WO2006103191A1 - Vorrichtung zur bestimmung von raumkoordinaten von objektoberflächen - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung von raumkoordinaten von objektoberflächen Download PDF

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Günter DOEMENS
Claudio Laloni
Richard Schneider
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining spatial coordinates of an object with:
  • a projector that projects an object onto a object with known projection data, a camera in which an object image with the projected pattern is generated, and
  • a data processing unit which determines the surface coordinates of the object from the object image and the known projection data.
  • the invention is based on the object of virtually eliminating the influence of ambient light in the three-dimensional detection of objects encoded lighting.
  • this narrowband range of the infrared sensitivity of today's black-and-white video cameras which lies approximately between 750 nm and 1000 nm.
  • light sources are used advantageously two laser diodes, each with a very low bandwidth. Their wavelengths are in the range mentioned above between 750 and 1000 nm. The two frequencies or wavelengths of the light sources have a distance of about 100 nm.
  • the light beams of the light sources are combined on an interference filter via an emission-side splitter mirror.
  • these properties are "fully transmissive” or “non-transmissive” for wavelengths 1 and 2, and “transmissive for wavelength 1 or wavelength 2".
  • the image of the pattern reflected or scattered by the object is imaged via optics and a divider mirror onto two identical, aligned and aligned black-and-white cameras.
  • corresponding narrowband interference filters which nau the wavelengths ⁇ ] _ and ⁇ 2 correspond, provides a Ka ⁇ mera only the image in the wavelength range ⁇ ] _, the other image in the wavelength range ⁇ 2 is achieved via the other camera.
  • An electronic addition of these images gives the complete coding pattern in the infrared range.
  • the described device provides a very high insensitivity to the broadband ambient light, in particular sunlight, due to the required extreme narrowband of the existing both on the transmitting side and on the receiving side optical elements in conjunction with the selected part of the infrared light.
  • Transmissionsmasken guided light beams is provided, which in turn are supplied to an illumination optical system and serve to represent patterns with at least four different combinations of wavelengths and a receiving side divider mirror serves for the separation of an object re ⁇ inflected or scattered pattern.
  • Figure 1 is a schematic representation showing a transmitting and receiving unit for receiving Jardinkoordina ⁇ th, where black and white video cameras are used in the near-infrared light (NIR),
  • NIR near-infrared light
  • Figure 2 shows the embodiment of a transmitting unit with the use of transmission masks, z. B. chrome masks,
  • FIG. 3 shows the principle of color-coded triangulation in the near infrared range using standard video technology.
  • a device is available by means of the invisible to the human eye and almost unaffected by the ambient light three-dimensional images can be detected and evaluated.
  • the exclusive use of low-cost standard components of optoelectronics such as laser diodes or light emitting diodes, black and white video cameras u. ⁇ . In addition, it will substantially boost industrial use.
  • Figure 1 shows a device consisting of an infrared projector 4, and an infrared sensor 5, the transmit side of the infrared projector includes two laser diodes or light-emitting diodes 1, 2 having a different wavelength ⁇ ] _, ⁇ 2 • The gleichzei ⁇ tig emitted beams of the laser diodes or light emitting diodes are via the transmitting side splitter 10 together ⁇ leads. In order to achieve a high luminous efficacy, this should be designed as a dichroic splitter mirror.
  • the Strah ⁇ len pass via illumination optics 12 on an interference filter 3. This interference filter has patterns on four different properties.
  • the two black-and-white video cameras 8, 9 are adjusted relative to one another and relative to the beam path and receive via interference filters 6, 7 light components, which are assigned to the respective wavelengths ⁇ ] _, ⁇ 2.
  • an interference filter 6 is designed so that it transmits only wavelengths ⁇ ] _, wherein the interference filter 7 only lets pass wavelengths ⁇ 2.
  • Figure 2 shows a corresponding arrangement for generating an infrared pattern, in which case only standard chrome masks are used in conjunction with a splitter mirror.
