DE69426468T2

DE69426468T2 - Verfahren und Gerät zur Abstandsmessung

Info

Publication number: DE69426468T2
Application number: DE69426468T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Yokoyama; Takayuki Yoshigahara
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-03-08
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2014-03-09
Also published as: JPH06258042A; EP0618461B1; JP3175393B2; EP0618461A3; US5436727A; KR940022056A; EP0618461A2; DE69426468D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Abstands und insbesondere zur Messung der äußeren Form eines dreidimensionalen Objekts.

Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik

Gemäß einem der bisher bekannten Abstandsmeßverfahren werden Positionen auf der Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts bzw. Gegenstands dadurch gemessen, dass die Oberfläche mittels eines Spaltlichtstrahles abgetastet wird, während ein Abtastspiegel gedreht wird, und dass die Zeitpunkte ermittelt werden, zu denen das von der Objektoberfläche reflektierte Spaltlicht Abtastzellen passiert bzw. überstreicht, die in einer Bildaufnahmeebene angeordnet sind.
Fig. 11 zeigt eine beispielhafte konventionelle Vorrichtung, die ein derartiges Abstandsmeßverfahren ausführt. Bei diesem Beispiel wird ein von einer Laserlichtquelle 1 abgegebener Infrarot- oder entsprechender Laserstrahl mittels einer optischen Vorrichtung 2 zu einem Spaltlicht gebildet. Das Laser- Spaltlicht wird dann mittels eines Abtastspiegels 3 reflektiert, der aus einem Galvanospiegel oder dergleichen besteht, welcher an einer bestimmten Stelle angeordnet ist. Das so von dem Abtastspiegel 3 reflektierte Spaltlicht 3S tastet die zu vermessende Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts 4 mit der Drehung des Spiegels 3 ab.
Das von dem Objekt 4 reflektierte Spaltlicht wird mittels einer optischen Vorrichtung 6 in eine Bildaufnahmeebene 7 fokussiert. In einer eine Differenziereinrichtung, einen Integrator und andere Komponenten umfassenden Steuereinrichtung 5C wird die Drehposition des Abtastspiegels 3 dadurch ermittelt, dass der Zeitpunkt ermittelt wird, zu dem das von dem Objekt 4 reflektierte Spaltlicht jede der Bildabtastzellen passiert bzw. überstreicht, das heißt die Lichtaufnahmezellen Pij, die zweidimensional in der Bildaufnahmeebene 7 angeordnet sind. Der Abstand bis zu dem Objekt 4 wird durch die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 aus der Positionsbeziehung von der Drehposition des Abtastspiegels 3, der Bildaufnahmeebene 7 und des Abtastspiegels 3 trigonometrisch gemessen. Derartige konventionelle Vorrichtungen sind in der US- PS 4.794.262 und in dem Dokument von Araki K. et al.: "High Speed and Continuous Rangefinding System", IEICE Transactions, Vol. E74, Nr. 10, 1. Oktober 1991, angegeben.
Fig. 12 zeigt schematisch das Prinzip der Messung von dreidimensionalen Koordinatenpositionen auf der Oberfläche des Objekts 4 gemäß dem Triangulationsverfahren. Der Abstand Zij von der Bildaufnahmeebene 7 zu einer Oberflächenposition auf dem Objekt 4, dessen reflektiertes Spaltlicht auf die Abtastzelle Pij der Bildaufnahmeebene 7 fokussiert wird, kann trigonometrisch aus der Gleichung (1) unter Heranziehung des Abstands Bij zwischen der fokussierten Position in der Bildaufnahmeebene 7 und der Rotationsmitte des Abtastspiegels 3, des durch die Bildaufnahmeebene 7 und dem von dem Spiegel 3 reflektierten Spaltlicht gebildeten Winkels αij, des Winkels βij, unter welchem das Spaltlicht auf die Bildaufnahmeebene 7 von dem Objekt 4 einfällt, und des vertikalen Abstands A von der Rotationsmitte des Abtastspiegels 3 zu einer Verlängerung der Bildaufnahmeebene 7 erhalten werden.
Die drei Parameter Bij, βij und A in der Gleichung (1) sind Konstanten, die eindeutig durch die Anordnung der Lichtquelle 1, der optischen Vorrichtung 2, des Abtastspiegels 3, der optischen Vorrichtung 6 und der Bildaufnahmeebene 7 bestimmt sind. Der Winkel αij, der durch die Bildaufnahmeebene 7 und das von dem Abtastspiegel 3 reflektierte Spaltlicht 3S gebildet ist, kann, wie erwähnt, dadurch erhalten werden, dass die Drehposition des Spiegels 3 von dem Zeitpunkt aus ermittelt wird, zu dem das von dem Objekt 4 reflektierte Spaltlicht die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 passiert. Daher ist es möglich, den Abstand Zij von jeder Zelle in der Bildaufnahmeebene 7 zum Objekt 4 trigonometrisch zu berechnen.
Bei dem obigen konventionellen Abstandsmeßverfahren und der oben erwähnten konventionellen Abstandsmeßvorrichtung treten jedoch die folgenden Probleme auf.

(1) Schwierigkeiten bei der Herleitung bzw. Gewinnung von Parametern

Zur genauen Ermittlung des Abstands Zij bis zum Objekt 4 ist es notwendig, die vier Parameter Bij, βij, A und αij mit hoher Genauigkeit ab- bzw. herzuleiten. Da der Parameter αij den Winkel repräsentiert, der durch eine Ebene, die parallel zur Bildaufnahmeebene 7 verläuft, und das von dem Abtastspiegel 3 reflektierte Spaltlicht gebildet ist, ist es schwierig, den Parameter αij mit hoher Genauigkeit herzuleiten, und zwar sogar in dem Fall, dass der Zeitpunkt genau ermittelt wird, zu dem das von dem Objekt 4 reflektierte Spaltlicht die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 passiert. Extrem große Schwierigkeiten sind außerdem bei der Messung der Parameter Bij, βij und A mit hoher Genauigkeit unvermeidbar.

