DE19614108C1 - Anordnung zur Vermessung der Koordinaten eines an einem Objekt angebrachten Retroreflektors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Vermessung der Koordinaten eines oder mehrerer, an einem Objekt angebrachten Retroreflektor(en) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der EP 0 405 423 B1 bekannt ist.

Stand der Technik

Zur optischen Koordinaten-Bestimmung wurde eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die darauf basieren, daß das Objekt optisch markiert und die Position der optischen Markierung von einem oder mehreren Referenzpunkten aus bestimmt wird.

Sie können nach der Art der Markierung in 2 Verfahrensklassen eingeteilt werden:

• A. Verfahren, bei denen die Markierung ausschließlich optisch erfolgt (s. Offenlegungsschrift DE 43 25 542). Das Meßobjekt muß nicht besonders präpariert werden. Ein Lichtstrahl mit bekanntem Strahlverlauf beleuchtet das Objekt und wird an der Objektoberfläche gestreut. Die streuende Objektoberfläche stellt die Markierung dar und wird auf einen positionsauflösenden oder bildgebenden Sensor abgebildet. Kennzeichen dieser Verfah­ ren ist, daß die beleuchtete Oberfläche des Meßobjekts auf den Sensor abgebildet wer­ den muß. Bei reflektierenden Objekten kann in der Regel keine Vermessung erfolgen, da nur bei einer ausgezeichneten Winkelstellung von Detektor, Beleuchtung und Objekt­ oberfläche zueinander, Strahlung auf den Detektor fällt. Retroreflektierende Objekte können prinzipiell nicht vermessen werden, da der beleuchtende Strahlengang an ihnen in sich zurückreflektiert wird.
• B. Verfahren zur Vermessung optisch ausgezeichneter Punkte. Bei ihnen wird - sofern das Objekt selbst nicht die besondere optische Eigenschaft auf­ weist - am oder im zu vermessenden Objektpunkt eine besondere Markierung ange­ bracht.
  Gebräuchliche Markierungen sind:
  1. Selbstleuchtende Marken (s. SELCOM Firmenschrift: "Precision non-contact measure­ ment is simpler than you think").
  2. Im verwendeten Spektralbereich (relativ zur Umgebung) effektiv streuende Marken.
  3. Retroreflektoren (s. Europäische Patentschrift EP 0405423B1, KERN Firmenschrift: SMART3 10).

Die Vermessung nach A. und die Vermessung der Markierungen 1 und 2 erfolgt über eine Abbildung der leuchtenden bzw. beleuchteten Objekt- oder Markenoberfläche auf positi­ onsauflösende bzw. bildgebende Sensoren. Für diese Verfahren muß zwischen der Marke und dem Objekt eine abbildende Optik eingesetzt werden. Dadurch können folgende Pro­ bleme auftreten:

• - Probleme durch einen begrenzten Schärfentiefebereich bzw. Notwendigkeit der Fokussie­ rung
• - Verfälschung der Messung durch Abbildungsfehler, mangelnden Kontrast bzw. spie­ gelnde Oberflächen im Meßfeld.

Bei Meßsystemen nach B. 1., muß an jedem interessierenden Objektpunkt ein selbstleuchten­ des Element befestigt werden. Das Element muß den umgebenden Raum so ausleuchten, daß genügend Licht auf den Sensor trifft, so daß das Bild des Elements in der Sensorebene deutlich von der Umgebung unterschieden werden kann. Dazu muß das Element mit Energie versorgt werden. Das bedeutet, daß entweder ein Energieträger angebracht werden muß - und die Baugröße des Elements relativ groß wird - oder Versorgungskabel zum Ob­ jekt verlegt werden müssen. Der Aufwand bei der Anbringung an einem Meßobjekt ist des­ halb relativ groß.

Für die Verfahren, die auf der Abbildung einer streuenden Marke beruhen, muß der Kon­ trast zwischen dem Bild der Umgebung und dem Abbild der Marke durch eine entsprechend intensive bzw. selektive Ausleuchtung des Meßvolumens erreicht werden. Sofern spiegelnde oder glänzende Oberflächen im Meßfeld vorhanden sind, können mit dieser Art der Messung unter Umständen erhebliche Meßfehler auftreten. Ferner ist die starke Ausleuch­ tung des Meßvolumens oft nur durch einen relativ großen Energieaufwand erreichbar.