  • the light components used are in a invisible to the human eye, so that on the one hand the illumination of the object is invisible, and on the other hand have the infrared light components sufficient distance from the Ma ⁇ ximum on the spectrum of sunlight, so Störsigna ⁇ le on ambient light strongly are reduced.
  • Figure 3 shows a schematic arrangement according to Figure 1 and 2, wherein the infrared projector 4 is entered with the two emission wavelengths ⁇ ] _ and ⁇ 2 and the infrared ⁇ sensor 5 in the form of the cameras 8, 9.
  • the arrangement of the elements corresponds to the requirements of the usual triangulation.
  • the combination possibilities shown in FIG. 2 with regard to the production of a pattern, as can be produced for example by an interference filter 3, are the combinations that neither ⁇ ] _ and X2 are transmitted (0, 0); that the
  • Filter only ⁇ ] _ is permeable (0, ⁇ ] _); that the filter for ⁇ ] _ and also for ⁇ 2 is permeable ( ⁇ ] _ ⁇ 2) and that the filter for ⁇ 2 is permeable (0, ⁇ 2).
  • This allows over the entire object a two-dimensional coding applied ⁇ to that allows by means of triangulation, in an out ⁇ stretched depth range in almost video real time of each pixel to capture the spatial coordinates and thus to provide a more complete ⁇ continuous three-dimensional image.

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Abstract

Vorrichtung zur Erfassung technischer Objekten oder von Gesichtern nach der Methode der Triangulation, wobei für die kodierte Beleuchtung zur höheren Störsicherheit gegenüber Umgebungslicht die Kombination von mindestens zwei Wellenlängen im nahen Infrarotbereich eingesetzt wird. Realisierung mit Standardkomponenten der optoelektronischen und der Video-Technik.

Description

Bezeichnung
Vorrichtung zur Bestimmung von Raumkoordinaten von Objektoberflächen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Raumkoordinaten eines Objektes mit:
- einem Projektor, der auf ein Objekt ein Muster mit bekannten Projektionsdaten projiziert, - einer Kamera, in der ein Objektbild mit dem projizierten Muster erzeugt wird, und
- einer Datenverarbeitungseinheit, die aus dem Objektbild und den bekannten Projektionsdaten die Oberflächenkoordinaten des Objektes bestimmt.
In der industriellen Bildverarbeitung werden zuverlässige Informationen über Entfernungen von Objekten benötigt. Gleichzeitig werden heute echte dreidimensionale Informationen von Objekten vermehrt benötigt. Die Einsatzbreite von entspre- chenden optischen Systemen in der industriellen Bildverarbeitung ist folglich groß. Die Auswirkungen von Beleuchtungen, insbesondere Objektbeleuchtungen und das Umgebungslicht, stellen jedoch nach wie vor ein Problem dar. Somit besteht eine wesentliche Zielrichtung bei der Auslegung von entspre- chenden Geräten darin, Störeinflüsse weitestgehend zu vermei¬ den .
Um die bisher vorhandenen Grenzen zu überwinden, werden Triangulationsverfahren auf der Basis von Standard-Videotechnik in Verbindung mit kodierter Beleuchtung eingesetzt. Durch Farbkodierung in Verbindung mit Farbvideokameras ist bei¬ spielsweise ermöglicht worden, in nahezu Echtzeit, Video- Echtzeit, die gleichzeitige Erfassung von Farbbildern und dreidimensionalen Bildern zu realisieren. Dabei reduziert sich die Beeinflussung durch das Umgebungslicht, bleibt je¬ doch prinzipiell erhalten. Die Auswirkung des Sonnenlichts auf die farbkodierte Beleuch¬ tung hat ihre Ursache in der starken spektralen Intensität im sichtbaren Bereich, da gleichzeitig eine große Bandbreite bei den Farbkanälen in Standard-Videokameras vorliegt. Eine Farb- kodierung im Infrarotbereich ist sicher durchführbar. Entsprechende Infrarot-Farbkameras sind jedoch technisch aufwän¬ dig und durch den relativ geringen Bedarf werden diese in einem überschaubaren Zeitraum kaum für industrielle Anwendungen verfügbar sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Einfluss durch Umgebungslicht bei der dreidimensionalen Erfassung von Objekten kodierte Beleuchtung nahezu auszuschließen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Es wird vorgeschlagen, diesen schmalbandigen Bereich der Inf- rarot-Empfindlichkeit heutiger Schwarzweiß-Videokameras zu nutzen, der etwa zwischen 750 nm und 1000 nm liegt. Als Lichtquellen dienen in vorteilhafter Weise zwei Laserdioden mit jeweils sehr geringer Bandbreite. Deren Wellenlängen liegen im oben genannten Bereich zwischen 750 und 1000 nm. Die beiden Frequenzen bzw. Wellenlängen der Lichtquellen weisen einen Abstand von ca. 100 nm auf.
