DE69306399T2

DE69306399T2 - Validierung der optischen Entfernungsmessung einer Zieloberfläche in einer gestörten Umgebung

Info

Publication number: DE69306399T2
Application number: DE69306399T
Authority: DE
Inventors: Francois Blais
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 1992-08-11
Filing date: 1993-08-06
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2013-08-07
Also published as: JP3213003B2; AU4694593A; WO1994004942A1; US5270795A; JPH07509782A; CA2101996C; DE69306399D1; CA2101996A1; ATE145992T1; EP0655143B1; EP0655143A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein System zum optischen Messen der Entfernungen von Punkten auf einer Zieloberfläche und insbesondere zur Prüfung der Gültigkeit einer solchen Entfernungsmessung in einer gestörten Umgebung, also einer Umgebung, die wenigstens eine weitere Oberfläche in der allgemeinen Nachbarschaft der Zieloberfläche oder irgendeine andere Störung, wie von einer anderen Quelle kommendes Licht, aufweist, welches für den Detektor sichtbar ist und den Entfernungsmeßvorgang durch Erzeugen falscher Signale stören kann.

STAND DER TECHNIK

Zwei gegenwärtig zur optischen Messung von Entfernungen auf einer Zieloberfläche verwendete weitverbreitete Techniken sind als optisches Standard-Triangulationssystem bzw. als Biris (Bi-Iris-System) bekannt, wobei beim letzteren eine mit einer Öffnung versehene Maske in einem konvergierenden Linsensystem einer Abbildungsvorrichtung mit einem positionsempfindlichen Detektor, beispielsweise einer CCD-Kamera, verwendet wird.
Diese Systeme sind in F. Blais u. a. (88) "Practical Considerations for a Design of a High Precision 3-D Laser Scanner System", veröffentlicht in "Optomechanical and Electro-optical Design of Industrial Systems", SPIE, Band 959, 1988, S. 225 - 246, und auch in F. Blais u. a. (91), "Optical Range Image Acquisition for the Navigation of a Mobile Robot", veröffentlicht in "The Proceedings of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Sacramento, California, 9. - 11. April 1991, beschrieben und verglichen. Über das Biris-System wurde bereits von M. Rioux u. a. (86) in "Compact Three-Dimensional Camera For Robotic Applications", veröffentlicht in "The Journal of the Optical Society of America A", Band 3, S. 1518, September 1986, und in M. Rioux am 24. Februar 1987 erteilten US-Patent 4 645 347 berichtet. Auf alle diese Dokumente sei hiermit Bezug genommen.
Ein Vorteil des Biris-Systems besteht in seiner geringen Größe und der Robustheit des Entfernungsmeßfühlers. Andererseits kann mit dem Triangulationssystem eine höhere Genauigkeit als mit dem Biris-System erreicht werden, es ist jedoch sehr empfindlich gegenüber den Umgebungsbedingungen. Es arbeitet in einer stark geregelten Umgebung gut, versagt jedoch in komplexeren Situationen. Falls die Zieloberfläche beispielsweise reflektierend ist und Licht auf ein oder mehrere vom Ziel verschiedene Gegenstände in der Nachbarschaft der Oberfläche reflektiert oder andere Störungen, wie Lichtreflexionen von einem geöffneten Fenster, die in das Gesichtsfeld der Kamera eintreten, auftreten, wird der Detektor gestört und kann nicht zwischen der wahren Zieloberfläche und den falschen Signalen von den anderen Gegenständen oder Störungen unterscheiden. Das Biris-System ist in dieser Hinsicht besser als das Triangulationssystem, da bei ihm die durch eine mit Öffnungen versehene Maske gegebene Redundanz zur Prüfung der Gültigkeit der Messungen verwendet wird, wobei jedoch beide Systeme in einer erheblich gestörten Umgebung Fehlern ausgesetzt sind. In der Figur 2 aus Blais u. a. (91) ist die Differenz zwischen den durch die jeweiligen Systeme in einer gestörten Umgebung erhaltenen Bilder dargestellt.
