DE4308082A1

DE4308082A1 - Verfahren und Einrichtung zur optischen Messung von Objekten in einer Ebene

Info

Publication number: DE4308082A1
Application number: DE4308082A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Kleemann; Steffen Dr Rauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-13
Filing date: 1993-03-13
Publication date: 1994-09-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ein richtung zur optischen Messung von Objekten in einer Ebene, bei dem das Objekt auf einen lichtemp findliche Bildpunkte enthaltenden Sensor, vorzugs weise auf eine CCD-Matrix, abgebildet wird und bei dem das optische Signal sequentiell nach AD-Wand lung einem Rechner zugeführt wird.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, Objekte, deren geometrischen Bestimmungsstücke ermittelt werden sollen, berührungslos abzutasten. Es ist hierbei bekannt, mit Hilfe eines optischen Meßsy stems ein Objekt auf die Oberfläche eines Sensors abzubilden, der über lichtempfindliche Bildpunkte verfügt. Die zu ermittelnde Lage der Objektkante wird in diesem Abbild durch einen Hell-Dunkel-Über gang repräsentiert. Dabei korrespondiert die Stelle im Helligkeitsverlauf mit einem Helligkeitswert von 50% der Maximalhelligkeit mit der zu ermittelnden Lage der Objektkante. Dieser Punkt ist zugleich Wendepunkt des Helligkeitsverlaufes. Zur Bestimmung dieses Punktes ist es nach dem Stand der Technik bekannt, den Kurvenverlauf mit einem Schwellwert, der 50% der Maximalhelligkeit entspricht, zu vergleichen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß Helligkeitsschwankungen des Beleuchtungssystems zu Meßfehlern führen.

Gemäß DE-OS 31 23 703 sind ein Verfahren und eine Anordnung bekannt, bei dem durch sequentielle Abta stung des Bildes der Helligkeitsverlauf bestimmt und die erste und zweite Ableitung ermittelt wird, um dadurch den Wendepunkt des Helligkeitsverlaufes zu bestimmen, der mit dem gesuchten Bildort über einstimmt. Diesem Verfahren haften die Nachteile an, daß es durch die hardwaremäßige Realisierung für flächenhafte Sensoren ungeeignet ist und daß zur Ermittlung von Subpixelwerten, also zur Erhö hung der Genauigkeit über den durch den Pixelab stand der verwendeten CCD-Kamera gegeben Wert hin aus, die Abtastfrequenz um ein n-faches höher als die Pixelfrequenz liegen muß. Dies erfordert den Einsatz von AD-Wandlern mit sehr hohen Umsetzraten. Bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren werden zur Bestimmung des Wendepunktes der Hell- Dunkel-Flanke, bedingt durch die Digitalisierung der Pixel, Geradenstücke unterschiedlicher Steigung ausgewertet. Diese Steigungen können im quasili nearen Bereich der Hell-Dunkel-Flanke in ihrer Steilheit schwanken. Dies hat größere Unsicherhei ten bei der Subpixelberechnung zur Folge. In der Regel muß vorher eine Tiefpaßfilterung durchgeführt werden.

Erschwerend ist weiterhin , daß die Flankenrandbe reiche oft mit optischen Störeffekten, wie Refle xionen an der Meßobjektoberfläche, Randabschattun gen und ähnlichen, überlagert sind, wodurch Ungenauigkeiten bei der Wendepunktbestimmung her vorgerufen werden.

Bei Transportvorgängen aller Art, in denen ein Tei lestrom erzeugt, weitergeleitet oder einer Weiter verarbeitungseinheit zugeführt werden muß, sind eine Reihe von Überwachungsaufgaben erforderlich. Dabei ist es mitunter notwendig, festzustellen, ob dieser Teilestrom vorhanden ist, es müssen Teile gezählt oder Fremdteile ausgesondert werden. Ferner besteht oft die Notwendigkeit, die Teile auf Ein halten eines Funktionsmaßes zu überprüfen oder die Teile einer Montageeinrichtung lagerichtig zuzufüh ren.

Die im Stand der Technik hierzu bekannten berüh rungslos messenden optischen Anordnungen besitzen separate Teile für Strahlungsquelle und Empfänger sowie einen gesonderten Teil für die Ansteuer- und Auswerteelektronik. Diese bekannten Anordnungen sind deshalb nur für stationären Einsatz geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die auch für flächenhafte Sensoren geeignet sind und die mit einfachen Maßnahmen re alisiert werden können.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe da durch, daß folgende Verfahrensschritte in einem Rechner ausgeführt werden:

- Ermitteln einer Lauflängencodierung,
- Falten der Originalhelligkeitsfunktion mit einer einem Tiefpaß entsprechenden Übertragungsfunktion und
- Ermitteln des Schnittpunktes von Originalfunktion und gefilterter Funktion.

