EP0236296A1 - Process and apparatus for distance measurement by laser - Google Patents
Process and apparatus for distance measurement by laserInfo
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- EP0236296A1 EP0236296A1 EP85902440A EP85902440A EP0236296A1 EP 0236296 A1 EP0236296 A1 EP 0236296A1 EP 85902440 A EP85902440 A EP 85902440A EP 85902440 A EP85902440 A EP 85902440A EP 0236296 A1 EP0236296 A1 EP 0236296A1
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- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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- G01C3/32—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders by focusing the object, e.g. on a ground glass screen
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- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
Definitions
- the invention relates to a method and a device for laser removal measurement with high resolution for the close range.
- the invention falls in the field of distance measurement using a laser beam and optical imaging system.
- this solution is not suitable for a fast measuring rate with high measuring accuracy, as required, for example, by laser scanners in robotics.
- the laser rangefinders operating according to the transit time method or by phase comparison have the disadvantage, with the required measuring accuracy of better than one milliliter, that they require a great deal of technical effort and if they achieve this resolution at all, the recording time per pixel can be up to a few hundred milliseconds be.
- the invention has for its object to provide a cheap and reliable method that it allows distances in the close range (0 to 5 m) to be measured within a very short time with a resolution of the order of one millimeter.
- This object is achieved in the method according to the invention in that when imaging a light spot (1) generated on the object to be measured onto the recording plane (3) outside the image plane of the diameter of the resulting blur disc (4) for distance measurement is used.
- the recording plane no longer has to be changed to determine the distance.
- the method according to the invention has the advantage that the measuring time per pixel is only limited by the response time of the light-sensitive receiver used, for example a CCD line or a photodiode array and not by the positioning speed of the focus.
- the resolution is also not dependent on the mechanical focusing, but only on the resolution of the light-sensitive receiver and the dimensioning of the optical system.
- Figure 1 shows the measuring principle of the invention.
- a light spot with the object distance g generated on the object to be measured is sharply imaged according to the lens law (8) by an optical system (2) with the focal length f in the image plane with the image width b. If the recording plane (3) is outside this image plane, a blur disc (4) is created, the Diameter D on the receiving plane according to equations (6) and (7) depends on the diameter L of the diaphragm (5), on the image width b and on the distance s of the receiving plane (3).
- equation (9) follows for the image width. If the image width b is replaced by equation (9) in equation (7), equation (10) results for the diameter D of the unsharpness disc (4) at the point s. If equation (10) is solved for g, equation (11) results.
- FIG 2 shows an embodiment of the invention.
- a laser (12) which is arranged with the receiving optics (13) by a beam splitter (19) on the same optical axis, generates, after being deflected by the deflection unit, consisting of mirror (22) and actuator (21), on the Object (18) a point of light (17).
- This light spot (17) is imaged by the recording optics (13) on a light-sensitive line receiver (14), so that since it is arranged outside the image plane, a blur disc (16) is created.
- the evaluation computer (15) can use the number of responding cells in the line receiver (14) to determine the diameter of the unsharpness disc (16) and thus the object distance g according to equation (11).
- the evaluation computer (15) can switch the laser on and off via the signal A and position the laser light spot (17) on the object (18) via the signal B and the servomotor (21) with mirror (22), via the signal INT the exposure time of the line receiver (14) is controlled and the values of the individual cells are read in via the line V with the clock signal CLK after the exposure.
- the light sump (23) swallows the laser light partially reflected on the beam splitter (19).
- the diameter of the unsharpness disc is approximately 25 mm at an object distance of 1 meter and approximately 16.7 mm at 1.5 meters, ie the disc diameter is reduced by 8.3 mm.
- this corresponds to a number of 638 receive cells for a CCD line, so that the required resolution of 1 millimeter is achieved in this distance range.
- Measuring times of 100 microseconds can be achieved when using CCD lines, ie approximately 10,000 measurements per second can be carried out. It should also be noted that the resolution decreases quadratically with the distance, so that the working area must be adapted by means of an appropriately dimensioned lens.
- FIG. 2 shows an exemplary embodiment for object measurement with a deflection unit which scans the object freely controlled by the computer.
- the beam splitter (19) allows the laser (12) and receiving optics (13) to be arranged on the same optical axis, so that both beam paths are always synchronized after the deflection.
- the evaluation computer (15) converts the number of responding cells of the line receiver into the corresponding distance value, the intensity of the unsharpness disc (16) being able to be used to determine the reflection constant of the illuminated object point, since the distance is known.
