WO1995004254A1 - Anordnung zur dreidimensionalen vermessung unzugänglicher hohlräume - Google Patents

Anordnung zur dreidimensionalen vermessung unzugänglicher hohlräume Download PDF

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WO1995004254A1
WO1995004254A1 PCT/DE1994/000898 DE9400898W WO9504254A1 WO 1995004254 A1 WO1995004254 A1 WO 1995004254A1 DE 9400898 W DE9400898 W DE 9400898W WO 9504254 A1 WO9504254 A1 WO 9504254A1
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camera
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light source
beam splitter
distance
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PCT/DE1994/000898
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Inventor
Matthias Hartrumpf
Roland Munser
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for three-dimensional measurement of inaccessible cavities according to the preamble of claims 1 and 2.
  • Remote-controlled camera vehicles are often used to inspect inaccessible cavities, and endoscopes are used for smaller cavities. Since increasingly cheaper and more powerful image processing systems have become available, more and more inspection systems have been equipped with image processing systems in order to support the visual inspection by the operator on the one hand and to carry out a (semi) automatic measurement of the cavities on the other. Since the primary goal, which largely determines the design of the optical system (camera and lighting), is the support of the operator, the devices on the market are illuminated with constant, unstructured light.
  • the cameras are located on a pan-tilt head.
  • the camera axis is aligned there by a rotation about the camera axis and a rotation about an axis perpendicular thereto.
  • the combination of these rotations ultimately results in an image of the area to be examined that is rotated about the horizon.
  • this rotation can be compensated for by counter-rotation of the sensor element in the camera.
  • a stereo vision system In order to enable the depth of the cavity to be measured with one of the conventional inspection systems, as mentioned above, either a stereo vision system or
  • a simple distance measurement may only be possible for flat structures that lie in a plane parallel to the image plane.
  • the distances between individual pixels are generally determined by means of light section methods or stereo cameras. These methods are based on an evaluation of the parallax of two optical systems (2 cameras or a structured light source and a camera).
  • the simplest example for demonstrating the principle of the light section method the illustration of an object point illuminated with a laser beam, is shown in FIG. 2.
  • the illuminated object point in addition to the imaging condition ⁇ 1 ⁇ , it also applies that it is cut by the illumination beam path.
  • the laser beam cuts the optical axis at point (0, a) at an angle w.
  • the structure projector is in arrangements according to the status technology at a distance b next to the camera.
  • the structure projector cannot be mounted in the center in the known light-section arrangements.
  • this arrangement has considerable disadvantages, especially for inspections of cylindrical cavities or pipe inspections.
  • the structure is shown in FIG. 3.
  • the nominal diameter range of the pipes to be measured or the shape and size of the cavities to be measured are not severely restricted, so that illumination with a matched pattern (or optical axes of the illumination and camera which are inclined towards one another) can be carried out using this method measure oblique cuts in the tube or cavity (see FIG. 3) - with the consequence that the side lying first of the structure projector is measured with high accuracy (since the measuring points are a short distance from the camera), while the opposite side Side of the tube, at which the measuring points are located at a considerably greater distance from the camera, is measured with less measuring accuracy. Even the extreme case will often be reached that parts of the light section are outside the depth of field of the image, i.e. cannot be measured.
  • the measurement errors ⁇ x of the x coordinate result in the measurement errors ⁇ x and c ⁇ of the object coordinates X, Z: f-tan (w) - (b + f-tan) given in formulas ⁇ 8 ⁇ and ⁇ 9 ⁇ (w)) f- (b + f-
  • the accuracies of the Z coordinate measurements are different in the left, (dashed line) and right (solid line) beam path.
  • the course of the measurement accuracy of the X coordinate determination illustrates that the highest measurement accuracy is achieved in the area of such measurement systems directly in front of the camera and structure projector. The measuring accuracy in the areas outside is considerably lower. Exactly these areas (
  • both optical systems are arranged next to one another and the optical axes of the systems usually have an oblique angle against this distance.
  • the accuracy of the resolution of the individual coordinates is limited by the distance between the camera and structured lighting.
  • the camera is usually arranged centrally.
  • the distance between the camera and the structure projector (which limits the accuracy of the measurement) is limited to half the maximum possible value (diameter of the inspection system), ie the accuracy is additionally limited.
  • the inspection of curvilinearly delimited cavities with such an arrangement leads to changes in shape between the illuminating pattern and the pattern visible on the wall of the cavity, as well as between these two and the one depicted, due to the swelling point of the illuminating pattern located outside the axis Template.
  • the rotation of the camera image and the illuminating structure i.e. the compensation angle
  • the rotation of the camera image and the illuminating structure must also be taken into account when calculating the structure transformation.
  • the object of the invention is to provide an arrangement for three-dimensional measurement of inaccessible cavities, with which a measurement which is considerably simplified compared to the prior art can be carried out.
  • This object is achieved according to the invention by claims 1 to 2.
  • Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
  • the basic idea of the invention is the central axis of the inspection system or the normal normal of the platform pivoted and inclined with the pan / tilt head either with the (central) axes of the camera and the emerging structured lighting, or to bring the axes of two cameras to coincide and, if necessary, necessary compensation of the rotational position of the image or images according to claim 3 with a rotatable optical element arranged in the beam path Element.
  • This optical element is designed such that its rotation leads to a rotation of the position of the image plane around the optical axis. Examples of such elements are arrangements of individual prisms (eg Pechan, Dove or Abbe-König prism) or arrangements of cylindrical lenses.
  • the optical axis of the camera can be virtually placed on the axis of the structure projector using one or more beam splitters. If the latter projects a light pattern that is symmetrical to its axis (e.g. conical) and the arrangement is guided centrally in a tube (i.e. the optical axes of the camera and the projector lie in the tube axis), a section of the tube perpendicular to the tube axis is measured. In the case of a cylindrical tube, all points on the circular section are then measured with the same accuracy. All intersection points can be imaged equally sharply on a sensor element (e.g. CCD matrix) and have the same intensity with a homogeneous surface, provided the corresponding quality of the structure projector and the image are provided.
  • a sensor element e.g. CCD matrix
  • an arrangement according to the invention is symmetrical with respect to the (generally central) longitudinal axis of the inspection probe or the normal on the pivoted and inclined platform.
  • This symmetry leads to a considerably simplified coordinate transformation between the measurement coordinate system, which is given by this platform and the normal on it, and the external target coordinate system (e.g. the coordinate system used to map the channel). Since the arrangement is rotationally symmetrical, it is sufficient to consider the light section with a point with the coordinates (R, Z) in the plane given by the optical axis and the distance of the measuring point from this axis.
  • the zero point of the coordinate system is in the main plane of the lens and the source point of the pattern (intersection with the optical axis of the camera) is (0, a) (see FIG. 5).