In Figur 1 ist die Grundanordnung eines typischen herkömmlichen Biris-Systems dargestellt, nämlich eine Kamera 10, die einen positionsempfindlichen Lichtdetektor, beispielsweise eine CCD, und in Linsensystem eine Maske 18 mit zwei Öffnungen 16 (Figur 2) enthält, wobei die Maskenebene und die Linsenebene vorzugsweise zusammenfallen und nachfolgend als Maskenebene bezeichnet werden. Weiterhin ist ein Laser 12 an der Kamera 10 befestigt. Der Laser 12 kann ein Dauerstrichlaser oder ein Impulslaser sein, wobei der letztere besonders bei sich bewegender Zieloberfläche nützlich ist, um die Bewegung festzuhalten. Der Laser ist so ausgelegt, daß er entweder einen divergenten streifenartigen Strahl 14 (dessen Breite in einer Entfernung von 1 m typisch etwa 1 mm nicht überschreitet) oder einen kleinen Punktstrahl (nicht dargestellt) erzeugt, der so in einer Linie (in Y-Richtung) auf- und abgetastet wird, daß er das Entsprechende des dünnen Streifenstrahls 14 überstreicht und daher eine vertikale Strahlebene 15 festlegt. In Figur 2 ist die Beziehung zwischen dem Strahl 14 an der Maskenebene und den Öffnungen 16 in der Maske 18 dargestellt. Die Strahlebene 15 ist bezüglich der Öffnungen 16 zentral in X-Richtung angeordnet, sie verläuft also senkrecht zu einer Linie, die die Öffnungen verbindet, und in gleichem Abstand zwischen den Öffnungen. Falls gewünscht, kann der Laser durch eine Glühlampe ersetzt werden.
Wie im Rioux-Patent (Figur 2A) erklärt wurde, kann bei diesem System eine ringförmige Öffnung verwendet werden, da es in diesem Fall erforderlich ist, daß der Laserstrahl 14 ein Punktstrahl ist. Da eine ringförmige Öffnung zu einer Anzahl ringförmig verteilter Öffnungen gleichwertig ist, betrifft die breite Definition der Erfindung Öffnungsbereiche, die einzelne Öffnungen oder Teile einer ringförmigen Öffnung sein können.
Es wird angenommen, daß der Strahl 14 eine Zieloberfläche 20 mit einem zentralen vorstehenden Bereich 22 bestrahlt. Das sich ergebende im Detektor in der Kamera 10 erzeugte rückübertragene Bild ist in Figur 3 dargestellt (zu vergleichen mit Figur 3 aus dem Patent von Rioux), wobei der Abstand b zwischen einem Paar von Bildflecken b1 und b2 auf den positionsempfindlichen Detektor in der Kamera (oder b' zwischen Flecken b1' und b2') auf Linien M und N die Z-Koordinatendaten (Entfernungsdaten) für jede Position in Y-Richtung liefert. Der Abstand b, der die Z-Koordinate eines Punkts B auf dem vorstehenden Zielbereich 22 repräsentiert, sei mit dem Abstand b' zwischen den Flecken b1' und b2', die die Z- Koordinate eines Punkts B' auf dem Hauptbereich der Zieloberfläche 20 repräsentiert, verglichen. Wie nachfolgend in näheren Einzelheiten erklärt wird, ist die Z-Koordinate umgekehrt proportional zum Wert des Abstands b zuzüglich einer Konstanten. Dieses Ergebnis wird in näheren Einzelheiten im Patent von Rioux und den anderen vorhergehend erwähnten Veröffentlichungen erklärt. Die Änderungen der Werte der Z-Koordinate in X-Richtung wurden traditionell durch relatives Abtasten des Strahls 14 und der Oberfläche 20 in X-Richtung erhalten, die vorliegende Erfindung weist jedoch, wie nachfolgend beschrieben, ein Merkmal auf, das die Erfordernis für dieses Abtasten in X-Richtung unter gewissen Umständen durch die Verwendung mehrerer Strahlen überflüssig machen kann.
Das Ausgangssignal der Kamera 10 wird zu einem Computersystem 28 übertragen, das auch den Laser 12 steuert. Es ist an diesem Punkt der Beschreibung angemessen, auf das am 4. April 1989 F. Blais erteilte US-Patent 4 819 197 (auf dessen Inhalt ebenfalls hiermit verwiesen sei) Bezug zu nehmen, in welchem eine Schaltung zum Erfassen der Positionen von Spitzen eines Eingangssignals beschrieben wird. Wie beginnend mit Zeile 60, Spalte 3, dieses Patents von Blais erklärt ist, ist die Schaltung gut dafür geeignet, die durch eine Abbildungsvorrichtung des im Patent von Rioux beschriebenen Typs vom Biris-Typ erhaltenen Daten zu interpretieren und kann im Computersystem 28 verwendet werden. Wie in Figur 4 des Patents von Blais am besten dargestellt ist, weisen die durchgezogenen senkrechten Linien M und N Spitzen l und k auf, die entlang einer typischen in X-Richtung verlaufenden Abtastlinie i zu erfassen sind. Die Abtastlinie i bezeichnet ein in X-Richtung verlaufendes Abtasten der Pixel des Detektors und nicht ein Tasten des Strahls 14. Diese Punkte l und k entsprechen Bildflecken b1 und b2 der vorliegenden