DE3642051A1

DE3642051A1 - Verfahren zur dreidimensionalen informationsverarbeitung und vorrichtung zum erhalten einer dreidimensionalen information ueber ein objekt

Info

Publication number: DE3642051A1
Application number: DE19863642051
Authority: DE
Inventors: Kanehiro Sorimachi; Shigeru Yamada; Yasurou Sakamoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-12-10
Filing date: 1986-12-09
Publication date: 1987-06-11
Also published as: FR2591329B1; US4867570A; FR2591329A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur drei dimensionalen Informationsverarbeitung und eine Vorrich tung, um eine dreidimensionale Information über ein Ob jekt durch Projizieren einer Mehrzahl von Bildmusterstrah len auf das Objekt zu erhalten, und insbesondere auf ein dreidimensionales Informationsverarbeitungsverfahren und eine Vorrichtung zur maßlichen Ermittlung der Gestalt eines Objekts mit Hilfe einer aktiven Verfahrensweise.

Als herkömmliche Verfahren zur Erlangung einer auf eine dreidimensionale Gestalt bezogenen Information unter Verwen dung eines Bildempfängers od. dgl. sind ein Lichtabdeckver fahren (Schlitzverfahren), ein Stereoverfahren und ähnli che Verfahren bekannt.

Bei dem Lichtabdeckverfahren wird Schlitz- oder Spaltlicht auf die Oberfläche eines Objekts geworfen und der proji zierte Strahl aus einer zur Projektionsrichtung verschieden artigen Richtung betrachtet, so daß man eine Information, z.B. eine Querschnittsgestalt des Objekts, einen Abstand zum Objekt u. dgl., erhält. Bei diesem Verfahren werden Abbildungen in einer Vielzahl Schlitz für Schlitz durch eine stationäre Abbildungseinrichtung abgebildet, während die Schlitzprojektionsrichtung für jede Projektion gering fügig geändert wird, so daß man eine dreidimensionale Information erhält.

Bei der in der US-Pat.-Anm. Nr. 7 06 727 (der Anmelderin) beschriebenen Stereomethode wird ein Paar von zweidimen sionalen Abbildungselementen, die mit einem optischen Sy stem kombiniert sind und eine gleiche Bildvergrößerung ha ben, so angeordnet, daß sie mit einer vorbestimmten Basis länge voneinander getrennt sind, wobei zweidimensionale Abbildungen eines in unterschiedlichen Richtungen betrachte ten Objekts erhalten werden. Dann wird ein Abstand von je der Stelle des Objekts zum Abbildungssystem aus einer Abwei chung zwischen je zwei Teilen einer Bildinformation be rechnet.

Bei dem Lichtabdeckverfahren ist jedoch die Steuerung der Schlitzprojektionsrichtung während des Abbildens beschwer lich und das Abbilden zeitaufwendig. Da die dreidimensio nale Information aus einer Vielzahl von Schlitzabbildungen erhalten wird, ist eine große Informationsmenge zu verar beiten und ein großer Zeitaufwand erforderlich, um die end gültige Information zu erlangen.

Eine Schlitzabtaststeuerung ist bei dem Stereoverfahren nicht erforderlich. Bei den herkömmlichen Verfahren kommt jedoch normalerweise eine passive Verfahrensweise oder Technik zur Anwendung. Deshalb wird, wenn ein Objekt eine glatte Oberfläche hat und eine gleichförmige Leuchtdichte aufweist, ein Kontrast zwischen den von den beiden Abbil dungselementen erhaltenen Abbildungen vermindert und eine Abstandsmessung durch Vergleichen von zwei Abbildungen unmöglich gemacht. Dieser Fall tritt häufig bei einem gerin gen Abstand mit einer großen Bildvergrößerung auf. Deshalb bestehen Beschränkungen und Grenzen in bezug auf die Ge stalt, Farbe, Größe und Entfernung eines Objekts, die ge messen werden können.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur dreidimensionalen Informationsverarbeitung und eine Vorrich tung für eine dreidimensionale lnformationsverarbeitung aufzuzeigen bzw. zu schaffen, womit eine genaue Messung ohne Rücksicht auf die Art der Objekte durchgeführt und eine dreidimensionale Information über ein Objekt, wie ein Abstand zu einer willkürlichen Stelle eines Objekts, in einer relativ kurzen Zeitspanne erhalten werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für eine dreidimensionale Informa tionsverarbeitung mit einem weiten Meßbereich anzugeben bzw. zu schaffen.

Um die oben herausgestellten Probleme zu lösen, umfaßt eine Vorrichtung nach einem Gesichtspunkt der Erfindung eine Mehrzahl von optischen Systemen, eine Einrichtung, um eine Mehrzahl von Raster- oder Bildmusterstrahlen (Strah len mit einem vorgegebenem Querschnitt) auf ein Objekt durch eine Gruppe der optischen Systeme zu werfen, und einen Bildempfänger, der die von den Bildmusterstrahlen erzeugten Abbildungen durch eine andere Gruppe der optischen Systeme empfängt. Abstände zu den Abbildungen der Bildmusterstrah len am Objekt werden in Übereinstimmung mit den durch den Bildempfänger erfaßten Stellen oder Orten der optischen Abbildungen am Objekt gemessen, so daß man eine dreidimen sionale Information über das Objekt erhält.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Lösung der oben genannten Probleme eine Mehrzahl von optischen Systemen, deren optische Achsen zueinander jeweils parallel sind, die mit vorbestimmten Basisabständen zueinander angeordnet sind und deren Haupt ebenen auf der Seite eines Objekts auf einer im wesent lichen identischen Ebene übereinstimmen, eine Einrichtung, um eine Vielzahl von Bildmuster- oder Rasterstrahlen durch eine Gruppe der optischen Systeme auf ein Objekt zu werfen, und einen Bildempfänger, der Abbildungen der Bildmuster strahlen am Objekt durch eine andere Gruppe der optischen Systeme empfängt. Abstände zu den Abbildungen der Bildmu sterstrahlen werden in Übereinstimmung mit den vom Bild empfänger erfaßten Orten der optischen Abbildungen der Bildmusterstrahlen am Objekt gemessen, so daß daraus eine dreidimensionale Information über das Objekt erhalten wird.

Es ist hervorzuheben, daß die Hauptebene eine Ebene ist, die durch ein Paar von Kardinalpunkten (Hauptpunkten), die einen Abbildungsmaßstab eines optischen Systems von 1 liefern, geht und rechtwinklig zu einer optischen Achse liegt.

Um das oben genannte Ziel zu erreichen, umfaßt eine Vor richtung gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung eine Mehrzahl von optischen Systemen, eine Projektionsein richtung, um eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen durch eine Gruppe der optischen Systeme auf ein Objekt zu werfen, und einen Bildempfänger, der Abbildungen der Bildmuster strahlen am Objekt durch eine andere Gruppe der optischen Systeme empfängt. Abstände zu vorbestimmten Stellen des Objekts werden in Übereinstimmung mit den Orten der opti schen Bilder der vom Bildempfänger erfaßten Bildmuster strahlen am Objekt gemessen. Die Projektionseinrichtung hat eine Lichtquelle, eine Maske mit einer Vielzahl von lichtübertragenden Teilen (Lichtleitbereiche) zur Ausbil dung der Bildmusterstrahlen bei Empfang von durch die Licht quelle ausgesandtem Licht, einen Umlenkspiegel, um wenig stens einen Teil des von der Lichtquelle abgegebenen Lichts zu reflektieren sowie zur Maske hin zu lenken, und ein Lichtabschirm-Element, das von der Lichtquelle ausgesand tes Licht teilweise abdeckt oder abschirmt, um zu bewir ken, daß ein Lichtstrahl von einer für jeden Lichtleitbe reich eindeutig bestimmten Richtung auf den entsprechenden Lichtleitbereich zum Einfallen kommt.

Gemäß einem noch weiteren Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung, um das oben erwähnte Ziel zu erreichen, eine Mehrzahl von optischen Systemen, eine Projektionsein richtung, die eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen durch eine Gruppe der optischen Systeme auf ein Objekt wirft, und einen Bildempfänger, der Abbildungen der Bildmuster strahlen am Objekt durch eine andere Gruppe der optischen Systeme empfängt. Abstände zu vorbestimmten Stellen am Ob jekt werden in Übereinstimmung mit den Orten der optischen Bilder der vom Bildempfänger ermittelten Bildmusterstrahlen am Objekt gemessen. Die Projektionseinrichtung wird so ange ordnet, daß die von der Projektionseinrichtung ausgesandten Bildmusterstrahlen bei ihrem Durchtritt durch die eine Gruppe der optischen Systeme im Vergleich mit einem Pupil lendurchmesser dieser Systeme zu hinreichend kleinen Strah len werden.

Ferner umfaßt gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Er findung eine Vorrichtung, um das oben genannte Ziel zu erreichen, eine Mehrzahl von optischen Systemen, eine Projektionsein richtung, um eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen durch eine Gruppe der optischen Systeme auf ein Objekt zu werfen, und einen Abbildungen der Bildmusterstrahlen am Objekt durch eine andere Gruppe der optischen Systeme empfangen den Bildempfänger. Abstände zu vorgegebenen Stellen am Ob jekt werden in Übereinstimmung mit vom Bildempfänger erfaß ten Orten der optischen Bilder der Bildmusterstrahlen am Objekt gemessen. Die Projektionseinrichtung weist eine Lichtquelle, eine Maske zur Ausbildung von Bildmusterstrah len bei Empfang von von der Lichtquelle ausgesandtem Licht und einen elliptischen Umlenkspiegel, der bewirkt, daß das von der Lichtquelle abgegebene Licht zur Maske hin gelenkt wird, auf. Die Lichtquelle ist außerhalb des Strahlenganges der zur Maske hin gerichteten Lichtstrahlen angeordnet.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer eine dreidimensionale Information verarbeitenden Vorrichtung sowie eines dreidimensionalen Informa tionsverarbeitungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Ausbildung einer Maskenplatte;

Fig. 3 ein Wellenformbild zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 5 ein Wellenformbild zur Arbeitsweise der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 6 und 7 schematische Darstellungen zur Erläuterung von verschiedenartigen Vorrichtungen und Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform nach der Er findung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Abwandlung der in Fig. 8 gezeigten Anordnung;

Fig. 10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 11 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 12 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer sechs ten Ausführungsform nach der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Meßvor richtung, die ein dreidimensionales Informationsverarbei tungsverfahren gemäß der Erfindung verwendet. Linsen 1 und 2 mit gleicher Brennweite sind mit einem vorbestimmten Basisabstand zueinander so angeordnet, daß ihre optischen Achsen zueinander parallel sind. Eine Maskenplatte 3 und ein Bildempfänger 4, der als ein zweidimensionales Ladungs verschiebeelement ausgebildet ist, sind jeweils hinter den Linsen 1 und 2 angeordnet. Die Maskenplatte 3 und der Bild empfänger 4 liegen auf derselben, zur optischen Achse der Linsen 1 und 2 rechtwinkligen Ebene.

Hinter der Maskenplatte 3 befindet sich eine Lichtquelle 5, z.B. eine Halogenlampe. Die Linse 1 wirft Schlitzmuster der Maskenplatte 3 bei Aufleuchten der Lichtquelle 5 auf ein Objekt 6.

In Fig. 1 kann die Tiefenschärfe der Linsen 1 und 2 die Stellen 6 und 6′ am Objekt in ausreichender Weise ausleuch ten oder erfassen.

Bei dieser Ausführungsform sind zwei optische Systeme, d.h. ein aus der Linse 1 bestehendes Bestrahlungssystem und ein aus der Linse 2 bestehendes Bildempfangssystem, als Einzellinsensysteme mit derselben Brennweite darge stellt.

Die beiden optischen Systeme sind so angeordnet, daß sie voneinander mit einer vorbestimmten Basislänge getrennt sind, und jedes hat eine Einzellinsenkonfiguration. Ihre Hauptebenen auf der Seite des Objekts stimmen mit einer im wesentlichen identischen Ebene überein, was bedeutet, daß Objektabstände der beiden optischen Systeme zueinander gleich sind.

Wenn jedoch zwei optische Systeme mit derselben Brennweite verwendet werden, können Bedingungen, daß die Hauptebenen auf der Seite des Objekts auf der identischen Ebene liegen und daß ihre optischen Achsen parallel zueinander angeord net sind, äußerst leicht erreicht werden, womit die drei dimensionale Informationsverarbeitung erleichtert werden kann. Diese Bedingungen müssen jedoch nicht immer erfüllt werden.

Die Fig. 2 zeigt ein Öffnungsschema der Maskenplatte 3. Bei dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von rechtecki gen, schlitzartigen Fenster Wn an der Maskenplatte 3 ausge bildet. Die Mitten der Fenster Wn in der Querrichtung sind mit geringer Dichte in der horizontalen Richtung und mit einer relativ hohen Dichte in der vertikalen Richtung fluch tend angeordnet, wie durch die gestrichelte Linie 3′ ange deutet ist. Als Ergebnis dessen werden schief verlaufende Schlitzreihen gebildet. Die Dichte und Ausrichtung der Fenster Wn kann in Übereinstimmung mit einer geforderten Meßgenauigkeit und einer Längs- sowie Querauflösung des verwendeten Bildempfängers 4 bestimmt werden, so daß sie nicht auf die obige Anordnung beschränkt sind und verschie denartige Muster oder Schemata verwendet werden können. Die horizontale Dichte der Fenster Wn der Maskenplatte 3 wird, wie Fig. 2 zeigt, als relativ niedrig festgesetzt, da die Orte der optischen Bilder am Bildempfänger 4 sich in Übereinstimmung mit dem Abstand zum Objekt 6 in der horizontalen Richtung bewegen, worauf noch eingegangen wer den wird. Mit der obigen Anordnung kann ein möglicher Ab standsbereich für eine Erfassung erweitert werden.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform bilden durch die Fenster W 1 und W 2 der von der Lichtquelle 5 be leuchteten Fenster Wn tretende Lichtstrahlen optische Bil der an den Stellen F 1 und F 2 am Objekt 6 durch die Linse 1 aus. Die optischen Bilder F 1 und F 2 erzeugen optische Bilder an den Stellen D 1 und D 2 am Bildempfänger 4 durch die Linse 2.

