DE3877665T2

DE3877665T2 - Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren eines kontaktlosen messfuehlers mit bezug auf einem externen koordinatensystem.

Info

Publication number: DE3877665T2
Application number: DE8888113208T
Authority: DE
Inventors: Robert Dewar; Dale Robert Greer
Original assignee: Perceptron Inc
Current assignee: Perceptron Inc
Priority date: 1987-09-08
Filing date: 1988-08-16
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2008-08-17
Also published as: JPH01119708A; DE3877665D1; EP0306731A2; EP0306731B1; CA1304932C; JP2800832B2; EP0306731A3; US4841460A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf kontaktlose Meßsysteme, welche eine Mehrzahl von Meßsensoren verwenden, die auf vorbestimmte Stellen eines zu messenden Werkstückes gerichtet sind. Genauer gesprochen bezieht sich die Erfindung auf die Kalibrierung eines oder mehrerer kontaktloser Sensoren in Bezug auf ein externes Referenzkoordinatensystem.
Bei der Herstellung von Teilen und Anordnungen durch solche Verfahren wie Stanzen, Extrudieren, Ziehen und Gießen aus Materialien wie aus Blechen oder Vollmetall, Kunststoff, Film, Gummi und dergleichen ist es häufig erforderlich, daß genaue Dimensionsmessungen entweder on-line an dem Teil oder der Anordnung während des Herstellungsprozesses oder off-line an einzelnen gemessenen Werkstücken durchgeführt werden, die zeitweilig aus der Herstellungslinie entfernt werden. Aus Gründen der Fertigungsökonomie und um qualitativ hochwertige Teile zu produzieren, müssen Messungen durchgeführt werden, um sicherzustellen, daß Dimensionstoleranzen eingehalten werden. Solche Messungen müssen schnell an vielen Punkten eines jeden hergestellten Teils oder der Anordnung in einer solchen Weise durchgeführt werden, daß das Teil oder die Anordnung selbst nicht berührt wird oder auf andere Weise wesentlich durch das Meßverfahren selbst beeinträchtigt wird. Häufig müssen Messungen durchgeführt werden, mit welchen die Position bestimmter identifizierter Punkte oder Merkmale im dreidimensionalen Raum bestimmt werden muß, die sich auf dem zu messenden Teil oder der zu messenden Anordnung befinden. Zu solchen Punkten oder Merkmalen gehören typischerweise Kanten, Ecken, Löcher, bestimmte Teile einer Oberfläche, Bolzen und Schnittpunkte von Flächen. Es gibt spezielle und allgemeine Computer, die solche Messungen aufgrund von Bilddaten ausführen können, die durch ausreichend intelligente Sensorbeleuchtungssysteme gewonnen sind.
Ein solches Sensorbeleuchtungssystem, das nach dem Triangulationsverfahren arbeitet, um Bilddaten zu erzeugen, die auf einem Bildcomputer verwendet werden können, ist im US-Patent 4,645,348 -Dewar, et al. offenbart, welches der gleichen Anmelderin gehört wie die gegenwärtige Erfindung. Wie in dem '348-Dewar, et al. Patent wird der Meßsensor intern in Bezug auf das Koordinatensystem des Sensors selbst mit Hilfe von sogenannten "Rektifikations"-Tafeln kalibriert. Der Inhalt der Rektifikations-Tafel gibt die Raum-Koordinaten in Bezug auf das Koordinatensystem des Sensors von jedem Punkt an, der Licht einer vorbestimmten Qualität auf jedes entsprechende Bildelement oder "Pixel" des Lichtaufnahmesystems des Meßsensors reflektiert.
Der nächste Schritt bei der Kalibrierung eines Sensors wie in dem Dewar, et al. Patent besteht darin, einen Referenzpunkt festzulegen, der gegenüber dem Sensor zum Durchführen der Messungen extern ist, indem die Rektifikations-Tafel verwendet wird. Bei bekannten Meßsystemen werden solche Sensoren in Bezug auf irgendein Master- oder "Muster"-Teil kalibriert. Jedoch führt die Kalibrierung zu einem Master-Teil nicht zu einer optimalen Kalibrierung des Meßsystems bei großen Werkstücken, wie zum Beispiel großen Kraftfahrzeugteilen. Wenn das Teil sehr groß ist, ist das entsprechende Master-Teil groß und kann sich leicht verziehen, wenn es von einer Stelle zur nächsten bewegt wird. Daher verzieht sich das Teil, wenn ein großes Master-Teil zu einer Meßanordnung bewegt wird, und der Kalibrierungsfehler wird eine annehmbare Größe überschreiten.
Die EP 0 177 038 A1 offenbart eine Meßanordnung, bei welcher die Messungen eines kontaktlosen Sensors auf das Koordinatensystem eines zu messenden Objektes konvertiert werden. Für einen beliebig orientierten Sensor wird dies erreicht, indem wenigstens drei Referenzpunkte auf dem Objekt vorgesehen werden, deren Lage im Koordinatensystem des Objektes bekannt sind. Der Sensor wird dann nacheinander auf jeden der Referenzpunkte bewegt, indem der Sensor über eine dreidimensionale Antriebseinrichtung bewegt wird, bis der Lichtpunkt des Sensors jeden der Referenzpunkte beleuchtet. Sobald die Lage der Referenzpunkte im Koordinatensystem des Sensor bestimmt ist, können die übrigen Sensormessungen des Objektes auf das Koordinatensystem des Objektes konvertiert werden, und können verwendet werden, um die Form des Objektes mit gegebenen Designwerten zu vergleichen.
Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung erfordern es, daß wenigstens drei Referenzpunkte auf jedem zu messenden Objekt vorgesehen werden, um eine Kalibrierung der von dem Sensor gemessenen Daten auf das Koordinatensystem des Objektes zu ermöglichen. Jedoch erfordert das Vorsehen von Referenzpunkten eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung und der Positionierung der Referenzpunkte in der Meßanordnung.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Kalibrierungsverfahren besteht in der Notwendigkeit einer sehr genauen Bestimmung der präzisen Lage eines jedes zu kalibrierenden Sensors in dem externen Referenzkoordinatensystem. Nur auf diese Weise können bei den herkömmlichen Verfahren die Sensordaten präzise auf den externen Referenzpunkt bezogen werden. Eine solche genaue Ausrichtung einer Mehrzahl von Sensoren bei einer relativ großen Meßstationsfläche hat sich als sehr schwierig oder sogar unpraktikabel erwiesen.
Desweiteren kann es von dem Benutzer der kontaktlosen Meßanordnung gewünscht sein, die gleichen Teile mit einer Koordinatenmeßmachine zu vermessen, was eine Bewegung der Teile und Aufnahme in einer anderen Halterung erfordert. Da das Teil in jeder Halterung anders befestigt sein kann, werden die Messungen nicht konsistent sein.
Herstellverfahren entwickeln sich schnell in das Gebiet der Verwendung eines gemeinsamen Referenzkoordinatensystems für das Design des Werkstückes in einer CAD/CAM-Umgebung und der Durchführung aller Messungen und Fertigungsvorgänge an jeder Fertigungsstation in Bezug auf das gemeinsame Koordinatensystem.
Daher besteht ein Bedürfnis für die Möglichkeit, jeden Sensor einer Multi-Sensor-Meßanordnung auf ein gemeinsames externes Koordinatensystem anstatt auf das interne Koordinatensystem eines jeden einzelnen Sensors zu kalibrieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines oder mehrerer Sensoren derart anzugeben, daß die Raumkoordinaten ausgedrückt in Bezug auf das lokale Koordinatensystem eines jeden Sensors in Koordinaten in Bezug auf ein physikalisches Target oder Targets transformiert werden können, die ein externes Koordinatensystem festlegen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Notwendigkeit zur Verwendung eines Master-Teils beim Kalibrieren der Meßsensoren eines kontaktlosen Meßsystems auszuschalten.
Demgemäß wird ein beliebig orientierter kontaktloser Meßsensor in Bezug auf ein externes Koordinatensystem kalibriert, indem ein Target verwendet wird, welches gleichzeitig innerhalb der Meßzone des Sensors und einer Meßzone einer zu dem Sensor externen Meßeinrichtung liegt. Der Sensor bestimmt einen ersten Satz von Raumkoordinaten des Targets ausgedrückt in dem lokalen Sensorkoordinatensystem. Die externe Meßeinrichtung wird in gleicher Weise verwendet, um einen Satz zweiter Raumkoordinaten des Targets ausgedrückt in dem externen Koordinatensystem zu bestimmen. Dann können aufgrund der sich ergebenden Raumkoordinaten ausgedrückt in beiden Koordinatensystemen für jeden Targetpunkt Transformationsmatrix-Koeffizienten berechnet werden, um jeden Sensor in Bezug auf das gewünschte Koordinatensystem zu kalibrieren.
Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die Kalibrierung durch direkte Messungen desselben Targets erfolgt, die gleichzeitig in verschiedenen gewünschten Koordinatensystemen ausgedrückt werden.
Es ist ein anderes Merkmal dieser Erfindung, daß das Kalibrierungsverfahren Fehler-Aufsummierungen und Ungenauigkeiten vermeidet, die bei anderen Verfahren auftreten, die auf indirekten Referenzpunkten oder Targets basieren, die den Ursprung oder die Orientierung des Sensorraums festlegen.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung werden die Probleme einer Genauigkeitsbewertung vermieden, die auf einer Korrelation mit anderen Meßverfahren beruht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es ermöglicht, daß die Sensoren in Bezug auf ein externes Koordinatensystem kalibriert werden können, ohne daß die Notwendigkeit einer hohen Genauigkeit bei der Herstellung oder Positionierung der Targets besteht, die bei der Kalibrierungsvorrichtung und dem -Verfahren verwendet werden.
Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das bei dem Kalibrierungsverfahren verwendete Target direkt durch das Meßmedium des Sensors erzeugt wird, wodurch die Notwendigkeit einer hohen Genauigkeit bei der Herstellung oder Positionierung von Referenzflächen oder Targets, die zu dem Sensor extern sind, vermieden wird.