(2) Schwierigkeiten bei der Herleitung des Abstands aus Winkel-Daten

Sogar in dem Fall, dass die vier Parameter Bij, βij, A und αij präzise erhalten werden können, ist eine lange Zeit zur Messung eines Abstandsbildes erforderlich, da eine beträchtlich lange Zeit benötigt wird, um die Berechnung der Gleichung (1) für jede Abtastzelle der Abtastzellen Pij in der Bildaufnahmeebene 7 auszuführen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist angesichts der oben beschriebenen Umstände geschaffen. Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Abstandsmeßverfahren sowie eine verbesserte Abstandsmeßvorrichtung zu schaffen, das bzw. die imstande ist, genaue und schnelle Messungen der Positionen auf der Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts vorzunehmen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung, wie er im Anspruch 1 definiert ist, ist ein Abstandsmeßverfahren geschaffen, welches die Oberfläche eines Objekts mittels eines Spaltlichts abtastet, während ein Abtastspiegel gedreht wird, und bei dem sodann die Zeitpunkte ermittelt werden, zu denen das von dem Objekt reflektierte Spaltlicht in einer Bildaufnahmeebene angeordnete Abtastzellen passiert, wodurch die Positionen auf der Oberfläche des Objekts gemessen werden. Dieses Verfahren umfaßt die Schritte:
Berechnen eines Zählwertes C&sub1;, der kennzeichnend ist für eine erste Winkeldifferenz zwischen einem ersten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von einer Referenzebene in bzw. an einer ersten Position reflektierte Spaltlicht auf eine bestimmte Abtastzelle der Abtastzellen einfällt, die in der Bildaufnahmeebene angeordnet sind, und einem zweiten Winkel des betreffenden Abtastspiegels, bei dem das von der Referenzebene in bzw. an einer zweiten Position reflektierte Spaltlicht auf die eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt, wobei die zweite Position der Referenzebene um einen bestimmten Abstand von der genannten ersten Position in Abstand vorgesehen ist; Berechnen eines Zählwerts C&sub2;, der kennzeichnend ist für eine zweite Winkeldifferenz zwischen dem zweiten Winkel des genannten Abtastspiegels und einem dritten Winkel des betreffenden Abtastspiegels, wobei das von der Referenzebene in bzw. an einer dritten Position reflektierte Spaltlicht auf die eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt und wobei die genannte dritte Position der Referenzebene um denselben bestimmten Abstand von der genannten zweiten Position in Abstand vorgesehen ist;
Berechnen eines Zählwerts Cx, der kennzeichnend ist für eine dritte Winkeldifferenz zwischen dem dritten Winkel des Abtastspiegels und einem vierten Winkel des betreffenden Abtastspiegels, wobei das von der Oberfläche des zu messenden Objekts reflektierte Licht auf die genannte eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt;
Berechnen eines Parameters k, der kennzeichnend ist für die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des genannten Abtastspiegels und einem Zählwert;
und Berechnen eines Abstands x zwischen der ersten Position zu dem Objekt entsprechend der folgenden Gleichung (2):
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung, wie er im Anspruch 4 erfaßt bzw. definiert ist, tastet eine Abstandsmeßvorrichtung die Oberfläche eines Objekts mittels Spaltlicht ab, während ein Abtastspiegel gedreht wird, und dann werden die Zeitpunkte ermittelt, zu denen das von dem Objekt reflektierte Spaltlicht in einer Bildaufnahmeebene angeordnete Abtastzellen passiert, wodurch die Positionen auf der Oberfläche des Objekts gemessen werden. Diese Vorrichtung umfaßt einen Zähler (beispielsweise den Zähler 12 in Fig. 3 und 4) für die Abgabe eines Zählwerts, der kennzeichnend ist für den Drehwinkel des Abtastspiegels; eine erste Subtraktionseinrichtung (z. B. die Subtraktionseinrichtung 142A in Fig. 4) zur Berechnung der Differenz zwischen dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für den ersten Winkel des Abtastspiegels, wobei das von einer Referenzebene an einer ersten Position reflektierte Spaltlicht auf eine bestimmte Abtastzelle aus einer Vielzahl von Abtastzellen auftrifft, die in der Bildaufnahmeebene angeordnet sind, und dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für einen zweiten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von der Referenzebene an einer zweiten Position reflektierte Spaltlicht auf die eine Abtastelle in der Bildaufnahmeebene auftrifft, wobei die zweite Position der Referenzebene von der ersten Position um einen bestimmten Abstand getrennt vorgesehen ist; eine zweite Subtraktionseinrichtung (beispielsweise die Subtraktionseinrichtung 142B in Fig. 4) zur Berechnung der Differenz zwischen dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für den zweiten Winkel des Abtastspiegels, und dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für einen dritten Winkel des Abtastspiegels, wobei das von der Referenzebene an einer dritten Position reflektierte Spaltlicht auf die eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene auftrifft, wobei die dritte Position der Referenzebene von der zweiten Position um denselben bestimmten Abstand entfernt vorgesehen ist;
eine dritte Subtraktionseinrichtung (beispielsweise die Subtraktionseinrichtung 142C in Fig. 4) zur Berechnung der Differenz zwischen dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für den dritten Winkel des Abtastspiegels, und dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für einen vierten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von der Oberfläche des zu messenden Objekts reflektierte Spaltlicht auf die eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene auftrifft;
und eine Recheneinrichtung (z. B. die Recheneinrichtung 143 in Fig. 4) zur Berechnung des Abstands zwischen dem Objekt und der ersten Position auf der Grundlage der Ausgangssignale der ersten, zweiten und dritten Subtraktionseinrichtungen und des Parameters, der die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Abtastspiegels und dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert repräsentiert. Die Recheneinrichtung führt damit die folgende Gleichung (2) aus:
Als Ergebnis der Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die folgenden vorteilhaften Effekte erzielbar.
Bei dem Abstandsmeßverfahren gemäß dem ersten Aspekt kann der Abstand zum Objekt schnell mit hoher Genauigkeit gemessen werden, und zwar aufgrund der Prozedur: Berechnen eines Zählwerts C&sub1;, der kennzeichnend ist für eine erste Winkeldifferenz zwischen einem ersten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von einer Referenzebene in einer ersten Position reflektierte Spaltlicht auf eine bestimmte Abtastzelle der in einer Bildaufnahmeebene angeordneten Abtastzellen auftrifft, und einem zweiten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von der Referenzebene an einer zweiten Position reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene auftrifft, wobei die zweite Position der Referenzebene von der ersten Position um einen bestimmten Abstand getrennt vorgesehen ist; Berechnen eines Zählwerts C&sub2;, der kennzeichnend ist für eine zweite Winkeldifferenz zwischen dem zweiten Winkel des Abtastspiegels und einem dritten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von der Referenzebene an einer dritten Position reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene auftrifft, wobei die dritte Position der Referenzebene von deren zweiten Position um denselben bestimmten Abstand getrennt vorgesehen ist;
Berechnen eines Zählwerts Cx, der kennzeichnend ist für eine dritte Winkeldifferenz zwischen dem dritten Winkel des Abtastspiegels und einem vierten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von der Oberfläche des zu messenden Objekts reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene auftrifft;
Berechnen eines Parameters k, der kennzeichnend ist für die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Abtastspiegels und dem Zählwert;
und Berechnen des Abstands x von der ersten Position zu dem Objekt nach der Gleichung (2).
Bei der Abstandsmeßvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt kann der Abstand zu dem Objekt schnell mit hoher Genauigkeit aufgrund des Aufbaus gemessen werden, umfassend einen Zähler zur Abgabe eines Zählwerts, der kennzeichnend ist für den Drehwinkel des Abtastspiegels, eine erste Subtraktionseinrichtung zur Berechnung der Differenz zwischen dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für den ersten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von einer Referenzebene an einer ersten Position reflektierte Spaltlicht auf eine bestimmte Abtastzelle der in der Bildaufnahmeebene angeordneten Abtastzellen auftrifft, und dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für den zweiten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von der Referenzebene an einer zweiten Position reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene auftrifft, wobei die zweite Position der Referenzebene von deren erster Position um einen bestimmten Abstand entfernt vorgesehen ist; eine zweite Subtraktionseinrichtung zur Berechnung der Differenz zwischen dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für den zweiten Winkel des Abtastspiegels, und dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für einen dritten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von der Referenzebene an einer dritten Position reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt, wobei die dritte Position der Referenzebene von der zweiten Position um denselben bestimmten Abstand entfernt vorgesehen ist; eine dritte Subtraktionseinrichtung zur Berechnung der Differenz zwischen dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für den dritten Winkel des Abtastspiegels, und dem von dem Zähler abgegebenen Zählwert, der kennzeichnend ist für einen vierten Winkel des Abtastspiegels, bei dem das von der Oberfläche des zu messenden Objekts reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt;
und eine Recheneinrichtung zur Berechnung des Abstands zwischen dem Objekt und der ersten Position auf der Grundlage der Ausgangssignale der ersten, zweiten und dritten Subtraktionseinrichtungen und der Parameter, die kennzeichnend sind für die Beziehung zwischen den Drehwinkeln des Abtastspiegels und den vom Zähler abgegebenen Zählwerten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Arbeitsweise, die bei dem Abstandsmeßverfahren und der Abstandsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angenommen ist.
Fig. 2 veranschaulicht Einzelheiten der teilgeometrischen Beziehung gemäß Fig. 11.
Fig. 3 veranschaulicht in einem Blockdiagramm den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform, die die Abstandsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung repräsentiert.
Fig. 4 veranschaulicht in einem Blockdiagramm einen beispielhaften Aufbau eines in der Vorrichtung gemäß Fig. 3 verwendeten Prozessors 14.
Fig. 5 veranschaulicht in einem Blockdiagramm eine beispielhafte Nachschlagtabelle, die anstelle einer Recheneinrichtung 143 in Fig. 4 verwendbar ist.
Fig. 6 veranschaulicht in einem Blockdiagramm eine Modifikation der Nachschlagtabelle gemäß Fig. 5.
Fig. 7 veranschaulicht die Beziehung zwischen einer Bildaufnahmeebene 7 und Nachschlagtabellen.
Fig. 8 veranschaulicht grafisch ein Beispiel von Speicherinhalten in Nachschlagtabellen 144T1 bis 144T8 gemäß Fig. 7.
Fig. 9 veranschaulicht in einem Blockdiagramm eine weitere Modifikation der Nachschlagtabelle gemäß Fig. 5.
Fig. 10 zeigt in einer Perspektivansicht eine beispielhafte Positionseinstellvorrichtung, die zur Positionierung einer Referenzebene verwendet wird.
Fig. 11 zeigt in einer Perspektivansicht eine im Stand der Technik bekannte konventionelle Abstandsmeßvorrichtung.
Fig. 12 zeigt ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des bei der konventionellen Vorrichtung gemäß Fig. 1 angewandten Triangulationsverfahrens.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen.
