DE69013899T2

DE69013899T2 - Gerät zur messung dreidimensionaler koordinaten.

Info

Publication number: DE69013899T2
Application number: DE69013899T
Authority: DE
Inventors: Kazunori Nagakute-Shataku 405 Aichi-Gun Aichi-Ken 480-11 Higuchi; Osamu Nagoya-Shi Aichi-Ken 464 Ozeki; Shin Nagoya-Shi Aichi-Ken 458 Yamamoto
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-12-26
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2010-12-27
Also published as: US5280542A; WO1991010111A1; EP0462289A1; EP0462289B1; DE69013899D1; EP0462289A4

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein XYZ-Koordinaten-Meßsystern, und insbesondere Verbesserungen einer Vorrichtung zum genauen und raschen Messen von XYZ-Koordinaten auf einem sich bewegenden oder vibrierenden Gegenstand, dessen körperliche Lage sich entlang einer Schlitzlinie (Spaltlinie) ändert. Die Erfindung betrifft auch Verbesserungen einer Vorrichtung zum genauen und raschen Messen von XYZ-Koordinaten auf einem Gegenstand, der sehr unterschiedliche Reflexionsvermögen aufweist, weil er in verschiedenen Farben gestrichen ist.

Technischer Hintergrund

Bei Produnktionsprozessen zum Fertigen mechanischer Teile oder Produkte ist es häufig erforderlich, XYZ-Koordinaten auf einem sich bewegenden oder vibrierenden Gegenstand mit hoher Geschwindigkeit zu erfassen, um die Abmessungen des Gegenstands zu messen oder den Gegenstand zu überprüfen. Besonders dann, wenn der zu untersuchende Gegenstand eine dreidimensionale Kontur besitzt, besteht ein besonderes Bedürfnis an einer raschen Erfassung der XYZ-Koordinaten zahlreicher Punkte auf der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstands, um das dreidimensionale Profil des Gegenstands effizient und präzise zu messen und so die geometrischen Merkmale des Gegenstands herauszufinden. Eine bekannte Meßvorrichtung sieht das Projizieren von Lichtschlitz-Impulsen (Lichtspalt- Impulsen) auf die Oberfläche des Gegenstands, sowie das arithmetische Verarbeiten lediglich der Nachbarschaften des zweiwertigen Lichtschlitzbildes vor, um das Profil des sich bewegenden Gegenstands rasch zu erfassen (Japanische Patent-Offlegungschrift Nr. 78109/1989).
Bei dieser bekannten Meßvorrichtung wird die Mittelposition der Schlitzlinie in eine dünne Linie umgesetzt, nachdem die Mittelposition in zwei Werte umgewandelt wurde. Daher ist das Auflösungsvermögen für die Mittelposition der Schlitzlinie 0,5 Bildelement, so daß die Genauigkeit, mit der das Profil erfaßt wird, gering ist. Außerdem sind zum Lesen von Teilen der TV-Kamera-Signale eine spezielle Kamerasteuerung und ein spezieller arithmetischer Steuerteil notwendig. Damit ist das System teuer. Auf diese Weise müssen einige Probleme gelöst werden, um das System für die praktische Anwendung geeignet zu machen.
Der vorliegende Erfinder sowie weitere Personen haben einen Vorrichtung entwickelt, welche XYZ-Koordinaten auf Echtzeitbasis mittels optischer Triangulation erfaßt, wozu eine Lichtschlitzquelle und eine TV-Kamera verwendet werden. Jedesmal, wenn die TV- Kamera eine Horizontalabtastung vollzieht, wird der Schwerpunkt der Schlitzlinie erfaßt, und dann werden die XYZ-Koordinaten auf Echtzeitbasis unter Bezugnahme auf eine Datentabelle ermittelt.
Allerdings ist diese Vorrichtung nicht in der Lage, XYZ-Koordinaten in geeigneter Weise festzustellen. Insbesondere wird Schlitzlicht kontinuierlich projiziert, und das reflektierte Licht wird für eine 1/30 Sekunde durch die TV-Kamera abgebildet. Wenn sich der untersuchte Gegenstand während dieser 1/30 Sekunde bewegt, wird das Bild verschwommen.
Gibt es in einer Fabrik oder dergleichen störendes Licht mit einem breiten Bereich von Wellenlängen, beispielsweise Sonnenlicht, so kann ein ausreichend hoher Rauschabstand (im folgenden als S/N bezeichnet) nicht erhalten werden, wenn man bloß ein Bandpaßfilter verwendet, welches lediglich die Wellenlänge der Lichtschlitzquelle durchläßt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, die vorstehend genannten Probleme der üblichen Methoden zu lösen. Es ist Ziel der Erfindung, ein XYZ-Koordinaten-Meßsystem anzugeben, welches XYZ-Koordinaten auf einem sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Gegenstand korrekt erfaßt, das die Intensität des projizierten Lichtschlitzes in einem breiten Bereich zu ändern vermag, um gutes reflektiertes Licht von solchen Gegenständen zu erhalten, die unvorhersagbar stark unterschiedliche Reflexionsvermögen aufweisen, das automatisch und richtig die Intensität des projizierten Schlitzlichtes für Gegenstände unterschiedlicher Reflexionsvermögen einstellt, eine korrekte Messung von XYZ-Koordinaten auch dann vornimmt, wenn Mehrfachreflexion erfolgt, und in der Lage ist, XYZ- Koordinaten auch bei Vorhandensein von störendem Licht, wie z.B. Sonnenlicht, richtig zu messen.
Ein XYZ-Koordinaten-Meßsystem gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt: Eine Lichtschlitzquelle zum Projizieren eines Lichtschlitzes auf die Oberfläche eines zu messenden Gegenstands unter einem gegebenen Winkel; eine TV-Kamera zum Abbilden der auf der Oberfläche des Gegenstands durch den Lichtschlitz gebildeten Schlitzlinie; eine Impulssignalgeneratorschaltung, die ein Impulslichtprojektionssignal liefert, um die Lichtschlitzquelle zu veranlassen, synchron mit dem Halbbildsignal der TV- Kamera einen Lichtimpuls zu projizieren, und die ein Berechnungszeitspannen-Einstellsignal ausgibt; eine A/D-Wandlerschaltung zum Umwandeln eines von der TV-Kamera ausgegebenen Videosignals synchron mit jeder Horizontalabtastung der TV-Kamera in ein digitales Videosignal Vi; eine Schwellenwert-Einstellschaltung zum Einstellen eines Schwellenwerts, der dazu dient, die Schlitzlinie aus dem Videosignal zu detektieren; eine Schlitzliniendetektorschaltung zum Ausgeben eines Schlitzlinien-Detektorsignals nur dann, wenn das digitale Videosignal Vi den Schwellenwert überschreitet; eine Horizontaladressen-Erzeugerschaltung zum Erzeugen von Horizontaladressen Ki, welche die Positionen von Horizontalbildelementen einer bildgebenenden Einrichtung der TV-Kamera angeben; eine akkumulative Addierschaltung zum Akkumulieren des über die A/D-Wandlerschaltung ausgegebenen Videosignals Vi, während die Schlitzlinien-Detektorschaltung das Schlitzlinien-Detektorsignal ausgibt; eine akkumulative Multiplizierschaltung zum Akkumulieren des Produkts Vi x Ki des über die A/D-Wandlerschaltung ausgegebenen Videosignals Vi und der von der Horizontaladressen-Erzeugerschaltung ausgegebenen Horizontaladresse Ki, während die Schlitzlinien-Detektorschaltung das Schlitzlinien-Detektorsignal ausgibt; eine Horizontalabbildungspositions-Detektorschaltung, welche das Ausgangssignal Σ Vi x Ki von der akkumulativen Multiplizierschaltung dividiert durch das Ausgangssignal Σ Vi der akkumulativen Addierschaltung und den erhaltenen Quotienten Ks als ein Horizontalabbildungspositionssignal erzeugt; eine Vertikalabbildungspositions-Detektorschaltung, die die horizontalen Synchronsignale von der TV-Kamera zählt und die vertikale Abbildungsposition Ls erfaßt; eine Nachschlagetabelle, in der vorab Tabellen gespeichert wurden, welche die Beziehungen von Horizontal-und Vertikalabbildungspositionen zu den momentanen Werten der XYZ-Koordinaten auf der Oberfläche des Gegenstands darstellen, die die Verzerrung des Objektivs der TV-Kamera korrigiert, und aus der die Werte der XYZ- Koordinaten auf der Oberfläche des Gegenstands gemäß der erfaßten Horizontalabbildungsposition Ks und der erfaßten Vertikalabbildungsposition Ls entnommen werden; und einen Speicher, in den die von der Nachschlagetabelle erhaltenen XYZ-Koordinaten nur während gewisser Zeitspannen synchron mit dem Berechnungszeitspannen-Einstellsignal eingeschrieben werden.
Das XYZ-Koordinaten-Meßsystem mit dem obigen Aufbau projiziert einen impulsförmigen Lichtschlitz auf die Oberfläche eines Gegenstands, dessen Lage sich physikalisch ändert. Beispielsweise bewegt sich der Gegenstand, oder er vibriert. Die Höhe und die Breite des Impuls-Lichtschlitzes werden von der Impulssignalgeneratorschaltung eingestellt. Die von jedem Impuls-Lichtschlitz erzeugte Schlitzlinie fällt nur während der kurzen Dauer des Impuls auf die TV-Kamera. Deshalb ist das von der TV-Kamera erzeugte Lichtschlitzbild frei von Verschwommenheiten, es ist also scharf. Als Folge davon läßt sich die Horizontalabbildungsposition des Lichtschlitzbildes genau erfassen. Dies ermöglicht eine präzise Ermittlung der XYZ-Koordinaten.