  • the coordinates are calculated according to formulas ⁇ 13 ⁇ and ⁇ 14 ⁇ for:
  • FIG. 6 shows a comparison of the measuring accuracy of the method from FIG. 3 (solid and dashed curves (see FIG. 4)) with the measuring accuracy of a comparable method according to the invention (dotted line).
  • Another particular advantage of the method results from the fact that it is no longer the transverse distance of the structured illumination and the camera that is decisive for the measurement accuracy, but instead the distance in the direction of the optical axis.
  • Measuring systems based on this method can therefore be implemented with a minimal diameter and are therefore particularly suitable for the internal inspection of objects with a small clear width (typical use of tube probes and endoscopes).
  • differences between the shape of the detected pattern and the illuminating pattern can only be attributed to the shape or shape of the wall of the cavity relative to the center of the inspection head, while the size of the detected pattern only depends on the distance from this wall to the inspection head and the known distance between camera and lighting. If the optical axes of the lighting and the camera lie exactly above one another, the center of the illuminating pattern and the center of the camera image are always fixed to one another. Then there are no displacements of the center points depending on the distance to the wall of the cavity, i.e. The image evaluation and interpretation can be greatly simplified by an appropriate choice of the illuminating pattern.
  • the compensation of the rotational position of the camera image according to the invention is carried out by means of a rotatable optical element arranged between the beam splitter and the cavity section to be inspected, it is additionally ensured that the relative rotational position between the illuminating and the detected pattern is always constant. Even without knowledge three-dimensional measurements of the cavity section shown can then be carried out in the measuring coordinate system, ie the evaluation of the camera image is further simplified.
  • FIG. 7 An arrangement according to the invention of two cameras is shown in FIG. 7.
  • An object point (R, Z) is imaged with the lens of the focal lengths f or f2 on the sensor element of the camera 1 or 2. From the conditions for the illustration
  • the evaluation of these images is further greatly simplified since, compared to a stereo camera according to the prior art, 3 different rotations are eliminated (rotations the image positions of the cameras, rotation of the distance of the camera by a normal on the pivoted and inclined platform).
  • the measuring method is tolerant of small distances between the optical axes.
  • the advantages of a measurement method according to the invention are present - with minor restrictions - if the optical axes of the system components (structure projector and camera or two cameras) are parallel and at a distance which is much smaller than the distance required to achieve the measurement accuracy ( "effective distance a").
  • this distance a is the projection of the distance of the main planes on the object side of the effective camera lenses onto the optical axis or the corresponding projection of the distance between object-side main plane of the effective camera lens and the source point of the projected pattern.
  • a beam splitter (13) is arranged between the camera and the entrance optics or according to claim 5
  • a beam splitter (8) is arranged between the optical element (7) for rotating the image position and the camera.
  • the structured illumination comes from the partial beam path (b) or (e) to the common entry or exit opening (5).
  • both arrangements are equivalent. The two arrangements differ if the rotationally symmetrical light structures are not projected, the support (4) is rotated about the optical axis (f) and the image position is corrected according to claim 3. Then it comes:
  • the optical axes of the camera and structured lighting in the common beam path can be made to coincide so that when the cavity wall is displaced against the pan / tilt head, there is no displacement of the center of the pattern shown relative to the camera image.
  • the intensity losses occurring at the beam splitter (8) or (13) can be minimized. That from If the polarization direction is appropriately aligned relative to the beam splitter, linearly polarized light coming in comes through this beam splitter almost without attenuation. If there is no rotation of the polarization direction in the further beam path to the object and from it back to the polarizing beam splitter, for example, a correspondingly aligned ⁇ / 4 plate can be used to illuminate the cavity with circularly polarized structured radiation. The radiation coming from the cavity is then also circularly polarized and is linearly polarized as it passes through the delay element in such a way that it passes the beam splitter in the direction of the camera almost unattenuated.
  • a third partial beam path (g) can be generated by means of a further beam splitter (6) and detected by means of a further camera.
  • This camera can be used to support an operator who can use the images thus recorded for visual inspection and for maneuvering the carrier or camera vehicle through the cavity.
  • a particularly low-loss beam separation can be achieved if this beam splitter divides the incoming radiation selectively with respect to the wavelength into the partial beam paths (g) and (b).
  • this beam splitter is dimensioned such that only radiation from a narrow spectral range around the wavelength of the narrow-band radiation of the structured illumination is reflected in the partial beam path from the beam splitter in the direction of the structured light source or back, a maximum of one ( incoming light coming in the other partial beam path (not shown in FIG. 8).
  • the light patterns generated by the structured illumination on the cavity are almost invisible in this partial beam path, ie the camera image practically corresponds to the image obtained with one of the inspection arrangements previously used.
  • almost only the radiation resulting from the structured illumination of the object is present in the other partial beam path, ie the pattern created on the object by the structured illumination can be imaged with maximum contrast.
  • the beam paths can be folded and the spatial expansion of the entire arrangement can be optimized.
  • imaging optical elements for example lenses, concave mirrors, parabolic mirrors
  • the optical properties for example depth of field, effective focal lengths of the individual cameras, radiation characteristics of the structured illumination, wavelength range of the wavelength-selective beam splitter, effective distance between structured light source and the camera or the individual cameras).
  • the entire system can be aligned with different sections of the cavity.
  • the image erection according to the invention is particularly advantageous if additional sensors, such as, for example, ultrasound sensors according to claim 15, are attached to or rotatable with this carrier. They can then be aligned such that they only cover a limited angular range of the cavity and rotate with the carrier in the cavity. By means of this rotational movement, the sensors can scan the entire cavity or individual parts of the cavity and thus carry out measurements with respect to the angle. If the inventive compensation of the positional rotation of the video images resulting from the rotational movement is carried out, this angular scanning can take place without impairing the optical measurement or the visual inspection.
  • additional sensors such as, for example, ultrasound sensors according to claim 15
  • the sensors can scan the entire cavity or individual parts of the cavity and thus carry out measurements with respect to the angle.
  • the specified arrangements are particularly suitable for the inspection of disposal lines such as sewers, for the inspection of supply lines and for use in endoscopy.
  • the partial beam path from the structured, polarized and narrow-band light source (3) via a mirror (11) and a lens (12) to the polarizing beam splitter (8) is designated by (d).
  • the structured illumination reaches the ⁇ / 4 plate (10) almost unattenuated.
  • the radiation reaching from there to a wavelength-selective beam splitter (6) is circularly polarized with the appropriate orientation of the ⁇ / 4 plate and passes through a lens (12) and possibly via a rotatable Pechan or Dove prism (7 ) on the optics or opening (5) and from there on the section to be measured of the cavity (1).
  • the light pattern created there and the radiation coming from there pass through the optics or opening (5), if necessary, for. B. on the rotatable Pechan or Dove prism (7) on the lens (12) and from there on the wavelength-selective beam splitter (6).
  • the radiation coming from the cavity arrives almost completely through this beam splitter into the partial beam path (g), ie via a lens (12) and 2 prisms for folding the beam path (11). on a (coloring) camera (2).
  • the circularly or elliptically polarized radiation coming from the light pattern generated by the structured illumination reaches the partial beam path (b) through the ⁇ / 4 plate onto the polarizing beam splitter.
  • the polarizing beam splitter (8) After the ⁇ / 4 plate, it is polarized approximately perpendicular to the direction of the radiation passing through in the opposite direction and coming from the structured illumination and is therefore directed almost completely by the polarizing beam splitter (8) in the partial beam path (c) onto the camera .
  • the delay element (10) can be omitted in this solution variant and the beam splitter (8) can reflect 100% of the radiation arriving in the partial beam path (b) to the camera (9).

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur dreidimensionalen Vermessung unzugänglicher Hohlräume (z.B. Abwasser-Kanalrohre) mittels Lichtquelle und Kamera, die auf einem Inspektionskopf bzw. Träger angebracht sind, wodurch eine strukturierte Lichtquelle verwendet wird und Kamera und strukturierte Lichtquelle eine gemeinsame Eintritts- bzw. Austrittsöffnung besitzen und vor der Öffnung mindestens teilweise eine gemeinsame optische Achse aufweisen oder mindestens teilweise parallele Achsen aufweisen, deren Abstand wesentlich kleiner ist als der Abstand (a) zwischen dem Quellpunkt des Musters und der objektseitigen Hauptebene des Kameraobjektivs.

Description

Anordnung zur dreidimensionalen Vermessung unzugänglicher Hohlräume
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur dreidimensionalen Vermessung unzugänglicher Hohlräume gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Stand der Technik
Zur Inspektion unzugänglicher Hohlräume werden vielfach fernlenkbare Kamera-Fahrzeuge bzw. bei kleineren Hohlräumen Endoskope benutzt. Seitdem zunehmend preisgünstigere und leistungsfähigere Bildverarbeitungssysteme verfügbar sind, werden zunehmend mehr Inspektionssysteme mit Bildverarbeitungssystemen ausgerüstet, um einerseits die visuelle Inspektion durch den Bediener zu unterstützen und andererseits eine (halb-) automatische Vermessung der Hohlräume durchzuführen. Da das primäre, die Auslegung des optischen Systems (Kamera und Beleuchtung) weitestgehend bestimmende Ziel die Unterstützung der Bediener ist, wird bei den marktüblichen Geräten mit konstantem, unstrukturiertem Licht beleuchtet.
Zur kompletten dreidimensionale Vermessung der inspizierten Hohlräume durch Auswer¬ tung des Kamerabildes wäre bekanntermaßen entweder eine Beleuchtung mit strukturiertem Licht oder eine zweite Kamera (Stereosichtsystem) erforderlich. Zudem ist zum Erreichen einer bestimmten Meßgenauigkeit bei den bekannten Verfahren ein Mindestabstand zwi¬ schen den Komponenten senkrecht zur Inspektionsrichtung nötig. Neben der Störung der vi¬ suellen Inspektion des Bedieners, kommt die Anwendung der bekannten optischen SD- Meßverfahren daher zumeist schon allein vom benötigten Platzbedarf her nicht in Betracht.
Bei vielen Inspektionsfahrzeugen befinden sich die Kameras auf einem Schwenk-Neigekopf. Die Ausrichtung der Kameraachse erfolgt dort durch eine Drehung um die Kameraachse und eine Drehung um eine dazu senkrechte Achse. Im Gegensatz zur normalerweise prakti¬ zierten Ausrichtung der menschlichen Augen durch zwei Drehungen des Kopfes um Achsen senkrecht zur mittleren Augenachse, ergibt die Kombination dieser Drehungen letztendlich ein um den Horizont verdrehtes Bild der zu untersuchenden Stelle. Nach dem Stand der Technik [I] kann diese Drehung durch eine Gegendrehung des Sensorelements in der Kamera kompensiert werden.
Probleme
Um mit einem der gebräuchlichen Inspektionssysteme auch die Vermessung der Tiefe des Hohlraums zu ermöglichen, muß - wie oben erwähnt - entweder ein Stereosichtsystem oder
1 Patentschrift DE 30 19 339 Cl eine ggf. zuschaltbare Quelle strukturierten Lichts auf dem Endoskop bzw. Kamera-Fahr¬ zeug angeordnet werden, da in die Bildebene eines Objektivs aufgrund der Schärfentiefe der Abbildung ein mehr oder weniger großes Volumen des Objektraumes abgebildet wird. Jedem Bildelement (Pixel) ist ein, die Gegenstandsebene schneidendes, Volumen in Form eines Pyramidenstumpfs zugeordnet. Ohne zusätzliche Maßnahmen ist daher mit einer Kamera allein lediglich eine sehr ungenaue Dimensionsmessung möglich, es fehlt eine Eichung der detektier- ten Strukturen mit dem Abbildungsverhältnis.
Am Schnitt einer Abbildung in der X-Z-Ebene (s.Fig.l und Formel {1}) kann dies verdeutlicht werden. Der Punkt P mit den Koordinaten (X,Z) wird mit einer Linse der Brennweite f auf einen Bildpunkt B mit den Koordinaten (x,z) abgebildet. Aus den Abbildungsgleichungen (bei Berücksichtigung der Bildumkehr durch eine entsprechende Wahl des x,z-Meßkoordinaten-
systems) folgt: {1 }, d.h. ohne Kenntnis der Gegenstandsweite Z kann der
Figure imgf000004_0001
Abstand X des Punktes P zur optischen Achse nicht bestimmt werden.
