DE4415834C2 - Vorrichtung zur Vermessung von Entfernungen und räumlichen Koordinaten - Google Patents
Vorrichtung zur Vermessung von Entfernungen und räumlichen KoordinatenInfo
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Description
Bekannte Vorrichtungen auf Basis von bildgebenden Triangulationsverfahren zur
Vermessung von räumlichen Koordinaten weisen jeweils charakteristische Nachteile
auf, die ihren Einsatz in der praktischen Anwendung z. T. stark einschränken. Diese
Einschränkungen resultieren vornehmlich aus der Art der verwendeten
Projektionstechnik. Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet diese
Schwierigkeiten durch eine neuartige Projektionseinheit, bei der die zu projizierenden
Lichtstrukturen auf einem gemeinsamen Träger mit definierter Phasenlage angebracht
sind.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Pa
tentanspruches 1.
Eine solche Vorrichtung arbeitet derart, daß das zu vermessende Objekt mit
strukturierten Lichtmustern beleuchtet wird und diese aufprojizierten Objektraster von
einem unter einem Winkel zur Beleuchtungsrichtung angeordneten
Beobachtungssystem mit einer Kamera aufgenommen und gemäß den
Triangulationsgesetzen ausgewertet werden, wobei die Information von mehreren
Objektrastern verarbeitet wird.
Eine Vorgehensweise dieser Art ist aus der Literatur (Breuckmann, Lübeck, VDI-Bericht 679,
1988) als Phasenshiftverfahren bekannt und wird in US-PS 4641 972 im einzelnen
beschrieben. Ein wesentliches Problem des Phasenshiftverfahrens resultiert aus der
Tatsache, daß in einem beliebigen Objektpunkt nicht ohne weiteres die absolute
Ordnung des Streifenmusters erfaßt werden kann und daher im allgemeinen nur relative
Entfernungen bzw. Objekt-Koordinaten gemessen werden können.
In EP-0 379 079 A1 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem dieser Nachteil vermieden
werden kann. Dazu wird nacheinander eine Anzahl n, n ≧ 2, von helligkeitsmodulierten
Lichtstrukturen mit unterschiedlicher Periodenlänge auf das Objekt projiziert, so daß
von der Kamera mehrere Objektraster erfaßt werden können. Für jedes Objektraster
wird eine Phasenshiftauswertung durchgeführt. Damit errechnet sich für jeden
Objektpunkt ein Satz von n Phasenwerten, aus denen sich eindeutig die absolute
räumliche Lage des Objektpunktes bestimmen läßt. Eine Schwierigkeit bei diesem
Verfahren besteht darin, daß die Phasenlage der einzelnen, in den
Projektionsstrahlengang eingebrachten Lichtstrukturen nicht automatisch hinreichend
definiert ist, mit der Folge von möglichen systematischen Meßfehlern. In EP-0 379 079 A1
wird daher auch eine Vorrichtung beschrieben, um diese Problematik zu lösen.
Dabei werden die zu projizierenden Lichtstrukturen als Strichgitter auf einem
gemeinsamen Träger angeordnet, auf dem zusätzlich Referenzmarken angebracht sind,
bezüglich derer die Strichgitter eine definierte Phasenlage aufweisen. Mittels einer
Verschiebeeinheit kann der gemeinsame Träger bewegt werden, wobei die Phasenlage
der einzelnen Strichgitter über die Referenzmarken kontrolliert und gesteuert wird.
Dazu müssen allerdings zusätzliche Mittel für eine hochpräzise Verschiebeeinheit und
Phasenregelung bereitgestellt werden, insbesondere, wenn mit Strichgittern hoher
Liniendichte gearbeitet wird, wie sie für eine miniaturisierte Bauweise der
Projektionseinheit benötigt werden.
Ein anderes topometrisches Verfahren zur räumlichen Koordinatenbestimmung beruht
auf dem sogenannten codierten Lichtansatz (Wahl, 8. DGAM-Symposium, 1986). Eine
besonders für den praktischen Einsatz dieses Verfahrens geeignete Ausführung arbeitet
mit einem programmierbaren LCD-Projektor zur Erzeugung der codierten
Lichtstrukturen. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens liegt in seiner relativ
geringen Auflösung, die für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend ist.
In anderen Quellen (DE 41 20 115 A1), (Krattenthaler, Mayer, Duwe, 1993), (Halbauer,
Diplomarbeit 1993) wird ein Verfahren beschrieben, welches durch Kombination des
Phasenshiftverfahrens mit dem codierten Lichtansatz die Vorteile dieser beiden
Verfahren vereint und ihre Nachteile dabei vermeidet. Eine praktische Ausführung
dieses Verfahrens kann ebenfalls mit einem LCD-Projektor zur Erzeugung der
benötigten Lichtstrukturen realisiert werden. Ein gravierender Nachteil resultiert aus der
begrenzten Auflösung der LCD-Displays sowie ihrer relativ großen Bauweise.
Meßsysteme zur räumlichen Koordinatenbestimmung auf Basis von LCD-Displays sind
daher in ihrer Anwendungsbreite eingeschränkt, insbesondere wenn eine kleine
Bauweise bei hoher Meßgenauigkeit gefordert ist.
Aus der DE-PS 24 47 789 ist eine Vorrichtung mit den oberbegrifflichen
Merkmalen des Hauptanspruches bekannt.
Genauer gesagt beschreibt dieser Beitrag aus dem Stand der Technik
einen mit Hilfe von Maskentransportspulen verschiebbaren
Maskenstreifen, um ein auf ein Objekt zu projizierendes Streifenmuster
zu erzeugen.
