DE19524498B4

DE19524498B4 - Bildverarbeitungssystem

Info

Publication number: DE19524498B4
Application number: DE1995124498
Authority: DE
Inventors: Norbert Steffens
Original assignee: Mahr Multisensor GmbH
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2015-07-06
Also published as: DE19524498A1

Abstract

Bildverarbeitungssystem für Mess- und Prüfaufgaben,
mit einem Objektiv (5), das eine auf ein Messobjekt (2) gerichtete optische Achse (11) festlegt,
mit wenigstens einem Strahlteiler (8), durch den die optische Achse (11) des Objektivs (5) verläuft,
mit wenigstens zwei unterschiedlichen CCD-Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3), die an den Strahlteiler (8) angeschlossen sind und gleichzeitig Bilder des Messobjekts (2) mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben liefern, wobei ein Abbildungsmaßstab durch ^Umschalten zwischen Bildsignalen der verschiedenen Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3) auswählbar ist, indem die Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3) bei übereinstimmenden Bildauflösungen unterschiedliche Chipgrößen aufweisen, um die unterschiedlichen Abbildungsmaßstäbe bei gleichbleibender Auflösung zu liefern, und
mit einer Elektronik bestehend aus einem Multiplexer (9) und einem Wandlerelement (10), wobei der Elektronik die Kamera-Ausgangssignale zugeführt sind und durch die Elektronik aufgenommene Bildsignale der Kameras auswählbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungssystem für die Lösung von Prüf- und Meßaufgaben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bildverarbeitungssysteme stellen im Prinzip eine Meßkette oder Prüfkette dar, welche sich aus einem Meßwertaufnehmer, einer Meßwertverarbeitung und einer Meßwertausgabe zusammensetzt.
Der Meßwertaufnehmer besteht dabei regelmäßig aus einer Kamera, einem Objektiv, einem Wandlerelement und einer Elektronik. Die Kamera erfaßt optisch das Prüf- oder Meßobjekt. Der opto-elektronische Bildwandler setzt anschließend die optische Information in ein elektrisches Signal um, das in der Meßwertverarbeitung mit Bildspeicher weiter analysiert wird. Die eigentliche Intelligenz der Bildverarbeitungssysteme liegt in der entsprechenden Verarbeitungslogik, die mit Hilfe von spezieller Hardware und Software in Verbindung mit einem Prozeßrechner realisiert wird.
Das Ergebnis der Meßoperationen wird entweder in ein für den Menschen lesbares Signal umgewandelt und ausgegeben, oder es werden direkt Steuergrößen bereitgestellt, die eine Bewertung (Sortieren nach GUT oder SCHLECHT) ermöglichen.
Bildverarbeitungssysteme der geschilderten Art werden beispielsweise in optischen Koordinatenmeßgeräten eingesetzt. Die dabei genutzte optische Antastung bringt gegenüber den Koordinatenmeßsystemen mit elektromechanischen Tastsystemen den Vorteil einer wesentlich höheren Meßgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit, wobei die Antastung vorteilhafterweise ohne Aufbringen einer Meß- oder Antastkraft und damit ohne Einfluß auf das Meßobjekt erfolgt. Demzufolge werden bei solchen Meßsystemen Verformungen oder Beschädigungen am Meßobjekt, beispielsweise durch Kratzer oder dergleichen, vermieden.
Ein anderes Einsatzgebiet eines Bildverarbeitungssystems ist durch die DE 43 22 870 C1 offenbart. Mit dieser deutschen Patentschrift wird ein Verfahren zur Beurteilung der Reinheit von Werkstückoberflächen mittels eines opto-elektronischen Bilderfassungs-, Bildverarbeitungs- und Bilddarstellungssystems vorgestellt. Um das Verfahren mit relativ einfachen Mitteln durchzuführen, wird eine Anordnung aus einer handelsüblichen CCD-Kamera als Bildaufnahmegerät und einem Rechner gewählt. Die Bildwiedergabe erfolgt durch eine Flüssigkristallanzeige (LCD-Display).
Beim optischen Messen mittels digitaler Bildverarbeitung ist es grundsätzlich von Vorteil, den Abbildungsmaßstab an die jeweilige Meßaufgabe automatisch anpassen zu können. Von Nachteil ist es dabei jedoch, daß ein Wechsel des Abbildungsmaßstabes immer auch einen Wechsel des Objektives erfordert. Dies ist mit einer Unterbrechung. des Meß- oder Prüfablaufs und der jeweils erneut notwendigen Kalibrierung des Abbildungssystems verbunden. Das ist auch dann der Fall, wenn das Objektiv motorisiert gewechselt wird oder eine motorisierte Verschiebung von optischen Baugruppen erfolgt.
Aus der DE 36 13 209 C2 ist eine optische Oberflächenprofil-Messeinrichtung bekannt, deren Strahlengang einen Strahlteiler enthält. Der Strahlteiler verzweigt den Strahlengang zu einem ersten Erfassungssystem, das als eine erste optische Oberflächenprofil-Messeinrichtung mit hohem Auflösungsvermögen dient. Der Strahlteiler verzweigt den Strahlengang außerdem zu einem zweiten Erfassungssystem, das als eine zweite optische Oberflächenprofil-Messeinrichtung dient, die einen weiten Messbereich hat. Die erste und die zweite Oberflächenprofil-Messeinrichtung sind so nebeneinander angeordnet, dass derselbe Teil der zu messenden Oberfläche auf der optischen Achse liegt, so dass er mit beiden Oberflächenprofil-Messeinrichtungen gleichzeitig messbar ist.