Kurze Beschreibung der Zeichung

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung deutliche in welcher:
Fig. 1 eine gleichzeitige Ansicht eines Kraftfahrzeug- Karosserieteils von oben und den Seiten ist, in der typische interessierende Punkte gezeigt sind, die in dem Meßfeld eine Mehrzahl von kontaktlosen Sensoren einer Meßstation plaziert werden können;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer typischen Meßstation an einer Automobil-Fertigungslinie zeigt, mit einer Mehrzahl von kontaktlosen Sensoren, die gemäß den Prinzipien der Erfindung zu kalibrieren sind;
Fig. 3 ein Funktionsdiagramm ist, das einen typischen zu kalibrierenden Sensor zeigt, sein Target und ein externes Meßsystem, wie etwa ein Paar von Theodoliten;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Sensors und seines zugehörigen Targets in detaillierterer Darstellung ist;
Fig. 5 eine Darstellung ist, welche zwei typische Theodoliten und ihre zugehörigen Computer und Anzeigeeinrichtungen zeigt; und
Fig. 6A-D vier alternative Verfahren zeigen, um das externe Koordinatensystem unter Verwendung von drei Theodoliten festzulegen.

Figurenbeschreibung

In Fig. 1 ist ein typisches Kraftfahrzeug-Karosserieteil dargestellt, welches vor seinem Zusammenbau mit anderen Fahrzeugkomponenten eine Vermessung bestimmter Hauptpunkte erfordert. Solche unterschiedlichen interessierenden Punkte auf dem Werkstück 100 sind in Fig. 1 als Punkte 110-1 bis 110-n dargestellt. Die linke Seite 100L des Fahrzeugkörpers und die rechte 100R des Fahrzeugkörpers sind in Fig. 1 der Einfachheit halber in "auseinander gefalteter" Ansicht dargestellt. Typische Anwendungen der Punkte oder die Art, nach denen sie ausgewählt werden, werden zum Beispiel durch die Notwendigkeit des Zusammenbaus in Bezug auf das Werkstück 100 vorgegeben. Man nehme zum Beispiel an, daß die Haube über der Haubenöffnung am vorderen Teil des Fahrzeugs noch nicht montiert wurde. Dann könnten Messungen über der Oberfläche der Haubenöffnung wie an den Punkten 110-6, 110-7, 110-8 und 110-9 durchgeführt werden, um festzustellen, ob der Haubendeckel mit einer zulässigen Passung zwischen den Teilen an der Fahrzeugkarosserie befestigt werden kann.
Obwohl viele Sensoranordnungen bekannt sind, einschließlich der optischen Anordnung, die in dem oben erwähnten Patent von Dewar et al. beschrieben ist, ist es bisher außerordentlich schwierig, die Sensormeßwerte bei allen interessierenden Punkten an einem großen Werkstück in Bezug auf irgendein externes Referenzsystem zu kalibrieren.
Eine typische Meßstation für ein Kraftfahrzeugteil gemäß Fig. 1 könnte die in Fig. 2 dargestellte Form haben. Zu vermessende Werkstücke liegen an der Meßstation 200 auf Transportpaletten 220 auf, die entlang der Fertigungslinie mittels Palettenführungen 230 bewegt werden, die sich durch Führungskanäle 231 in der Palette erstrecken. An der Meßstation 200 umgibt ein Aufnahmerahmen 210 (nur eine Hälfte davon ist in der perspektivischen Fig. 2 dargestellt) das zu messende Werkstück 100 und stellt eine Vielzahl von Aufnahmepositionen für eine Serie von optischen Meßsensoren 240-1 bis 240-n dar, die jeweils ausgeführt sind, wie in dem US-Patent Nr. 4,645,348 -Dewar et al. offenbart ist. Kommunikationskabel, die der Klarheit halber in Fig. 2 nicht dargestellt sind, verbinden die Sensoren 240 mit einem Bildcomputer 250, welcher eine CRT-Kathodenstrahlanzeige 251 umfaßt. Optional ist ein typischer Bildcomputer mit einem Drucker 260 ausgestattet. Die typische in Fig. 2 dargestellte Meßstation ist für die Anwendung der Vorrichtung und des Verfahrens dieser Erfindung vorgesehen, um eine Kalibrierung jedes der Sensoren 240 in Bezug auf ein zugehöriges externes vorbestimmtes Koordinatensystem zu erreichen, das zum Beispiel dem zu messenden Werkstück 100 zugeordnet ist.
Die Vorrichtung und das Verfahren zum Kalibrieren jedes Sensors 240 gemäß Fig. 2 ist am besten unter Bezugnahme auf die Figuren 3, 4 und 5 zu beschreiben. Der zu kalibrierende Meßsensor 240 ist starr aber lösbar mit einem Target 340 verbunden, welches sich gleichzeitig im Sichtfeld des Meßsensors 240 und im Sichtfeld einer externen Meßanordnung befindet, die zum Beispiel aus einem Paar von Theodoliten 301-1 und 301-2 besteht.
Der Theodolit ist ein kommerziell erhältliches Beobachtungsinstrument zum Messen von horizontalen und vertikalen Winkeln, im Prinzip einem Transit ähnlich. Ein paar typische in Fig. 5 dargestellter Theodoliten 301-1 und 301-2 sind jeweils mit einem Computer und einer Anzeige 500 durch den Signalbus 520 und den Signalbus 510 verbunden. Das grundsätzliche mathematische Prinzip eines Theodoliten beruht wie im Fall eines typischen Meßsensors 240 auf Triangulation. Die Theodoliten 301-1 und 301-2 messen sowohl die horizontalen als auch die vertikalen Winkel in Bezug auf ein ausgewähltes Target und führen die digitalisierten Winkeldaten dem Computer 500 zur Konvertierung in herkömmliche Koordinaten der drei Dimensionen wie das bekannte kartesische Koordinatensystem x, y und z zu. Anfangs werden die Theodoliten 301-1 und 301-2 aufgestellt und aufeinander ausgerichtet entlang einer sogenannten Kollimationslinie 310 (Fig. 3), um eine Basislinie zu bilden, von welcher aus die Triangulation durchgeführt wird, und werden dann jeweils auf beide Enden eines wie etwa bei 320 in Fig. 3 dargestellten präzise bearbeiteten Referenzstabes ausgerichtet, der zum Beispiel aus INVAR besteht. Der Referenzstab 320 besitzt eine präzise Ausdehnung zwischen seinem ersten Ende 321 und seinem zweiten Ende 322. Demnach haben die Theodoliten nach der Messung des Referenzstabes ihren Abstand voneinander bestimmt.
Der Theodolit 301-1, der gestrichelt bei 301-1P dargestellt ist, wird daher verschwenkt, um Messungen entlang der Linie 331 auf das zweite Ende 322 des Stabes 320 und entlang der Linie 332 auf das erste Ende 321 des Stabes 320 zu erhalten. In ähnlicher Weise wird der Theodolit 301-2, der gestrichelt bei 301-2P dargestellt ist, verschwenkt, um Messungen entlang der Linien 333 und 334 in Bezug auf den Stab 320 zu erhalten. Diese Messungen ermöglichen es dem mit den zwei Theodoliten verbundenen Computer 500 (vergleiche Fig. 5), die Stellung der Theodoliten zueinander zu berechnen.
Als nächstes werden bekannte Programme von dem Computer 500 verwendet, um die von vorbestimmten bekannten Punkten im externen Koordinatenraum gemessenen Daten der Theodoliten zu bestimmen, um das externe Meßsystem der Theodoliten in die Lage zu versetzen, Meßdaten in Bezug auf ein gewünschtes externes Koordinatensystem zu erzeugen. Bei Verwendung von zwei Theodoliten, müssen wie bei der Anordnung von Fig. 3 dargestellt, wenigstens drei Referenzpunkte von jedem Theodoliten beobachtet werden, damit die computerisierte Initialisierung durchgeführt werden kann. Andere bekannte Initialisierungsverfahren verwenden drei Theodoliten, und diese alternativen Verfahren werden in einem späteren Teil dieser Beschreibung anhand der Figuren 6A-D erläutert. Ein kommerziell erhältliches Theodoliten-Meßsystem, das die notwendige Initialisierung in Bezug auf ein externes Koordinatensystem zur Verwendung mit dieser Erfindung durchführen kann, ist das C.A.T. 2000-System von Wild Heerbrugg Instruments, Inc.. Unter weiterer Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 umfaßt das Target 340 eine Querwand 422, die die erste und zweite Seitenwand 420 bzw. 421 verbindet. Die Seitenwände 420 und 421 sind zur Aufnahme von ersten und zweiten Enden eines Satzes von vier langgestreckten asymmetrisch angeordneten Elementen oder fadenartigen Litzen 341, 342, 343 und 344 vorgesehen. Vorzugsweise bestehen die Fäden 341 bis 344 aus im wesentlichen weißem, lichtdurchlässigem Material. Das Ende eines jeden Fadens ist an der betreffenden Seitenwand des Targetkörpers durch einen Haltestopfen 430 befestigt oder angebunden. Die Achsen der Fäden 341 bis 344 erstrecken sich im wesentlichen quer zu einer von dem Sensor erzeugten Lichtebene 300. Vorzugsweise ist die Orientierung der Fäden 341 bis 344 im wesentlichen senkrecht zu der Ebene 300.
Das Target 340 ist starr aber lösbar und justierbar mit dem Meßsensor 240 mittels eines Target-Kupplungselementes 350 verbunden, welches einen im wesentlichen zylindrischen Stab umfaßt, der gleitend in passenden Bohrungen eines Halteblockes 410 aufgenommen ist, der mit dem Meßsensorgehäuses 401 verbunden ist, sowie in dem Halteblock 411 aufgenommen ist, der mit dem Target 340 verbunden ist oder alternativ als Teil davon ausgebildet ist. Die genaue Längsposition des Targets in Bezug auf die Endfläche des Meßsensors 240, der die tatsächliche Beleuchtung des Targets erzeugt, ist mit Hilfe eines Satzes von Flügelmuttern 412 und 413 einstellbar, die in passende Gewindebohrungen im Aufnahmeblock 410 bzw. 411 eingreifen, wobei die Gewindebohrungen die passende Bohrung schneiden, die das Target-Kupplungselement 350 aufnimmt. Daher können sowohl das Target 340 als auch das Sensorgehäuse 401, die mit dem Halteblock 411 bzw. 410 verbunden sind, entlang des Stabes 350 auf eine vorgewahlte Relativposition verschoben werden, und dann können die Schrauben 412 und 413 angezogen werden, um die gewunschte Einstellung beizubehalten, während der Sensor in Bezug auf ein externes Koordinatensystem kalibriert wird.
Obwohl das Target 340 wie in Fig. 4 dargestellt ein massives Gehäuse oder Fadenaufnahmewände wie 420, 421 und 422 aufweisen kann, kann es für viele Anwendungen bevorzugt sein, daß die fadenaufnehmende Struktur in der Form einer drahtartigen oder käfigartigen Struktur mit im wesentlichen offenen Wänden ausgebildet ist. Solch eine käfigartige Anordnung hat den Vorteil einer minimalen Sichtbehinderung auf die Targetfäden für die Theodoliten. Somit könnte mit dem drahtartigen Rahmen oder der käfigartigen Gehäuseausbildung dasselbe Targetdesign für eine große Anzahl von Sensoraufnahmeanordnungen verwendet werden, wobei ein direkter Sichtzugang auf die Targetpunkte durch die Theodoliten sichergestellt ist.
