DE69201639T2

DE69201639T2 - Kompakter optischer hochauflösender Sensor für das Messen dreidimensionaler Formen.

Info

Publication number: DE69201639T2
Application number: DE69201639T
Authority: DE
Inventors: Eric Cosnard; Jan Steuperaert
Original assignee: KREON IND SA
Current assignee: KREON IND SA
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1992-12-04
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2012-12-05
Also published as: ES2042451T1; CA2086378C; FR2685764A1; ES2042451T3; CN1074754A; DE69201639D1; US5424835A; KR0155388B1; EP0550300B1; EP0550300A1; HK155595A; DE550300T1; FR2685764B1; DK0550300T3; CA2086378A1; GR930300104T1; TW209285B; KR930013685A; CN1039603C

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft das dreidimensionale Aufnehmen und Digitalisieren der Form beliebiger schiefer Teile mit Systemen, die einen optischen Sensor mit einer Laserquelle umfassen sowie eine oder mehrere Kameras zum Analysieren der Spur, die der Laserstrahl auf dem untersuchten Objekt bildet.
Eine solche Technik ist detailliert beschrieben, insbesondere in den Patentanträgen FR-A-2 627 047, FR-A-2 642 833 und FRA-A-2 629 198, die der Antragstellerin gehören.
Genauer sieht diese Technik die Erzeugung eines "Laserplans" vor, d. h., ein sehr dünnes, lamelliertes, sektorielles Strahlenbündel, dessen Breite das Abdecken des gesamten analysierten Objektes ermöglicht, wobei eine oder zwei Kameras diese Ebene unter zwei verschiedenen Blickwinkeln betrachten. Das Ganze befindet sich am Ende eines beweglichen Manipulatorarms, beispielsweise einer digital gesteuerten Werkzeugmaschine, um das Abtasten des Teils durch den Laserplan zu ermöglichen und somit die fortschreitende, dreidimensionale Aufnahme der Oberfläche des Teils durchzuführen. Das Abtasten kann sowohl durch Schwenken als auch durch Verschieben des Sensors gegenüber dem Objekt erfolgen. Andererseits kann die Abtastbewegung auch dadurch erfolgen, daß der Sensor steht und das Teil ihm gegenüber bewegt wird. In diesem Falle ist das Teil zum Beispiel auf einem ferngesteuerten, kreuzbewegten Tisch befestigt.
Bislang waren die Sensoren zum Verwirklichen dieser Technik relativ sperrig, empfindlich und kompliziert.
Ein Zweck der Erfindung ist das Bereitstellen einer Sensorenstruktur, die das Miniaturisieren des Sensors im beachtlichen Maßstab ermöglicht, wobei seine Genauigkeit und sein Auflösungsvermögen erhöht werden (das "Auflösungsvermögen" ist die systemeigene Pixelgröße und die "Genauigkeit" ist die, die unter Berücksichtigung der Digitalisierungs- und Wiederherstellungschritte erzielt wird; es wird weiter unten gezeigt, daß die Positionsgenauigkeit besser sein kann als das Pixel, bei Berücksichtigung der verschiedenen Verarbeitungsschritte, die bei der Analyse der Laserspur durchgeführt werden).
Das Interesse an einem miniaturisierten Sensor liegt, außer in der Handhabungsbequemlichkeit, in der Tatsache, daß seine Anwendung auch unter sehr beengten Raumbedingungen möglich ist, ferner an der Anwendung für kleine Teile, für schlecht zugängliche Oberflächen usw. D. h. immer dann, wenn hohe Genauigkeit unter eingeschränkten Bedingungen gefordert wird.
In diesem Falle wird jedoch der Sensor viel näher beim zu analysierenden Teil liegen, wodurch eine Reihe neuer Probleme entstehen, insbesondere das der Schärfentiefe, die um so schlechter wird, je näher der Sensor an das Objekt rückt.
Derzeit sind die He-Ne-Lasersensoren so eingestellt, daß die Fokussierung bei einer Entfernung von etwa 1 m der Quelle liegt, d. h., daß der Abstand bedeutend ist (der jedenfalls unbedingt erforderlich ist, angesichts des relativ großen Platzbedarfs des He-Ne-Lasers und der verschiedenen, mit ihm zusammenhängenden Organe).
Dieser große Abstand ermöglicht, mittels Fernfokussierung, das Bilden einer extrem dünnen Spur großer Schärfentiefe, mit typischerweise einem lamellierten Strahlenbündel, dessen Stärke unter 0.2 mm liegt, bei einer Schärfentiefe von 100 mm.
Da außerdem das lamellierte Strahlenbündel durch statische Mittel erzeugt wird (üblicherweise eine zylindrische Linse), läßt die Flächenausbreitung des Bündels, zusammen mit dem beträchtlichen Abstand, die örtliche Energiedichte relativ schwach sein (in der Größenordnung von 1 uW/mm²), wodurch das Bündel für den Anwender gefahrlos ist.
Wenn dagegen die Möglichkeit besteht, den Sensor zu miniaturisieren (insbesondere durch das Anwenden einer Laserdiode statt des He-Ne-Lasers), und dieser nicht weiter vom Objekt weggerückt werden soll oder kann, dann stellt sich die Frage der Schärfentiefe aufgrund der Scharfeinstellung bei viel kürzerem Abstand (typischerweise 10 cm statt 1 m), mit korrelativer Beeinflussung der Feinheit der Spur und somit des Auflösungsvermögens und der Endgenauigkeit.
Ferner steigt die Energiedichte, die umgekehrt proportional zum Abstand variiert, im starken Umfang an, wodurch der Strahl gefährlich wird, wenn er auf das Auge eines Anwenders in der Nähe des Objekts trifft.
Ziel der Erfindung ist es, die Vorteile der bestehenden Sensoren trotz der Miniaturisierung und der in Bezug auf das Objekt sehr viel feineren Verschiebung aufrechtzuerhalten.
Ziel der Erfindung ist es hauptsächlich, eine virtuelle Verschiebung der Quelle nach hinten innerhalb des Sensors zu bewirken, um in etwa dieselben Bedingungen zu erzielen wie bei einem Strahlenbündel mit langem Fokussierungsabstand, um den geringen physischen Abstand, der durch die Sensor-Objekt-Anordnung erzwungen wird, zu kompensieren.
Zu diesem Zweck ist der Sensor der Erfindung, der in bekannter und beispielsweise in den drei oben erwähnten Patenten beschriebener Weise über eine Laserquelle verfügt, die ein ebenes lamelliertes Strahlenbündel erzeugt, welches die Oberfläche eines Objekts derart beleuchtet, daß darauf eine krummlinige Einfallsleuchtspur erzeugt wird, die von mindestens einer Videokamera analysiert wird, wobei Information erzeugt wird, welche in digitalisierte, für Pixelkoordinaten repräsentative Daten umgewandelt wird, durch einen Lichtkasten gekennzeichnet, der in demselben Gehäuse, welches oberhalb des zu analysierenden Objektes und in geringer Entfernung desselben angebracht ist und folgendes umfaßt: die Laserquelle, die ein durch Blenden geformtes, geradliniges Strahlenbündel erzeugt; optische Mittel, um dieses blendengeformte, geradlinige Strahlenbündel, in ein ebenes, lammelliertes Strahlenbündel umzuwandeln und Mittel zur Verlängerung des optischen Weges des Strahlenbündels, die zwei feststehende, ebene Spiegel umfassen, die derart gegenüberliegend angebracht sind, daß eine Vielzahl von Spiegelungen zwischen einem Eingangspunkt und einem Ausgangspunkt des Strahlenbündels erzeugt werden. Somit wird der geringe physische Abstand zwischen Gehäuse und Objekt durch eine virtuelle optische Verschiebung nach hinten kompensiert, wodurch die Schärfentiefe des nutzbaren Bereichs des ebenen, lamellierten Strahlenbündels am Gehäuseausgang entsprechend erhöht wird.
Vorteilhafterweise werden die Ein- und Ausgangspunkte mit optischen Mitteln für die Einstellung des Einfalls des Strahlenbündels ausgestattet, um die Zahl der Spiegelungen zwischen den zwei gegenüberliegenden Spiegeln einzustellen. Ferner handelt es sich bei den optischen Mitteln zum Umwandeln des geradlinigen Strahls in ein ebenes, lamelliertes Strahlenbündel, um statische Mittel.
Darüber hinaus kann der Sensor insbesondere mindestens einen Detektorblock umfassen, der neben dem Lichtkasten liegt und über ein photoelektrisches Bildanalysenorgan sowie über Mittel, die ein Objektiv bilden und vor diesem Bildanalysenorgan angebracht sind, verfügt.
In diesem Falle sind, gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, Mittel zum relativen Kippen des Bildanalysenorgans gegenüber den Mitteln, die das Objektiv bilden, vorgesehen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist ferner ein elektronischer Schaltkreis zum Extrahieren der repräsentativen Information für die Lage der Spur des Laserstrahlenbündels auf jede durch das Bildanalysenorgan gelieferte Bildlinie vorgesehen, wobei der Schaltkreis folgendes umfaßt eine Integratorstufe, die an ihrem Eingang ein elektrisches Signal empfängt, welches repräsentativ für die empfangene Lichtstärke ist und als Funktion der auf der analysierten Linie berücksichtigten Position variiert, und an seinem Ausgang ein für die empfangene, kumulierte Lichtintensität repräsentatives zunehmendes Signal herausgibt; eine Teilungsstufe, die an ihrem Eingang das durch die Integratorstufe abgegebene Energiesignal empfängt; eine Verzögerungsstufe, die am Eingang das durch die Integratorstufe abgegebene Energiesignal empfängt, und eine Vergleichsstufe, die an jedem ihrer Eingänge die entsprechenden Ausgangssignale der Teilungsstufe und der Verzögerungsstufe empfängt, wobei das Kippen dieser Vergleichsstufe im Verlauf der Abtastung der Bildlinie, die Lage des Mittelpunkts der Spur des Laserstrahlenbündels definiert.