Die mittlere Energie des projizierten Impuls-Lichtschlitzes läßt sich stabil in einem Bereich von 1 zu mehr als 50.000 variieren (der Bereich der variablen Lichtquellen-Ausgangsleistung entsprechend der Höhe des Impulses von 1 zu etwa 50 x dem Bereich der veränderlichen Impulsbreite von 1 : mehr als 1.000). Deshalb läßt sich ein gutes reflektiertes Signal von einem Gegenstand gewinnen, dessen Reflexionsvermögen stark schwankt, wie es z.B. bei einer mit Farbe besprühten Automobilkarosserie der Fall ist. Die aus der Nachschlagetabelle entnommen Werte der XYZ-Koordinaten werden in den Speicher eingeschrieben, um die XYZ-Koordinaten nur zu speichern, während die Impulssignalgeneratorschaltung das Berechnungsabschnitteinstellsignal erzeugt. Damit werden die Werte der XYZ-Koordinaten des Gegenstands in dem Augenblick genau gemessen, in welchem der Impuls projiziert wird. Die Berechnungszeitspanne bestimmt sich durch die Besonderheiten der verwendeten TV-Kamera. Enthält die TV-Kamera CCDs, so nimmt sie im allgemeinen ein Bild in einer Halbbildperiode auf, um dann ein Videosignal zu erzeugen, welches das Bild innerhalb der Vollbildzeitspanne unmittelbar im Anschluß an jene Halbbildzeitspanne darstellt. In diesem Fall ist die Berechnungszeitspanne eine Vollbildzeitspanne, die sich unmittelbar an dasjenige Halbbild anschließt, bei dem der Impuls-Lichtschlitz projiziert wurde.
Die TV-Kamera liefert sukzessive Videosignale synchron mit den Horizontalabtastungen der Kamera. Immer dann, wenn das Ausgangssignal eines Horizontalabtast-Videosignals von der TV-Kamera abgeschlossen ist, werden sofort die Horizontalabbildungsposition Ks und die Vertikalabbildungsposition Ls der Schlitzlinie auf dieser Horizontalabtastzeile festgestellt. Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von gewichteter Mittelwertbildung insbesondere bei der Erfassung der Horizontalabbildungsposition Ks, so daß eine akkurate Positionserfassung realisiert wird.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden die dreidimensionalen Koordinaten (X, Y, Z) zahlreicher Punkte P, bei denen die Schlitzlinie gemessen wird, praktisch gleichzeitig mit der Erfassung der Abbildungspositionen Ks und Ls auf Echtzeitbasis erhalten. Diese zahlreichen Punkte P (gegeben durch P&sub0;, P&sub1;, usw.) existieren auf den Abtastzeilen entsprechend den Abbildungspositionen Ks und Ls.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Entsprechung der Horizontalabbildungsposition Ks und der Vertikalabbildungsposition Ls zu den dreidimensionalen Koordinaten (X, Y, Z) auf der aktuellen Oberfläche des Gegenstands vorab gemessen und festgelegt, wobei die Verzerrung des Objektivs der TV-Kamera berücksichtigt wird. Die Ergebnisse werden dazu benutzt, Tabellen zu erzeugen, welche in die Nachschlagetabelle eingeführt werden. Ansprechend auf die erfaßte Horizontalabbildungsposition Ks und die Vertikalabbildungsposition Ls können die Werte der dreidimensionalen Koordinaten (X, X, Z) auf der Oberfläche des Gegenstands korrekt und rasch geliefert werden, ohne das irgendeine Spezialberechnung durchgeführt wird, und ohne das sie durch die Verzerrung des Objektivs beeinflußt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagrarnm eines ersten Beispiels der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Impulsdiagramm, welches das erste Beispiel der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Beispiels der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches das zweite Beispiel der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines dritten Beispiels der Erfindung;
Fig. 6(a) ist ein Flußdiagramm, welches das dritte Beispiel der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 6(b) ist ein Diagramm, welches den Zustand des Videosignals von einer TV-Kamera für den Fall veranschaulicht, daß Mehrfachreflexionen stattfinden;
Fig. 7(a) und 7(b) sind Diagramme, welche die Zustände der Videosignale von einer TV-Kamera veranschaulichen;
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, in der die Intensität des Videosignals von einer TV-Kamera gegenüber der Intensität des projizierten Lichtschlitzes aufgetragen ist;
Fig. 9(a) ist eine grafische Darstellung der Schwankungen von Vmax mit sich ändernder Intensität des projizierten Lichtschlitzes;
Fig. 9(b) ist eine grafische Darstellung der Schwankungen von W bei sich ändernder Intensität des projizierten Lichtschlitzes;
Fig. 9(c) ist eine grafische Darstellung, welche die Schwankungen von Σ Vi bei sich ändernder Intensität des projizierten Lichtschlitzes veranschaulicht;
Fig. 10 ist ein Diagramm, welches die Art und Weise veranschaulicht, auf die die Energie des Lichtschlitzes und die Energie von Sonnenlicht auf eine TV-Kamera auftreffen;
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm eines vierten Beispiels der Erfindung;
Fig. 12 ist ein Zeitablaufdiagrarnm, welches das vierte Beispiel der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm eines fünften Beispiels der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssignalgeneratorschaltung das Berechnungszeitspanneneinstellsignal an den Speicher nur während einer Vollbildzeitspanne unmittelbar im Anschluß an diejenige Halbbildzeitspanne ausgibt, in der ein Signal zum Treiben der Lichtschlitzquelle zum Projizieren von Impulslicht ausgegeben wurde. Allgemein gesagt, nimmt eine CCD-TV-Kamera ein Bild während einer Halbbildzeitspanne auf und liefert dann ein für das aufgenommene Bild kennzeichnendes Videosignal innerhalb einer Vollbildzeitspanne, die unmittelbar an jene Halbbildzeitspanne anschließt. Auf diese Weise werden die Werte der Koordinaten zur Zeit der Abgabe des Impuls-Lichtschlitzes korrekt in dem Speicher abgespeichert.
Die arithmetische Operation in Synchronisation mit der Projizierung des Impuls-Lichtschlitzes ermöglicht das korrekte und im Echtzeitbetrieb erfolgende Erfassen der XYZ- Koordinaten auf einem Gegenstand auch dann, wenn sich dieser mit hoher Geschwindigkeit bewegt oder vibriert.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssignalgeneratorschaltung eine Startsignalgeneratorschaltung aufweist, welche ein Startsignal erzeugt, das den Beginn einer Messung entsprechend der Position des zu messenden Gegenstands innerhalb der Meßzone angibt, und ein Signal zum treiben der Lichtschlitzquelle abgibt, damit ein Lichtimpuls innerhalb desjenigen Halbbildes projiziert wird, welches unmittelbar anschließend an die Erzeugung des Startsignals abläuft.
Bei dem XYZ-Koordinaten-Meßsystem mit dem obigen Aufbau gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung gibt die Impulssignalgeneratorschaltung ein Startsignal von einer Startsignalgeneratorschaltung aus, um den Beginn einer Messung gemäß der Position des Gegenstands innerhalb der Meßzone anzugeben. Das Halbbildsignal von der TV-Kamera wird übernommen, und der ungeradzahlige Zustand sowie der geradzahlige Zustand des Halbbildes werden erfaßt. Damit wird ein Signal zum Treiben der Lichtschlitzquelle zum Projizieren eines Lichtimpulses während derjenigen Halbbildzeitspanne ausgegeben, die unmittelbar auf die Eingabe des Startsignals folgt. Das Berechnungszeiteinstellsignal wird an den Speicher nur während eines Vollbildes gegeben, welches unmittelbar an das Halbbild anschließt, während dem das Signal zum Projizieren des Lichtimpulses gegeben wurde. Eine CCD-TV-Kamera nimmt ein Bild während einer Halbbildzeitspanne auf und gibt dann ein für das Bild kennzeichnendes Videosignal innerhalb einer Vollbildzeitspanne ab, die unmittelbar an jene Halbbildzeitspanne anschließt, und damit werden die Werte der Koordinaten in dem Augenblick, in dem der Impuls-Lichtschlitz abgegeben wurde, korrekt in dem Speicher abgespeichert. Die mit der Projektion des Impuls-Lichtschlitzes synchronisierte arithmetische Operation ermöglicht das korrekte Erfassen von XYZ-Koordinaten auf Echtzeitbasis selbst dann, wenn sich das Objekt mit hoher Geschwindigkeit bewegt oder vibriert.