Anmeldung, deren spätere Bezeichnungsweise nachfolgend verwendet wird. In Figur 4 aus dem Patent von Blais ist die unterbrochene Linie j eine in gleichem Abstand zwischen den Linien M und N verlaufende Linie, und die in Figur 3 dieses Patents beschriebene Schaltung bestimmt die Pixelpositionen Pil und Pik, die den Punkten l und k entsprechen. Bei Verwendung der Bezeichnungsweise der vorliegenden Beschreibung können diese zweckmäßig als Mittellinie J und als Pixelpositionen P(i, b1) und P(i, b2), also als die Pixelpositionen, die den Bildflecken b1 und b2 für die Abtastlinien i oder P(i', b1') und P(i', b2') für die Abtastlinie i' entsprechen, bezeichnet werden.
Die Z-Koordinate des Punktes B auf der Zieloberfläche ist daher durch den Abstand b zwischen den Bildflecken b1 und b2 (Kamerapixel P(i, b1) und P(i, b2)) gegeben, während die Koordinate in X-Richtung des Punktes B durch den geometrischen Mittelpunkt Xo auf der Mittellinie J, also das Pixel Po zwischen den Bildflecken b1 und b2 gegeben ist, wobei angenommen wird, daß der abgebildete Strahl 14, wie in Figur 2 dargestellt, also in gleichem Abstand zwischen den Öffnungen 16 angeordnet ist. Hierzu seien die letzten beiden Zeilen von Spalte 5 des Patents von Blais betrachtet, wobei die Position des Mittelpunkts Xo unabhängig von der Z-Koordinate ist und sich die Mittellinie J in gleichem Abstand zwischen den Linien M und N befindet.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technik vorzusehen, die gleichzeitig wenigstens einige der jeweiligen Vorteile des Biris- und des Triangulationssystems aufweist, während gleichzeitig ein System vorgesehen wird, das den weiteren Vorteil aufweist, in stärker gestörten Umgebungen zuverlässig zu arbeiten, als dies für eines der Systeme aus dem Stand der Technik tragbar wäre.
Hierzu sieht die Erfindung ein System vor, das in der Hinsicht in wesentlichen eine Abänderung des Biris-Systems ist, daß eine mit Öffnungen versehene Maske verwendet wird, während gleichzeitig einige Gesichtspunkte des Triangulationssystems verwendet werden, und es wird weiterhin ein neues Verfahren zur Prüfung der Gültigkeit der in der Kamera erfaßten Bildflecken verwendet, also die Fähigkeit, zwischen durch die Störungen erzeugten falschen Flecken und jenen Flecken zu unterscheiden, die wirklich einen ausgewählten Punkt auf der Zieloberfläche, beispielsweise den Punkt B, repräsentieren.
In ihren breiten Schutzumfang besteht die Erfindung aus einem Abbildungssystem mit einem positionsempfindlichen Lichtdetektor, einer Linsenanordnung zum Abbilden eines ausgewählten Punktes auf einer Zieloberfläche des Detektors und einer Einrichtung zum Erzeugen mindestens eines Lichtstrahls, der die Oberfläche bestrahlt und einen schmalen Streifen bedeckt oder überstreicht. Die Linsenanordnung weist eine optische Achse und eine senkrecht zur optischen Achse verlaufende Maske auf, wobei die Maske mindestens zwei in einem Abstand voneinander angeordnete Öffnungsbereiche aufweist, um auf dem Detektor Bildflecken des ausgewählten Punktes zu erzeugen. Die Entfernung des ausgewählten Punktes ist eine Funktion des Abstands b zwischen den Flecken. Eine Recheneinrichtung tastet Pixel des Detektors ab, um Daten über die Entfernung und den Ort des ausgewählten Punktes zu extrahieren. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Bestrahlung durch den Lichtstrahl derart ist, daß die Entfernung auch eine Funktion von P ist, wobei P die mittlere Pixelposition der Bildflecken auf dem Detektor ist. Durch Gleichsetzen dieser beiden verschiedenen Verfahren zum Berechnen der Entfernung kann gezeigt werden, daß P = g(b) + n(θ) ist, wobei g(b) eine monotone Funktion von b ist und n eine Funktion des Winkels θ, also der Neigungsrichtung des Lichtstrahls bezüglich der Richtung Z ist, und eine Konstante ist, wenn θ fest ist. Das System enthält eine Einrichtung zum Auswählen von Werten für b und P, die diese Gleichung in etwa erfüllen. Diese ausgewählten Werte repräsentieren die wahre Entfernung und den wahren Ort des ausgewählten Punkts, während irgendwelche beobachteten