DE4315832A1 - Verfahren zur berührungslosen zweidimensionalen Positionsbestimmung eines Meßpunktes auf einer Meßfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen zweidimensionalen Positionsbestimmung mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Gattung.

Derartige Verfahren werden zur Messung der relativen Positionierung bzw. Positionsänderung zweier Komponenten zueinander verwendet. An der ersten Komponente wird hierzu eine Beleuchtungseinrichtung befestigt, die einen auf die zweite Komponente gerichteten Lichtpunkt bzw. Lichtfleck aussendet. Mit der zweiten Komponente ist ein Sensor verbunden, der der Detektion des Lichtflecks dient. Positionsänderungen der Komponenten zueinander bewirken bei geeigneter Anordnung von Beleuchtungseinrichtung und Sensor veränderte Auftreffstellen des Lichtflecks und somit sich ändernde Sensorsignale. Abhängig von der Art der verwendeten Sensoren und Beleuchtungseinrichtungen sowie deren Montage zueinander, können, ausgehend von einem Sensor, Änderungen bezogen auf nur einen oder zwei Freiheitsgrade und, bei mehrfacher Anwendung des einzelnen Verfahrens, Änderungen in bis zu allen 6 Freiheitsgraden des dreidimensionalen Raumes ermittelt werden. Unter den 6 Freiheitsgraden der Positionsänderung sind hierbei die Verschiebung (3 Freiheitsgrade) sowie die Orientierungsänderung (3 Freiheitsgrade) im Raum zu verstehen.

Es ist bekannt, daß zur Realisierung von Verfahren der beschriebenen Art allgemein Systeme, bestehend aus einer einen Lichtpunkt erzeugenden Beleuchtungseinrichtung und einem Sensor mit einer flächenförmigen Darstellung des sensitiven Bereichs in einer Ebene oder auch zwei Sensoren mit linienhafter Darstellung der sensitiven Bereiche, aufgebaut werden können. Bei der Beleuchtungseinrichtung kann es sich z. B. um einen Laser oder ein anderes Leuchtelement mit Fokussiereinrichtung handeln. Der Sensor kann einem allgemein üblichen zweidimensionalen CCD-Sensor, der auch in der Kameratechnik eingesetzt wird, entsprechen. Ausführungen mit zwei eindimensionalen Sensoren können z. B. sinngemäß dem Beitrag "Positionsgeber für die Auftreffstelle eines Elektronenstrahls" von M. Gröschl, E. Benes, G. Thorn und F. W. Thomas, der auf der "sensor 88" im Mai 1988 in Nürnberg vorgestellt wurde, realisiert werden. Auch die Verwendung spezieller Ausführungen aus DE 36 05 018, DE 34 12 076 und "Elektronik", Heft 13 vom 29. 6. 1984, Seiten 84-88, ist möglich. Neben den aufgeführten Quellen, die sich direkt auf die zweidimensionale Messung beziehen, sind auch die Ausführungen, die in übergeordneten Anordnungen benannt sind, als bekannt vorauszusetzen. Diesbezüglich sind z. B. die DE 33 14 089, DE 38 27 719, DE 36 11 337, DE 36 31 395 und DE 37 14 776 sowie "Industrie-Anzeiger", Heft 59/60/1987, Seiten 28-31, zu nennen.

