WO2012136402A1 - Verfahren zum bestimmen von justierungsabweichungen eines bilddatenerfassungs-chips einer optischen kamera sowie entsprechende justierprüfvorrichtungen - Google Patents

Verfahren zum bestimmen von justierungsabweichungen eines bilddatenerfassungs-chips einer optischen kamera sowie entsprechende justierprüfvorrichtungen Download PDF

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WO2012136402A1
WO2012136402A1 PCT/EP2012/052163 EP2012052163W WO2012136402A1 WO 2012136402 A1 WO2012136402 A1 WO 2012136402A1 EP 2012052163 W EP2012052163 W EP 2012052163W WO 2012136402 A1 WO2012136402 A1 WO 2012136402A1
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camera
image
laser beam
optical
optical camera
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PCT/EP2012/052163
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Marzieh Asadeh PARCHAMI
Uwe Apel
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Robert Bosch Gmbh
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    • H04N17/002—Diagnosis, testing or measuring for television systems or their details for television cameras
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    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30244—Camera pose

Definitions

  • the invention relates to a method for determining adjustment deviations of an image data acquisition chip of an optical camera and corresponding
  • DE 102 46 066 A1 describes a method for calibrating at least one image sensor system of a motor vehicle by means of at least one calibration object, wherein the image sensor system generates a first image information of the calibration object, preferably in the form of at least one image data set, and wherein the alignment of the image sensor system with respect to the geometric travel axis of Motor vehicle is determined.
  • Transverse guidance and object recognition can support the driver of the vehicle and increase safety.
  • An essential feature that such driver assistance systems must have is the correct determination of the object coordinates in the 3-dimensional world, such as lane markers and pedestrian locations, from the 2-dimensional image data acquired by the optical camera.
  • a further requirement of such driver assistance systems is that the viewing direction of the optical camera as a line of symmetry of the detection cone is matched as well as possible with the driving axis of the vehicle, since a skewness the
  • the alignment check which determines the deviation of the viewing direction of the camera from the nominal line of sight, is one of the most critical final optical checks.
  • the determination of the device capability of measuring devices assumes that there is a normal, ie a reference, measure. For the determination of
  • Detection range of a camera which is determined from the lens and image sensor data, a separate normal would be required.
  • this task in the testing technology is solved so that the cameras are clamped in a test stand, the test specimens with a known orientation relative to a test point field.
  • the image of the test point field recorded in this clamping is evaluated by means of a special image processing routine in such a way that the viewing direction of the camera and the distortion parameters of the objective can be determined.
  • These data are then stored in the test object.
  • the orientation of the camera in the clamping of the test stand is determined relative to the point coordinates on the test point field via two auxiliary steps in the field of surveying technology. In a first step, by means of the measurement on a 3D coordinate measuring machine, the contact points of the holder on which the camera to be tested is positioned are determined. Furthermore, the location of special
  • Coordinate transformation to give the parameter set for the image processing routines used in measuring the individual cameras.
  • the calculation result of the coordinate transformation is used as a calibration, but as a result of the indirect determination of the measured variables, no calibration standard can be derived therefrom.
  • a camera that exactly matches the nominal design data can not be produced due to the relatively large influences of very small mechanical deviations. For example, results from the requirements that cameras for the night vision application, an angular resolution of 30 pixels (corresponding to 168 ⁇ ) per degree of angle at a
  • Focal length of the lens of 10 mm and that the maximum deviation from the nominal direction of view must not exceed +/- 1 °. This makes it clear that even the slightest deviations, for example in the placement of the image sensor on the printed circuit board, result in a significant error contribution.
  • Claim 1 defines a method for determining alignment deviations of an image acquisition chip of an optical camera, wherein a laser beam of a laser source is aligned by means of a Justierprüfvorraum on a camera to be recorded by the optical camera image on which a visible laser image is formed by the laser beam, wherein the Justierprüfvorraum has a camera holder for the correct position installation of the optical camera. Furthermore, in the method, the camera image is taken by the correct position built-in optical camera. Furthermore, coordinates of the laser image recorded in the camera image are determined, and a deviation of the coordinates of the recorded laser image from a desired position of the camera image is determined and based thereon a derivation of the
  • a Justierprüfvorraum for determining Wnkelabweichungen an optical camera comprising a camera holder for a reference camera, which support elements for installation of the reference camera in the
  • Camera mount and a support surface for a plane mirror has, and a Laser source, which is arranged in the Justierprüfvorraum such that a
  • Laser beam is adjusted at a position of an optical axis of the Justierprüfvorraum on the plane mirror and a reflected laser beam is aligned congruent to the laser beam.
  • Claim 15 defines an alignment test device for determining angular deviations of an optical camera, comprising a projection surface on which a line can be projected and which can be imaged by the optical camera, a laser source which is used to project the line perpendicular to the optical axis of the optical camera provided optical camera arranged projection surface, and a rocker unit, which is provided for rotatably supporting the laser source.
  • Justierprüf device have the advantage that, for example, the position angle of an optical camera with respect to an external suspension on the housing of the camera can be determined with a simplified structure.
  • This determination is made independently of the determination of other parameters, such as the intrinsic calibration parameters of the optical camera. It is also independent of the mechanical dimensions of the optical camera, these need only be known with sufficient accuracy.
  • the following steps are carried out in the method prior to the alignment of the laser beam: Provision of a reference camera which has support elements for installation of the reference camera in the camera holder of the Justierprüfvorraum and a support surface for a plane mirror and used as part of the Justierprüfvorraum and loading the bearing surface of the reference camera with the plane mirror and clamping the reference camera in the
  • Housing can be determined.