Wie aus dem Prinzip des Stereoverfahrens verständlich wird, bewegen sich die Orte der optischen Bilder Dn entlang einer zur Richtung der Anordnung der Linsen 1 und 2 parallelen Linie (Basisrichtung) in Übereinstimmung mit den Abständen zu Reflexionspunkten, d.h. zu den Abständen der optischen Bilder Fn am Objekt 6. Deshalb kann eine Abstandsvertei lung an der Oberfläche des Objekts 6 vom Meßgerät als eine Dichteverteilung der optischen Bilder Dn in der horizonta len Richtung erfaßt werden. Wenn die Ausgangswellenform des Bildempfängers durch eine Bildverarbeitungsvorrichtung die ein Computersystem verwendet, betrachtet wird, dann können die Abstände zu den optischen Bildorten an der Flä che des Objekts 6 leicht auf der Basis des Prinzips der Triangulation erlangt werden.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausgangswellenform 0 einer einzel nen Abtastlinie (die der Linie 3′ in Fig. 2 entspricht), wenn als Bildempfänger 4 ein zweidimensionaler Empfänger der Ladungsverschiebeelementbauart für eine Fernsehkamera verwendet wird. In Fig. 3 entspricht die Rechts/Links-Rich tung der Figur der Abmessung des Bildempfängers 4 in der horizontalen Richtung. Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, zeigt ein Ausgangswert Maximumwerte M in Überein stimmung mit den Fenstern Wn an der Maskenplatte 3, die längs derselben Linie wie die Abtastlinie in Fig. 3 angeord net sind. Der Bereich des Maximumwerts der Ausgangswellen form, der einem einzelnen Fenster Wn entspricht, ist in der Rechts/Links-Richtung begrenzt und von Ausgangswertbe reichen von anderen Fenstern getrennt. Insofern ist es leicht, eine Übereinstimmung zwischen einem speziellen Fen ster Wn und dem Einfallsort eines durch dieses Fenster tretenden Lichtstrahls am Bildempfänger 4 zu erhalten. Deshalb wird im Gegensatz zum herkömmlichen Stereoverfah ren das auf einer Abnahme im Kontrast im nahen Abstandsbe reich beruhende Messen nicht unmöglich gemacht. Da eine aktive Arbeitsweise zur Beleuchtung unter Verwendung einer Lichtquelle angewendet wird, kann die Lichtmenge der Licht quelle in vorteilhafter Weise für ein Messen eines Objekts in einem nahen Abstandsbereich vermindert werden. Ferner kann eine Neigung der optischen Bildorte eines Objekts in Übereinstimmung mit Maximumwerten des Bildempfängerausgangs bestimmt werden.

Wie oben gesagt wurde, kann der Abstand vom Meßsystem zur Oberfläche des Objekts 6 durch den zweidimensionalen Bild empfänger 4 gemessen werden. Mit der obigen Anordnung muß im Gegensatz zur Licht-Abdeckmethode eine mechanische Ab tasttätigkeit nicht ausgeführt werden, und eine dreidimen sionale Information über die gesamte Oberfläche des Objekts 6 kann durch einen einzelnen Bildabstastvorgang gewonnen werden.

Da eine Nachbildverarbeitung in Verbindung mit nur einer optischen Bildverteilung in der Rechts/Links-Richtung aus geführt werden kann, kann das leicht bei hoher Geschwin digkeit durchgeführt werden. Ferner werden die optischen Bilder am Bildempfänger 4 binär verarbeitet und zu einer Anzeige mit einer Kathodenstrahlröhre oder einer Klar schriftvorrichtung ausgegeben, so daß eine visuelle drei dimensionale Darstellung ermöglicht wird.

Die dreidimensionale Informationsverarbeitungsmethode ge mäß der Erfindung ist ein optisches Verfahren, das ein Ver fahren ersetzt, bei dem eine Vielzahl von Tastköpfen gegen ein Objekt gedrückt wird, um die Gestalt des Objekts in Übereinstimmung mit einer Änderung in den Werten, mit denen die Tastköpfe von einer Bezugsebene vorstehen, zu ermit teln, und dieses Verfahren läßt eine genaue Verarbeitung mit hoher Geschwindigkeit erreichen. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auf einen visuellen Sensor eines Robo ters, der eine Echtzeitverarbeitung erfordert, Anwendung finden. Insbesondere ist das Verfahren gemäß der Erfindung dann wirksam und leistungsfähig, wenn die Gestalt oder Stellung eines in einem relativ nahen Abstandsbereich ange ordneten Objekts wahrgenommen wird, um das Objekt zu er greifen oder sich von diesem zu entfernen. Wenn die Linsen 1 und 2 so angeordnet sind, daß ihre Hauptebenen im we sentlichen auf derselben Ebene liegen, und wenn ihre Ob jektabstände zueinander gleich sind, wie oben beschrieben wurde, dann werden vor allem die folgenden Vorteile er reicht.

Im Hinblick auf die Strahlenoptik ist die geometrische Be ziehung zwischen der Maskenplatte 3, der Linse 1 und dem Objekt 6 gänzlich symmetrisch mit der geometrischen Bezie hung zwischen dem Bildempfänger 4, der Linse 2 und dem Ob jekt 6.

Wenn die Maskenplatte durch einen Bildempfänger ersetzt wird, dann haben in diesem Fall zwei zweidimensionale Ab bildungen eines Objekts, die von den beiden Bildempfängern aufgenommen werden, die gleiche Bildvergrößerung und die Formen der beiden Abbildungen haben einen Unterschied in Übereinstimmung mit den abbildenden Positionen (die Posi tionen der Linsen 1 und 2). Der Unterschied in den Formen der zweidimensionalen Abbildungen ist von einer Abweichung der Abbildungen in der Rechts/Links-Richtung begleitet, die durch einen Unterschied zwischen durch Richtungen des Objekts und der optischen Achsen der Linsen 1 sowie 2 gebil deten Winkeln hervorgerufen wird. Da durch die Richtungen des Objekts und der optischen Achsen der Linsen 1 sowie 2 gebildete Winkel zueinander hinsichtlich der vertikalen Richtung der Linsen 1 sowie 2 gleich sind, tritt keine Bildablenkung auf.

Die gleichen Beziehungen werden in einer zur Fortpflan zungsrichtung des Lichts entgegengesetzten Richtung geschaf fen. Deshalb bewegt sich der Ort des optischen Bilds Dn in der Rechts/Links-Richtung nur in der Basisrichtung in Übereinstimmung mit dem Abstand des optischen Bilds Fn am Objekt 6.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform ist in den Zeich nungen nur der Hauptteil der Vorrichtung dargestellt und aus Gründen einer Vereinfachung wurden ein optisches Fo kussiersystem, z.B. ein Umlenkspiegel, eine Kondensorlinse u. dgl. hinter der Lichtquelle, sowie ein abschirmendes Gehäuse weggelassen. Diese Teile können je nach Notwendig keit in geeigneter Weise durch jeden Fachmann angeordnet werden. Bei den optischen Systemen sind lediglich einzelne Linsen gezeigt, jedoch können aus einer Mehrzahl von Elemen ten bestehende optische Systeme oder solche, die einen Spiegel einschließen, verwendet werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform. Bei der vorherigen Anordnung muß das Objekt 6 in einem innerhalb der Tiefen schärfe der Linsen 1 und 2 gelegenen Meßbereich angeordnet werden, um eine genaue Messung zu erreichen. Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung läßt jedoch eine Steuerung erreichen, um ein Objekt innerhalb des Meßbereichs vor der Erfassung einer dreidimensionalen Information anzuordnen.

Wie die Fig. 4 zeigt, befindet sich ein Halbleiterlaser element 7 als eine zweite Lichtquelle hinter der Masken platte 3. Ein vom Laserelement 7 ausgesandter Lichtstrahl wird durch eine Linse 8 auf eine Brennebene der Linse 1 fokussiert, durch einen Umlenkspiegel 9 umgelenkt und dann durch eines der Fenster Wn der Maskenplatte 3 auf ein Ob jekt 6 geworfen. Die anderen Anordnungen entsprechen den vorher beschriebenen.

Wenn das Objekt 6 außerhalb des Meßbereichs angeordnet wird, weil es außerhalb der Fokussierstellen der optischen Systeme fällt, werden Abbildungen der von der Lichtquelle 5 ausgesandten Projektionslichtstrahlen in hohem Maß un scharf. Da jedoch die Laserstrahlen als parallele Licht strahlen durch das optische System 8 und die Linse 1 pro jiziert werden, werden sie nicht so unscharf. Weil eine Projektionsenergiedichte hoch ist, zeigt eine Ausgangswel lenform 0 des Bildempfängers 4 einen hohen Maximumwert ML, der einer Objektpunktabbildung am Objekt 6 entspricht, wie die Fig. 5 zeigt, und der Maximumwert ML kann von anderen Ausgängen von optischen Bildern unterschieden werden. Deshalb wird der Abstand zu einem mit dem Laserstrahl am Objekt bestrahlten Punkt nach dem Prinzip der Triangula tion berechnet und kann als Information zur Anordnung des Objekts innerhalb des Meßbereichs verwendet werden. Auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben wurde, kann der Abstand zum Objekt 6 als ein Ort eines optischen Bilds am Bildempfänger 4 in der horzontalen Richtung gemessen werden. Wenn das Meßsystem oder das Objekt 6 in Überein stimmung mit dem gemessenen Abstand bewegt wird, so kann insofern das Objekt 6 innerhalb des Meßbereichs angeordnet werden.

