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    公开号:WO1980002591A1
    申请号:PCT/DE1980/000064
    申请日:1980-05-12
    公开日:1980-11-27
    发明作者:P Deisler
    申请人:P Deisler；
    IPC主号:G01C11-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Schaltungsanordnung zur berührungslosen Vermessung von Körpern
    [0002] Die Erfindung bezieht sich auf die herührungslose Yermessung von Körpern, wonach von einem Projektionszentrum Lichtstrahlen auf die Oberfläche des Körpers projiziert, entsprechende Lichtpunkte markiert und auf einer Bildfläche abgehildet werden und wonach Parameter ermittelt werden, welche die Lage der Lichtpunkte auf der Oberfläche des Körpers charakterisieren.
    [0003] Im DD-Buch von Otto Lacmann : Die Photogrammetrie in ihrer Anwendung auf nicht-topographisehen Gebieten, Leipzig 195o S. 86-88, 99-102 sind 7erfahren der Einbildphotogrammetrie und der Zweibildphotogrammetrie beschrieben. Danach lassen sich durch mehrfache, nacheinander erfolgende Anwendungen der Einbildphotograππnetrie auch Oberflächen von Körpern in zeitraubender Weise vermessen.
    [0004] Im Zuge der Zweibildphotogrammetrie wird der zu vermessende Körper von zwei verschiedenen Standpunkten aus mit Photokameras aufgenommen, so daß sich zwei geringfügig verschiedene Bilder ergeben. Diese Bilder werden punktweise mit Hilfe eines Stereokomparators ausgewertet. Im Blickfeld des Beobachters wird ein Meßpunkt derart verschoben, daß er auf der Oberfläche des auszumessenden Körpers zu liegen scheint. Die Koordinaten des Meßpunktes sind auch Oberflächenkoordinaten. Es lassen sich beliebig viele Oberflächenkoordinaten mit beträchtlichem Zeitaufwand ermitteln.
    [0005] Einweiteres bekanntes Verf ahren basiert auf dem Prinzip der Moire-Topographie. Danach wird das Licht einer Lichtσuelle durch ein Gitter auf die Oberfläche des auszumessenden Körpers projiziert, so daß der Körper streifenförmig beleuchtet wird. Dieser Körper wird aus einer von der Projektionsrichtung abweichenden Richtung aufgenommen. Das gewonnene Photo zeigt ein moireartiges Muster dessen Linien, den Schichtlinien einer Landkarte entsprechen und eine punktweise Koordinatenerfassung ermöglichen. Zur Koordinatenerfassung genügt ein einfaches x-y-KoordinatenMeßgerät. Im Gegensatz zur Stereophotogrammetrie erfordert die Auswertung der z-Koordinaten kein räumliches Sehen; trotzdem ist die punktweise Gewinnung der z-Koordinaten mühsam. Nachteilig ist außerdem, daß die z-Koordinaten in nicht linearer Weise den einzelnen Moire-Linien zugeordnet sind.
    [0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahen zur berührungslosen Vermessung von Körpern anzugeben,das einerseits weniger zeitraubend ist als vergleichbare bekannte Verfahren und das andererseits eine weitgehend automatisehe Gewinnung der Meßdaten ermöglicht.
    [0007] Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
    [0008] A. Mit Hilfe der Bildfläche - beispielsweise mit Hilfe einer Speicherschicht oder Fotoschicht einer Fernsehaufnahmeapparatur oder mit Hilfe einer Diodenmatrix einer Abtastapparatur - werden Bildpunktsignale erzeugt, welche die Lage der Bildpunkte auf der Bildfläche charakterisieren.
    [0009] B. Mit Hilfe einer Recheneinrichtung werden in Abhängig- keit von den Bildpunktsignalen automatisch die Parameter gewonnen, welche die Lage der Lichtpunkte auf der Oberfläche des Körpers charakterisieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weitgehend automatisierbar und ergibt schnell die Meßergebnisse in Form von Daten mit denen weitere Vorgänge gesteuert werden können.
    [0010] Falls vom Projektionszentrum aus gleichzeitig mehrere Lichtstrahlen auf die Oberfläche des Körpers projiziert werden und dort entsprechende Körperlinien bewirken, die auf der Bildfläche als Bildlinien abgebildet werden, dann ist es zweckmäßig, verschiedene Körperlinien durch verschiedene Strichpunktfolgen und/oder verschiedene Bezugszeidien und/oder verschiedene Wellenlängen zu charakterisieren, und die den Körperlinien zugeordneten Bildlinien automatisch auf Grund der Strichpunktfolgen und/oder Bezugszeichen und/oder Wellenlängen zu erfassen.
    [0011] Falls zu gegebenen Zeitpunkten vom Projektionszentrum aus nur je ein einziger Lichtstrahl auf die Oberfläche des Körpers projiziert wird, der praktisch gleichzeitig einen zugeordneten Lichtpunkt, einen zugeordneten Bildpunkt und zugeordnete Bildpunktsignale bewirkt, dann ist es zweckmäßig, daß zeitlich nacheinander auftretende Lichtpunkte, Bildpunkte und Bildpunktsignale durch die Gleichzeitigkeit ihres Auftretens identifiziert, einander zugeordnet und automatisch ausgewertet werden.
    [0012] Eine bevorzugte Schaltungsanordnung ist dadurch Charaktersisiert, daß eine Projektionseinrichtung vorgesehen ist mit einer Lichtquelle, deren Licht über zwei verstellbare Ablenkeinrichtungen auf den Körper gestrahlt wird, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die zeitlich nacheinander die Verstellung der Ablenkeinrichtungen bewirkt, daß eine Abtasteinrichtung vorgesäien ist, dieeinerseits die Lichtpunkte auf die Bildfläche und die andererseits Bildpunktsignale abgibt, welche die Lage der Bildpunkte auf der Bildfläche charakterisieren und daß eine Recheneinrichtung vorgesehen ist, der die Zeitpunkte des Auftretens der Lichtpunkte und die gleichzeitig ermittelten Bildpunktsignale signalisiert werden und daß unter Berücksichtigung der Lage des Projektionszentrums, des Bildzentrums Koordinaten gewonnen werden, welche die Lage der Lichtpunkte auf der Oberfläche des Körpers charakterisieren.