Nun wird das Target 340 in Bezug auf den Sensor an einer Stelle plaziert, die etwa die gleiche wie die interessierenden, zu messenden Punkte ist, wenn ein tatsächliches Teil vorhanden ist. Dann wird der Sensor aktiviert, um eine Meßebene von Licht 300 in die Richtung des Targets so zu werfen, daß der Schnittpunkt der Lichtebene 300 mit jedem der asymmetrisch angeordneten Fäden 341 bis 344 an jedem Faden zu einem beleuchteten Targetpunkt 345, 346, 347 und 348 führt. Es versteht sich deshalb, daß die Targetpunkte 345 bis 348 ohne die Notwendigkeit einer präzisen Positionierung oder Ausrichtung des Sensors 240, der die Lichtebene 300 mißt, erzeugt werden. Die Lichtebene 300 geht von der Lichtebenen-Ausgangsöffnung 402 in dem Gehäuse 401 des Sensors 240 aus.
Zu dieser Zeit sind die Targetpunkte 345 bis 347 sowohl im Gesichtsfeld des Meßsensors 240 als auch der externen Meßeinrichtung, die aus dem Paar von Theodoliten 301-1 und 301-2 mit zugehörigem Computer 500 (Fig. 5) besteht. Die in dem Koordinatensystem des Sensors ausgedrückten Targetpunkte 345 bis 348 werden durch die Reflektion von beleuchteten Targetpunkten zurück durch die lichtaufnehmende Blende 403 des Meßsensors 240 auf einen Array von Pixel-Elementen, wie etwa Fotodioden, bestimmt. Die Koordinaten werden durch einen zugehörigen Bildcomputer unter Verwendung des Inhalts einer Rektifikations-Tafel bestimmt, die dem Computer vom Sensor in einer Weise gemäß dem oben zitierten '348 Dewar, et al. Patent zugeführt wird.
Im wesentlichen zur selben Zeit nehmen die Theodoliten 301-1 und 301-2 über die Sichtwege 336 bzw. 335 in ähnlicher Weise kontaktlose Messungen der erzeugten Targetpunkte 345 bis 348 auf. Die Winkelmeßdaten werden von den Theodoliten auf den Computer 500 übertragen, um in Koordinateninformation für jeden der Targetpunkte ausgedrückt in dem vorgewählten externen Referenzkoordinatensystem transformiert zu werden. So ist nach dem bis dahin durchgeführten Kalibrierungsverfahren jetzt jeder Targetpunkt in Form von zwei Koordinatensystemen ausgedrückt, die beim Kalibrierungsverfahren aufeinander bezogen werden müssen.
Die Meßdaten in beiden Koordinatensätzen werden einer geeigneten Transformationseinrichtung wie einem programmierbaren Computer zugeführt. Der betreffende Computer, der das Transformationsprogramm speichert, könnte zum Beispiel der Computer 500 gemäß Fig. 5 sein, der mit dem externen Meßsystem der Theodoliten zusammenhängt. In alternativer Weise könnte das Transformationsprogramm in dem Bildcomputer vorhanden sein, der normalerweise zu dem Sensor 240 gehört. Gemäß einer weiteren Alternative könnten die Sensor- und Theodolitendaten einem Computer oder einer anderen Recheneinrichtung zugeführt werden, die nicht direkt mit einem der Meßsysteme zusammenhängt.
Der Transformationscomputer führt die folgenden grundlegenden Funktionen aus, um die gewünschten Transformationsparameter zu erhalten. Zunächst werden Sensorvektoren erzeugt, indem die Lage eines jeden Targetpunktes in Bezug auf einen Durchschnitt aller vom Sensor gemessenen Koordinaten ausgedrückt werden. Die Sensorvektoren werden im einzelnen erzeugt, indem der Durchschnitt der Sensorkoordinaten in Bezug auf jede Sensor- Koordinatenachse von jedem einzelnen Sensor-Koordinatenwert in Bezug auf jede entsprechende Sensor-Koordinatenachse subtrahiert wird.
Man nehme zum Beispiel drei Targetpunkte 1, 2, 3 mit den folgenden Koordinatenwerten an:
Targetpunkt 1 = Xs = 1, Ys = 5, Zs = 2
Targetpunkt 2 = Xs = 0, Ys = 9, Zs = 4
Targetpunkt 3 = Xs = 8, Ys = 0, Zs = 1.
Der Durchschnitt der Koordinatenpunkte wäre
Xs = (1 + 0 + 8)/3 = 3
Ys = (5 + 9 + 0)/3 = 4,67
Zs = (2 + 4 + 1)/3 = 2,33
So könnten Sensorvektoren für jeden Targetpunkt erzeugt werden, wobei jeder Vektor an dem Punkt ( s, s, s) beginnt und an den gemessenen Koordinaten des Targetpunktes endet. Für dieses Beispiel hätte der Sensorvektor für den Targetpunkt 1 die betreffenden X, Y und Z Komponenten von 1 - 3 = -2; 5 - 4,67 = 0,33 und 2 - 2,33 = -0,33.
Als nächstes werden externe Koordinatensystem-Vektoren oder externe Vektoren in einer ähnlichen Weise erzeugt, indem der Durchschnitt der externen Koordinatenwerte von jeder einzelnen gemessenen externen Koordinate in Bezug auf jede externe Koordinatenachse subtrahiert wird. Diese Schritte einer Erzeugung von Sensorvektoren und externen Vektoren erzeugen eine Basis zur mathematischen Manipulation der Vektoren, um eine möglichst genaue Transformation zu erhalten.
Um die Transformation durchzuführen, ist ein Minimum von drei Targetpunkten erforderlich. Jedoch erlaubt es die bevorzugte Hinzufügung des vierten Punktes, besser zu verifizieren, wie gut oder wie genau das System die Punkte mißt. Gleichfalls führt die Verwendung des vierten Punktes zur Erzeugung von mehr Daten, um eine bessere Anpassung zwischen dem externen Koordinatensystem und dem Sensorkoordinatensystem mit Hilfe des verwendeten mathematischen Kurvenanpassungs- oder Schätzverfahrens zu ermöglichen.