  • the method is the
  • Adjustment deviations of the image data acquisition chip of the optical camera detects pitch and / or yaw deviations of the image data acquisition chip of the optical camera.
  • a filter element is introduced into the beam path of the laser beam in such a way that no overexposure of the optical camera takes place.
  • Deviation of the coordinates of the recorded laser image from the target position of the camera image in the X direction calculated a yaw angle deviation of the optical camera.
  • FIG. 1 shows a method for determining adjustment deviations of an image acquisition chip of an optical camera according to an embodiment of the invention; an adjustment checking device for determining adjustment deviations of an image data acquisition chip of an optical camera according to another embodiment of the invention; an adjustment checking device for determining adjustment deviations of an image data acquisition chip of an optical camera according to another embodiment of the invention; and an adjustment checking device for determining adjustment deviations of an image data acquisition chip of an optical camera according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a method for determining adjustment deviations of an image acquisition chip of an optical camera according to an embodiment of the invention.
  • the alignment takes place, for example, in relation to a mechanically accurately produced replica of the optical camera housing, which contains a plane mirror at the sensor position, after alignment of the laser beam, this replica is replaced by an optical camera 40, 140 with sensor, on which by the laser beam 31, 130a-c, a visible laser image is formed, wherein the Justierprüfvortechnisch 1, 100 a
  • Camera mount 14, 15, 123a, 123b for the correct installation of the optical camera 40, 140 has.
  • the camera image is recorded by the correctly installed optical camera 40, 140. Furthermore, coordinates of the laser image recorded in the camera image are determined and a deviation of the
  • FIG. 2 shows an alignment test device for determining adjustment deviations of an image data acquisition chip of an optical camera according to another
  • FIG. 2 shows an alignment test device 1, which comprises a camera mount 14, 15 for a reference camera 20, which support elements 22a, 22b for installation of the
  • the Justierprüfvorraum 1 comprises a laser source 1 1, which is arranged in the Justierprüfvorraum 1, that a laser beam 31 is adjusted at a position of an optical axis of the Justierprüfvorraum 1 on the plane mirror and a reflected laser beam 32 is aligned congruent to the laser beam 31.
  • the mechanical dimensions of the reference camera 20 and the fixed optical axis of the Justierprüfvortechnik 1 from design data are known.
  • the spatial arrangement of an optic and the image capture chip of the optical camera 40 are also fixed, as well as the resolution of the image capture chip in pixels.
  • the zero point of the image plane of the optics of the optical camera 40 is assumed, for example, in the center of the image sensor or image sensing chip. In the sense of the
  • the straight line through the principal point in the image plane and the projection center represents the optical axis of the Justierprüfvorraum 1, wherein the attitude angle of the optical camera 40 or the reference camera 20 are given in relation to the projection center.
  • a milled camera dish or reference camera 20 is manufactured.
  • the reference camera 20 has the property that the plane in which the image sensor of the optical camera 40 would be attached, is suitable for the attachment of a semi-transparent mirror or plane mirror.
  • the location of the image sensor should be a symmetrical recess in the camera shell, which has approximately the same dimensions as the sensor itself.
  • this plane must have a direct relation to the later suspension of the camera body, which is determined by the support elements 22a, 22b.
  • This reference is important for the later positioning of the optical camera 40 relative to the laser beam 31 of the laser source 11.
  • the details of the relation can only be defined in the sense of the application and construction.
  • a semitransparent mirror is fixedly attached to the position of the image sensor, whereby bonding or mechanical fixation can be used. It's important to make sure that this interface is as level as possible.
  • the semitransparent mirror may, for example, be round or square and approximately correspond to the dimensions of the image sensor.
  • the center of the semi-permeable Mirror must be marked so that it coincides with the center of the sensor position when mounting as far as possible.
  • the laser source 11 for example, a He-Ne laser with a continuous
  • the Justierprüfvorraum 1 has at least two deflecting mirrors 12, 13, through which the laser beam 31 is guided so that it hits the reference camera 20 in the camera mount 14, 15.
  • the laser beam 31 is adjusted by means of the deflection mirrors 12, 13 so that it meets the center of the semitransparent mirror of the reference camera 20 vertically. This is ensured by the fact that a reflected laser beam 32 is aligned congruent with the laser beam 31.
  • the optical path of the laser beam 31 to the reference camera 20 is selected to be as large as possible, for example more than 3 m, so that small tilting of the laser beam 31 relative to the mirror of the reference camera 20 cause a large deflection of the reflected laser beam 32 and the tilting are well recognized can.
  • aperture elements 16, 17 for limiting the diameter of the laser beam 31 may be used to detect tilting of the laser beam 31
  • FIG. 3 shows an alignment test device for determining adjustment deviations of an image data acquisition chip of an optical camera according to another
  • the reference camera 20 is replaced by an optical camera 40, which can record a camera image.
  • an optical camera 40 which can record a camera image.
  • a laser image of the laser source 11 in the form of a laser spot or laser spot is visible on the recorded camera image of the optical camera 40.
  • the difference between the position of the laser spot or laser spot to the image center or another desired position can be calculated. From the positional deviation of the laser spot or laser spot in the X direction of the Yaw angle and calculated by the positional deviation in the Y-axis of the pitch angle.
  • the projection center represents the pivot point for the determination of both angles. This size can be taken from the design or a measurement.
  • the laser spot may need to be attenuated in intensity.
  • filter elements or aperture elements 16, 17 are used for this purpose.
  • the filter elements are designed for example as an optical filter and select the incident laser radiation according to certain criteria, eg. B. according to the wavelength, the polarization state or the direction of incidence.
  • the limitation of the diameter of the laser beam can be adapted, for example, to the respective optics of the optical camera 40.
  • FIG. 4 shows an alignment test device for determining adjustment deviations of an image data acquisition chip of an optical camera according to another
  • the Justierprüfvorraum 100 includes a projection surface 1 10, on which a line 11 1 is projected and which can be imaged by an optical camera 140, a laser source 120, which for the projection of the line 1 11 on the perpendicular in front of the optical axis OA of the optical camera 140 arranged projection surface 110 is provided, and a Wppech 121, which is provided for the rotatable mounting of the laser source 120.
  • the Justierprüfvorraum 100 further comprises fixed contact points in the form of a camera mount 123a, 123b for mechanical suspension of the optical camera 140, wherein the position of the optical camera 140 with respect to the optical axis OA of Justierprüfvorraum 100 is defined. Furthermore, the rocker unit 121 allows the optical camera 140 to be fixedly mounted on a tripod.
  • the laser source 120 is mounted, for example, parallel and vertically offset, above or below, to the optical axis OA of the Justierprüfvorraum 100.
  • a pendulum unit 122 allows the wobble unit 121 to continuously rock, with the laser source 120 of the alignment tester 100 during a
  • Oscillation laser beams 130a, 130b, 130c projected onto the projection surface 1 10 such that the line 1 11 is imaged as a laser image of the laser beams 130a, 130b, 130c.
  • the optical camera 140 is operated to capture a sequence of camera images with the appropriate software.
  • the entire assembly of optical unit 121 and optical camera 40 is positioned such that the laser beams 130a, 130b, 130c are projected onto, for example, a wall or panel removed from the optical camera 140 about 5 meters.
  • the rocker unit 121 with the laser source 120 switched on is set in vibration relative to the optical camera 40.
  • the optical camera 140 captures a sequence of camera images during this time of oscillation. For this example, a
  • the laser source 120 projects during the Wppterrorism a line 1 11 to the
  • Projection surface 110 For example, the sequence of recorded camera images is later assembled by addition, so that the line 1 11 is displayed.
  • the line 11 is a vertical line in the image plane of the recorded camera image, the line 11 being along the central column of the image sensor.
  • An optical camera 140 which is subject to manufacturing tolerances, will record, for example, a line 11 which has a curvature to the horizontal of the projection surface 110. This deviation of such an oblique line to an ideally vertical results in the roll angle of the optical camera 140. In this case, the beschräge cross over and vertical line in the middle of the sensor. The roll angle is referred to this point, the puncture point of the optical axis OA by the image sensor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera (40;140) mit den Schritten Ausrichten (S11) eines Laserstrahls (31;130a-c) einer Laserquelle (11;120) mittels einer Justierprüfvorrichtung (1, 100) auf ein von der optischen Kamera (40; 140) aufzunehmendes Kamerabild, auf dem durch den Laserstahl (31; 130a-c) ein sichtbares Laserbild gebildet wird, wobei die Justierprüfvorrichtung (1, 100) eine Kamerahalterung (14, 15;123a, 123b) zum lagerichtigen Einbau der optischen Kamera (40;140) aufweist, und Aufnehmen (S12) des Kamerabildes durch die lagerichtig eingebaute optische Kamera (40;140) und Bestimmen von Koordinaten des in dem Kamerabild aufgenommen Laserbildes und Ermitteln einer Abweichung der Koordinaten des aufgenommen Laserbildes von einer Sollposition des Kamerabildes und darauf basierend Ableiten der Justierungsabweichungen des Bilddatenerfassungs-Chips der optischen Kamera (40; 140).

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs- Chips einer optischen Kamera sowie entsprechende Justierprüfvorrichtungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera sowie entsprechende
Justierprüfvorrichtungen.
Stand der Technik
Die DE 102 46 066 A1 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung wenigstens eines Bildsensorsystems eines Kraftfahrzeuges, mittels wenigstens eines Kalibrierobjektes, wobei das Bildsensorsystem eine erste Bildinformation des Kalibrierobjektes erzeugt, vorzugsweise in Form wenigstens eines Bilddatensatzes, und wobei die Ausrichtung des Bildsensorsystems bezüglich der geometrischen Fahrachse des Kraftfahrzeuges bestimmt wird.
Es ist allgemein bekannt, dass Fahrerassistenzsysteme basierend auf optischen
Kameras, die das Vorfeld eines Fahrzeugs überwachen, durch Funktionen wie
Querführung und Objekterkennung den Fahrer des Fahrzeuges unterstützen können und die Sicherheit erhöhen können.
Ein wesentliches Leistungsmerkmal, das solche Fahrerassistenzsysteme dafür aufweisen müssen, ist die korrekte Bestimmung der Objektkoordinaten in der 3-dimensionalen Welt, wie etwa Fahrspurmarkierungen und Positionen von Fußgängern, aus den 2- dimensionalen Bilddaten, die von der optischen Kamera erfasst werden.
Eine weitere Forderung an solche Fahrerassistenzsysteme ist, dass die Blickrichtung der optischen Kamera als eine Symmetrielinie des Erfassungskegels mit der Fahrachse des Fahrzeugs möglichst gut in Übereinstimmung gebracht ist, da ein Schiefblicken den
Erfassungsbereich der optischen Kamera reduziert und damit die Funktion einschränkt. Entsprechend ist die Ausrichtungsprüfung, bei der die Abweichung der Blickrichtung der Kamera von der nominalen Blickrichtung bestimmt wird, eine der kritischsten optischen Endprüfungen. Die Bestimmung der Gerätefähigkeit von Messeinrichtungen setzt voraus, dass es zu einer Messgröße ein Normal, also ein Referenzmaß gibt. Für die Bestimmung der
Blickrichtung einer Kamera ist bislang kein direkt einsetzbares Normal verfügbar, da die Blickrichtung jeweils in Bezug zu den Befestigungs- oder Anschlagpunkten einer Kamera bestimmt werden muss. Das heißt, dass für jede Gehäuseform und für jeden
Erfassungsbereich einer Kamera, der aus den Objektiv- und Bildsensordaten bestimmt ist, ein eigenes Normal erforderlich wäre.
Bislang wird diese Aufgabenstellung in der Prüftechnik so gelöst, dass die Kameras in einem Prüfstand, der die Prüflinge mit einer bekannten Ausrichtung relativ zu einem Testpunktfeld eingespannt werden. Das in dieser Einspannung aufgenommen Bild des Testpunktfeldes wird mittels einer speziellen Bildverarbeitungsroutine so ausgewertet, dass die Blickrichtung der Kamera und die Verzeichnungsparameter des Objektivs bestimmt werden können. Diese Daten werden dann in dem Prüfling gespeichert. Die Ausrichtung der Kamera in der Einspannung des Prüfstands wird relativ zu den Punktkoordinaten auf dem Testpunktfeld über zwei Hilfsschritte aus dem Bereich der Vermessungstechnik ermittelt. In einem ersten Schritt werden mittels der Vermessung auf einer 3D-Koordinatenmessmaschine die Anlagepunkte der Halterung, an der die zu prüfende Kamera positioniert wird, bestimmt. Ferner wird die Lage von speziellen
Reflektor-Marken - Hubbs-Marken oder Reflectance Spheres - bestimmt.
Auf der Grundlage der CAD-Daten der zu prüfenden Kamera können aus den
Koordinaten der Anlagepunkte der Prüflingsaufnahme die Position des Hauptpunktes und die Blickrichtung der nominalen optischen Kamera berechnet werden. Ausgehend von diesem Punkt werden anschließend die Koordinaten der speziellen Reflektor-Marken -
Hubbs-Marken oder Reflectance Spheres - im Koordinatensystem des Prüflings bestimmt. Darauf aufbauend werden in einem zweiten Schritt die Positionen der
Referenz-Reflektormarken auf dem Test-Chart des Prüfstand mit Bezug auf das
Koordinatensystem der Kamera mittels einer photogrammetrischen Messung bestimmt. Die Ergebnisse der zwei Vermessungsschritte des Prüfstands müssen in einer
Koordinaten-Transformation zusammen geführt werden, um den Parametersatz für die Bildverarbeitungsroutinen zu ergeben, die bei der Vermessung der Einzelkameras eingesetzt wird. Das Berechnungsergebnis der Koordinatentransformation wird als Kalibrierung herangezogen, infolge der indirekten Bestimmung der Messgrößen ist damit jedoch kein Kalibriernormal ableitbar.
Eine Kamera, die exakt den nominalen Entwurfsdaten entspricht, ist aufgrund der relativ großen Einflüsse geringster mechanischer Abweichungen nicht herstellbar. Zum Beispiel ergibt sich aus den Anforderungen, dass Kameras für die Nachtsichtanwendung eine Winkelauflösung von 30 Pixel (entsprechend 168 μηι) pro Winkelgrad bei einer
Brennweite des Objektivs von 10 mm haben sollen, und dass die maximale Abweichung von der nominalen Blickrichtung +/- 1 ° nicht überschreiten darf. Damit wird erkennbar, dass schon geringste Abweichungen, etwa bei der Platzierung des Bildsensors auf der Leiterplatte, einen signifikanten Fehlerbeitrag ergeben.
Offenbarung der Erfindung
In Anspruch 1 ist ein Verfahren zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera definiert, wobei ein Laserstrahl einer Laserquelle mittels einer Justierprüfvorrichtung auf ein von der optischen Kamera aufzunehmendes Kamerabild ausgerichtet wird, auf dem durch den Laserstahl ein sichtbares Laserbild gebildet wird, wobei die Justierprüfvorrichtung eine Kamerahalterung zum lagerichtigen Einbau der optischen Kamera aufweist. Ferner wird bei dem Verfahren das Kamerabild durch die lagerichtig eingebaute optische Kamera aufgenommen. Ferner werden Koordinaten des in dem Kamerabild aufgenommen Laserbildes bestimmt und eine Abweichung der Koordinaten des aufgenommen Laserbildes von einer Sollposition des Kamerabildes ermittelt und darauf basierend erfolgt ein Ableiten der
Justierungsabweichungen des Bilddatenerfassungs-Chips der optischen Kamera.
In Anspruch 14 ist eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Wnkelabweichungen einer optischen Kamera definiert, umfassend eine Kamerahalterung für eine Referenz- Kamera, welche Auflageelemente zum Einbau der Referenz-Kamera in die
Kamerahalterung und eine Auflagefläche für einen Planspiegel aufweist, und eine Laserquelle, welche derart in der Justierprüfvorrichtung angeordnet ist, dass ein
Laserstrahl an einer Stelle einer optischen Achse der Justierprüfvorrichtung auf den Planspiegel justiert ist und ein reflektierter Laserstrahl deckungsgleich zu dem Laserstrahl justiert ist.
In Anspruch 15 ist eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Winkelabweichungen einer optischen Kamera definiert, umfassend eine Projektionsfläche, auf weicher eine Linie projizierbar ist und welche von der optischen Kamera abbildbar ist, eine Laserquelle, welche zur Projektion der Linie auf der senkrecht vor der optischen Achse der optischen Kamera angeordneten Projektionsfläche vorgesehen ist, und eine Wippeinheit, welche zur drehbaren Lagerung der Laserquelle vorgesehen ist.
Vorteile der Erfindung
Das in Anspruch 1 definierte Verfahren und die in Anspruch 14 und 15 definierten
Justierprüf Vorrichtung haben den Vorteil, dass zum Bespiel die Lagewinkel einer optischen Kamera im Bezug zu einer externen Aufhängung am Gehäuse der Kamera mit einem vereinfachten Aufbau ermittelt werden können.
Diese Bestimmung erfolgt unabhängig von der Ermittlung anderer Kenngrößen, wie etwa den intrinsischen Kalibrierparametern der optischen Kamera. Sie ist ebenfalls unabhängig von den mechanischen Maßen der optischen Kamera, diese müssen nur hinreichend genau bekannt sein.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des betreffenden Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden bei dem Verfahren vor dem Ausrichten des Laserstrahls die folgenden Schritte ausgeführt: Bereitstellen einer Referenz-Kamera, welche Auflageelemente zum Einbau der Referenz-Kamera in die Kamerahalterung der Justierprüfvorrichtung und eine Auflagefläche für einen Planspiegel aufweist und als Teil der Justierprüfvorrichtung verwendet wird und Bestücken der Auflagefläche der Referenz- Kamera mit dem Planspiegel und Einspannen der Referenzkamera in die
Kamerahalterung. Der Vorteil dabei ist, dass damit auf direkte und auf einfache Weise Lagewinkel einer optischen Kamera im Bezug zu einer externen Aufhängung am
Gehäuse bestimmt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt bei dem Verfahren das
Ausrichten des Laserstrahls in der Prüfvorrichtung derart, dass der Laserstrahl an einer Stelle einer optischen Achse der Prüfvorrichtung auf den Planspiegel trifft und ein reflektierter Laserstrahl deckungsgleich zu dem Laserstrahl reflektiert wird, wobei die Referenz-Kamera durch die optische Kamera ersetzt wird. Mittels des Ausrichtens des Laserstrahls wird die Genauigkeit der Messung weiter verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werde als
Justierungsabweichungen des Bilddatenerfassungs-Chips der optischen Kamera Nick- und/oder Gierabweichungen des Bilddatenerfassungs-Chips der optischen Kamera ermittelt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird ein Filterelement in den Strahlengang des Laserstrahls derart eingebracht, dass keine Überbelichtung der optischen Kamera erfolgt. Durch geeignetes Filtern mit dem Filterelement kann die Form und Größe des Laserbildes und somit die Genauigkeit der Messung weiter verbessert werden.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden beim
Ausrichten des Laserstrahls der Laserquelle in der Justierprüfvorrichtung Aperturelemente zur Begrenzung des Durchmessers des Laserstrahls verwendet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit eine Überblendung der optischen Kamera vermieden wird. Zudem wird die
Ausrichtung des einfallenden und reflektierten Strahls vom Planspiegel verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird aus der
Abweichung der Koordinaten des aufgenommen Laserbildes von der Sollposition des Kamerabildes in X-Richtung eine Gierwinkelabweichung der optischen Kamera berechnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird aus der
Abweichung der Koordinaten des aufgenommen Laserbildes von der Sollposition des Kamerabildes in Y-Richtung eine Nickwinkelabweichung der optischen Kamera
berechnet. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen: ein Verfahren zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts Anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben
Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit und Verständlichkeit nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander wiedergegeben sind.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einem ersten Schritt S1 1 des Verfahrens wird ein Laserstrahl 31 , 130a-c einer
Laserquelle 1 1 , 120 mittels einer Justierprüfvorrichtung 1 , 100 auf ein von der optischen Kamera 40, 140 aufzunehmendes Kamerabild ausgerichtet. Die Ausrichtung erfolgt beispielsweise im Bezug zu einer mechanisch genau gefertigten Nachbildung des optischen Kameragehäuses, das einen Planspiegel an der Sensorposition enthält, nach erfolgter Ausrichtung des Laserstrahls wird diese Nachbildung durch eine optische Kamera 40, 140 mit Sensor ersetzt, auf dem durch den Laserstahl 31 , 130a-c ein sichtbares Laserbild gebildet wird, wobei die Justierprüfvorrichtung 1 , 100 eine
Kamerahalterung 14, 15, 123a, 123b zum lagerichtigen Einbau der optischen Kamera 40, 140 aufweist.
In einem zweiten Schritt S12 des Verfahrens wird das Kamerabild durch die lagerichtig eingebaute optische Kamera 40, 140 aufgenommen. Ferner werden Koordinaten des in dem Kamerabild aufgenommen Laserbildes bestimmt und eine Abweichung der
Koordinaten des aufgenommen Laserbildes von einer Sollposition des Kamerabildes ermittelt und darauf basierend erfolgt ein Ableiten der Justierungsabweichungen des Bilddatenerfassungs-Chips der optischen Kamera 40, 140. Das Verfahren erlaubt neben der Bestimmung von Justierungsabweichungen eines
Bilddatenerfassungs-Chips der der optischen Kamera 40, 140 auch die Bestimmung von Justierungsabweichungen eines weiteren optischen Systems der Kamera 40, 140 wie beispielsweise eines Objektivs. Figur 2 zeigt eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung.
In Figur 2 ist eine Justierprüfvorrichtung 1 gezeigt, welche eine Kamerahalterung 14, 15 für eine Referenz-Kamera 20 umfasst, welche Auflageelemente 22a, 22b zum Einbau der
Referenz-Kamera 20 in die Kamerahalterung 14, 15 und eine Auflagefläche 21 für einen Planspiegel aufweist. Ferner umfasst die Justierprüfvorrichtung 1 eine Laserquelle 1 1 , welche derart in der Justierprüfvorrichtung 1 angeordnet ist, dass ein Laserstrahl 31 an einer Stelle einer optischen Achse der Justierprüfvorrichtung 1 auf den Planspiegel justiert ist und ein reflektierter Laserstrahl 32 deckungsgleich zu dem Laserstrahl 31 justiert ist. Beispielsweise sind die mechanischen Maße der Referenz-Kamera 20 sowie die festgelegte optische Achse der Justierprüfvorrichtung 1 aus Designdaten bekannt.
Die räumliche Anordnung einer Optik und des Bilderfassungs-Chip der optischen Kamera 40 sind ebenfalls festgelegt, sowie die Auflösung des Bilderfassungs-Chips in Pixel. Der Nullpunkt der Bildebene der Optik der optischen Kamera 40 wird beispielsweise in der Mitte des Bildsensors oder Bilderfassungs-Chips angenommen. Im Sinne der
Zentral projektion einer Lochkamera, ist dieser Punkt der Hauptpunkt der Abbildung und bildet den Fußpunkt der optischen Achse des Systems und dem des Projektionszentrums.
Die Gerade durch den Hauptpunkt in der Bildebene und dem Projektionszentrum stellt die optische Achse der Justierprüfvorrichtung 1 dar, wobei die Lagewinkel der optischen Kamera 40 oder der Referenz-Kamera 20 in Bezug zum Projektionszentrum angegeben werden.
Entsprechend den Konstruktionsdaten der optischen Kamera 40 wird eine gefräste Kameraschale oder Referenz-Kamera 20 gefertigt. Die Referenz-Kamera 20 hat dabei die Eigenschaft, dass die Ebene, in die der Bildsensor der optischen Kamera 40 angebracht würde, für die Anbringung eines halbdurchlässigen Spiegels oder Planspiegels geeignet ist. Der Ort des Bildsensors sollte eine symmetrische Aussparung in der Kameraschale darstellen, die in etwa die gleichen Dimensionen wie der Sensor selbst hat.
Des Weiteren muss diese Ebene einen direkten Bezug zu der späteren Aufhängung des Kameragehäuses haben, welcher durch die Auflageelemente 22a, 22b festgelegt wird.
Dieser Bezug ist für die spätere Positionierung der optischen Kamera 40 gegenüber dem Laserstrahl 31 der Laserquelle 1 1 von Bedeutung. Die Details der Relation können nur im Sinne der Applikation und Konstruktion definiert sein. Ein halbdurchlässiger Spiegel wird an die Position des Bildsensors fest angebracht, wobei eine Klebung oder eine mechanische Fixierung verwendet werden kann. Es ist sicher zu stellen, dass dieses Interface so plan wie möglich ist.
Der halbdurchlässige Spiegel kann beispielsweise rund oder viereckig sein und in etwa den Dimensionen des Bildsensors entsprechen. Der Mittelpunkt des halbdurchlässigen Spiegels muss derart markiert werden, dass es sich mit der Mitte der Sensorposition bei Anbringung so weit wie möglich deckt.
Als Laserquelle 11 wird beispielsweise ein He-Ne Laser mit einer kontinuierlichen
Leistung kleiner als 1 mW und einem Strahldurchmesser von etwa 1 mm verwendet.
Ferner verfügt die Justierprüfvorrichtung 1 über mindestens zwei Umlenkspiegel 12, 13, durch welche der Laserstrahl 31 derart geführt wird, dass er die Referenz-Kamera 20 in der Kamerahalterung 14, 15 trifft.
Der Laserstrahl 31 wird mit Hilfe der Umlenkspiegel 12, 13 so justiert, dass er die Mitte des halbdurchlässigen Spiegels der Referenz-Kamera 20 senkrecht trifft. Dies wird dadurch sicher gestellt, dass ein reflektierter Laserstrahl 32 deckungsgleich zu dem Laserstrahl 31 justiert ist.
Der optische Weg des Laserstrahls 31 zur Referenz-Kamera 20 wird möglichst groß gewählt, beispielsweise mehr als 3 m, damit kleine Verkippungen des Laserstrahls 31 gegenüber dem Spiegel der Referenz-Kamera 20 einen großen Ausschlag des reflektierten Laserstrahl 32 bewirken und die Verkippungen gut erkannt werden können.
Ferner können beispielsweise Aperturelemente 16, 17 zur Begrenzung des Durchmessers des Laserstrahls 31 verwendet werden, um das Erkennen von Verkippungen des
Laserstrahls 31 zu erleichtern. Figur 3 zeigt eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung.
In Figur 3 ist die Referenz-Kamera 20 durch eine optische Kamera 40 ersetzt, welche ein Kamerabild aufnehmen kann. Wrd mit der optischen Kamera 40 ein Kamerabild aufgenommen, ist ein Laserbild der Laserquelle 1 1 in Form eines Laserspots oder Laserflecks auf dem aufgenommenen Kamerabild der optischen Kamera 40 sichtbar.
Beispielsweise kann rechnerisch der Unterschied der Position des Laserspots oder Laserflecks zur Bildmitte oder einer sonstigen Sollposition ermittelt werden. Aus der Positionsabweichung des Laserspots oder Laserflecks in der X-Richtung wird der Gierwinkel und durch die Lageabweichung in der Y-Achse der Nickwinkel berechnet. Das Projektionszentrum stellt den Drehpunkt für die Bestimmung beider Winkel dar. Diese Größe kann dem Design oder einer Messung entnommen sein. Hierfür muss der Laserspot gegebenenfalls in seiner Intensität abgeschwächt werden. Beispielsweise werden hierzu Filterelemente oder Aperturelemente 16, 17 verwendet. Die Filterelemente sind beispielsweise als optische Filter ausgelegt und selektieren die einfallende Laserstrahlung nach bestimmten Kriterien, z. B. nach der Wellenlänge, dem Polarisationszustand oder der Einfallsrichtung.