Fig. 1 veranschaulicht die prinzipielle Arbeitsweise, die bei dem Abstandsmeßverfahren und der Abstandsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung angenommen wird, und Fig. 2 zeigt die Einzelheiten der teilgeometrischen Beziehung in Fig. 1. Die folgende Beschreibung wird im Hinblick auf einen beispielhaften Fall der Messung des Abstands von einer ersten Ebenenposition 50 zur Oberfläche eines zu messenden Objekts gegeben. Zunächst wird ein Zeitpunkt ermittelt, zu dem von einer Referenzebene, die in der ersten Ebenenposition S0 festgelegt ist, reflektiertes Spaltlicht auf jede der in einer Bildaufnahmeebene 7 angeordneten Abtastzellen auftrifft (das heißt jede dieser Zellen passiert). Danach wird ein Zeitpunkt ermittelt, zu dem das von der Referenzebene an einer zweiten Ebenenposition S1, die von der ersten Ebenenposition S0 um einen bestimmten Abstand d entfernt vorgesehen ist und die parallel dazu verläuft, reflektierte Spaltlicht auf jede Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene auftrifft. Anschließend wird ein weiterer Zeitpunkt ermittelt, zu dem bzw. wenn das von der Referenzebene an einer dritten Ebenenposition S2, die um denselben Abstand d von der zweiten Ebenenposition S1 beabstandet ist, reflektiertes Spaltlicht auf jede Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene 7 einfällt.
Ein Abtastspiegel 3 wird um einen Mittelpunkt M&sub0; mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht, und ein Winkel θ&epsi; von der Ursprungs- bzw. Ausgangsposition des Drehspiegels 3 ist durch Gleichung (3) auf der Grundlage eines Zähler-Ausgangswertes bzw. -Abgabewertes C&epsi; gegeben, der an der Ursprungsposition zurückgesetzt wird.
θ&epsi; = kxC&epsi; ........................................Gl.(3)
(wobei k eine Konstante ist).
Die Bildabtast-(Lichtempfangs-)-Zellen Pij sind zweidimensional in der Bildaufnahmeebene 7 angeordnet, und jede Zelle weist eine von einer optischen Vorrichtung 6, die eine Linse sein kann, abhängige spezifische Richtung einer Sehlinie bzw. Sichtlinienrichtung auf. Bei diesem Beispiel wird der Abstand von der Referenzebene an der ersten Ebenenposition S0 bis zu einem Punkt auf der Oberfläche des Objekts gemessen, der die Sichtlinienrichtung der jeweiligen Zelle schneidet.
Es sei nunmehr angenommen, dass P&sub0;, P&sub1; und P&sub2; die Punkte bezeichnen, an denen die Sichtlinienrichtung einer Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 die in den ersten, zweiten und dritten Ebenenpositionen S0, S1 und S2 festgelegte Referenzebene schneiden. Die Winkel θS0, θS1 und θS2 bezeichnen die Winkel von der Ursprungsposition des Abtastspiegels 3, wenn das Spaltlicht auf derartige Punkte P&sub0;, P&sub1; bzw. P&sub2; auftrifft. Sodann ist die Beziehung zwischen dem Abstand a vom Punkt P&sub0; zum Punkt P&sub1; und der Abstand a vom Punkt P&sub1; zum Punkt P&sub2; durch die Gleichung (4) gegeben.
= = a = sxd ..............................Gl. (4)
(wobei s eine Konstante ist).
Der Winkel θ&sub1;, der durch die Segmente P&sub0;M&sub0; und M&sub0;P&sub1; gebildet ist, sowie der Winkel θ&sub2;, der durch die Segmente P&sub1;M&sub0; und M&sub0;P&sub2; gebildet ist, sind durch die Gleichungen (5) bzw. (6) gegeben:
θ&sub1; = θS0 - θS1 ....................................Gl. (5)
θ&sub2; = θS1 - θS2 ..........................................Gl. (6)
Unter der Bedingung, dass eine senkrechte Linie, die in der Sichtlinienrichtung von der Drehmitte M&sub0; des Abtastspiegels 3 gezogen wird, die Verlängerung des Segments P&sub0;P&sub2; an einem Punkt Pf schneidet, ist der Winkel θB durch die nachstehend angegebene Gleichung (7) gegeben.
θB = P&sub2;M&sub0;Pf ...........................................Gl. (7)
Unter der Annahme, dass Px die Zielposition auf dem Objekt bezeichnet, die auf einer geraden Linie P&sub0;P&sub2; liegt und die um einen Abstand m vom Punkt P&sub0; entfernt ist, ist der Winkel θx durch die folgende Gleichung (8) gegeben.
θx = P&sub2;M&sub0;Px ..........................................Gl. (8)
Sodann kann der Abstand x bis zur Zielposition Px von der Referenzebene an deren erster Ebenenposition S0 durch die Gleichung (9) aus der Gleichung (4) angegeben werden.
x = m/s = (2a - n)/s = 2d - n/s ....................Gl. (9)
Die Gleichungen (10), (11) und (12) geben die Beziehung zwischen der Länge B des Segments P&sub2;Pf und der Länge C des Segments M&sub0;Pf an.
tan θB = B/C ........................................Gl. (10)
Die Gleichung (13) wird aus den Gleichungen (10), (11) und (12) erhalten.
Aus den Gleichungen (12) und (13) kann tanθB entsprechend der nachstehend angegebenen Gleichung (14) angegeben werden.
Die Längen vom Punkt Px bis zum Punkt P&sub2; und die Länge m vom Punkt Px bis zum Punkt P&sub1; kann entsprechend den Gleichungen (15) bzw. (16) auf der Grundlage der Gleichungen (13) bzw. (14) angegeben werden.
Demgemäß wird der Abstand x von der Referenzebene in der ersten Ebenenposition S0 zu dem Zielpunkt Px auf der Oberfläche des gemessenen Objekts entsprechend der Gleichung (17) auf der Grundlage der Gleichungen (3), (4), (9) und (16) angegeben.
In der Gleichung (17) gibt der Zählwert C&sub1; die Winkeldifferenz θ&sub1; zwischen dem Winkel θS0 des Abtastspiegels 3 in dem Fall, dass das von der Referenzebene an bzw. in der ersten Ebenenposition S0 reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle Pij in der Bildabtastebene auftrifft, und dem Winkel θS1 des Abtastspiegels 3 in dem Fall an, dass das von der Referenzebene an der zweiten Ebenenposition S1, die von der ersten Ebenenposition S0 um einen bestimmten Abstand d entfernt vorgesehen ist, reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 einfällt. Der Zählwert C&sub2; gibt die Winkeldifferenz θ&sub2; zwischen dem Winkel θS1 des Abtastspiegels 3 und dem Winkel θS2 des Abtastspiegels 3 für den Fall an, dass das von der Referenzebene an der dritten Ebenenposition S2, die von der zweiten Ebenenposition 51 um denselben Abstand d entfernt vorgesehen ist, reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 einfällt. Unterdessen gibt der Zählwert Cx den Winkel θx an, der die Differenz zwischen dem Winkel θS2 des Abtastspiegels 3 und dem Winkel θSx des Abtastspiegels 3 ist, bei dem das von der Oberfläche des Objekts reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 einfällt.