Bei den bekannten Lösungen ergeben sich in Abhängigkeit von der gewählten Realisierung verschiedene Nachteile. So besteht bei der Ausführung mit einem zweidimensionalen CCD-Sensor das Problem, daß in der Regel der Inhalt des gesamten Sensors ausgelesen werden muß, um dann die Position des Lichtpunktes zu ermitteln. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist hierbei für viele Anwendungen, wie Rückführung der Meßgrößen für eine Regelung (Servotechnik, Nachlaufsteuerung), zu gering, da die Daten vom Sensor seriell ausgegeben werden. Der Aufbau mit zwei eindimensionalen CCD-Sensoren erfordert Hilfsmittel, z. B. Blenden, um geeignete Projektionen zu erzielen, sowie die doppelte Anzahl Sensoren. Die in einer bekannten Ausführung gewählte Lösung, für eine insgesamt mehr als zweidimensionale Messung, verschiedene Beleuchtungseinrichtungen zeitlich nacheinander auf einen zweidimensionalen Sensor wirken zu lassen, führt bei schnelleren Bewegungen der Komponenten zu Meßfehlern, da die Einzelmessungen nicht zeitgleich zueinander erfolgen können. Mit den angeführten Spezialausführungen von Sensoren sind zwar schnelle Positionsbestimmungen möglich, eine Digitalisierung der analogen Meßsignale zur weiteren Prozeßdatenverarbeitung mit einem Digitalrechner muß aber durch einen zwischenzuschaltenden Analog-Digital-Wandler realisiert werden. Überdies sind hierbei jeweils zwei Analogsignale für eine Dimension zu verarbeiten. Gemeinsam verfügen die üblichen Lösungen über die Eigenschaft, daß die ermittelbare Positionsänderung für die Anzahl von Freiheitsgraden möglich ist, der die Dimension des Sensors entspricht. Das bedeutet, daß mit einem Zeilensensor Änderungen bezogen auf nur einem Freiheitsgrad und mit einem zweidimensionalen Sensor Änderungen bezogen auf zwei Freiheitsgrade ermittelt werden können.

Der Erfindung liegen die Aufgaben zugrunde, möglichst viele Informationen einem Sensor zu entnehmen, um Sensoren, insbesondere bei Anordnungen für Messungen, bezogen auf mehr als zwei Freiheitsgrade, einsparen zu können oder Redundanz zu erhalten, den Einsatz von Standardsensoren und einer einfachen Anordnung zur Signalauswertung zu ermöglichen und dennoch eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit zu gewährleisten.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 wird dies dadurch erreicht, daß die Form des projezierten Lichtflecks von einem Kreis verschieden und bekannt ist und ein eindimensionaler Sensor verwendet wird.

Die durch eine von einem Kreis abweichende Form des projezierten Lichtflecks ergibt in Abhängigkeit von der Orientierung des Lichtflecks auf der Meßfläche, bezogen auf ein eingeführtes Koordinatensystem, verschiedene Darstellungen. Dies bedeutet, daß außer der Information über einen mittleren Auftreffbereich des Lichtflecks in der Meßfläche eine zusätzliche Information darin besteht, daß in Abhängigkeit von der Orientierung Randbereiche, bezogen auf den mittleren Auftreffbereich, unterschiedlich beleuchtet werden. Somit besteht zunächst die Möglichkeit, durch zweidimensionale Positionsmessungen der beleuchteten Bereiche in der Meßfläche mindestens auf Bewegungen bezüglich dreier Freiheitsgrade schließen zu können. Die Einschränkung, den hierfür erforderlichen zweidimensionalen Sensor durch einen eindimensionalen Sensor zu ersetzen, reduziert die ermittelbaren Freiheitsgrade um mindestens eins bei gleichzeitig wesentlich vereinfachter Auswertung der Signale aus einem eindimensionalen Sensor. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, eine zweidimensionale Positionserfassung durchzuführen, bei der nur ein eindimensionaler Sensor zum Einsatz kommt.

Eine Realisierungsmöglichkeit wird durch Anspruch 2 weiter ausgeführt. Es wird davon ausgegangen, daß der projezierte Lichtfleck derart ausgeführt ist, daß die differenziellen Flächenanteile des Lichtflecks bei kontinuierlicher Distanzierung vom mittleren Auftreffbereich zunehmen bzw. abnehmen. Für den einfachen Fall, daß die Meßfläche mit einem kartesischen xy- Koordinatensystem ausgestattet ist und ein eindimensionaler Sensor so ausgerichtet ist, daß seine linienhafte Ausdehnung in Richtung einer der Koordinatenachsen verläuft, können Verschiebungen der beiden Komponenten in x- und y-Richtung zueinander einfach ermittelt werden. Durch den Lichtfleck wird ein Bereich des linienhaften Sensors beleuchtet. Bei Verschiebungen der Komponenten zueinander, bezogen auf den der zwei Freiheitsgrade des benannten Koordinatensystems, der der Sensorausdehnung entspricht, verschiebt sich dieser beleuchtete Bereich, also die Position auf dem linienhaften Sensor. Bewegungen bezogen auf den anderen Freiheitsgrad führen zu unterschiedlichen Längen dieses beleuchteten Bereiches.

