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Verfahren zur Ermittlung der Lage einer Striohkreuzmarke Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur objektive Bestimmung der Lage einer optisohen Strichkreuzmarke
in drei Freiheitsgraden duroh Abbildung der Marke auf einen x-,y-adressierbaren
Bildsensor. Mit dem Begriff "Striobkreuzmarke" wird in diesem Zusammenhang jede
optische Marke bezeichnet, die aus zwei sioh unter einem beliebigen Winkel kreuenden
Strichen GI, G2 besteht.
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Als x-, y-adressierbaren Bildsensor könnte eine Videobild-Abtastkamera,
wie beispielsweise eine Vidioonkameras oder eine Eestkörperkamera mit Matrixanordnung
der Lichtsensorelemente in Verbindung mit einer Bildsignalvorverarbeitungseinheit
zur Aufbereitung der Bildsignales zur Digitalisierung, zur Bormatierung und zur
Auswahl von relevanten Bilddaten und eine Bildsignalverarbeitungseinheit zur Berechnung
der L*ge der optischen Marke zum Einsatz kommen. Eine Anwendung wäre z.B. die Justierung
von optischen und mechanisehen Bauelementen mittels einer optischen Marke.
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Es sind verschiedene Verfahren zur optischen Messung der Lage von
z.B. optischen Marken bekannt.
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Für die Lagebestimmung eines in einer Ebene angeordneten Gegenstandes
kann eine Vorrichtung verwendet werden, die gekennzeichnet ist durch eine Abbildungsoptik
zur reellen Abbildung des Gegenstandes und mindestens zwei nicht parallele Photodiodenzeilen
(DE-OS 2543645).
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Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht eine rasche und selbsttätige
Messung.
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Nachteilig ist die Verwendung von mehreren räumlich getrennten Photodiodenzeilen
und die damit verbundenen Sohwierigkeiten der Lagestabilität der Photodiodenzeilen
zueinander.
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In einer anderen bekannten Lösung (DE-AS 2059106) werden Strukturen
gemessen mit Hilfe einer Vorrichtung, die auf der Laufzeitmessung des Videosignals
beruht. Dazu werden die Strukturen auf eine BildauEnahmeröhre abgebildet und in
den Strahlengang auf optischem Wege Meßmarken eingeblendet.
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Nachteilig ist hier der hohe optische und mechanische Aufwand zum
Einblenden der Meßmarken in den Strahlengang und die bekannten Nachteile einer Bildaufnahmeröhre,
wie Geometriefehler, geringer Dynamikbereich, NachzieheAfekte, Einlaufseit, mechanische
Empfindlichkeit, Lebensdauer etc.
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Weiterhin sind Lösungen bekannt, die gekennzeichnet sind dadurch,
daß zweidimensionale Bildaufnehmer (z.B. Vidiconröhren) das Bild abtasten, digitalisieren
und die kompletten Bildinformationen in einem Bildspeicher ablegen.
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(z.B. DE-OS 3111027). Eine Auswerteeinheit, wie z.B. ein Digitalrechner
ermittelt dann aus den abgespeicherten Bilddaten die benötigten Größen. Nachteilig
ist hier der SpeicherauSwand für eine Komplettbildabspeicherung und der erforderliche
Verarbeitungszeitaufwand.
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Ziel der Erfindung ist es, die Bestimmung der Position einer auf einen
Sensor abgebildeten optischen Strichkreuzmarke in drei Freiheitsgraden objektiv,
schnell, mit hoher Genauigkeit und großem Bangberetoh durchzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Arbeitsablauf in einem
zur objektiven Ermittlung der Lage einer Strlohkreuzmarke
verwendeten
Lageerkennungssystem, welches im wesentlichen aus Bildaufnahmeeinrichtung mit x-,
yadressierbarem Bildensor,Bildvorverarbeitungseinriohtung und Bildverarbeitungseinrichtung
besteht, so zu gestalten, daß eine wesentliche Einsparung von Verarbeitungszeit
und erforderlicher Speicherkapazität erzielt wird. Dies ist nur möglich, wenn zur
Bestimmung der Lage der Marke nur die Bilddaten einbezogen werden, die für die Erkennung
der Lage relevant sind. Zu diesem Zweck werden unter Verwendung einer Bildfeldauswahlschaltung
aus dem Bildfeld des Sensors zwei Zeilen im Abstand u und zwei Spalten im Abstand
v ausgewählt, auf die die Strichkreuzmarke so abgebildet wird, daß vier Schnittpunkte
der Marke mit den ausgewählten Zeilen und Spalten entstehen.