Der Parameter k, der die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des Abtastspiegels 3 und dem Zählwert repräsentiert, kann aus der Gleichung (17) und der Bedingung erhalten werden, dass die Referenzebene an einer anderen zuvor bekannten Position gelegt wird als an den zuvor erwähnten ersten, zweiten und dritten Ebenenpositionen S0, S1 und S2.
Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Abstandsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Diagramm wird Spaltlicht 3S, welches von einem Spaltlicht- Erzeugungslaser 1 emittiert wird, mittels eines Abtastspiegels 3 reflektiert, der beispielsweise einen Galvanospiegel umfaßt, so dass das Spaltlicht 3S sequentiell eine Referenzebene, die an einer zweiten Position S1 in Fig. 1 festgelegt ist, anschließend eine Referenzebene, die an einer dritten Ebenenposition S2 in Fig. 1 festgelegt ist, und schließlich ein zu messendes dreidimensionales Objekt 4 abtastet. Der Spaltlicht- Erzeugungslaser 1 kann aus einem Halbleiterlaser bestehen, der einen Ausgangsstrahl mit einer Wellenlänge von 670 nm (10 mW auf der Austrittsseite einer Linse und mit einer Spaltlichtbreite von etwa 1 mm) erzeugt. Praktischerweise ist in der tatsächlichen Vorrichtung außerdem eine optische Vorrichtung 2 vorgesehen zur Formung des Abgabestrahls der Lichtquelle 1 zu einem Spalt; eine derartige optische Vorrichtung ist indessen in Fig. 3 der vereinfachten Darstellung wegen nicht dargestellt.
Das aufeinanderfolgend von der Referenzebene an der ersten Ebenenposition S0 in Fig. 1, von der Referenzebene an der zweiten Ebenenposition S1 in Fig. 1, von der Referenzebene an der dritten Ebenenposition S2 in Fig. 1 und von der Oberfläche des Objekts 4 reflektierte Spaltlicht wird sukzessiv durch eine Linse 6 eines Bildsensors 5 in eine Bildaufnahmeebene 7 projiziert. Die Bildaufnahmeebene 7 besteht aus einer Vielzahl von darin zweidimensional angeordneten Abtastzellen 8. Jede Abtastzelle 8 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn das Spaltlicht 2 die Referenzebene oder das Objekt 4 in der Sichtlinienrichtung passiert hat, das heißt dann, wenn das von der Referenzebene oder dem Objekt 4 reflektierte Spaltlicht das Spaltlicht selbst passiert hat.
Das Ausgangssignal der jeweiligen Abtastzelle 8 wird mittels einer Leseeinrichtung 9 gelesen, und der von einem Zähler 12 her erhaltene Zählwert wird in einer Speicherzelle 10P eines Zählwertspeichers 10 gespeichert, die der Abtastzelle 8 entspricht, welche das Signal abgegeben hat. Die einzelnen Operationen des Hochzählens der Signale in dem Zähler 12, der Abgabe der Signale von den Abtastzellen 8 und der Speicherung des Zählwerts in den Speicherzellen 10P werden in Synchronismus mit einem externen Taktsignal 13 ausgeführt (welches eine Frequenz von beispielsweise 100 kHz aufweist).
Da der Abtastspiegel 3 so angetrieben wird, dass er sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht, entspricht das Ausgangssignal des Zählers 12 den vom Spiegel 3 her erhaltenen Winkeldaten. Ein Prozessor 14 berechnet den Abstand von der ersten Ebenenposition in Fig. 1 zur Oberfläche des Objekts auf der Grundlage des in der jeweiligen Speicherzelle 10P gespeicherten Zählwertes.
Eine Abtastspiegel-Steuereinrichtung 15 gibt ein Rücksetzsignal (z. B. mit etwa 60 Hz) je Abtastung des Spiegels 3 ab, um dadurch den Inhalt des Zählers 12 und des Zählwertspeichers 10 zurückzusetzen.
Die Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Aufbau des Prozessors 14 gemäß Fig. 3. Eine Speicherebene 141A besteht aus Speicherzellen in einer Anzahl, die gleich der Anzahl der Zellen des Zählwertspeichers 10 ist. Jede Speicherzelle 141AP erhält von der Zelle 10P des Zählwertspeichers 10 einen Zählwert CS0, der den Winkel θS0 des Abtastspiegels 3 in dem Fall angibt, dass das von der Referenzebene an der ersten Ebenenposition S0 reflektierte Spaltlicht auf die Zelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 einfällt. Der so erhaltene Zählwert CS0 wird in der Speicherzelle 141AP gespeichert.
Eine Speicherebene 1418 besteht aus Speicherzellen in einer Anzahl, die gleich der Anzahl der Zellen des Zählwertspeichers 10 ist. Jede Speicherzelle 141BP erhält von der Zelle 10P des Zählwertspeichers 10 einen Zählwert CS1, der kennzeichnend ist für den Winkel θS1 des Abtastspiegels 3 für den Fall, dass das von der Referenzebene an der zweiten Ebenenposition S1, die von der ersten Ebenenposition um einen Abstand d beabstandet ist, reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 einfällt. Der so erhaltene Zählwert CS1 wird in der Speicherzelle 141BP gespeichert.
Die Speicherebene 141C besteht aus Speicherzellen in einer Anzahl, die gleich der Anzahl der Zellen des Zählwertspeichers 10 ist. Jede Speicherzelle 141CP erhält von der Zelle 10P des Zählwertspeichers 10 einen Zählwert CS2, der kennzeichnend ist für den Winkel θS2 des Abtastspiegels 3 für den Fall, dass das von der Referenzebene an der dritten Ebenenposition S2, die von der zweiten Ebenenposition um denselben Abstand d beabstandet ist, reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 einfällt. Der so erhaltene Zählwert CS2 wird in der Speicherzelle 141CP gespeichert.
Eine Speicherebene 141D besteht aus Speicherzellen in einer Anzahl, die gleich der Anzahl der Zellen des Zählwertspeichers 10 ist. Jede Speicherzelle 141DP erhält von der Zelle 10P des Zählwertspeichers 10 einen Zählwert CSx, der kennzeichnend ist für den Winkel θSx des Abtastspiegels 3 für den Fall, dass das von der Oberfläche des Objekts 4 reflektierte Spaltlicht auf die Abtastzelle Pij in der Bildaufnahmeebene 7 einfällt. Der so erhaltene Zählwert CSx wird in der Speicherzelle 141DP gespeichert.
