DE102009015204A1

DE102009015204A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE102009015204A1
Application number: DE200910015204
Authority: DE
Inventors: Jörg Wörner
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor (1), mittels dessen nach dem Triangulationsprinzip dreidimensionale Abstandsmessungen durchführbar sind. Der optische Sensor (1) umfasst einen Videoprojektor (4) oder Videogenerator (11), mittels dessen ein zweidimensionales Projektionsmuster auf der Oberfläche eines zu detektierenden Objekts (6) generierbar ist, sowie eine Flächenkamera (3), mittels derer das Projektionsmuster erfassbar ist. Der oder jeder Videoprojektor (4) oder Videogenerator (11) sowie jede Flächenkamera (3, 3') sind in einem Sensorgehäuse (2) integriert. In einer Auswerteeinheit (5) sind die Ausgangssignale der Flächenkamera (3) auswertbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige optische Sensoren stellen nach dem Triangulationsprinzip arbeitende Abstandssensoren dar. Mit diesen optischen Sensoren wird eine dreidimensionale Abstandsmessung durchgeführt, wobei derartige optische Sensoren hierzu generell eine Flächenkamera zur Detektion eines flächigen Bereichs einer Objektoberfläche eines zu detektierenden Objekts aufweisen. Dieser Flächenkamera ist eine externe Lichtquelle zugeordnet. Im einfachsten Fall wird mit der Lichtquelle eine Abtastlinie auf der Objektoberfläche generiert. Diese wird auf die Flächenkamera abgebildet, wobei anhand der Auswertung der Bildinformation der Flächenkamera eine zweidimensionale Abstandsinformation gewonnen wird. Die dritte Dimension für die dreidimensionale Abstandsmessung wird dann dadurch erhalten, dass das Objekt relativ zum optischen Sensor und dabei in unterschiedlichen Positionen zum optischen Sensor detektiert wird.
Ein derartiger optischer Sensor kann prinzipiell derart weitergebildet sein, dass der externen Lichtquelle eine Ablenkeinheit wie ein motorisch getriebenes Polygonspiegelrad zugeordnet ist, mittels derer anstelle einer einzelnen Abtastlinie ein flächiges Raster aus mehreren Abtastlinien erzeugt wird. So kann auch für ein stationäres Objekt eine dreidimensionale Abtastmessung durchgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Einsatzmöglichkeiten und Wirtschaftlichkeit zu optimieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor, mittels dessen nach dem Triangulationsprinzip dreidimensionale Abstandsmessungen durchführbar sind. Der optische Sensor umfasst einen kompakten Videoprojektor oder Videogenerator, mittels dessen ein zweidimensionales Projektionsmuster auf der Oberfläche eines zu detektierenden Objekts generierbar ist, sowie eine Flächenkamera, mittels derer das Projektionsmuster erfassbar ist. Der oder jeder Videoprojektor oder Videogenerator sowie jede Flächenkamera sind in einem Sensorgehäuse integriert. Weiterhin umfasst der optische Sensor eine Auswerteeinheit, mittels der die Ausgangssignale der Flächenkamera auswertbar sind.
Mit dem Begriff kompakt sind generell Videoprojektoren oder Videogeneratoren in Miniatur-Ausführungen umfasst, wobei deren Bauvolumen typischerweise kleiner als 100 cm³ ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der Flächenkamera und dem oder den Videoprojektoren beziehungsweise Videogeneratoren sämtliche Sensorkomponenten des optischen Sensors in einem gemeinsamen Sensorgehäuse integriert sind, wodurch eine besonders kompakte Bauform des erfindungsgemäßen optischen Sensors erhalten werden kann. Zudem ist vorteilhaft, dass die in einem Sensorgehäuse integrierten Sensorkomponenten ohne großen Installations- und Montageaufwand auch an Einbauorten, wo nur wenig Einbauraum zur Verfügung steht, installiert werden können.
Die Auswerteeinheit, die zur Auswertung der Ausgangssignale der Flächenkamera dient, kann dabei wahlweise innerhalb des Sensorgehäuses integriert sein oder als externe Einheit an die Sensorkomponenten des optischen Sensors angeschlossen sein.
Die oder jede Flächenkamera bestehen vorzugsweise aus einem CCD- oder CMOS-Array. Derartige Flächenkameras bilden hochintegrierte elektrooptische Einheiten, die in kleinen Bauformen herstellbar sind, so dass diese in dem Sensorgehäuse untergebracht werden können.
Auch die Videoprojektoren oder die Videogeneratoren bilden hochintegrierte, elektrooptische Einheiten, die in besonders kleinen Bauformen herstellbar sind, was eine wesentliche Voraussetzung für deren Integration im Sensorgehäuse des optischen Sensors ist.
Derartige Videoprojektoren oder Videogeneratoren werden aufgrund ihrer kompakten Bauform in Mobiltelefonen eingesetzt, um Bilder oder Bildsequenzen auf einen frei wählbaren Hintergrund zu projizieren.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor werden die Videoprojektoren beziehungsweise Videogeneratoren dazu genutzt, um vorgegebene Projektionsmuster, insbesondere Streifenmuster, auf der Oberfläche des zu detektierenden Objekts zu erzeugen. Durch das Höhenprofil der Objektoberfläche erfolgt eine Verzerrung der Projektionsmuster, die in der Flächenkamera registriert und in der Auswerteeinheit zur Bestimmung der dreidimensionalen Abstandsinformationen ausgewertet wird.
Die Videoprojektoren oder Videogeneratoren weisen bei kleineren Bauvolumen hohe Leistungsdichten auf, so dass auch bei größeren Objektdistanzen und Objektoberflächen die Projektionsmuster exakt vorgegeben werden können, wodurch eine genaue Abstandsmessung ermöglicht wird.
Bei Projektionsmustern in Form von Streifenmustern kann es zu Mehrdeutigkeiten in der Auswertung der einzelnen Streifen kommen, wenn beispielsweise durch stärkere Verzerrungen und Versetzungen einzelner Streifen auf der Objektoberfläche eine eindeutige Zuordnung einzelner Streifensegmente nicht mehr möglich ist.
Um diese die Abstandsmessungen verfälschende Mehrdeutigkeiten zu eliminieren, können die mit den Videoprojektoren oder Videogeneratoren erzeugten Streifenmuster aus unterschiedlich ausgebildeten Streifen bestehen. So können die einzelnen Streifen unterschiedliche Kodierungen in Form unterschiedlicher Muster, Farben und/oder Breiten aufweisen. Auch die Abstände zwischen den Streifen können unterschiedlich sein.
Eine Erhöhung der Messgenauigkeit kann insbesondere auch dadurch erzielt werden, wenn der optische Sensor mit mehreren Flächenkameras beziehungsweise mehreren Videoprojektoren oder Videogeneratoren ausgestattet ist. Bei der Verwendung mehrerer Videoprojektoren oder Videogeneratoren kann ein komplex strukturiertes Projektionsmuster, insbesondere in Form sich überlagernder Streifenmuster generiert werden, wodurch die Ortsauflösung des optischen Sensors bei der Objektdetektion erhöht werden kann. Bei der Verwendung mehrerer Flächenkameras können die einzelnen Flächenkameras in unterschiedlichen Winkeln auf die zu detektierende Objektoberfläche gerichtet sein, so dass unerwünschte Abschattungen vermieden werden. Das heißt, Objektstrukturen die bei der Detektion mit einer ersten Flächenkamera verdeckt sind, können mit einer weiteren Flächenkamera detektiert werden.
Der erfindungsgemäße optische Sensor wird bevorzugt im Bereich der Automatisierungstechnik eingesetzt. Besonders vorteilhaft wird der optische Sensor hierbei zur Qualitätskontrolle in Produktionsprozessen eingesetzt, wobei anhand der Informationen über die Formen von Objektoberflächen quantitative Aussagen über die Qualität von Objekten möglich sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: Erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors.
2: Schematische Darstellung der Komponenten eines Videogenerators für einen optischen Sensor gemäß der 1.
