DE19734613A1 - Vorrichtung und Verfahren zum berührungsfreien Erfassen zwei- und/oder dreidimensional markierter Oberflächen und/oder zum Erfassen zwei und/oder dreidimensionaler Bewegungen - Google Patents

Description

Zum Erfassen reliefartiger Oberflächenstrukturen sind nichtberührungsfreie Verfahren bekannt. So wird etwa bei Guß- oder Abdruckverfahren ein dreidimensionales Negativ­ bild des Gegenstandes erstellt, aus dem Informationen über dessen Oberflächenbeschaffenheit gewonnen werden. Nachteilig bei derartigen Verfahren ist, daß ihre Qualität sehr stark von dem eingesetzten Guß- oder Ab­ druckmittel abhängt. Zudem sind sie bei empfindlichen oder leicht zu beschädigenden Oberflächen nicht ohne Gefahr für die zu untersuchenden Areale einsetzbar.

Desweiteren sind Bewegungsdetektoren bekannt, mittels derer die Position eines Gegenstandes, etwa eines Hand­ scanners, gegenüber einer Fläche bestimmbar ist. In der JP-O 5 341 904 wird ein Bewegungsdetektor beschrieben, der als eine drehbewegliche, von einem stark inhomoge­ nen Magnetfeld umgebene Kugel ausgebildet ist. Beim Be­ wegen des Bewegungsdetektors entlang der abzuscannenden Fläche wird die Kugel in eine Drehbewegung versetzt, die von einem Hallgenerator erfaßt und in elektronische , die Information über die Position des Bewegungsdetek­ tors gegenüber der abzuscannenden Fläche enthaltende Signale umgewandelt werden. Ein derartiger Bewegungs­ detektor kann jedoch nur die Position parallel zu einer zweidimensionalen Fläche erfassen, eine Reliefstruktur der abzuscannenden Oberfläche ist damit nicht detektier­ bar. Zudem arbeitet der vorbekannte Bewegungsdetektor ebenfalls nicht berührungsfrei und ist deshalb bei empfindlichen Oberflächen nicht einsetzbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensionaler Oberflächen und/oder zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensionaler Bewegungen entlang einer Fläche, wobei die Gefahr von Beschädigungen der Fläche weitestgehend zu vermeiden ist.

Gelöst wird diese Aufgabe in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Da­ nach umfaßt die Vorrichtung einen Bewegungsdetektor, ei­ nen Distanzmesser und eine Signalverarbeitungseinheit.

Der Bewegungsdetektor arbeitet berührungsfrei und erfaßt kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen die Po­ sition der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zur un­ tersuchenden Fläche parallelen, etwa aus einer Ebenenpro­ jektion der dreidimensional markierten Oberfläche erzeug­ ten Ebene. Die Erfassung des Reliefs erfolgt mittels des Distanzmessers, der zu jedem erfaßten Punkt der projizier­ ten Ebene den Abstand zwischen dem Bewegungsdetektor und der zu erfassenden Fläche bestimmt. Mit Hilfe der Sig­ nalverarbeitungseinheit werden die Informationen des Bewegungsdetektors sowie des Distanzmessers zusammenge­ führt und in ein elektronisch verwertbares Bild der Reliefstruktur der erfaßten Oberfläche und/oder der durchgeführten Bewegung umgewandelt.

Die Erfassung der Oberflächenstruktur erfolgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung berührungsfrei. Geeignete Bewegungsdetektoren bzw. Distanzmesser arbeiten etwa mit Hilfe von Licht oder sonstigen elektromagnetischen Strahlen, Schallwellen, elektrischen und/oder magneti­ schen Feldern. Der besondere Vorteil der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung besteht in ihrer Einsetzbarkeit in ver­ schiedensten Bereichen, und zwar insbesondere solchen, bei denen die zu erfassenden Oberflächen besonders empfindlich sind und es zudem auf eine hohe Präzision der ermittelten Daten ankommt. Dazu gehören etwa bestimmte Bereiche der Medizin, Zahnmedizin, Biologie, Archäologie oder Paläontologie.

Eine für eine große Zahl von Anwendungen besonders zweckmäßige Erfassungsvorrichtung arbeitet mit opti­ schen Mitteln. Dabei ist im Bewegungsdetektor eine in Richtung auf die markierte Fläche abstrahlende optische Strahlungsquelle integriert und der Bewegungsdetektor sowie der Distanzmesser erfassen von der markierten Fläche reflektiertes Licht. Als bevorzugte Strahlungs­ quellen kommen etwa Laser oder Halbleiterstrahler in Frage, deren Strahlungsfrequenzen der entsprechenden An­ wendung angepaßt sein sollten.