Über einen sendeseitigen Teilerspiegel werden die Lichtstrahlen der Lichtquellen auf einem Interferenzfilter vereinigt. Daraus resultiert ein Streifenmuster mit vier verschiedenen optischen Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind beispielsweise für die Wellenlänge 1 und 2 "voll durchlässig" oder "nicht durchlässig" und "durchlässig für die Wellenlänge 1 oder Wellenlänge 2". Auf der Empfangsseite wird das Bild des vom Objekt reflektierten oder gestreuten Musters über eine Optik und einen Teilerspiegel auf zwei gleiche, zueinander ausgerichtete und justierte Schwarzweiß-Kameras abgebildet. Durch entsprechende schmalbandige Interferenzfilter, die ge- nau den Wellenlängen λ]_ und λ2 entsprechen, liefert eine Ka¬ mera nur das Bild im Wellenlängenbereich λ]_, wobei das andere Bild im Wellenlängenbereich λ2 über die andere Kamera erzielt wird. Durch eine elektronische Addition dieser Bilder erhält man das vollständige Kodierungsmuster im Infrarotbereich.
Die beschriebene Vorrichtung liefert aufgrund der geforderten extremen Schmalbandigkeit der sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite vorhandenen optischen Elemente in Verbindung mit dem ausgewählten Teil des Infrarotlichtes eine sehr hohe Unempfindlichkeit gegenüber dem breitbandigen Umgebungslicht, insbesondere dem Sonnenlicht.
Eine alternative Lösung sieht vor, dass ein sendeseitiger Teilerspiegel zur Vereinigung von ausgesandten und durch
Transmissionsmasken geführter Lichtstrahlen vorgesehen ist, die ihrerseits einer Beleuchtungsoptik zuführbar sind und zur Darstellung von Mustern mit mindestens vier verschiedenen Kombinationen von Wellenlängen dienen und ein empfangsseiti- ger Teilerspiegel dient zur Trennung von durch ein Objekt re¬ flektierte bzw. gestreute Muster.
Im Folgenden werden anhand der begleitenden schematischen Fi- guren Ausführungsbeispiele beschrieben.