Bei einem im Stand der Technik bekannten Verfahren wird die Faltung hardwaremäßig ausgeführt. Dies be dingt eine Phasenverschiebung zwischen Original funktion und tiefpaßgefilterter Funktion und führt damit zu Meßfehlern. Durch die erfindungsgemäße softwaretechnische Verarbeitung der beiden Funktio nen gelingt es, diese Phasenverschiebung zwischen Originalfunktion und tiefpaßgefilterter Funktion zu vermeiden. Währen bei dem im Stand der Technik be kannten Verfahren nur eine zeilenweise Abtastung des Meßobjektes möglich ist, ermöglicht das erfin dungsgemäße Verfahren auch den Einsatz einer Ma trix.

Von besonderem Vorteil ist bei dem erfindungsgemä ßen verfahren weiterhin, daß durch Helligkeits schwankungen hervorgerufene Meßfehler vermieden werden und daß der sich als Schnittpunkt zweier Funktionen ergebende Meßpunkt mit einer höheren Ge nauigkeit ermittelt werden kann als es der Ortsauf lösung des Sensors entspricht.

Eine weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfah rens ergibt sich dadurch, daß zur Ermittlung der für die Messung interessierten Punkte eine Lauflän gencodierung durchgeführt wird und nur der Hellig keitsverlauf interessierender Punkte ausgewertet wird. Damit ist eine Geschwindigkeitssteigerung möglich. Die interessanten Punkte können vorher durch eine hard- oder softwareseitige Lauflängenco dierung ermittelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist leicht im Mikro rechner realisierbar und kann zur Geschwindigkeits steigerung optimiert werden.

Ferner ist es möglich, daß die Originalhelligkeits funktion mit einem Tiefpaß schwach gefiltert wird.

Damit gelingt es, den Einfluß des Rauschens und der unterschiedlichen Pixelempfindlichkeiten zu redu zieren.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens entsteht dadurch, daß in einem Gehäuse eine Strahlungsquelle, vorzugsweise eine Infrarot diode, und ein Abbildungsobjektiv zur Beleuchtung des Meßobjektes angeordnet sind, daß im Strahlen gang hinter dem Meßobjekt eine zweites Objektiv und ein Sensor angeordnet sind und daß die Bildverar beitungseinheit zur softwaretechnischen Auswertung des Meßsignals ein Mikroprozessor ist, der gemein sam mit einem Display im Gehäuse angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Weiterentwicklungen der erfin dungsgemäßen Anordnung sind in den Ansprüchen 5 bis 8 angegeben.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann so ausge staltet werden, daß die Kompaktheit und Universali tät einer Lichtschranke mit der Leistungsfähigkeit eines optischen Meßsystems in einer Anordnung ver eint sind. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird es möglich, Transport-, Ord nungs- und Sortierprozesse zu überwachen und opti mal zu gestalten.

Die erfindungsgemäße Einrichtung gestattet es bei spielsweise, mit einfachen Mitteln Teile eines Tei lestromes sicher voneinander zu trennen und damit exakt zu zählen, die Lage des vorbei strömenden Teiles zu erkennen und so einfache Ordnungsvorgänge auszulösen oder das Teil zu identifizieren und so von fremden Teilen zu unterscheiden.

Eine zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht vor, das Zählergebnis auf einem LCD-Display darzustellen.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung wird vorteil haft zur berührungslosen Bestimmung geometrischer Daten von kleinen Objekten, wie beispielsweise Drähten, Fäden, Folien, Papierbändern, Blechen und dergleichen eingesetzt. Die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht eine opti male Einpassung in Montage und Fertigungssysteme ohne jeglichen Justageaufwand. Dabei ist es sowohl möglich, die erfindungsgemäße Einrichtung als Bild schranke einzusetzen oder mit geringem Aufwand als Meßgerät zu verwenden.

Als weitere Vorteile sind besonders die Fremdlicht unabhängigkeit und Temperaturstabilität sowie der geringe Aufwand bei der Herstellung hervorzuheben. Bei der Anwendung erweist es sich als vorteilhaft, daß keine feste Bezugslage zwischen Meßsystem und Meßobjekt erforderlich ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Aus führungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der er findungsgemäßen Anordnung als Handmeßgerät.