Um eine Unempfindlichkeit der Messung gegenüber Distanzänderungen der beiden Komponenten zueinander zu erreichen, wird gemäß Anspruch 3 verlangt, daß sich die Form des projezierten Lichtflecks entlang der Ausbreitungsrichtung nicht verändert.

Anspruch 4 fordert genau das Gegenteil. Durch konvergente oder divergente Lichtabstrahlung wird eine Abhängigkeit von der Distanz bewußt herbeigeführt.

Der Anspruch 5 führt dazu, daß die Breite des Lichtflecks, bezogen auf eine Gerade, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks steht, sich in Abhängigkeit von der Position auf dieser Geraden ändert und eine bestimmte Breite des Lichtflecks entlang dieser Geraden nur einmal existiert.

Eine einfache Ausführung dieser Forderung wird in Anspruch 6 durch Einführen eines Dreiecks gezeigt. Die Begrenzung des Lichtflecks durch gerade Kanten ist allgemein jedoch nicht erforderlich. Es sind z. B. auch Kurvenformen denkbar, die bei einer Anwendung in einem Regelkreis die erforderlichen Regelgesetze durch die besondere Ausführung der Kurvenform beinhalten können.

Zur weiteren vereinfachenden Auswertung kann ein Dreieck gemäß Anspruch 7 den Meßfleck derart darstellen, daß eine Dreieckseite sich auf der zuvor eingeführten Geraden befindet.

Die zur Durchführung des Verfahrens gewählte Form des Lichtflecks ist zwar wesentlich, vom Sensor bzw. der daran angeschlossenen Signalverarbeitung wird jedoch nur die Berandung des Lichtflecks ausgewertet. Es sind jeweils die Positionen des eindimensionalen Sensors zu bestimmen, bei denen ein Wechsel von beleuchteten auf unbeleuchtete Sensorteile oder umgekehrt verläuft. Gemäß Anspruch 8 können diese Informationen mit einer bekannten, gedachten Lichtfleckform auch bei ausschließlich beleuchtetem Rand dieses gedachten Lichtflecks ermittelt werden. Diese Vorgehensweise kann sinngemäß weitergeführt werden, indem nur die Teile des Randes beleuchtet sind, die gemäß des vorgegebenen Meßbereiches des Systems auch tatsächlich den Sensor beleuchten können. Die Verwendung von beleuchteten Rändern anstelle einer insgesamt beleuchteten Lichtfleckfläche kann bei der Projektion Vorteile bezüglich der Schärfe oder auch Vorteile bei der Verwendung bestimmter Lichtquellen ergeben.

Die Realisierung des erforderlichen Lichtflecks kann, wie in Anspruch 9 angeführt, z. B. durch Filter und Masken erreicht werden.

Das Ausnutzen von Eigenschaften bestimmter Lichtquellen, Laserdioden können z. B. zu einem elliptischen Lichtfleck führen, ist ebenfalls möglich, Anspruch 10.

Die geometrische Anordnung einzelner Lichtquellen mit bestimmten Eigenschaften zueinander kann gemäß Anpruch 11 auch zur Darstellung der Lichtfleckform verwendet werden.

Aufgrund der verfügbaren Sensoren und deren Meßbereiche oder durch die von der oder den Lichtquellen zur Verfügung gestellten Lichtfleckform ist in Abhängigkeit von der Meßaufgabe eine Systemanpassung erforderlich. Dies kann einerseits erforderliche Anpassungen zur Erfassung des gesamten oder bestimmter Teile des gesamten Meßbereiches betreffen. Andererseits sind durch diese Anpassungen auch bestimmte Auflösungen der Messungen möglich. In bestimmten Teilen des Meßbereiches kann auf diese Weise gezielt genauer gemessen werden. Erreichen kann man diese Anpassungen, wie in Anspruch 12 angeführt, zum Beispiel durch Verwendung von optischen Linsen oder gewölbter Spiegel.