Nur für ebene Strukturen, die in einer Ebene parallel zur Bildebene liegen, kann unter Umstän¬ den eine einfache Abstandsmessung (beispielsweise mit Näherungsdetektoren) erfolgen. Für andere Objekte werden die Abstände einzelner Bildpunkte in der Regel mittels Lichtschnittver¬ fahren bzw. Stereokameras bestimmt. Diese Verfahren basieren auf einer Auswertung der Parallaxe zweier optischer Systeme (2 Kameras bzw. eine strukturierte Lichtquelle und eine Kamera). Das einfachste Beispiel zur Demonstration des Prinzips der Lichtschnittverfahren, die Abbildung eines, mit einem Laserstrahl beleuchteten, Objektpunktes zeigt Fig. 2. Für den be¬ leuchteten Objektpunkt gilt dann neben der Abbildungsbedingung {1}, daß er von dem Beleuchtungs-Strahlengang geschnitten wird. Der Laserstrahl schneidet die optische Achse im Punkt (0,a) unter einem Winkel w. Es genügt die Betrachtung der durch die optische Achse und den Laserstrahl gegebenen (X-Z)-Ebene. Für die Abbildung mittels der Linse gilt die Ab¬ bildungsbedingung {1} und aus dem Schnitt des Objektpunkts mit dem beleuchtenden Laserstrahl folgt: X = Z-tan(w)-b {2} bzw. X = (Z-a)-tan(w) {3}. Bei den bekannten Licht¬ schnittverfahren wird der Schnittpunkt des beleuchtenden Musters mit der Hauptebene der Linse als Bezugspunkt (b,0) verwendet. Dann ergeben sich die Koordinaten (X,Z) des Punktes P aus der, in der Bildebene gemessenen, x-Koordinate, dem Strahlwinkel w und der bekannten Brennweite f nach:
X v = x* f-tan( s —w) '-b { .4..} und , Z ., = f ,* : x-b { .5..}. x-f -tan(w) x-f-tan(w)
In der Regel begnügt man sich nicht damit, nur jeweils einen Punkt in der abgebildeten Ebene zu vermessen. Daher wird normalerweise eine Linie bzw. eine dem Meßobjekt angepaßte Lichtstruktur projiziert. Der Strukturprojektor befindet sich bei Anordnungen nach dem Stand der Technik in einem Abstand b neben der Kamera. Für Anwendungen, bei denen nur sehr kompakte Meßsysteme eingesetzt werden können - wie beispielsweise Sonden für die Inspektion von Rohren - kann der Strukturprojektor bei den bekannten Lichtschnitt-aAn¬ ordnungen nicht im Zentrum angebracht werden. Wie am folgenden ebenen Fall einfach gezeigt werden kann, hat diese Anordnung speziell für Inspektionen zylindrischer Hohlräume bzw. Rohrinspektionen erhebliche Nachteile. Im betrachteten einfachen Fall emittiere der Struktur¬ projektor 2 Laserstrahlen mit den Winkeln w = ± wl gegen die optische Achse. Den Aufbau zeigt Fig. 3. Aus den Strahlverläufen und der Abbildungsbedingung folgen die Formeln {6} und {7} für die Berechnung der Koordinaten (X,Z) der Lichtschnittpunkte aus den in der Bild¬ ebene gemessenen Werten der x-Koordinate:
b f.tan(w).(x+b) {6} und z = f._x±b_
2 x-f-tan(w) l ' x-f-tan(w) l J
Ist der zu vermessende Nennweitenbereich der Rohre bzw. die Form und Größe der zu ver¬ messenden Hohlräume nicht stark eingeschränkt, so daß eine Beleuchtung mit einem angepaßten Muster (bzw. gegeneinander geneigter optischer Achsen von Beleuchtung und Kamera) durchfuhrbar ist, werden mit diesem Verfahren schräge Schnitte im Rohr bzw. Hohlraum vermessen (s. Fig. 3) - mit der Konsequenz, daß die dem Strukturprojektor zunächst liegende Seite mit hoher Genauigkeit vermessen wird (da die Meßpunkte in geringer Entfer¬ nung von der Kamera liegen), während die gegenüberliegende Seite des Rohres, bei der die Meßpunkte in erheblich größerer Entfernung zur Kamera liegen, mit geringerer Meßgenauig¬ keit vermessen wird. Oft wird sogar der Extremfall erreicht werden, daß Teile des Lichtschnit¬ tes außerhalb des Schärfentiefenbereichs der Abbildung sind, d.h. nicht vermessen werden können.
Aus den Meßfehlern σx der x-Koordinate (in der Bildebene) resultieren die in den Formeln {8} und {9} angegebenen Meßfehler σx und cχ der Objektkoordinaten X,Z: f-tan(w)-(b+f-tan(w)) f-(b+f-
{8} und σz = —tan(w —)) σ
(x-f-tan(w))2 (x-f.taπ(w))2 {9}.
Wie die Berechnung eines typischen Verlaufs des Fehlers der Z-Koordinatenbestimmung zeigt (s. Fig. 4 oben), sind die Genauigkeiten der Z-Koordinatenmessungen im linken, (gestrichelt gezeichneten) und im rechten (durchgezogen gezeichneten) Strahlengang unterschiedlich. Fer¬ ner verdeutlicht der Verlauf der Meßgenauigkeit der X-Koordinatenbestimmung (s. Fig. 4, un¬ ten), daß bei derartigen Meßsystemen im Bereich direkt vor Kamera und Strukturprojektor die höchste Meßgenauigkeit erreicht wird. Die Meßgenauigkeit in den Bereichen außerhalb ist er¬ heblich geringer. Genau diese Bereiche (|X|>b/2) sind jedoch bei der Inspektion von Hohlräumen wie Rohren bzw. bei Inspektionen mit Endoskopen hauptsächlich von Interesse, während die Bereiche, bei denen Standard-Lichtschnittverfahren höchste Meßgenauigkeit liefern, z. T. überhaupt keinen Schnitt mit dem strukturierten Licht erlauben (bedingt durch die Geometrie der Meßobjekte). Folglich können mit diesen Verfahren in Rohren bzw. ähnlichen Hohlräumen nur vergleichs¬ weise ungenaue Messungen durchgeführt werden.
Bei der Inspektion von Rohren kommt es bei diesen Meßverfahren ferner zu relativ großen In¬ tensitätsunterschieden im abgebildeten Lichtschnitt und die Berechnung der Objektkoordinaten ist verhältnismäßig aufwendig. Bei einer Beleuchtung des Rohres mit einer kegelförmigen Lichtstruktur in der in Figur 3 gezeigten .Anordnung ergeben sich beispielsweise die Formeln {10} bis {12} für die Berechnung der Koordinaten X,Y,Z (zum Vergleich siehe die im Folgen¬ den gezeigte Berechnung für eine erfindungsgemäße Anordnung; Formeln { 13 } und { 14}):
Figure imgf000006_0001
x2 +χ.b + y2 ± tan2(w)*f2 *(y2 +(x+b)2)-y2 -b2
{ 12}. x2 + y2 -tan2(w)
Bei den bekannten .Anordnungen sind beide optische Systeme nebeneinander angeordnet und die optischen Achsen der Systeme haben zumeist einen schiefen Winkel gegen diesen Abstand. Zum Erreichen einer gewünschten Meßgenauigkeit ist die Einhaltung eines Mindestabstands zwischen den Systemkomponenten unerläßlich, d.h. eine Ausdehnung der Systeme senkrecht zur Inspektionsrichtung. Dementsprechend können diese Systeme auch nur bedingt zur Inneninspektion von Objekten mit geringer lichter Weite (Rohre, Gefäße, kleine Hohlräume etc.) eingesetzt werden.
Für beide Anordnungen (Stereosichtsystem, Kamera und strukturierte Beleuchtung) ergeben sich bei der dreidimensionalen Vermessung der Hohlraumgeometrie jeweils unterschiedliche Probleme, besonders, wenn die Änderung der Drehlage des Kamerabilds nach dem Stand der Technik kompensiert wird.