    [0013] Falls relativ genaue Meßergebnisse bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand erwünscht sind, ist es zweckmäßig, daß Parameter zur Definition einer Referenzbildlinie gespeichert werden, daß die Abweichungen der Bildpunkte von der Referenzbildlinie ermittelt werden und daß mit Hilfe dieser Abweichungen die Parameter ermittelt werden, welche die Oberfläche des Körpers charakterisieren. Dabei kann die Referenzbildlinie auf experimentelle Weise dadurch gewonnen werden, daß anstelle des Körpers ein Referenzkörper angeordnet wird, daß die Lichtstrahlen auf die Oberfläche des Referenzkörpers projiziert werden und den Lichtstrahlen Referenzlichtpunkte zugeordnet werden und daß die Referenzlichtpunkte auf die Bildfläche abgebildet werden und die Parameter zur Definition der Referenzbildlinie gewonnen werden.
    [0014] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fig. 1 - 9 beschrieben, wobei in mehreren Fig. dargestellte gleiche Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
    [0015] Fig. 1 ein Verfahren zur berührungslosen Vermessung von Körpern in schematischer Darstellung,
    [0016] Fig. 2 die gleichzeitige Identifizierung mehrerer zugeordneter Linien auf der Oberfläche des Körpers und im entsprechenden Bild,
    [0017] Fig. 3 die Identifizierung der Linien mit Strahlen verschiedener Wellenlänge,
    [0018] Fig. 4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Durchführung der Erfindung in schematischer Darstellung, Fig. 5 einige Signale, die beim Betrieb der in Fig. 4 dargestellten Schaltanordnung auftreten, Fig. 6 eine Detaildarstellung der in Fig. 5 dargestellten Signale und Fig. 7 eine Diodenmatrix, Fig. 8 einen Codewandler,
    [0019] Fig. 9 ein Verfahren zur berührungslosen Vermessung vonKörpern unter Verwendung eines speziellen Referenzkörpers.
    [0020] Fig. 1 zeigt den Körper K dessen Oberfläche vermessen werden soll. Vom Projektionszentrum PZ aus werden die Lichtstrahlen L1, L2, L3 auf den Körper K projiziert, auf dessen Oberfläche sich die Lichtpunkte P1, P2, P3 ergeben. Zwecks einfacherer Darstellung wird das vorliegende Verfahren nur anhand dieser 3 Lichtpunkte P1 , P2, P3 beschrieben, wogegen bei der praktischen I)urchführung eine wesentlich größere Anzahl derartiger Lichtpunkte erzeugt werden kann,, so daß die Körperlinie KL mit praktisch beliebiger Genauigkeit angenähert wird.
    [0021] Die Lichtpunkte P1, P2, P3 werden mit Hilfe hier nicht dargestellter optischer Einrichtungen auf die Bildfläche BF abgebildet, so daß den einzelnen Lichtpunkten P1, P2, P3 die entsprechenden Bildpunkte p1, p2, p3 zugeordnet werden. Die Körperlinie KL wird als Bildlinie BL abgebildet. Diese Abbildung erfolgt als Zentralprojektion mit dem Bildzentrum BZ.
    [0022] Es wird angenommen, daß die Lage des Projektionszentrums PZ einerseits und die Richtungen der Lichtstrahlen L1, L2, L3 andererseits unter Bezugnahme auf ein festes Koordinatensystem KO angebbar sind. Es können also die Koordinaten einzelner Punkte der Lichtstrahlen im Bezug auf die Koordinatenachsen K1 , K2, K3 gegeben sein. Die von den Lichtpunkten P1, P2, P3 zum Bildzentrum BZ gerichte ten Strahlen können ebenfalls in Bezug auf das vorgegebene Koordinatensystem KO beschrieben werden. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Lage der durch das Projektionszentrum gehenden Lichtstrahlen und unter Berücksichtigung der scheinbar durch das Bildzentrum BZ gehenden Strahlen, werden Parameter ermittelt, welche die Lage der Lichtpunkte P1, P2, P3 auf der Oberfläche des Körpers K charakterisieren. Insbesondere ist daran gedacht, die Koordinaten der Lichtpunkte P1, P2, P3 in Bezug auf das vorgegebene Koordinatensystem KO zu ermitteln.
    [0023] Die Lichtstrahlen L1, L2, L3 können entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinander erzeugt werden. Wenn beispielsweise die Lichtstrahlen mit Hilfe einer Projektionslampe erzeugt und mit Hilfe der Projektionsfläche PF ausgerichtet werden, dann ergeben sich die Lichtstrahlen L1, L2, L3 gleichzeitig. Als Projektionsfläche PF kann ein Diabild vorgesehen sein und es kann gleichzeitig die Projektionslinie PL auf den Körper K projiziert werden, wo sich daraus die Körperlinie KL ergibt. Die Projektionslampe, das Diabild und nicht dargestellte optische Mittel sind dann Bestandteile eines Diaprojektors. Die Lichtstrahlen L1, L2, L3 im sichtbaren oder unsichtbaren Bereich können unter Verv/endung von Spiegeln oder auf elektromagnetische Weise abgelenkt werden.