Die Begrenzung des Durchmessers des Laserstrahls kann beispielsweise an die jeweilige Optik der optischen Kamera 40 angepasst werden. Je größer das Sichtfeld der Optik der optischen Kamera 40 ist, desto sorgfältiger wird geprüft, dass der Laserstrahl 31 entlang der optischen Achse der Justierprüfvorrichtung 1 verläuft und einen genügend kleinen Durchmesser hat. Dies gewährleistet, dass der Laserstrahl 31 in das Paraxialgebiet der Optik der optischen Kamera 40 trifft und somit die geometrischen Abbildungsfehler der Optik nicht zum Tragen kommen.
Weitere Bezugszeichen der Figur 3 sind bereits in der Figurenbeschreibung der Figur 2 beschrieben.
Figur 4 zeigt eine Justierprüfvorrichtung zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung.
Die Justierprüfvorrichtung 100 umfasst dabei eine Projektionsfläche 1 10, auf welcher eine Linie 11 1 projizierbar ist und welche von einer optischen Kamera 140 abbildbar ist, eine Laserquelle 120, welche zur Projektion der Linie 1 11 auf der senkrecht vor der optischen Achse OA der optischen Kamera 140 angeordneten Projektionsfläche 110 vorgesehen ist, und eine Wppeinheit 121 , welche zur drehbaren Lagerung der Laserquelle 120 vorgesehen ist.
Die Justierprüfvorrichtung 100 umfasst ferner festgelegten Anlagepunkten in Form einer Kamerahalterung 123a, 123b zur mechanischen Aufhängung der optischen Kamera 140, wobei die Lage der optischen Kamera 140 in Bezug auf die optische Achse OA der Justierprüfvorrichtung 100 definiert ist. Ferner erlaubt die Wippeinheit 121 , dass die optische Kamera 140 auf ein Stativ stationär befestigt werden kann.
Die Laserquelle 120 wird beispielsweise parallel und vertikal versetzt, oberhalb oder unterhalb, zur Optischen Achse OA der Justierprüfvorrichtung 100 angebracht.
Eine Pendeleinheit 122 erlaubt der Wppeinheit 121 eine kontinuierliche Wippbewegung, wobei die Laserquelle 120 der Justierprüfvorrichtung 100 während eines
Schwingvorgangs Laserstrahlen 130a, 130b, 130c auf die Projektionsfläche 1 10 derart projiziert, dass die Linie 1 11 als Laserbild der Laserstrahlen 130a, 130b, 130c abgebildet wird.
Die optische Kamera 140 wird für die Aufnahme einer Sequenz von Kamerabildern mit der entsprechenden Software betrieben. Die gesamte Anordnung aus Wppeinheit 121 und optischer Kamera 40 wird so aufgestellt, dass die Laserstrahlen 130a, 130b, 130c beispielsweise auf eine von der optischen Kamera 140 etwa 5m entfernte Wand oder Tafel projiziert wird.
Die Wippeinheit 121 mit eingeschalteter Laserquelle 120 wird relativ zur optischen Kamera 40 in Schwingungen versetzt. Die optische Kamera 140 nimmt während dieser Schwingzeit eine Folge von Kamerabildern auf. Hierfür kann beispielsweise eine
Verdunkelung vorgenommen werden.
Die Laserquelle 120 projiziert im Laufe der Wppbewegung eine Linie 1 11 an die
Projektionsfläche 110. Beispielsweise wird die Folge der aufgenommenen Kamerabilder später durch Addition zusammengesetzt, sodass die Linie 1 11 abgebildet wird.
Bei einer ideal gefertigten optischen Kamera 140 ohne Justierungsabweichungen ist die Linie 1 11 eine senkrechte Linie in der Bildebene des aufgenommenen Kamerabildes, wobei die Linie 1 11 entlang der mittleren Spalte des Bildsensors verläuft.
Eine mit Fertigungstoleranzen behaftete optische Kamera 140 wird beispielsweise eine Linie 1 11 aufnehmen, die einen Wnkel zur Horizontalen der Projektionsfläche 1 10 aufweist. Diese Abweichung einer solchen schrägen Linie zu einer ideal senkrechten ergibt den Wankwinkel der optischen Kamera 140. Dabei überkreuzen sich die .schräge' und senkrechte Linie in der Sensormitte. Der Wankwinkel wird auf diesen Punkt, dem Durchstoßpunkt der Optischen Achse OA durch den Bildsensor bezogen.