Für eine Anordnung aus einer Kamera und einer strukturierten Beleuchtung ist die Genau¬ igkeit der Auflösung der einzelnen Koordinaten durch den Abstand zwischen Kamera und strukturierter Beleuchtung begrenzt. Um eine möglichst einfache Bedienbarkeit des Geräts zu gewährleisten, wird die Kamera in der Regel zentrisch angeordnet. Dadurch ist der Abstand zwischen Kamera und Strukturprojektor (der die Genauigkeit der Messung ein¬ schränkt) auf die Hälfte des maximal möglichen Wertes (Durchmesser des Inspektions¬ systems) begrenzt, d.h. die Genauigkeit ist zusätzlich beschränkt. Ferner kommt es bei der Inspektion krummlinig begrenzter Hohlräume mit einer solchen .Anordnung, bedingt durch den außerhalb der Achse befindlichen Quellpunkt des beleuchtenden Musters zu Formver¬ änderungen zwischen beleuchtendem Muster und dem auf der Wandung des Hohlraums sichtbaren Muster, sowie zwischen diesen beiden und dem abgebildeten Muster. Zur Ermittlung der Koordinaten der interessierenden Objektstrukturen sind deshalb aufwendige Berechnungen der Koordinaten- und Formtransformationen zwischen beleuchtender Struktur, auf dem Objekt abgebildeter Struktur und mit der Kamera beobachteter Struktur nötig. In diese Strukturtransformationen geht die Lage des Abstands zwischen Kamera und Lichtquelle im Raum ein. Ferner führt dieser Abstand zu einer Verschiebung des abgebilde¬ ten Musters auf dem Kamerabild, deren Größe vom Abstand und Winkel des Inspektions¬ systems gegen die Hohlraumwand abhängt. Das gebräuchliche Verfahren zur Vereinfachung der Berechnung von Objektkoordinaten aus einem Kamerabild ist die Beleuchtung mit einem der Geometrie des zu vermessenden Objekts angepaßten Muster. Es kann hier auf¬ grund der abstands- und winkelabhängigen Verschiebung der Abbildung dieses Musters nicht genutzt werden.
Wird zusätzlich eine Anordnung zur Kompensation des Winkels zwischen Kamerabild und Horizont eingesetzt, muß weiterhin die Verdrehung von Kamerabild und beleuchtender Struktur (d.h. der Kompensationswinkel) bei der Berechnung der Strukturtransformation berücksichtigt werden.
Bei einem Stereosichtsystem hingegen muß berücksichtigt werden, daß die in die Berech¬ nung der Tiefeninformation eingehende Lage der Kameras sich durch eine Verdrehung des Schwenk-Neigekopfs räumlich ändert. Der Rechenaufwand bei der Ermittlung der Objektkoordinaten nimmt weiter zu, falls die Kamerabilder nach dem Stand der Technik mit einer Kompensation der Bildlage gegenüber dem Horizont ausgestattet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur dreidimensionalen Vermessung unzu¬ gänglicher Hohlräume zu schaffen, mit der eine gegenüber dem Stand der Technik erheb¬ lich vereinfachte Vermessung durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungs¬ gemäß durch die Ansprüche 1 bis 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindung ,
Grundgedanke der Erfindung ist es die mittlere Achse des Inspektionssystems bzw. die mittlere Normale der mit dem Schwenk-Neigekopf geschwenkten und geneigten Plattform entweder mit den (mittleren) Achsen der Kamera und der austretenden strukturierten Beleuchtung, oder den Achsen zweier Kameras zur Deckung zu bringen und eine ggf. erförderliche Kompensation der Drehlage des Bildes bzw. der Bilder nach Anspruch 3 mit einem, im Strahlengang angeordneten, drehbaren optischen Element durchzuführen. Dieses optische Element ist derart gestaltet, daß seine Verdrehung zu einer Verdrehung der Lage der Bildebene um die optische Achse führt. Beispiele solcher Elemente sind Anordnungen von Einzelprismen (z.B. Pechan-, Dove- bzw. Abbe-König Prisma) bzw. Anordnungen von Zylinderlinsen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des Meßverfahrens, kann die optische Achse der Kamera mit einem oder mehreren Strahlteilern virtuell auf die Achse des Strukturprojektors gelegt werden. Falls dieser ein zu seiner Achse symmetrisches (beispielsweise kegelförmiges) Lichtmuster projiziert und die Anordnung zentrisch in einem Rohr geführt wird (d.h. die optischen Achsen der Kamera und des Projektors liegen in der Rohrachse), so wird ein zur Rohrachse senkrechter Schnitt des Rohres vermessen. Bei einem zylindrischen Rohr werden dann alle Punkte auf dem kreisförmigen Schnitt mit gleicher Genau¬ igkeit vermessen. Alle Schnittpunkte können gleich scharf auf ein Sensorelement (z.B. CCD- Matrix) abgebildet werden und haben bei einer homogenen Oberfläche, unter der Vorausset¬ zung einer entsprechenden Qualität des Strukturprojektors und der Abbildung, gleiche Intensität.
Wie das in Fig. 5 gezeigte Prinzip des Verfahrens verdeutlicht, ist eine erfindungsgemäße An¬ ordnung symmetrisch bezüglich der (im Regelfall mittleren) Längsachse der Inspektions¬ sonde bzw. der Normalen auf der geschwenkten und geneigten Plattform. Diese Symmetrie führt zu einer erheblich vereinfachten Koordinatentransformation zwischen dem Meßkoor¬ dinatensystem, das durch diese Plattform und die Normale auf ihr gegeben ist, und dem äußeren Zielkoordinatensystem (z.B. das zur Kartographie des Kanals benutzte Koordina¬ tensystem). Da die Anordnung rotationssymmetrisch ist, genügt die Betrachtung des Lichtschnitts mit einem Punkt mit den Koordinaten (R,Z) in der durch die optische Achse und den Abstand des Meßpunkts zu dieser Achse gegebenen Ebene. Der Nullpunkt des Koordina¬ tensystems liege in der Hauptebene der Linse und der Quellpunkt des Musters (Schnittpunkt mit der optischen Achse der Kamera) liege bei (0,a) (s. Fig. 5). Die Berechnung der Koordina¬ ten erfolgt nach den Formeln {13} und {14} zu:
R = r.tan(W).(f-a) f.(r-a-tan(w)) r-f-tan(w) " r-f-tan(w) Entsprechend den Formeln {13} und {14} ergeben sich aus dem Fehler σr der Messung von r folgende Fehler σz, σR der gemessenen Objekt-Koordinaten:
(a-f)-f-tan--(w) (a-f)-f-tan(w)
{15}; {16}
(r-f-tan(w)) (r-f-tan(w))
Fig. 6 zeigt einen Vergleich der Meßgenauigkeit des Verfahrens aus Fig. 3 (durchgezogene und gestrichelte Kurven (s. Fig. 4)) mit der Meßgenauigkeit eines vergleichbaren erfindungs¬ gemäßen Verfahrens (Punktlinie). Angenommen wurde jeweils eine Basislänge von 2*f bzw. ein Schnittpunkt (0,0,-2*f) und ein Strahlwinkel von w=±30°.
