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Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung von Lichtpunkten
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur dreidimensionalen
Vermessung von auf der Dingseite befindlichen Lichtpunkten, mit einer zwischen Dingseite
und Bildseite angeordneten Abbildungsoptik und mehreren Fotodiodenzeilen zum Erfassen
dzr Koordinaten des Lichtpunktes.
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Lichtempfindliche Dioden, die in einer Vielzahl in Zeilenfor.
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aneinandergereiht sind, sind auch als sog. CCD-Zeile bekannt.
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Eine CCD-Zeile ist ein Halbleiterbauelement, das aus einer grossen
Zahl auf einem Substrat dicht integrierter MOS-Kondensatoren besteht, die ein analoges
Signal in Form von Ladungspaketen speichern können und die diese Ladungspakete bei
entsprechender Steuerung durch Taktsignale von Kondensator zu Kondensator weiterleiten
können. Die einzelnen Dioden oder auch Bildelemente werden auch als Pixel bezeichnet.
Ein einziges Pixel oder eine einzige Diode kann beispielsweise typisch eine Größe
von 0,013 x 0,013 mm2 oder auch 0,010 x 0,010 mm2 aufweisen. Die einzelnen Dioden
sind unmittelbar aneinanderstoßend in Zeilenform angeordnet. Es ist bekannt, in
einer solchen Zeile beispielsweise 256 - 4.096 einzelne Dioden bzw. Pixel anzuordnen.
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Wird eine einzelne Diode innerhalb der Zeile belichtet, so entsteht
eine elektrische Ladung, die in einen Zwischenspeicher verschoben wird. Die Zwischenspeicher
können dann ausgelesen werden, um festzustellen, welche der zahlreichen Dioden belichtet
worden ist. Die dabei erhältlichen Informationen können entweder analog als Helligkeitsverteilung
dargestellt oder mit Hilfe eines Analog /Digital-Wandlers in Zahlenwerte umgeformt
werden. Die Belichtungszeit einerseits und die Auslesetaktrate andererseits können
gesteuert werden. Das Auslesen kann äußerst schnell erfolgen, z. B. mit einer Auslesetaktrate
von bis zu 20 MHz.
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Für eine Zeile mit 1.728 Dioden und einer Auslesetaktrate von 2 MHz
ergibt sich eine Wiederholfrequenz von 1,16 KHz. Es versteht sich, daß mit derartigen
Fotodiodenzeilen nur ein eindimensionales Messen möglich ist.
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Zum zweidimensionalen Messen ist es bekannt, die Dioden, Bildelemente
bzw. Pixel als Matrix anzuordnen, die dann aus n Zeilen mit je m Dioden besteht.
Auf diese Art und Weise ergeben sich n x m Bildelemente. Die Bildelemente können
rechteckige Form, z. B. 0,018 x 0,030 mm2 oder auch quadratische Form, z. B. 0,023
x 0,023 mm2 haben. Daraus ergeben sich auch die Abstände in Zeile und Reihe. Eine
solche Fotodiodenmatrix wird auch als CCD-Array bezeichnet. Das Auslesen einer solchen
Matrix erfolgt zeilenweise, d. h. die n Zeilen werden zeitmäßig nacheinander ausgelesen.
Aus diesem Grund ist die Auslesezeit um den Faktor n größer als bei einer Einzelzeile.
Die übliche Auslesetaktrate liegt hier bei 50 Hz.
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Für eine zweidimensionale Messung wird eine Kamera mit einer Fotodiodenmatrix
eingesetzt. Für die Messung der dreidimensionalen Lage von Lichtpunkten werden üblicherweise
zwei derartige Kameras in Stereoanordnung benötigt. Solche Messungen sind z. B.
von erheblicher Bedeutung bei der zwei- oder dreidimensionalen berührungslosen Positionierung
von mobilen Robotern relativ zu einem Lichtpunkt. Ein solcher Lichtpunkt kann selbstleuchtend
ausgebildet sein, also z. B. als Diode oder auch durch Remission erzeugt werden.
Mit einer dreidimensionalen Punktvermessung kann somit auch die Oberfläche eines
Körpers erfaßt werden, wobei z. B. die Lichtpunkte von einem bewegten Laserstrahl
nach Scanntechnik erzeugt werden.