Vorteilhafterweise besitzt der Bewegungsdetektor eine Matrix aus in einer Fläche nebeneinander angeordneten optischen Erfassungsmitteln. Die vom Detektor vollzogene Bewegung entlang der markierten Fläche ist damit leicht aufgrund der zeitlichen Abfolge der von den einzelnen optischen Erfassungsmitteln abgegebenen elektronischen Signale nachvollziehbar.

Ein geeignetes und besonders preisgünstiges Erfassungs­ mittel ist ein Array aus Fotodioden. Die Fotodioden sind in einer Ebene in zumindest zwei unterschiedlichen Rich­ tungen beabstandet voneinander angeordnet, wodurch sich die Bewegung des Bewegungsdetektors in einer zu diesen Richtungen parallelen Fläche besonders leicht berechnen läßt. Stehen die Fotodioden in zwei zueinander senkrech­ ten Richtungen, so läßt sich unmittelbar eine X- und eine Y-Richtung zur Positionsbestimmung des Bewegungsdetek­ tors festlegen.

Bei bestimmten Anwendungen, inbesondere wenn eine hohe Auflösung gewünscht wird, kann auch anstelle des Foto­ diodenarrays ein optischer Bildsensor eingesetzt werden. Aus dem Vergleich aufeinanderfolgender Bildsequenzen des Bildsensors läßt sich zudem auch eine Information über eine etwaige, gegenüber der markierten Fläche senkrech­ te Bewegung gewinnen.

Ein besonders vorteilhafter Distanzmesser besteht aus einer Fotodiode, die ein von der markierten Fläche re­ flektiertes Lichtsignal einer Strahlungsquelle empfängt und in ein elektronisches Signal umwandelt, das in einer Meßelektronik dazu benutzt wird, die Distanz zu bestim­ men. Es sind auch mehrere nebeneinander angeordnete Foto­ dioden denkbar, aus deren photovoltaischen Signalen der Abstand zwischen dem Bewegungsdetektor und der markier­ ten Fläche von einer geeigneten Meßelektronik berechnet wird. Im Zusammenhang mit einem Laser als Strahlungsquel­ le kann der Abstand etwa mittels optischer Triangulation bestimmt werden.

Alternativ sind auch interferometrische Methoden zur Distanzmessung einsetzbar. Für mikroskopisch feine Ober­ flächenstrukturen, etwa insbesondere metallischer Ober­ flächen, ist ein optisches Interferometer besonders ge­ eignet.

Um die Herstellung der erfindungsgemäßen Erfassungsvor­ richtung zu erleichtern und zu verbilligen ist der Be­ wegungsdetektor und/oder der Distanzmesser und/oder die Strahlungsquelle in einen Mikrochip integriert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Signalver­ arbeitungseinheit mit einer Anzeigeeinheit, etwa einem Monitor verbindbar, so daß die jeweilige Position des Bewegungsdetektors während der Bewegung unmittelbar ver­ folgt werden kann.

In einer abermaligen Weiterbildung ist die Signalverar­ beitungseinheit vom Bewegungsdetektor räumlich getrennt angeordnet, und steht mit diesem in - vorzugsweise drahtlosem - Datenaustausch. Die räumlichen Dimensionen des Bewegungsdetektors lassen sich damit auf ein Minimum begrenzen und dadurch die Flexibilität und Effizienz deutlich erhöhen.

Zweckmäßigerweise steht die Signalverarbeitungseinheit mit einem elektronischen Speichermedium in Datenverbin­ dung, in dem die Informationen über die Oberflächenstruk­ tur und/oder die Bewegung gegenüber der Fläche elektro­ nisch abrufbar abgespeichert sind.

In verfahrenstechnischer Hinsicht ist die Erfindungsauf­ gabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 12 gelöst.

Bei diesem Verfahren erfolgt während einer Bewegung eines Bewegungsdetektors relativ zu einer markierten Fläche eine berührungsfreie Ermittlung der Position in einer - zur markierten Fläche im wesentlichen parallelen - Projek­ tionsebene mit Hilfe von optischen Erfassungsmitteln (X, Y)-Position. Gleichzeitig wird zu jedem erfaßten (X, Y)- Wert der jeweilige Abstand des Bewegungsdetektors zur markierten Fläche, also der Wert Z (X, Y) , berührungsfrei ermittelt. In einem letzten Verfahrensschritt werden aus den auf diese Weise ermittelten (X, Y, Z)-Werten Informa­ tionen über die Bewegung bzw. die Oberflächenbeschaffen­ heit der markierten Fläche gewonnen.