Wie die in Fig. 6 dargestellten Verläufe der Meßgenauigkeit gegen den Radius und gegen den Abstand in Richtung der optischen Achse zeigt, ist die Meßgenauigkeit symmetrisch bezüglich der optischen Achse R=0 und bei entsprechender Dimensionierung des Systems besonders bei großen Abständen der Meßpunkte zur optischen Achse besser als die mit bekannten Verfahren erreichbare Genauigkeit.
Ein weiterer besonderer Vorteil des Verfahrens ergibt sich dadurch, daß nicht mehr der Querabstand der strukturierten Beleuchtung und der Kamera für die Meßgenauigkeit entscheidend ist, sondern stattdessen der Abstand in Richtung der optischen Achse. Auf diesem Verfahren beruhende Meßsysteme können daher mit minimalem Durchmesser realisiert werden und sind deshalb speziell für die Inneninspektion von Objekten mit geringer lichter Weite (typische Einsatzfalle von Rohrsonden und Endoskopen) besonders geeignet.
Ferner können bei einer erfindungsgemäßen Anordnung aus strukturierter Lichtquelle und Kamera Unterschiede zwischen der Form des detektierten Musters und dem beleuchtenden Muster lediglich auf den Verlauf bzw. die Form der Wand des Hohlraums relativ zum Zen¬ trum des Inspektionskopfes zurückgeführt werden, während die Größe des detektierten Musters nur vom Abstand dieser Wand zum Inspektionskopf sowie dem bekannten Abstand zwischen Kamera und Beleuchtung abhängt. Liegen die optischen Achsen von Beleuchtung und Kamera genau übereinander, so liegen der Mittelpunkt des beleuchtenden Musters und der Mittelpunkt des Kamerabildes stets fest zueinander. Es treten dann keine Verschiebun¬ gen der Mittelpunkte in Abhängigkeit von dem Abstand zur Wand des Hohlraums auf, d.h. durch eine entsprechende Wahl des beleuchtenden Musters kann die Bildauswertung und In¬ terpretation stark vereinfacht werden.
Wird die erfindungsgemäße Kompensation der Drehlage des Kamerabildes mittels eines, zwischen Strahlteiler und zu inspizierendem Hohlraumabschnitt angeordneten, drehbaren optischen Elements durchgeführt, so ist zusätzlich gewährleistet, daß die relative Drehlage zwischen beleuchtendem und detektiertem Muster stets konstant ist. Auch ohne Kenntnis des Schwenk-, Neige- und Kompensationswinkels können dann dreidimensionale Mes¬ sungen des abgebildeten Hohlraumabschnitts im Meßkordinatensystem durchgeführt werden, d.h. die Auswertung des Kamerabildes wird weiter vereinfacht.
Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung von zwei Kameras, die mittels Strahlteilern vir¬ tuell auf der gleichen optischen Achse liegen, erhält man ebenfalls eine, gegenüber den bekannten, auf Stereobildauswertung basierenden Verfahren, vereinfachte Berechnung der Objektkoordinaten. Eine erfindungsgemäße Anordnung zweier Kameras ist in Fig. 7 ge¬ zeigt. Ein Objektpunkt (R,Z) wird mit der Linse der Brennweiten f bzw. f2 auf das Sen¬ sorelement der Kamera 1 bzw. 2 abgebildet. Aus den Bedingungen für die Abbildung
{18} und der Bedingung Z2= Z+a { 19}folgen
Figure imgf000010_0001
die Formeln {20} und {21} zur Berechnung der Objektkoordinaten:
R = r2.r.±t z!2_ {20} und Z = Hr2*(a -f2) + f2τ) f2 r-r2 f f2 r-r2 f
Werden die Kameras auf einem Schwenk-Neigekopf angebracht und wird eine erfindungs¬ gemäße Kompensation der Drehlage benutzt, so wird die Auswertung dieser Bilder weiter stark vereinfacht, da gegenüber einer Stereokamera nach dem Stand der Technik die Be¬ rücksichtigung von 3 verschiedenen Drehungen entfallt (Drehungen der Bildlagen der Kameras, Drehung des Abstands der Kamera um eine Normale auf der geschwenkten und geneigten Plattform).
Das Meßverfahren ist tolerant gegenüber kleinen Abständen der optischen Achsen. Die Vortei¬ le eines erfindungsgemäßen Meßverfahrens sind - mit geringen Einschränkungen - vorhanden, wenn die optischen Achsen der Systemkomponenten (Strukturprojektor und Kamera bzw. zwei Kameras) parallel und in einem Abstand sind, der sehr viel kleiner als die zum Erreichen der Meßgenauigkeit benötigte Entfernung ("effektiver Abstand a") ist. Bei einer .Anordnung, bei der die Dicke der Linsen bzw. der aus einzelnen Linsen aufgebauten Kameraobjektive nicht vernachlässigbar klein ist, ist dieser Abstand a die Projektion der Entfernung der objektseitigen Hauptebenen der effektiven Kameraobjektive auf die optische Achse bzw. die entsprechende Projektion der Entfernung zwischen objektseitiger Hauptebene des effektiven Kameraobjektivs und dem Quellpunkt des projizierten Musters. Weiterbildungen der Erfindung
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 bis 14 angegeben.
In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird ein Strahlteiler (13) zwischen Kamera und Eintrittsoptik angeordnet bzw. wird nach Anspruch 5 ein Strahlteiler (8) zwi¬ schen dem optischen Element (7) zur Drehung der Bildlage und der Kamera angeordnet. Die strukturierte Beleuchtung gelangt aus dem Teilstrahlengang (b) bzw. (e) kommend zur gemeinsamen Eintritts- bzw. Austrittsöffnung (5). Für den Fall der Beleuchtung mit einer rotationssymmetrischen Lichtstruktur nach Anspruch 6 sind beide Anordnungen äquivalent. Beide aAnordnungen unterscheiden sich, falls nicht rotationssymmetrische Lichtstrukturen projiziert werden, der Träger (4) um die optische Achse (f) gedreht wird und die Bildlage nach Anspruch 3 korrigiert wird. Dann kommt es:
- bei einer Strahlteilung nach Anspruch 4 zu einer Drehung der abgebildeten Lichtstruktur, während
- bei einer Strahlteilung nach Anspruch 5 diese Drehung ebenfalls kompensiert wird.
Ferner können nach Anspruch 4 und Anspruch 5 die optischen Achsen von Kamera und strukturierter Beleuchtung im gemeinsamen Strahlengang so zur Deckung gebracht werden, daß es bei einer Verschiebung der Hohlraumwand gegen den Schwenk-Neigekopf zu keiner Verschiebung des Mittelpunkts des abgebildeten Musters relativ zum Kamerabild kommt.