Bei der vorher beschriebenen ersten Ausführungsform werden zwei optische Systeme mit derselben Brennweite verwendet. Alternativ können, wenn es notwendig ist, optische Systeme mit unterschiedlichen Brennweiten zur Anwendung kommen. In diesem Fall werden, um eine Bildverarbeitung zu erleich tern, die Objektivhauptebenen der optischen Systeme, d.h. der Bestrahlungs- und Bildempfangssysteme, vorzugsweise auf einer im wesentlichen identischen Ebene angeordnet, um zuverlässig eine optische Bildbewegung in anderen Rich tungen als der Basisrichtung zu verhindern.

Die Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform, wobei eine Linse 17 eines Bestrahlungssystems und eine Linse 18 eines Bildempfangssystems unterschiedliche Brennweiten haben. Gleiche Bezugszeichen in Fig. 6 bezeichnen zur vorherigen Beschreibung gleiche Teile, so daß eine nähere Beschrei bung dieser unterbleiben kann. Im Fall der Fig. 6 hat die Linse 17 gegenüber der Linse 18 eine längere Brennweite. Die Hauptebenen 17′ und 18′ der Linsen oder Objektive 17 und 18 auf der Seite eines Objekts sind auf einer im we sentlichen identischen Ebene angeordnet. Für die Hauptebe nen 17′′ und 18′′ auf der gegenüberliegenden Seite bestehen keine Beschränkungen und sie stimmen in diesem Fall nicht miteinander überein.

Die Abstände zwischen einer Maske 3 und einem Bildempfän ger 4 sowie den Linsen 17 und 18 werden so bestimmt, daß die Maske 3 und der Bildempfänger 4 an den Brennflächen dieser Linsen angeordnet sind. In diesem Fall entsprechen die Abstände von den Linsen 17 und 18 zur Maske 3 und zum Bildempfänger 4 den Brennweiten der jeweiligen Linsen.

Bei der obigen Anordnung sind lediglich die Projektionsver größerung des Maskenmusters der Linse 17 und die Bildvergrö ßerung der Linse 18 von der in Fig. 1 gezeigten Anordnung verschieden, während der Projektionszustand der Lichtstrah len und der Abbildungszustand der optischen Bilder zu denen in Fig. 1 gleich sind. Bei dieser Ausführungsform werden die Hauptebenen der Linsen 17 und 18 auf der Seite des Ob jekts vorzugsweise auf derselben Ebene angeordnet, so daß ihre Objektabstände zueinander gleich sind. Ein optisches Bild Dn eines Fensters Fn der Maskenplatte 3 am Bildempfän ger 4 weicht linear längs einer Abtastlinie in der Rechts/ Links-Richtung des Empfängers in Übereinstimmung mit dem Abstand des Objekts ab und wird nicht in Übereinstimmung mit dem Abstand des Objekts in der Auf/Ab-Richtung bewegt. Insofern ist der Bereich der Orte des optischen Bilds Dn begrenzt, was die Nachbildverarbeitung in der gleichen Wei se wie bei der vorherigen Ausführungsform erleichtert.

Die Anordnung von Fig. 6 ist wirksam und leistungsfähig, wenn eine relativ große Maske 3 und ein relativ kleiner Bildempfänger 4, wie ein Empfänger der Ladungsverschiebe elementbauart, verwendet werden müssen.

Wenn die Maske 3 in einem gleichartigen Vergrößerungssystem wie bei der ersten Ausführungsform verwendet wird, dann muß sie die gleiche Größe haben wie der Empfänger 4 und die Fenster Wn müssen mit einer Dichte ausgebildet werden, die der Auflösung des Empfängers entspricht. Die Ausbil dung einer derart kleinen Maske wirft jedoch ein techni sches Problem auf. Es ist für einen kleinen Maskenbereich schwierig, Bildmusterstrahlen zu projizieren, die mit Bezug auf das Objekt eine ausreichende Lichtmenge haben. Dadurch wird der Meßbereich des Objekts begrenzt oder eine Licht quelle mit einer übermäßig großen Lichtmenge benötigt.

Deshalb werden vorzugsweise eine relativ große Maske 3 und ein relativ kleiner Bildempfänger 4 verwendet. In diesem Fall kann eine Vergrößerungsumwandlung durch die in Fig. 6 gezeigte Anordnung verwirklicht werden.

Mit der Anordnung von Fig. 6 kann die gleiche Bildverarbei tung wie mit der vorherigen Ausführungsform durchgeführt werden. Obwohl ein vom Bildempfänger 4 erhaltenes optisches Bild verkleinert wird, wird seine Perspektive in der Auf/ Ab-Richtung nicht in eine zur Abtastlinie unterschiedli chen Richtung verschoben, und es wird die gleiche leichte dreidimensionale Informationsverarbeitung ermöglicht.

Wie die Fig. 7 zeigt, kann im Gegensatz zur Fig. 6 die Brennweite einer Bestrahlungslinse 19 verkürzt und die Brennweite einer Bildempfangslinse 20 vergrößert werden. Die Bedingungen für die Hauptebenen 19′ und 20′ der Linsen auf der Seite des Objekts u.dgl. sind die gleichen wie die se des in Fig. 6 dargestellten Falls. Hier wird nun eine Lichtquellenreihe 10 verwendet, in der Punktquellen, wie eine Halbleiterlaserreihe der Oberflächenemissionsbauart oder eine Leuchtdiodenreihe, gleich den Fenster Wn der Fig. 2 ausgerichtet sind. In Fig. 7 sind im Gegensatz zur vorherigen Beschreibung mit W 1 und W 2 nicht Fenster bezeichnet, sondern Lichtquellen in der Lichtquellenreihe 10. Eine Leuchtdioden- oder Halbleiterlaserreihe, die nor malerweise in einer großen Anzahl auf einem Substrat ausge bildet und zur Verwendung getrennt wird, kann als die Licht quellenreihe 10 zur Anwendung kommen.

Da von der Lichtquellenreihe ausgesandtes Licht normaler weise eine hohe Austrahlungsintensität in einer gegebenen Richtung hat, werden vorzugsweise benachbart zur Lichtquel lenreihe eine Kondensorlinse 11 u.dgl. in Übereinstimmung mit gewissen Bedingungen, wie einem effektiven Durchmesser der Linse 19 u. dgl., angeordnet, so daß Licht von der Lichtquelle wirksam zur Linse 19 hin gerichtet wird.

Mit Hilfe der obigen Anordnung kann eine dreidimensionale Information durch die gleiche Verarbeitung erhalten werden, obwohl die Vergrößerungen zu denen der Fig. 6 unterschied lich sind. In diesem Fall können Beschränkungen, die mit einem aus der Lichtquellenreihe 10 bestehenden Bestrah lungssystem und mit einem aus dem Bildempfänger 4 bestehen den Bildempfangssystem verknüpft sind, gemildert werden, so daß eine Konstruktion für das System mit weiteren vor teilhaften Herstellungsbedingungen erreicht wird.

Die Fig. 8 zeigt schematisch ein optisches System in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen bereits beschriebene Teile bezeichnen, so daß deren nähere Erläuterung unterbleiben kann.