Es wird nun ein Beispiel für die Ausführung der Erfindung vorgestellt, wobei auf die beigefügten Bilder Bezug genommen wird.
Figur 1 ist eine Vorderansicht eines Sensors gemäß der Erfindung, mit einem Lichtkasten und zwei zugehörigen Detektoren, wobei das Ganze am Ende eines beweglichen Manipulatorarms angebracht ist.
Figur 2 ist eine Seitenansicht gemäß der Linie II-II aus Figur 1 derselben Anordnung.
Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht des Lichtkastens des Sensors der Erfindung.
Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht, in der die verschiedenen optischen Komponenten des Lichtkastens gezeigt werden.
Figur 5 ist eine schematische Schnittdarstellung eines der Detektoren der Sensoren der Erfindung.
Figur 6 ist eine schematische Schnittdarstellung der Objektiv-Analysatorvorrichtungs-Gruppe des Detektors der Figur 5.
Figur 7 ist eine schematische Darstellung der Kompensierung der Fokussierungs- und Schärfentiefenfehler durch ein System zum Kippen des photoelektrischen Organs des Detektors.
Figur 8 veranschaulicht die allgemeine Form des Videosignals einer Abstastleitung am Ausgang des photoelektrischen Organs.
Figur 9 ist eine schematische Darstellung der elektronischen Schaltung zum Analysieren des Signals, um die repräsentative Information bezüglich der Lage der Spur des Laserstrahlenbündels herauszugreifen.
Figur 10 ist ein Zeitablaufschema, das verschiedene Signale zeigt, die in der Schaltung der Figur 9 erzeugt werden.
Die Figuren 11 und 12 zeigen eine digitale Variante der Ausführung des Signalanalysensystems, von dem eine analoge Version in Figur 9 dargestellt war.
In Figur 1 wurde der Sensor der Erfindung dargestellt, der allgemein durch die Referenzzahl 1 bezeichnet wird.
Dieser Sensor befindet sich in der Nähe des zu analysierenden Teils 2, dessen ungleichmäßige Oberflächenform eingefangen und digitalisiert werden soll. Der Sensor 1 ist am Ende eines Manipulatorarms 3 angebracht, beispielsweise eines digital gesteuerten Maschinenwerkzeugs. Er umfaßt ein zentrales Element 100, einen Lichtkasten, der einen Laserstrahl 4 emittiert, welcher ein ebenes, lamelliertes Strahlenbündel ist, d. h., daß es eine geringe Stärke hat (s. Figur 1), dafür jedoch sehr breit ist (s. Figur 2). Das Auftreffen des Strahlenbündels auf die Oberfläche des Teils ergibt eine krummlinige Leuchtspur 5, die durch einen, oder bevorzugterweise zwei Detektor(en) 200 analysiert wird, die jeweils mit einer Kamera und mit elektronischen Schaltungen zum digitalisieren des von der Kamera gelieferten Bildes ausgestattet sind. Diese zwei Detektoren 200 bestehen vorteilhafterweise aus Elementen, die an beiden Seiten des Lichtkastens 100 angebracht sind, um eine Einheit zu bilden (der Sensor 1), die vom Manipulatorarm getragen wird. Die Anwendung zweier Kameras ermöglicht eine erhebliche Verringerung der Erfassungszeit der dreidimensionalen Form, ist jedoch nicht eine notwendige Eigenschaft der Erfindung (der Sensor kann auch mit nur einer Kamera ausgerüstet sein).
Der Sensor tastet das Teil ab, um dessen Gesamtform zu erfassen. Im dargestellten Beispiel handelt es sich dabei um eine Verschiebung, bewirkt durch die Bewegung des Manipulatorarms 3 in eine Richtung (durch Pfeil 6 angezeigt), die senkrecht zur Ebene des lamellierten Strahlenbündels ist, mit einer typischen Vorwärtsbewegung von 2 bis 3 Schritten je Sekunde, wobei jeder Schritt zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt, je nach gewünschter Genauigkeit. Die Bruttopixelgröße beträgt typischerweise 50 um x 50 um, wobei dieser Wert durch elektronisches Glätten auf 20 um x 20 um verringert werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, daß eine mögliche Variante darin besteht, die relative Bewegung Sensor/Teil durch Bewegung des Teils und Festhalten des Sensors auszuführen. Ferner kann das Abtasten durch jede mögliche Kombination von Verschiebungen und Drehungen ausgeführt werden.