3: Zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 bildet einen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Distanzsensor. Der optische Sensor 1 weist ein Sensorgehäuse 2 auf, in welchem eine Flächenkamera 3 und in Abstand zu dieser ein Videoprojektor 4 angeordnet sind. Der Videoprojektor 4 ist als Miniatur-Videoprojektor mit einem Bauvolumen kleiner als 100 cm³ ausgebildet. Die Flächenkamera 3 weist einen vorgegeben Sichtbereich 3a auf. Der Flächenkamera 3 kann eine nicht dargestellte Optik vorgeordnet sein. Der optische Sensor 1 wird komplettiert durch eine Auswerteeinheit 5, in welcher aus den Ausgangssignalen der Flächenkamera 3 Distanzinformationen von einem mit dem optischen Sensor 1 detektierten Objekt 6 gewonnen werden. Prinzipiell kann die Auswerteeinheit 5 mit den Sensorkomponenten, das heißt der Flächenkamera 3 und dem Videoprojektor 4, im Sensorgehäuse 2 integriert sein. Im vorliegenden Fall bildet die Auswerteeinheit 5 eine separate Einheit, die über ein Anschlusskabel 7 an die Sensorkomponenten im Sensorgehäuse 2 angeschlossen ist. Die Auswerteeinheit 5 kann dann von einer Rechnereinheit, wie zum Beispiel einem Personalcomputer, gebildet sein.
Die Flächenkamera 3 besteht aus einem flächigen CCD- oder CMOS-Array, das heißt einer matrixförmigen Anordnung von lichtempfindlichen Empfangselementen, deren Ausgangssignale in die Auswerteeinheit 5 eingelesen werden.
Der Videoprojektor 4 liegt um einen vorgegebenen Basisabstand versetzt zur Flächenkamera 3. Mit dem Videoprojektor 4 wird ein vorgegebenes flächiges Projektionsmuster auf die Oberfläche des zu detektierenden Objekts projiziert. Durch das Höhenprofil der Objektoberfläche erfolgt eine definierte Verzerrung des Projektionsmusters. Dieses verzerrte Projektionsmuster wird in der Flächenkamera 3 detektiert. Aus den detektierten Verzerrungen des Projektionsmusters wird in der Auswerteeinheit 5 ortsaufgelöst das Höhenprofil der Ob jektoberfläche bestimmt, das heißt es erfolgt eine dreidimensionale Abstandsbestimmung für die detektierte Objektoberfläche.
Wie in 1 schematisch dargestellt, wird mit dem Videoprojektor 4 als Projektionsmuster ein Streifenmuster, bestehend aus einer Folge von in Abstand parallel zueinander verlaufender Streifen 8 generiert. Der Sichtbereich 3a der Flächenkamera 3 ist an die vom Videoprojektor 4 ausgeleuchtete Fläche angepasst. Wie in 1 weiter angedeutet, entstehen durch abrupte Änderungen des Höhenprofils der Objektoberfläche Versätze in den einzelnen Streifen 8 des Streifenmusters. Wenn die Versätze relativ groß sind, können bei identisch ausgebildeten Streifen 8 des Streifenmusters die einzelnen detektierten Segmente der Streifen 8 nicht mehr eindeutig den zugehörigen Streifen 8 zugeordnet werden, so dass keine eindeutige Abstandsmessung mehr gewährleistet ist. Um derartige Mehrdeutigkeiten beider Distanzmessungen zu eliminieren, können die Streifen 8 des Streifenmusters unterschiedlich ausgebildet sein, wobei es allgemein ausreicht, wenn immer die nächsten Nachbarn der Streifen 8 des Streifenmusters unterschiedlich ausgebildet sind.
Hierbei kann der Videoprojektor 4 so ausgebildet sein, dass mit diesem Streifen 8 generiert werden, deren Breiten oder deren Abstände unterschiedlich ausgebildet sind. Alternativ können die Streifen 8 unterschiedliche Farben aufweisen. Schließlich können die Streifen 8 unterschiedliche Musterungen aufweisen.