Eine Lichtquelle 23 hat vorzugsweise eine relativ kleine Emissionsfläche 23′. Ein Umlenkspiegel 27 lenkt einen Teil des von der Lichtquelle 23 ausgehenden Lichts um. Ein Licht abschirmelement 28 ist im wesentlichen in der Mitte der Maske 3 angeordnet, um einen Teil des von der Lichtquelle 23 ausgesandten Lichts abzuschirmen, so daß eine direkte Lichtkomponente von der Lichtquelle 23 und eine über den Umlenkspiegel 27 zur Maske 3 hin gerichtete Lichtkomponente nicht auf identische Lichtleitbereiche W 1, W 2 und W 3 ein fallen.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Anordnung pflanzen sich von der Lichtquelle 23 ausgehende und durch die Lichtleitberei che W 1 sowie W 5 gehende Lichtstrahlen durch eine Linse 1 fort und bilden jeweils optische Bilder an den Stellen F 1 sowie F 2 eines Objekts 6 in Übereinstimmung mit der Lage des Objekts 6. Die optischen Bilder F 1 und F 2 bilden je weils optische Bilder an den Stellen D 1 und D 2 an einem Lichtempfänger 4 durch eine Linse 2.

Um bei dieser Ausführungsform einen möglichen Abstand-Meß bereich zu erweitern, werden die Tiefenschärfen der Linsen 1 und 2 vergößert und spezielle Bildmusterstrahlen auf das Objekt 6 geworfen. Die Lichtleitbereiche W 1, W 2, W 3, W 4 und W 5 der Maske 3 können insbesondere als Punktquellen angesehen werden. Deshalb werden, wenn das Öffnungsschema in der Maske 3 mittels einer normalen Beleuchtungstechnik beleuchtet wird, von den jeweiligen Lichtleitbereichen W 1, W 2, ... W 5 ausgehende Lichtkomponenten zerstreut und treten durch die gesamte Pupille der Linse 1, um durch diese Linse zum Objekt 6 hin gerichtet zu werden. Wenn die Bildmuster strahlen mit dieser Methode auf das Objekt 6 geworfen wer den, so wird, selbst wenn die Linse 1 mit einer großen Tie fenschärfe verwendet wird, der resultierende Abstand-Meß bereich begrenzt, und es werden am Bildempfänger unscharfe optische Bilder des Öffnungsschemas erzeugt, womit eine Lageermittlung der optischen Bilder unmöglich gemacht wird.

Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Lichtquelle 23 so angeordnet, daß sie von der Maske 3 getrennt ist, und das Lichtabschirmelement 28 befindet sich im wesentlichen in der Mitte der Maske 3, so daß die Lichtleitbereiche W 4 und W 5 auf der rechten Seite des Lichtabschirmelements 28 mit direktem Licht von der Lichtquelle 23 beleuchtet wer den, während die Lichtleitbereiche W 1, W 2 und W 3 auf der linken Seite des Lichtabschirmelements 28 mit Licht über den Umlenkspiegel 27 beleuchtet werden. Das bedeutet, daß die Lichtleitbereiche W 1, W 2 und W 3 auf der linken Seite des Abschirmelements 28 direktes Licht von der Lichtquelle 23 und die Lichtleitbereiche W 4 sowie W 5 auf der rechten Seite des Abschirmelements 28 Licht vom Umlenkspiegel 27 nicht empfangen. Deshalb treten die aus gegebenen Richtun gen einfallenden Lichtstrahlen durch die jeweiligen Licht leitbereiche W 1-W 5 der Maske 3. Dann fallen diese Licht strahlen auf die Linse 1 als dünne Strahlen ein und eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen wird zum Objekt 6 hin ge richtet. Da bei dieser Ausführungsform in der Lichtquelle 23 eine relativ kleine Lichtemissionsfläche 23′ verwendet wird, wird eine direkte Lichtkomponente oder eine vom Um lenkspiegel 27 reflektierte Lichtkomponente unter einem kleinen Diffusionswinkel zerstreut. Deshalb werden die Bildmusterstrahlen, die auf das Objekt 6 gerichtet werden, durch die Maske 3 zu dünnen Lichtstrahlen. Selbst wenn der Abstand zum Objekt 6 in großem Maß verändert wird, so wer den die optischen Bilder der Lichtleitbereiche W 1-W 5, die auf den Lichtempfänger 4 projiziert werden, nicht sehr unscharf. Auf diese Weise kann, wenn eine Projektionsein richtung nur geringfügig modifiziert wird, ein möglicher Abstand-Meßbereich außerordentlich erweitert werden.

Die Fig. 9 zeigt eine Abwandlung der Projektionseinrich tung der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung. Eine Licht emissionsfläche 33′ einer Lichtquelle 33 ist auf der verlän gerten Linie der optischen Achse der Linse 1 angeordnet, und zwei Umlenkspiegel 37 sowie 37′ werden dazu verwendet, Lichtstrahlen von der Lichtquelle 33 zu einer Maske 3 hin zu lenken, um auf diese Weise Bildmusterstrahlen zu erhal ten. In der Projektionseinrichtung gemäß dieser Abwandlung ist auch ein Lichtabschirmelement 38 zwischen der Maske 3 und der Lichtquelle 33 angeordnet, so daß eine Vielzahl von Lichtleitbereichen Wn in der Maske 3 nur von den Um lenkspiegeln 37 und 37′ reflektierte Lichtstrahlen emp fängt, die in vorgegebene Richtungen zu lenken sind. Die durch die Maske zu dünnen Lichtstrahlen umgewandelten Bild musterstrahlen fallen auf die Pupille der Linse 1. Wenn diese modifizierte Projektionseinrichtung als solche in der Abstand-Meßvorrichtung von Fig. 8 verwendet wird, dann kann die gleiche Wirkung wie bei der vorherigen Ausführungs form erzielt werden.

Als ein Umlenkspiegel kann zusätzlich zu einem bei der obigen Ausführungsform gezeigten ebenen Spiegel ein Spiegel von besonderer Gestalt, z.B. ein elliptischer Spiegel oder ein Winkelspiegel, verwendet werden. In diesem Fall wird ein Lichtabschirmelement an einer vorbestimmten Stelle an geordnet, so daß eine direkte Lichtkomponente von der Licht quelle und eine vom Umlenkspiegel kommende Lichtkomponente nicht auf identische Lichtleitbereiche einfallen.

Die Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei bereits beschriebene Bauteile mit densel ben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Eine Lichtquelleneinrichtung 43 besteht aus einer Mehrzahl von kleinen Lichtemissionsquellen 43₁, 43₂, ... 43 _n, z.B. Leuchtdioden, Laserdioden od. dgl., die auf einem Substrat angeordnet sind.