Für andere Anpassungen des Verfahrens an die Randbedingungen einer Meßaufgabe kann das Umlenken der Lichtstrahlen hilfreich sein. Die in Anspruch 13 angeführten Hilfsmittel ermöglichen zunächst die Realisierung des Verfahrens, wenn z. B. zwischen Beleuchtungseinrichtung und Sensor keine direkte Sichtverbindung besteht, dadurch, daß die Lichtstrahlen mit Hilfe eines oder mehrerer Spiegel oder Prismen von der Beleuchtungseinrichtung indirekt auf den Sensor gerichtet werden. Hierdurch sind auch Lösungen möglich, bei denen die Beleuchtungsquelle und der Sensor mit derselben Komponente verbunden sind. Die andere Komponente ist in diesem Fall mit optischen Elementen zur Reflexion der Lichtstrahlen ausgestattet.

Der in Anspruch 14 eingeführte CCD-Zeilensensor führt zu einer insgesamt wirtschaftlichen Lösung. CCD-Zeilensensoren werden seit einigen Jahren in großen Stückzahlen hergestellt, wodurch niederige Anschaffungskosten gewährleistet sind, und diese Sensoren sind Gegenstand der Forschung, so daß deren Qualität und Leistungsfähigkeit weiterhin steigt. Durch die Zeilendarstellung in Form von einzelnen aneinandergereihten lichtempfindlichen Sensorelementen wird schon im Sensor eine Diskretisierung bezüglich des Ortes vorgenommen. Die von dem Sensor in Verbindung mit der sensorspezifischen Ansteuerung zur Verfügung gestellten Signale können gemäß des zeitlichen Verlaufs direkt definierten Stellen auf dem Sensor zugeordnet werden. Eine analoge Verarbeitung der Ortsinformation mit anschließender Digitalisierung entfällt somit. Die Auswertung der gesamten Sensorzeile ist gegenüber der Auswertung der gesamten Fläche eines zweidimensionalen CCD-Sensors in wesentlich kürzerer Zeit möglich.

Die Vorgehensweise einer einfachen Signalauswertung wird in Anspruch 15 dahingehend weitergeführt, daß die genauen Beleuchtungsstärken der einzelnen Sensorelemente nicht von Interesse sind. Die Beleuchtungseinrichtung verfügt über eine derart hohe Lichtleistung, daß auch bei vorhandenem Umgebungs- bzw. Fremdlicht ein genügend großer Störabstand der Nutzsignale erreicht wird. Dies kann z. B. durch Filter unterstützt werden. Eine Quantisierung der Teilsignale von den einzelnen Sensorelementen mit einem aufwendigen Analog-Digital-Wandler kann entfallen. Es interessiert hier nur, ob einzelne Sensorelemente von der Beleuchtungseinrichtung beleuchtet werden oder nicht. Diese Darstellung entspricht einer 1-Bit-Information, die mit Hilfe eines Komparators gewonnen werden kann. Der Komparator entspricht dabei einem 1-Bit-Analog-Digital-Wandler. Bei CCD-Zeilensensoren werden die Informationen in der Regel durch Zuführen eines Taktsignals aus einem sensorinternen Schieberegister entnommen. Die gleichzeitige Zuführung dieses Taktsignals zu Digitalzählern und eine Torsteuerung dieser Zähler durch einen oder mehrere Komparatoren, die den Sensorsignalen nachgeschaltet sind, ermöglichen auf einfache Weise die Angabe, welche Sensorelemente der Zeile beleuchtet oder nicht beleuchtet sind. Die Genauigkeit der Messung wird durch dieses Vorgehen nicht verringert. Eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber Intensitätsschwankungen des Lichtstrahls, z. B. durch Alterung der Beleuchtungseinrichtung, ist ebenfalls gegeben.