    [0024] Als Körper K deren Oberfläche ermittelt werden soll, sind im medizinischen Bereich die Teile von Patienten zu nennen, deren Oberfläche - beispielsweise zur Herstellung von Prothesen - ermittelt werden soll. Auch auf industriellem Gebiet - beispielsweise im Formenbau - kann es erforderlich sein, die Oberfläche eines Körpers zu bestimmen. Bei Verwendung intensiver Lichtquellen - z. B. Laser - könnte auch eine Landschaft vermessen werden. Die Bildfläche BF kann die lichtempfindliche Schicht eines Photoapparates sein, auf der mit Hilfe eines nicht dargestellten Objektives die zum Bildzentrum BZ gerichteten Strahlen abgebildet werden. So wäre es grundsätzlich denkbar, die Koordinaten ki, kj, des Bildpunktes p3 und die Koordinaten der übrigen Bildpunkte zu bestimmen und aufgrund der Lage der Lichtstrahlen L1, L2, L3 und der Strahlen durch, das Bildzentrum BZ die Koordinaten der Lichtpunkte P1, P2, P3 zu berechnen. Derartige Berechnungsmethoden wären aus den Grundlagen der Stereophotogrammetrie her bekannt, obwohl die durch das ProjektionsZentrum PZ verlaufenden Lichtstrahlen bei der Stereophotogrammetrie genau in umgekehrter Richtung verlaufen. Es wäre auch denkbar, die Bildlinie BL weitgehend automatisch auszuwerten, weil es Abtasteinrichtungen gibt, deren Meßspitze automatisch entlang der Bildlinie BL bewegt wird, wobei dauernd die jeweils zugeordneten Koordinaten ki, kj abgegeben werden. Diese Koordinaten könnten einer Recheneinrichtung eingegeben werden, die mit Hilfe weiterer Parameter betreffend die Lichtstrahlen L1, L2, L3 ferner betreffend die Bildfläche BF und das Bildzentrum BZ die Koordinaten der Lichtpunkte P1, P2, P3 berechnet.
    [0025] Als Bildfläche BF kann auch die Speicherschicht oder die Photoschicht einer Fernsehaufnahmeapparatur- ange.sehen werden. Die Koordinaten der Bildpunkte p1, p2, p3 können indiesem Fall entweder durch Auswertung des Fernsehbildes oder durch Auswertung des Videosignals gewonnen werden. Beispielsweise können mit Hilfe von Zähleinrichtungen jene Zeiten ermittelt werden, die der abtastende Elektronenstrahl, bei zeilenweiser Abtastung ab dem horizontalen bzw. vertikalen Bildrand bis zu einem Bildpunkt p benötigt.
    [0026] Je größer die Anzahl der Lichtpunkte und der entsprechenden Bildpunkte ist, desto genauer können die Koordinaten der Lichtpunkte und damit der Punkte auf der Oberfläche des Körpers K berechnet werden. Es kann auch zweckmäßig sein, mehrere Eichpunkte E1 vorzusehen, deren Lage im Bezug auf das Koordinatensystem KO genau vermessen ist.Der Eichpunkt E1 wird im Bildpunkt e1 abgebildet. Dessen Koordinaten können gemessen und zu Korrekturen herangezogen werden.
    [0027] Fig. 2 zeigt die gleichzeitige Projektion mehrerer Projektionslinien PL auf die Oberfläche des Körpers K. Um einander zugeordnete Proj ektionslinien PL, Kδrperlinien KL und Bildlinien BL identifizieren zu können, gibt es. mehrere Möglichkeiten. So können die einander zugeordneten Linien mit gleichen Bezügszeichen 1, 2, 3 bezeichnet werden; diese Bezugszeichen werden dann - ausgehend von der Projektionsfläche PF zunächst auf den Körper K projiziert und anschließend auf die Bildfläche BF abgebildet. Die Identifizierung der Linien kann aber auch durch Strichpunktfolgen, die eine Art Codierung darstellen vorgenommen werden. So ergibt beispielsweise die punktierte Projektionslinie 1, die ebenfalls. punktierte Körperlinie 1 und die punktierte Bildlinie 1. Auf diese Weise können Kurvenscharen, insbesondere parallele Kurvenscharen und dazu senkrechte Kurvenscharen durch entsprechende Strichpunktfolgen auseinander gehalten werden. Die Identifizierung der einzelnen Linien kann auch durch verschiedene Farben und verschiedene Wellenlängen ermöglicht werden. Bei der automatischen Auswertung der in Fig. 2 dargestellten Bildlinien 1, 2, 3 ist daran gedacht, daß der Abtastkopf einer automatischen Abtasteinrichtung aufgrund der Struktur der betreffenden Bildlinie außer den Koordinaten dieser Bildlinie auch eine Kennzahl abgibt, welche die betreffende Bildlinie charakterisiert. Mit Hilfe derartiger Kennzahlen können die Daten zugehöriger Projektionslinien PL, Körperlinien KL und Bildlinien BL identifiziert und bei den Berechnungen automatisch berücksichtigt werden.
    [0028] Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Identifizierung einander zugeordneter Lichtstrahlen, Körperlinien und Bildlinien. Die Projektionslinien PL1, PL2, PL3 der Projektionsfläche PF1 und die Projektionslinie PL' auf der Projektionsfläche PF2 werden gleichzeitig projiziert und die projizierten Bilder werden mit Hilfe der Spiegel SP zu einen einzigen Bild vereinigt, das auf den Körper K die Körperlinien KL1 KL2, KL3 ergibt. Dabei entsteht die Körperlinie KL2 durch Überlagerung der Projektionslinien PL2 und PL2'. Es wird angenommen, daß die Projektionsflächen PF1 und PF2 mit Licht verschiedener Wellenlänge angestrahlt werden. Bei der Abbildung der Körperlinien KL1, KL2, KL3 werden mit Hilfe der Spiegel SP und mit Hilfe der beiden Filter F1, F2 die Strahlengänge getrennt, so daß die Abbildungen auf den Bildflächen BF1 und BF2 entstehen. Die Bildlinien BL1 und BL3 werden ähnlich wie gemäß Fig. 1 abgebildet. Im Gegensatz dazu wird die Bildlinie BL2 im Gegensatz zu den Bildlinien BL1 und BL3 dadurch charakterisiert, daß auf der Bildfläche BF2 die zusätzliche Bildlinie BL2' abgebildet wird.