Werte für b und P, die diese Gleichung nicht erfüllen, als Ergebnis falscher Signale, die nicht aus dem schmalen Streifen des Lichtstrahls kommen, zurückgewiesen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Erfindung als ein Abbildungssystem definiert werden, welches folgendes aufweist: ein konvergentes Linsensystem, welches eine in Z- Richtung verlaufende optische Achse definiert sowie einen positionsempfindlichen Lichtdetektor mit einer in mindestens einer zur Z-Richtung senkrechten X-Richtung verlaufenden Folge von Pixeln aufweist, wobei das Linsensystem so angeordnet ist, daß es einen ausgewählten Punkt auf der Zieloberfläche auf dem Detektor abbildet, um erste Daten bezüglich der Koordinate dieses ausgewählten Punktes in X-Richtung zu erzeugen; eine in einer senkrecht zur Z-Richtung verlaufenden Ebene liegende Maske mit einer Öffnungseinrichtung, die mindestens zwei in mindestens der X-Richtung in einem Abstand angeordnete Öffnungsbereiche aufweist, um auf dem Detektor Bildflecken des ausgewählten Punktes zu bilden, um mittels eines Abstands b zwischen den Flecken zweite Daten über die Koordinate des ausgewählten Punkts in Z-Richtung zu erzeugen; eine Einrichtung zum Abtasten der Detektorpixel in X-Richtung, um die ersten und zweiten Daten für den ausgewählten Punkt zu extrahieren, wobei die Z-Koordinate des ausgewählten Punkts eine Funktion des Abstands b ist; eine Lichteinrichtung, vorzugsweise eine Lasereinrichtung zum Bestrahlen der Zieloberfläche einschließlich des ausgewählten Punkts mit einen Strahl, der einen schmalen Streifen bedeckt oder überstreicht, um eine Strahlebene zu definieren, wobei die Lichteinrichtung mindestens in X-Richtung gegenüber einem in der Mitte zwischen den Öffnungsbereichen gelegenen Ort versetzt ist, wodurch die Z-Koordinate des ausgewählten Punkts ebenfalls eine Funktion von P ist, wobei P die mittlere Pixelposition auf dem Detektor der Bildflecken ist, die dem ausgewählten Punkt entspricht, wobei P= g(b) + n(θ) ist und g(b) eine monotone Funktion von b ist und n eine Funktion der Neigung θ des Lichtstrahls gegenüber der Z-Richtung ist; und eine Einrichtung zum Auswählen vön Werten für b und P, welche diese Gleichung in etwa erfüllen, wobei diese ausgewählten Werte für b und P die wahren Werte der X- und Z-Koordinaten des ausgewählten Punkts repräsentieren.
Wie nachfolgend detailliert beschrieben wird, kann die Maske mehr als zwei Öffnungsbereiche aufweisen, und es können zwei oder mehrere Laser oder andere Lichtstrahlen gleichzeitig verwendet werden. Diese Verfeinerungen ermöglichen es, daß das System zusätzliche Daten hinsichtlich des Profils der Zieloberfläche, also sowohl in Y-Richtung als auch in X-Richtung, gewinnt. Es ist bei einer solchen Anordnung erforderlich, daß sich die Pixel im Detektor sowohl in Y-Richtung als auch in X-Richtung erstrecken, was bei einer CCD-Kamera normal ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Figur 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Biris-Systems;
Figur 2 ist ein Diagramm zur Darstellung der geometrischen Beziehung zwischen dem Laserstrahl und der Maske dieses Systems;
Figur 3 ist ein Diagramm, in dem das durch die Anordnung aus den Figuren 1 und 2 erzeugte Kamerabild dargestellt ist;
in Figur 4 ist eine Spielart von Figur 2 dargestellt;
in Figur 5 sind die Teile aus Figur 4 bei Betrachtung in Y-Richtung dargestellt;
Figur 6 ist ein Figur 3 ähnliches Diagramm, wobei jedoch die Bedingungen aus den Figuren 4 und 5 gelten;
Figur 7 ist eine Spielart von Figur 4;
in Figur 8 ist das mit der Anordnung aus Figur 7 erreichte Kamerabild dargestellt;
in den Figuren 9A und 9B ist für ein leichtes Verständnis jeweils ein Teil des Bildes aus Figur 8 dargestellt;
Figur 10 ist eine Spielart von Figur 7;
Figur 11 ist eine weitere Spielart von Figur 7;
Figur 12 entspricht für die Anordnung aus Figur 11 Figur
die Figuren 13A und 13B entsprechen jeweils den Figuren 9A und 98, jedoch hinsichtlich der Anordnung aus Figur 11;
Figur 14 ist eine weitere Spielart von Figur 7; und
Figur 15 ist eine Spielart von Figur 14.