Die Erfindung hat hauptsächlich die Lösung der optischen Probleme zum Zweck, insbesondere das der Schärfentiefe, die auftreten, wenn der Sensor sehr nahe beim Teil liegt, d. h., wenn das Verhältnis d/x groß ist, wobei d (s. Figur 2) die Tiefe des Nutzfeldes 7 ist und x die minimale Entfernung zwischen dem Sensor und dem Objekt. Man wird sehen, daß das Verhältnis d/x Werte erreichen kann, die deutlich oberhalb von 1 liegen, im Gegensatz zu den Werten von 0,1 bis 0,2 für die derzeit bekannten und angewandten Verfahren.
Die Figuren 3 und 4 zeigen die Struktur des Lichtkastens 100 (in Figur 4 wurden die optischen Elemente isoliert dargestellt, die zur Bildung des Strahlenbündels beitragen).
Dieser Lichtkasten enthält im wesentlichen eine Laserquelle 110, beispielsweise eine Laserdiode, die im sichtbaren Bereich einen feinen, gebündelten, zylindrischen Strahl mit einer Leistung von etwa 3 mW emittiert. Dieser Strahl trifft auf eine zylindrische Linse 120, die das feine, zylindrische Strahlenbündel in ein flaches Strahlenbündel umwandelt (s. Figur 4). Es sind Mittel 111 vorgesehen, um die Abszisse und die Ordinate der Position der Laserquelle 110 genau einzustellen, damit der Lichtfleck genau in der Mitte der zylindrischen Linse 120 justiert wird. Letztere besitzt Mittel zur Feineinstellung der Drehung (in der Größenordnung von ± 5º oder ± 10º) um eine optische Achse, um die Neigung des verbreiterten Strahlenbündels (lamelliertes Strahlenbündel) über seine Achse zu justieren.
Dieses Strahlenbündel wird mittels eines Spiegels 130 auf eine optische Gruppe 140 gelenkt, die typisch für die Erfindung ist und die Verlängerung der optischen Weglänge des Strahlenbündels bewirkt. Sie soll nun detailliert beschrieben werden.
Die Gruppe 140 enthält als erstes einen justierbaren Spiegel 141, der das von den oben beschriebenen Elementen erzeugte lamellierte Strahlenbündel auf den ersten Spiegel 142 von zwei ebenen und parallelen Spiegeln 142, 143 lenkt. Durch das bekannte Phänomen der "parallelen Spiegeln" wird eine Vielzahl von Spiegelungen des Strahlenbündels erzeugt, wodurch seine optische Weglänge verlängert wird und es gleichzeitig allmählich verbreitert wird, wie in der Figur 4 gezeigt (in dieser Figur zeigt die gestrichelte Linie die Mitte des lamellierten Strahlenbündels, das aus Gründen der Übersichtlichkeit nur am Anfang und am Ende seiner Spiegelungen dargestellt wurde).
Nach der letzten Spiegelung wird das Strahlenbündel von einem Spiegel 144 erfaßt, der es auf ein Fenster 150 lenkt, an dessen Ausgang es auf das zu analysierende Teil trifft.
Der justierbare Spiegel 141 erlaubt es, die Zahl der Spiegelungen dadurch einzustellen, daß der erste Einfallswinkel des Strahlenbündels auf den Spiegel 142 variiert wird. Typischerweise wird das Ganze so justiert, daß mindestens vier aufeinanderfolgende Spiegelungen stattfinden, wobei diese Zahl keineswegs einschränkend ist.
Der Spiegel 144 ermöglicht es, das Strahlenbündel am Ausgang des Lichtkastens senkrecht einzustellen.
Es wird nebenbei darauf aufmerksam gemacht, daß das lamellierte Strahlenbündel alleine durch statische Mittel erzeugt wird, ohne Elemente wie z.B. einen beweglichen Spiegel oder ähnlich, was mehrere Vorteile hat: Vermeiden von Gefahren für den Anwender (da die Lichtenergie über die Breite des Strahlenbündels verteilt und nicht in einem beweglichen Lichtfleck hoher Leuchtkraft konzentriert ist); keine empfindliche bewegliche Komponente; keine Notwendigkeit einer Synchronisierung; große Genauigkeit (keine Schwingungen, Justierungsverluste, usw.).
Es handelt sich bei allen in dem Lichtkasten verwendeten Spiegeln um vergütete Spiegel optischer Qualität und der Lichtkasten ist hermetisch versiegelt, um jegliche Interferenz durch Staubpartikel oder Rauch zu vermeiden.