Eine besonders vorteilhafte Bestimmung der Distanz er­ folgt dabei durch die Messung der Laufzeit eines Licht­ signals beim Durchlaufen der zu bestimmenden Distanz. Die Erfindung macht dabei Gebrauch von einem an sich bekannten Verfahren zur Messung der Lichtgeschwindig­ keit, bei dem die Phasenverschiebung eines mit hoher Frequenz modulierten Lichtsignals nach Durchlaufen einer vorgegebenen Distanz gegenüber dem ursprünglichen Modu­ lationssignal gemessen wird. Die Lichtgeschwindigkeit wird dabei als bekannt vorausgesetzt und das Verfahren zur Messung der vom Licht durchlaufenen Strecke einge­ setzt. Da die Lichtgeschwindigkeit in unterschiedlichsten Medien mit hoher Genauigkeit bekannt ist, ermöglicht dieses Verfahren eine sehr präzise Distanzmessung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise zur Bewegungserfassung etwa eines Lesegerätes für die optische Erfassung und Speicherung von visuell markierten und projizierten alphanumerischen Zeichen, Graphiken und/oder fotografischen Bildern oder auch zur Positions­ bestimmung bei Handscannern geeignet.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung eines zur Be­ wegungserfassung eingesetzten erfindungsgemäßen Verfah­ rens sieht vor, daß die vom Bewegungsdetektor aufgenom­ menen Daten zum Durchführen eines Korrekturausgleiches geeignet sind, um etwa die zeilenrichtige Erfassung einer Textseite durch ein Lesegerät zu ermöglichen.

Anhand der beigefügten Zeichnungen sollen nachstehend ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung und das Verfahren nach der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 den Bewegungsdetektor einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung in einer Draufsicht,

Fig. 2 einen in einem Abtastkopf aufgenommenen Bewe­ gungsdetektor bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in einem Längsschnitt,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erklärung der Funk­ tionsweise des Bewegungsdetektors aus Fig. 1,

Fig. 4a einen beabstandet von einer Fläche gehaltenen Distanzmesser,

Fig. 4b das Prinzip der Abstandsmessung bei einem Di­ stanzmesser einer erfindungsgemäßen Erfassungs­ vorrichtung und

Fig. 5 in einem Blockschaltbild die elektronischen Komponenten des Distanzmessers aus Fig. 4a.

Der in Fig. 1 gezeigte berührungsfreie Bewegungsdetek­ tor 1 weist einen Halbleiterstrahler 2 sowie insgesamt fünf Fotodioden 3, 3', 3'', 3''', 4 auf. Die Fotodioden 3 bis 3''' dienen der Erfassung einer Bewegung parallel zu einer zwei- oder dreidimensional markierten Fläche 8, während die Fotodiode 4 die Messung des Vertikalabstan­ des des Lesegerätes von der markierten Fläche ermöglicht.

Fig. 2 zeigt einen Abtastkopf 6, in dem der berührungs­ freie Bewegungsdetektor 1 aufgenommen ist. Bei dem Ab­ tastkopf 6 handelt es sich um ein eigenständiges Modul, das innerhalb einer größeren Vorrichtung, etwa eines Bildlesegerätes, einbaubar ist. Der Abtastkopf 6 ist auf der im bestimmungsgemäßen Zustand der markierten Fläche 8 zugewandten Seite mit einer - im Ausführungsbeispiel konvex-konkaven - Linse 7 versehen , die der Abbildung des vom Halbleiterstrahler 2 abgestrahlten Lichts auf der markierten Fläche 8 bzw. der Abbildung des von der markierten Fläche 8 reflektierten Lichtes auf die Foto­ dioden 3, 3', 3'', 3''', 4 dient.

Die Funktionsweise des berührungsfreien Bewegungsdetek­ tors 1 läßt sich anhand des in Fig. 3 dargestellten Block­ diagramms beschreiben. In dieser Darstellung sind als Komponenten des berührungsfreien Bewegungsdetektors 1 der Halbleiterstrahler 2 sowie die Fotodioden 3, 3' , 3'', 3''' in einem Mikrochip 9 integriert. Durch eine geeig­ nete Ansteuerungselektronik 11 wird der Halbleiterstrah­ ler 2 betätigt, sobald die bestimmungsgemäße Bewegungsde­ tektion beginnt. Das durch die Linse 7 vom Halbleiter­ strahler 2 in Richtung auf die markierte Fläche 8 fokus­ sierte Licht wird von dieser reflektiert und von der Linse 7 auf den Mikrochip 9 abgebildet. Die Fotodioden 3, 3', 3'', 3''' erfassen das reflektierte Licht. Bei der Bewegung des Bewegungsdetektors 1 parallel zur markierten Flächen 8 wird in dem aus den Fotodioden 3, 3', 3'', 3''' bestehenden Diodenarray ein Muster zeitlich auf­ einanderfolgender elektrischer Signale erzeugt, aus dem mittels einer geeigneten Datenverarbeitung die Richtung und die Geschwindigkeit der Bewegung des Bewegungsdetek­ tors 1 in eindeutiger Weise bestimmbar ist.