Es ist aus der mathematischen Theorie von Koordinatentransformationen bekannt, daß bei einer homogenen Transformation von einem Koordinatensystem zu einem anderen jede Koordinate des neuen Systems als eine Funktion aller drei Koordinaten des zu transformierenden Systems gegeben ist. Daher besteht bei der Ableitung der Transformation des Sensorkoordinatensystems auf das externe Koordinatensystem das Problem darin, die Koeffizienten in dem folgenden Satz von Transformationsgleichungen zu bestimmen:
Xext = A&sub1;&sub1;Xs + A&sub1;&sub2;Ys + A&sub1;&sub3;Zs + Δ X
Yext = A&sub2;&sub1;Xs + A&sub2;&sub2;Ys + A&sub2;&sub3;Zs + Δ Y
Zext = A&sub3;&sub1;Xs + A&sub3;&sub2;Ys + A&sub3;&sub3;Zs + Δ Z.
Die Matrix von Koeffizienten A&sub1;&sub1;...A&sub3;&sub3; bildet eine Drehtransformation, während der Satz von Parametern Δ X, Δ Y, Δ Z eine Translationstransformation darstellt.
Zuerst muß das Transformationsprogramm bestimmen, welcher Koordinatensatz für einen Targetpunkt ausgedrückt in den Sensorkoordinaten in welchen Koordinatensatz für den Targetpunkt ausgedrückt in externen Koordinaten abgebildet werden soll. Man nehme zum Beispiel drei Targetpunkte an. Die Transformation wird dann drei Sätze von Punkten (X, Y, Z) haben, die von dem Sensorcomputer und dem Theodolitencomputer übertragen werden. Jedoch weiß das Transformationsprogramm zu diesem Zeitpunkt noch nicht, welche dieser externen Koordinatensätze zu den ersten, zweiten und dritten Koordinatensätzen ausgedrückt in Sensorkoordinaten gehören. Deshalb müssen alle Permutationen geordneter Paare von Koordinatensätzen für das Sensorsystem und das externe System untersucht werden, um zu bestimmen, welche zum kleinsten Transformationsfehler führt.
Um die beste Anpassung an den Satz von Aij Koeffizienten für die Drehtransformation zu bestimmen, könnte ein geeignet programmierter Computer zum Beispiel alle Permutationen von Abbildungen von Sensorvektoren in reale Vektoren verwenden und für jede Permutation die folgenden Schritte durchführen:
a) Finde das Paar von Sensorvektoren für alle Sensorkoordinaten, dessen Kreuzprodukt den größten Vektor ergibt;
b) Bilde das Kreuzprodukt für das zugehörige Paar von externen Vektoren;
c) Bestimme eine Abbildung aller Sensor Vektoren und des größten Sensorvektor-Kreuzproduktes nach der Methode der kleinsten Quadrate auf die X-Achse für die externen Vektoren und den externen Kreuzproduktvektor;
d) Wiederhole den Schritt c) für die Y- und Z-Achse.
Die sich ergebende Transformation der Sensorvektoren auf die externen Vektoren wird auf Orthogonalität geprüft. Ein mögliches Verfahren, um die Orthogonalität zu prüfen besteht darin, die Koeffizienten A&sub1;&sub1;, A&sub1;&sub2; und A&sub1;&sub3; als Vektorkomponenten zu behandeln und gleichfalls die Tripletts A&sub2;&sub1;, A&sub2;&sub2;, A&sub2;&sub3; und A&sub3;&sub1;, A&sub3;&sub2;, A&sub3;&sub3; als Komponenten von dreidimensionalen Vektoren zu behandeln. Die Prüfung auf Orthogonalität besteht darin, zu untersuchen, ob die Größen aller drei Vektoren A sehr nahe an 1 liegt. Dies kann einfach durchgeführt werden, indem die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate jeder der drei Vektorkomponenten gebildet wird. Dieser Test besteht anders ausgedrückt darin, daß der Einheitsvektor in einem Koordinatenraum in einen Einheitsvektor in dem anderen Koordinatenraum bei perfekter Orthogonalität abgebildet werden muß.
Falls die Orthogonalität innerhalb eines vorbestimmten Zielfehlers liegt, werden die Transformationsfehlerwerte für jede einzelne Permutation untersucht, um den kleinsten beobachteten Fehler festzustellen. Die Permutation mit dem kleinsten Fehler wird dann als die geeignete Transformationsverbindung zwischen den Koordinatenpunkten in den beiden Systemen ausgewählt.
Nun können, nachdem die beste Näherung für die Werte A&sub1;&sub1; bis A&sub3;&sub3; mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate bei einer winkelgetreuen Abbildung bestimmt wurde, die Translationskoeffizienten Δ X, Δ Y und Δ Z bestimmt werden, indem die bekannten Werte von Xext, Yext, Zext und Xs, Ys, Zs in die obigen drei simultanen Gleichungen eingesetzt werden, um die drei Gleichungen für die drei Unbekannten Δ X, Δ Y und Δ Z zu lösen. Angenommen die Genauigkeit der ausgewählten Transformation sei innerhalb annehmbarer Grenzen, dann werden die Werte von A&sub1;&sub1; bis A&sub3;&sub3;, Δ X, Δ Y und Δ Z verwendet, um jede beliebige gemessene Sensorkoordinate in das gewünschte externe Koordinatensystem zu transformieren.
Es versteht sich, daß natürlich mehr als eine einzige Lichtebene für die Meßsensoren zusammen mit den Targetfäden verwendet werden könnte, um mehr als vier interessierende Punkte zu erzeugen, die gleichzeitig von dem Theodolitensystem beobachtet werden können. Zum Beispiel könnte ein Fadenkreuz bestehend aus zwei sich schneidenden Lichtebenen auf das Target gerichtet werden, was zu einem Feld von acht Targetpunkten führen würde.