Das beschriebene Verfahren kann direkt zur Messung bei Verschiebungen von zwei Komponenten zueinander verwendet werden. Die Komponenten dürfen ihre Orientierung bezüglich der Ebenen, in denen diese sich befinden, nicht verändern und deren Abstand darf sich ebenfalls nicht ändern. Bei zusätzlichen Bewegungen der soeben beschriebenen Art handelt sich dann um Bewegungen bezogen auf insgesamt mehr als zwei Freiheitsgrade, die mit einem zweidimensionalen Sensor direkt nicht erfaßt werden könnten und somit auch nicht direkt mit dem zuvor beschriebenen Verfahren. Eine Ausnahme besteht dann, wenn die zusätzlichen Bewegungen in einem festen Verhältnis zu den ermittelten Bewegungen stehen und somit nach der zweidimensionalen Vermessung rechnerisch ermittelt werden können. In der Regel besteht aber ein Interesse, die Bewegung zweier Komponenten zueinander für mehr als zwei Freiheitsgrade, häufig für alle 6 Freiheitsgrade des dreidimensionalen Raumes, zu ermitteln, insbesondere auch dann, wenn die Teilbewegungen voneinander unabhängig sind. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das zuvor beschriebene Verfahren bezogen auf zwei Komponenten mehrfach angewendet wird. Da jedes Verfahren Messungen bezogen auf zwei Freiheitsgrade ermöglicht, ist theoretisch betrachtet das Verfahren sooft anzuwenden, bis insgesamt die Anzahl zu ermittelnder Freiheitsgrade erreicht wird. Auf eine derartige Anordnung bezieht sich der Anspruch 16. Praktische Erwägungen können es erforderlich erscheinen lassen, die Anzahl Sensoren und somit die Anzahl einzelner Verfahren größer zu wählen und somit eine Überbestimmung durchzuführen. Gründe hierfür bestehen darin, daß die theoretisch optimalen Sensor- und bzw. oder Beleuchtungspositionierungen an den Komponenten praktisch unter Umständen nicht möglich sind. Die dann eventuell redundanten Teilergebnisse können Kontrollzwecken dienen.

Anspruch 17 beschreibt eine besondere Ausführungsform derart, daß sich die Sensoren in einer Ebene befinden. Um mit einer solchen Anordnung relative Positionsbestimmungen bezogen auf alle 6 Freiheitsgrade zu ermöglichen, sind die Ausbreitungsrichtungen der Lichtflecke der einzelnen Beleuchtungseinrichtungen so zu wählen, daß Bewegungen bezogen auf unterschiedliche Freiheitsgrade auch zu insgesamt unterschiedlichen Meßsignalen führen, so daß die einzelnen Teilbewegungen rechentechnisch aus den Meßsignalen ermittelt werden können.

Die weitere Detaillösung gemäß Anspruch 18 reduziert die erforderliche Anzahl von Beleuchtungseinrichtungen auf eine Beleuchtungseinrichtung. Um mit dieser Beleuchtungseinrichtung, verbunden mit der einen Komponente, Messungen bezogen auf alle 6 Freiheitsgrade des dreidimensionalen Raumes gegenüber der zweiten Komponente, die mit mindestens drei Sensoren in einer Ebene ausgestattet ist, durchzuführen, muß die Lichtabstrahlung konvergent oder divergent erfolgen.

Anspruch 19 zeigt eine weitere Möglichkeit für eine besonders wirtschaftliche Lösung auf. Die Verfügbarkeit von farbtauglicheen CCD-Zeilensensoren stellt drei Zeilensensoren mit untereinander unterschiedlicher Sensitivität bezüglich der Wellenlänge des verwendeten Lichtes in Form eines Sensors zur Verfügung. Es sind somit Lichtstrahlen von drei verschiedenen Beleuchtungseinrichtungen bei geeigneter Wahl der Wellenlängen des verwendeten Lichtes besonders einfach mit einem Sensor zu detektieren. Eine aufwendigere Auswertung für den Sensor ermöglicht zumindest theoretisch eine unbegrenzte Anzahl verschiedenfarbiger Lichtstrahlen mit einem Sensor selektiv zu detektieren.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Form des Lichtflecks,

Fig. 2 eine Darstellung mit beleuchteten Rändern,

Fig. 3 eine Ausführung des Lichtflecks mit Sensor,

Fig. 4 eine Möglichkeit zur Signalauswertung,

Fig. 5 eine Anordnung zur 6D-Messung,

Fig. 6 eine Anordnung zur 6D-Messung mit einem Lichtfleck.