Allerdings erweist sich eine solche Vorrichtung insbesondere durch die
gezeigte konstruktive Realisierung für eine phasengenaue Projektion
von Gittern mit hoher Strichdichte als ungeeignet, und insbesondere
steht zu erwarten, dass die vorhandenen mechanischen Toleranzen die
mit der bekannten Vorrichtung erreichbaren Auflösungen deutlich
begrenzen.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
welche die den genannten Ausführungen innewohnenden Schwierigkeiten vermeidet,
gleichzeitig aber die Vorteile der einzelnen Verfahren beibehält und/oder kombiniert.
Die erfindungsmäßige Lösung dieser Aufgabe besteht in den
Merkmalen nach Patentanspruch 1, vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit die Merkmale auf, daß die zur
Erzeugung von unterschiedlichen Lichtstrukturen benötigten Projektionsgitter auf
einem gemeinsamen Träger bereits mit definierter Phasenbeziehung angeordnet sind und
der Träger mittels einer Verschiebeeinrichtung mit justierbarer Träger
führung so im Projektor bewegt werden kann, daß
nach erfolgter Justierung die einzelnen Projektionsgitter
phasenrichtig in einen Messraum projiziert werden.
Als Träger kann z. B. eine mit
einer Chromschicht beschichtete Glasplatte dienen, auf die die einzelnen
Projektionsgitter aufbelichtet werden. Mit den aus der Halbleitertechnik bekannten
Verfahren lassen sich Gitterstrukturen mit hoher Liniendichte, variablen
Gitterabständen und Intensitätsverteilungen sowie definierter Phasenlage auf sehr
kleinen Abmessungen realisieren.
Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Unteranspruch
2 ausgeführt. Dabei werden Liniengitter verwendet, die - wie in Fig. 1 beispielhaft
dargestellt - bezogen auf ihre Gitterstruktur übereinander phasenrichtig angeordnet
sind. Um die einzelnen Liniengitter 1, 2, 3 in den Strahlengang der Projektionseinheit zu
bringen, wird der gemeinsame Träger 4 senkrecht zur Gitterstruktur bewegt.
Der Unteranspruch 3 beschreibt eine weitere vorteilhafte Ausführung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine besonders komprimierte Speicherung von
Liniengittern gestattet, wodurch Projektionseinrichtungen mit sehr kleiner Bauweise
ermöglicht werden. Da - wie in Fig. 2 dargestellt - bei Liniengittern die gesamte
Information in einem Schnitt senkrecht zum Linienverlauf enthalten ist, ist es
ausreichend, ein schmales Projektionsband 6 mit der benötigten Linien-Struktur auf dem
Träger zu belichten. Durch eine geeignete Zylinderoptik 7 oder anamorphotische
Abbildung kann das Projektionsband mit den benötigten Abbildungsverhältnissen
aufgeweitet und in die Objektebene 8 projiziert werden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Tatsache, daß
auf dem Träger eine große Anzahl von unterschiedlichen Projektionsgittern gespeichert
werden kann, wobei die Gitterparameter der einzelnen Gitter in weiten Grenzen
variabel sind. In den Unteransprüchen 4-10 sind vorteilhafte Ausführungen genannt, die
durch Wahl der Projektionsgitter realisiert werden können.
1
,
2
,
3
Gitterstrukturen
4
justierbarer gemeinsamer Träger
5
Verschiebeeinheit
6
Projektionsband
7
Zylinderoptik
8
Objektebene
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Vermessung von Entfernungen und räum
lichen Koordinaten von Objektpunkten und/oder Bewegun
gen von Objektpunkten unter Anwendung von bildgebenden
Triangulationsverfahren (topometrischen Messverfahren)
mit
- - einem Projektor zur Projektion von strukturierten Lichtmustern;
- - einer Anzahl von Projektionsgittern mit unter schiedlich codierten Lichtstrukturen;
- - einem Viewing-System zur Beobachtung der auf das Objekt aufprojizierten Lichtstrukturen und
- - einer Erfassungs- und Auswerteeinheit, mit der aus vom Viewing-System beobachteten Objektrastern die absolute Lage der Objektpunkte ermittelt wird,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Projektion Liniengitter verwendet werden, die
- bezogen auf die Gitterstruktur - übereinander ange
ordnet sind/und die Verschiebung des Trägers senkrecht
zur Gitterstruktur erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass zur Projektion von Liniengittern diese
senkrecht zur Gitterstruktur komprimiert auf dem Träger
gespeichert werden und die so komprimierten Gitter
durch eine geeignete Abbildung in den Messraum proji
ziert werden, wobei durch Wahl der unterschiedlichen Ab
bildungsmaßstäbe in x- und y-Richtung das Gitter wieder
aufgeweitet werden kann.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Codierung der Lichtstrukturen
nach dem Phasenshiftverfahren erfolgt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, dass Lichtstrukturen mit sinus
förmiger Intensitätsverteilung projiziert werden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung der
Lichtstrukturen so erfolgt, dass nach dem Phasenshift
verfahren Raster mit unterschiedlichen Gitterperioden
projiziert werden, wobei das Verhältnis der Gitterperi
oden so gewählt ist, dass eine eindeutige Triangulation
möglich ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Codierung der Lichtstrukturen
nach dem codierten Lichtansatz erfolgt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Codierung der Lichtstrukturen
durch eine Kombination von Phasenshiftverfahren und co
diertem Lichtansatz erfolgt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass farbcodierte Lichtmuster verwendet
werden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Codierung der Lichtstrukturen
durch eine Kombination von Phasenshiftverfahren, co
diertem Lichtansatz und Farbcodierung erfolgt.
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