Matrizenrechnung, die Schätztheorie der kleinsten Quadrate und Vektorrechnung sind in der Mathematik wohlbekannt. Beispielhaftes Nachschlagematerial, in dem die mathematischen Transformationen beschrieben sind, die zum Beispiel durch einen programmierbaren Computer gemäß dieser Erfindung ausgeführt werden können, sind Handbook of Mathematics, I. N. Bronshtein und K. A. Semendyayev; Matrix Computations, G. H. Golub und C. F. Van Loan; The VNR Concise Encyclopedia of Mathematics, veröffentlicht durch Van Nostrand Reinhold Company; und Numerical Recipes, The Art of Scientific Computing, W. H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolosky und W. T. Vetterling.
Die Figuren 6A bis 6D zeigen zwei alternative Verfahren, um das externe Koordinatensystem unter Verwendung von drei Theodoliten 601, 602 und 603 zu bestimmen. In Fig. 6A wird das externe Koordinatensystem unter Verwendung von drei Theodoliten und einem Computer (nicht dargestellt) definiert, um eine gute Kollimation zwischen jedem Paar von Stationen zu erreichen. So wird die Kollimation von Station 601 auf Station 603 durch den Weg 13 und von 603 auf 601 durch den Weg 31 durchgeführt. In einer ähnlichen Weise werden die Wege 12 und 21 zur Kollimationseinstellung zwischen den Stationen 601 und 602 verwendet, während die Wege 23 und 32 zur Kollimation zwischen 602 und 603 verwendet werden.
In Fig. 6B wird eine zweite Alternative zur Initialisierung des Systems auf das gewünschte externe Koordinatensystem durch Erzeugung einer guten Kollimation zwischen irgendeiner Theodolitenstation und den beiden anderen Stationen erreicht, zum Beispiel zwischen den Stationen 601 und 603 (über die Linien 13, 31) und zwischen 602 und 603 (über die Linien 23, 32). Dann werden die Theodoliten verwendet, um ein gemeinsames Referenztarget 610 von jeder Station aus durch Messen der Vektoren 1T, 2T bzw. 3T zu messen.
In Fig. 6C ist eine dritte Alternative zur Festlegung des externen Koordinatensystems dargestellt, wobei eine gute Kollimation zwischen zwei Stationen, zum Beispiel zwischen den Stationen 601 und 603 erreicht wird und dann jede Station Messungen in Bezug auf vier gemeinsame Referenztargetpunkte 611, 612, 613 und 614 durchführt. Die Meßvektoren sind unter Verwendung der Bezeichnung mTn dargestellt, wobei m der Index der Meßstation und n der Index des gemeinsamen Referenztargets ist. Zum Beispiel nimmt die Station 601 (Station 1), welche die erste Theodolitenstation ist, Messungen des zweiten gemeinsamen Referenztargets 612 über den Vektor 1T2 auf.
Eine vierte Alternative ist in Fig. 6D dargestellt und verwendet eine annähernde Kollimation zwischen zwei beliebigen Stationen, wie zwischen den Stationen 601 und 602, welche von Messungen jeder der drei Stationen an fünf gemeinsamen Referenztargets 615, 616, 617, 618 und 619 gefolgt werden. Die für den Meßvektor für eine gegebene Station auf ein gegebenes Target verwendete Bezeichnung ist die gleiche wie im Zusammenhang mit der obigen Fig. 6C.
Folglich versteht es sich, daß gemäß den Prinzipien der Erfindung niemals die Notwendigkeit einer genauen Kenntnis oder einer genauen Positionierung jedes Sensors in dem externen Koordinatenraum besteht, da der Sensor selbst die Targetpunkte erzeugt, die gemeinsam mit dem externen Meßsystem gemessen werden. Gleichfalls ist offensichtlich, daß keine Notwendigkeit zur Verwendung eines Masterteils für alle Sensoren während des Kalibrierungsverfahrens besteht. Die herkömmlichen Verfahren zur Kalibrierung versuchen es (mit zweifelhaftem Erfolg), die Position und Orientierung jedes Sensors in sechs Freiheitsgraden genau und wiederholbar zu bestimmen. Es versteht sich, daß gemäß dieser Erfindung der Anwender eines Meßsystems, welches gemäß den Prinzipien der Erfindung ausgebildet ist, lediglich die Lage des Sensorfeldes unter Verwendung der Targeteinrichtung zur Erzeugung von wenigstens drei beleuchteten Targetpunkten bestimmen muß.
Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Vorrichtung sind gleichfalls in der Robotik anwendbar, wo der zu kalibrierende Sensor und das Target relativ zueinander in Bezug auf ein taktiles Element oder eine "Hand" eines Roboters liegen. Gemäß der gegenwärtigen Erfindung könnte die Kalibrierung eines Sensors zum Beispiel durchgeführt werden, indem entweder das Target in das Sichtfeld eines festen Sensors bewegt wird oder alternativ ein beweglicher Sensor in eine geeignete Lage in Bezug auf ein feststehendes Target bewegt wird.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine spezielle Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform erläutert. Die Einzelheiten der Erfindung sind lediglich zum Zwecke eines Beispiels angegeben und sollen den Schutz bereich der zugehörigen Patentansprüche nicht einschränken.