Das Projizieren des Impuls-Lichtschlitzes macht es außerdem möglich, die durchschnittliche Intensität oder die Energie des projizierten Lichtschlitzes in einem sehr breiten Bereich zu variieren. Wird ein Halbleiterlaser als Lichtschlitzquelle verwendet, so beträgt der Bereich der stabil veränderten Ausgangsleistung 1 : ca. 50. Wenn daher der Lichtschlitz kontinuierlich emittiert wird, beträgt der Bereich der Energie des emittierten Lichtschlitzes 1 : ca. 50. Der Anstrich einer Kraftfahrzeugkarosserie schwankt in starkem Maß von weiß bis schwarz. Darüberhinaus wird der Anstrich glänzend gemacht. Auf diese Weise ändert sich das Reflexionsvermögen für das Licht in starkem Maß, und der Bereich des sich ändemden Reflektionsvermögens erreicht sogar 1 : 1.000 und mehr. Wenn daher der Lichtschlitz kontinuierlich abgestrahlt wird, so ist es unmöglich, auf der Grundlage des Lichtschlitzes stabil reflektiertes Licht zu erhalten, unabhängig davon, ob die Farbe der Karosserie weiß oder schwarz ist. Jedoch macht es die Verwendung von Impuls-Projektionen möglich, die mittlere Ausgangsleistung des Lichts dadurch zu steuern, daß man die Breite der Impulse steuert, weil eine CCD-Kamera Lichtenergie speichert, die während einer Halbbild-Zeitspanne auf die Kamera fällt, und daraus im wesentlichen folgt, daß ein kontinuierlicher Lichtschlitz mit der Intensität h x τ / τ ( τ ist die Zeitspanne eines Vollbildes) emittiert wird, wenn die Impulsbreite und die Impulshöhe des Lichtschlitzes τ bzw. h betragen.
Der Bereich der Höhe h läßt sich in einem Bereich ändern, der im wesentlichen gleich dem oben beschriebenen Bereich der Laser-Ausgangsleistung ist, also 1 : ca. 50. Es ist leicht möglich, das Verhältnis τ / τ in einen Bereich von 1 : über 1.000 zu variieren. Schließlich läßt sich die mittlere Intensität oder Energie in einem Bereich von 1 : 50 x 1.000 = I: mehr als 50.000, ändern. Als Ergebnis läßt sich gutes reflektiertes Licht sogar von einem Gegenstand erhalten, der vollkommen unterschiedliche Reflexionsvermögen aufweist, weil er glänzend weiße Abschnitte und schwarze Abschnitte besitzt. Demzufolge läßt sich eine korrekte Messung der XYZ-Koordinaten erreichen.
Der vierte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche die Intensität des projizierten Lichtschlitzes abhängig von zumindest der Breite der Schlitzlinie und der maximalen Intensität der von jeder Horizontalabtastung erfaßten Schlitzlinie steuert.
Die Schlitzlinie wird jedesmal erfaßt, wenn eine Horizontalabtastung erfolgt. Die Breite und/oder die maximale Intensität der erfaßten Schlitzlinie nimmt mit zunehmendem Reflexionsvermögen des untersuchten Gegenstands zu, auch wenn die Intensität des projizierten Lichtschlitzes konstant gehalten wird. Die Intensität des projizierten Lichtschlitzes wird derart gesteuert, das die Breite oder die maximale Intensität des Lichtschlitzes, der bei jeder Horizontalabtastung erfaßt wird, einen vorbestimmten Wert annimmt. Auf diese Weise läßt sich zu jeder Zeit ein konstantes reflektiertes Licht erhalten. Die Stärke oder die Energie des projizierten Lichtschlitzes läßt sich dadurch steuern, daß man die Breite und die Höhe des impulsförmigen Lichts variiert. Es ist außerdem möglich, die Intensität des Lichtschlitzes derart einzustellen, daß das Produkt aus der Breite der Schlitzlinie und der maximalen Intensität immer dann einem vorbestimmten Wert entspricht, wenn eine Horizontalabtastung erfolgt.
Der fünfte Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung vorgesehen ist, welche die Intensität des projizierten Lichtschlitzes abhängig vom Ausgangswert Σ Vi der akkumulativen Addierschaltung steuert.
Da der Ausgangswert Σ Vi von der akkumulativen Addierschaltung dadurch erhalten wird, das jede Intensität der Schlitzlinie aufsummiert wird, läßt sich eine genauere automatische Einstellung der Intensität erreichen als dann, wenn entweder die Breite oder die maximale Intensität der Schlitzlinie zum Einstellen der Intensität des projizierten Lichtschlitzes verwendet wird, und zwar aus folgenden Gründen.
Wie in den Fig. 7(a) und 7(b) gezeigt ist, gemäß denen ein Halbleiterlaser als Lichtschlitzquelle verwendet wird, kann die Intensität des Signals für eine Horizontalabtastung bei Betrachtung der Schlitzlinie durch die TV-Kamera eine Gauß sche Verteilung annehmen, die gegeben ist durch
v = V&sub0; exp[- (K&sub0; - Ki )/B]
wobei K&sub0; die Abszisse der TV-Kamera ist, wenn die Intensität v ihren Maximalwert V&sub0; annimmt.
Wenn z.B. der elektrische Strom zum Betreiben des als die Lichtschlitzquelle dienenden Halbleiterlasers erhöht wird, um die Intensität des projizierten Lichtschlitzes zu erhöhen, nimmt der Maximalwert V&sub0; in der obigen Gleichung zu. Im allgemeinen steigt auch B an. Diese Tendenz ist in Fig. 8 dargestellt. Wenn der Betriebsstrom weiter erhöht wird, gelangen die CCDs der TV-Kamera im allgemeinen in Sättigung, oder auch die Signalstärke v gelangt in Sättigung, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist. Für diese Bedingung sind die Relation der Intensität des projizierten Lichts oder des Treiberstroms zu dem maximalen Signalausgangspegel Vmax, die Breite W, bei der das Signal v den Schwellenwert kreuzt, und die Fläche S Vi, mit der das Signal V den Schwellenwert übersteigt, in den Fig. 9 (a) und 9 (b) bzw. 9 (c) dargestellt.
Wie in Fig. 9 (a) gezeigt ist, ist die maximale Signalausgangsleistung Vmax bei starken Intensitäten des projizierten Lichtschlitzes gesättigt. Wenn dem Signal Rauschen überlagert ist, wird es leicht beeinträchtigt. Die Breite W gelangt nicht leicht in Sättigung, ist jedoch quantisiert, d.h., sie ändert sich schrittweise, wie in Fig. 9 (b) gezeigt ist, weil die Anzahl von Bildelementen der TV-Kamera endlich ist. Andererseits wird die Fläche Σ Vi durch Integration erhalten, so daß sie mit geringerer Wahrscheinlichkeit bei großen Intensitäten des Lichtschlitzes in Sättigung geht. Außerdem variiert diese Fläche mit kürzeren Schritten als die Breite W. Die Verwendung Σ Vi macht es damit möglich die Intensität des projizierten Lichtschlitzes in einem breiten Bereich automatisch und genau einzustellen.
Der sechste Aspekt ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß der TV-Kamera nur dann geöffnet ist, während der Lichtschlitz die Form projizierter Impulse annimmt. Als Ergebnis läßt sich reflektiertes Licht mit einem guten Rauschabstand erfassen, wenn Störungslicht mit einem breiten Wellenlängenbereich, beispielsweise Sonnenlicht, vorhanden ist. Dies wird unten im einzelnen erläutert.
Die TV-Kamera integriert das einfallende Licht nur während der Zeit eines Vollbildes τF (= 33,3 ms). Das Ergebnis wird als Videosignal ausgegeben. Es sei asl (joule/s) die Energie des Impuls-Lichtschlitzes mit einer Impulsbreite von Tp die pro Zeiteihheit auf die TV-Kamera fällt. Es sei asu (joule/s) die Energie des Sonnenlichts, die pro Zeiteinheit auf die Kamera auftrifft. Wäre der Verschluß nicht vorhanden, ergäben sich für die einfallende Energie (Asl) des Impuls-Lichtschlitzes für die Zeit eines Vollbildes und die einfallende Energie (Asu) des Sonnenlichts für die Zeit eines Vollbildes durch Integration über die Zeit: Asl (joule) Asu (joule)
Der Rauschabstand ist gegeben durch
Asl / Asu= τp asl/τF asu
Wenn der Verschluß der TV-Kamera nur während der Zeitspanne τP der Impuls-Projektion geöffnet ist, sind die Energie (Asl') des Impuls-Lichtschlitzes auf der TV-Kamera und die Energie (Asu') des auf die TV-Kamera auftreffenden Sonnenlichts gegeben durch Asl' (joule) Asu' (joule)
Der Rauschabstand ist gegeben durch
Asl'/Asu' = τP asl / τP asu = asl / asu
Die Impulsbreite τp betrage 33,3 uS. Außerdem werde der Verschluß der TV-Kamera nicht betätigt, obschon die Solarenergie pro Zeiteinheit, asu ein tausendstel der Energie des Impulsschlitzes pro Zeiteinheit, asl, betrage. In diesem Zustand ist der Rauschabstand gegeben durch
33,3 10&supmin;&sup6; asl/ (33,3 10&supmin;³ asl /1000) = 1
Wenn andererseits der Verschluß betätigt wird, beträgt der Rauschabstand unter der gleichen Bedingung asl / (asl / 1000) = 1000. Auf diese Weise wird der Rauschabstand in starkem Maß verbessert (vergleiche Fig. 10).
Ein siebter Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer gewünschten Zone während der Horizontalabtastung der TV-Kamera ein Fenster eingerichtet wird, und daß Koordinaten nur für die Schlitzlinie berechnet werden, die innerhalb dieses Fensters existiert. Dies geschieht mit der Absicht, die Effekte von Mehrfachreflexionen des Lichtschlitzes zu eliminieren, die an einem konkaven Gegenstand stattfinden. Ist die Form des Gegenstands bekannt, so läßt sich häufig die Art und Weise des Auftretens von Mehrfachreflexionen vorhersagen. In diesem Fall wird vorab ein Fenster in demjenigen Abschnitt eingerichtet, wo Primär-Reflexionssignale erzeugt werden. Dies macht es möglich, XYZ-Koordinaten korrekt zu erfassen, ohne daß eine Beeinflussung durch Reflexionen höherer Ordnung, beispielsweise Sekundär- und Tertiärreflexionen erfolgt.

Beispiel 1

Fig. 1 und 2 zeigen das erste Beispiel des XYZ-Koordinaten-Meßsystems gemäß der Erfindung. Dieses Beispiel entspricht dem ersten und dem zweiten Aspekt
Die Vorrichtung nach dem ersten Beispiel enthält eine Lichtschlitzquelle 12 und eine TV- Kamera 14. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird von der Lichtschlitzquelle 12 ein Impuls-Lichtschlitz mit einer Impulsbreite und einer Impulshöhe in Richtung eines dreidimensionalen Gegenstands unter einem gegebenen Winkel und synchron mit dem Halbbildsignal von der Kamera 14 projiziert, eingestellt durch ein Impulssignalgeneratorschaltung 1. Eine auf dem Gegenstand gebildete Schlitzlinie wird von der Kamera 14 abgebildet.
Es sei angenommen, die TV-Kamera bestehe aus CCD. Auf die nachfolgend beschriebene Weise werden Impuls-Lichtschlitze projiziert und XYZ-Koordinaten auf Echtzeitbasis berechnet. In diesem Fall muß die Projektion jedes Impulses innerhalb eines Halbbildes gestartet und abgeschlossen werden, welches unmittelbar einem Vollbild vorausgeht, in welchem die Berechnung vorgenommen wird, um von dem Ausgangsbild der TV-Kamera, welches von dem Projizieren des Impuls-Lichtschlitzes abgeleitet ist, in richtiger Weise XYZ-Koordinaten zu erhalten. Dies deshalb, weil eine CCD-Kamera die Lichtenergie speichert, die während einer Halbbildperiode eingegeben wird, um ein Bild zu erfassen und die Kamera anschließend ein für das Bild kennzeichnendes Videosignal während einer Vollbild-Zeitspanne unmittelbar im Anschluß an jenes Halbbild liefert.
Wir geben nun ein Beispiel an, bei dem die Emission der Impulse in jedem geradzahligen Halbbild durchgeführt und die Berechnung zum Erhalten der Koordinaten in dem anschließendem Vollbild (ungerades Halbbild zuzüglich geradem Halbbild) durchgeführt wird. Dies wird als nächstes unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 detailliert erläutert.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sei angenommen, das eine Startsignalgeneratorschaltung 5 an eine Halbbilddetektorschaltung 51, die in einer Impulssignalgeneratorschaltung 1 enthalten ist, bei jedem ungeraden Halbbild der TV-Kamera ein Startsignal liefert. Dann erfaßt die Detektorschaltung 51 für das ungerade Halbbild den Moment a&sub1;, bei dem das unmittelbar an die Eingabe des Startsignals anschließende ungerade Halbbild endet. Das Ausgangssignal der Detektorschaltung 51 wird an eine Lichtemissionssignal-Generatorschaltung 52 gegeben, der eine gegebene Impulsbreite τ von einer Impulsbreiteneinstellschaltung 53 zugeführt wird. Die Lichtemissionssignal-Generatorschaltung 52 erzeugt ein Lichtemissionssignal mit der Impulsbreite τ im Moment a&sub1; für eine Treiberschaltung 54. Diese Treiberschaltung 54 erhält von einer Impulshöheneinstellschaltung 55 eine gegebene Pulshöhe h. Die Treiberschaltung 54 liefert ein Treibersignal mit der Impulsbreite 7 und der Impulshöhe h an die Lichtschlitzquelle. Die Lichtquelle emittiert einen Impuls-Lichtschlitz während des geraden Halbbildes unmittelbar nach der Eingabe des Startsignals oder für die Zeitspanne zwischen dem Augenblick a&sub1; und einem Augenblick b&sub1;. Ansprechend auf diese Projektion des Impuls-Lichtschlitzes wird von der TV-Kamera ein Steh-Schlitzbild aufgenommen, auch wenn der Gegenstand vibriert. Das vorerwähnte Lichtemissionssignal wird außerdem einer Berechnungszeitspanneneinstellschaltung 56 zugeführt, die von der Detektorschaltung 51 für das ungerade Halbbild ein Halbbildstartsignal empfängt. Auf diese Weise bleibt die Zeitspanneneinstellschaltung 56 dabei, an einen Speicher 58 während einer Vollbildzeitspanne unmittelbar im Anschluß an die Erzeugung des Lichtemissionsignal ein Berechnungszeitspanneneinstellsignal zu liefern. In diesem Fall beginnt diese eine Vollbildzeitspanne im Augenblick b&sub1; und endet zum Zeitpunkt b&sub2;.
Eine Koordinatenberechnungsschaltung, die aus Schaltkreisen 20-46 besteht, wiederholt die Berechnung der Koordinaten auf Echtzeitbasis. Die berechneten Koordinatenwerte werden aus einer Koordinatentabelle entnommen und in den Speicher 48 eingeschrieben. Die Berechnungsergebnisse der Koordinaten innerhalb der Zeitspanne, für die das Berechnungszeitspanneneinstellsignal an den Speicher 48 gelegt wird, sind gültig und werden in dem Speicher 48 abgespeichert. Auf diese Weise werden diejenigen Koordinatenwerte die während einer Vollbildzeitspanne unmittelbar im Anschluß an die Emission des Impuls-Lichtschlitzes berechnet werden, in korrekter Weise innerhalb des Speichers 48 abgespeichert.
Mit der Emission des Impuls-Lichtschlitzes synchronisierte Berechnungen machen es möglich, die XYZ-Koordinaten des Gegenstands auf Echtzeitbasis korrekt zu erfassen, auch wenn sich der Gegenstand mit hoher Geschwindigkeit bewegt oder vibriert. Da die Lichtquelle dazu veranlaßt wird, einen Impuls zu emittieren, lassen sich die XYZ-Koordinaten des vibrierenden Gegenstands auch dann erfassen, wenn die TV-Kamera nicht mit einer Spezialfünktion wie z.B. einer Verschlußfünktion, ausgestattet ist.
Außerdem läßt sich die durchschnittliche Energie des projizierten Lichtschlitzes in einem ziemlich breiten Bereich ändern, und zwar deshalb, weil das Licht in Form von Impulsen emittiert wird. Wird als Lichtschlitzquelle 12 ein Halbleiterlaser verwendet, so beträgt der stabile Bereich der variablen Ausgangsleistung 1 : ca. 50. Wenn daher der Lichtschlitz kontinuierlich emittiert wird, beträgt der Bereich der Intensität oder Energie des projizierten Lichtschlitzes 1 : ca. 50. Weil der Anstrich einer Kraftfahrzeugkarosserie von weiß bis schwarz variieren kann, und weil der Anstrich glänzend gemacht wird, schwankt das Reflexionsvermögen für das Licht ziemlich stark und kann sogar von 1 mehr als 1.000 reichen. Aus diesem Grund ist es bei kontinuierlichem Beleuchten des Lichtschlitzes unmöglich, von dem Lichtschlitz stabiles reflektiertes Licht zu erhalten, unabhängig davon, ob die Farbe der Karosserie weiß oder schwarz ist. Die neuartige Emission der Impulse macht es jedoch möglich, die mittlere Ausgangsleistung des Lichts durch Steuern der Breite jedes Impulses zu beherrschen, und zwar aus folgenden Gründen.