Die elektrischen Impulse der Fotodioden 3, 3', 3'', 3''', 4 werden in einem A/D-Konverter 12 verstärkt und als digitales Synchronisationssignal zur Beschreibung der Position des Bewegungsdetektors 1 gegenüber der markier­ ten Fläche 8 der Signalverarbeitungseinheit 13 zugeführt und/oder in den Speichereinheiten 14, 15 abgespeichert.

Anhand der Fig. 4a und 4b wird im folgenden die Funk­ tionsweise des erfindungsgemäßen Distanzmessers erklärt. Von der Leuchtdiode 2 wird ein Lichtsignal 18, zum Bei­ spiel eine voll durchmodulierte sinusförmige Schwingung in Richtung auf die markierte Fläche 8 abgestrahlt. Das Lichtsignal 18 wird an der markierten Fläche reflektiert und gelangt auf die Fotodiode 4. Für die dabei zurückge­ legte Wegstrecke, die größer als der doppelte Abstand 2 L zwischen dem Bewegungsdetektor 1 und der markierten Flä­ che 8 ist, benötigt das Licht die Laufzeit t. Mit der Lichtgeschwindigkeit c ergibt sich die zu berechnende Wegstrecke somit aus der Formel 2 L = c × t. Die Be­ stimmung der Lichtlaufzeit t erfolgt aus dem Vergleich der Phase des gesendeten Modulationssignals 19 mit der Phase des empfangenen Lichtsignals 18. In Fig. 4b sind die Amplituden der beiden Signale 18, 19 als Funktion der Zeit aufgetragen. Deutlich erkennbar ergibt sich die Lichtlaufzeit t aus der Phasendifferenz t2 minus t1 des Modulationssignals 19 und des Lichtsignals 18.

Die für die Distanzmessung erforderlichen elektronischen Komponenten sind in Fig. 5 gezeigt. Das abgestrahlte Licht der Leuchtdiode 2 wird mit dem im Oszillator 21 ge­ nerierten und im Signalverstärker 22 verstärkten Sinus­ wellensignal moduliert. Die Fotodiode 4 empfängt das mo­ dulierte, an der markierten Fläche 8 reflektierte Licht­ signal 18, wandelt es in ein moduliertes photovoltaisches Signal um und leitet dies dem Verstärker 23 zu. In einem Diskriminator 24 werden die Phasenlagen des generierten Sinuswellensignals 19 und des fotovoltaischen Signals 18 miteinander verglichen. Das Ausgangssignal des Diskrimi­ nators 24 verhält sich proportional zur Phasenverschie­ bung und ist somit ein Maß für die vom Licht innerhalb einer Zeit t2 minus t1 mit der Geschwindigkeit c zurück­ gelegten Wegstrecke.

Das Diskriminatorsignal gelangt über den Signalverstär­ ker 25 zur Signalverarbeitungseinheit 13, in der es mit den entsprechenden Signalen der Fotodioden 3, 3', 3'', 3''' zu einem digitalen Informationspaket zusammengefaßt und in den Speichern 14, 15 abgelegt wird.