In einem tatsächlich realisierten Ausführungsbeispiel hat der Lichtkasten die Abmessungen L x H x B = 140 x 85 x 70 mm und erzeugt in einer Entfernung x = 100 mm des Teils ein Laserfeld, das sich über d = 150 mm erstreckt (mit den Konventionen der Figur 2). Dann ist die kleine Seite des trapezförmigen Feldes 7 der Figur 2 gleich 65 mm und seine große Seite beträgt 95 mm. Die Verlängerung der optischen Weglänge ergibt eine virtuelle Verschiebung nach hinten von etwa 1 m. Auf diese Entfernung wird der Laserstrahl fokussiert. Der genaue Fokussierungspunkt befindet sich etwa im unteren Drittel des trapezförmigen Feldes, um annähernd die gleiche Stärke des Strahlenbündels am Anfang und am Ende des Feldes zu haben. So erhält man, am Anfang und am Ende des Feldes, eine Stärke des Strahlenbündels von etwa 0,3 mm, die am Fokussierungspunkt auf etwa 0,2 mm abnimmt. Somit ist die Schärfentiefe ausgezeichnet, trotz des sehr geringen Sensorabstands und der großen Ausbreitung des Laserfeldes.
Es wird nun der Detektorteil des Sensors beschrieben.
Figur 5 zeigt schematisch die innere Struktur von jedem der zwei Detektoren 200. Diese haben je einen Eingangsspiegel 210, der sich in der direkten Sichtlinie der Laserspur befindet, die beim Auftreffen des Strahlenbündels auf das Teil entsteht. Die Abbildung dieser Spur wird durch einen Spiegelsatz 221, 222, auf einen Analysatorblock 230 geleitet, der das Bild in ein digitalisiertes elektronisches Signal umwandelt, das von einer Gruppe von Schaltungen (Allgemeinreferenz 240) verarbeitet wird, ehe es über eine Verbindung 250 einem Datenverarbeitungssystem zur Wiederherstellung des Bildes zugeführt wird. Jeder Detektor hat beispielsweise die Abmessungen L x H x B = 100 x 100 x 70.
Der Block 230, der in Figur 6 detaillierter dargestellt ist, besteht hauptsächlich aus einem Objektiv 231 mit geeigneter Linse, geeigneter Blende und geeignetem Filter, das vor einem photoelektrischen Bildanalysenorgan 232 angebracht ist, wie zum Beispiel ein DTC (Ladungstransfervorrichtung). Die Scharfeinstellung erfolgt durch Verschiebung des Objektivs 231 in seinem Rohr 233 (Pfeil 234).
Gemäß einer besonderen Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist das DTC (oder jede andere Bildanalysenvorrichtung) so angebracht, daß es um eine Achse 235 schwenkbar ist, die senkrecht zur optischen Achse Δ steht; die Schwenkbewegung wird durch Pfeil 236 angedeutet.
Wie in Figur 7 gezeigt, erlaubt diese Schwenkvorrichtung das Kompensieren der Fokussierungsfehler, die sich aus der Nähe zwischen Sensor und Objekt ergeben. In der Tat erhält man von zwei Punkten A und B eines Objektes, die sich auf derselben Ebene im Verhältnis zur Horizontale befinden, Abbildungen A' bzw. B', wobei sich die Abbildung des entfernteren Punktes A vor der normalen Fokalebene P des Sensors befindet (d. h., die Fokalebene, die senkrecht zur optischen Achse A steht) und die Abbildung des näher liegenden Punktes B hinter dieser Fokalebene liegt.
Das Schwenksystem soll gerade diesen Fehler dadurch kompensieren, daß das DTC in die Ebene P' gebracht wird, in der sich die Punkte A' und B' befinden. Diese Kompensierung erhöht die gesamte Schärfentiefe des optischen Systems, da der entsprechende Fokussierungsfehler kompensiert wird.
Für eine Neigung α (Figuren 1 und 7) der optischen Achse von 45º gegenüber der Vertikalen, liegt die optimale Schwenkung β bei etwa 7º, wobei der Wert tatsächlich von der Linse, von der Größe des DTC, von der Feldgröße und von verschiedenen anderen Parametern abhängt.
In den Figuren 8 bis 10 wurde ein weiterer Aspekt der Erfindung dargestellt, welcher das vom DTC 232 gelieferte Signal betrifft.
Figur 8 zeigt in sehr schematischer Weise das (analoge) Videosignal V(t), das für jede Abtastleitung des DTC abgegeben wird, mit einem Signal zwischen je zwei Synchronisierungsimpulse, dessen Amplitude als Funktion der empfangenen Leuchtenergie variiert. Dieses Signal ist in der Tat die Darstellung der Spur des Laserstrahlenbündels.
Zweck der Schaltung ist das Feststellen der Lage der Laserspur im Verhältnis zum Linienanfang, d. h., die Lage des der Spur entsprechenden Energiepeaks (oder anders ausgedrückt, der Wert , der die Zeit darstellt, die seit dem Leitungssynchronisierungsimpuls des Videosignals vergangen ist). Die Schwierigkeit rührt daher, daß sich in der Praxis die Spur nicht als steiler Peak zeigt, sondern eine gewisse Ausbreitung aufgrund der Neigung des Strahlenbündels gegenüber dem Teil aufweist, ferner sind sie auf Brechungserscheinungen, auf verschiedene Störungen usw. zurückzuführen.