    [0029] Fig. 4 zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine Schaltungsanordnung bei der zeitlich nacheinaner verschieden gerichtete Lichtstrahlen auf die Oberfläche des Körpers K projiziert werden und wobei einander entsprechende Lichtstrahlen, Lichtpunkte und Bildpunkte durch die Gleichzeitigkeit ihres Auftretens identifiziert werden. Fig. 4 zeigt den Körper K dessen Oberfläche vermessen werden soll, ferner die Projektionseinrichtung PE, die zeitlich nacheinander Lichtstrahlen projiziert, ferner die Steuereinrichtung STE, welche die Projektionseinrichtung PE und die Recheneinrichtung RE steuert und schließlich die Abtasteinrichtung AE mit Hilfe der die Koordinaten der Bildpunkte gewonnen werden.
    [0030] Die Projektionseinrichtung PE besteht im Prinzip aus der Blitzlampe BL, aus den beiden Spiegeln SP1, SP2, aus den beiden Schrittmotoren SM1, SM2 und aus weiteren nicht dargestellten optischen Mitteln, die den Lichtstrahl L in Richtung zum Körper K ablenken. Die Schrittmotore SM1, SM2 sind mit ihren Wellen mit den Drehspiegeln verbunden. Wenn die Schrittmotore einen Schrittimpuls empfangen, verdreht sich die Welle der Schrittmotore um einen vorgegebenen Drehwinkel und in weiterer Folge wird auch der betreffende Spiegel verdreht. Es ist zweckmäßig, die Wellen der Schrittmotore über Getriebe mit den Spiegeln zu verbinden; die einzelnen Schrittimpulse bewirken nur eine kleine Verdrehung der Spiegel, so daß eine präzise Positionierung der Spiegel erzielt wird.
    [0031] Die Steuereinrichtung STE besteht aus der Einschalteinrichtung EE, aus dem Taktgeber TG, aus dem Horizontalzähler ZH, aus dem Vertikalzähler ZV, aus dem Zykluszähler ZZ, aus den UND-Gliedern G1, G2, G3 nnd aus der Differentierstufe DIFF.
    [0032] Fig. 5 zeigt einige Signale, die beim Betrieb der in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung auftreten. Die Einschalteinrichtung EE erzeugt zur Zeit t=1 einen Impuls. Dieser Impuls kann entweder durch manuelle Betätigung der Einschalteinrichtung ausgelöst werden oder durch ein internes oder externes Signal. Dieser Einschaltimpuls ist in Fig. 5 mit den gleichen Bezugszeichen EE bezeichnet, wie die in Fig. 4 dargestellte Einschalteinrichtung. Mit diesem Einschaltimpuls EE wird der Taktgeber TG eingeschaltet, in den Zählern ZH, ZV, ZZ wird jeweils ein Anfangszählerstand eingestellt und die Schrittmotore SM1, SM2 und die entsprechenden Spiegel SP1, SP2 werden in definierte Anfangsstellungen gebracht.
    [0033] Die Impulse T des Taktgebers TG werden als Zählimpulse dem Horizontalzähler ZH zugeführt; nach jedem vierten Impuls gibt dieser Zähler ZH einen Impuls des Signals T4 ab. Der Zähler ZV erhält die Impulse des Signals T4 als Zählimpulse und gibt nach jedem sechsten Impuls einen Impuls des Signals T24 ab. Der Zykluszähler ZZ erhält die Impulse des Signals T24 als Zählimpulse und geht nach Empfang des zweiten Impulses von seinem O-Zustand seinem 1-Zustand über.
    [0034] Hinsichtlich der Wirkungsweise der Steuereinrichtung STE wurde bereits bemerkt, daß zum Zeitpunkt t=1 der Einschaltimpuls EE auftritt, der dem Taktgeber TG startet, daß ab diesem Zeitpunkt die Taktimpulse T abgegeben werden. Nach jeweils vier Impulsen T entsteht ein Impuls des Signals T4. Der erste dieser Impulse entsteht zur Zeit t=2. Der sechste Impuls des Signals T4 zur Zeit t=3 bewirkt einen Impuls des Signals T24. Zu den Zeitpunkten t=4 und t=40 werden weitere Impulse des Signals T24 erzeugt. Zur Zeit t=4 entsteht die Vorderflanke des Signals T144 mit der der Beginn des eigentlichen Verfahrens festgelegt wird. Mit Hilfe des Gliedes G1 werden immer dann die in Fig. 5 mit dem gleichen Bezugszeichen G1 bezeichneten Impulse abgegeben, wenn gleichzeitig während der Dauer des Signals T144 ein Impuls T auftritt. Mit den Impulsen des Signals G1 «wird einerseits je ein Blitz der Blitzlampa BL ausgelöst, der über die Spiegel SP2 und SP1 abgelenkt und als Lichtstrahl L den Körper K trifft. Andererseits werden aber die Impulse des Signals G1 auch dem Schrittmotor SM1 zugeführt, der damit um je einen Schritt verstellt wird. Die daraus resultierende Verdrehung des Spiegels SP1 hat zur Folge, daß die zeitlich nacheinander abgegebenen Blitze der Blitzlampte BL in verschiedene Richtungen abgestrahlt werden. Der Lichtstrahl L wird damit zeitlich nacheinander auf die Punkte P11, P21, P31 und P41 gerichtet. Diese Winkeländerungen werden im wesentlichen mit Hilfe des Horizontalzählers ZH und mit Hilfe des Spiegels bewirkt,