Da eine CCD-Kamera die ankommende Lichtenergie während einer Vollbildzeitspanne speichert, erhält man die gleichen Ergebnisse, als ob der Lichtschlitz mit der Intensität h τ / τ kontinuierlich emittiert würde, wobei 7 die Impulsbreite des Lichtschlitzes und h die Impulshöhe ist.
Der Bereich der Höhe h reicht von 1 ca. 50 des oben beschriebenen Bereichs der veränderlichen Laserstrahlung, so daß es einfach ist, den Bereich τ / τ auf 1 : über 1.000 einzustellen. Schließlich läßt sich der Bereich der durchschnittlichen Energie von 1 : über 50 1.000 = 1 : mehr als 50.000 einstellen. Im Ergebnis wird gutes reflektiertes Licht erhalten, und man kann eine korrekte Messung der XYZ-Koordinaten auch dann erhalten, wenn die Oberfläche des Gegenstands glänzend ist und sehr unterschiedliche Reflexionsvermögen besitzt, weil sie schwarze und weiße Farben enthält.
Die Erfindung ist nicht auf das obige Beispiel beschränkt. Selbstverständlich können sämtliche oder einige der Funktionen der Detektorschaltung 51 für die ungeraden Halbbilder, der Lichtemissionsignal-Generatorschaltung 52, der Impulsbreiteneinstellschaltung 53, der Impulshöheneinstellschaltung 55 und der Berechnungszeitspanneneinstellschaltung 56 gemäß Fig. 1 in einem externen Host-Rechner durch Software realisiert werden.
Im obigen Beispiel wird die Emission jedes Impulses in einem geraden Halbbild durchgeführt. Die Berechnung der Koordinaten erfolgt in dem nachfolgenden Vollbild (ein ungerades Halbbild plus ein gerades Halbbild). Alternativ erfolgt die Emission jedes Impulses in einem ungeraden Halbbild, gefolgt von der Berechnung der Koordinaten im nachfolgenden Vollbild (einem geraden Halbbild plus einem ungeraden Halbbild). Darüber hinaus kann das Impulslicht in dem Halbbild unmittelbar an die Eingabe des Startsignals emittiert werden, ohne vorab zu bestimmen, ob das Licht in einem ungeraden Halbbild oder einem geraden Halbbild emittiert wird. Die Berechnung kann in einem unmittelbar anschließendem Vollbild durchgeführt werden.
Im vorliegenden ersten Beispiel besteht die Horizontaladressengeneratorschaltung 2 aus einem Zähler, welcher die von der TV-Kamera gelieferten Taktsignale zählt. Der Gesamtzählerstand Ki wird als eine die Horizontalposition eines bildgebenden Bauelements angebende Horizontaladresse an eine akkumulative Multiplizierschaltung 32 geliefert.
Die oben beschriebene akkumulative Addierschaltung 30 besteht aus einem multiplikativen Akkumulator, welcher Bestandteil der Hardware ist. Die akkumulative Addierschaltung 30 erzeugt das Produkt aus dem Ausgangssignal Vi der A/D-Wandlerschaltung 20 und dem Wert 1, und sie akkumuliert die erhaltenen Produkte, während eine Schlitzlinien-Detektorschaltung 22 feststellt, ob ein Videosignal den Schwellenwert überschreitet, der von einer Schwellenwerteinstellschaltung 24 geliefert wird, und das erfaßte Videosignal als eine Schlitzlinie liefert. Jeder akkumulierte Wert, der sukzessive berechnet und geliefert wird, ist gegeben durch
Diese Akkumulation wird immer dann wiederholt, wenn die TV-Kamera 14 ein Horizontal-Synchronsignal erzeugt. Folglich erzeugt die akkumulative Addierschaltung 30 den oben beschriebenen berechneten Wert jedesmal dann, wenn die Kamera 14 ein Horizontalabtast- Videosignal erzeugt.
Die oben beschriebene akkumulative Multiplizierschaltung 32 besteht aus einem multiplikativen Akkumulator, der Bestandteil der Hardware ist. Die Multiplizierschaltung 32 erzeugt das Produkt aus dem Ausgangssignal Vi der A/D-Wandlerschaltung 20 und der Horizontaladresse Ki von der Horizontaladressengeneratorschaltung 28, und sie akkumuliert die erhaltenen Produkte, während die Schlitzliniendetektorschaltung (22) das Schlitzliniendetektorsignal liefert. Die akkumulierten Werte, die sukzessive berechnet und geliefert werden, sind gegeben durch
Diese Akkumulation wird immer dann wiederholt, wenn die TV-Kamera 14 ein Horizontal-Synchronsignal erzeugt. Damit wird jedesmal dann, wenn die Kamera 14 ein Horizontalabtast-Videosignal erzeugt, von der akkumulativen Multiplizierschaltung 32 der berechnete Wert geliefert.
Die beiden akkumulierten Werte Σ Vi und Σ Vi x Ki werden an eine Horizontalabbildungspositions-Detektorschaltung 38' geliefert, die aus einem Zähler besteht, welcher den letztgenannten Wert durch den ersteren dividiert, um die horizontale Abbildungsposition Ks zu erhalten.
Bei dem ersten Beispiel setzt sich die Vertikalabbildungspositions-Detektorschaltung 38 aus einem Zähler zusammen, um die Zahl zu erfassen, die der gerade durch die TV-Kamera 14 abgetasteten Horizontalzeile oder der vertikalen Abbildungsposition Ls zugeordnet ist.
Außerdem besteht beim ersten Beispiel sowohl die akkumulative Addierschaltung 30 als auch die akkumulative Multiplizierschaltung 32 jeweils aus einem Hardware-Element. Die Zeit, um die die Berechnung verzögert wird, beträgt einige 10 Nanosekunden. Deshalb kann beim vorliegenden ersten Beispiel Σ Vi, Σ Vi x Ki sowie Ls nach dem Verstreichen von einigen 10 Nanosekunden nach dem Ende jeder Horizontalabtastung im spätesten Fall erfaßt werden.