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Aus diesen Schnittpunkten werden die Geradengleiohungen der feile
Gi , G2 des Striohkreuzes berechnet. Durch Schnittpunktbest immung der beiden Geradengleichungen
läßt sich die Lage des Schnittpunktes der Strichkreuzmarke in x-und y-Richtung berechnen.
Die Kippung der Marke in der Bildfeldebene um die z-Achse ergibt sich aus dem Anstieg
einer der Geraden. Der Vorteil des Verfahrens ist in der Minimierung an Speicher-
und Verarbeitungszeitaufwand zu sehen. Die größte Genauigkeit der Lagebestimmung
wird erreicht, wenn die Randteilen und Randspalten des Bildsensors ausgewählt werden.
Durch eine geeignete Dimensionierung der Strichkreuzmarke kann man den Fangbereich
über die aktive Fläche des Bildsensors hinaus erweitern. Der größte Fangbereich
wird erreicht, wenn die Länge der Marke in x-Richtung ein Bildelement kleiner ist
als die doppelte Breite des Sensors und die Länge der Marke in y-Richtung ein Bildelement
kleiner als die doppelte Höhe des Sensors ist wobei die Abmessungen der Marke generell
zwischen der einfachen und der doppelten Breite bzw. einfachen und doppelten Höhe
des Bildsensors liegen sollten. Bei Verwendung einer Abbildungsoptik ist der Abbildungsmaßstab
bei der Dimensionierung der Marke zu beachten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend am Beispiel eines
Lageerkennungssystems mit CCD-Matrix-Sensor nach Fig.
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und einer optischen Marke in Form eines Strichkreuzes zur Justierung
von optischen Bauelementen nach Fig. 2 erläutert.
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Das Lageerkennungssystem besteht aus einer Bildaufnahmeeinrichtung
0, die den Bildsensor 1 einschließlich der Ansteuerelektronik enthält, einer Bildprozeßsteuerschaltung
2, einer Bildaufbereitungsschaltung 3 , einem Monitor 4 , einer Digitalisierschaltung
5 , einer Formatierungsschaltung 6 , einer Schaltung für den direkten Speicherzugriff
7 , einer Bildfeldauswahlschaltung 8 , einer Verarbeitungseinrichtung 9 t einer
Speicherschaltung 10 und einem Steuermodul 11 Die Lage der auf dem Bildsensor abgebildeten
optischen Marke wird im Koordinatensystem nach Fig. 2 bestimmt.
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Der Bildsensor besteht aus m mal n Bildelementen BE, die auf ihm matrixförmig
angeordnet sind. Dabei ist m die Breite des Bildsensors in Bildelementen und n die
Höhe des Bildsensors in Bildelementen. Ein Bildelement besitzt die Abmessungen BEx
mal BEy.
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Zur Vergrößerung des Fangbereiches des Lageerkennungssystems ist es
günstig, die Abmessungen der optischen Marke in der Bildebene a - (2m-1)BEx b =
(2n-1)BEy zu wählen Der Fangbereich kann sich dadurch auf ein Mehrfaches der Sensorfläche
vergrößern, da die an die vier Seiten des Bildsensors angrenzenden Flächen eine
grobe Lagebestimmung der optischen Marke ermöglichen.
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Diese Lagebestimmung besteht jedoch zunächst nur in der Bestimmung
einer der vier angrenzenden Flächen, in der sich der Schnittpunkt der optischen
Marke befindet.
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Es ist somit eine erste Justierbewegung in Richtung der Sensorfläche
und ggf. weitere Justierbewegungen notwendig, bis die optische Marke derart auf
der Sensorfläche abgebildet wird, daß die 1. und m-te Spalte, sowie die 1. und n-te
Zeile des Bildsensors dadurch die Strichkreuzmarke geschnitten werden. Mit den sich
ergebenden vier Sohnittpunktkoordinaten xl, x2, Y1, y2 lassen sich die Geradengleichungen
g1 und g2 der beiden Teile G1 und G2 der Strichkreuzmarke ermitteln. Aus den Geradengleichungen
g1 und g2 lassen sich durch Schnittpunktbestimmung die Lage des Schnittpunkt es
der optischen Marke in x- und in y-Richtung und die Kippung der optischen Marke
um die z-A¢hse in bekannter Weise bestimmen. Die Koordinaten xO s Yo des Schnittpunkt
es P der beiden Geraden G1 , G2 bestimmen sich zu:
Der Kippwinkel # bestimmt sich zu: