DE4405531C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie räumlicher Objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Erfassung der Geometrie räumlicher Objekte.

Die Geometrie von Objekten kann durch Abbildungen des Objekts aus unterschiedlichen Blickwinkeln charakteri­ siert werden. Dabei ergibt sich jedoch die Schwierig­ keit, Teile des Objekts einander zuzuordnen und ihre räumliche Position genau zu bestimmen.

Eine Kamera für stereoskopische Fotografie ist bekannt aus US-Patent 3 846 810. Diese Kamera weist vor dem Objektiv eine Spiegelanordnung auf, die zwei dichroiti­ sche Spiegel enthält, welche in einem Abstand angeordnet sind, der demjenigen der menschlichen Augen entspricht. Der eine Spiegel leitet den blauen Lichtanteil des Ob­ jekts zu der Aufzeichnungsfläche und der andere Spiegel den roten Lichtanteil. Auf diese Weise werden zwei ver­ schiedenfarbige Bilder aufgezeichnet. Bei Betrachtung durch eine Brille, deren eines Glas ein Rotfilter und deren anderes Glas ein Blaufilter ist, können die aus unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommenen roten und blauen Bilder den einzelnen Augen getrennt zugeführt werden, wodurch stereoskopisches Betrachten eines Bildes möglich ist. Wegen der Spiegel sind die Strahlenwege von roter und blauer Strahlung normalerweise unter­ schiedlich, was jedoch unerwünscht ist und kompensiert werden kann.

JP-2 118 624 (A) beschreibt eine Wiedergabevorrichtung für farbige Videobilder, bei der drei verschiedene An­ zeigevorrichtungen jeweils mit Licht unterschiedlicher Farbe beleuchtet werden. Die von den Anzeigevorrichtun­ gen erzeugten verschiedenfarbigen Bilder werden in einem Prisma zusammengesetzt und über einen Projektor auf einen Schirm projiziert. Die Vorrichtung enthält eine Spiegelanordnung aus hintereinander angeordneten dichro­ itischen Spiegeln, von denen jeder eine andere Wellen­ länge reflektiert und die übrigen Wellenlängen durch­ läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie räum­ licher Objekte zu schaffen, mit denen unter Verwendung einfacher Mittel auswertbare Bilder erzeugt werden kön­ nen, um die dreidimensionale Struktur des Objekts zu analysieren.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit dem Verfahren des Patentanspruchs 1 bzw. mit der Vor­ richtung des Patentanspruchs 4.

Nach der Erfindung wird das Objekt aus mindestens einer Blickrichtung durch ein abbildendes System mit unter­ schiedlichen Gegenstandsweiten abgebildet. Die Abbil­ dungen für die einzelnen Gegenstandsweiten erfolgen mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Hierbei muß es sich nicht notwendigerweise um diskrete Wellenlängen handeln, sondern die Auswertung kann auch mit Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche erfolgen. Nach­ folgend soll der Begriff "Wellenlänge" jeweils auch einen begrenzten Wellenlängenbereich bezeichnen. Die unterschiedlichen Gegenstandsweiten sind gleichzeitig verfügbar. Dies wird dadurch erreicht, daß die opti­ schen Weglängen für die einzelnen Wellenlängen unter­ schiedlich gemacht werden. Hierzu wird das Licht für die Abbildungen über eine wellenlängenselektive Über­ tragungsvorrichtung geleitet, welche in Abhängigkeit von der Wellenlänge die optische Weglänge beeinflußt. Die Übertragungsvorrichtung besteht vorzugsweise aus chromatischen Spiegeln, von denen jeder eine andere Licht-Wellenlänge reflektiert und das übrige Licht durchläßt. Die Spiegel sind so beschaffen, daß es zu jeder der auswertbaren Wellenlängen einen Spiegel gibt, an dem Licht dieser Wellenlänge reflektiert wird. Die Transmissionseigenschaften der Spiegel sind so gewählt, daß Licht, das ein vorhergehender Spiegel durchgelassen hat, an irgendeinem der nachfolgenden Spiegel reflek­ tiert wird. Aus den Abständen der Spiegel und unter Berücksichtigung der Einfallswinkel des Lichts lassen sich die optischen Weglängen als Funktion der Wellen­ länge bestimmen.

Das Verfahren zur Charakterisierung der Geometrie eines Objekts durch wellenlängenabhängig unterschiedliche optische Weglängen kann in der Weise angewendet werden, daß Abbildungen aus unterschiedlichen Blickrichtungen miteinander kombiniert werden, um zahlreiche Informa­ tionen zur räumlichen Charakterisierung des Objekts gleichzeitig zu erhalten.