Da außerdem im ersten Beispiel ein handelsüblicher Standard-Teiler als Hardware-Element für die Horizontalabbildungspositions-Detektorschaltung 38' verwendet werden kann, läßt sich die Horizontalabbildungsposition Ks innerhalb von 5 bis 6 Mikrosekunden nach dem Ende jeder effektiven Horizontalabtastung erfassen, da die Zeit, die für den Divisionsvorgang benötigt wird, mehrere Mikrosekunden beträgt. Die Horizontalabbildungsposition Ks und die Vertikalabbildungsposition Ls an jedem Punkt P werden auf diese Weise erfaßt und in die Nachschlagetabelle 40 eingegeben. Im ersten Beispiel sind vorab Tabellen erzeugt worden, welche die Beziehung der Horizontalabbildungsposition Ks und der Vertikalabbildungsposition Ls zu den aktuellen dreidimensionalen Koordinatenwerten (X, Y, Z) an jedem Punkt der Oberfläche des zu prüfenden dreidimensionalen Gegenstands 10 widerspiegeln, wobei die Effekte der Verzerrung des Objektivs der TV-Kamera berücksichtigt wurden, und diese Werte wurden in der Nachschlagetabelle 40 gespeichert. Immer dann, wenn die Horizontalabbildungsposition Ks und die Vertikalabbildungsposition Ls eingegeben werden, werden an den Speicher 48 die entsprechenden Koordinaten (X, Y, Z) geliefert.
Folglich werden beim vorliegenden ersten Beispiel immer dann, wenn die Horizontalabbildungsposition Ks und die Vertikalabbildungsposition Ls erfaßt werden, die dreidimensionalen Koordinaten (X, Y, Z) am Meßpunkt P des Objekts 10 als korrekte Werte geliefert, ohne daß irgendwelche speziellen arithmetischen Operationen oder Verarbeitungen in der Software erfolgen, wobei die Koordinaten hinsichtlich der Objektivverzerrung korrigiert werden.
Beim vorliegendem ersten Beispiel besteht diese Nachschlagetabelle 40 aus einer X- Koordinaten-Tabelle 42, einer Y-Koordinaten-Tabelle 44 und einer Z-Koordinaten-Tabelle 46. Diese Tabellen 42, 44 und 46 werden durch Verwendung eines ROM gebildet, in welchem Datentabellen vorab gespeichert werden, welche die Beziehung von Ks und Ls zu den dreidimensionalen Koordinaten X, Y, Z widerspiegeln.
Gleichzeitig mit dem Ende jeder effektiven Horizontalabtastperiode werden die Positionen Ks und Ls in die Tabellen 42, 44 und 46 eingebracht. Dann werden die entsprechenden dreidimensionalen Koordinaten (X, Y, Z) nach dem Verstreichen von einigen 100 Nanosekunden seit der Eingabe der Positionen Ks und Ls aus den Tabellen 42, 44 und 46 entnommen und nur während der Zeit in den Speicher 48 eingeschrieben, in der das Berechnungszeitspanneneinstellsignal von der Impulsgeneratorschaltung eingegeben wird.
Bei dem ersten Beispiel besteht der Speicher 48 aus einem Halbleiterspeicher mit Adressen, die den Zahlen entsprechen, welche den Horizontalzeilen der TV-Kamera 14 zugeordnet sind.
Die dreidimensionalen Koordinaten (X, Y, Z), die aus den Tabellen 42, 44 und 46 ausgelesen werden, werden sukzessive unter den durch die Vertikalabbildungsposition Ls spezifizierten Adressen gespeichert, oder den Zahlen, die durch die Horizontalzeilen der TV-Kamera 14 vorgegeben sind, geliefert von der Vertikalabbildungspositionsschaltung 38. Auf diese Weise werden Speicheradressen direkt spezifiziert, ohne Umweg über den Rechner. Dieses Verfahren nennt man Direktspeicheradressierung (DMA von direct memory addressing).
Wenn auf diesem Weg Daten direkt in dem Halbleiterspeicher gespeichert werden, ist das Einschreiben der Daten innerhalb von einigen 100 Nanosekunden nach Plazierung der Koordinatenwerte in dem Speicher abgeschlossen. D.h., das Einschreiben der dreidimensionalen Koordinaten (X, Y, Z) an einem Punkt wird innerhalb von etwa einer Mikrosekunde nach Abschluß jeder effektiven Horizontalabtastperiode beendet.
Auf diese Weise wird bei der Vorrichtung nach dem ersten Beispiel der Vorgang des Erfassens und Speicherns der dreidimensionalen Koordinaten (X, Y, Z) an einem einer Schlitzlinie auf einer Horizontallinie entsprechenden Punkt innerhalb von etwa 6 bis 7 Mikrosekunden nach Beendigung jeder effektiven Horizontalabtastperiode der TV-Kamera 14, d.h. innerhalb des Rücklaufintervalls, beendet.
Als Ergebnis können bei dem ersten Beispiel die dreidimensionalen Koordinaten an einem Punkt während der Zeitspanne jeder Horizontalabtastung der TV-Kamera 14, bzw. 63,5 Mikrosekunden, erfaßt werden. Damit lassen sich die dreidimensionalen Koordinaten an jedem Punkt entlang der Schlitzlinie auf Echtzeitbasis messen.
Beim vorliegenden ersten Beispiel läßt sich auch eine von einem Mikrocomputer durchgeführte Softwareverarbeitung auch dazu benutzen, eine Division zum Erfassen der Horizontalabbildungsposition Ks und der Schreibkoordinaten X, Y, Z für den Halbleiterspeicher durchzuführen. In diesem Fall wird eine Zeitspanne von etwa 20 Mikrosekunden für die Division benötigt, und eine Zeitspanne von 20 Mikrosekunden ist notwendig zum Einschreiben in den Speicher. Bei diesen Gegebenlieiten können diese Vorgänge nicht innerhalb des Rücklaufintervalls abgeschlossen werden.
Um dieses unerwünschte Phänomen zu vermeiden, werden Σ Vi und Σ Vi x Ki in den Mikrocomputer eingegeben. Dann wird eine Division durchgeführt, um die Horizontalabbildungsposition Ks herauszufinden. Anschließend wird diese Position Ks in einen separat vorgesehenen Zwischenspeicher lediglich während einer Horizontalabtastperiode zwischengespeichert. Das Ausgangssignal der Zwischenspeicherschaltung wird der Nachschlagetabelle 40 zugeleitet.
Auf diesem Weg wird der Ausgangswert von der Nachschlagetabelle 40 während einer Horizontalabtastperiode gehalten. Während dieser Zeitspanne werden die von der Nachschlagetabelle 40 gelesenen Koordinaten X, Y, Z in den Halbleiterspeicher unter Verwendung des Mikrocomputers nur während der Zeit eingeschrieben, während der das Berechnungszeitspannensignal von der Impulsgeneratorschaltung eingegeben wird.
Diese Prozedur ist eine Art Pipelineverarbeitung, da Daten bezüglich der Koordinaten des Meßpunkts, die in der laufenden Horizontalzeile existieren, während der Abtastung der nächstfolgenden Horizontalzeile gespeichert werden. Diese Verarbeitung ermöglicht es, die dreidimensionalen Koordinaten jedes Punkts innerhalb der Horizontalabtastperiode von 63,5 Mikrosekunden zu erfassen und zu speichern, und die X-, Y-, und Z-Koordinaten jedes Punkts entlang der Schlitzlinie auf Echtzeitbasis auch dann zu messen, wenn ein Mikrocomputer zum Berechnen der Horizontalabbildungsposition Ks verwendet wird, und die Daten in dem Halbleiterspeicher abzuspeichern, auch wenn es eine Verzögerung um eine Horizontalabtastung gibt.