In der Weiterbildung nach Anspruch 7 können die an dem Strahlteiler (8) bzw. (13) entste¬ henden Intensitätsverluste minimiert werden. Das von
Figure imgf000011_0001
Lichtquelle kommende linear polarisierte Licht gelangt bei entsprechender Ausrichtung der Polarisa¬ tionsrichtung relativ zum Strahlteiler nahezu ungeschwächt durch diesen Strahlteiler. Falls im weiteren Strahlengang zum Objekt und von diesem zu dem polarisierenden Strahlteiler zurück keine Drehung der Polarisationsrichtung erfolgt, kann beispielsweise mit einem entsprechend ausgerichteten λ/4-Plättchen eine Beleuchtung des Hohlraumes mit zirkulär polarisierter strukturierter Strahlung erreicht werden. Die vom Hohlraum kommende Strahlung ist dann ebenfalls zirkulär polarisiert und wird beim Durchgang durch das Verzö¬ gerungselement so linear polarisiert, daß sie den Strahlteiler in Richtung Kamera nahezu ungeschwächt passiert.
Mit einer Weiterbildung nach Anspruch 8 kann mittels eines weiteren Strahlteilers (6) ein dritter Teilstrahlengang (g) erzeugt und mittels einer weiteren Kamera detektiert werden. Diese Kamera kann zur Unterstützung eines Bedieners eingesetzt werden, der die so aufge¬ nommenen Bilder zur visuellen Inspektion und zum Manövrieren des Trägers bzw. Kamera- Fahrzeugs durch den Hohlraum nutzen kann. Eine besonders verlustarme Strahltrennung kann erreicht werden, wenn dieser Strahlteiler die einkommende Strahlung nach Anspruch 9 selektiv bezüglich der Wellenlänge in die Teilstrahlengänge (g) und (b) aufteilt. Wird dieser Strahlteiler beispielsweise so dimensio¬ niert, daß nur Strahlung aus einem engen Spektralbereich um die Wellenlänge der schmal- bandigen Strahlung der strukturierten Beleuchtung in den Teilstrahlengang vom Strahlteiler in Richtung strukturierter Lichtquelle bzw. zurück reflektiert wird, so gelangt ein Maximum der von einer (in Fig. 8 nicht eingezeichneten) Weißlicht-Beleuchtung stammenden einge¬ henden Strahlung in den anderen Teilstrahlengang. Die von der strukturierten Beleuchtung an dem Hohlraum erzeugten Lichtmuster sind in diesem Teilstrahlengang nahezu unsicht¬ bar, d.h. das Kamerabild entspricht praktisch dem Bild, das mit einer der bisher gebräuch¬ lichen Inspektionsanordnungen erhalten wird. In dem anderen Teilstrahlengang ist demge¬ genüber fast nur die aus der strukturierten Beleuchtung des Objekts resultierende Strahlung vorhanden, d.h. das durch die strukturierte Beleuchtung auf dem Objekt entstehende Muster kann mit maximalem Kontrast abgebildet werden.
Mit einer Weiterbildung nach Anspruch 10 kann eine vereinfachte erfindungsgemäße Stereobildauswertung durchgeführt werden. Dabei lassen sich mit folgenden Spezialfällen besonders vereinfachte Bildauswertungrechnungen erreichen (s. die Formeln {20} und {21}):
1. Spezialfall: a ≠O; f= f2, (r2≠r)
R = I^ {22} ιmd Z B r2.(a-f) + f.r f*(r-r2) r-r2
2. Spezialfall: a=0; f ≠ f2, (r2≠r)
- R. = r2 „*r*- f-f2 { ,2-4..} und - Z ., = f*f2*(r-r2) - { .2.5..} f2 r-r2-f f2-r-r2*f '
Ist eine der effektiven Brennweiten nach Anspruch 11 einstellbar, so kann eine weiter vereinfachte Berechnung der Objektkoordinaten erfolgen, wenn die Brenn weite(n) so eingestellt werden, daß gilt: r = r2. Dann folgt für die Objektkoordinaten (R,Z): a Λ . „ f-a
R = r- -1 {26} und Z = - {27} l. f2-f f2-f
Durch Verwendung von Umlenkelementen wie Spiegel oder Prismen nach Anpruch 12 können die Strahlengänge gefaltet und die räumliche Ausdehnung der gesamten Anordnung optimiert werden. Die Verwendung abbildender optischer Elemente (z.B. Linsen, Hohl-, Parabolspiegel) in den Strahlengängen nach Anspruch 13 ermöglicht die Optimierung der optischen Eigen¬ schaften (z.B. Tiefenschärfe, effektive Brennweiten der einzelnen Kameras, Abstrahlcharak¬ teristik der strukturierten Beleuchtung, Wellenlängenbereich des wellenlängenselektiven Strahlteilers, effektiver Abstand zwischen strukturierter Lichtquelle und der Kamera bzw. den einzelnen Kameras).
Wird der Träger (4) nach .Anspruch 14 auf einem rotierbaren Schwenk- bzw. Schwenk- Neigekopf angeordnet, so kann das Gesamtsystem auf unterschiedliche Abschnitte des Hohlraums ausgerichtet werden.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Bildaufrichtung nach Anspruch 3, falls zu¬ sätzliche Sensoren, wie beispielsweise Ultraschallsensoren nach Anspruch 15 auf diesem Träger bzw. mit ihm rotierbar angebracht sind. Sie können dann so ausgerichtet werden, daß sie nur einen begrenzten Winkelbereich des Hohlraums erfassen und mit dem Träger im Hohlraum rotieren. Durch diese Rotationsbewegung können die Sensoren den kompletten Hohlraum bzw. einzelne Teile des Hohlraums abtasten und so bezüglich des Winkels aufgelöste Messungen durchführen. Falls die erfindungsgemäße Kompensation der aus der Rotationsbewegung resultierenden Lagedrehung der Videobilder durchgeführt wird, kann diese Winkelabtastung ohne Beeinträchtigung der optischen Vermessung bzw. der visuellen Inspektion erfolgen.
Auf Grund der genannten Eigenschaften einer erfindungsgemäßen dreidimensionalen Vermessung, sind die angegebenen Anordnungen besonders zur Inspektion von Entsor¬ gungsleitungen wie beispielsweise Abwasserkanälen, zur Inspektion von Versorgungslei¬ tungen und zur Verwendung in der Endoskopie geeignet.
Darstellung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den Ansprüchen 1, 3 und 4-Jbzw. 5 bis 12 wird mittels Figur 8 erläutert. Sie zeigt die Sicht auf eine ebene Anordnung der optischen Ele¬ mente auf einem gemeinsamen Träger (z. B. der Plattform eines Schwenk-Neigekopfs) (4).