Eine solche Oberflächenmess-Einrichtung kann zur Messwerterfassung einen optischen Fotosensor einschließen. Allerdings wird mit der Messeinrichtung keine bildliche 2D-Erfassung ermöglicht.
Die US 4 769 698 offenbart ein Bilderfassungssystem mit einem dem Prüfling zugewandten Objektiv und einem im Strahlengang vorgesehenen Strahlteiler. Dieser verzweigt den Strahlengang zu zwei TV-Kameras, die an Monitore angeschlossen sind. Eine der TV-Kameras kann mit geringerer Ablenkspannung betrieben werden, so dass sie die gleiche Anzahl von Linien auf einer kleineren Fläche abtastet. Diese Betriebsart wird als Unter-nabtastung bezeichnet. Sie liefert einen anderen Abbildungsmaßstab als die andere Kamera, denn es wird durch die geringere Ablenkspannung ein kleinerer Bildausschnitt abgetastet und auf dem unveränderten Monitor dargestellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bildverarbeitungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das mehrere Abbildungsmaßstäbe ermöglicht, ohne dazu eine (mechanische) Veränderung des Abbildungssystems vornehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelösst.
Erfinderische Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Lösungsgedankens sind in den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben.
Durch den Einsatz eines sogenannten Stufenzooms werden in überraschend einfacher Weise mehrere Abbildungsmaßstäbe eines Meßobjektes ermöglicht. Die Realiesierung erfolgt durch die Erweiterung des optischen Systems um einen oder mehrere Strahlteiler, so daß gleichzeitig mehrere CCD-Kameras ein Bild des Meß- oder Prüfobjektes zur Verfügung haben. Durch immer kleiner werdende CCD-Chips bei gleichbleibender Auflösung von zum Beispiel 2/3 inch, 1/2 inch und 1/3 inch ist es möglich, unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe durch Verwendung unterschiedlicher CCD-Chips ohne zusätzliche optische Baugruppen opto-elektronisch zu verwirklichen.
Eine Kalibrierung der Abbildungsmaßstäbe muß einmalig beim Wechsel des Objektives durchgeführt werden. Während der Meß- und Prüfvorgänge sind die Abbildungsmaßstäbe jedoch konstant.
Durch das elektrische oder elektronische Umschalten des Bildsignals der verschiedenen Kameras kann der jeweilige Abbildungsmaßstab ohne Zeitverlust ausgewählt werden.
In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung dargestellt.
Die einzige Figur zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des Bildverarbeitungssystems anhand eines Vier-Stufen-Zooms. Auf einem Meßtisch 1 befindet sich ein Meß- oder Prüfobjekt 2. Es sei beispielsweise die berührungslose Messung der Werkstückgeometrie des Meßobjektes 2 verlangt. Als Lichtquelle 3 werden je nach Einsatzzweck und Meßverfahren Laser, gerichtete Auflichtbeleuchtung, diffuse Auflichtbeleuchtung, ein telezentrisches Durchlicht oder eine strukturierte Beleuchtung installiert.
Der in seiner Gesamtheit als Meßwertaufnehmer 4 des Bildverarbeitungssystems bezeichnete Block besteht aus dem Objektiv 5, den im Beispiel vier CCD-Kameras 6, dem Stufenzoom 7 aus drei Strahlteilern 8, dem Multiplexer 9 und dem Wandlerelement (Analog-Digitalwandler 10). Die optische Achse 11 des Objektives 5 ist auf das Meßobjekt 2 gerichtet und verläuft durch die Stahlteiler 8 bzw. 8.1 und 8.2, die als teildurchlässige Spiegel in Form eines rechten Winkels aneinandergesetzt sind. Von dem ersten Strahlteiler 8 nach dem Objektiv 5 geht die optische Achse 11 einerseits geradlinig durch zum zweiten Strahlteiler 8.1. Andererseits wird die optische Achse 11 im Stahlteiler 8 (teildurchlässiger Spiegel) rechtwinklig umgelenkt zum dritten Strahlteiler 8.2. Von den Stahlteilern 8.1 und 8.2 verlaufen die optischen Achsen 11 in Anwendung der teildurchlässigen Spiegel wiederum einerseits geradlinig durch und andererseits um 90° umgelenkt zu den Ausgängen der Strahlteiler 8.1 und 8.2.
Den Strahlteilern 8.1 und 8.2 sind jeweils zwei CCD-Kameras 6 und 6.1 bzw. 6.2 und 6.3 auf der optischen Achse 11 nachgeschaltet. Dies bedeutet, daß alle CCD-Kameras 6 bis 6.3 das Bild des Meßobjektes 2 gleichzeitig zur Verfügung haben. Die CCD-Kameras 6 bis 6.3 besitzen immer kleiner werdende, also unterschiedliche Chips bei gleicher Auflösung. Eine bevorzugte Maßstabsreihe ist 1 inch–2/3 inch–1/2 inch–1/3 inch. Diese nach heutiger Technik einsetzbaren Chipgrößen werden zukünftig kleiner werden und die Maßstabsreihe von kleiner 1/5 inch erreichen, beispielsweise 1/5 inch–1/10 inch und so weiter in mathematischer Folge.
Von den CCD-Kameras 6, 6.1, 6.2 und 6.3 führen Leitungsverbindungen 12, 12.1, 12.2 und 12.3 zur Weiterleitung der Bildaufnahmesignale zu einem Multiplexer 9, der seinerseits mit dem Analog-Digitalwandler 10 wirkverbunden ist. Der Block des Meßwertaufnehmers 4 ist mit dem Block der Meßverarbeitung verbunden, der durch einen Rechner 13 mit angeschlossenem Speicher sowie einer Verarbeitungshardware und einer Verarbeitungssoftware schematisch dargestellt ist. Mit 14 ist die Meßwertausgabe bezeichnet, die eine Anzeige oder eine Steuergröße sein kann.

