DE4308082A1 - Verfahren und Einrichtung zur optischen Messung von Objekten in einer Ebene - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur optischen Messung von Objekten in einer EbeneInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ein
richtung zur optischen Messung von Objekten in
einer Ebene, bei dem das Objekt auf einen lichtemp
findliche Bildpunkte enthaltenden Sensor, vorzugs
weise auf eine CCD-Matrix, abgebildet wird und bei
dem das optische Signal sequentiell nach AD-Wand
lung einem Rechner zugeführt wird.
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, Objekte,
deren geometrischen Bestimmungsstücke ermittelt
werden sollen, berührungslos abzutasten. Es ist
hierbei bekannt, mit Hilfe eines optischen Meßsy
stems ein Objekt auf die Oberfläche eines Sensors
abzubilden, der über lichtempfindliche Bildpunkte
verfügt. Die zu ermittelnde Lage der Objektkante
wird in diesem Abbild durch einen Hell-Dunkel-Über
gang repräsentiert. Dabei korrespondiert die Stelle
im Helligkeitsverlauf mit einem Helligkeitswert von
50% der Maximalhelligkeit mit der zu ermittelnden
Lage der Objektkante. Dieser Punkt ist zugleich
Wendepunkt des Helligkeitsverlaufes. Zur Bestimmung
dieses Punktes ist es nach dem Stand der Technik
bekannt, den Kurvenverlauf mit einem Schwellwert,
der 50% der Maximalhelligkeit entspricht, zu
vergleichen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß
Helligkeitsschwankungen des Beleuchtungssystems zu
Meßfehlern führen.
Gemäß DE-OS 31 23 703 sind ein Verfahren und eine
Anordnung bekannt, bei dem durch sequentielle Abta
stung des Bildes der Helligkeitsverlauf bestimmt
und die erste und zweite Ableitung ermittelt wird,
um dadurch den Wendepunkt des Helligkeitsverlaufes
zu bestimmen, der mit dem gesuchten Bildort über
einstimmt. Diesem Verfahren haften die Nachteile
an, daß es durch die hardwaremäßige Realisierung
für flächenhafte Sensoren ungeeignet ist und daß
zur Ermittlung von Subpixelwerten, also zur Erhö
hung der Genauigkeit über den durch den Pixelab
stand der verwendeten CCD-Kamera gegeben Wert hin
aus, die Abtastfrequenz um ein n-faches höher als
die Pixelfrequenz liegen muß. Dies erfordert den
Einsatz von AD-Wandlern mit sehr hohen Umsetzraten.
Bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren
werden zur Bestimmung des Wendepunktes der Hell-
Dunkel-Flanke, bedingt durch die Digitalisierung
der Pixel, Geradenstücke unterschiedlicher Steigung
ausgewertet. Diese Steigungen können im quasili
nearen Bereich der Hell-Dunkel-Flanke in ihrer
Steilheit schwanken. Dies hat größere Unsicherhei
ten bei der Subpixelberechnung zur Folge. In der
Regel muß vorher eine Tiefpaßfilterung durchgeführt
werden.
Erschwerend ist weiterhin , daß die Flankenrandbe
reiche oft mit optischen Störeffekten, wie Refle
xionen an der Meßobjektoberfläche, Randabschattun
gen und ähnlichen, überlagert sind, wodurch
Ungenauigkeiten bei der Wendepunktbestimmung her
vorgerufen werden.
Bei Transportvorgängen aller Art, in denen ein Tei
lestrom erzeugt, weitergeleitet oder einer Weiter
verarbeitungseinheit zugeführt werden muß, sind
eine Reihe von Überwachungsaufgaben erforderlich.
Dabei ist es mitunter notwendig, festzustellen, ob
dieser Teilestrom vorhanden ist, es müssen Teile
gezählt oder Fremdteile ausgesondert werden. Ferner
besteht oft die Notwendigkeit, die Teile auf Ein
halten eines Funktionsmaßes zu überprüfen oder die
Teile einer Montageeinrichtung lagerichtig zuzufüh
ren.