Beispiel 2

Fig. 3 zeigt das zweite Beispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem ersten Beispiel dadurch, das eine Steuerschaltung 5 eine akkumulative Schlitzlinienintensitäts-Speicherschaltung 6, eine Mittelwertberechnungsschaltung 7, einen Vergleicher 8, einen akkumulativen Schlitzlinienstärken-Einsteller 9 und einen Mikrocomputer 10 enthält. Dieser Mikrocomputer 10 ist sowohl mit der Impulsbreiteneinstellschaltung 53 als auch mit der Impulshöheneinstellschaltung 55 der Impulssignalgeneratorschaltung 1 verbunden.
Die Arbeitsweise des oben beschriebenen zweiten Beispiels wird nun anhand der Fig. 4 erläutert. Der Ausgangswert Σ Vi, der die von jeder horizontalen Abtastung erhaltene akkumulative Schlitzlinienintensität angibt, wird in der akkumulativen Schlitzlinienstärken- Speicherschaltung 6 gespeichert. Die mittlere Intensität über eine Vollbildzeitspanne hinweg wird von der Mittelwertberechnungsschaltung 7 berechnet. Der berechnete Wert wird in dem Vergleicher 8 verglichen mit einem vorbestimmten oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert, wobei der obere und der untere Grenzwert von dem akkumulativen Schlitzlinienstärken-Einsteller 9 vorab eingestellt werden. Die Impulsbreite und die Impulshöhe des Lichtschlitzes werden von dem Mikrocomputer 10 derart eingestellt, daß der berechnete Wert in den vorab eingestellten Bereich fällt. Insbesondere wenn die mittlere Intensität über eine Vollbildzeitspanne hinweg außerhalb des durch den oberen und den unteren Grenzwert definierten, vorab eingestellten Bereichs fällt, wird entweder die Impulsbreite 7 und/oder die Impulshöhe h des Lichtschlitzes in gegebenem Umfang derart variiert, daß die mittlere Stärke in den voreingestellten Bereich fallen kann. Beispielsweise kann die Impulsbreite in der Einheit von einer Horizontalabtastzeit von 63,5 Mikrosekunden fein geändert werden. Die Impulshöhe kann in einer Einheit von 1/64 des Nennwerts für den Fall von 6 Bits fein variiert werden. Wenn die mittlere Stärke den oberen Grenzwert übersteigt, wird die Impulsbreite oder die Impulshöhe um 63,5 Mikrosekunden bzw. 1/64 bei jeder Impulsabgabe verringert. Wenn die mittlere Stärke unter die Untergrenze abfällt, wird die eingestellte Impulsbreite oder Impulshöhe konstant gehalten. In ähnlicher Weise wird, wenn die mittlere Stärke niedriger als der untere Grenzwert ist, die Impulsbreite oder die Impulshöhe in gegebenem Umfang heraufgesetzt. Wenn z.B. nur die Impulsbreite variiert wird und wenn die mittlere Intensität nicht in den voreingestellten Bereich fallen kann, kann dann auch die Impulshöhe verändert werden.
Wenn die mittlere Intensität stark sowohl von der oberen als auch der unteren Grenze abweicht, und wenn entweder die Impulsbreite oder die Impulshöhe bei jeder Impulsabgabe variiert wird, benötigt man lange Zeit, bis die mittlere Stärke in den voreingestellten Bereich fällt. In diesem Fall wird jede Einheit mit einem Faktor multipliziert, welcher proportional zu der Abweichung der mittleren Intensität von den voreingestellten Werten ist. Als Ergebnis konvergiert die mittlere Intensität mit höherer Geschwindigkeit gegen den voreingestellten Bereich. Dies verkurzt die für eine Messung benötigte Zeit.
Da der Wert Σ Vi dadurch erhalten wird, daß die Intensitätswerte der Schlitzlinien integriert werden, läßt sich die Intensität automatisch mit höherer Genauigkeit einstellen als in dem Fall, daß entweder die Breite der Schlitzlinie oder der Maximalwert der Schlitzlinienintensität zum Einstellen der Intensität des projizierten Lichtschlitzes herangezogen wird. In diesem Fall lassen sich praktische und bedeutende Vorteile erzielen.

Beispiel 3

Das dritte Beispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Eine Fensterschaltung 15 umfaßt eine Fenstereinstellschaltung 11 und eine Gatterschaltung 13. Ein Fenster wird in der fraglichen Zone immer dann eingerichtet, wenn die TV-Kamera eine horizontale Abtastung vollzieht. Diese Zone ist diejenige Fläche, in der primär reflektierte Komponenten von dem Gegenstand abgebildet werden, wenn ein Lichtschlitz auf den Gegenstand projiziert wird. Wenn die Form des zu messenden Gegenstands bekannt ist, läßt sich die Zone vorab bestimmen. Nur diejenige Schlitzlinie, die innerhalb dieses Fensters existiert, wird von der Gatterschaltung 13 erfaßt und an eine akkumulative Addierschaltung 30 sowie eine akkumulative Multiplizierschaltung 32 geliefert. In dieser Vorrichtung wird das Fenster vorab derart eingerichtet, das Sekundär- Tertiär- und andere Komponenten beseitigt werden, welche Ursache für Mehrfachreflexion sind, wie in den Fig. 6(a) und 6(b) gezeigt ist. Folglich ist dieses dritte Beispiel in der Lage, dreidimensionale Koordinaten zu erfassen, ohne von Mehrfachreflexionen beeinflußt zu werden. Dieses praktische und wichtige Merkmal läßt sich bei den vorausgehenden Beispielen nicht realisieren.

Beispiel 4

Das vierte Beispiel der Erfindung ist in den Fig. 11 und 12 gezeigt. Eine TV-Kamera 14 mit einer elektronischen Verschlußfunktion wird eingesetzt, und ein Lichtprojektionssignal- Erzeugungssignal für die Impulslichtprojetion wird an die Verschlußsteuereingangsschaltung der TV-Kamera gelegt. Der Verschluß wird nur während der Abgabe jedes Impulses geöffnet, um die dreidimensionalen Koordinaten an einem vibrierenden oder sich bewegenden Gegenstand mit hohem Rauschabstand bei Vorhandensein von Störungslicht eines breiten Welleniängenbereichs, beispielsweise Sonnenlicht, zu messen, selbst wenn der Gegenstand sehr stark unterschiedliche Reflexionsvermögen aufweist. Dieses Beispiel unterscheidet sich nur in dieser Hinsicht von den anderen Beispielen, im übrigen ist dieses Beispiel ähnlich den anderen Beispielen.

Beispiel 5

Fig. 13 zeigt das fünfte Beispiel der Erfindung. Bei diesem Beispiel enthält eine Steuerschaltung 105 eine Schlitzlinienbreiten-Speicherschaltung 101, eine Detektorschaltung 105 für maximale Signalstärke, eine Speicherschaltung 103 für maximale Signalstärke und einen Mikrocomputer 100.
Bei diesem gemäß obiger Beschreibung aufgebauten fünften Beispiel ist der Mikrocomputer 100 an die Impulsbreiteneinstellschaltung 53 und die Impulshöheneinstellschaltung 55 angeschlossen, die in der Impulssignalgeneratorschaltung enthalten sind. Die maximale Stärke des Schlitzliniensignals wird von der Detektorschaltung 102 für die maximale Signalstärke immer dann erfaßt, wenn die TV-Kamera eine Horizontalabtastung vollzieht. Die maximale Intensität der Schlitzliniensignale, die von sämtlichen Horizontalabtastungen erhalten werden, wird in der Speicherschaltung 103 für die maximale Signalstärke abgespeichert. Andererseits entspricht das Ausgangssignal von der Schlitzliniendetektorschaltung 22 der Breite der Schlitzlinie. Der Wert dieses Ausgangssignales wird in der Speicherschaltung 101 für die Schlitzlinienbreite für sämtliche Horizontalabtastungen abgespeichert. Diese gespeicherten Schlitzlinienbreiten sowie maximalen Signalstärken für sämtliche Horizontalabtastungen werden in den Mikrocomputer 100 eingegeben, welcher vorbestimmte Verarbeitungen der Signale vornimmt, z.B. eine Berechnung der mittleren Schlitzlinienbreite über eine Vollbildzeitspanne hinweg, eine Berechnung der mittleren maximalen Signalstärke über eine Vollbildperiode hinweg und eine Berechnung des Mittelwerts des Produkts der Schlitzlinienbreite und der maximalen Signalstärke innerhalb einer Vollbildperiode. Der Mikrocomputer 100 stellt die Impulsbreite und die Impulshöhe des Lichtschlitzes derart ein, daß die Ergebnisse der Verarbeitung den vorbestimmten Werten entsprechen. Die Relation der maximalen Signalstärke zu der Intensität des projizierten Lichtschlitzes oder der Impulshöhe ist in Fig. 9(a) dargestellt. Die Relation der Breite der Schlitzlinie zur Stärke des projizierten Lichtschlitzes oder der Impulshöhe ist in Fig. 9(b) gezeigt. Die Relation des Produkts der Schlitzlinienbreite und der maximalen Signalstärke zu der Intensität des projizierten Lichtschlitzes oder der Impulshöhe ist annäherungsweise in Fig. 9(c) gezeigt. Damit läßt sich die Stärke des projizierten Lichtschlitzes mit im wesentlichen der gleichen Genauigkeit steuern, wie sie bei den früheren Beispielen erreicht wird, jedoch mit starker Vereinfachung, indem die Breite der Schlitzlinie, die maximale Signalstärke oder ein Produkt daraus verwendet wird.
Wenn der zu messende Gegenstand vibriert oder sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, wird die Impulsbreite des Lichtschlitzes schmal gehalten, jedoch wird die Impulshöhe variiert, um die Energie des projizierten Lichtschlitzes zu steuern. Dies macht es möglich, ein scharfes Bild ohne Verwischungen zu erhalten. Beispielsweise wird angenommen, daß der Gegenstand mit Amplituden von ± 1 mm und einer Frequenz von 10 Hz vibriert. Um den Gegenstand mit einer Genauigkeit von ± 0,1 mm ohne Verwischungen zu messen, d.h. als ortsfesten Gegenstand zu messen, wird bei einer Meßgenauigkeit von ± 0,02 mm eine Impulsbreite von etwa 500 Mikrosekunden gefordert.
Wenn andererseits das Reflexionsvermögen des Gegenstands stark variiert, beruht das Verfahren grundlegend auf Änderung der Impulsbreite, da die Impulshöhe nur innerhalb eines relativ schmalen Bereichs variiert werden kann, wie oben erläutert wurde. Weil die Energie des projizierten Lichtschlitzes auf diese Weise in einem großen Bereich gesteuert wird, ist die Messung bei Gegenständen möglich, die irgendein Reflexionsvermögen besitzen. In diesem Fall läßt sich die Steuerung in einem noch weiteren Bereich unter Verwendung des Produkts aus Impulshöhe und Impulsbreite vornehmen.