Sehr effizient sind dagegen die Verfahren, die auf der Peilung eines Retroreflektors beruhen, da dieser nahezu das gesamte auf ihn treffende Licht in sich bzw. parallelversetzt reflektiert. Im Unterschied zu den oben genannten Verfahren beruhen sie nicht auf einer Abbildung der Objekt- bzw. Markenoberfläche, sondern auf einer Peilung des Retroreflektor-Zentrums mit einem Laserstrahl. Von der Meßposition aus wird er auf den Retroreflektor ausgerichtet. Kennzeichnend für diese Verfahren ist, daß die Position des Reflektors aus der Winkelstel­ lung des Lasers ermittelt wird. Die in diesen Verfahren eingesetzten optischen Sensoren werden ausschließlich zur Minimierung oder Kompensation von Peilfehlern eingesetzt: wird das Zentrum des Retroreflektor vom Laserstrahl getroffen, so wird der Strahl in sich zurück­ reflektiert, andernfalls wird der Strahl parallelversetzt zurückreflektiert. Mit den optischen Sensoren wird dieser Parallelversatz des Strahls am Retroreflektor gemessen und daraus der Peilfehler bestimmt. Dazu ist es zwingend erforderlich, daß die Fläche des Laserstrahls an der Meßposition kleiner als die effektive Fläche des Retroreflektors ist. Andernfalls würde stets die gleiche Lichtfleck-Position in der Sensorebene vermessen und die Wirkung des Retroreflektors würde lediglich darin bestehen, daß dieser Lichtfleck gegenüber dem einfal­ lenden Fleck (um die Fleckachse) verdreht ist.

Kennzeichnend für diese Verfahren ist daher, daß der Strahlquerschnitt des Laserstrahls an der Meßposition kleiner (üblicherweise < 10%) der Querschnittsfläche des Retroreflektors ist. Weiteres Kennzeichen dieser Meßverfahren ist die Bestimmung der Reflektorkoordinaten über die Messung der Peilwinkel, die entsprechend genau eingestellt und bestimmt werden müssen. Die Meßsysteme enthalten in der Regel eine hochpräzise - und entsprechend teure bzw. wartungsintensive - Mechanik. Ein weiteres Problem stellt unter Umständen die Aus­ richtung des Laserstrahls auf den Retroreflektor dar, die zumindest zu Beginn einer Meßrei­ he - in der Regel manuell - vorgenommen werden muß. In einem großen Meßfeld ist dieses "Einfangen" des Strahls unter Umständen sehr kritisch und mit einem erheblichen Zeitauf­ wand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 dahingehend zu verbessern, daß die Messung schneller erfolgt und weniger technischen Aufwand erfordert. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Anordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindung

Die Erfindung beruht darauf, daß das von einer Beleuchtungseinheit ausgehende Licht, das auf eine retroreflektierende Marke fällt, in sich zurückreflektiert wird und mit Hilfe eines vor der Beleuchtungseinheit angebrachten, Strahlteilers teilweise auf einen Detektor gelenkt wird.

Ist erfindungsgemäß - und im Gegensatz zu den Systemen nach dem Stand der Technik - die Markenfläche kleiner als das ausgeleuchtete Meßfeld und ist ferner der Detektor außer­ halb des Punktes P′, welcher der Pupille der Beleuchtung entspricht, angeordnet, wird eine Bestimmung der Markenposition im Koordinatensystem der Beleuchtungs-/Detektoreinheit möglich. Im Gegensatz zum Stand der Technik muß die Beleuchtungs-/Detektoreinheit für diese Bestimmung nicht genau auf das Zentrum des Reflektors ausgerichtet werden. Die Messung der Reflektor-Koordinaten kann direkt - d. h. ohne Bestimmung von Peilwinkeln - aus der Vermessung der Koordinaten des in der Sensorebene resultierenden Lichtflecks er­ folgen. Im Gegensatz zu den Verfahren mit aktiven oder streuenden Marken, ist dies bereits ohne die Verwendung abbildender optischer Elemente möglich.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung kann auf einfache Weise eine kontaktlose Ver­ messung eines oder mehrerer Objektpunkte erfolgen. Dazu ist lediglich an den Objektpunk­ ten eine retroreflektierende Marke (beispielsweise eine retroreflektierende Folie) anzubrin­ gen. Es entfällt damit die Notwendigkeit am Objekt ein selbstleuchtendes Element mit Stromversorgung bzw. Stromzuführung anzubringen. Im Gegensatz zu den auf Peilung be­ ruhenden Verfahren, bei denen der Retroreflektordurchmesser erheblich größer als der ma­ ximale Laserstrahlquerschnitt im Meßvolumen sein muß, kann die Marke klein und damit leicht sein. Die Vermessung der Bahnbewegung eines kleinen, schnellen Objekts wird unter Umständen erst dadurch möglich.