Es wurden mehrere Techniken vorgeschlagen, um die entsprechende Position der Spur eindeutig festzustellen.
Man kann beispielsweise einen Schwellenwert T festlegen und entscheiden, daß die Position der Spur dem Zeitpunkt entspricht, der sich auf halbem Wege zwischen den zwei Zeitpunkten des Überschreitens dieses Schwellenwerts, jeweils in die eine und in die andere Richtung, befindet. Jedoch setzt diese Technik voraus, daß die Ausbreitung des Signals in etwa symmetrisch ist. Andererseits ist ihre Anwendung schwierig, wegen der sehr variablen Eigenschaft des vorzusehenden Schwellenwerts.
Eine andere Technik besteht darin, das Videosignal zu differenzieren und zu entscheiden, daß die Position der Spur der Vorzeichenumkehrung des abgeleiteten Signals entspricht. Wie im vorherigen Fall hat diese Technik den Nachteil, daß sie voraussetzt, daß die Ausbreitung des Signals in etwa unsymmetrisch ist. Ferner hat sie den zusätzlichen Nachteil, der jeder Signalverarbeitung anhaftet, die eine Differenzierung impliziert, nämlich daß sie die Effekte des Rauschens und andere Störungen verstärkt.
Die Erfindung schlägt die Anwendung einer anderen Technik vor, die im wesentlichen darin besteht, daß das Videosignal integriert wird und daß entschieden wird, daß die Position der Spur dem Energiemittelpunkt des Videosignals entspricht, d. h. die Stelle, an der (s. Figur 10a) die Flächen S&sub1; und S&sub2; gleich sind.
Der erste Vorteil dieser Technik ist, daß sie eine ausgezeichnete Rauschunempfindlichkeit aufweist, aufgrund der Integration.
Sie kann außerdem durch eine sehr einfache elektronische Schaltung verwirklicht werden, die in Figur 9 veranschaulicht ist.
Diese Schaltung besteht im wesentlichen aus einer Integrationsstufe 241, die am Eingang das Videosignal V(t) empfängt (Linie (a) des Zeitdiagramms der Figur 10) und am Ausgang ein integriertes Signal S(t) = V(t) (der Integrator wird auf null durch den Synchronisierungsimpuls der Videosignalleitung zurückgestellt).
Dieses Signal S(t) wird auf zwei verschiedene Zweige 242 und 243 angewandt. Zweig 242 enthält einen einfachen Spannungsteiler, der am Ausgang ein Signal S(t)/2 liefert, mit der halben Amplitude des Signals S(t). Zweig 243 enthält eine Verzögerungsleitung, bevorzugt eine programmierbare Verzögerungsleitung, die das Signal S(t) um die Zeit τ verzögert. Dieser wird dann S(t-τ) am Ausgang. Beide derart erhaltene Signale, die jeweils in den Linien (b) und (c) des Zeitdiagramms der Figur 10 veranschaulicht sind, werden dann auf die zwei entsprechenden Eingänge eines Komparators 244 gegeben, der dann an dem Zeitpunkt kippt, bei dem (mit der Genauigkeit τ) S(t)/2 = S(t-τ), d. h., bei dem die Flächen S&sub1; und S&sub2; gleich sind. Die Linie (d) des Zeitdiagramms der Figur 10 zeigt das Signal Σ(t) am Ausgang des Komparators 244.
Die Verzögerung T der Verzögerungsleitung 243 wird derart gewählt, daß sie mindestens dem breitesten Videosignal gleicht, das für die Laserspur repräsentativ ist, die man antreffen kann; d. h., sie muß in Abhängigkeit der voraussichtlichen Maximalausbreitung der Spur gewählt werden. Ganz allgemein ist ein Wert zwischen 50 und 100 ns für diesen Zweck brauchbar.
Es ist ebenfalls möglich, diesen Prozeß in Digitalform anzuwenden, wie in bezug auf die Figuren 11 und 12 beschrieben.
In diesem Fall wird das Videosignal V(t), für das ein Beispiel in Figur 11 gegeben ist, vorher mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers 245 digitalisiert. Dieser Wandler kann entweder dem Sensor integriert werden (was einen größeren Rauschwiderstand ergibt) oder der eigentlichen Kamera, für den Fall einer Komponente mit direktem Digitalausgang.
Das erhaltene digitale Signal Bi(t), das in Figur 11b veranschaulicht wird, erscheint für jede Videoleitung in der Form einer Reihe aufeinanderfolgender unterabgetasteter Signale mit dem Wert Bi, wobei die Digitalisierung dieses Wertes allgemein über 8 Bits erfolgt. Das erste unterabgetastete Signal, dessen Wert nicht null ist, ist das Pte. und das letzte, das Qte. Die Verarbeitung besteht einerseits in der Suche nach dem Mten. unterabgetasteten Signal, das der Energiemitte des Videosignals entspricht (d. h., die Stelle an der die Flächen S&sub1; und S&sub2; nach Digitalisierung gleich sind) und andererseits in der Suche der Position dieses Energiemittelpunkts innerhalb des Mten. unterabgetasteten Signals, d. h., der zwischen 0 und 100 % enthaltene Wert m, der in Figur 11b dargestellt ist.
