eingestellt werden kann, erfol
gen.
Gibt man den Ort in der Projektionsgitterebene (Ebene des
Projektionsgitters 2) in Polarkoordinaten r, phio an, dann
erhält man die Leuchtdichteverteilung (Intensitätsverteilung)
I eines linearen, vorzugsweise sinusförmigen Projektions
gitters 2 der Periode g nach der oben erwähnten Formel:
Die Bedeutung der einzelnen Formelbuchstaben wurde oben be
reits erläutert; hierauf wird verwiesen.
Diese Leuchtdichte I wird auf das Objekt 1 und von dort auf
den Sensor 5 abgebildet. Ändert man phi (Winkel des Pro
jektionsgitters 2 zu dessen Drehachse 12), so ändert sich
auch die Intensität I am zugehörigen Pixel des Sensors 5.
Diese Intensitätsänderung erlaubt durch Einlesen mehrerer
(mindestens zwei) Bilder, die sich durch die Winkellage phi
des Projektionsgitters 2 unterscheiden, r und sin (phi -
phio) und damit phio zu bestimmen. Hieraus wiederum kann die
Triangulation durchgeführt werden, also die vollständige
Bestimmung des Dreiecks K1, K2, 0.
Bei der Messung können mehrere Winkel phii eingestellt wer
den. Es müssen mindestens zwei Winkel eingestellt werden, um
die Triangulation durchführen zu können. Es ist aber auch
möglich, mehr als zwei Winkel einzustellen, um die Genauig
keit zu erhöhen. Für jeden Winkel phi wird eine Auswertung
durchgeführt, beispielsweise nach der Phasenshift-Methode
oder nach einer Fourier-Transformation oder mit phasenver
schobenen Bildern, die gleichzeitig eingelesen werden (nach
der DE-PS 38 43 396). Im Endergebnis werden für jeden Objekt
ort 0, der von der Kamera erfaßt wird, für jedes Pixel unab
hängig die Absolut-Koordinaten der Objektpunkte 0 ermittelt.
Eine Drehung des Projektionsgitters 2 ist nicht erforderlich,
wenn mindestens zwei verschiedenfarbige Projektionsgitter auf
das Objekt 1 aufprojiziert werden, diese Gitter einen Winkel
zueinander aufweisen und die aufprojizierten Gitter auf einen
farbempfindlichen Sensor, beispielsweise eine Farbvideo
kamera, abgebildet werden. Die Farben der Gitter können dabei
den Empfindlichkeiten des Farbsensors (rot, grün, blau) ent
sprechen.
Claims (21)
1. Verfahren zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines
Objekts (1), bei dem das Objekt (1) durch ein Projektions
gitter (2) mit Licht (3) bestrahlt wird,
bei dem das von dem Objekt (1) reflektierte Licht (4) von einem Sensor (5) aufgenommen wird
und bei dem die Aufnahme des Sensors (5) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer ersten Stellung des Projektionsgitters (2) und des Sensors (5) eine erste Aufnahme und Auswertung vorge nommen werden,
daß anschließend das Projektionsgitter (2) und/oder der Sensor (5) um einen bestimmten Winkel gedreht werden und eine zweite Aufnahme und Auswertung des Sensors (5) vor genommen werden,
und daß aus den Auswertungen die Absolut-Koordinaten des Objekts (1) bestimmt werden.
bei dem das von dem Objekt (1) reflektierte Licht (4) von einem Sensor (5) aufgenommen wird
und bei dem die Aufnahme des Sensors (5) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer ersten Stellung des Projektionsgitters (2) und des Sensors (5) eine erste Aufnahme und Auswertung vorge nommen werden,
daß anschließend das Projektionsgitter (2) und/oder der Sensor (5) um einen bestimmten Winkel gedreht werden und eine zweite Aufnahme und Auswertung des Sensors (5) vor genommen werden,
und daß aus den Auswertungen die Absolut-Koordinaten des Objekts (1) bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Projektionsgitter um einen bestimmten Winkel gedreht
wird.