Zur Verdeutlichung von zulässigen Lichtfleckformen ist in Fig. 1 eine Möglichkeit angegeben. Die Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks entspricht in dem dort eingeführten kartesischen Koordinatensystem rst dem Verlauf der t-Achse. Auf einer durch r- und s-Achsen aufgespannten Ebene sowie dazu parallelen Ebenen läßt sich der Lichtfleck, wie in Fig. 1 schraffiert markiert, projezieren. Die charakteristischen Berandungen in beiden Richtungen der s-Achse entsprechen hier einem Verlauf f₁(r) und f₂(r). In dem gewählten Ausführungsbeispiel gilt zusätzlich noch die Beziehung f₁(r) = -f₂(r), da diese Berandungen spiegelsymmetrisch zur r-Achse verlaufen. Die Berandungen in den Richtungen der r-Achse sind im Ausführungsbeispiel als gerade Strecken parallel zur s-Achse gewählt. Diese Strecken geben nur Begrenzungen des Lichtflecks an, die für das Funktionsprinzip ohne Bedeutung sind.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für mögliche Lichtfleckformen ist die in Fig. 2 dargestellte und aus Fig. 1 abgeleitete Form. Die Beschreibung der charakteristischen Berandung entspricht der von Fig. 1. Der Unterschied besteht darin, das nunmehr nicht die gesamte durch den Lichtfleck beschriebene Fläche beleuchtet ist, sondern nur der Randbereich eines angenommenen Lichtflecks, der der Form des in Fig. 1 beschriebenen Lichtflecks entspricht. Eine weitere Reduzierung von beleuchteten Flächenteilen des Leuchtflecks könnte derart erfolgen, daß die Berandungen, die die r-Achse schneiden, entfallen.

Die Wahl eines Lichtflecks in Form eines Dreiecks kann mit einer Anordnung gemäß Fig. 3 zur Ermittlung von Verschiebungen zweier Komponenten zueinander, somit in bezug auf zwei Freiheitsgrade, verwendet werden. Der einen Komponente ist hierbei ein kartesisches Koordinatensystem uvw zugeordnet in dem eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Lichtflecks 51 angeordnet ist. Die Beleuchtungseinrichtung befindet sich im Ursprung dieses Koordinatensystems uvw und die Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks, die optische Achse der Beleuchtungseinrichtung, entspricht dem Verlauf der w- Achse. Die w-Achse und somit der Lichtfleck ist auf die zweite Komponente gerichtet. Die Dreieckform des Lichtflecks ist dadurch charakterisiert, das es sich um ein rechtwinklige Dreieck handelt, wobei sich die Ecke mit dem rechten Winkel im Nullpukt der durch u- und v-Achsen aufgespannten Ebene befindet. Ausgehend vom Ursprung befindet sich die Seite h_D auf dem positiven Teil der u-Achse und die Seite b_D auf dem positiven Teil der v-Achse. An der zweiten Komponente ist ein Koordinatensystem xyz eingeführt, dessen durch x- und y-Achsen aufgespannte Ebene sich parallel zu der uv-Ebene befindet. Ein CCD-Zeilensensor 50 ist in einer Meßfläche, die durch die x- und y-Achsen aufgespannt ist, derart angeordnet, daß der selektive Bereich parallel zur y-Achse verläuft. Der Sensor ist im Abstand a_S von der y-Achse angeordnet und hat die Länge l_S. Der selektive Bereich des Sensors 50 verläuft somit, bezogen auf das xyz-Koordinatensystem, von (a_S, 0, 0) nach (a_S, l_S, 0). Die Kennzeichnung der Position, ab der der Sensor 50 beleuchtet ist, mit y_A und der Position, von der an der Sensor 50 wieder nicht beleuchtet ist, mit y_E, läßt sich eine einfache Beziehung zur Ermittlung der Verschiebung angeben. Das Auftreffen der w-Achse in einer xy-Ebene des Koordinatensystems xyz läßt sich angeben als:

x_uvw = a_S-h_D + (y_E-y_A) _* h_D/b_D

y_uvw = y_A .

Dies entspricht der Projektion des Ursprungs von Koordinatensystem uvw in das Koordinatensystem xyz.