DIE BESTEN ARTEN ZUM VERWIRKLICHEN DER ERFINDUNG

Falls die Ebene 15 des Strahls 14 nun um einen Abstand d in X-Richtung verschoben wird, wie in Figur 4 dargestellt ist, während er durch Neigen der Zieloberfläche 20 um einen Winkel θ bezüglich der Z-Richtung auf die Zieloberfläche 20 gerichtet bleibt (s. Figur 1 aus Blais u. a. (88)), und sie vorzugsweise, wenngleich nicht notwendigerweise, so abgesenkt wird, daß sie auf gleicher Höhe wie die Maske 18 liegt, beginnt die Anordnung in gewissem Maße die Orientierung des Triangulationssystems anzunehmen, während gleichzeitig die mit Öffnungen versehene Maske 18, die dem Biris-System eigen ist, beibehalten wird. In Figur 5 ist dargestellt, daß der Abstand d an der Ebene 19 der Maske 18 gemessen wird, wobei der Strahl 14 nun um den Winkel θ bezüglich der Z-Richtung geneigt ist. Der bei 13 dargestellte Detektor ist der positionsempfindliche Detektor in der Kamera. Unter diesen Umständen werden die Linien M und N aus Figur 3 zu den Linien M' und N' aus Figur 6, und die Mittellinie J ist nicht mehr gerade.
In der Beschreibung wurde bisher das Vorhandensein nur einer einzigen Zieloberfläche in einer ungestörten Umgebung angenommen, während der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung, wie vorhergehend beschrieben, darin besteht, ein System vorzusehen, das zwischen von der Zieloberfläche zurückkehrenden Itwahrenil Signalen und von umgebenden Störquellen zurück kehrenden "falschen" Signalen unterscheiden kann. Solche falschen zurückkehrenden Signale könnten sich beispielsweise aus einer anderen Lichtquelle, dem Vorhandensein eines anderen Gegenstands, auf den Licht von der Zieloberfläche reflektiert wird, oder aus dem Vorhandensein eines zweiten Laserstrahls und/oder eines zweiten Entfernungsmeßfühlers ergeben.
In Figur 6 ist ein dritter Bildfleck b3 auf der Abtastlinie i dargestellt, der ein solches falsches Signal repräsentiert. In der Praxis treten häufig viel mehr falsche Signale entlang der Abtastlinie i sowie entlang der anderen Abtastlinien auf, es ist jedoch für die vorliegende Beschreibung ausreichend, anfänglich nur einen solchen falschen Fleck b3 anzunehmen, um die Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung zwischen wahren und falschen Signalen unterscheidet, darzulegen.
Wie bereits erklärt wurde, ist die wahre Koordinate Z des Punkts B auf dem Ziel durch den Abstand b zwischen den Flecken b1 und b2 gegeben. Falls jedoch auch der Fleck b3 auftritt, erkennt der Computer drei mögliche Werte für b, nämlich
bx = b2 - b1 (wahr)
by = b2 - b3 (falsch) oder
bz = b1 - b3 (falsch)
Weiterhin ergeben sich drei mögliche Werte für Po, wobei der richtige von diesen den Wert von Xo angibt, welche sind:
Px = ½(b1 + b2) wahr
Py = ½(b2 + b3) falsch
Pz = ½(b1 + b3) falsch
Wie in Blais u. a. (91) beschrieben ist - s. die Gleichungen 1 und 2 auf Seite 2576 dieser Veröffentlichung - ist die Koordinate Z in einem Biris-System durch
Z = 1/L&supmin;¹ - kb (1)
gegeben, wobei L der in Z-Richtung gegebene Abstand zwischen der Maskenebene und einer theoretischen Bezugsebene ist (diese ist nicht dargestellt, aber es wird angenommen, daß sie in Z-Richtung gegenüber der Oberfläche 20 versetzt ist), die parallel zur Maskenebene verläuft und gegenüber dieser versetzt ist (s. Figur 5 des Patents von Blais);
b wie vorhergehend definiert ist, nämlich einer der Abstände bx, by usw. zwischen den Bildflecken b1, b2 usw.; und k durch die Gleichung
k = L - f/fDL (2)
gegeben ist, wobei f die Brennweite der Linse ist; und
D die Trennung in X-Richtung zwischen den beiden Öffnungen der Maske ist.
Eine Linse ist in der Praxis nie perfekt, und f ändert sich geringfügig als Funktion des Einfallswinkels des einfallenden Lichts. Daher ist k keine vollkommene Konstante und wird als ein Wertebereich gespeichert, wobei typisch ein Wert für jede Abtastlinie verwendet wird.
Andererseits ist die Z-Koordinate bei einem Triangulationssystem, dem die in Figur 4 dargestellte Orientierung nun ebenfalls ähnelt, wie in den Gleichungen 1 und 3 auf Seite 227 von Blais u. a. (88) erklärt ist, durch
Z = dl'/p + l'tanθ
und
l' = lf/l - f
gegeben.
Unter Ändern von p in P und von l in L zum Anpassen an die Bezeichnungsweise der vorliegenden Beschreibung kann durch diese Gleichungen gezeigt werden, daß
Z = 1/k'p + L' (3)
ist,
wobei P die Pixelposition des abgebildeten Flecks auf dem Detektor ist; k' = L - f/fdL (4)
und L' = tan θ/d (5)
Die Parameter L, L', k und k' sind während des Kalibrierens gewonnene Konstanten (oder wie vorhergehend angedeutet, ein Bereich von Konstanten).
Durch Kombinieren der Gleichungen (1) und (3) ergibt sich
L' + k'P = L&supmin;¹ - kb (6)
oder
P = g(b) + n(θ) (7)
wobei g(b) eine monotone Funktion von b ist, die auch als eine Tabelle wie im vorgehenden Fall konstanter Werte ausgedrückt werden kann, und n eine Funktion des Winkels θ (s. Gleichung 5) oder eine Konstante für einen konstanten Winkel θ ist.