Das Signal ist auch zur Steuerung eines Sensormotors 27 einsetzbar, mittels dessen etwa die Brennweite der Lin­ se 7 ansteuerbar ist, oder der eine an einem Lesegerät zur Erfassung von alphanumerischen Zeichen, Graphiken oder fotografischen Bildern vorgeschaltete Optik ansteu­ ert.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensional markierter Oberflächen und/oder zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensionaler Bewegungen,
mit einem Bewegungsdetektor (1), der kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen seine jeweilige Position bei einer Bewegung parallel zu einer zwei-und /oder dreidimensional mar­ kierten Fläche (8) berührungsfrei erfaßt und in elektronische Signale umwandelt,
mit einem Distanzmesser (4), der den Abstand (L) des Bewe­ gungsdetektors (1) bei einer vorgegebenen Position relativ zur markierten Fläche (8) berührungsfrei ermittelt und in elektro­ nische Signale umwandelt,
und mit einer Signalverarbeitungseinheit (13), die aus den Si­ gnalen des Bewegungsdetektors (1) und/oder des Distanzmessers (4) elektronisch abspeicherbare Informationen über die Bewe­ gung des Detektors relativ zur markierten Fläche (8) und/oder die dreidimensionale Struktur der markierten Fläche (8) er­ zeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bewegungsdetektor (1) eine in Richtung auf die markierte Flä­ che (8) abstrahlende optische Strahlungsquelle (2), vorzugs­ weise ein Laser- oder ein Halbleiterstrahler, integriert sowie von der markierten Fläche (8) reflektiertes Licht vom Bewe­ gungsdetektor (1) und/oder dem Distanzmesser (4) erfaßbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (1) eine Matrix aus in einer Fläche nebeneinander angeordneten optischen Erfassungsmitteln (3, 3', 3'', 3''') aufweist, mittels derer eine zur markierten Fläche (8) im wesentlichen parallele Bewegung in eine charak­ teristische Abfolge elektronischer Signale umwandelbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix optischer Erfassungsmittel (3, 3', 3'', 3''') ein Array aus Fotodioden vorgesehen ist, welche Fotodioden in einer bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zur markierten Fläche (8) im we­ sentlichen parallelen Ebene in wenigstens zwei unterschiedli­ chen, vorzugsweise zueinander senkrechten Richtungen beabstan­ det voneinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix optischer Erfassungsmittel (3, 3', 3'', 3''') ein Bild­ sensor vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Distanzmesser (4) wenigstens ei­ ne Fotodiode sowie eine mit dieser wirkverbundene Meßelektronik (24) vorgesehen ist, wobei die Fotodiode ein von der markierten Fläche (8) reflektiertes Lichtsignal (18) einer Strahlungsquelle (2) erfaßt und die Meßelektronik (24) hieraus den Vertikalabstand (L) errechnet.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Distanzmesser (4) ein Interfero­ meter vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bewegungsdetektor (1) und/oder der Distanzmesser (4) und/oder die Strahlungsquelle (2) in ei­ nem Mikrochip (9) integriert sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (13) mit einer Anzeigeeinheit, etwa einem Monitor, verbindbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (13) vom Bewegungsdetektor (1) getrennt ist, mit diesem jedoch in - vorzugsweise drahtlosem - Datenaustausch steht.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (1) mit einem elektronischen Speichermedium (14, 15) verbunden ist, in dem die aus den Signalen des Bewegungsdetektors (1) und/oder des Distanzmessers (4) gewonnenen Informationen ab­ speicherbar sind.

12. Verfahren zum Erfassen zwei- und/oder dreidimensional mar­ kierter Oberflächen und/oder zum Erfassen einem zwei-/oder dreidimensionalen Bewegung, bei dem

• - ein Bewegungsdetektor (1) relativ zu einer markierten Fläche (8) und /oder die markierte Fläche (8) relativ zum Bewegungs­ detektor (1) bewegt wird,
• - die Bewegung des Bewegungsdetektors (1) optisch erfaßt und, kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen, in ein elektronisches Signal übersetzt wird, welche Abfolge jeweils eine Information über eine - auf eine zur markierten Fläche im wesentlichen parallelen Ebene bezogene - (x,y)-Positionen des Bewegungsdetektors (1) aufweist,
• - zu jedem erfaßten Wert der (x,y)-Position der jeweilige Ab­ stand des Bewegungsdetektors (1) von der markierten Fläche (8), z(x,y) berührungsfrei ermittelt und
• - aus einer Abfolge ermittelter (x,y,z)-Werte eine Information über den Bewegungsverlauf des Bewegungsdetektors (1) und/oder die Oberflächenstruktur der markierten Fläche (8) errechnet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Abstandes (L) die Laufzeit eines diesen Ab­ stand (L) durchlaufenden Lichtsignals (18) relativ zu einem optischen oder elektronischen Referenzsignal (19) gemessen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Bewegungserfassung bei einem Lesegerät für die optische Erfassung und Speicherung von visuell markierten und projizierten alphanumerischen Zeichen, Grafiken und/oder fotographischen Bildern.

15. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Bewegungsdetektor (1) erzeugten elektronischen Si­ gnale als Referenzinformation zum Durchführen eines Korrektur- Ausgleiches der von einem Lesegerät erfaßten Zeichen, Grafiken und/oder Bildern einsetzbar sind.