Der Meßkopf muß - im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik - nicht hoch­ präzise auf den Reflektor ausgerichtet werden. Die damit verbundenen Probleme sind mit einer erfindungsgemäßen Anordnung nicht mehr vorhanden.

Da vom Meßprinzip her keine abbildenden optischen Elemente wie Linsen (die zu einer Schwächung der auf den Sensor treffenden Strahlung führen könnten) erforderlich sind und am Retroreflektor selbst nahezu das gesamte auffallende Licht zurückreflektiert wird, ist der Strahlengang sehr effizient, d. h. selbst für einen Sensor mit einem Meßbereich von mehre­ ren Dezimetern bis Metern (senkrecht zur optischen Achse) kann die Beleuchtung bereits mittels einer Leuchtdiode (LED) erfolgen. Dadurch wird eine hochfrequente Messung mit Fremdlichtkompensation ermöglicht. Bei Verwendung einer positionsempfindlichen Fotodi­ ode (PSD) als Sensor und einer modulierten LED können Meßfrequenzen im Bereich MHz und eine extreme Störlichtunterdrückung erreicht werden.

Werden bildgebende Sensoren eingesetzt oder die Abbildung visuell oder fotografisch aus­ gewertet, können gleichzeitig mehrere Objektpunkte vermessen oder erfaßt werden.

Da keine Abbildung durch optische Elemente wie Linsen oder gekrümmte Spiegel erforder­ lich ist, ist der Schärfentiefebereich mit diesem Meßverfahren prinzipiell unbegrenzt.

Aus den Koordinate(n) des Lichtflecks in der Sensorrichtung (bei 1-dimensionalen Sensoren) bzw. in der Detektorebene (bei 2-dimensionalen Detektoren), kann bei einer telezentrischen Beleuchtung die Position der retroreflektierenden Marke in einer (Richtung bzw.) Ebene senkrecht zur optischen Achse bestimmt werden. Bei divergenter oder konvergenter Be­ leuchtung können jeweils der Strahlwinkel bzw. zwei zueinander senkrechte Strahlwinkel zur optischen Achse ermittelt werden.

Bei Kenntnis der Markengröße und der Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungseinheit kön­ nen ferner über eine Messung der Intensität der von der Marke auf den Sensor reflektierten Strahlung folgende Größen ermittelt werden:

• - bei telezentrischer Beleuchtung ein Wert für die Verkippung der retroreflektierenden Marke, da es durch eine Verkippung der Marke zu einer Reduktion der wirksamen Retro­ reflektorfläche im beleuchteten Meßfeld kommt,
• - bei divergenter oder konvergenter Beleuchtung kann der Abstand zwischen der Beleuch­ tungs-/Detektoreinheit und der Marke bestimmt werden.

Mit divergenter oder konvergenter Beleuchtung sind, wie oben dargestellt, prinzipiell die gleichen Größen meßbar. Der wesentliche Unterschied zwischen diesen Beleuchtungsarten ist, daß im Falle der divergenten Beleuchtung der Meßbereich an der Front des Strahlteilers beginnt, während im Falle eines konvergenten Strahlenganges praktisch eine "tote Zone", in der keine sinnvolle Vermessung erfolgen kann, vorhanden ist.

Die Ausführung eines konvergenten Strahlengangs kann trotzdem in folgenden Fällen sinn­ voll sein:

• 1. wenn der gewünschte Meßbereich erst in einem größerem Abstand zur Beleuchtungs-/Detektoreinheit beginnt oder
• 2. wenn sowohl ein Nahbereich vor der Beleuchtungs-/Sensoreinheit, als auch ein Fernbe­ reich, mit jeweils besserer Meßgenauigkeit als im Falle der divergenten Beleuchtung, ge­ wünscht sind.

Weiterbildungen der Erfindung

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben. Dadurch können folgende Vorteile erzielt werden:

• 1. Verbesserung der Robustheit der (Intensitäts-) Messung durch:
• - Fremdlichtunterdrückung,
• - Unterdrückung von Meßfehlern durch eine Verkippung der Marke,
• - Unterdrückung des Einflusses einer Verschmutzung der Marke.
• 2. Ableitung weiterer Koordinaten des Objekts (Lage der Flächennormale bzw. Achse des Retroreflektors im Raum).
• 3. Bestimmung der Koordinaten mehrerer Retroreflektoren mit einer Beleuchtungs-Detekto­ reinheit.

Mittels einer Lochblende, die an dem, der Pupille der Beleuchtung entsprechenden, Ort P′ im Detektorstrahlengang angeordnet ist, kann Störlicht wirkungsvoll unterdrückt werden. Meß­ fehler durch Fremdlicht können vermieden bzw. weiter minimiert werden, wenn die Beleuchtung moduliert und das Sensorsignal gefiltert wird (s. Anspruch 2). Im Falle eines CCD-Sensors (Zeile oder Matrix) wird diese Filterung aus einer Differenzbildung mindestens zweier Bilder oder Scans bestehen, bei Verwendung einer PSD kann diese Filterung bei­ spielsweise aus einer Hochpaß, Bandpaß oder Lock-In-Filterung bestehen.

Wird beispielsweise ein ebener Retroreflektor senkrecht zum einfallenden Strahl verkippt, so ändert sich dadurch die wirksame Fläche im ausgeleuchteten Meßfeld und damit die zu­ rückgestrahlte Intensität. Bei telezentrischer Beleuchtung kann über eine Intensitätsmessung diese Verkippung des Reflektors ermittelt werden. Bei divergenter oder konvergenter Beleuchtung hängt die Intensität von der Verkippung und dem Abstand des Reflektors vom Meßkopf ab. Wird nach Anspruch 3 ein kugelförmiger Reflektor oder ein als Kugelabschnitt geformter Reflektor verwendet, wird der Einfluß einer Verkippung auf die gemessene In­ tensität eliminiert, da die wirksame Fläche des Retroreflektors sich bei einer Verkippung nicht ändert. Die Bestimmung des Abstands über eine Messung der auf den Sensor auffal­ lenden Intensität kann dann nicht durch eine Verkippung verfälscht werden.

Mit einer Weiterbildung nach Anspruch 5 kann der Einfluß einer Verschmutzung und einer Verkippung des Retroreflektors vermieden werden. Dies erfolgt dadurch, daß mit 2 unter­ schiedlichen Beleuchtungen gemessen wird, deren Quell- bzw. Projektionspunkte in unter­ schiedlicher Entfernung auf oder zur optischen Achse liegen. Für den Fall zweier Lichtquellen mit gleicher Abstrahlcharakteristik, deren Projektionspunkte auf der optischen Achse in ei­ nem Abstand dz liegen sind folgenden Beziehungen (Proportionalitätskonstante c, wirksame Fläche des Retroreflektors A und Abstand z zwischen Lichtquelle 1 und Reflektor) gegeben:

Aus den Intensitäten I1 und I2 kann sowohl der Abstand z als auch die Markenfläche A be­ stimmt werden zu:

Die Bestimmung des Abstands gelingt dadurch auch ohne Kenntnis der Markengröße. Eine Verkippung oder Verschmutzung des Reflektors ist in der Wirkung auf die meßbare Intensi­ tät äquivalent zu einer Verkleinerung der Markenfläche. Mit dieser Methode kann daher ei­ ne Abstandsmessung erreicht werden, die weder durch Verkippung noch durch Verschmut­ zung der Marke verfälscht wird und für die eine Kenntnis der Markengröße nicht erforder­ lich ist. Sofern die Markengröße bekannt und eine Verschmutzung ausgeschlossen ist, kann deshalb zusätzlich aus den gemessenen Intensitäten ein Maß für die Verkippung des Reflek­ tors abgeleitet werden.