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer Sende- und Empfangseinheit zur Aufnahme von Raumkoordina¬ ten, wobei Schwarzweiß-Videokameras im nahen Infrarotlicht (NIR) eingesetzt sind,
Figur 2 zeigt die Ausführung einer Sendeeinheit mit dem Einsatz von Transmissionsmasken, z. B. Chrommasken,
Figur 3 zeigt das Prinzip der farbkodierten Triangulation im nahen Infrarotbereich mit Standard Videotechnik . Durch die Erfindung steht eine Vorrichtung zur Verfügung mittels der für das menschliche Auge unsichtbar und nahezu unbe- einflusst vom Umgebungslicht dreidimensionale Bilder erfasst und ausgewertet werden können. Der ausschließliche Einsatz von kostengünstigen Standardkomponenten der Optoelektronik wie Laserdioden bzw. Leuchtdioden, Schwarzweiß-Videokameras u. Ä. wird darüber hinaus den industriellen Einsatz wesentlich vorantreiben.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung bestehend aus einem Infrarot- Projektor 4 und einem Infrarotsensor 5. Sendeseitig beinhaltet der Infrarotprojektor zwei Laserdioden bzw. Leuchtdioden 1, 2 mit unterschiedlicher Wellenlänge λ]_, λ2 • Die gleichzei¬ tig ausgesandten Strahlen der Laserdioden bzw. Leuchtdioden werden über den sendeseitigen Teilerspiegel 10 zusammenge¬ führt. Um eine hohe Lichtausbeute zu erreichen, sollte dieser als dichroitischer Teilerspiegel ausgebildet sein. Die Strah¬ len gelangen über eine Beleuchtungsoptik 12 auf ein Interferenzfilter 3. Dieses Interferenzfilter weist Muster mit vier verschiedenen Eigenschaften auf. Die Eigenschaften sind nicht durchlässig für λ]_ und 7^2' voll durchlässig für λ]_ und 7^2' durchlässig nur für λ]_, und durchlässig nur für λ2 • Im Ver¬ lauf des weiteren Strahlengangs, der über ein Projektionsob¬ jektiv geleitet wird, wird eine Objektoberfläche mit dem am Filter 3 entwickelten Muster beleuchtet. Die von der Objektoberfläche zurückkommenden Strahlen werden von dem Infrarotsensor 5 aufgenommen. Die über das Abbildungsobjektiv 13 geleiteten Strahlen treffen auf einen empfangsseitigen Teilerspiegel 11, der den Strahlengang in Richtung auf zwei Schwarzweiß-Videokameras 8, 9 aufteilt. Auch dieser Teiler¬ spiegel sollte zur Optimierung der Ausbeute ein dichroiti¬ scher Teilerspiegel sein. Die beiden Schwarzweiß-Videokameras 8, 9 sind gegeneinander und relativ zum Strahlengang justiert und empfangen über Interferenzfilter 6, 7 Lichtanteile, die den jeweiligen Wellenlängen λ]_, λ2 zugeordnet sind. Hierzu ist ein Interferenzfilter 6 so ausgelegt, dass er lediglich Wellenlängen λ]_ durchlässt, wobei der Interferenzfilter 7 lediglich Wellenlängen λ2 passieren lässt. Figur 2 zeigt eine entsprechende Anordnung zur Erzeugung eines Infrarotmusters, wobei hier lediglich Standard- Chrommasken in Verbindung mit einem Teilerspiegel verwendet werden.
Analog zur Detektion im sichtbaren Licht sind hier im Infrarotbereich zwei Laserdioden mit unterschiedlicher Wellenlänge vorhanden, die im Spektrum keinerlei Überschneidungen zeigen, d. h. ausreichend beabstandet sind. Die Beabstandung der bei¬ den Lichtquellen bzw. Wellenlängen beträgt etwa 100 nm, womit der Bereich der Infrarotempfindlichkeit der Schwarzweiß- Videokameras zwischen 750 nm und 1000 nm optimal ausgenutzt ist .
Die Erzeugung eines Musters im Infrarotbereich, d. h. im für das Auge unsichtbaren Bereich, erfordert äußerst schmalbandi- ge Lichtquellen, um die beschriebene Anordnung mit einer besonders hohen Unempfindlichkeit gegenüber dem Sonnenlicht auszustatten.
Insgesamt liegen die verwendeten Lichtanteile in einem für das menschliche Auge unsichtbaren Bereich, so dass zum Einen die Beleuchtung des Objektes unsichtbar ist und zum Anderen weisen die Infrarotlichtanteile ausreichenden Abstand zum Ma¬ ximum des Spektrums des Sonnenlichtes auf, so dass Störsigna¬ le vom Umgebungslicht stark vermindert sind.