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Abstract
La télémetrie se fait par la mesure d'un disque de défocalisation (4) produit par un point de lumière laser (1) projeté sur l'objet observé à travers un objectif défocalisé (2). Si l'image est mesurée sur un plan de reproduction (3) en dehors de la distance principale b de l'image, le diamètre D du disque de défocalisation (4) résultant est inversement proportionnel à la distance du point de lumière et peut être déterminé par un récepteur photosensible à lignes sur la base du nombre de cellules réceptrices ayant enregistré une réaction. La précision de la mesure n'est influencée que par le dimensionnement des éléments optiques utilisés et par la résolution du récepteur à lignes, alors que le temps de mesure ne dépend essentiellement que du temps de réaction des cellules réceptrices.Ranging is done by measuring a defocus disc (4) produced by a point of laser light (1) projected onto the observed object through a defocused lens (2). If the image is measured on a reproduction plane (3) outside the principal distance b of the image, the diameter D of the resulting defocus disc (4) is inversely proportional to the distance from the point of light and can be determined by a photosensitive line receptor based on the number of receptor cells that have registered a reaction. The precision of the measurement is only influenced by the dimensioning of the optical elements used and by the resolution of the line receiver, whereas the measurement time essentially depends only on the reaction time of the receiving cells.
Description
Verfahren und Einrichtung zur LaserentfernungsmessungMethod and device for laser distance measurement
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrich¬ tung zur Laserentfernungs_aessung mit hoher Auflösung für den Nahbereich. Die Erfindung fällt in das Gebiet der Entfernungsmessung mittels Laserstrahl und Auf- nahmeoptik.The invention relates to a method and a device for laser removal measurement with high resolution for the close range. The invention falls in the field of distance measurement using a laser beam and optical imaging system.
Zugrunde liegender Stand der TechnikUnderlying state of the art
Bei bekannten Verfahren zur Bestimmung von Entfer¬ nungen durch Unschärfemessung wird der Abstand der Auf¬ nahmeebene zum Objektiv solange verändert, bis der In- tensitätsunterschied zweier benachbarter Bildpunkte ein Maximum erreicht hat, wobei dann der eingestellte Ab¬ stand ein Naß für die Objektentfernung darstellt; vgl. Zeitschrift "IEEE Trans. Pattern Anal. Machine Intell.", Vol PAMI-5, No.2, März 1983, S. 127, "A Perspective on Range Finding Techniques for Computer Vision".In the case of known methods for determining distances by means of unsharpness measurement, the distance between the recording plane and the objective is changed until the difference in intensity between two neighboring image points has reached a maximum, the distance set then representing a wet distance for the object distance; see. Journal "IEEE Trans. Pattern Anal. Machine Intell.", Vol PAMI-5, No.2, March 1983, p. 127, "A Perspective on Range Finding Techniques for Computer Vision".
Diese Lösung ist wegen der benötigten Mechanik zur Fokussierung nicht für eine schnelle Meßrate mit hoher Meßgenauigkeit, wie sie beispielsweise Laser-Scanner in der Robotik erfordern, geeignet.Because of the mechanics required for focusing, this solution is not suitable for a fast measuring rate with high measuring accuracy, as required, for example, by laser scanners in robotics.
Die nach der Laufzeitmethode oder durch Phasenver¬ gleich arbeitenden Laserentfernungsmesser haben bei der geforderten Meßgenauigkeit von besser einem Milliliter den Nachteil, daß sie einen großen technischen Aufwand erfordern und falls sie diese Auflösung überhaupt er¬ reichen, kann die Aufnahmezeit pro Bildpunkt bis zu einigen Hundert Millisekunden betragen.The laser rangefinders operating according to the transit time method or by phase comparison have the disadvantage, with the required measuring accuracy of better than one milliliter, that they require a great deal of technical effort and if they achieve this resolution at all, the recording time per pixel can be up to a few hundred milliseconds be.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bil¬ liges und zuverlässiges Verfahren zu schaffen, das es
erlaubt, Entfernungen im Nahbereich (0 bis 5 m) inner¬ halb kürzester Zeit bei einer Auflösung in der Größen¬ ordnung eines Millimeters zu messen.The invention has for its object to provide a cheap and reliable method that it allows distances in the close range (0 to 5 m) to be measured within a very short time with a resolution of the order of one millimeter.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren dadurch gelöst, daß bei Abbildung eines auf dem zu vermessenden Objekt erzeugten Lichtpunkt (1) auf die Aufnahmeebene (3) außerhalb der Bildebene der Durchmes¬ ser der dabei entstehenden Unschärfescheibe (4) zur Ent- fernungsmessung herangezogen wird.This object is achieved in the method according to the invention in that when imaging a light spot (1) generated on the object to be measured onto the recording plane (3) outside the image plane of the diameter of the resulting blur disc (4) for distance measurement is used.