Eine Subtraktionseinrichtung 142A berechnet die Differenz C&sub1; zwischen dem Abgabe- bzw. Ausgangszählwert CS0 der Speicherebene 141A und dem Abgabe- bzw. Ausgangszählwert CS1 der Speicherebene 141B und gibt dann die Differenz C&sub1; an eine Recheneinrichtung 143 ab. Eine Subtraktionseinrichtung 142B berechnet die Differenz C&sub2; zwischen dem Abgabe- bzw. Ausgangszählwert CS1 der Speicherebene 141B und dem Abgabe- bzw. Ausgangszählwert CS2 der Speicherebene 141C und gibt die Differenz C&sub2; an die Recheneinrichtung 143 ab. Eine Subtraktionseinrichtung 142C berechnet die Differenz Cx zwischen dem Abgabe- bzw. Ausgangszählwert CS2 der Speicherebene 141C und dem Abgabe- bzw. Ausgangszählwert CSx der Speicherebene 141D und gibt die Differenz Cx an die Recheneinrichtung 143 ab.
Die Recheneinrichtung 143 erhält den Parameter k zusammen mit den Zählwerten C&sub1;, C&sub2; und Cx von den Subtraktionseinrichtungen 142A, 142B bzw. 142C und berechnet den Abstand x nach der Gleichung (17).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird die Gleichung (17) durch die Recheneinrichtung 143 ausgeführt. Der gewünschte Abstand kann indessen nach einer anderen Prozedur schneller erhalten werden, welche die Schritte der vorhergehenden Berechnung der Abstände x in bezug auf die Zählwerte C&sub1;, C&sub2; bzw. Cx umfaßt, und zwar möglicherweise unter der Annahme im Hinblick auf die einzelnen Abtastzellen 8 (Pij) in der Bildaufnahmeebene 7. Derartige Abstände werden dann in der Nachschlagtabelle 143T gespeichert, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, und der Abstand x wird von der Nachschlagtabelle 143T auf jeden der Zählwerte C&sub1;, C&sub2; und Cx hin abgegeben, die von den Subtraktionseinrichtungen 142A, 142B bzw. 142C gemäß Fig. 4 erhalten werden.
Bei einem weiteren Beispiel, bei dem die ersten, zweiten und dritten Ebenenpositionen S0, S1 und S2 in Fig. 1 festliegen, ist die Variable allein der Zählwert Cx, so dass der Abstand x einfach dadurch erhalten werden kann, dass allein der Zählwert Cx wie in der Nachschlagtabelle 144T gemäß Fig. 6 eingegeben wird.
In dem Fall, dass die ersten, zweiten und dritten Ebenenpositionen S0, S1 und S2 parallel zur Bildaufnahmeebene 7 festgelegt sind, das heißt in dem Fall, dass jede Referenzebene parallel zur Bildaufnahmeebene 7 festgelegt ist, ist dieselbe Nachschlagtabelle für eine Vielzahl von Abtastzellen gemeinsam nutzbar, die in der Bildaufnahmeebene 7 vertikal angeordnet sind. Speziell in dem Fall, dass acht Abtastzellen horizontal in der Bildaufnahmeebene 7 angeordnet sind, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist, wird die Forderung dadurch erfüllt, dass lediglich acht Nachschlagtabellen 144T1, 144T2, 144T3, ... 144T8 bereitgestellt werden.
Fig. 8 zeigt beispielhaft Inhalte einer Nachschlagtabelle, die zur Umsetzung der Zählwerte von acht horizontalen Abtastzellen in einen Abstand in einer 8 · 16-Bildaufnahmeebene (bestehend aus acht horizontalen Zellen · 16 vertikalen Zellen) bereitgestellt ist. Bei diesem Beispiel ist die Länge a auf 90 mm festgelegt, und der jeweils angegebene Abstand ist von der ersten Ebenenposition 50 gegeben, die um etwa 33 cm von der Bildaufnahmeebene einer Kamera entfernt ist.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wird der Abstand x dadurch erhalten, dass die Gleichung (17) in der Recheneinrichtung 143 gemäß Fig. 4 auf der Grundlage der Zählwerte C&sub1;, C&sub2; und Cx ausgeführt wird, oder dass die Nachschlagtabelle 143T oder 144T gemäß Fig. 5 oder 6 herangezogen wird. Es ist indessen auch möglich, den Abstand x dadurch zu erhalten, dass die Rechnung gemäß der Gleichung (16) auf der Grundlage der Drehwinkel θ&sub1;, θ&sub2; und θx des Abtastspiegels 3 durchgeführt wird, die den Zählwerten C&sub1;, C&sub2; und Cx entsprechen, oder dass die Nachschlagtabelle 145T benutzt wird, in der die Drehwinkel θ&sub1;, θ&sub2; und θx eingegeben sind, wie dies in Fig. 9 veranschaulicht ist, oder dass eine andere Nachschlagtabelle benutzt wird, in die der Drehwinkel θx eingegeben wird.
Darüber hinaus kann der Abstand x dadurch erhalten werden, dass außer den Zählwerten C&sub1;, C&sub2; und Cx, wie oben beschrieben, irgendein anderer Wert herangezogen wird, der kennzeichnend ist für die Drehwinkel θ&sub1;, θ&sub2; und θx des Abtastspiegels 3.
In einer praktischen Meßumgebung kann die Festlegung der Referenzebene an den gegenseitigen parallelen und äquidistanten ersten, zweiten und dritten Positionen S0, S1 und S2 dadurch erfolgen, dass, wie in Fig. 10 veranschaulicht, eine Positionseinstellvorrichtung 150 vorgesehen wird, die gegenseitige parallele und äquidistante Nuten 151, 152 und 153 entsprechend den ersten, zweiten und dritten Ebenenpositionen S0, S1 und S2 aufweist, und dass sodann eine Referenzebenenplatte 160 nacheinander in derartige Nuten 151, 152 und 153 gebracht wird.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wird der Parameter k entsprechend der Gleichung (17) unter der Bedingung berechnet, dass die Referenzebene an einer anderen zuvor bekannten Ebenenposition festgelegt wird als den ersten, zweiten und dritten Ebenenpositionen S0, S1 und S2. Es ist indessen auch möglich, einen derartigen Parameter durch die Technik der Wiedergewinnung zu erhalten.
Zusätzlich zu dem obigen Ausführungsbeispiel, bei dem der Abstand zu dem Objekt dadurch gemessen wird, dass die Referenzebene aufeinanderfolgend an den gegenseitig parallelen und äquidistanten ersten, zweiten und dritten Ebenenpositionen S0, S1 und S2 festgelegt wird, kann die Abstandsmessung auch dadurch vorgenommen werden, dass die Referenzebene an vier oder mehr Ebenenpositionen festgelegt wird, die zueinander parallel und äquidistant verlaufen.
Ferner ist es im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel, bei dem jede dreidimensionale Koordinatenposition auf der Oberfläche des Objekts in bezug auf die erste Ebenenposition S0 berechnet wird, auch möglich, die dreidimensionale Koordinatenposition auf der Objektoberfläche mit Bezug auf die Position der Abstandsmeßvorrichtung dadurch zu erhalten, dass zuvor die Positionsbeziehung zwischen der ersten Ebenenposition und der Abstandsmeßvorrichtung ermittelt wird.