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Die für die angesprochenen Messungen verfügbaren Kameras, die mit
einer Fotodiodenmatrix arbeiten, haben vor allen Dingen zwei wesentliche Nachteile.
Die Anzahl der Fotodioden innerhalb der Matrix ist relativ gering und die Auslesezeit
ist relativ hoch. Oft wird auch, z. B. für Positionieraufgaben ein großer Bildbereich
bei hoher Auflösung in Verbindung mit einer kurzen Meßzeit verlangt. Diese Forderungen
können von einer Fotodiodenmatrix, bedingt durch deren konstruktiven Aufbau, praktisch
nicht oder nur sehr schwer erfüllt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, die mit einer geringen Anzahl von Fotodioden auskommt
und bei der die Auslesetaktrate relativ hoch gewählt werden kann, wie dies an sich
bei Fotodiodenzeilen möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die drei Fotodiodenzeilen
getrennt voneinander in unterschiedlichen Bildebenen angeordnet sind, daß jede Fotodiodenzeile
eine eigene Abbildungsoptik mit einer Linsenoptik und einer Zylinderlinse aufweist,
und daß die den Fotodioenzeilen zugeordneten Zylinderlinsen mit ihren Zylinderachsen
windschief zueinander angeordnet sind und die Koordinatenachsen in ihren Richtung
festlegen. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die Verwendung von zwei Fotodiodenmatritzen
mit je mehreren Zeilen bei der dreidimensionalen Vermessung zu verlassen und gleichsam
die Matritzen in drei räumlich getrennte Zeilen voneinander aufzuteilen und damit
zu messen. Die Erfindung setzt somit die an sich bekannten Fotodiodenzeilen mit
ihren höheren Auslesetaktraten ein, jetzt aber nicht zur eindimensionalen, sondern
zur dreidimensionalen Messung. Diese drei Fotodiodenzeilen werden in unterschiedlichen
Bildebenen angeordnet.
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Zu jeder Abbildungsoptik gehört eine Linsenoptik und eine vor-oder
nachgeordnete Zylinderlinse. Die Erfindung benutzt weiterhin die Erkenntnis, daß
sich ein Punkt mit Hilfe einer Zylinderlinse zu einem Strich bzw. Balken abbilden
läßt. Aus einem Lichtpunkt wird dabei ein Lichtbalken. Bildet man diesen Lichtbalken
schräg auf der Fotodiodenzeile ab, dann wird das betreffende Bildelement im Schnittpunkt
beleuchtet. Aus der betreffenden Fotodiodenzeile läßt sich eine Koordinate auslesen.
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Gleiches gilt für die anderen Fotodiodenzeilen, wobei die Zylinderachsen,
die im allgemeinen Fall lediglich windschief zueinander angeordnet sein müssen,
zugleich die Koordinatenachsen hinsichtlich ihrer Richtungen festlegen. Mit diesen
drei Fotodiodenzeilen lassen sich auf diese Art und Weise die X-, V-und die Z-Koordinate
des Lichtpunktes messen, und zwar mit sehr großer Geschwindigkeit. Jeder auf diese
Art und Weise erzeugte Lichtbalken beschreibt in Verbindung mit dem Projektionszentrum
der jeweiligen Abbildungsoptik eine Ebene im Raum. Sämtliche Lichtpunkte im dingseitigen
Bereich dieser Ebene werden auf dem Lichtbalken abgebildet. Führt man zwei dieser
Ebenen zum Schnitt, so ergibt sich eine Schnittgerade. Zwei Schnittgeraden zweier
unterschiedlicher Ebenenpaare schneiden sich in einem Punkt. Damit sind die Koordinaten
des Lichtpunktes festgelegt. Durch die Verwendung von drei Fotodiodenzeilen wird
erfindungsgemäß gleichsam eine Pseudo-Raum-Kamera geschaffen.
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Uberraschend daran ist, daß man mit Fotodiodenzeilen, die an sich
bisher nur zur eindimensionalen Messung eingesetzt wurden, auf die Art und Weise
auch dreidimensional messen kann.
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Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind darin
zu sehen, daß nur drei Fotodiodenzeilen ausgelesen werden müssen. Dies kann parallel
zueinander geschehen, wodurch extrem kurze Meßzeiten erreicht werden. Die Meßfrequenz
liegt mit Sicherheit im KHz-Bereich. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die Auflösung
in den Koordinatenrichtung gleich sein kann
und dem Abstand der
Fotodioden in der Zeile entspricht, also in einer Größenordnung von 0,010 bis 0,013
mm liegt. Mit handelsüblichen CCD-Zeilen können auf diese Art und Weise 4.0963 Raumpunkte
bestimmt werden. Die Anzahl der Bildpunkte kann durch das Aneinanderreihen von CCD-Zeilen
weiter erhöht werden.