Dadurch, daß lediglich der Durchmesser der Unschärfe¬ scheibe vermessen wird, muß zur Entfernungsbestimmung die Aufnahmeebne nicht mehr verändert werden.Because only the diameter of the unsharpness disc is measured, the recording plane no longer has to be changed to determine the distance.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die Meßzeit pro Bildpunkt lediglich durch die Ansprech¬ zeit des verwendeten lichtempfindlichen Empfängers, bei¬ spielsweise eine CCD-Zeile oder ein Fotodiodenarray und nicht durch die Positioniergeschwindigkeit der Fokus- βierung begrenzt wird. Außerdem ist die Auflösung eben¬ falls nicht von der mechanischen Fokussierung, sondern nur von der Auflösung des lichtempfindlichen Empfängers und der Dimensionierung des optischen Systems abhängig.The method according to the invention has the advantage that the measuring time per pixel is only limited by the response time of the light-sensitive receiver used, for example a CCD line or a photodiode array and not by the positioning speed of the focus. In addition, the resolution is also not dependent on the mechanical focusing, but only on the resolution of the light-sensitive receiver and the dimensioning of the optical system.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigenShow it
Fig.l das Meßprinzip der ausgeführten Erfindung undFig.l the measuring principle of the invention and executed
Fig.2 ein Ausführungsbeispiel.2 shows an embodiment.
Figur 1 zeigt das Meßprinzip der ausgeführten Erfindung. Ein auf dem zu vermessenden Objekt erzeugter Lichtpunkt mit der Gegenstandsweite g wird nach dem Linsengesetz (8) durch ein optisches System (2) mit der Brennweite f in der Bildebene mit der Bildweite b scharf abgebildet. Befindet sich die Aufnahmeebene (3) außerhalb dieser Bildebene, so entsteht eine Unschärfescheibe (4), deren
Durchmesser D an der Aufnahmeebene nach Gleichung (6) und (7) vom Durchmesser L der Blende (5), von der Bild¬ weite b und vom Abstand s der Aufnahmeebene (3) abhängt. Nach dem Linsengesetz (8) folgt für die Bildweite b Gleichung (9). Wird in Gleichung (7) die Bildweite b durch Gleichung (9) ersetzt, ergibt sich Gleichung (10) für den Durchmesser D der Unschärfescheibe (4) an der Stelle s. Wird Gleichung (10) nach g aufgelöst, ergibt sich Gleichung (11).Figure 1 shows the measuring principle of the invention. A light spot with the object distance g generated on the object to be measured is sharply imaged according to the lens law (8) by an optical system (2) with the focal length f in the image plane with the image width b. If the recording plane (3) is outside this image plane, a blur disc (4) is created, the Diameter D on the receiving plane according to equations (6) and (7) depends on the diameter L of the diaphragm (5), on the image width b and on the distance s of the receiving plane (3). According to the lens law (8) b equation (9) follows for the image width. If the image width b is replaced by equation (9) in equation (7), equation (10) results for the diameter D of the unsharpness disc (4) at the point s. If equation (10) is solved for g, equation (11) results.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Laser (12), der mit der Aufnahmeoptik (13) durch einen Strahlteiler (19) auf der gleichen optischen Achse angeordnet ist, erzeugt nach Ablenkung durch die Abblenkeinheit, bestehend aus Spiegel (22) und Stell¬ motor (21), auf dem Objekt (18) einen Lichtpunkt (17). Dieser Lichtpunkt (17) wird durch die Aufnahmeoptik (13) auf einen lichtempfindlichen Zeilenempfänger (14) abgebildet, sodaß, da dieser außerhalb der Bildebene angeordnet ist, .eine Unschärfescheibe (16) entsteht. Der Auswerterechner (15) kann anhand der Anzahl der ansprechenden Zellen des Zeilenempfängers (14) den Durchmesser der Unschärfescheibe (16) und damit nach Gleichung (11) die Gegenstandsweite g bestimmen. Der Auswerterechner (15) kann über das Signal A den Laser ein- und ausschalten und über das Signal B und den Stellmotor (21) mit Spiegel (22) den Laserlichtpunkt (17) auf dem Objekt (18) positionieren, über das Signal INT wird die Belichtungszeit des Zeilenempfängers (14) gesteuert und mit dem Taktsignal CLK nach der Belich¬ tung die Werte der einzelnen Zellen über die Leitung V eingelesen. Der Lichtsumpf (23) verschluckt das am Strahlteiler (19) teilweise reflektierte Laserlicht.Figure 2 shows an embodiment of the invention. A laser (12), which is arranged with the receiving optics (13) by a beam splitter (19) on the same optical axis, generates, after being deflected by the deflection unit, consisting of mirror (22) and actuator (21), on the Object (18) a point of light (17). This light spot (17) is imaged by the recording optics (13) on a light-sensitive line receiver (14), so that since it is arranged outside the image plane, a blur disc (16) is created. The evaluation computer (15) can use the number of responding cells in the line receiver (14) to determine the diameter of the unsharpness disc (16) and thus the object distance g according to equation (11). The evaluation computer (15) can switch the laser on and off via the signal A and position the laser light spot (17) on the object (18) via the signal B and the servomotor (21) with mirror (22), via the signal INT the exposure time of the line receiver (14) is controlled and the values of the individual cells are read in via the line V with the clock signal CLK after the exposure. The light sump (23) swallows the laser light partially reflected on the beam splitter (19).