Dieser Wert m wird folgendermaßen festgestellt.
Die Gesamtenergie Σ, d. h., die Fläche der schraffierten Bereiche I bis IV in Figur 11b, ist:
Wenn der Energiemittelpunkt sich beim unterabgetasteten Signal der Ordnungszahl M befindet (mit P ≤ M ≤ Q), so erhält man die folgende Beziehung, die ausdrückt, daß die Oberfläche der Bereiche I + II der Oberfläche der Bereiche III + IV gleicht:
was anders ausgedrückt folgendes ergibt:
Zu diesem Zweck wird das digitalisierte Signal Bi, das am Ausgang des A/D-Wandlers 245 vorhanden ist, einem Akkumulatorregister 241 zugeführt (das die Rolle der Integratorstufe mit derselben Referenzzahl bei der analogen Anwendung spielt), wobei dieser Akkumulator ein Realzeitaddierer ist, deren Ausgangswert ein Signal zeitlich zunehmender Energie Σ ist (ähnlich dem in der Figur 10b für die analoge Version veranschaulichten Signal). Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß die Folge der verschiedenen Operationen erst dann anläuft, wenn ein unterabgetastetes Signal empfangen wird, das nicht null ist, d. h. das Pte. unterabgetastete Signal, dessen Erscheinen am Ausgang des A/D-Wanlers 245 eine Sequenzierungsschaltung 246 initialisiert und in Gang setzt, wobei diese Schaltung die zeitliche Steuerung der verschiedenen Digitalstufen des Schaltkreises sicherstellt.
Das Signal mit der Energie Σ am Ausgang des Akkumulators 241 wird einerseits einem Zweiteiler 242 zugeführt, um ein Signal Σ/2 zu erhalten (in dieser Digitalvariante wird die Teilung durch zwei durch einfaches Verschieben eines Bits nach rechts erreicht, d. h., lediglich durch geeignete Verdrahtung) und andererseits einem Verschieberegister 243, das als Verzögerungsstufe dient. Die Größe dieses Verzögerungsregisters wird so gewählt, daß sie mindestens der Höchstzahl von Pixel n der Videospur gleicht, die vorkommen könnte, um sicherzustellen, daß es unter keinen Umständen gesättigt wird.
Das Ausgangssignal des Teilers 242 und das des Registers 243 werden beiden Eingängen einer Subtraktionsschaltung 244 zugeführt, die die Rolle eines Komparators spielt: in der Tat wird das Subtraktionsergebnis negativ sobald die folgende Ungleichung erfüllt ist:
d. h., sobald der Energiemittelpunkt überschritten ist.
Anders ausgedrückt weiß man, daß man sich zu diesem Zeitpunkt (bis auf die durch das Register 243 eingeführte Verzögerung) exakt beim unterabgetasteten Signal mit der Rangordnung M befindet.
Dieses Kippen wird durch ein Bit mit dem Zustand S festgestellt, dessen Wertänderung anzeigt, daß man am Ausgang der Subtraktionsschaltung 244 über den folgenden Wert verfügt
d. h., über den Wert m BM aus Gleichung (1).
Der Wert BM ist zudem bekannt, beispielsweise am Ausgang eines Verschieberegisters 248 der gleichen Größe wie das Register 243, an dessen Eingang die aufeinanderfolgenden unterabgetasteten Signale Bi angelegt werden.
Um den gesuchten Wert m aus dem Produkt m BM zu berechnen (wobei der andere gesuchte Wert M, d. h., der Rang des unterabgetasteten Signals, das den Energiemittelpunkt enthält, direkt durch das Zählwerk des Sequenzierers 246 gegeben wird), wird nicht die numerische Division durchgeführt, da diese Lösung schwierig und kostspielig in der Realzeitanwendung ist. Es wird vielmehr die Anwendung eines 64 Ko Datenspeichers 247 bevorzugt, der 256 mögliche m-Werte enthält (wobei jeder Wert auf einem Oktett kodiert ist), als Funktion von m BM einerseits und als Funktion von BM andererseits. Die zwei letzten Informationen, jede mit der Länge eines Oktetts, werden auf die Adresseingänge A&sub1;, A&sub2; des Speichers 247 gegeben.
Beim Kippen der Schaltung 244 wird der Wert m BM am Ausgang dieser Schaltung auf den Eingang A&sub1; gegeben und der Wert BM auf den Eingang A&sub2;: man erhält somit den gesuchten Wert m sofort und direkt am Datenausgang D.
Wie man sieht, ermöglicht diese besondere Anwendung der Schaltung die Realzeitberechnung der Position des Energiemittelpunkts des Videosignals, und zwar mit sehr hoher Genauigkeit (von der Größenordnung einer Auflösung von mindestens einem Zehntel eines Pixels).