Ferner ist es möglich, das Objekt in zeitlichem Abstand mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu beleuchten, um Verformungen oder Bewegungen des Objekts zeitlich aufzulösen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie räumlicher Objekte,

Fig. 2 ein Beispiel für das mit der Vorrichtung er­ zeugte Teilbild I und

Fig. 3 ein Beispiel für das mit der Vorrichtung er­ zeugte Teilbild II.

Gemäß Fig. 1 befindet sich das Objekt 10 in einem defi­ nierten Objektbereich, der von einer (nicht dargestell­ ten) Lichtquelle beleuchtet ist. Das Objekt befindet sich im Bereich der Gegenstandsweite einer Abbildungs­ optik 11, bei der es sich beispielsweise um ein Mikro­ skop handelt.

Ein Teil der vom Objekt 10 kommenden Strahlung trifft auf eine optische Übertragungsvorrichtung 12, die aus einem Stapel hintereinander angeordneter chromatischer Spiegel 12a, 12b, 12c besteht. Der dem Objekt zugewandte vordere Spiegel 12a reflektiert ausschließlich rotes Licht R, läßt aber grünes und blaues Licht durch. Der zweite Spiegel 12b reflektiert ausschließlich grünes Licht G und läßt blaues Licht durch. Der rückwärtige Spiegel 12c reflektiert blaues Licht. Die Spiegel 12a, 12b, 12c sind beispielsweise auf Glasflächen aufge­ dampft. Da sie gegenseitige Abstände haben, sind die Weglängen der roten, grünen und blauen Strahlung vom Objekt 10 zur Abbildungsoptik 11 unterschiedlich. Das rote Licht hat den kürzesten Weg und das blaue Licht den längsten Weg. Demnach werden im Bereich des Objekts für die einzelnen Farben unterschiedliche Bildweiten erzeugt. Die Abbildungsoptik 11 hat eine extrem kleine Tiefenschärfe. In Fig. 1 sind die Gegenstandsebenen für die verschiedenen Farben des zu der Übertragungsvor­ richtung 12 gerichteten Lichts mit 13B, 13G und 13R bezeichnet. Lichtpunkte, die in der vorderen Gegen­ standsebene 13B liegen, werden von der Abbildungsoptik 11 auf der mit Abstand dahinter angeordneten fotoemp­ findlichen Fläche 14 blau abgebildet. Lichtpunkte, die in der zweiten Gegenstandsebene 13G liegen, werden auf der fotoempfindlichen Fläche 14 grün abgebildet und Lichtpunkte, die in der am weitesten von der Übertra­ gungsvorrichtung 12 entfernten Bildebene 13R liegen, werden auf der fotoempfindlichen Fläche 14 rot abgebildet.

Das vom Objekt 10 kommende Licht trifft schräg auf die Spiegel der Übertragungsvorrichtung 12 auf und wird schräg auf ein Ablenkelement 15 in Form eines Prismas reflektiert. Von diesem Ablenkelement 15 wird die Strahlung zur Abbildungsoptik 11 geleitet, hinter der sich die fotoempfindliche Fläche 14 befindet. Der Weg vom Objekt 10 zur Übertragungsvorrichtung 12 definiert die durch einen Pfeil gekennzeichnete Blickrichtung I.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine zweite Übertragungsvorrichtung 16 vorgesehen, die in gleicher Weise ausgebildet ist wie die Übertragungsvor­ richtung 12, jedoch die nach einer anderen Richtung vom Objekt 10 ausgesandte Strahlung zu der Ablenkvorrich­ tung 15 reflektiert. Diese Übertragungsvorrichtung 16 definiert die durch einen Pfeil bezeichnete Blickrich­ tung II, die vorzugsweise unter einem Winkel von 90° zur Blickrichtung I ausgerichtet ist. Das Objekt 10 wird daher über die Übertragungsvorrichtungen 12 und 16 aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen gesehen. Die Gegenstandsebenen, die sich für die Abbildungsoptik 11 über die Übertragungsvorrichtung 16 am Objekt 10 erge­ ben, sind in Fig. 1 mit 17R, 17G und 17B bezeichnet.

Die Ablenkvorrichtung 15 bildet die Gegenstands ebenen 17R, 17G und 17B gemeinsam auf einer zweiten fotoemp­ findlichen Fläche 18 ab, die seitlich neben der ersten fotoempfindlichen Fläche 14 angeordnet ist. Auf dieser Fläche 18 wird das Teilbild II erzeugt, das aus der Blickrichtung II aufgenommen wurde.

Es besteht die Möglichkeit, ein drittes Teilbild auf­ zunehmen, indem beispielsweise eine weitere Übertra­ gungsvorrichtung mit Abstand vor der Zeichnungsebene angeordnet wird, deren reflektierte Strahlung von der Ablenkvorrichtung 15, die dann ein pyramidenförmiges Prisma wäre, auf eine dritte fotoempfindliche Fläche geleitet wird.