Bester Weg zur Ausführung der ErfindungBest way to carry out the invention
Wird beispielsweise ein Objektiv mit einer Brennweite von 500 mm und einem Blendendurchmesser von 50 mm verwen-
det, so beträgt der Durchmesser der Unschärfescheibe bei einem Objektabstand von 1 Meter etwa 25 mm und bei 1,5 Meter etwa 16,7 mm, d.h. der Scheibendurchmesser verklei¬ nert sich um 8,3 mm. Dies entspricht bei einem Zellenab- stand von 13 um bei einer CCD-Zeile einer Anzahl von 638 Empfangszellen, sodaß in diesem Entfernungsbereich die geforderte Auflösung von 1 Millimeter erreicht wird. Da¬ bei sind Meßzeiten von 100 Mikrosekunden bei Verwendung von CCD-Zeilen zu erreichen, d.h. es können etwa 10.000 Messungen pro Sekunde erfolgen. Zu beachten ist noch, daß die Auflösung allerdings quadratisch mit der Entfernung abnimmt, sodaß der Arbeitsbereich durch eine entsprechend dimensionierte Optik angepaßt werden muß.For example, if a lens with a focal length of 500 mm and an aperture diameter of 50 mm is used det, the diameter of the unsharpness disc is approximately 25 mm at an object distance of 1 meter and approximately 16.7 mm at 1.5 meters, ie the disc diameter is reduced by 8.3 mm. With a cell spacing of 13 µm, this corresponds to a number of 638 receive cells for a CCD line, so that the required resolution of 1 millimeter is achieved in this distance range. Measuring times of 100 microseconds can be achieved when using CCD lines, ie approximately 10,000 measurements per second can be carried out. It should also be noted that the resolution decreases quadratically with the distance, so that the working area must be adapted by means of an appropriately dimensioned lens.
Ein Ausführungsbeispiel zur Objektvermessung mit einer Ablenkeinheit, die vom Rechner gesteuert das Objekt wahl¬ frei abtastet, zeigt Fig.2. Durch den Strahlteiler (19) können Laser (12) und Empfangsoptik (13) auf der selben optischen Achse angeordnet werden, sodaß beide Strahlen- gänge nach der Ablenkung immer synchronisiert sind. DieFIG. 2 shows an exemplary embodiment for object measurement with a deflection unit which scans the object freely controlled by the computer. The beam splitter (19) allows the laser (12) and receiving optics (13) to be arranged on the same optical axis, so that both beam paths are always synchronized after the deflection. The
Anzahl der ansprechenden Zellen des Zeilenempfängers wird vom Auswerterechner (15) in den entsprechenden Entfernungs¬ wert umgerechnet, wobei gleichzeitig die Intensität der Unschärfescheibe (16) zur Bestimmung der Reflexionskon- stante des angestrahlten Objektpunkts benutzt werden kann, da die Entfernung bekannt ist.The evaluation computer (15) converts the number of responding cells of the line receiver into the corresponding distance value, the intensity of the unsharpness disc (16) being able to be used to determine the reflection constant of the illuminated object point, since the distance is known.
Gewerbliche VerwertbarkeitCommercial usability
Eine gewerbliche Verwertbarkeit wird im Bereich von Laser-Scannern gesehen, wie sie zur Abtastung von Objekten im Nahbereich beim Einsatz von Robotern benötigt werden.