Der Videoprojektor 4 des optischen Sensors 1 gemäß 1 weist eine Anordnung von Lichtstrahlen 9 emittierenden Lichtquellen 10 auf. Im vorliegenden Fall sind die Lichtquellen 10 von Hochleistungs-Leuchtdioden gebildet. Der Anordnung von Lichtquellen 10 ist ein transmissives LCD (Liquid Crystal Display)-Array 10a nachgeordnet, mittels dessen das vorgegebene Streifenmuster generiert wird. Zudem kann der Videoprojektor 4 eine nicht dargestellte Optik zur Strahlformung der Lichtstrahlen 9 aufweisen.
Alternativ kann das LCD-Array 10a durch ein Miniatur-Spiegelarray, bestehend aus einer Vielzahl von beweglichen Spiegeln sehr kleiner Abmessungen ersetzt sein. Die Lichtquellen 10 können wieder aus einer Anordnung von Hochleistungs-Leuchtdioden bestehen. Alternativ können die Lichtquellen 10 aus einer Anordnung von Hochleistungs-Laserdioden bestehen.
Anstelle eines Videoprojektors 4 kann für den optischen Sensor 1 gemäß 1 auch ein Videogenerator 11 eingesetzt werden. Der Videogenerator 11 ist als Miniatur-Videogenerator mit einem Bauvolumen kleiner als 100 cm³ ausgebildet. Die Funktion der Generierung von Projektionsmustern ist bei dem Videogenerator 11 und Videoprojektor 4 identisch. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Videogenerators 11 ist schematisch in 2 dargestellt. Der Videogenerator 11 weist als Lichtquellen 10 drei Laserdioden 12a, 12b, 12c auf. Die erste Laserdiode 12a emittiert rote Lichtstrahlen 9a, die zweite Laserdiode 12b emittiert grüne Lichtstrahlen 9b, die dritte Laserdiode 12c emittiert blaue Lichtstrahlen 9c. Alle Lichtstrahlen 9a, 9b, 9c werden über ein optisches Umlenkelement 13, beispielsweise einem Prisma, einem Scanspiegel 14, der um zwei orthogonale Drehachsen D₁, D₂ drehbar ist, zugeführt. Durch die Scanbewegung des Scanspiegels 14 wird das Streifenmuster generiert. Durch eine alternierende Aktivierung der drei Laserdioden 12a, 12b, 12c können Streifen 8 in drei unterschiedlichen Farben generiert werden.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1. In Erweiterung zur Ausführungsform gemäß 1 weist der optische Sensor 1 gemäß 3 zwei vorzugsweise identisch ausgebildete Flächenkameras 3, 3' auf. Weiterhin ist ein Videoprojektor 4 vorgesehen, der zwischen den beiden Flächenkameras 3, 3' angeordnet ist. Die Flächenkameras 3, 3' und der Videoprojektor 4 sind wiederum in einem Sensorgehäuse 2 integriert, während die Auswerteeinheit 5 extern angeordnet ist und über ein Anschlusskabel an die Sensorkomponenten im Sensorgehäuse 2 angeschlossen ist.
Der Videoprojektor 4 gemäß 3 entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktion der Ausführungsform des Videoprojektors 4 gemäß 1, das heißt mit dem Videoprojektor 4 wird zur Durchführung der dreidimensionalen Abstandsmessung ein Streifenmuster auf der Oberfläche des zu detektierenden Objekts 6 generiert. Das durch das Höhenprofil verzerrte Streifenmuster wird mit den beiden Flächenkameras 3, 3' detektiert. Zur Ermittlung der Distanzinformationen werden in der Auswerteeinheit 5 die Ausgangssignale beider Flächenkameras 3, 3' ausgewertet.
Wie aus 3 ersichtlich, sind die optischen Achsen der Flächenkameras 3, 3' in unterschiedlichen Winkeln orientiert, so dass deren Sichtbereiche 3a, 3b am Ort der Objektdetektion zwar überlappen, jedoch nicht identisch sind. 3 zeigt ein Beispiel einer Detektion eines Objekts 6, das im Zentrum eine Vertiefung aufweist.