    [0035] Das Glied G2 gibt nur dann einen Impuls ab, wenn während der Dauer des Signals T144 ein Impuls des Signals T4 auftritt. Der erste derartige Impuls erscheint zur Zeit t=5. Mit diesem Impuls wird einerseits der Spiegel SP1 in seine Ausgangslage zurückgesetzt; andererseits wird mit dem Impuls zur Zeit t=5 die Welle des Schrittmotors SM2 verdreht, so daß auch der Spiegel SP2 eine andere Stellung einnimmt. Der Lichtstrahl L ist nunmehr auf den Lichtpunkt P12 gerichtet. Die nächsten Impulse des Signals T bewirken wieder eine Verdrehung des Spiegels SP1, so daß zeitlich nacheinander die Lichtpunkte P12, P22, P32, P42 entstehen. Bei praktisch realisierten Schaltungsanordnungen werden im allgemeinen sehr viele dicht nebeneinander liegende Lichtpunkte sowohl in Richtung der Körperlinien KL1, KL2 als auch in dazu. senkrechter Richtung erzeugt werden. Ab der Zeit t=4 bis zur Zeit t=40 werden bei vorliegendem Ausführungsbeispiel mit Hilfe der Impulse des Signals G2 insgesamt Lichtpunkte auf sechs Körperlinien erzeugt, von denen in Fig. 4 nur die beiden Körperlinien KL1 und KL2 eingezeichnet sind. Der Sprung von einer Körperlinie zur anderen wird im wesentlichen durch den Vertikalzähler ZV in Kombination mit Spiegel SP2 bewirkt. Mit Hilfe der Differenzierstufe DIFF wird zur Zeit t=40 ein Impuls abgeleitet, der .einerseits den Taktgeber TG abschaltet und andererseits den Zykluszähler ZZ in seinen infangszustand zurücksetzt. Damit wird zur Zeit t=40 die Projektion der Lichtstrahlen L beendet.
    [0036] Fig. 6 zeigt ausführlicher Details der Fig. 5 ab der Zeit t=4.Mit den ersten vier Impulsen des Signals G1 werden der Reihe nach die Lichtpunkte P11, P21, P31, P41 erzeugt. Dann erscheint zur Zeit t=5 ein Impuls des Signals G2, das den Spiegel SP1 in seine Ausgangslage zurücksetzt und den Spiegel SP2 um eine Einheit verdreht. Die darauf folgenden Blitze der Blitzlampe BL werden daher zu den Lichtpunkten P12, P22, P32, und P42 abgelenkt. Zur Zeit t=6 wird der Spiegel SP1 erneut in seine Ausgangsstellung zurückgesetzt und der Spiegel SP2 wird um eine Einheit weitergedreht.
    [0037] Die Abtasteinrichtung AE besteht im wesentlichen aus einem nicht dargestellten optischen System, aus der Diodenmatrix DM und aus dem Koordinatengeber KG. Mit Hilfe des optischen Systems werden die einzelnen Lichtpunkte beispielsweise der Lichtpunkt P11 - auf der Diodenmatrix DM abgebildet. Diese Diodenmatrix DM erhält eine Viel— zahl von matrizenartig angeordneten Photodioden mit zugeordneten Schaltungseinrichtungen. Zwecks einfacherer Darstellung sind nur die Photodioden D11, D12, D13, D21, D22, D23, D31, D32, D33 dargestellt. Diesen Photodioden sind je BildpunktSignale zugeordnet, welche die Lage der betreffenden Photodiode im Bereich der Matrix genau signalisieren. Wird einer der Lichtpunkte auf eine dieser Photodioden abgebildet, dann wird die. betreffende Photodiode aktiviert und es werden die zugeordneten Bildpunktsignalean den Koordinatengeber KG abgegeben. Die Bildpunktsignale der Dioden können in digitaler oder in analoger Form vorliegen. Der Koordinatengeber KG erzeugt daraus Binärworte, welche die Koordinaten kikj signalisieren. Die Diodenmatrix DM mit der Vielzahl der Photodioden, mit zugehörigen Schaltungseinrichtungen und der Koordinatengeber KG werden am besten in integrierter Bauweise erstellt. Die Recheneinrichtung RE erhält Festwertspeicher in der die Koordinaten all jener Punkte gespeichert sind, die bei der Berechnung der Lichtpunktkoordinaten benötigt werden. Zusätzlich erhält die Recheneinrichtung von der Abtasteinrichtung AE die sich von Fall zu Fall ändernden Bildpunktkoordinaten kikj. Die Identifizierung der einander zugeordneten Lichtstrahlen, Lichtpunkte und Bildpunkte wird durch festgelegten zeitlichen Ablauf der Lichtstrahl-Projektion erreicht. Die Recheneinrichtung erhält dazu einige der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Signale und ist damit in der Lage die jeweils empfangenen Koordinaten kikj den entsprechenden Lichtpunkten zuzuordnen. Als Ergebnis der Berechnungen gibt die Recheneinrichtung die Koordinaten der Oberfläche des Körpers K ab.
    [0038] Es wäre grundsätzlich' denkbar, daß die Oberfläche des Körpers K mit Hilfe anderer Parameter dargestellt wird. Es wird als an sich bekannt angesehen, die Parameter, welche die Lage der Lichtpunkte P11, P21 .... charakterisieren in andere Parameter umzurechnen. So kann die Oberfläche des Körpers K wie an sich bekannt in analytischer Weise dargestellt werden, oder- durch Angabe der Koordinaten vieler Oberflächenpunkte, durch Querschnittsdarstellunen und es können Volumenberechnungen vorgenommen werden.