Fig. 2 gibt das Teilbild I wieder, das von dem Objekt 10 aufgenommen wurde. Dabei sind diejenigen Bildstel­ len, die in den jeweiligen Bildebenen 13R, 13G und 13B liegen, Lichtflecken von entsprechenden Farben. In Fig. 1 sind die in den Bildebenen liegenden Bereiche des Objekts, die in den Teilbildern abgebildet werden, durch dicke Striche gekennzeichnet.

In gleicher Weise werden die in den Bildebenen 17R, 17G und 17B liegenden Bereiche des Objekts im Teilbild II wiedergegeben, das in Fig. 3 dargestellt ist.

Das Objekt 10 besteht bei dem vorliegenden Ausführungs­ beispiel aus mikrofeinen Partikeln, z. B. Staub, die zusammenhaften und deren gegenseitiges Verhalten unter­ sucht werden soll. Es besteht jedoch auch die Möglich­ keit, kompakte Körper mit dem System zu erfassen, aus­ zuwerten und ggf. zu registrieren. Die auf den fotoemp­ findlichen Flächen 14 und 18 erzeugten Teilbilder kön­ nen als Fotos aufgenommen und ausgewertet werden. Sol­ che Fotos werden anschließend durch farbselektive Bil­ der betrachtet, um die jeweils interessierende Farbkom­ ponente herauszufiltern. Es besteht auch die Möglich­ keit, als lichtempfindliche Fläche eine Videokamera zu verwenden und deren Signale in einem Computer zu ver­ arbeiten, um die Bilder durch Signalverarbeitung aus zu­ werten.

Die Erfindung eignet sich für die Untersuchung des Be­ wegungsverhaltens einzelner oder mehrerer Objekte im Raum sowie für die Untersuchung von Formen und Formän­ derungen von Objekten.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erfassung der Geometrie räumlicher Objekte, bei welchem das von einer Lichtquelle beleuchtete Objekt (10) durch eine Abbildungsoptik (11) aus mindestens einer Blickrich­ tung auf eine fotoempfindliche Fläche (14) abgebil­ det wird, wobei in dem objektseitigen Strahlengang die Lichtwege unterschiedlicher Licht-Wellenlängen voneinander verschieden sind und auf der fotoempfindlichen Flä­ che (14) Teile des Objekts (10), die in Blickrich­ tung hintereinander angeordnet sind, mit unter­ schiedlichen Farben abgebildet werden, und wobei die unterschiedlichen Längen der Lichtwege dadurch er­ zeugt werden, daß mehrere Spiegel (12a, 12b, 12c) von denen jeder eine andere und ausschließlich eine bestimmte Wellenlänge reflektiert und die übrigen Wellenlängen durchläßt, derart gegenseitig beabstandet hinter­ einander angeordnet werden, daß der vordere Spiegel die gesamte von Objekt (10) reflektierte optische Strahlung empfängt und die hinter dem vorderen Spiegel angeordneten Spiegel nur die von den jeweils vorderen Spiegeln durchgelassene optische Strahlen empfangen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (10) aus mehreren unterschiedlichen Richtungen zugleich auf verschiedenen fotoempfind­ lichen Flächen (14, 18) abgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Objekt (10) zeitlich nacheinander mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen beleuchtet wird, um Verformungen oder Bewegungen des Objekts (10) zu erfassen.

4. Vorrichtung zur Erfassung der Geometrie räumlicher Objekte, mit einer das Objekt (10) beleuchtenden Lichtquelle einer Abbildungsoptik (11), einer im objektseitigen Strahlengang der Abbildungsoptik (11) angeordneten wellenlängenselektiven Übertragungsvor­ richtung (12), die bewirkt, daß die Lichtwege unterschiedlicher Licht-Wellenlängen voneinander verschieden sind, und einer im Abstand der Bildweite hinter der Abbildungsoptik (11) angeordneten licht­ empfindlichen Fläche (14), wobei die Übertragungs­ vorrichtung (12a, 12b, 12c) mehrere Spiegel aufweist, von denen jeder eine andere und ausschließlich eine bestimmte Wellenlänge reflektiert und die übrigen Wellenlängen durchläßt, und die Spiegel derart gegenseitig beabstandet hintereinander angeordnet sind, daß der vordere Spiegel die gesamte vom Objekt (10) reflektierte optische Strahlung empfängt und die hinter dem vorderen Spiegel angeordneten Spiegel nur die von den jeweils vorderen Spiegeln durchgelassene optische Strahlung empfangen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Übertragungsvorrichtungen (12, 16) vor­ gesehen sind, die aus unterschiedlichen Blickrich­ tungen auf das Objekt (10) gerichtet sind und die vom Objekt (10) kommende optische Strahlung über mindestens ein Ablenkelement (15) derselben Abbildungsoptik (11) zuführen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (15) ein Prisma ist.