Um bei dieser Ausführungsform einen möglichen Abstand-Meß bereich zu erweitern, wird die Tiefenschärfe der Linsen 1 und 2 vergrößert und werden spezifische Bildmusterstrah len auf ein Objekt 6 gerichtet. Die Lichtleitbereiche W 1, W 2, ... W 5 der Maske 3 in Fig. 10 können insbesondere als Punktquellen angesehen werden und werfen ein gleicharti ges Problem auf, wie es zur dritten Ausführungsform bei einer normalen Beleuchtungstechnik herausgestellt wurde.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform ist jedoch die Lichtquelleneinrichtung 43 an einer von der Maske 3 getrenn ten Stelle angeordnet, wobei von den kleinen Lichtemis sionsquellen 43₁, 43₂, ... 43 _n ausgesandte Lichtkomponenten durch die zugeordneten Lichtleitbereiche W 1, W 2, ... Wn treten und auf die Pupille der Linse 1 einfallen. Bei die ser Anordnung hat eine Vielzahl von durch die Maske 3 erhal tenen Bildmusterstrahlen im Vergleich mit der Pupillenöff nung der Linse 1 eine kleine Größe nach Art eines Strahl flecks, so daß sehr dünne Lichtstrahlen zum Objekt 6 hin gerichtet werden. Deshalb kann, selbst wenn das Objekt 6 an einer Stelle angeordnet ist, die von einer gerade noch im Brennpunkt liegenden Stelle erheblich getrennt ist, ein Verschleiern von optischen Bildern an einem Bildempfänger 4 unterdrückt werden. Bei dieser Ausführungsform gehen Li nien, die die kleinen Lichtemissionsquellen 43₁, 43₂, ...43 _n und die entsprechenden Lichtleitbereiche W 1, W 2, ... Wn verbinden, durch die Nachbarschaft der Mitte der Linse 1 und Lichtkomponenten außer denen von den entsprechenden kleinen Lichtemissionsquellen, die auf die Lichtleitberei che W 1, W 2, ... Wn einfallen, fallen nicht auf die Pupil le der Linse 1. Es ist herauszustellen, daß die Dicke der Maske 3 vergrößert werden oder ein Lichtabschirmfeld zwi schen benachbarten Lichtleitbereichen W 1, W 2, ... Wn vorge sehen werden kann, wenn es notwendig ist, so daß die klei nen Lichtemissionsquellen 43 _n und die Lichtleitbereiche Wn zuverlässig eine 1 : 1-Übereinstimmung bieten.

Selbst wenn bei dieser Ausführungsform das Objekt 6 in einem nahen Abstandbereich vorhanden ist, so werden, wenn es in nerhalb eines Meßbereichs liegt, die einzelnen Bauteile so angeordnet, daß Lichtquellenabbildungen am Objekt 6 nicht in einem gerade noch fokussierten Zustand gebildet werden. Innerhalb des Meßbereichs kann eine Abstandmessung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.

Wie beschrieben wurde, werden Bildmusterstrahlen am Objekt 6 durch die Lichtquellen und die Maske 3 gebildet. Jedoch kann die gleiche Wirkung erhalten werden, wenn eine Viel zahl von Punktquellen mit einer Richtfähigkeit oder Rich tungsbündelung an einer ebenen Stelle der Maske 3 angeordnet werden.

Bei der in Fig. 11 gezeigten fünften Ausführungsform einer Abstand-Meßvorrichtung gemäß der Erfindung bezeichnen zu den obigen Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen die be reits besprochenen Teile.

Diese Vorrichtung umfaßt eine Linsenreihe 57 aus kleinen konvexen Linsen und eine Feldlinse 58.

Die Abstand-Meßvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform hat im Prinzip die gleiche Anordnung wie die in Fig. 10 gezeigte Vorrichtung, und das Prinzip der Messung ist eben falls das gleiche. Ein Unterschied zu der Ausführungsform von Fig. 10 liegt in der Anordnung einer Projektionsein richtung, um Bildmusterstrahlen zu erhalten. Wie die Fig. 11 zeigt, weist die Linsenreihe 57 kleine konvexe Linsen auf, um eine 1 : 1-Übereinstimmung mit kleinen Lichtemissions quellen 43₁, 43₂, ... 43 _n an einer Lichtquelleneinrichtung 43 zu erzeugen, wobei die Linsenreihe 57 zwischen der Licht quelleneinrichtung 43 und einer Maske 3 angeordnet ist. Ferner ist hinter der Maske 3 eine Feldlinse 58 angeordnet, so daß durch die Maske 3 tretende Lichtstrahlen zuverlässig auf die Pupille der Linse 1 fallen. Insbesondere werden von den kleinen Lichtemissionsquellen 43₁, 43₂, ... 43 _n ausgesandte Lichtkomponenten durch die Tätigkeit der je weiligen kleinen konvexen Linsen der Linsenreihe 57 scharf eingestellt und wirksam zu den Lichtleitbereichen W 1, W 2, ... Wn der Maske 3 hin gelenkt. Deshalb kann die Menge der durch die Maske 3 erhaltenen Bildmusterstrahlen vergrö ßert werden, und es können helle Bilder des Öffnungsschemas der Maske 3 auf den Bildempfänger 4 projiziert werden, womit die Meßgenauigkeit verbessert wird. Bei dieser Ausfüh rungsform werden durch die Lichtleitbereiche W 1, W 2, ... Wn tretende Lichtstrahlen mit einem kleinen Diffusionswinkel zerstreut und Lichtstrahlen fallen als dünne Lichtstrah len auf das Objekt 6. Selbst wenn die Stellen F 1 und F′ 1 des Objekts 6 voneinander weit getrennt sind, so werden deshalb die optischen Bilder des Öffnungsschemas am Bild empfänger 4 nicht sehr verschleiert, womit ständig eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht wird.

Es ist hervorzuheben, daß in Übereinstimmung mit einer Anpassungsmethode der Orte der Lichtleitbereiche W 1, W 2, ... Wn der Maske 3, der Linsenreihe 57 und der kleinen Lichtemissionsquellen 43₁, 43₂, ... 43 _n der Lichtquellen einrichtung 43 die Feldlinse 58 weggelassen werden kann.

Bei der obigen Ausführungsform wird eine Reihe von kleinen Lichtemissionsquellen (Leuchtdioden), die auf einem einzel nen Substrat gehalten sind, als Lichtquelle verwendet. Je doch können übliche getrennte Teile miteinander ausgerich tet oder getrennte, mit zu Konvexlinsen gleichartigen Glä sern abgedichtete Teile fluchtend angeordnet werden, um die Linsenreihe 57 in Fig. 11 zu ersetzen. Alternativ kann das Substrat der Reihe von kleinen Lichtemissionsquellen mit einem einer Reihe von Konvexlinsen gleichartigen transparenten Material abgedichtet werden.

Die Fig. 12 zeigt eine sechste Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei zu den vorherigen Ausführungsformen glei che Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Eine Lichtquelle 63 hat vorzugsweise eine relativ kleine Lichtemissionsfläche 63′. Ein elliptischer Umlenkspiegel 67 reflektiert einen Teil des Lichts von der Lichtquelle 63. Bei dieser Ausführungsform ist die Lichtquelle 63 an einer von der Maske 3 getrennten Stelle und außerhalb des Strah lenganges der von dem elliptischen Umlenkspiegel 67 reflek tierten Lichtstrahlen angeordnet, um das Licht von der Lichtquelle 63 zur Maske 3 hin zu lenken, so daß in vorbe stimmten Richtungen sich fortpflanzende Lichtstrahlen auf die Lichtleitbereiche W 1, W 2, ... W 5 der Maske 3 fallen. Ferner ist bei dieser Ausführungsform die Lichtquelle 63 (die kleine Lichtemissionsfläche 63′) am ersten Brennpunkt des elliptischen Umlenkspiegels 67 angeordnet, während der zweite Brennpunkt des Umlenkspiegels 67 mit dem Zentrum der Eintrittspupille der Linse 1 zusammenfällt. Die gesamte Vielzahl von Lichtmusterstrahlen, die durch die Maske 3 erhalten wird, kann durch die Linse 1 auf das Objekt 6 geworfen werden.