Zur Messung der unterschiedlichen Intensitäten gibt es folgende Möglichkeiten:

• 1. Die unterschiedlichen Beleuchtungen erfolgen gleichzeitig und werden mit einem Sensor erfaßt, der für die verschiedenen Strahlungsarten getrennte Signale (z. B. Farbzeilen- oder Farbmatrix-Sensor) liefert (s. Anspruch 5).
• 2. Die unterschiedlichen Beleuchtungen erfolgen zeitlich nacheinander und werden nach­ einander mit dem gleichen Sensor erfaßt.
• 3. Eine Kombination beider Möglichkeiten kann selbstverständlich ebenfalls benutzt werden und unter Umständen besonders vorteilhaft sein.

Die Schwerpunktskoordinaten des Lichtflecks in der Sensorebene sind ein Maß für den Win­ kel in dem sich das Reflektorzentrum, vom Projektionspunkt aus gesehen, befindet. Wird von unterschiedlichen Projektionspunkten aus beleuchtet, so werden jeweils unterschiedli­ che Schwerpunktskoordinaten in der Sensorebene gemessen. Aus dem Unterschied der Schwerpunktskoordinaten kann daher der Abstand des Reflektors bestimmt werden. Diese Abstandsbestimmung kann alternativ oder ergänzend zur Abstandsmessung mittels der Intensität erfolgen.

Eine weitere alternative Meßmethode zur Bestimmung des Abstands ist eine gleichzeitige Vermessung der Strahlwinkel mit mehreren, an verschiedenen Referenzpunkten angebrach­ ten, Beleuchtungs-/Detektoreinheiten nach Anspruch 10. Da das von jeder Beleuchtungseinheit auf den Retroreflektor auftreffende Licht in sich zurückreflektiert wird, erfolgt keine gegenseitige Beeinflussung (wie sie beispielsweise bei der Vermessung mit Verfahren nach A. auftreten würde). Die Reflektorkoordinaten sind damit über eine Triangulationsrechnung aus den gemessenen Strahlwinkeln ableitbar.

Mit einer Weiterbildung nach Anspruch 7 können mehrere retroreflektierende Marken auch mit einem positionsauflösenden, aber nicht bildgebenden Sensor, (z. B. einer PSD) vermessen werden. Bestehen die Marken aus Retroreflektoren, vor denen beispielsweise jeweils unter­ schiedliche Farbfilter angebracht sind und werden diese Marken mit Licht aus entsprechen­ den Spektralbereichen beleuchtet, kann erreicht werden, daß praktisch jeweils nur eine der Marken das Licht einer Strahlungsart reflektiert. Eine Trennung wird ermöglicht durch:

• - die zeitlich aufeinanderfolgende Beleuchtung mit den unterschiedlichen Strahlungsarten,
• - die Verwendung eines oder mehrerer farbempfindlicher Sensoren,
• - die Aufteilung des Detektorstrahlengangs in mehrere Teilstrahlengänge zu Detektoren, die unterschiedlich auf die einzelnen Strahlungsarten ansprechen,
• - eine wellenlängenselektive Strahlteilung oder
• - die Aufteilung des Detektorstrahlengangs in mehrere unterschiedlich gefilterte Teilstrah­ lengänge zu den einzelnen Detektoren.

Die einzelnen Möglichkeiten können praktisch beliebig miteinander kombiniert werden. Fer­ ner kann anstelle einer Unterscheidung mittels der Farbe bzw. Wellenlänge eine Unterschei­ dung durch den Polarisationszustand erfolgen.

Der Vorteil einer entsprechenden Ausführung liegt in der damit möglichen Steigerung der Meßfrequenz. Die Alternative zur Methode nach Anspruch 7 ist die Vermessung mit einem bildgebenden Sensor (CCD-Matrix). Die damit erreichbare Meßfrequenz liegt in der Größen­ ordnung 10 Hz. Demgegenüber kann die Vermessung mehrerer Punkte nach Anspruch 7 bereits mit positionsauflösenden Sensoren (z. B. PSD) erfolgen, mit denen Meßfrequenzen im Bereich MHz erreichbar sind. Beispielsweise können dann 2 retroreflektierende Marken am Ursprung und an der Spitze einer Roboterhand befestigt werden. Mit Meßsystemen nach Anspruch 7 kann dann die Bahn- und Richtungsgenauigkeit selbst extrem schneller Roboter vermessen werden.