Claims

1. Abstandsmeßverfahren zur Messung von Abständen zu Positionen auf einer Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts (4) durch Abtasten der Oberfläche des betreffenden Objekts mittels Spaltlicht (3S) während des Drehens eines Abtastspiegels (3) und Ermitteln der Punkte zu der Zeit, zu der das von dem betreffenden Objekt reflektierte Spaltlicht in einer Bildaufnahmeebene (7) angeordnete Abtastzellen (Pij) überstreicht, gekennzeichnet durch die Schritte:

Berechnen eines Zählwertes (C&sub1;), der kennzeichnend ist für eine erste Winkeldifferenz (θ&sub1;) zwischen einem ersten Winkel (θSO) des Abtastspiegels, wobei das von einer Referenzebene in bzw. an einer ersten Position (SO) reflektierte Spaltlicht auf eine bestimmte Abtastzelle der Abtastzellen einfällt, die in der Bildaufnahmeebene angeordnet sind, und einem zweiten Winkel (θS1) des betreffenden Abtastspiegels, wobei das von der Referenzebene in bzw. an einer zweiten Position (S1) reflektierte Spaltlicht auf die genannte eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt und wobei die zweite Position der Referenzebene um einen bestimmten Abstand (d) von der genannten ersten Position in Abstand vorgesehen ist;