Das Vorhergehende ist nur in bezug auf eine für einen Zielpunkt gewonnene Messung richtig, welcher sich auf dem Laserstrahl befindet. Falls eine Messung, beispielsweise des Flecks b3, von einer Quelle ausgegangen ist, die sich nicht auf dem Laserstrahl befindet, beispielsweise von einer anderen Lichtquelle oder von reflektiertem Licht, ist die Gleichung (7) nicht mehr wahr. Da ein falsches Signal notwendigerweise ein Signal ist, das von einem Ort ausgegangen ist, auf den der Laserstrahl nicht gerichtet ist, ist das Nicht- Erfüllung der Gleichung (7) in einer bestimmten Situation ein Hinweis darauf, daß die Werte für diese Situation falsch sind. Diese Tatsache kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
Px = g(bx) + n(θ) (wahr) (7x)
Py ≠ g(by) + n(θ) (falsch) und (7y)
Pz ≠ g(bz) + n(θ) (falsch) (7z)
In der Praxis wird sich selbst bei der ersten dieser Gleichungen (7x) infolge von Rauschen und Geräteunvollkommenheiten selten eine genaue Gleichheit ergeben, der Gleichheit wird jedoch sehr viel näher gekommen als bei den Gleichungen (7y) oder (7z), und die Funktion des Computers 28, der angeschlossen ist, um das Ausgangssignal der Kamera zu empfangen, besteht daher darin, aus diesen Gleichungen diejenige auszuwählen, die der Gleichheit am nächsten kommt. Die wahren Werte für b und P und daher die wahren X- und Z-Koordinaten des ausgewählten Punkts auf der durch den Lichtstrahl bestrahlten Zieloberfläche sind dann durch die Werte gegeben, die dem Erfüllen der Gleichung (7) am nächsten kommen.
Hierdurch ist es nun möglich, daß die Lichtabbildungs-Vorrichtung in einem weiten Bereich von Orten angeordnet wird, statt daß, wie im Patent von Blais (Figur 4) eine konstante Position für Xo (oder Cij) erforderlich ist, wodurch wiederum einen Lichtstrahler erforderlich wird, der sich wie in Figur 2 in X-Richtung genau zwischen den beiden Öffnungen in der Maske befindet.
Um die Genauigkeit ΔZ für einen gegebenen Wert von f zu erhöhen, sollte die Trennung d zwischen dem Strahl 14 und dem Zentrum der Maske 18 erhöht werden. Die Genauigkeit der Messung von b kann auch durch den Unterpixel-Spitzendetektor aus dem Patent von Blais, die Verwendung eines im Patent von Rioux offenbarten Axikons oder die Verwendung einer Maske mit einer ringförmigen Öffnung (wobei der Lichtstrahl in diesem Fall ein Punkt ist) erhöht werden. Im Falle der in Figur 4 dargestellten Einzelstreifen-Laserabbildung ergibt sich der Hauptvorteil, den die Triangulationstechnik zur grundlegenden Biris-Struktur beiträgt, aus der Möglichkeit, den Strahler in erheblich größerem Maße von der Kamera zu trennen, als dies durch die Trennung zwischen den Maskenöffnungen gegeben ist. Wenngleich der Wert von d mit anderen Worten zu Darstellungs zwecken in Figur 4 nur geringfügig größer dargestellt ist als der für D, wird tatsächlich eine verbesserte Genauigkeit erreicht, falls d vielfach größer gemacht wird als D.
Wenn die vorliegende Erfindung so betrachtet wird, daß sie eine Kombination aus der Triangulationstechnik mit dem Biris-System beinhaltet, kann ein Wert für δ, dem relativen Beitrag der beiden Verfahren durch
Z = 1/(L'+k'P) + (1-) (L&supmin;¹ - kb) (8)
gegeben werden.
In dieser Gleichung ist der erste Tem der Beitrag des Triangulationsverfahrens und der zweite Term der Beitrag des Biris-Verfahrens. Es hat sich herausgestellt, daß ein typischer Wert für δ etwa 0,8 ist, was einem Beitrag des Triangulationsverfahrens von 80 % und einem Beitrag des Biris-Verfahrens von 20 % entspricht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht jedoch, daß dieses Verhältnis geändert wird, um mehreren verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden, wobei der Wert von δ durch das Verhältnis zwischen d und D bestimmt ist.
Die vorliegende Erfindung kann die Verwendung mehrerer Strahler (Laser) und Masken mit mehr als zwei Öffnungen einschließen, wobei der Ort der Strahler und die Anzahl der Öffnungen in den Masken kein Problem mehr darstellen.
C. A. Keely u. a. offenbaren in der am 30. Mai 1990 unter der Nummer 370770 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 89312083.2 die Verwendung eines Prismas in einem Biris-System, um den Laserstrahl genau auf die optische Achse der Kamera auszurichten, um die Schattenwirkung zu vermeiden oder zu minimieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein solcher Bedarf dadurch ausgeschlossen, daß der Lichtstrahl (oder die Lichtstrahlen) gegenüber der optischen Achse der Kamera versetzt sind. Keely u. a. verwendeten eine Maske mit vier Öffnungen. Diese Erhöhung der Anzahl der Öffnungen kann in der vorliegenden Erfindung vorteilhaft verwendet werden. In Figur 7 sind eine Maske 28 mit vier Öffnungen 30, 31, 32 und 33 sowie zwei