Als Ausführungsbeispiel für eine einfache Signalverarbeitung und Auswertung dient die in Fig. 4 aufgezeigte Anordnung. Im folgenden wird der sinngemäße Ablauf für einen Meßzyklus beschrieben. Zur Bereitstellung von Takt- und Triggersignalen sowie zur Synchronisation der einzelnen Baugruppen ist eine übergeordnete Steuerung 60 eingeführt. Diese Steuerung 60 ermöglicht durch Steuersignale 61 einen CCD-Zeilensensor 50 bestimmungsgemäß zu betreiben. Hierzu werden zu Beginn des Zyklus der Beleuchtungszustand der einzelnen Sensorelemente in einem oder mehreren Schieberegistern, die im CCD- Zeilensensor 50 integriert sind, zwischengespeichert. Sodann werden diese Informationen seriell, als analoge Meßsignale 51, aus dem Zeilensensor 50 unter Anwendung eines mit 61 zugeführten Taktes, herausgeführt. Diese Signale 51 werden dem Komparator 52 zugeführt. Die Steuerung 60 führt mit Signalen 62 und 63 den Zählern 64 und 67 Zählimpulse zu, die mit dem in 61 enthaltenen Takt synchronisiert sind. Weiterhin enthalten 62 und 63 Rücksetzsignale um die Zähler 64 und 67 zu Beginn des Zyklus in einen definierten Ausgangszustand zu führen. Die dem Komparator 52 entnommenen Steuersignale 53 und 54 werden zur Torsteuerung, die eine Zählerfreigabe bewirkt, von 64 und 67 verwendet. Die Zählerstände werden weiterhin mit 65 bzw. 68 an Anzeigeeinheiten 66 bzw. 69 übertragen. Die gesamte Anordnung ermöglicht es somit auszuwerten, das wievielte Sensorelement, auch Pixle genannt, im Verlauf der Sensorzeile als erstes beleuchtet ist und welches Sensorelement dann wieder als erstes im weiteren Verlauf nicht beleuchtet ist. Somit lassen sich die auf Fig. 3 bezogenen Koordinaten y_A und y_E als Zahlenwerte direkt mit 66 und 69 anzeigen. Der Stand der Technik erlaubt eine weitgehende Integration der Anordnung von Fig. 4 durch eine komplexe integrierte Schaltung, z. B. LCA oder FPGA, oder Realisierung mit einem Mikrocontroller.

In dem durch Fig. 3 angegebenen Beispiel ist eine Beschränkung der Ermittelbarkeit bezogen auf zwei Freiheitsgrade, nämlich die, die durch Verschieben bewirkt werden, gegeben. Der allgemeine Fall, Bewegungen bezüglich aller 6 Freiheitsgrade ermitteln zu können, ist mit dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 gegeben. In dem an der ersten Komponente eingeführten Koordinatensystem uvw sind drei Beleuchtungseinrichtungen 11, 12 und 13 derart angeordnet, daß die Ausbreitungsrichtungen 21, 22 und 23 der Lichtflecken, die optischen Achsen der drei Beleuchtungseinrichtungen, auf eine Meßfläche 4 gerichtet sind. Die Ausbreitungsrichtungen 21, 22 und 23 verlaufen dabei weder zueinander noch zum Normalenvektor der Ebene 1 parallel. In der durch x- und y-Achsen aufgespannten Meßfläche 4 des der zweiten Komponente zugeordneten Koordinatensystems xyz sind drei CCD-Zeilensensoren 41, 42 und 43 derart angeordnet, daß diese selektiv zur Detektion der Lichtflecke 31, 32 und 33 verwendet werden. Die Auswertung der einzelnen Sensorsignale kann z. B. wieder mit einer Anordnung nach Fig. 3 durchgeführt werden. Bewegungen der Komponenten zueinander führen zu Signaländerungen der Sensoren die in der Regel nicht direkt einzelnen Teilbewegungen bzw. Freiheitsgraden zugeordnet werden können. Eine rechnerische Verknüpfung von ermittelten Meßwerten der einzelnen Sensoren läßt auf Bewegungen bezüglich aller 6 Freiheitsgrade schließen. Diese genaue Angabe der Rechenoperationen ist abhängig von der tatsächlichen Dimensionierung des Ausführungsbeispiels. Eine weitere Ausführung wird hier nicht vorgenommen, da die Vorgehensweise Stand der Technik und nicht Gegenstand der Erfindung ist.