Berechnen eines Zählwerts (C&sub2;), der kennzeichnend ist für eine zweite Winkeldifferenz (θ&sub2;) zwischen dem zweiten Winkel (θS1) des genannten Abtastspiegels und einem dritten Winkel (θS2) des betreffenden Abtastspiegels, wobei das von der Referenzebene in bzw. an einer dritten Position reflektierte Spaltlicht auf die genannte eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt und wobei die genannte dritte Position der Referenzebene um den genannten bestimmten Abstand (d) von der genannten zweiten Position in Abstand vorgesehen ist;

Berechnen eines Zählwerts (Cx), der kennzeichnend ist für eine dritte Winkeldifferenz (θx) zwischen dem dritten Winkel des Abtastspiegels und einem vierten Winkel (θ3x) des betreffenden Abtastspiegels, wobei das von der Oberfläche des zu messenden Objekts reflektierte Licht auf die genannte eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt;

Berechnen eines Parameters (k), der kennzeichnend ist für eine Beziehung zwischen einem Drehwinkel des genannten Abtastspiegels und einem Zählwert;

und Berechnen eines Abstands (x) zwischen der genannten ersten Position und dem genannten Objekt aus der folgenden Gleichung:

wobei d der genannte bestimmte Abstand ist.

2. Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Berechnens des Abstands (x) zwischen dem genannten Objekt (4) und der genannten ersten Position (50) den Schritt der Verwendung einer Nachschlagtabelle (143T; 144T; 144T1, 144T2..., 144T8) umfaßt.

3. Abstandsmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (x) zwischen dem genannten Objekt (4) und der genannten ersten Position (S0) mehrmals berechnet wird, während der genannte Abtastspiegel (3) gedreht wird, derart, dass eine äußere Form des genannten Objekts gemessen wird.

4. Vorrichtung zur Messung von Abständen zu Positionen auf einer Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts (4), umfassend einen Abtastspiegel (3), eine Einrichtung zur Drehung des genannten Abtastspiegels und eine Zähleinrichtung (12) zur Abgabe eines Zählwerts, der kennzeichnend ist für den Drehwinkel des genannten Abtastspiegels, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine erste Subtraktionseinrichtung (142A) vorgesehen ist zur Berechnung der Differenz (C1) zwischen einem ersten Zählwert (CS0) der betreffenden Zähleinrichtung, der kennzeichnend ist für einen ersten Winkel (θS0) des Abtastspiegels, wobei von einer Referenzebene in bzw. an einer ersten Position (S0) reflektiertes Spaltlicht auf eine bestimmte Abtastzelle aus einer Vielzahl von Abtastzellen (Pij) einfällt, die in einer Bildaufnahmeebene (7) angeordnet sind, und einem zweiten Zählwert (CS1) der Zähleinrichtung, der kennzeichnend ist für einen zweiten Winkel (θS1) des betreffenden Abtastspiegels, wobei von der Referenzebene in bzw. an einer zweiten Position (S1) reflektiertes Spaltlicht auf die genannte eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt und

wobei die genannte zweite Position der Bildaufnahmeebene um einen bestimmten Abstand (d) von der genannten ersten Position in Abstand vorgesehen ist;

dass eine zweite Subtraktionseinrichtung (142B) vorgesehen ist zur Berechnung der Differenz (C&sub2;) zwischen dem zweiten Zählwert (CS1) der genannten Zähleinrichtung, der kennzeichnend ist für den zweiten Winkel (θS1) des Abtastspiegels, und einem dritten Zählwert (θS2) der Zähleinrichtung, der kennzeichnend ist für einen dritten Winkel (θS2) des betreffenden Abtastspiegels, wobei von der Referenzebene in bzw. an einer dritten Position (S2) reflektiertes Spaltlicht auf die genannte eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt und wobei die genannte dritte Position der Bildaufnahmeebene um den genannten bestimmten Abstand (d) von der genannten zweiten Position in Abstand vorgesehen ist;

dass eine dritte Subtraktionseinrichtung (142C) vorgesehen ist zur Berechnung der Differenz (Cx) zwischen dem dritten Zählwert (CS2) der Zähleinrichtung, der kennzeichnend ist für den dritten Winkel (θS2) des Abtastspiegels, und einem vierten Zählwert (CSx) der Zähleinrichtung, der kennzeichnend ist für einen vierten Winkel (θSx) des Abtastspiegels, wobei von der Oberfläche des zu messenden Objekts reflektiertes Spaltlicht auf die genannte eine Abtastzelle in der Bildaufnahmeebene einfällt;

und dass eine Recheneinrichtung (143) vorgesehen ist zur Berechnung des Abstands (x) zwischen dem genannten Objekt (4) und der genannten ersten Position (50) durch Heranziehen der Ausgangssignale der ersten, zweiten und dritten Subtraktionseinrichtungen sowie eines Parameters (k), der kennzeichnend ist für die Beziehung zwischen dem Drehwinkel des genannten Abtastspiegels und dem Ausgangs-Zählwert der genannten Zähleinrichtung, wobei die genannte Recheneinrichtung (143) folgende Gleichung ausführt:

5. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Recheneinrichtung (143) eine Nachschlagtabelle (143T; 144T; 144T1, 144T2, ... 144T8) umfaßt.

6. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Recheneinrichtung (143) den Abstand (x) zwischen dem genannten Objekt (4) und der genannten ersten Position (S0) mehrmals berechnet, während der Abtastspiegel (3) gedreht wird, derart, dass eine äußere Form des betreffenden Objekts gemessen wird.