Fig. 3 Eine Anordnung mit doppelter Ausfüh rung der optischen Bauteile.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanord nung wird das Meßobjekt 2 von der Beleuchtungsein richtung 3 beleuchtet. Der Sensor 1 ist mit dem Takttreiber 4 und dem Videoverstärker 5 verbunden, deren Ausgänge ihre Signale an die Zählerausgänge 7 und die AD-Wandlereingänge 8 der Recheneinheit 11 zuführen. Die Recheneinheit 11 ist mit der Takt- und Resetlogik 10 sowie der Stromversorgung 12 ver bunden. Über die Pulsweitenausgänge 9 wird die Be leuchtungseinrichtung 3 gesteuert. An der Rechen einheit 11 befinden sich der Programmspeicher 13 und der Arbeitsspeicher 14, die mit den seriellen Ein-/Ausgängen 15, den digitalen Eingängen 16 und den digitalen Ausgängen 17 verbunden sind. Die se riellen Ein- und Ausgänge 15 sind mit der ASCII- Schnittstelle 18, die digitalen Eingänge 16 mit dem Tastern 19 und dem Triggereingängen 21 und die di gitalen Ausgänge 17 sind mit den Anzeigen 20 und den Schaltungsausgängen 22 verbunden.

Fig. 2 erläutert den mechanischen Aufbau der er findungsgemäßen Anordnung in einem Handgerät.

Das Gehäuse GH weist an einem Ende eine maulförmige Öffnung O auf, in die das Meßobjekt MS eingeführt werden kann. Das Meßobjekt MS wird berührungslos abgetastet. Die Infrarotdiode D1 beleuchtet das Meßobjekt MS über das erste Objektiv O1 und ein er stes Prisma P1. Das Meßobjekt MS wird mittels eines zweiten Prismas P2, eines zweiten Objektivs O2, einer Blende B1 und eines dritten Prismas P3 auf den Sensor ZS abgebildet. Die Auswertung der von dem Sensor ZS erzeugten Signale erfolgt mittels der Bildverarbeitungseinrichtung BE, die einen Mikro rechner enthält und die softwaremäßige Verarbeitung der Signale ausführt. Das Ergebnis wird am Display DP angezeigt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung sind die Infrarotdiode D1, die Objektive O1 und O2, die Prismen P1 bis P3, die Blende B1 und der Sensor ZS jeweils doppelt angeordnet. Diese An ordnung bietet die Möglichkeit, flächenhafte Meßob jekte zu prüfen, wobei eine definierte Relativlage des Meßobjektes gegenüber dem Meßgerät nicht erfor derlich ist.

Claims

1. Verfahren zur optischen Messung von Objekten in einer Ebene, bei dem das Objekt auf einen licht empfindliche Bildpunkte enthaltenden Sensor, vor zugsweise auf eine CCD-Matrix, abgebildet wird und bei dem das optische Signal sequentiell nach AD- Wandlung einem Rechner zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Originalfunktion mit einer symmetri schen Funktion gefaltet wird.

3. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Originalhellig keitsfunktion mit einem Tiefpaß schwach gefiltert wird.

4. Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach einen der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem Sensor, vorzugsweise einem CCD-Empfänger, einer Be leuchtungseinrichtung und einer Bildverarbeitungs einheit, dadurch gekennzeichnet, daß

- in einem Gehäuse (GH) eine Infrarotdiode (D1) und ein Abbildungsobjektiv (O1) zur Beleuchtung des Meßobjektes (MS) angeordnet sind,
- im Strahlengang hinter dem Meßobjekt (MS) eine zweites Objektiv (O2), und ein Sensor (ZS) angeord net sind und
- die Bildverarbeitungseinheit (BE) zur software technischen Auswertung des Meßsignals ein Mikropro zessor ist, der gemeinsam mit einem Display (DP) im Gehäuse (GH) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß

- die Einrichtung in kompakter Bauweise als Hand meßgerät ausgeführt ist,
- sich an einer Seite des Gehäuses (GH) eine maul förmige Öffnung (O) befindet, in die das Meßobjekt (MS) eingebracht werden kann,
- das Meßobjekt (MS) mit Hilfe der Infrarotdiode (D1) über ein Abbildungsobjektiv (O1) und ein Umlenksystem, vorzugsweise über ein Umlenkprisma (P1) beleuchtet wird und
- im Strahlengang hinter dem Meßobjekt (MS) eine weitere optische Umlenkeinrichtung, eine abbildende Optik, eine Blende (B1) und ein Sensor (ZS) ange ordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotdiode (D1) impuls gesteuert ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungs einheit (BE) einen Einchipmikrorechner enthält und die elektronischen Schaltelemente als Treiberstufen ausgebildet sind.

8. Einrichtung nach einen der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotdiode (D1), die optischen Elemente und der Sensor (ZS) doppelt angeordnet sind.