Bei einer einen elliptischen Umlenkspiegel wie in einem herkömmlichen Projektor verwendenden Beleuchtungstechnik beleuchten eine direkte Lichtkomponente von einer Licht quelle und eine reflektierte Lichtkomponente eine Maske, um die auf die Maskenfläche einfallende Lichtmenge zu ver größern. In diesem Fall haben die reflektierten und direk ten Lichtkomponenten unterschiedliche Einfallsrichtungen mit Bezug zur Maske. Wenn das Objekt 6 an einer von einer gerade noch fokussierten Stelle getrenntenStelle angeord net ist, wie es durch den Bestrahlungspunkt F′ 1 angegeben ist, dann bewirken deshalb die reflektierten und direkten Lichtkomponenten einen Unterschied in den Bestrahlungsstel len am Objekt. Das hat zum Ergebnis, daß zwei Punkte am Objekt mit Lichtstrahlen bestrahlt werden. Deshalb wird auch ein Unterschied in den Bildempfangsstellen am Bild empfänger 4 hervorgerufen, was ein Problem in der Erfassung der Bildempfangsstellen, um Objektabstände zu messen, auf wirft. Die reflektierte Lichtkomponente kann durch eine die Lichtquelle dicht umschließende Glasröhre treten und die Maske 3 beleuchten. In diesem Fall wird die numerische Apertur der Lichtstrahlen der Lichtleitbereiche der Maske, die auf das Objekt 6 projiziert werden, vergrößert und das auf das Objekt an einer von einer gerade noch fokus sierten Stelle getrennten Stelle eingestrahlte Öffnungs schema der Maske 3 erheblich verschleiert, wie vorher be schrieben wurde.

Bei der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform fällt eine von der Lichtquelle 63 ausgesandte und die Maske 3 direkt beleuchtende Lichtkomponente nicht auf die Linse 1. Des halb sind die Lichtstrahlen, die das Schema der Lichtleit bereiche der Maske 3 auf dem Objekt 6 erzeugen, lediglich Lichtkomponenten, die von der Lichtquelle 63 ausgesandt, durch den elliptischen Umlenkspiegel 67 reflektiert und nahe dem Zentrum der Eintrittspupille der Bestrahlungs linse 1 scharf eingestellt werden. Die numerische Apertur von durch einzelne Punkte der Lichtleitbereiche W 1, W 2, ... Wn der Maske 3 tretenden Lichtstrahlen entspricht einem möglichen Winkel eines durch Reflektieren der klei nen Lichtemissionsfläche 63′ der Lichtquelle 63 am Um lenkspiegel 67 gebildeten Spiegelbilds. Ein durch einen Punkt des Lichtleitbereichs W 3 tretender Lichtstrahl hat einen kleinen Diffusionswinkel, wie durch die ausgezogene Linie in Fig. 12 angedeutet ist. Als Ergebnis dessen kann die Breite der Verschleierung an einer von der gerade noch fokussierten Stelle getrennten Stelle F′ 1 um den Wert d vermindert werden. Da auf Grund der oben angegebe nen Kennwerte des elliptischen Umlenkspiegels ein durch den Lichtleitbereich W 5 an der Kante der Maske 3 treten der Lichtstrahl zum Zentrum der Eintrittspupille der Lin se 1 gerichtet wird, kann die Apertur der Linse 1 vermin dert werden, ohne durch diese eine Verfinsterung hervorzu rufen. Ferner kann ein Halte- oder Glasabdichtungselement der Lichtquelle 63 außerhalb des Strahlenganges des vom elliptischen Umlenkspiegel 67 reflektierten und auf die Linse 1 einfallenden Lichtstrahls angeordnet werden, womit Veränderungen in der durch die Lichtleitbereiche der Mas ke 3 tretenden Lichtmenge beseitigt werden.

Wie die Fig. 12 zeigt, kann der elliptische Umlenkspiegel von einem Teil eines elliptischen Spiegels gebildet werden oder der elliptische Spiegel kann als Ganzes angeordnet werden. Das erste optische System, und zwar vorzugsweise seine Eintrittspupille, ist nahe dem zweiten Brennpunkt des elliptischen Spiegels angeordnet, so daß dünne, von einem Aberrationseinfluß freie Lichtstrahlen erhalten wer den können. Insbesondere treten nahezu alle von der Maske 3 kommenden Lichtstrahlen vorzugsweise in der Nachbar schaft der optischen Achse des ersten optischen Systems 1 durch.

Bei den obigen Ausführungsformen werden zwei optische Sy steme mit denselben Brennweiten verwendet. Jedoch können, falls es notwendig ist, drei optische Systeme mit unter schiedlichen Brennweiten zur Anwendung kommen. Es ist festzuhalten, daß identische optische Systeme mit gleich förmigen Abbildungsfehlern und der gleichen Brennweite die einfachste Anordnung liefern können.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen werden optische Bilder einer Vielzahl von Bildmusterstrahlen, die durch eine Vielzahl von zweidimensional angordneten Lichtleit bereichen erzeugt werden, durch einen zweidimensionalen Bildempfänger, z.B. ein Ladungsverschiebeelement, erfaßt, um eine Messung auszuführen. Beispielsweise wird eine Vielzahl von Lichtleitbereichen mit gleichen Abständen angeordnet, so daß eine Vielzahl von durch diese gebilde ten Bildmusterstrahlen auf ein Objekt projiziert wird. Dann werden optische Bilder der Bildmusterstrahlen durch einen Bildempfänger empfangen, der eine Fühler- oder Empfängerreihe in seiner Längsrichtung aufweist, um die Gestalt eines Objekts längs einer bestimmten Richtung zu erfassen.

Eine Mehrzahl von zweiten optischen Systemen für einen Empfang von Bildmusterstrahlen von einem Objekt wird dazu angeordnet, ein Abstand-Meßfeld zu erweitern. Ferner kann, wenn das zweite optische System durch eine vorgegebene Antriebsvorrichtung einer parallelen Bewegung unterworfen wird, das Abstand-Meßfeld vergrößert werden. Umgekehrt können ein erstes optisches System, das eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen auf ein Objekt wirft, und eine Projek tionseinrichtung einer parallelen Bewegung durch eine vor gegebene Antriebsvorrichtung ausgesetzt werden, um den gleichen Effekt, wie er oben genannt wurde, zu erhalten.

Auf ein Objekt eingestrahlte Bildmusterstrahlen sind vor zugsweise dünne Lichtstrahlen, die einen Diffusionswinkel haben, der so klein wie möglich ist. Da jedoch ihre Grenze in der Hauptsache von der Empfindlichkeit eines Bildemp fängers abhängt, werden die Empfindlichkeit des zu verwen denden Bildempfängers, der Ausgang einer Lichtquelle und eine geforderte Meßgenauigkeit in Übereinstimmung mit den Vorschriften oder Spezifikationen einer Vorrichtung be stimmt.

Die Vergrößerung oder die Basislänge des optischen Sy stems, d.h. der Abstand zwischen dem ersten und zweiten in Fig. 1 gezeigten System, die Teilung der Lichtleit bereiche der Maske u. dgl. können im Hinblick auf einen Bereich, der gemessen werden soll, bestimmt werden.

Ein Bildempfänger, wie er in der Beschreibung erwähnt wur de, umfaßt alle lichtelektrischen Wandlerelemente, z.B. Fotodioden, Ladungsverschiebeelemente u.dgl., und er ist nicht in seiner Ausrichtung, z.B. als eine ein- oder zwei dimensionale Reihe, beschränkt.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß es wesentlich ist, eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen auf ein Objekt zu richten und von den Abbildungen der Bildmusterstrahlen am Objekt gebildete optische Bilder unter Verwendung eines Empfängers zu erfassen, so daß man aus den erfaßten Stel len eine dreidimensionale Information über das Objekt er hält. Da die Übereinstimmung zwischen den optischen Bil dern am Empfänger und einer die Bildmusterstrahlen erzeu genden Quelle augenscheinlich ist, kann in diesem Fall eine Abstandsinformation von einer Vielzahl von Stellen an der Oberfläche des Objekts nach dem Prinzip der Tri angulation berechnet werden, womit eine dreidimensionale Information über das Objekt erhalten wird. Die für diese Berechnung notwendige Technik ist im wesentlichen die gleiche, wie sie in der US-PAt.-Anm. Nr.7 06 727 beschrie ben wurde.