3. Verfahren zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines
Objekts (1),
bei dem das Objekt (1) durch ein Projektionsgitter (2) mit Licht (3) bestrahlt wird,
bei dem das von dem Objekt (1) reflektierte Licht (4) von einem Sensor (5) aufgenommen wird,
und bei dem die Aufnahme des Sensors (5) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Objekt (1) durch ein erstes Projektionsgitter (2) mit Licht (3) einer ersten Farbe und durch ein zweites Projektionsgitter, das zum ersten Projektionsgitter um einen bestimmten Winkel gedreht ist, mit Licht einer zweiten Farbe bestrahlt wird,
daß das von dem Objekt (1) reflektierte Licht von zwei Sensoren oder von einem für die beiden Farben empfind lichen Sensor (5) aufgenommen wird,
daß die Aufnahmen des oder der Sensoren (5) ausgewertet werden,
und daß aus den Auswertungen die Absolut-Koordinaten des Objekts (1) bestimmt werden.
bei dem das Objekt (1) durch ein Projektionsgitter (2) mit Licht (3) bestrahlt wird,
bei dem das von dem Objekt (1) reflektierte Licht (4) von einem Sensor (5) aufgenommen wird,
und bei dem die Aufnahme des Sensors (5) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Objekt (1) durch ein erstes Projektionsgitter (2) mit Licht (3) einer ersten Farbe und durch ein zweites Projektionsgitter, das zum ersten Projektionsgitter um einen bestimmten Winkel gedreht ist, mit Licht einer zweiten Farbe bestrahlt wird,
daß das von dem Objekt (1) reflektierte Licht von zwei Sensoren oder von einem für die beiden Farben empfind lichen Sensor (5) aufgenommen wird,
daß die Aufnahmen des oder der Sensoren (5) ausgewertet werden,
und daß aus den Auswertungen die Absolut-Koordinaten des Objekts (1) bestimmt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungen nach der
Formel
erfolgen, worin bedeuten:
I = Intensität auf einem Punkt des Sensors (5),
r = Radius = Abstand des Punktes auf dem Projek tionsgitter (2) von einem Bezugspunkt des Projektionsgitters (2), vorzugsweise des Dreh punkts des Projektionsgitters (2)
phi = Drehwinkel des Projektionsgitters (2) zwischen der ersten und der zweiten Auswertung,
phio = Winkel des Punktes auf dem Projektionsgitter (2) zu einer Bezugsgeraden;
a = Untergrundhelligkeit,
b = Kontrast,
g = Gitterkonstante des Projektionsgitters (2)
α) = Phasenkonstante.
I = Intensität auf einem Punkt des Sensors (5),
r = Radius = Abstand des Punktes auf dem Projek tionsgitter (2) von einem Bezugspunkt des Projektionsgitters (2), vorzugsweise des Dreh punkts des Projektionsgitters (2)
phi = Drehwinkel des Projektionsgitters (2) zwischen der ersten und der zweiten Auswertung,
phio = Winkel des Punktes auf dem Projektionsgitter (2) zu einer Bezugsgeraden;
a = Untergrundhelligkeit,
b = Kontrast,
g = Gitterkonstante des Projektionsgitters (2)
α) = Phasenkonstante.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungen nach einer
Phasenshiftmethode erfolgen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungen nach einer
Fourier-Transformation erfolgen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungen mit phasen
verschobenen Bildern erfolgen die gleichzeitig einge
lesen werden.
8. Vorrichtung zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines
Objekts (1), bestehend aus
einer Lichtquelle (8),
einer Projektionsoptik, insbesondere einem Projektions objektiv (7),
einem Projektionsgitter (2), das durch die Projektions optik (7) auf das Objekt (1) abgebildet wird,
einem Sensor (5) zum Aufnehmen des von dem Objekt (1) reflektierten Lichts (4),
und einem Objektiv (8), das das von dem Objekt (1) reflektierte Licht (4) auf den Sensor (5) abbildet, dadurch gekennzeichnet,
daß das Projektionsgitter (2) und/oder der Sensor (5) drehbar ist,
und daß eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die die Auf nahmen des Sensors (5) bei mindestens zwei verschiedenen Winkellagen des Projektionsgitters (2) bzw. des Sensors (5) auswertet und daraus die Absolutkoordinaten des Ob jekts (1) bestimmt.