Claims

1. Verfahren zum Kalibrieren eines beliebig orientierten kontaktlosen Meßsensors (240) in Bezug auf ein äußeres Koordinatensystem, welches die folgenden Schritte umfaßt:

- Vorsehen eines Targets (340;611-619), das wenigstens drei Punkte (345-348) umfaßt, die gleichzeitig innerhalb einer Meßzone eines Sensors (240) und einer Meßzone einer zu dem Sensor externen Meßeinrichtung liegen;

- Verbleiben des Targets (340;611-619) und des Sensors in weitgehend festen Positionen während der Kalibrierung;

- Verwenden des Sensors (240), um Sensorkoordinaten als erste Raumkoordinaten der wenigstens drei Punkte (345-348) des Targets (340;611-619) zu bestimmen, welche im Koordinatensystem des Sensors ausgedrückt sind;

- Verwenden der externen Meßeinrichtung, um externe Koordinaten als zweite Raumkoordinaten des Targets (340;611-619) zu bestimmen, welche in dem externen Koordinatensystem angegeben sind; und

- Transformieren der ersten Raumkoordinaten in die externen Koordinaten in dem externen Koordinatensystem unter Verwendung der ersten und zweiten Raumkoordinaten des Targets (349;611-619).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Transformationsschritt ferner umfaßt:

a) Bilden von Sensorvektoren, indem der Durchschnitt der Sensorkoordinaten des Targets (340;611-619) in Bezug auf jede Sensorkoordinatenachse von den Sensorkoordinaten des Targets in Bezug auf jede entsprechende Sensorkoordinatenachse subtrahiert wird;

b) Bilden von externen Vektoren, indem der Durchschnitt der externen Koordinaten des Targets (340;611-619) in Bezug auf jede externe Koordinatenachse von der externen Koordinate des Targets (340;611-619) in Bezug auf jede entsprechende externe Koordinatenachse subtrahiert wird;

c) Ordnen von Paaren aus Sensorvektoren und externen Vektoren für deren sämtliche mögliche Permutationen; für jede Permutation

i) Bestimmen eines Paares von Sensorvektoren, das das größte Kreuzvektorprodukt daraus ergibt;

ii) Erzeugen eines entsprechenden Kreuzproduktes für ein entsprechenden Paar externer Vektoren;

iii) Bestimmen einer Abbildung aller Sensorvektoren und des größten Sensorvektorkreuzproduktes nach der Methode der kleinsten Quadrate auf jede Koordinatenachse für die externen Vektoren und die entsprechenden externen Koordinatenkreuzprodukte; und

iv) Bestimmen, ob die sich ergebende Transformation innerhalb eines vorgegebenen Bereich orthogonal ist, und, falls dieses der Fall ist, Berechnen der Transformationsfehler zwischen den bekannten externen Koordinaten und den transformierten Sensorkoordinaten; und

e) Auswählen der Permutation, die zum kleinsten Transformationsfehler führt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Target (340;611-619) Mittel umfaßt, um wenigstens drei nicht symmetrisch angeordnete Punkte (345-348) vorzusehen, welche gleichzeitig durch den Sensor (240) und wenigstens zwei externe Meßmittel detektierbar sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Target (340;611-618) Mittel zur Erzeugung von vier nicht-symmetrisch positionierten Punkten (345-348) umfaßt, die gleichzeitig durch den Sensor (240) und die wenigstens zwei externen Meßmittel detektierbar sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der kontaktlose Meßsensor als optischer Sensor (240) ausgebildet ist, der wenigstens eine Ebene von Licht (300) in der Sensormeßzone emittiert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die externen Meßmittel wenigstens zwei Theodoliten (301;601-603) umfassen, von denen jeder mit Mitteln gekoppelt ist, um Meßdaten zu erzeugen, die innerhalb des externen Koordinatensystems angegeben sind.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem wenigstens drei Punkte (345-348) beleuchtete Punkte (345-348) sind, die durch den optischen Sensor (240) erzeugt sind und nicht-symmetrisch angeordnet sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem der Sensor mit einem Tastelement einer Robotereinrichtung zur Bewegung in Bezug auf das Target gekoppelt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem das Target mit einem Tastelement einer Robotereinrichtung zur Bewegung in Bezug auf den Sensor gekoppelt ist.