Bei der Herstellung der Wppeinheit 121 ist darauf zu achten, dass der Lichtzeiger parallel zur optischen Achse OA der Justierprüfvorrichtung 100 verläuft.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Bestimmen von Justierungsabweichungen eines
Bilddatenerfassungs-Chips einer optischen Kamera (40; 140) mit den Schritten:
Ausrichten (S1 1) eines Laserstrahls (31 ; 130a-c) einer Laserquelle (11 ; 120) mittels einer Justierprüfvorrichtung (1 ; 100) auf ein von der optischen Kamera (40; 140) aufzunehmendes Kamerabild, auf dem durch den Laserstahl
(31 ; 130a-c) ein sichtbares Laserbild gebildet wird, wobei die
Justierprüfvorrichtung (1 , 100) eine Kamerahalterung (14, 15; 123a, 123b) zum lagerichtigen Einbau der optischen Kamera (40; 140) aufweist; und Aufnehmen (S12) des Kamerabildes durch die lagerichtig eingebaute optische
Kamera (40; 140) und Bestimmen von Koordinaten des in dem Kamerabild aufgenommen Laserbildes und Ermitteln einer Abweichung der Koordinaten des aufgenommen Laserbildes von einer Sollposition des Kamerabildes und darauf basierend Ableiten der Justierungsabweichungen des
Bilddatenerfassungs-Chips der optischen Kamera (40; 140).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei vor dem Ausrichten (S11) des Laserstrahls (31) die folgenden Schritte ausgeführt werden: Bereitstellen einer Referenz-Kamera (20), welche Auflageelemente (22a, 22b) zum
Einbau der Referenz-Kamera (20) in die Kamerahalterung (14, 15) der
Justierprüfvorrichtung (1) und eine Auflagefläche (21) für einen Planspiegel aufweist und als Teil der Justierprüfvorrichtung (1) verwendet wird; Bestücken der Auflagefläche (21) der Referenz-Kamera (20) mit dem Planspiegel und
Einspannen der Referenzkamera (20) in die Kamerahalterung (14, 15).
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausrichten (S11) des Laserstrahls (31) in der Prüfvorrichtung (1) derart erfolgt, dass der Laserstrahl (31) an einer Stelle einer optischen Achse der Prüfvorrichtung (1) auf den Planspiegel trifft und ein reflektierter Laserstrahl (32) deckungsgleich zu dem Laserstrahl (31) reflektiert wird, wobei die Referenz-Kamera (20) durch die optische Kamera (40) ersetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als
Justierungsabweichungen des Bilddatenerfassungs-Chips der optischen Kamera (40) Nick- und/oder Gierabweichungen des Bilddatenerfassungs-Chips der optischen Kamera (40) ermittelt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Filterelement in den Strahlengang des Laserstrahls (31) derart eingebracht wird, dass keine
Überbelichtung der optischen Kamera (40) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Ausrichten (S11) des Laserstrahls (31) der Laserquelle (1 1) in der Justierprüfvorrichtung (1)
Aperturelemente (16, 17) zur Begrenzung des Durchmessers des Laserstrahls (31) verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der
Abweichung der Koordinaten des aufgenommen Laserbildes von der Sollposition des Kamerabildes in X-Richtung eine Gierwinkelabweichung der optischen Kamera (40) berechnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der
Abweichung der Koordinaten des aufgenommen Laserbildes von der Sollposition des Kamerabildes in Y-Richtung eine Nickwinkelabweichung der optischen Kamera (40) berechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei vor dem Ausrichten (S11) des Laserstrahls (130a-c) ein Bereitstellen einer Wippeinheit (121) erfolgt, die ein Schwingen der
Laserquelle (120) ermöglicht, welche auf eine senkrecht vor der optischen Achse der optischen Kamera (140) angeordnete Projektionsfläche (1 10) strahlt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum Aufnehmen (S12) des Kamerabildes ein Aufzeichnen (S22) einer Bildsequenz von Einzelbildern der Projektionsfläche (110) durch die optische Kamera (140) während eines Schwingvorgangs der Wippeinheit (121) erfolgt und zum Ermitteln der Abweichung ein Auswerten der Bildsequenz durch eine Bildverarbeitungsroutine erfolgt, wobei mittels einer Abweichung der vom Laserstrahl (130a-c) während des Schwingvorgangs überstrichenen Linie (1 11) von der Senkrechten die Winkelabweichungen der optischen Kamera (140) bestimmt werden.
5 1 1. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Wippeinheit (121) derart ausgelenkt wird, dass in der Senkrechten die volle Bildhöhe der optischen Kamera (140) vom Laserstrahl (130a-c) während des Schwingvorgangs überstrichen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , wobei die Abweichung der vom o Laserstrahl (130a-c) überstrichenen Linie (1 11 ) von der Senkrechten der
Winkelabweichung der optischen Kamera (140) entspricht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die optische Kamera (140) unter Verwendung eines Korrekturwertes basierend auf der ermittelten
5 Justierungsabweichungen zur Einrichtung von Prüf- und Fertigungseinrichtungen
eingesetzt wird.
14. Justierprüfvorrichtung (1) zum Bestimmen von Winkelabweichungen einer optischen Kamera (40) mit:
0
einer Kamerahalterung (14, 15) für eine Referenz-Kamera (20), welche Auflageelemente (22a, 22b) zum Einbau der Referenz-Kamera (20) in die Kamerahalterung (14, 15) und eine Auflagefläche (21) für einen Planspiegel aufweist; 5 einer Laserquelle (11), welche derart in der Justierprüfvorrichtung (1) angeordnet ist, dass ein Laserstrahl (31) an einer Stelle einer optischen Achse der Justierprüfvorrichtung (1) auf den Planspiegel justiert ist und ein reflektierter Laserstrahl (32) deckungsgleich zu dem Laserstrahl (31) justiert ist. 0 15. Justierprüfvorrichtung (100) zum Bestimmen von Wnkelabweichungen einer optischen Kamera (140) mit: einer Projektionsfläche (1 10), auf weicher eine Linie (1 11) projizierbar ist und welche von der optischen Kamera (140) abbildbar ist;
5 einer Laserquelle (120), welche zur Projektion der Linie (11 1) auf der senkrecht vor der optischen Achse (OA) der optischen Kamera (140) angeordneten Projektionsfläche (1 10) vorgesehen ist; und einer Wippeinheit (121), welche zur drehbaren Lagerung der Laserquelle (120) vorgesehen ist.
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