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In spezieller Ausführungsform besteht die Möglichkeit, daß zwei Fotodiodenzeilen
in einer gemeinsamen Ebene und die dritte Fotodiodenzeile orthogonal zu dieser Ebene
angeordnet ist. Damit ergibt sich eine vereinfachte Justierungsmöglichkeit.
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Die Projektionszentren der drei Abbildungsoptiken können auf einer
Geraden angeordnet sein, was den mechanischen Aufbau der Gesamtvorrichtung erheblich
vereinfacht. Die drei Fotodiodenzeilen mit ihren jeweiligen Abbildungsoptiken können
auch auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sein. In allen Fällen ist selbstverständlich
eine feste Basis erforderlich, auf denen die Fotodiodenzeilen mit ihren Abbildungsoptiken
festgelegt sind bzw. eingestellt werden können.
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Anstelle einer Fotodiodenzeile können mehrere Fotodiodenzeilen in
einer Ebene vorgesehen und einer Zylinder linse bzw. Abbildungsoptik zugeordnet
sein, auf die der Lichtbalken mit Prismen, Spiegel o. dgl. abgebildet wird. Damit
ist es möglich, einen größeren Meßraum zu überdecken. Da die einzelnen Fotodiodenzeilen
auch zeitlich parallel zueinander ausgelesen werden können, kann auf diese Art und
Weise die Meßgeschwindigkeit gesteigert werden.
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Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele weiter dargestellt
und verdeutlicht. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Abbildung
eines Lichtpunktes in einen Lichtbalken, Fig. 2 die räumliche Zuordnung der wesentlichen
Teile der Vorrichtung in einer ersten allgemeinen Ausführungsform und Fig. 3 die
Möglichkeit der Unterteilung einer Zeile in mehrere Teilzeilen.
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Fig. 1 verdeutlicht die Abbildung eines Lichtpunktes 1, der auf der
Dingseite 2 vorgesehen ist zu einem Lichtbalken 3 auf einer Bildebene 4 im Bereich
der Bildseite 5. Dies geschieht mit Hilfe einer Abbildungsoptik 6, die eine Linsenoptik
7 und eine Zylinderlinse 8 aufweist. Die Zylinderachse 9 der Zylinderlinse 8 und
der Lichtbalken 3 liegen in einer gemeinsamen Ebene, ja sogar parallel zueinander,
wenn die Bildebene 4 entsprechend positioniert ist. Die Abbildungsgesetze einer
Zylinderlinse 8 sind an sich bekannt. In einer ersten Abbildung erscheint der Lichtbalken
3 so wie dargestellt. Positioniert man nun eine Fotodiodenzeile 10 in der Bildebene
4 so, daß der Lichtbalken 3 schräg oder auch quer die Fotodiodenzeile 10 schneidet,
so wird das betreffende Diodenelement der Fotodiodenzeile 10 belichtet und stellt
damit eine Koordinate des Lichtpunktes 1 dar. Es versteht sich, daß in Verbindung
mit der Zylinderachse 9 und dem belichteten Element der Fotodiodenzeile 10 eine
Ebene definiert ist, in der auch der Lichtpunkt 1 angeordnet ist.
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Die Anordnung nach Fig. 1 erlaubt noch keine zwei- oder dreidimensionale
Vermessung, soll aber die prinzipiellen Möglichkeiten einer solchen Abbildung mit
einer Zylinderlinse 8 aufzeigen.
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Der in Fig. 2 dargestellte grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung für
eine dreidimensionale Messung baut zunächst auf der Anordnung gemäß Fig.1 auf, dh.
h. der Lichtpunkt 1 wird mit Hilfe einer Abbildungsoptik 6, die eine Linsenoptik
7 und eine Zylinderlinse 8 aufweist, als Lichtbalken 3 mit einer Fotodiodenzeile
10 zum Schnitt gebracht, wodurch beispielsweise die Koordinate X festgelegt ist.