    [0039] Bei der in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung wird angenommen, daß die Lage der Spiegel SP1 und SP2 jeweils mit Sicherheit derart genau einstellbar ist, daß eine Kontrolle und Rückmeldung dieser Spiegelpositionen nicht erforderlich ist. Es wäre grundsätzlich denkbar, daß eine Kontrolle der jeweiligen LichtStrahlrichtungen erwünscht ist. In diesem Fall könnte der Lichtstrahl L einerseits wie dargestellt zum Körper K und andererseits unter Verwendung eines teildurchlässigen Spiegels auf eine Abtasteinrichtung abgebildet werden, die ähnlich wie die in Fig. 4 dargestellte Abtasteinrichtung AE aufgebaut ist. Mit einer derartigen Abtasteinrichtung im Bereich der Projekttionseinrichtung PE könnten Kontrollkoordinaten erzeugt werden, die die gewünschte Einstellung der SpiegelStellungen garantieren und die bei nicht gewünschten Spiegeleinstellungen die Blitze der Blitzlampe BL verhindern.
    [0040] Fig. 7 zeigt die Abtasteinrichtung AE/1 als Ausführungsbeispiel der in Fig. 4 schematisch dargestellten Abtasteinrichtung AE. Zwecks einfacherer Darstellung sind in horizontaler Richtung nur insgesamt acht Leitungen A0, A2... A6, A7 und in vertikaler Richtung nur die vier Leitungen B0, B1 , B2, B3 dargestellt. Ungefähr im Kreuzungspunkt dieser Koordinatenleitungen sind die SchaltungsanOrdnungen D00, D01 ... D73 angeordnet mit. Photodioden, die bei Belichtung die zugeordneten Koordinatenleitungen mit einem Schaltungspunkt festen Potentials verbinden. Es wird angenommen, daß im unbelichteten Zustand an allen Koordinatenleitungen A0 - A7 und B0 - B3 Spannungen anliegen, die 0 - Signalen entsprechen. Wenn beispielsweise die Photodiode im Bereich der Schaltungsanordnung D12 belichtet wird, dann signalisieren die Koordinatenleitungen A1 und B nunmehr 1-Signale. Der Codewandler CWA1 erhält in diesem Fall das Codewort 01000000. Der Codewand1er CWB1 erhält unter diesen Voraussetzungen das Wort 00100000.
    [0041] Bei der Abbildung der einzelnen Lichtpunkte des Körpers,, soll mindestens eine Photodiode der Schaltungsanordnungen D00 - D73 aktiviert werden, um die Bildpunktkoordinaten erzeugen zu können. Es ist zweckmäßig, die Durchmesser des abbildenden Lichtstrahls einerseits und die Abstände der Koordinatenleitungen andererseits derart zu bemessen, daß in vielen Fällen mehrere Photodioden gleichzeitig aktiviert werden, weil dann sicher gestellt ist, daß in allen Fällen mindestens eine Photodiode aktiviert wird. Wenn beispielsweise die drei Koordinatenleitungen A0, A1, A2 mit 1-Signalen beaufschlagt werden, dann wird das Wort 11100000 dem Codewandler CWA1 zugeführt. Dieser Codewandler CWA1 hat die Aufgabe dieses Wort in das Wort 01000000 umzuwandeln. Die Codewandler CWA1 und CWB1 erhalten also möglicherweise Worte mit mehreren 1-Binärwerten und geben Worte ab, die in einem 1 aus n-Code codiert sind. Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel geben die Codewandler CWA1 und CWB1 Worte ab, die in einem 1 aus 8 bzw. in einem 1 aus 4 Code codiert sind. Mit Hilfe der Codewandler CWA2 und CWB erfolgt eine Umwandlung in einen Dualeode. Der Codewandler CWA2 erhält bei diesem Beispiel Codeworte in einem 1 aus 8 Code und gibt dreistellige Codeworte ab, die im Dualcode mit den Gewichten 4, 2, 1 codiert sind.
    [0042] Fig. 8 zeigt ausführlicher den Codewandler CWA1. Er besteht aus mehreren Serien von UND-Gliedern U1, U2, U3, U4, U5, U6, ferner aus einer Serie von ODER-Gliedern 0R und aus den NOR-Gliedern N1, N2, N3. Dem Codewandler werden über die Koordinatenleitungen A0 - A8 Worte zu je 8 Bits zugeführt. Es wird angenommen, daß die meisten Bits dieser Worte aus O-Werten bestehen und daß durch einige 1-Werte ein Bildpunkt signalisiert werden soll. Bei vorliegendem Beispiel wurde angenommen, daß eingangs das Wort 00011100 zugeführt wird. Der Codewandler hat die Aufgabe, die 1-Werte derart zu reduzieren, daß nur ein einziger 1-Wert über den Ausgang des Codewandlers außer den übrigen O-Werten abgegeben wird. Falls eingangs eine ungerade Anzahl von 1-Werten vorliegt, wird angestrebt, über den Ausgang den mittleren 1-Wert abzugeben, um die Koordinaten des Bildpunktes möglichst genau zu ermitteln.
    [0043] Unter der Annahme des eingangs zugeführten Wortes 00011100 wird über die Ausgänge der Serie U1 das Wort 0001100 abgegeben. Über die Ausgänge der Serie U2 wird das Wort 000100 abgegeben und über die Ausgänge der Serie U2 wird das Wort 00000 abgegeben. An den Eingängen des NOR-Gliedes N3 liegen ausschließlich O-Signale, so daß über den Ausgang des Gliedes N3 ein 1-Signal abgegeben wird, mit dem die Glieder der Serie U6 gesteuert werden. Diese Glieder der Serie U6 sind mit einem Eingang an die Ausgänge der Serie U2 angeschlossen. Von den Gliedern der Serie U6 gibt daher nur jenes UND-Glied ein 1-Signal ab, welches das einzige 1-Signal der Serie U2 erhält. Über die Ausgänge des Codewandlersuαd über die Ausgänge der Serie OR wird das Wort 00001000 abgegeben, das in gewünschter Weise mit seinem 1-Wert die Koordinatenleitung A3 signalisiert. Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel können die Glieder der Serie U4 bzw. U5 keine Binärwerte zu den AusgangsSignalen liefern, weil über die Ausgänge der Glieder N1 bzw. N2 jeweils O-Signale abgegeben und alle Glieder der Serie U4 bzw. U5 gesperrt sind.