Figur 3 zeigt eine schematische Anordnung entsprechend Figur 1 und 2, wobei der Infrarotprojektor 4 mit den beiden Emissionswellenlängen λ]_ und λ2 eingetragen ist sowie der Infrarot¬ sensor 5 in Form der Kameras 8, 9. Die Anordnung der Elemente entspricht den Anforderungen der üblichen Triangulation. Die in Figur 2 dargestellten Kombinationsmöglichkeiten bzgl. der Herstellung eines Musters, wie es beispielsweise durch einen Interferenzfilter 3 herstellbar ist, sind die Kombinationen, dass weder λ]_ und X2 durchgelassen werden (0, 0); dass der
Filter lediglich λ]_ durchlässig ist (0, λ]_) ; dass der Filter für λ]_ und auch für λ2 durchlässig ist (λ]_ λ2) und dass der Filter für λ2 durchlässig ist (0, λ2). Damit kann über das gesamte Objekt eine flächenhafte Kodierung aufgebracht wer¬ den, die es mittels Triangulation ermöglicht, in einem ausge¬ dehnten Tiefenbereich in nahezu Video-Echtzeit von jedem Bildpunkt die Raumkoordinaten zu erfassen und damit ein voll¬ ständiges dreidimensionales Bild zu liefern.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung von Raumkoordinaten, die Folgendes aufweist: - mindestens zwei Lichtquellen innerhalb des Wellenlängen¬ bereiches von 750 bis 1000 nm mit unterschiedlicher Wel¬ lenlänge, mit schmaler Bandbreite und einem gegenseiti¬ gen Abstand, dass sich die Wellenlängenbereiche der Lichtquellen nicht überschneiden, - einen sendeseitigen Teilerspiegel (10) zur Vereinigung von ausgesandten Lichtstrahlen und deren Zuführung über eine Beleuchtungsoptik (12) auf einen Interferenzfilter (3) , zur Darstellung von Mustern mit mindestens vier verschiedenen Kombinationen von Wellenlängen, - einem empfangsseitigen Teilerspiegel (11) zur Trennung von durch ein Objekt reflektierte bzw. gestreute Muster,
- zwei gleiche zueinander justierte Schwarzweiß- Videokameras (8, 9) mit jeweils vor geschaltetem Interfe¬ renzfilter (6, 7), dessen optische Eigenschaften jeweils den Wellenlängen der Lichtquellen entspricht,
- wobei aus dem Verlauf der so erzeugten Infrarotmuster auf der Objektoberfläche die Raumkoordinaten der einzel¬ nen Objektpunkte durch Triangulation bestimmbar sind.
2. Vorrichtung zur Bestimmung von Raumkoordinaten, die Folgendes aufweist:
- mindestens zwei Lichtquellen innerhalb des Wellenlängen¬ bereiches von 750 bis 1000 nm mit unterschiedlicher WeI- lenlänge, mit schmaler Bandbreite und einem gegenseiti¬ gen Abstand, dass sich die Wellenlängenbereiche der Lichtquellen nicht überschneiden,
- einen sendeseitigen Teilerspiegel (10) zur Vereinigung von ausgesandten durch Transmissionsmasken (14, 15) ge- führte Lichtstrahlen und deren Führung auf eine Beleuchtungsoptik zur Darstellung von Mustern mit mindestens vier verschiedenen Kombinationen von Wellenlängen, - einem empfangsseitigen Teilerspiegel (11) zur Trennung von durch ein Objekt reflektierte bzw. gestreute Muster,
- zwei gleiche zueinander justierte Schwarzweiß- Videokameras (8, 9) mit jeweils vorgeschaltetem Interfe- renzfilter (6, 7), dessen optische Eigenschaften jeweils den Wellenlängen der Lichtquellen entspricht,
- wobei aus dem Verlauf der so erzeugten Infrarotmuster auf der Objektoberfläche die Raumkoordinaten der einzel¬ nen Objektpunkte durch Triangulation bestimmbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Lichtquellen Laserdioden bzw. Leuchtdioden (1, 2) sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, worin Muster Streifenmuster sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, worin Teilerspiegel dichroitische Spiegel sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 5, worin Transmissionsmasken Chrommasken sind.
7. Verwendung einer Vorrichtung, die entsprechend einem der Ansprüche 1 - 6 aufgebaut ist, zur Gesichtserkennung.
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