A commercial usability is seen in the area of laser scanners, as they are required for scanning objects in the close range when using robots.
Claims
1. Verfahren zur Laserentfernungsmessung mit hoher Auflösung für den Nahbereich bei dem der von einem Laser auf dem Meßobjekt erzeugte Lichtpunkt (1) über ein op¬ tisches System (2) auf eine Aufnahmeebene (3) abgebildet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei Abbildung des Lichtpunktes (1) auf die Aufnahmeebene (3) außerhalb der Bildebene der Durchmesser der dabei entstehenden Unschärfescheibe (4) zur Entfernungsmessung herangezogen wird.1. A method for laser distance measurement with high resolution for the close range in which the light point (1) generated by a laser on the measurement object is imaged via an optical system (2) on a recording plane (3), characterized in that when the light point is imaged (1) on the recording plane (3) outside the image plane the diameter of the resulting blur disc (4) is used for distance measurement.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Unschärfescheibe ein lichtempfind¬ licher Zeilenempfänger, wie beispielsweise ein Fotodio- denarray oder ein CCD-Bildwandler benutzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a light-sensitive line receiver, such as a photo diode array or a CCD image converter, is used to measure the blur disk.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unschärfescheibe zur Erhöhung der Empfangsintensität auf dem Zeilenempfänger mittels einer geeigneten Optik, beispielsweise einer Zylinderlinse, zu einem Lichtband komprimiert wird.3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the blur to increase the reception intensity on the line receiver by means of suitable optics, for example a cylindrical lens, is compressed into a light band.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Unschärfescheibe gleichzeitig als Maß für die Reflexionskonstante des an¬ gestrahlten Objekts benutzt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the intensity of the blur disc is used at the same time as a measure of the reflection constant of the object irradiated.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Lichtpunkt erzeugende Laser¬ strahl und die Empfangsoptik auf der selben optischen Achse liegen.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the laser beam generating the light spot and the receiving optics lie on the same optical axis.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Laser (12), einer Aufnahmeoptik (13), einem lichtempfindlichen Zeilenem¬ pfänger (14) und einem Auswerterechner (15), dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Zeilenempfänger (14) bei unscharf eingestellter Aufnahmeoptik die entstehende Unschärfe- Scheibe (16) des Laserlichtpunktes (17) auf dem zu ver¬ messenden Objekt (18) detektiert und der Auswerterechner (15) anhand der Anzahl der ansprechenden Empfangszellen den entsprechenden Entfernungswert errechnet.6. Device for performing the method according to one of claims 1 to 5 with a laser (12), a recording optics (13), a light-sensitive line receiver (14) and an evaluation computer (15), characterized in that the line receiver (14) with the optical system set out of focus, the resulting blur disc (16) of the laser light spot (17) on the object (18) to be measured is detected and the evaluation computer (15) on the basis of the number of responsive receiving cells the corresponding distance value is calculated.
7. Einrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (12) und die Auf- nahmeoptik (13) durch einen Strahlteiler (19) auf der selben optischen Achse angeordnet sind.7. Device according to claim 6 for performing the method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the laser (12) and the recording optics (13) are arranged by a beam splitter (19) on the same optical axis .
8. Einrichtung nach Anspruch 6 und 7 zur Durchfüh¬ rung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner (15) durch die Ablenkeinheit (20), beispielsweise bestehend aus Stellmotor (21) und Spiegel (22), den Laserlicht¬ punkt (17) und gleichzeitig den Meßpunkt der Aufnahme¬ optik wahlfrei auf dem Objekt (18) positionieren kann.8. Device according to claim 6 and 7 for performing the method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the evaluation computer (15) by the deflection unit (20), for example consisting of servomotor (21) and mirror (22) , the laser light point (17) and at the same time the measuring point of the recording optics can be positioned optionally on the object (18).
9. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 8 zur Durchfüh- rung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner (15) die Intensität der ansprechenden Zellen des 1ichempfind¬ lichen Empfängers (14) und die gemessene Entfernung zum Objekt (18) zur Berechnung der Reflexionskonstante des angestrahlten Objekts benutzt. 9. Device according to claim 6 to 8 for carrying out the method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the evaluation computer (15) the intensity of the responsive cells of the 1ichsens¬ receiver (14) and the measured distance to the object (18) used to calculate the reflection constant of the illuminated object.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PUAI | Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012 |
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| AK | Designated contracting states |
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| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
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| 18D | Application deemed to be withdrawn |
Effective date: 19870109 |