    [0044] Es wird angenommen, daß über die Koordinatenleitungen A0 - A7 eingangs das Wort 00001000 abgegeben wird. Das einzige 1-Signal liegt somit auf der Leitung A3. Unter dieser. Voraussetzung geben bereits alle Glieder der Serie U1 jeweils O-Signale ab, so daß auch Über das Glied N1 ein 1-Signal abgegeben wird. Unter dieser Voraussetzung können einzelne Glieder der Serie U4 jeweils 1-Signale abgeben. Da nur die Koordinatenleitung A3 ein 1-Signal führt, wird nur. das zugeordnete UND-Glied der Serie U4 aktiviert und dessen 1-Signal wird über das zugeordnete ODER-Glied der Serie OR abgegeben. Wenn also eingangs bereits ein Wort 00001000 mit einem einzigen 1-Wert zugeführt wird, dann wird dieser 1-Wert auch über den Ausgang des Codewandlers weitergegeben. Der in Fig. 7 dargestellte Codewandler CWB1 ist ähnlich dem ausführlicher beschriebenen Codewandler CWA1 aufgebaut. Der Codewandler CWA2 und CWB2 sind an sich bekannt, so daß sich eine genauere Beschreibung erübrigt. Zur genauen Erfassung der Bildpunktkoordinaten ki bzw. ist es zweckmäßig eine große Anzahl von Koordinatenleit gen und entsprechenden Schaltungsanordnungen D00 - D73 vorzusehen. Es empfiehlt sich, die Schaltungsanordnunge D00 - D73 und die Codewandler in integrierter Bauweise zu erstellen. Die Schaltungsanordnungen D00 - D73 sind mit mindestens einer Photodiode bestückt, die durch die einfallenden Lichtstrahlen aktiviert werden. Es wird angenommen, daß die Photodioden mit integrierten Schaltungsanordnungen verbunden sind, die an die Koordinatenleitungen A0 - A7 und B0 - B3 eine Spannung anschließen, die einen 1-Wert signalisiert.
    [0045] Gemäß Fig. 9 wird anstelle des Körpers dessen Oberfläche vermessen werden soll, der Referenzkörper RK angeordnet. Mit Hilfe der Lichtstrahlen L1, L2 werden ähnlich wie im Fall der Fig. 1 die Referenzlichtpunkte RP1 und RP2 auf der Oberfläche des Referenzkörpers RK erzeugt. Die Bilder dieser Referenzlichtpunkte RP1 und RP2 ergeben die Referenzbildpunkte rp1, rp2. Die Referenzkörperlinie RKL wird somit auf die Bildfläche BF abgebildet und ergibt die Referenzbildlinie RBL. Parameter, welche diese Referenzbildlinie RBL charakterisieren, können in der Fig.4 dargestellten Recheneinrichtung RE gespeichert werden. Zur Vermessung der Oberfläche eines Körpers wird anstelle des in Fig.9 dargestellten Referenzkörpers RK der zu vermessende Körper K angeordnet. In diesem Zusammenhang wird angenommen, daß der Lichtpunkt P1 ein Punkt auf der Oberfläche des Körpers K ist. Der entsprechende Bildpunkt p1 wird auf die Bildfläche BF abgebildet. Bei diesem anhan der Fig.9 beschriebenen Verfahren wird die Abweichung A des Bildpunktes p1 von der Referenzbildlinie RBL ermittelt und daraus kann die Abweichung des Lichtpunktes P1 von einem entsprechenden Punkt der Referenzkörperlinie berechnet werden. Dieses Verfahren ist speziell dann vorteilhaft, falls es in erster Linie auf die Abweichungen von einem Referenzkörper ankommt und nicht so sehr auf Bezugsgrößen der Oberflächenpunkte in Bezug auf das fest vorgegebene Koordinatensystem K0. Der Referenzkörper RK kann fallweise völlig verschieden ausgebildet sein. Beispielsweise wäre es denkbar, geometrisch einfach darstellbare Körper, wie beispielsweise Quader, Zylinder, Kugel als Referenzkörper zu verwenden. Andererseits kann es aber vorteilhaft sein, beliebig ausgebildete Musterstlfeke als Referenzkörper zu verwenden und mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens die Abweichungen eines gegebenen Körpers vom Musterstück zu ermitteln.