Industrielle Anwendbarkeit

Erfindungsgemäß lassen sich die X-,Y-, und Z-Koordinaten auf der Oberfläche eines zu messenden Gegenstands mit hoher Genauigkeit auf Echtzeitbasis erfassen, wenn sich der Gegenstand bewegt oder er mit hoher Geschwindigkeit vibriert, oder wenn das Reflexionsvermögen des Gegenstands stark schwankt. Deshalb können bei Fertigungsprozessen von mechanischen Teilen oder Produkten Messungen oder Dimensionsprüfungen im Zuge der Verarbeitung vorgenommen werden. Dies erleichtert nicht nur die Automatisierung der Fertigungsprozesse sondern verbessert außerdem in starkem Maß die Prüfgenauigkeit gegenüber der von Personen vorgenommenen Messung oder Prüfung.

Claims

1. XYZ-Koordinaten-Meßsystem, umfassend:

eine Lichtschlitzquelle (12) zum Projizieren eines Lichtschlitzes auf die Oberfläche eines zu messenden Gegenstandes unter einem gegebenen Winkel;

eine TV-Kamera (14) zum Abbilden der auf der Oberfläche des Gegenstandes durch den Lichtschlitz gebildeten Schlitzlinie;

eine Impulssignalgeneratorschaltung (1), die im Betrieb ein Impulslichtprojektionssignal liefert, um die Lichtschlitzquelle zu veranlassen, synchron mit dem Halbbildsignal der TV-Kamera einen Lichtimpuls zu projizieren, und die synchron mit dem Lichtimpulslichtprojektionssignal ein Berechnungszeitspannen-Einstellsignal ausgibt;

eine A/D-Wandlerschaltung (20) zum Umwandeln eines von der TV-Kamera ausgegebenen Videosignals synchron mit jeder Horizontalabtastung der TV-Kamera in ein digitales Videosignal Vi;

eine Schwellenwert-Einstellschaltung (24) zum Einstellen eines Schwellenwerts, der dazu dient, die Schlitzlinie aus dem Videosignal zu detektieren;

eine Schlitzlinien-Detektorschaltung (22) zum Ausgeben eines Schlitzlinien-Detektorsignals nur dann, wenn das digitale Videosignal Vi den Schwellenwert überschreitet;

eine Horizontaladressen-Erzeugerschaltung (28) zum Erzeugen von Horizontaladressen Ki, welche die Positionen von Horizontalbildelementen einer bildgebenden Einrichtung der TV-Kamera angeben;

eine akkumulative Addierschaltung (30) zum Akkumulieren des über die A/D- Wandlerschaltung ausgegebenen Videosignals Vi, während die Schlitzlinien-Detektorschaltung das Schlitzlinien-Detektorsignal ausgibt;

eine akkumulative Multiplizierschaltung (32) zum Akkumulieren des Produkts Vi x Ki des über die A/D-Wandlerschaltung ausgegebenen Videosignals Vi und der von der Horizontaladressen-Erzeugerschaltung ausgegebenen Horizontaladresse Ki, während die Schlitzlinien-Detektorschaltung das Schlitzlinien-Detektorsignal ausgibt;

eine Horizontalabbildungspositions-Detektorschaltung (38'), die im Betrieb das Ausgangssignal Σ Vi x Ki der akkumulativen Multiplizierschaltung dividiert durch das Ausgangssignal Σ Vi der akkumulativen Addierschaltung, und den erhaltenen Quotienten Ks als ein Horizontalabbildungspositionssignal erzeugt;

eine Vertikalabbildungspositions-Detektorschaltung (38), die im Betrieb Horizontal-Synchronisationssignale von der TV-Kamera zählt und die vertikale Abbildungsposition Ls erfaßt;

eine Nachschlagetabelle (40), in der vorab Tabellen gespeichert wurden, welche die Beziehungen von Horizontal- und Vertikalabbildungspositionen zu den momentanen Werten der XYZ-Koordinaten auf der Oberfläche des Gegenstands darstellen, die die Verzerrung des Objektivs der TV-Kamera (14) korrigiert, und die im Betrieb die Werte der XYZ-Koordinaten auf der Oberfläche des Gegenstands nach Maßgabe der ermittelten Horizontalabbildungsposition Ks und der Vertikalabbildungsposition Ls ausgibt; und

einen Speicher (48), in den die von der Nachschlagetabelle erhaltenen XYZ- Koordinaten nur während gewisser Zeitspannen synchron mit dem Berechnungszeitspannen-Einstellsignal eingeschrieben werden, wodurch das System die XYZ-Koordinaten auf der Oberfläche des Gegenstands entlang der Schlitzlinie auf Echtzeitbasis mißt.

2. XYZ-Koordinaten-Meßsystem nach Anspruch 1, bei dem die Impulssignalgeneratorschaltung (1) das Berechnungszeitspannen-Einstellsignal nur während einer Vollbildzeitspanne unmittelbar im Anschluß an eine solche Halbbildzeitspanne erzeugt, während der das Signal zum Betätigen der Lichtschlitzquelle für die Projektion eines Lichtimpulses ausgegeben wird.

3. XYZ-Koordinaten-Meßsystern nach Anspruch 1, bei dem die Impulssignalgeneratorschaltung (1) eine Startsignalgeneratorschaltung (50) zum Ausgeben eines den Meßbeginn angebenden Startsignals entsprechend der Lage des Gegenstands im Inneren der Meßzone enthält, und das Signal zum Betätigen der Lichtschlitzquelle für die Projektion eines Lichtimpulses während eines Halbbildes ausgibt, welches unmittelbar anschließend an die Erzeugung des Startsignals auftritt.

4. XYZ-Koordinaten-Meßsystem nach Anspruch 1, umfassend eine Steuerschaltung (105), welche die Stärke des projizierten Lichtschlitzes nach Maßgabe der Breite der Schlitzlinie und/oder der bei jeder horizontalen Abtastung festgestellten maximalen Intensität der Schlitzlinie steuert.

5. XYZ-Koordinaten-Meßsystem nach Anspruch 1, umfassend eine Steuerschaltung (5), welche die Intensität des projizierten Lichtschlitzes in Abhängigkeit vom Ausgangssignal Σ Vi der akkumulativen Addierschaltung steuert.

6. XYZ-Koordinaten-Meßsystem nach Anspruch 1, bei dem die TV-Kamera (14) einem elektronischen Verschluß aufweist, der nur geöffnet wird, während die Impulssignalgeneratorschaltung (1) ein Lichtimpuls-Projektionssignal erzeugt.

7. XYZ-Koordinaten-Meßsystem nach Anspruch 1, umfassend eine Fensterschaltung (15), die bei jeder Horizontalabtastung der TV-Kamera ein Fenster einstellt und nur die innerhalb dieses Fensters existierende Schlitzlinie erfaßt.