einer Lichtquelle (8),
einer Projektionsoptik, insbesondere einem Projektions objektiv (7),
einem Projektionsgitter (2), das durch die Projektions optik (7) auf das Objekt (1) abgebildet wird,
einem Sensor (5) zum Aufnehmen des von dem Objekt (1) reflektierten Lichts (4),
und einem Objektiv (8), das das von dem Objekt (1) reflektierte Licht (4) auf den Sensor (5) abbildet, dadurch gekennzeichnet,
daß das Projektionsgitter (2) und/oder der Sensor (5) drehbar ist,
und daß eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die die Auf nahmen des Sensors (5) bei mindestens zwei verschiedenen Winkellagen des Projektionsgitters (2) bzw. des Sensors (5) auswertet und daraus die Absolutkoordinaten des Ob jekts (1) bestimmt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Projektionsgitter (2) drehbar ist.
10. Vorrichtung zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines
Objekts (1), bestehend aus
einer Lichtquelle (6),
einer Projektionsoptik insbesondere einem Projektions objektiv (7),
einem Projektionsgitter (2), das durch die Projektions optik (7) auf das Objekt (1) abgebildet wird,
einem Sensor (5) zum Aufnehmen des von dem Objekt (1) reflektierten Lichts (4),
und einem Objektiv (8), das das von dem Objekt (1) reflek tierte Licht (4) auf den Sensor (5) abbildet, gekennzeichnet durch
ein erstes Projektionsgitter (2) für Licht (3) einer ersten Farbe,
ein zweites Projektionsgitter, das zum ersten Projek tionsgitter um einem bestimmten Winkel gedreht ist, für Licht einer zweiten Farbe,
zwei Sensoren oder einem für die beiden Farben empfind lichen Sensor (5),
und eine Auswerteeinheit, die die Aufnahmen des oder der Sensoren (5) auswertet und daraus die Absolut-Koordinaten des Objekts (1) bestimmt.
einer Lichtquelle (6),
einer Projektionsoptik insbesondere einem Projektions objektiv (7),
einem Projektionsgitter (2), das durch die Projektions optik (7) auf das Objekt (1) abgebildet wird,
einem Sensor (5) zum Aufnehmen des von dem Objekt (1) reflektierten Lichts (4),
und einem Objektiv (8), das das von dem Objekt (1) reflek tierte Licht (4) auf den Sensor (5) abbildet, gekennzeichnet durch
ein erstes Projektionsgitter (2) für Licht (3) einer ersten Farbe,
ein zweites Projektionsgitter, das zum ersten Projek tionsgitter um einem bestimmten Winkel gedreht ist, für Licht einer zweiten Farbe,
zwei Sensoren oder einem für die beiden Farben empfind lichen Sensor (5),
und eine Auswerteeinheit, die die Aufnahmen des oder der Sensoren (5) auswertet und daraus die Absolut-Koordinaten des Objekts (1) bestimmt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswertungen nach der Formel
erfolgen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswertungen nach einer Phasen
shiftmethode erfolgen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswertungen nach einer Fourier-
Transformation erfolgen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswertungen mit phasenverscho
benen Bildern erfolgen, die gleichzeitig eingelesen
werden.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekenn
zeichnet durch ein Referenzgitter (9), durch das das von
dem Objekt (1) reflektierte Licht (4) auf den Sensor (5)
abgebildet wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Referenzgitter (9) von dem Sensor (5), vorzugsweise
einem CCD-Sensor, gebildet wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hauptebenen (10, 10′) der Objek
tive (7, 8) in derselben Ebene liegen.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Brennweiten der Objektive (7, 8)
gleich groß sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß das Projektionsgitter (2) eine sinus
förmige oder rampenförmige Transparenz aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante und/oder die
Transparenz des Projektionsgitters (2) einstellbar und/oder
drehbar ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß das Projektionsgitter (2) von einem
LCD-Display gebildet wird.
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