Die im Stand der Technik hierzu bekannten berüh
rungslos messenden optischen Anordnungen besitzen
separate Teile für Strahlungsquelle und Empfänger
sowie einen gesonderten Teil für die Ansteuer- und
Auswerteelektronik. Diese bekannten Anordnungen
sind deshalb nur für stationären Einsatz geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren und eine Anordnung der eingangs genannten
Art anzugeben, die auch für flächenhafte Sensoren
geeignet sind und die mit einfachen Maßnahmen re
alisiert werden können.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe da
durch, daß folgende Verfahrensschritte in einem
Rechner ausgeführt werden:
- - Ermitteln einer Lauflängencodierung,
- - Falten der Originalhelligkeitsfunktion mit einer einem Tiefpaß entsprechenden Übertragungsfunktion und
- - Ermitteln des Schnittpunktes von Originalfunktion und gefilterter Funktion.
Bei einem im Stand der Technik bekannten Verfahren
wird die Faltung hardwaremäßig ausgeführt. Dies be
dingt eine Phasenverschiebung zwischen Original
funktion und tiefpaßgefilterter Funktion und führt
damit zu Meßfehlern. Durch die erfindungsgemäße
softwaretechnische Verarbeitung der beiden Funktio
nen gelingt es, diese Phasenverschiebung zwischen
Originalfunktion und tiefpaßgefilterter Funktion zu
vermeiden. Währen bei dem im Stand der Technik be
kannten Verfahren nur eine zeilenweise Abtastung
des Meßobjektes möglich ist, ermöglicht das erfin
dungsgemäße Verfahren auch den Einsatz einer Ma
trix.
Von besonderem Vorteil ist bei dem erfindungsgemä
ßen verfahren weiterhin, daß durch Helligkeits
schwankungen hervorgerufene Meßfehler vermieden
werden und daß der sich als Schnittpunkt zweier
Funktionen ergebende Meßpunkt mit einer höheren Ge
nauigkeit ermittelt werden kann als es der Ortsauf
lösung des Sensors entspricht.
Eine weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfah
rens ergibt sich dadurch, daß zur Ermittlung der
für die Messung interessierten Punkte eine Lauflän
gencodierung durchgeführt wird und nur der Hellig
keitsverlauf interessierender Punkte ausgewertet
wird. Damit ist eine Geschwindigkeitssteigerung
möglich. Die interessanten Punkte können vorher
durch eine hard- oder softwareseitige Lauflängenco
dierung ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist leicht im Mikro
rechner realisierbar und kann zur Geschwindigkeits
steigerung optimiert werden.
Ferner ist es möglich, daß die Originalhelligkeits
funktion mit einem Tiefpaß schwach gefiltert wird.
Damit gelingt es, den Einfluß des Rauschens und der
unterschiedlichen Pixelempfindlichkeiten zu redu
zieren.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Anwendung des
Verfahrens entsteht dadurch, daß in einem Gehäuse
eine Strahlungsquelle, vorzugsweise eine Infrarot
diode, und ein Abbildungsobjektiv zur Beleuchtung
des Meßobjektes angeordnet sind, daß im Strahlen
gang hinter dem Meßobjekt eine zweites Objektiv und
ein Sensor angeordnet sind und daß die Bildverar
beitungseinheit zur softwaretechnischen Auswertung
des Meßsignals ein Mikroprozessor ist, der gemein
sam mit einem Display im Gehäuse angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Weiterentwicklungen der erfin
dungsgemäßen Anordnung sind in den Ansprüchen 5 bis
8 angegeben.
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann so ausge
staltet werden, daß die Kompaktheit und Universali
tät einer Lichtschranke mit der Leistungsfähigkeit
eines optischen Meßsystems in einer Anordnung ver
eint sind. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung wird es möglich, Transport-, Ord
nungs- und Sortierprozesse zu überwachen und opti
mal zu gestalten.