Das Ausführungsbeispiel in Fig. 6 führt gegenüber Fig. 5 eine Veränderung derart ein, daß anstelle von drei Beleuchtungseinrichtungen nur noch eine Beleuchtungseinrichtung 10 verwendet wird. Diese Beleuchtungseinrichtung 10 projeziert ein Dreieck 30. Die Lichtabstrahlung geschieht dabei bezogen auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks, die optische Achse der Beleuchtungseinrichtung, divergent. Durch diese Wahl der Beleuchtung wird eine Sensitivität gegenüber Distanzänderungen erreicht, so daß auch bei Verwendung nur einer Beleuchtungseinrichtung Bewegungen der den beiden Koordinatensystemen uvw und xyz zugeordneten Komponenten bezüglich der 6 Freiheitsgrade ermittelbar sind.

Claims (19)

1. Verfahren zur berührungslosen zweidimensionalen Positionsbestimmung eines Meßpunktes auf einer Meßfläche mit einem positionsempfindlichen Sensor und einer Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines optischen Meßpunktes auf der Meßfläche, wobei der optische Meßpunkt durch einen Lichtfleck dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des projezierten Lichtflecks von einem Kreis verschieden und bekannt ist und ein eindimensionaler Sensor verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Lichtflecks so geeignet gewählt wird, daß durch die Länge und die Position des von dem Lichtfleck beleuchteten Teils des Sensors auf eine zweidimensionale Position geschlossen werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Lichtflecks bezogen auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks konstant ist, entsprechend einer parallelen Lichtabstrahlung.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Form des Lichtflecks entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks proportional und linientreu bezogen auf die Projektion des Lichtflecks in der Ebene, deren Normale der Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks entspricht, verändert, die Lichtabstrahlung bezogen auf die Ausbreitungsrichtung somit konvergiert oder divergiert.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Beschreibung von zwei gegenüberliegenden Berandungen des Lichtflecks mit f₁(r) und f₂(r), wobei r die Variable der Richtung einer Senkrechten zur Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks darstellt, die Ableitung df(r)/dr der Differenzfunktion f(r) = f₁(r)-f₂(r) über den gesamten Verlauf positiv, (df(r)/dr)<0, oder negativ, (df(r)/dr)<0, ist, wodurch die Breite des Lichtflecks in einer Richtung bezogen auf die Ausbreitung der Senkrechten verringert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Lichtflecks ein Dreieck beschreibt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Seite des Dreiecks auf einer Senkrechten zur Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks befindet.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Darstellung des Lichtflecks nicht die gesamte, den Lichtfleck beschreibende Fläche, beleuchtet ist, sondern nur der Rand der zu beschreibenden Fläche eines gedachten Lichtflecks beleuchtet ist oder nur Teile dieses Randes beleuchtet sind.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Beleuchtungseinrichtung optische Elemente befinden, durch die die Form des Lichtflecks bewirkt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle befindet, durch deren besondere Art die Form des Lichtflecks bewirkt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Beleuchtungseinrichtung eine Anordnung von Lichtquellen befindet, durch die die Form des Lichtflecks bewirkt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Beleuchtungseinrichtung und bzw. oder vor dem Sensor optische Elemente zur Meßbereichs- und bzw. oder Auflösungsanpassung befinden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Beleuchtungseinrichtung und Sensor optische Elemente zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichtflecks befinden.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für den eindimensionalen Sensor ein CCD-Zeilensensor verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Datensignale des Sensors durch eine Anordnung von Komparator und Digitalzählern derart verarbeitet werden, daß die Position und die Länge des beleuchteten Sensorteiles bezogen auf den sensitiven Teil der Meßfläche direkt ermittelbar sind.

16. Anordnung von Verfahren nach Ansprüchen 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Positionsbestimmungen für verschiedene Freiheitsgrade sensitiv sind und somit erweiterte Positionsbestimmungen bezogen auf bis zu allen 6 Freiheitsgraden des dreidimensionalen Raumes möglich sind.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich mehrere Sensoren in einer Ebene befinden.

18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtungseinrichtung für mehr als einen Sensor verwendet wird.

19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die spezielle Bauform des Sensors einer Anordnung von mehreren Zeilensensoren an derselben Stelle entspricht.