Wird nach Anspruch 8 auf einer relativ ausgedehnten Marke (Ausdehnung größer als etwa das 10-fache der Auflösung des Meßbereichs durch den Sensor und kleiner 100% der im Meßfeld ausgeleuchteten minimalen Fläche) ein oder mehrerer Verlaufsfilter angeordnet, d. h. Filter die zu einem Verlauf der zurückreflektierten Intensität über eine oder beide Rich­ tungen der Markenfläche führen, so kann die Verkippung der Markenfläche bereits mit po­ sitionsauflösenden Detektoren bestimmt werden. Als Meßeffekt wird dabei ausgenutzt, daß bei der Beleuchtung mit den unterschiedlichen Strahlungsarten abweichende Schwerpunkts­ koordinaten in der Sensorebene ermittelt werden. Aus der Differenz dieser Schwerpunkte kann die Verkippung ermittelt und ggf. der aus der Verkippung resultierende Fehler der Ab­ standsmessung kompensiert werden.

Ist beispielsweise auf der Marke ein von blau nach rot verlaufender Farbfilter angebracht, so wird die ermittelte mittlere Position der Marke bei der Beleuchtung mit blauem Licht gegen­ über derjenigen, die bei der Beleuchtung mit rotem Licht bestimmt wird, verschoben sein. Für eine senkrecht zur optischen Achse des Sensors ausgerichtete Marke ist der Abstand der Lichtfleck-Schwerpunkte in der Sensorebene nur vom Abstand zum Meßkopf abhängig bzw. (mit einer telezentrischen Beleuchtung) konstant. Durch eine Verkippung der Marke um die Achse senkrecht zur optischen Achse und senkrecht zum Farbverlauf, kommt es zu einer Reduzierung dieses gemessenen Abstands. Ist der Verlauf des Abstands (für eine Ver­ kippung) im Meßbereich bekannt oder wird er für die Marke einmal vermessen, so kann über eine Vermessung dieses Abstands die Verkippung der Marke bestimmt werden.

Wie oben beschrieben sind für das Meßprinzip keine abbildenden optischen Elemente wie Linsen oder Spiegel erforderlich. Eine Benutzung derartiger Elemente nach Anspruch 9 kann trotzdem sinnvoll sein, um eine Anpassung des Abbildungsmaßstabs an die Meßaufgabe oder die Sensorgröße bzw. eine Optimierung, Variation oder Verbesserung der Emp­ findlichkeit des Systems zu erreichen.

Darstellung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Sie zeigt die schematische Sicht auf ei­ nen erfindungsgemäßen Meßkopf (1), dessen wesentliche Bestandteile eine Lichtquelle, ein Strahlteiler (3) und ein Sensor sind. Im hier dargestellten Beispiel besteht die Lichtquelle aus einer Glühlampe (6) oder Leuchtdiode und einem Diffusor (7). Sie wirkt vom Außenraum aus betrachtet wie eine Punktlichtquelle, die einen abgegrenzten Kegel mit homogener Aus­ leuchtung erzeugt und sich in einem Abstand a zum Zentrum des Strahlteilers befindet. An­ dere Beleuchtungsstrahlengänge wie inhomogen ausgeleuchtete, telezentrische oder kon­ vergente Strahlengänge sind ebenfalls möglich und ggf. vorteilhaft. Für die Nutzung zur Vermessung ist lediglich erforderlich, daß der beleuchtende Strahlengang bekannt ist. In die­ sem Strahlengang befindet sich das Meßobjekt (2). Am Meßobjekt ist die retroreflektierende Marke (4) (die kleiner als die an dieser Stelle ausgeleuchtete Fläche sein muß) angebracht. Derjenige Teil des beleuchten den Strahlengangs, der die retroreflektierende Marke (4) trifft, wird in sich zurückreflektiert. Ein Teil dieser in sich zurückreflektierten Strahlung gelangt über den Strahlteiler (3) durch den, der Pupille der Beleuchtung entsprechenden, Punkt P′ auf den Sensor (5) und ergibt (bereits ohne weitere optische Elemente) einen abgegrenzten Lichtfleck auf der aktiven Fläche. Wird der Sensor außerhalb des Punktes P′ angebracht, so ist die Position des Lichtflecks ein Maß für den Winkel, unter dem sich der Retroreflektor (vom Projektionspunkt aus gesehen) zur optischen Achse befindet. In Fig. 1 ist das gleiche Objekt zusätzlich in gleicher Winkellage und unterschiedlichem Abstand relativ zum Sensor eingezeichnet (Objekt (2′) und Retroreflektor (4′)). Wie aus Fig. 1 deutlich wird, ändert sich mit dem Abstand des Retroreflektors zum Meßkopf sowohl die Größe des Lichtflecks auf dem Detektor, als auch das Verhältnis der Markenfläche zur ausgeleuchteten Fläche und damit die Intensität der auf den Detektor fallenden Strahlung. Die Intensität der auf den Sensor treffenden Strahlung ist ein Maß für den Abstand des Reflektors zum Projektions­ punkt. Vorteilhaft (jedoch nicht zwingend erforderlich) ist die Verwendung einer Blende (8) im Detektor-Strahlengang. Wird sie an der Stelle angebracht, die dem Projektionspunkt ent­ spricht (Abstand a′ auf der optischen Achse Z zum Zentrum des Strahlteilers), so kann Stör­ licht wirkungsvoll ausgeblendet werden.