Die erfindungsgemäße Einrichtung gestattet es bei
spielsweise, mit einfachen Mitteln Teile eines Tei
lestromes sicher voneinander zu trennen und damit
exakt zu zählen, die Lage des vorbei strömenden
Teiles zu erkennen und so einfache Ordnungsvorgänge
auszulösen oder das Teil zu identifizieren und so
von fremden Teilen zu unterscheiden.
Eine zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen
Einrichtung sieht vor, das Zählergebnis auf einem
LCD-Display darzustellen.
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung wird vorteil
haft zur berührungslosen Bestimmung geometrischer
Daten von kleinen Objekten, wie beispielsweise
Drähten, Fäden, Folien, Papierbändern, Blechen und
dergleichen eingesetzt. Die kompakte Bauweise der
erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht eine opti
male Einpassung in Montage und Fertigungssysteme
ohne jeglichen Justageaufwand. Dabei ist es sowohl
möglich, die erfindungsgemäße Einrichtung als Bild
schranke einzusetzen oder mit geringem Aufwand als
Meßgerät zu verwenden.
Als weitere Vorteile sind besonders die Fremdlicht
unabhängigkeit und Temperaturstabilität sowie der
geringe Aufwand bei der Herstellung hervorzuheben.
Bei der Anwendung erweist es sich als vorteilhaft,
daß keine feste Bezugslage zwischen Meßsystem und
Meßobjekt erforderlich ist.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Aus
führungsbeispieles näher erläutert werden. In der
zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild für die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 Eine schematische Darstellung der er
findungsgemäßen Anordnung als Handmeßgerät.
Fig. 3 Eine Anordnung mit doppelter Ausfüh
rung der optischen Bauteile.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanord
nung wird das Meßobjekt 2 von der Beleuchtungsein
richtung 3 beleuchtet. Der Sensor 1 ist mit dem
Takttreiber 4 und dem Videoverstärker 5 verbunden,
deren Ausgänge ihre Signale an die Zählerausgänge 7
und die AD-Wandlereingänge 8 der Recheneinheit 11
zuführen. Die Recheneinheit 11 ist mit der Takt-
und Resetlogik 10 sowie der Stromversorgung 12 ver
bunden. Über die Pulsweitenausgänge 9 wird die Be
leuchtungseinrichtung 3 gesteuert. An der Rechen
einheit 11 befinden sich der Programmspeicher 13
und der Arbeitsspeicher 14, die mit den seriellen
Ein-/Ausgängen 15, den digitalen Eingängen 16 und
den digitalen Ausgängen 17 verbunden sind. Die se
riellen Ein- und Ausgänge 15 sind mit der ASCII-
Schnittstelle 18, die digitalen Eingänge 16 mit dem
Tastern 19 und dem Triggereingängen 21 und die di
gitalen Ausgänge 17 sind mit den Anzeigen 20 und
den Schaltungsausgängen 22 verbunden.
Fig. 2 erläutert den mechanischen Aufbau der er
findungsgemäßen Anordnung in einem Handgerät.
Das Gehäuse GH weist an einem Ende eine maulförmige
Öffnung O auf, in die das Meßobjekt MS eingeführt
werden kann. Das Meßobjekt MS wird berührungslos
abgetastet. Die Infrarotdiode D1 beleuchtet das
Meßobjekt MS über das erste Objektiv O1 und ein er
stes Prisma P1. Das Meßobjekt MS wird mittels eines
zweiten Prismas P2, eines zweiten Objektivs O2,
einer Blende B1 und eines dritten Prismas P3 auf
den Sensor ZS abgebildet. Die Auswertung der von
dem Sensor ZS erzeugten Signale erfolgt mittels der
Bildverarbeitungseinrichtung BE, die einen Mikro
rechner enthält und die softwaremäßige Verarbeitung
der Signale ausführt. Das Ergebnis wird am Display
DP angezeigt.