Eine Vorrichtung, die ein dreidimensionales Verfahren zur Informationsverarbeitung gemäß der Erfindung anwendet, umfaßt ein erstes optisches System, eine Projektionsein richtung, ein zweites optisches System und einen Bildemp fänger. Bei dieser Vorrichtung werden Bildmusterstrahlen in einer Vielzahl durch das erste optische System auf ein Objekt geworfen. Von den Bildmusterstrahlen am Objekt er zeugte optische Bilder werden durch das zweite optische System hindurch vom Bildempfänger empfangen, um die Orte der empfangenen optischen Bilder zu erfassen. Die Abstände von den erfaßten Stellen der optischen Bilder zu einer Vielzahl von Stellen am Objekt werden gemessen, womit man eine dreidimensionale Information über das Objekt erhält.

Claims

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Informationsverarbei tung, die Abstände von Orten optischer, durch eine Viel zahl von Bildmusterstrahlen erzeugten Bildern zu einer Vielzahl von Stellen an einem Objekt mißt, um eine drei dimensionale Information über das Objekt zu erhalten, gekennzeichnet durch

- eine erste optische Systemgruppe (1, 17, 19),
- eine eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen durch die erste optische Systemgruppe auf das Objekt (6) wer fende Projektionseinrichtung (3, 5, 10, 11, 23, 27, 33, 37, 43, 57, 58, 63, 67),
- eine zweite optische Systemgruppe (2, 18, 20) und
- einen von den Bildmusterstrahlen am Objekt erzeugte optische Bilder (F _n) durch die zweite optische System gruppe hindurch empfangenden Empfänger (4), der die Orte der empfangenen optischen Bilder (D _n) erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweiten der ersten sowie zweiten optischen Systemgruppe zueinander gleich sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hauptebenen (17′, 19′, 18′, 20′) der ersten sowie zweiten optischen Systemgruppe auf einer im wesentlichen identischen Ebene angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der ersten so wie zweiten optischen Systemgruppe zueinander parallel sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (4) rechtwinklig zur optischen Achse der zweiten optischen Systemgruppe an geordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (4) an einer Brenn fläche der zweiten optischen Systemgruppe angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung ein an der Brennfläche der ersten optischen Systemgruppe ange ordnetes Maskenbauteil (3) mit einer Vielzahl von Lichtleitbereichen (W _n) und eine auf der zur ersten optischen Systemgruppe entgegengesetzten Seite angeord nete Lichtquelle (5, 10, 23, 33, 43, 63) umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung eine Vielzahl von an der Brennfläche der ersten optischen Systemgruppe angeordne ten punktförmigen Lichtquellen (43 _n) umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlprojektionseinrichtung (7, 8) vorgesehen ist, die einen parallelen Strahl durch die erste opti sche Systemgruppe (1) hindurch auf das Objekt (6) projiziert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweiten der ersten sowie zweiten optischen Systemgruppe voneinander verschiedenartig sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung eine Lichtquelle (23, 33) ein Maskenbauteil (3) mit einer Vielzahl von Lichtleit bereichen (W _n), die bei Empfang eines von der Lichtquel le ausgesandten Lichts eine Vielzahl von Bildmusterstrah len bilden, eine wenigstens einen Teil des von der Licht quelle ausgesandten Lichts in eine zum Maskenbauteil hin verlaufende Richtung lenkende Ablenkeinrichtung (27, 37) und eine Lichtabschirmeinrichtung (28, 38), die einen Teil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts abschirmt, so daß in Richtungen, welche den jewei ligen Lichtleitbereichen entsprechen, sich fortpflan zende Lichtstrahlen auf die entsprechenden Lichtleit bereiche einfallen, umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (3, 43) so angeordnet ist, daß jeder aus der Vielzahl der Bildmusterstrahlen zu einem im Vergleich zu einem Pupillendurchmesser der ersten optischen Systemgruppe (1) hinreichend dünnen Lichtstrahl umgewandelt wird und durch die erste opti sche Systemgruppe geht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (3, 63, 67) so angeord net ist, daß eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen in der Nachbarschaft der optischen Achse der ersten opti schen Systemgruppe (1) durch diese durchtritt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Lichtleitbereiche (W _n) des Masken bauteils (3) in einer einer Bewegungsrichtung der op tischen Bilder am Empfänger (4) in Übereinstimmung mit dem Abstand zum Objekt (6) entsprechenden Richtung (3′) mit einer relativ geringen Dichte und in einer zur Be wegungsrichtung rechtwinkligen Richtung mit einer re lativ hohen Dichte angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelstrahl-Projektionseinrichtung eine La serlichtquelle (7) sowie eine optische Einrichtung (8) zur Fokussierung des von der Laserlichtquelle kommenden Lichts auf die Brennfläche der ersten optischen System gruppe (1) umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der ersten optischen Systemgruppe (17) größer ist als diejenige der zweiten optischen Systemgruppe (18).

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der ersten optischen Systemgruppe (19) kleiner ist als diejenige der zweiten optischen Systemgruppe (20).

18. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabschirmeinrichtung (28) im wesentlichen in der Mitte des Maskenbauteils (3) angeordnet ist, daß die Ablenkeinrichtung aus einem auf der einen Sei te der Lichtabschirmeinrichtung angeordneten Umlenk spiegel (27) besteht und daß die Lichtquelle (23) auf der anderen Seite der Lichtabschirmeinrichtung ange ordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (33) auf einer Verlängerungslinie der optischen Achse der ersten optischen Systemgruppe (1) angeordnet ist, daß die Lichtabschirmeinrichtung (38) zwischen dem Maskenbauteil (3) sowie der Licht quelle liegt und daß die Ablenkeinrichtung aus zwei beidseits der Lichtabschirmeinrichtung befindlichen Umlenkspiegeln (37, 37′) besteht.

20. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung ein Maskenbauteil (3) mit einer Vielzahl von Lichtleitbereichen (W _n) und eine Lichtquelle (43) mit einer Vielzahl von Lichtemissions quellen (43 _n), die eine 1 : 1-Übereinstimmung mit den Lichtleitbereichen haben, zur Beleuchtung des Masken bauteils umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung eine zwischen dem Mas kenbauteil (3) und der Lichtquelle (43) angeordnete Linsenreihe (57) mit kleinen konvexen Linsenelementen, die mit den Lichtleitbereichen (W _n) übereinstimmen, umfaßt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung ein Maskenbauteil (3) mit einer Vielzahl von Lichtleitbereichen (W _n), eine Lichtquelle (63) und einen elliptischen Umlenkspiegel (67), der Licht von der Lichtquelle zum Maskenbauteil hin lenkt, umfaßt, wobei die Lichtquelle außerhalb eines Strah lenganges der zum Maskenbauteil hin gerichteten Licht strahlen angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (63) Und die erste optische System gruppe (1) an zwei Brennpunkten des elliptischen Um lenkspiegels (67) angeordnet sind.

24. Dreidimensionales Informationsverarbeitungsverfahren, wobei Abstände von Orten von durch eine Vielzahl von Bildmusterstrahlen gebildeten optischen Bildern zu einer Vielzahl von Stellen an einem Objekt zur Erlan gung einer dreidimensionalen information über das Ob jekt gemessen werden, gekennzeichnet durch die Schritte:

- des Einstrahlens einer Vielzahl von Bildmusterstrah len durch eine erste optische Systemgruppe hindurch auf das Objekt,
- des Empfangens von durch die Bildmusterstrahlen am Objekt erzeugten optischen Bildern durch eine zweite optische Systemgruppe hindurch, um Orte der empfange nen optischen Bilder zu erfassen, und
- des Messens von Abständen von den Orten der opti schen Bilder zu der Vielzahl von Stellen des Objekts, um eine dreidimensionale Information über das Objekt zu erhalten.