Fig. 2 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen Anordnung mit telezentrischem Strahlen­ gang. Im Unterschied zur Anordnung aus Fig. 1 wird das Licht der Lichtquelle (6) mit opti­ schen Mitteln (8) (z. B. Kondensor, Telezenterlinse) in einen telezentrischen Beleuchtungs­ strahlengang umgeformt. Aus den unterschiedlichen Positionen des Meßobjekts (2) bzw. (2′) ergeben sich direkt unterschiedliche Positionen der Lichtflecke auf der Sensoroberfläche. In Fig. 2 ist zusätzlich zu erkennen, daß es bei einer Verkippung der Marke zu einer Re­ duktion der Breite des Lichtflecks auf dem Sensor kommt und der Quotient aus wirksamer Markenfläche zu beleuchteter Fläche kleiner wird. Ein Maß für die Verkippung der Marke kann daher aus der Breite des Meßflecks oder der, zu dem Verhältnis von Markenfläche zu ausgeleuchteter Fläche proportionalen Intensität abgeleitet werden.

Wie Fig. 3 verdeutlicht, kann bereits mittels eines abbildenden optischen Elements (Spiegel oder Linse) (10) eine vorteilhafte Realisierung dieses Meßprinzips erfolgen. Bis auf das opti­ sche Element (10) entspricht die Anordnung derjenigen von Fig. 1. Wie oben erwähnt können mit ihr die Koordinaten der Marke deren Verkippung ermittelt werden

Fig. 4 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der der Beleuchtungsstrahlengang nach Anspruch 4 in Teilstrahlengänge aufgespalten ist, die zeitlich unterschiedlich modulierbar sind. Im dargestellten Beispiel ist die Lichtquelle (beispielsweise eine Mehrfarben-Leuchtdi­ ode) mit (6) bezeichnet. Im Strahlengang direkt hinter ihr befindet sich ein Diffusor (7) (der beispielsweise aus einem Hologramm besteht). Die davon ausgehende Strahlung ist ein ho­ mogen ausgeleuchteter Lichtkegel 1 (durchgezogene Linien). Sie gelangt über den Strahltei­ ler (11), an dem das Licht einer gleichartigen Beleuchtung (6′, 7′) eingekoppelt wird, die sich vom Außenraum aus gesehen auf einer anderen Position auf bzw. senkrecht zur optischen Achse befindet und einen anderen Öffnungswinkel aufweist (gestrichelte Linie). Von dort gelangt die Strahlung über den Strahlteiler (3), zur Einspiegelung der Beleuchtung in den Objektraum, schließlich teilweise auf die im Meßfeld befindliche Marke 4. Ein anderer Teil gelangt auf die Marke 4′. Jede Marke wirkt wie eine Kombination eines (idealen) Retrore­ flektors mit einem jeweils unterschiedlichen Farbfilter. Beispielsweise wirkt Marke 4 im roten Spektralbereich als Retroreflektor und absorbiert im grünen Spektralbereich. Die Marke 4′ wirkt genau umgekehrt. Die auf diese Marken treffende Strahlung wird in den Meßkopf zurückreflektiert. Ein Teil dieser Strahlung gelangt über den Strahlteiler (3) zum Detektor (5) (beispielsweise eine PSD). Wird beispielsweise zeitlich nacheinander zunächst mit der Be­ leuchtungseinheit (6, 7) anschließend mit Beleuchtungseinheit (6′, 7′) jeweils rotes und an­ schließend grünes Licht emittiert, kann bereits mit einer PSD allein eine sehr robuste (d. h. von der Verkippung, der Verschmutzung und der Markengröße unabhängige) Vermessung der 3D-Koordinaten beider Marken erfolgen. Aus diesen beiden Markenpositionen kann eindeutig die Position und Ausrichtung des Objekts im Raum bestimmt werden. Eine Ver­ dopplung der Meßfrequenz kann mittels eines zusätzlichen wellenlängenselektiven Strahl­ teilers (12) und einer zweiten PSD (13) erfolgen, da dann beide Leuchtdioden gleichzeitig (mit jeweils unterschiedlicher Farbe) betrieben werden können.