10. Vorrichtung welche einen zufällig orientierten kontaktlosen Meßsensor (240) und Mittel zum Kalibrieren des Sensors (240) in Bezug auf ein externes Koordinatensystem umfaßt, mit:

- externen Meßmitteln;

- einer Targeteinrichtung (340), die wenigstens drei Punkte (345-348) umfaßt, die gleichzeitig innerhalb der Meßzone des Sensors (240) und einer Meßzone der externen Meßmittel liegen;

- Transformationsmitteln, die zur Aufnahme von Koordinatendaten in Bezug auf das Target (340) gekoppelt sind, die beide durch den Sensor (240) und die externen Meßmittel erzeugt sind, wobei die Targeteinrichtung (340) und der Sensor (240) so angeordnet sind, daß sie in relativ festen Positionen verbleiben, wenn sie die Koordinatendaten erzeugen, und wobei die Transformationsmittel dazu eingerichtet sind, unter Verwendung der von dem Sensor (240) und den externen Meßmitteln aufgenommenen Targetkoordinatendaten eine Transformation der Sensorkoordinatendaten in externe Koordinatendaten abzuleiten.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei welcher die Targeteinrichtung (340) Mittel zur Erzeugung von wenigstens drei nicht-symmetrisch positionierten Punkten (345-348) umfaßt, die durch den Sensor (240) und wenigstens zwei externe Meßmittel gleichzeitig detektierbar sind.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei welcher die Targeteinrichtung (340) Mittel zur Erzeugung von vier nicht-symmetrisch positionierten Punkten (345-348) umfaßt, die durch den Sensor (240) und die wenigstens zwei externen Meßmittel gleichzeitig detektierbar sind.

13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, bei welcher der kontaktlose Meßsensor (240) eine optische Quelle umfaßt, die wenigstens eine Ebene von Licht (300) in der Sensormeßzone emittiert.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei welcher die externen Meßmittel wenigstens zwei Theodoliten (301;601-603) umfassen, die jeweils mit Mitteln gekoppelt sind, um Meßdaten in den Koordinaten des externen Koordinatensystems zu erzeugen.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, bei welcher die Targeteinrichtung (340) ferner lösbar mit dem Sensor (240) verbundene Mittel umfaßt und wenigstens drei lichtdurchlässige langgestreckte Elemente trägt, die sich quer zu der wenigstens einen durch den Sensor (240) emittierten Ebene von Licht (300) erstrecken, wobei jedes langgestreckte Element die Erzeugung eines beleuchteten Punktes (345-348) an dem Schnittpunkt der Lichtebene (300) mit dem langgestreckten Element ermöglicht.

16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei welcher die Targeteinrichtung (340) erste und zweite Seitenwände (420,421) umfaßt, welche entsprechende erste und zweite Enden der langgestreckten lichtdurchlässigen Elemente aufnehmen.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 15 oder 16, bei welcher jedes langgestreckte Element aus einem im wesentlichen weißen lichtdurchlässigen Faden (341-344) besteht.

18. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei welcher sich die langestreckten Elemente im wesentlichen senkrecht zu der Meßebene des Lichtes (300) erstrecken.

19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18, welche ferner Verbindungsmittel umfaßt, die starr aber lösbar mit dem Sensor (240) und der Targeteinrichtung (340) verbunden sind und Mittel zum Einstellen eines Abstandes zwischen dem Sensor (240) und der Targeteinrichtung (340) aufweisen.

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 19, bei welcher die Verbindungsmittel einen ersten mit dem Sensor (240) gekoppelten Montageblock (410) umfaßt, einen zweiten Montageblock (411), der mit einer der ersten und zweiten Seitenwände (420,421) und einem zylindrischen stabartigen Kupplungselement (350) gekoppelt ist, welches gleitend in Paßbohrungen in dem ersten und zweiten Montageblock (410,411) aufgenommen ist, wobei die Mittel zur Justierung erste und zweite Einstellschraubeinrichtungen (412,413) umfassen, die jeweils in Gewindebohrungen des ersten und zweiten Montageblockes (410,411) aufgenommen sind, wobei die Gewindebohrungen die entsprechenden Paßbohrungen schneiden.

21. Vorrichtung gemaß einem der Ansprüche 10 bis 20, bei welcher die Transformationsmittel eine programmierbare Computereinrichtung (500) umfassen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, welche ferner eine Robotereinrichtung umfaßt, die mit dem Sensor gekoppelt ist, um eine Bewegung des Sensors in Bezug auf die Targeteinrichtung zu erzeugen.

23. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 21, welche ferner eine Robotereinrichtung umfaßt, die mit der Targeteinrichtung gekoppelt ist, um eine Bewegung der Targeteinrichtung in Bezug auf den Sensor zu erzeugen.

24. Kontaktlose optische Meßsystemeinrichtung, welche eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl von optischen Sensoren (240) umfaßt, die in Bezug auf ein zu messendes Werkstück (100) angeordnet ist, wobei jeder optische Sensor (240) in Bezug auf ein externes Koordinatensystein gemäß einem der Ansprüche 10 bis 23 kalibrierbar ist.

25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, bei welcher die Elemente zur Erzeugung des Targetpunktes jeweils als langgestreckte lichtdurchlässige Elemente ausgebildet sind, und die Targeteinrichtung eine im wesentlichen offene, käfigartige Struktur zur Aufnahme von entsprechenden ersten und zweiten Enden der langgestreckten lichtdurchlässigen Elemente derart aufweist, daß sich die langgestreckten Elemente im wesentlichen quer zu einer Meßebene von Licht erstrecken, das durch den Sensor emittiert ist, um so die beleuchteten Targetpunkte an Schnittpunkten von jedem der langgestreckten Elemente mit der Meßebene von Licht zu erzeugen, wobei die im wesentlichen offene Struktur dadurch eine direkte Beobachtung der Targetpunkte durch externe Meßmittel von praktisch allen Richtungen ermöglicht.