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Verfahren zur berührungslosen Vermessung von Körpern, wonach von einem Projektionszentrum Lichtstrahlen auf die Oberfläche des Körpers projiziert, entsprechende Lichtpunkte markiert und auf einer.Bildfläche abgebildet werden und wonach Parameter ermittelt werden, welche die Lage der Lihtpunkte auf der Oberfläche des Körpers charakterisieren, g e k e n n z e i c hn e t dur c h die folgaaden Verfahrensschritte: A. Mit Hilfe der Bildfläche (BF) - beispielsweise mit Hil fe einer Speicherschicht oder Fotoschicht einer Fernsehaufnahmeapparatur oder mit Hilfe einer Diodenmatrix (DM) einer Abtastapparatur (AE) - werden Bildpunktsignale erzeugt, welche die Lage der Bildpunkte auf der Bildfläche (BF) charakterisieren. B. Mit Hilfe einer Recheneinrichtung werden in Abhängigkeit von den Bildpunktsignalen automatisch die Parameter gewonnen, welche die Lage der Lichtpunkte (P1, P2,P3) auf der Oberfläche des Körpers (K) charakterisieren.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, wonach vom Projektionszentrum ais gleichzeitig mehrere Lichtstrahlen auf die Oberfläche des Körpers projiziert werden und dort entsprechende Körperlinien bewirken, die auf der Bildfläche als Bild linien abgebildet werden, da dur c h g e k e n n z e i c hn e t , daß verschiedene Körperlinien (KL) durch verschiedene Strichpunktfolgen und/oder verschiedene Bezugszeichen und/oder verschiedene Wellenlängen charakterisiert werden, und daß die den Kgrperlinien (KL) zugeordneten Bildlinien (BL) automatisch auf Grund der gleichen Strichpunktfolgen und/ oder der gleichen Bezugszeichen und/oder der gleichen Wellenlängen erfaßt und die entsprechenden Bildpunktsignale ermittelt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z ei c h n e t , daß zu gegebenen Zeitpunkten vom Projektionszentrum (PZ) aus nur je ein einziger Lichtstrahl (L1,L2,L3) auf die Oberfläche des Körpers (K) projiziert wird , der praktisch gleichzeitig einen, zugeordneten Lichtpunkt, einen zugeordneten Bildpunkt und zugeordnete Bildpunktsignale bewirkt, und daß zeitlich nacheinander auftretende Lichtpunkte, Bildpunkte und Bildpunktsignale durch die Gleichzeitigkeit ihres Auftretens identifiziert, einander zugeordnet und automatisch ausgewertet werden (Fig. 4 bis 8).
    4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, d a dur c h g e k e nn z e i c hn e t , daß eine Projektionseinrichtung (PE) vorgesehen ist, mit einer Lichtquelle (BL) deren Licht über zwei verstellbare Ablenkeinrichtungen auf den Körper (K) gestrahlt wird, daß eine Steuereinrichtung (STE) vorgesehen- ist, die zeitlich nacheinander die Verstellung der Ablenkeinrichtungen bewirkt, daß eine Abtasteinrichtung (AE) vorgesehen ist, die einerseits die Lichtpunkte (P11,P21) auf. die Bildfläehe (BF) abbildet und die andererseits Bildpunktschale abgibt, welche die Lage der Bildpunkte auf der Bildfläche charakterisieren und daß eine Recheneinrichtung (RE) vorgesehen ist, der die Zeitpunkte des Auftretens der Lichtpunkte und die gleichzeitig ermittelten Bildpunktsignale signalisiert wβ-den und.daß unter Berücksichtigung der Lage des Projektionszentrums Koordinaten (K) gewonnen werden, welche die Lage der Lichtpunkte (P1,P2,P3) auf der Oberfläche des Körpers (K) charakterisieren. (Fig. 4)
    5. Schaltungsanordhung nach Anspruch 4, d a du r c h g e k e nn z e i c hn e t , daß als Ablenkeinrichtung Spiegel (SP1,SP2) mit Hilfe von Schritt motoren (SM1,SM2) verstellt werden und daß die Steuersignale zur Verstellung der Schrittmotore mit Hilfe der Steuereinrichtung (STE) gewonnen werden (Fig. 4).
    6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, d ad u r c h g e k e nn z e i c hn e t , daß die Abtasteinrichtung (AE) eine Matrix (DM) mit in integrie ter Bauweise matrizenartig angeordneten Photodioden enthält, die mit dem Licht der Bildpunkte (p1,p2,p3) ak tiviert werden und daß mit Hilfe der Photodioden (D11, D12) und mit Hilfe integrierter Shaltkreise die Licht-, punktsignale erzeugt werden (Fig. 4).
    7. Schaltungsanordung nach Anspruch 6, da d u r c h g e k e nn z ei c h n e t , daß die Matrix (DM) Koordinatenleitungen (A0-A7, B0-B4) hat, die im unbelichteten Zustand einen ersten Binärwert (0) signalisieren, daß die Koordinatenleitungen mit Hilfe der aktivierten Photodioden und integrierten Schaltkreise einen zweiten Binärwert (1) signalisieren und daß aus den über die Koordinatenleitungen abgegebenen Worten - vorzugsweise mit Hilfe von Codewandlern (CWA1,CWA2,CWB1, CWB2) - die Bildpunktkoordinaten (Ki,Kj) gewonnen werden (Fig. 7,8).
    8. Verfahren nach Anspruch 1, da d u r c h g e k e nn z e i c hn e t , daß Parameter zur Defintion einer Referenzbildlinie (RBL) gespeichert werden, daß die Abweichungen (A) der Bildpunkte (p1) von der Referenzbildlinie (RBL) ermittelt werde und daß mit Hilfe dieser.Abweichungen die Parameter ermi telt werden, welche die Oberfläche des Körpers charakterisieren (Fig. 9).
    9. Verfahren nach Anspruch 8, da d u r c h. g e k e nn z e i c hn e t , daß an stelle des Körpers (K) ein Referenzkörper (RK) angeordnet wird, daß die Lichtstrahlen auf die Oberfläche des Referenzkörpers projiziert werden und den Lichtstrahlen Referenzlichtpunkte (P) zugeordnet werden und daß die Referenzlichtpunkte auf die Bildfläche (BF) abgebildet, werden und die Parameter zur Definition der Referenzbildlinie gewonnen werden (Fig. 9).
    10. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e nn z ei chn e t , daß die Parameter zur Defintfciόn der Referenzbildline (RBL) unter Verwendung von Daten berechnet werden, welche, die Oberfläche des Referenzkörpers (RK) definieren (Fig. 9).
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE2920634A1|1981-05-27|
    EP0029036A1|1981-05-27|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1980-11-27| AK| Designated states|Designated state(s): JP SU US |
    1980-11-27| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): AT CH FR GB NL SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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