Claims (12)

1. Anordnung zur Vermessung der Koordinaten mindestens eines an einem Objekt an­ gebrachten Retroreflektors, bei der

• - Licht einer Beleuchtungseinheit über einen Strahlteiler auf den mindestens einen Retroreflektor gelangt,
• - vom Retroreflektor in sich zurückgeworfenes Licht am Strahlteiler vom Beleuchtungsstrahlengang getrennt wird, und
• - dieses Licht auf eine Detektoreinheit auftrifft, mit der die Auftreffposition des detektierten Lichtflecks ermittelbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Licht der Beleuchtungseinheit ein Strahlenbündel bildet, das auf der Objektoberfläche eine größere Fläche ausleuchtet als die Fläche des darauf angebrachten mindestens einen Retroreflektors und
• - daß sich die Detektoreinheit an einem Ort befindet, wo sich die Position und/oder Form des detektierten Lichtflecks mit der Position des Retroreflektors ändert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Modulation des Lichts der Beleuchtungseinheit und zur Filterung des Signals der Detektoreinheit und/oder durch eine Blende (8) an dem der Pupille der Beleuchtungseinheit entsprechendem Punkt im Strahlengang des vom Retroreflektor zurückgeworfenen Lichts.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor als Kugel oder Kugelabschnitt ausgebildet ist und/oder aus einer retroreflektierenden Folie oder Schicht besteht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Mattscheibe, ein Film, eine Fotodiode, ein positionsauflösender Sensor oder bildauflösender Sensor (CCD-Zeile, Farbzeile, CCD-Matrixsensor, CCD- Farbmatrixsensor) ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinheit aus zwei oder mehreren Lichtquellen mit unterschiedlicher Pupillenlage besteht, die zeitlich abwechselnd betätigbar sind und/oder in der spektralen Zusammensetzung oder im Polarisationszustand unterschiedliches Licht emittieren.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit einen für die unterschiedlichen Beleuchtungsarten geteilten Sensor, z. B. in Form eines Farbzeilen- oder Farbmatrix-Sensors, aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Retroreflektoren mit wellenlängenselektivem oder polarisati­ onsabhängigem Reflexionsverhalten vorgesehen sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflektorfläche mehr als etwa 10% der ausgeleuchteten Fläche beträgt und ein oder mehrere Filter auf der Retroreflektorfläche angebracht sind, die zu einer Änderung der zurückreflektierten Intensität in Abhängigkeit vom Spektralbereich oder vom Polarisationszustand der beleuchten den Strahlung über eine oder zwei Richtungen der Reflektoroberfläche führen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß abbildende optische Elemente (Linsen, Hohl-, Parabolspiegel) in einzelnen Teilstrahlengängen angeordnet sind.

10. Anordnung zur Erfassung von Objekten, bei der mehrere der Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf den Objektbereich ausgerichtet sind.

11. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur statischen oder dynamischen Vermessung der Genauigkeit von Robotern, zur Überwachung der Maßhaltigkeit oder der Flugbahn von Objekten, der Orts- oder Lageverän­ derung von Objekten oder der Orts- oder Lageveränderung von Körperteilen.