Claims

Bildverarbeitungssystem für Mess- und Prüfaufgaben, mit einem Objektiv (5), das eine auf ein Messobjekt (2) gerichtete optische Achse (11) festlegt, mit wenigstens einem Strahlteiler (8), durch den die optische Achse (11) des Objektivs (5) verläuft, mit wenigstens zwei unterschiedlichen CCD-Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3), die an den Strahlteiler (8) angeschlossen sind und gleichzeitig Bilder des Messobjekts (2) mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben liefern, wobei ein Abbildungsmaßstab durch ^Umschalten zwischen Bildsignalen der verschiedenen Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3) auswählbar ist, indem die Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3) bei übereinstimmenden Bildauflösungen unterschiedliche Chipgrößen aufweisen, um die unterschiedlichen Abbildungsmaßstäbe bei gleichbleibender Auflösung zu liefern, und mit einer Elektronik bestehend aus einem Multiplexer (9) und einem Wandlerelement (10), wobei der Elektronik die Kamera-Ausgangssignale zugeführt sind und durch die Elektronik aufgenommene Bildsignale der Kameras auswählbar sind.
Bildverarbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Strahlteiler (8) zwei weitere Strahlteiler (8.1, 8.2, 8.3) angeschlossen sind, an die jeweils zwei Kameras (6, 6.1; 6.2, 6.3) angeschlossen sind.
Bildverarbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameras (6, 6.1, 6.2, 6.3) CCD-Chips mit Chipgrößen von ein inch, zwei Drittel inch, einem halben inch und einem Drittel inch oder kleiner aufweisen.