Dies geschicht ein zweites und ein drittes Mal mit prinzipiell gleich aufgebauten
Vorrichtungsteilen, indem der Lichtpunkt 1 zusätzlich auf einer Fotodiodenzeile
10' mit Hilfe der Abbildungsoptik 6' und des Lichtbalkens 3' abgebildet wird. In
gleicher Weise empfängt die Fotodiodenzeile 10'' über die Abbildungsoptik 6'' den
Lichtbalken 3'' des Lichtpunktes 1. Damit kann die Y und die Z Koordinate festgelegt
werden. Die Fotodiodenzeilen 10, 10', 10'' sind getrennt voneinander in unterschiedlichen
Bildebenen angeordnet. Die Achsen der Zylinderlinsen der Abbildungsoptiken 6, 6',
6'' können im allgemeinen Fall windschief zueinander angeordnet sein.
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Im speziellen Fall ist es möglich, beispielsweise die Fotouiodenzeilen
10 und 10' in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen und die Zeile 10'' in einer dazu
orthogonal stehenden Ebene. Jeder Lichtbalken 3, 3', 3'' beschreibt in Verbindung
mit dem Projektionszentrum der jeweiligen Abbildungsoptik 6, 6', 6'' eine Ebene
im Raum. Die der Abbildungsoptik 6 zugeordnete Ebene 11 und die der Abbildungsoptik
6' zugeordnete Ebene 11' schneiden sich in einer Schnittgeraden 12, auf der der
Lichtpunkt 1 angeordnet ist. Gleiches gilt, wenn beispielsweise ein anderes Paar
von Ebenen in einer Schnittgeraden zum Schnitt gebracht wird.
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Sämtliche drei auf diese Art und Weise entstehenden Schnittgeraden
schneiden sich in dem Lichtpunkt 1.
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Jede Abbildungsoptik 6, 6', 6'' bildet mit der zugehörigen Fotodiodenzeile
10, 10', 10'' gleichsam eine Kamera, so daß drei Kameras etwa in Reihe vorgesehen
sind. In bevorzugter Ausführungsform können die Fotodiodenzeilen 10 und 10' in einer
Ebene liegen. Auch alle drei Projektionszentren der Abbildungsoptiken 6, 6', 6''
können ebenfalls in dieser Ebene angeordnet sein, um die Gesamtvorrichtung einfacher
justieren zu können.
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Die Fotodiodenzeile 10'' ist vorzugsweise orthogonal zu dieser Ebene
angeordnet. Durch eine Kallibrierung der Gesamtvorrichtung werden sämtliche geometrischen
Parameter bestimmt, so daß aus den Bildkoordinaten, nämlich der Lage des jeweiligen
Lichtbalken 3, 3', 3'' auf den Fotodiodenzeilen 10, 10', 10" die Raumkoordinaten
X, Y, Z des Lichtpunktes 1 berechnet werden können.
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Die Fig. 3 soll verdeutlichen, daß es möglich ist, eine einzelne Fotodiodenzeile
10 beispielsweise durch drei Fotodiodenzeilen 13, 14, 15 zu ersetzen bzw. zu ergänzen;
mit Hilfe eines Prismas 16 mit Spiegeln 17 oder nur mit Spiegeln 17 besteht die
Möglichkeit, den von der Zylinderlinse 8 abgebildeten Lichtbalken 3 bereichsweise
jeweils auf eine Fotodiodenzeile 13, 14 oder 15 zu lenken. Durch diese MaBnahme
wird der Bildwinkel vergrößert, ohne daß die Länge einer einzelnen Fotodiodenzeile
hierbei eine Grenze bildet. Die Fotodiodenzeilen 13, 14 und 15 können auch zeitlich
parallel nebeneinander ausgelesen werden, so daß dadurch die Auslesezeit nicht verlängert
wird. Umgekehrt läßt sich die Geschwindigkeit der Messung damit vergrößern.
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Bezugszeichenliste: 1 = Lichtpunkt 2 = Dingseite 3 = Lichtbalken 4
= Bildebene 5 = Bildseite 6 = Abbildungsoptik 7 = Linsenoptik 8 = Zylinderlinse
9 = Zylinderachse 10 = Fotodiodenzeile 11 = Ebene 12 = Schnittgerade 13 = Fotodiodenzeile
14 = Fotodiodenzeile 15 = Fotodiodenzeile 16 = Prisma 17 = Spiegel
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