zueinander senkrechte Laserstrahlen 34 und 35 dargestellt, die einen Schnittpunkt 36 aufweisen, der sowohl in X- als auch in Y-Richtung gegenüber dem Zentrum der Maske versetzt ist. Es ist nicht notwendig, daß sich die Strahlen schneiden. Bei Annahme derselben Zieloberfläche wie in Figur 1 ist in Figur 8 das ganze sich ergebende Bild im Kameradetektor dargestellt, das aus Deutlichkeitsgründen in den Figuren 9A und 98 in zwei getrennten Teilen dargestellt ist, wobei in Figur 9A das durch den horizontal verlaufenden Laserstrahl 34 erzeugte Bild dargestellt ist und in Figur 9B das vom vertikal verlaufenden Strahl 35 erzeugte Bild dargestellt ist. Die Öffnung 30 ist für die bei 30A und 30B dargestellten Linien verantwortlich, und die Öffnungen 31, 32 und 33 sind in ähnlicher Weise für die Linien 31A, 31B; 32A, 32B bzw. 33A, 33B verantwortlich. Die horizontalen Abschnitte der Linien 31A und 33A liegen tatsächlich übereinander, wurden jedoch in Figur 9A als leicht getrennt dargestellt, um ihre jeweiligen Formen darzustellen. In Figur 9B sind die gleichwertigen Linien 30B und 32B so dargestellt, wie sie wirklich sind, wobei nämlich ihre jeweiligen vertikalen Abschnitte einander überlagert sind.
Auf einer in Figur 8 dargestellten horizontalen Abtastlinie i befinden sich fünf Bildflecken, von denen die wahren b1 und b2 sind, wie in Figur 9B am besten dargestellt ist. Indem die geeignete Anzahl von Werten für b und P (in diesem Fall 10 - was der Anzahl der möglichen Kombinationen zweier aus insgesamt fünf ausgewählten Bildflecken entspricht) erzeugt wird und sie alle auf Gleichung (7) angewendet werden, werden die Werte für b und P, die in dieser Gleichung die dichteste Annäherung an die Gleichheit bieten, ebenso wie bereits in Zusammenhang mit den Gleichungen (7x), (7y) und (7z) erklärt, als die wahren Werte ausgewählt.
Wenn angenommen wird, daß der positionsempfindliche Detektor in der Kamera in X- und Y-Richtung zweidimensional ist, was normalerweise der Fall ist, ermöglicht das Abtasten der Pixel in einer vertikalen Abtastlinie h (Figur 9A) in ähnlicher Weise eine Identifikation der wahren Bildflecken c1 und c2, wodurch die Werte von b und P in Y-Richtung geliefert werden. Auf diese Weise ermöglicht die Doppelstrahlanordnung aus Figur 7 das Zusammenstellen eines dreidimensionalen Profils der Zieloberfläche 20 unter Verwendung einer festen Kamera und fester Strahlen, d. h. unter Vermeidung der Notwendigkeit des relativen Abtastens des Strahls 14 und der Oberfläche 20, das erforderlich ist, wenn nur ein einziger Strahl verwendet wird. Das auf diese Weise erzeugte dreidimensionale Profil ist kein vollständiges Profil, sondern es enthält Entfernungsdaten entlang in X- und Y-Richtung verlaufenden Streifen auf der Zieloberfläche, wobei diese Daten für viele Zwecke, wie Roboteranwendungen, häufig ausreichend sind, wo der Zweck darin besteht, das Ziel von anderen Gegenständen mit anderen Formen zu unterscheiden.
In Figur 10 ist dargestellt, daß die Strahlen 34', 35' geneigt werden können. Die sich ergebenden Bilder ähneln den in den Figuren 8, 9A und 9B dargestellten, wobei jedoch die diese Bilder bildenden Linien bezüglich der X- und Y-Richtung geneigt sind. Sie liefern dennoch die erforderliche Information, nämlich die wahren Werte für b und P, wenn sie durch die Abtastlinien i und h abgetastet werden.
In Figur 11 ist die Verwendung von zwei Strahlen 38 und 39 dargestellt, die in einer unterscheidbaren Eigenschaft, wie der Wellenlänge oder der Polarisation, voneinander verschieden sind. In die Öffnungen 30 - 33 der Maske 28 sind geeignete Filter, beispielsweise Interferenz- oder Polarisationsfilter 36 und 37 eingepaßt, wobei die Filter 36 nur den Strahl 39 durchlassen, um zu bewirken, daß die Öffnungen 31 und 33 die Linien 31B und 33B erzeugen, während die Filter 37 nur den Strahl 38 durchlassen, um zu bewirken, daß die Öffnungen 30 und 32 die Linien 30A und 32A erzeugen, wie in den Figuren 12 und 13A und 13B dargestellt ist, wodurch die beiden Teilbilder, die kombiniert werden, um das Gesamtbild im Detektor zu bilden, vereinfacht werden. Ein jedes der Bilder aus den Figuren 13A oder 13B ähnelt dem aus Figur 6, wenn nur ein einziger Strahl verwendet wurde.
In Figur 14 ist eine Spielart dargestellt, bei welcher die Maske 28 drei Öffnungen 40, 41 und 42 und drei Strahlen 43, 44 und 45 aufweist, und in Figur 15 ist eine Abänderung von Figur 14 dargestellt, wobei die Strahlen 46, 47 und 48 einander schneiden. Die Bedeutung dieser letzten beiden Figuren besteht darin, die Flexibilität des Systems hinsichtlich der Anzahlen und Orte der Öffnungen und Strahlen aufzuzeigen.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Die Erfindung wird für ein verbessertes optisches Messen von Punkten auf einer Zieloberfläche in einer gestörten Umgebung verwendet.