Claims

1. Optischer Sensor für dreidimensionale Formen, der eine Laserquelle umfaßt, welche ein ebenes, lamelliertes Strahlenbündel (4) erzeugt, das die Oberfläche eines Objektes (2) derart beleuchtet, daß auf dem Objekt eine einfallende, krummlinige Leuchtspur (5) erzeugt wird, die durch mindestens eine Videokamera analysiert wird, die digitale Daten erzeugt, welche für Pixelkoordinaten repräsentativ sind,

gekennzeichnet durch einen Lichtkasten (100), der in demselben Gehäuse, welches oberhalb des zu analysierenden Objektes und in geringer Entfernung desselben angebracht ist, folgendes umfaßt

- die Laserquelle (110), die ein durch Blenden geformtes, geradliniges Strahlenbündel erzeugt,

- optische Mittel (120), um dieses blendengeformte, geradlinige Strahlenbündel, in ein ebenes, lamelliertes Strahlenbündel umzuwandeln, und

- Mittel zur Verlängerung des optischen Weges des Strahlenbündels (140), die zwei feststehende, ebene Spiegel (142, 143) umfassen, die derart gegenüberliegend angebracht sind, daß eine Vielzahl von Spiegelungen zwischen einem Eingangspunkt (141) und einem Ausgangspunkt (144) des Strahlenbündels erzeugt werden,

mit dem Zweck, den geringen physischen Abstand zwischen Gehäuse und Objekt zu kompensieren und somit entsprechend die Schärfentiefe des nutzbaren Bereichs (7) des ebenen, lamellierten, aus dem Gehäuse kommenden Strahlenbündels zu erhöhen.

2. Der Sensor aus Anspruch 1, bei welchem die Ein- und Ausgangspunkte (141, 144) optische Mittel für die Einstellung des Einfalls des Strahlenbündels umfassen, um die Zahl der Spiegelungen zwischen den zwei gegenüberliegenden Spiegeln einzustellen.

3. Der Sensor aus Anspruch 1, wobei es sich bei den optischen Mitteln (120) zum Umwandeln des geradlinigen Strahlenbündels in ein ebenes, lamelliertes Strahlenbündel, um statische Mittel handelt.

4. Der Sensor aus Anspruch 1, der zudem mindestens einen Detektorblock (200) umfaßt, der neben dem Lichtkasten liegt und über ein photoelektrisches Bildanalysenorgan (232) sowie über Mittel, die ein Objektiv bilden (231) und vor diesem Bildanalysenorgan angebracht sind, verfügt.

5. Der Sensor aus Anspruch 4, der zudem über Mittel zum relativen Kippen des Bildanalysenorgans gegenüber den Mitteln, die das Objektiv bilden, verfügt.

6. Der Sensor aus Anspruch 4, der zudem über einen elektronischen Schaltkreis zum Extrahieren der repräsentativen Information für die Lage der Spur des Laserstrahlenbündels auf jede durch das Bildanalysenorgan gelieferte Bildlinie verfügt, wobei der Schaltkreis umfaßt:

- eine Integratorstufe (241), die an ihrem Eingang ein elektrisches Signal empfängt, welches repräsentativ für die empfangene Lichtstärke ist und als Funktion der auf der analysierten Linie berücksichtigten Position variiert, und an seinem Ausgang ein für die empfangene, kumulierte Lichtintensität repräsentatives zunehmendes Signal herausgibt,

- eine Teilungsstufe (242), die an ihrem Eingang das durch die Integratorstufe abgegebene Energiesignal empfängt,

- eine Verzögerungsstufe (243), die am Eingang das durch die Integratorstufe abgegebene Energiesignal empfängt,

- eine Vergleichsstufe (244), die an jedem ihrer Eingänge die entsprechenden Ausgangssignale der Teilungsstufe und der Verzögerungsstufe empfängt, wobei das Kippen dieser Vergleichsstufe im Verlauf der Abtastung der Bildlinie, die Lage des Mittelpunkts der Spur des Laserstrahlenbündels definiert.