Wie aus 3 ersichtlich, existiert für die erste Flächenkamera 3 ein Abschaltungsbereich A₁, das heißt dieser Bereich ist mit der ersten Flächenkamera 3 nicht erfassbar, wohl aber mit der zweiten Flächenkamera 3', da diese in einem anderen Winkel als die erste Flächenkamera 3 zur Objektoberfläche orientiert ist. Entsprechend existiert für die zweite Flächenkamera 3' ein Abschattungsbereich A₂, das heißt dieser Bereich ist mit der zweiten Flächenkamera 3' nicht erfassbar, wohl aber mit der ersten Flächenkamera 3.
Durch die kombinierte Auswertung der Ausgangssignale beider Flächenkameras 3, 3' in der Auswerteeinheit 5 kann daher die gesamte Objektoberfläche lückenlos detektiert werden.

1: Optischer Sensor
2: Sensorgehäuse
3: Flächenkamera
3': Flächenkamera
3a: Sichtbereich
3b: Sichtbereich
4: Videoprojektor
5: Auswerteeinheit
6: Objekt
7: Anschlusskabel
8: Streifen
9: Lichtstrahl
9a: Lichtstrahl
9b: Lichtstrahl
9c: Lichtstrahl
10: Lichtquelle
10a: LCD-Array
11: Videogenerator
12a: Laserdiode
12b: Laserdiode
12c: Laserdiode
13: Umlenkelement
14: Scanspiegel
A₁: Abschattungsbereich
A₂: Abschattungsbereich
D₁: Drehachse
D₂: Drehachse

Claims

Optischer Sensor, mittels dessen nach dem Triangulationsprinzip dreidimensionale Abstandsmessungen durchführbar sind, gekennzeichnet durch wenigstens einen kompakten Videoprojektor (4) oder Videogenerator (11), mittels dessen ein zweidimensionales Projektionsmuster auf der Oberfläche eines zu detektierenden Objekts (6) generierbar ist, wenigstens eine Flächenkamera (3), mittels derer das Projektionsmuster erfassbar ist, wobei der oder jeder Videoprojektor (4) oder Videogenerator (11) sowie jede Flächenkamera (3, 3') in einem Sensorgehäuse (2) integriert sind, und eine Auswerteeinheit (5), mittels der die Ausgangssignale der Flächenkamera (3) auswertbar sind.
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauvolumen des kompakten Videoprojektors (4) oder Videogenerators (11) kleiner als 100 cm³ ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) innerhalb des Sensorgehäuses (2) angeordnet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) außerhalb des Sensorgehäuses (2) angeordnet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flächenkamera (3) vorgesehen ist, welcher zwei Videoprojektoren (4) oder Videogeneratoren (11) zugeordnet sind.
Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Videoprojektoren (4) oder Videogeneratoren (11) beidseits der Flächenkamera (3) angeordnet sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Videoprojektor (4) oder ein Videogenerator (11) vorgesehen ist, welchem zwei Flächenkameras (3, 3') zugeordnet sind.
Optischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flächenkameras (3, 3') beidseits des Videoprojektors (4) oder Videogenerators (11) angeordnet sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionsmuster ein Streifenmuster ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Streifenmuster unterschiedlich ausgebildete Streifen (8) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenkamera (3) von einem CCD- oder CMOS-Array gebildet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Videoprojektor (4) eine Anordnung von Leuchtdioden und ein diesen zugeordnetes transmissives LCD-Array (10a) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Videoprojektor (4) eine Anordnung von Lichtquellen (10) aufweist, welchen ein Miniatur-Spiegelarray zugeordnet ist, über welche von den Lichtquellen (10) emittierte Lichtstrahlen (9, 9a, 9b, 9c) abgelenkt werden.
Optischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (10) von Laserdioden (12a, 12b, 12c) oder Leuchtdioden gebildet sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Miniatur-Spiegelarray eine Anordnung von beweglichen Spiegeln aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Videogenerator (11) eine Anordnung von Laserdioden (12a, 12b, 12c) aufweist, wobei die von den Laserdioden (12a, 12b, 12c) emittierten Lichtstrahlen (9, 9a, 9b, 9c) mittels eines in zwei Raumrichtungen drehbaren Scanspiegels (14) ablenkbar sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Videogenerator (11) drei Laserdioden (12a, 12b, 12c) aufweist, die Lichtstrahlen (9, 9a, 9b, 9c) in unterschiedlichen Farben emittieren.