In der Figur 8 ist der Teilstrahlengang von der strukturierten, polarisierten und schmalban- digen Lichtquelle (3) über einen Spiegel (11) und eine Linse (12) zum polarisierenden Strahlteiler (8) mit (d) bezeichnet. Bei entsprechender Ausrichtung der Polarisationsrichtung zu diesem Strahlteiler gelangt die strukturierte Beleuchtung nahezu ungeschwächt auf das λ/4-Plättchen (10). Die von dort zu einem wellenlängenselektiven Strahlteiler (6) gelan¬ gende Strahlung ist bei entsprechender Ausrichtung des λ/4-Plättchens zirkulär polarisiert und gelangt über eine Linse (12) und ggf. z.B. über ein drehbares Pechan- bzw. Dove- Prisma (7) auf die Optik bzw. Öffnung (5) und von dort auf den zu vermessenden Abschnitt des Hohlraums (1). Das dort entstehende Lichtmuster und die von dort kommende Strah¬ lung gelangen über die Optik bzw. Öffnung (5) ggf. z. B. über das drehbare Pechan- oder Dove-Prisma (7) auf die Linse (12) und von dort auf den wellenlängenselektiven Strahlteiler (6). Mit Ausnahme der Strahlung aus einem engen spektralen Bereich um die Wellenlänge der strukturierten Beleuchtung gelangt die vom Hohlraum kommende Strahlung nahezu vollständig durch diesen Strahlteiler in den Teilstrahlengang (g), d.h. über eine Linse (12) und 2 Prismen zur Faltung des Strahlengangs (11) auf eine (Färb-) Kamera (2). Die von dem mittels der strukturierten Beleuchtung erzeugten Lichtmuster kommende zirkulär bzw. elliptisch polarisierte Strahlung gelangt im Teilstrahlengang (b) durch das λ/4-Plättchen auf den polarisierenden Strahlteiler. Sie ist nach dem λ/4-Plättchen annähernd senkrecht zur Richtung der in der Gegenrichtung durchlaufenden, von der strukturierten Beleuchtung kommenden, Strahlung polarisiert und wird deshalb nahezu vollständig von dem polarisie¬ renden Strahlteiler (8) im Teilstrahlengang (c) auf die Kamera gelenkt.
Prinzipiell äquivalent zur Einspiegelung der strukturierten Beleuchtung über die Teilstrah¬ lengänge (d) und (b) auf die gemeinsame optische Achse (f) ist, bei Verwendung einer rotationssymmetrischen Lichtstruktur, die Einspiegelung über den mit (e) bezeichneten Teilstrahlengang und den Strahlteiler (13). Das Verzögerungselement (10) kann in dieser Lösungsvariante entfallen und der Strahlteiler (8) kann die im Teilstrahlengang (b) einkom¬ mende Strahlung zu 100 % zur Kamera (9) spiegeln.

Claims

Schutzansprüche
1. Anordnung zur dreidimensionalen Vermessung unzugänglicher Hohlräume (1) (z.B. Abwasser-Kanalrohre) mittels Lichtquelle und Kamera (9), die auf einem Inspektionskopf bzw. Träger (4) angebracht sind
dadurch gekennzeichnet,
daß eine strukturierte Lichtquelle (3) verwendet wird und Kamera und strukturierte Licht¬ quelle eine gemeinsame Eintritts- bzw. Austrittsöffnung (5) besitzen und vor der Öffnung (5) mindestens teilweise eine gemeinsame optische Achse (f) aufweisen oder mindestens teilweise parallele Achsen aufweisen, deren Abstand wesentlich kleiner ist als der Abstand a zwischen dem Quellpunkt des Musters und der objektseitigen Hauptebene des Kameraobj ektivs .
2. Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich eine zweite Kamera (2) verwendet wird und der Hohlraum mit unstrukturier¬ tem Licht einer Lichtquelle beleuchtet wird, beide Kameras eine gemeinsame Eintritts- bzw. Austrittsöffnung (5) besitzen und vor der Öffnung (5) mindestens teilweise eine gemeinsame optische Achse (f) aufweisen oder mindestens teilweise parallele Achsen aufweisen, deren Abstand wesentlich kleiner ist als der Abstand a zwischen den objektseitigen Hauptebenen der Kameraobjektive.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 - 2
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Eintrittsöffnung (5) und der Kamera (9) bzw. den Kameras (2) und (9) ein optisches Element (7) zur Drehung der Bildlage (z.B. Pechan-Prisma, Dove-Prisma, Anordnung aus Prismen oder einer bzw. mehreren Zylinderlinsen) drehbar angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3
dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Lichtquelle über einen Strahlteiler (13) auf die gemeinsame optische Achse (f) und zur Austrittsöffnung (5) gelangt.
5. Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet,
daß die strukturierte Lichtquelle über einen Strahlteiler (8) auf die gemeinsame optische Achse (b und f) und zur Austrittsöffnung (5) gelangt
6. Anordnung nach Anspruch 1, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet,
daß die strukturierte Lichtquelle ein rotationssymmetrisches Muster emittiert.
7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Lichtquelle polarisierte Strahlung emittiert, der Strahlteiler (8) bzw. (13) als polarisierender Strahlteiler ausgebildet ist und im optischen Pfad zwischen dem Strahlteiler und dem Hohlraum ein Verzögerungselement, z.B. ein λ/4-Plättchen (10), an¬ geordnet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 3 -6 dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Teilstrahlengang zur Kamera (9) bzw. zur strukturierten Lichtquelle (3) ein weiterer Strahlteiler (6) angebracht ist, und der so erzeugte 3. Teilstrahlengang (c) auf eine zweite Kamera (2) trifft.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (6) das Licht selektiv bezüglich der Wellenlänge in die Teilstrahlen¬ gänge (g) und (b) aufteilt.
10. Anordnung nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet,
daß die Objektive der Kameras (2) und (9) unterschiedliche effektive Brennweiten und / oder einen unterschiedlichen effektiven Abstand der objektseitigen Hauptebenen auf der op¬ tischen Achse haben.
11. Anordnung nach Anspruch 10
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Objektiv der Kameras (2) oder (9) in der effektiven Brennweite einstell¬ bar ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem bzw. mehreren der Strahlengänge Umlenkelemente (11) (Prismen, Spiegel) zur Faltung des zugehörigen (Teil-) Stahlengangs angeordnet sind.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß abbildende optische Elemente (z.B. Linsen, Hohl- , Parabolspiegel) (12) in den einzel¬ nen Strahlengängen angeordnet sind.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13
dadurch gekennzeichnet, daß der Träger auf einem rotierbaren Schwenk- bzw. Schwenk-Neigekopf angeordnet ist.
15. Anordnung nach Anspruch 14
dadurch gekennzeichnet, daß weitere Sensoren, wie zum Beispiel Ultraschallsensoren auf dem Träger, dem Schwenk¬ bzw, dem Schwenk-Neigekopf angeordnet sind.
16. Anordnung nach den Ansprüchen 1 - 15
zur Verwendung zur Inspektion von Ver- oder Entsorgungsleitungen oder in der Endoskopie.
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