Bei der in Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen
Anordnung sind die Infrarotdiode D1, die Objektive
O1 und O2, die Prismen P1 bis P3, die Blende B1 und
der Sensor ZS jeweils doppelt angeordnet. Diese An
ordnung bietet die Möglichkeit, flächenhafte Meßob
jekte zu prüfen, wobei eine definierte Relativlage
des Meßobjektes gegenüber dem Meßgerät nicht erfor
derlich ist.
Claims (8)
1. Verfahren zur optischen Messung von Objekten in
einer Ebene, bei dem das Objekt auf einen licht
empfindliche Bildpunkte enthaltenden Sensor, vor
zugsweise auf eine CCD-Matrix, abgebildet wird und
bei dem das optische Signal sequentiell nach AD-
Wandlung einem Rechner zugeführt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte
ausgeführt werden:
- - Ermitteln einer Lauflängencodierung,
- - Falten der Originalhelligkeitsfunktion mit einer einem Tiefpaß entsprechenden Übertragungsfunktion und
- - Ermitteln des Schnittpunktes von Originalfunktion und gefilterter Funktion.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Originalfunktion mit einer symmetri
schen Funktion gefaltet wird.
3. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Originalhellig
keitsfunktion mit einem Tiefpaß schwach gefiltert
wird.
4. Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach
einen der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem
Sensor, vorzugsweise einem CCD-Empfänger, einer Be
leuchtungseinrichtung und einer Bildverarbeitungs
einheit, dadurch gekennzeichnet, daß
- - in einem Gehäuse (GH) eine Infrarotdiode (D1) und ein Abbildungsobjektiv (O1) zur Beleuchtung des Meßobjektes (MS) angeordnet sind,
- - im Strahlengang hinter dem Meßobjekt (MS) eine zweites Objektiv (O2), und ein Sensor (ZS) angeord net sind und
- - die Bildverarbeitungseinheit (BE) zur software technischen Auswertung des Meßsignals ein Mikropro zessor ist, der gemeinsam mit einem Display (DP) im Gehäuse (GH) angeordnet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- - die Einrichtung in kompakter Bauweise als Hand meßgerät ausgeführt ist,
- - sich an einer Seite des Gehäuses (GH) eine maul förmige Öffnung (O) befindet, in die das Meßobjekt (MS) eingebracht werden kann,
- - das Meßobjekt (MS) mit Hilfe der Infrarotdiode (D1) über ein Abbildungsobjektiv (O1) und ein Umlenksystem, vorzugsweise über ein Umlenkprisma (P1) beleuchtet wird und
- - im Strahlengang hinter dem Meßobjekt (MS) eine weitere optische Umlenkeinrichtung, eine abbildende Optik, eine Blende (B1) und ein Sensor (ZS) ange ordnet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Infrarotdiode (D1) impuls
gesteuert ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungs
einheit (BE) einen Einchipmikrorechner enthält und
die elektronischen Schaltelemente als Treiberstufen
ausgebildet sind.
8. Einrichtung nach einen der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotdiode (D1),
die optischen Elemente und der Sensor (ZS) doppelt
angeordnet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4308082A DE4308082A1 (de) | 1993-03-13 | 1993-03-13 | Verfahren und Einrichtung zur optischen Messung von Objekten in einer Ebene |
Applications Claiming Priority (1)
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DE4308082A DE4308082A1 (de) | 1993-03-13 | 1993-03-13 | Verfahren und Einrichtung zur optischen Messung von Objekten in einer Ebene |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4308082A1 true DE4308082A1 (de) | 1994-09-15 |
Family
ID=6482761
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4308082A Withdrawn DE4308082A1 (de) | 1993-03-13 | 1993-03-13 | Verfahren und Einrichtung zur optischen Messung von Objekten in einer Ebene |
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