Claims

1. Abbildungssystem mit

(a) einem positionsempfindlichen Lichtdetektor (13),

(b) einer Linsenanordnung (10) zum Abbilden eines ausgewählten Punktes (B) einer Zieloberfläche (20) auf dem Detektor,

(c) einer Einrichtung zum Erzeugen mindestens eines Lichtstrahls (14), der die Oberfläche bestrahlt und einen schmalen Streifen bedeckt oder überstreicht,

(d) wobei die Linsenanordnung eine optische Achse und eine zu dieser senkrechte Maske (18) aufweist, die mindestens zwei in Abstand voneinander angeordnete Öffnungsbereiche (16) aufweist, um auf dem Detektor von Bildflecken (b1, b2) des ausgewählten Punktes zu erzeugen, und wobei die Entfernung des ausgewählten Punktes eine Funktion des Abstandes (b) zwischen den Flecken ist, und

(e) einer Recheneinrichtung (28) zum Abtasten von Pixeln des Detektors, um Daten über die Entfernung und den Ort des ausgewählten Punktes zu extrahieren,

dadurch gekennzeichnet,

(f)daß die Bestrahlungsrichtung mit dem mindestens einen Lichtstrahl so gewählt ist, daß der Abstand auch eine Funktion von P ist, wobei P die mittlere Pixelposition der Bildflecken auf dem Detektor mit P = g(b) + n(θ), g(b) eine monotone Funktion von b, und n eine Funktion der Neigung θ des Lichtstrahls zur optischen Achse ist, und

(g) daß die Recheneinrichtung (28) für b und P Werte auswählt, die diese Gleichung im wesentlichen erfüllen, wobei die ausgewählten Werte die wahre Entfernung und den wahren Ort des ausgewählten Punktes angeben.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1,

(a) wobei die optische Achse in einer Z-Richtung verläuft und der positionsempfindliche Lichtdetektor eine Folge von Pixeln aufweist, die sich in mindestens einer zur Z-Richtung senkrechten X-Richtung erstrecken, wobei die Abbildung des ausgewählten Punktes auf der Zieloberfläche mittels der Linsenanordnung erste Daten bezüglich der Koordinaten des ausgewählten Punktes in X-Richtung entsprechend dem besagten Ort ergibt,

(b) wobei die Öffnungsbereiche der Maske mindestens in X-Richtung in Abstand voneinander angeordnet sind und der Abstand (b) zweite Daten bezüglich des ausgewählten Punktes in Z-Richtung entsprechend der wahren Entfernung ergibt,

(c) wobei die Recheneinrichtung zum Extrahieren der ersten und der zweiten Daten die Detektorpixel in X-Richtung abtastet, und

(d) wobei die Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Lichtstrahls von einer in der Mitte zwischen den beiden Öffnungsbereichen gelegenen Stelle mindestens in X-Richtung versetzt wird.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 2, wobei die Z-Koordinate des ausgewählten Punktes auf der Zieloberfläche durch

Z=1/L&supmin;¹-kb

und durch

Z=1/k'P+L'

gegeben ist, wobei L, L', k und k' Konstanten oder Bereiche von Konstanten sind,

wobei L der Abstand in Z-Richtung zwischen der Ebene der Maske und einer zu dieser parallelen und in Abstand von ihr befindlichen theoretischen Bezugsebene ist,

wobei k durch

k=L-f/f D L'

gegeben ist,

wobei f die Brennweite des Linsensystems ist,

wobei D der Abstand zwischen den beiden Öffnungsbereichen der Maske in X-Richtung ist,

wobei L' durch

L'=tanθ/d

und k' durch

k'=L-f/f d L

gegeben ist,

wobei θ der Neigungswinkel des Lichtstrahls relativ zur Z-Richtung ist, und

wobei d der Abstand zwischen der Ebene des Lichtstrahls und der in der Mitte zwischen den Öffnungsbereichen gelegenen Stelle in X-Richtung in der Ebene der Maske ist.

4. Abbildungssystem nach Anspruch 2,

(f) wobei die Pixel des Detektors sich auch in einer sowohl zur X- als auch zur Z-Richtung parallelen Y-Richtung erstrecken und die Einrichtung zum Abtasten der Pixel eine Einrichtung zu ihrer Abtastung in Y-Richtung enthält, um weitere Daten bezüglich der Koordinate des ausgewählten Punktes auf der Zieloberfläche in Y-Richtung zu gewinnen,

(g) wobei die Maske mindestens drei Öffnungsbereiche (30 33, 40 42) aufweist, von denen ein erstes Paar (31, 32; 41, 42) einen Abstand mindestens in x-Richtung und ein weiteres Paar (30, 31; 40, 41) einen Abstand mindestens in Y-Richtung aufweist, und

(h) wobei die Lichteinrichtung eine Einrichtung zum Bestrahlen der den ausgewählten Punkt enthaltenden Zieloberfläche mit mindestens einem weiteren Strahl (34, 35, 38, 39; 43 48) aufweist, der einen schmalen Streifen bedeckt oder überstreicht, um mindestens eine zu der ersten Strahlebene geneigte weitere Strahlebene zu definieren.

5. Abbildungssystem nach Anspruch 4, wobei die Maske vier Öffnungsbereiche (30 33) aufweist, die in zwei zueinander senkrechten, in x- bzw. Y-Richtung einen Abstand aufweisenden Paaren angeordnet sind.

6. Abbildungssystem nach Anspruch 5, wobei die beiden Strahlen zueinander senkrechte Ebenen definieren.

7. Abbildungssystem nach Anspruch 6, wobei die Ebenen der beiden Strahlen in X- bzw. Y-Richtung verlaufen.

8. Abbildungssystem nach Anspruch 5, wobei die beiden Strahlen in einer unterscheidbaren Eigenschaft voneinander verschieden sind und die Öffnungsbereiche der jeweiligen Paare von Öffnungsbereichen Filtereinrichtungen (36, 37) aufweisen, die nur Licht mit einer jeweiligen Eigenschaft durchlassen.

9. Abbildungssystem nach Anspruch 4, wobei die Maske drei Öffnungsbereiche (40 42) aufweist und die Lichteinrichtung die Zieloberfläche mit drei Strahlen (43 45) bestrahlt, die jeweils in zueinander geneigten Richtungen verlaufende schmale Streifen bedecken oder überstreichen.