DE102019220174A1 - Method and device for determining an angle of rotation of an axis of rotation and target - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels (W) einer Drehachse (2), wobei mindestens ein Abbild eines Targets (8) mit mindestens einem periodischen Muster (9) erzeugt wird, wobei das periodische Muster (9) entlang mindestens einer Dimension einen periodischen Intensitätsverlauf aufweist, wobei mindestens eine Welleneigenschaft des periodischen Intensitätsverlaufs bestimmt wird, wobei der Drehwinkel (W) in Abhängigkeit der mindestens einen Welleneigenschaft bestimmt wird.The invention relates to a method for determining an angle of rotation (W) of an axis of rotation (2), at least one image of a target (8) with at least one periodic pattern (9) being generated, the periodic pattern (9) along at least one dimension having periodic intensity profile, wherein at least one wave property of the periodic intensity profile is determined, wherein the angle of rotation (W) is determined as a function of the at least one wave property.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse sowie TargetMethod and device for determining an angle of rotation of an axis of rotation and target

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse sowie ein zur Bestimmung geeignetes Target.The invention relates to a method and a device for determining an angle of rotation of an axis of rotation and a target suitable for the determination.

In vielen industriellen Anwendungen werden um eine Drehachse rotierende Teile verwendet. Beispielhaft werden in der Messtechnik Drehtische oder Drehschwenkgelenke verwendet, um z.B. einen auf dem Drehtisch angeordneten Prüfkörper oder ein Sensor zur Erfassung von Messpunkten zu rotieren.Parts rotating about an axis of rotation are used in many industrial applications. For example, rotary tables or swivel joints are used in measurement technology, e.g. to rotate a test body arranged on the rotary table or a sensor to record measuring points.

Bei den Drehbewegungen können jedoch Drehfehler auftreten, wodurch sich das rotierende Teil z.B. mehr oder weniger als einen gewünschten Drehwinkel verdreht. Diese Fehlbewegung kann in einem Kalibriervorgang erfasst werden und dann bei einem späteren Betrieb aufgrund der während der Kalibrierung erfassten Fehlbewegungen korrigiert werden. Durch eine derartige Kalibrierung kann in der Regel eine geforderte Genauigkeit der Drehbewegung hinsichtlich des Rund- und Planlaufes bzw. des Taumelns erreicht werden. Die Korrektur von erläuterten Drehfehlern jedoch benötigt in der Regel einen hohen rechentechnischen Aufwand, insbesondere die Bestimmung des Drehwinkels an einer großen Anzahl von Stützstellen. Weiter sind solche Kalibriervorgänge sehr zeitaufwendig und kann einen hohen Montage- und Rüstaufwand erfordern.However, rotational errors can occur in the rotary movements, as a result of which the rotating part rotates e.g. more or less than a desired angle of rotation. This incorrect movement can be recorded in a calibration process and then corrected during later operation on the basis of the incorrect movements recorded during the calibration. Such a calibration can generally achieve the required accuracy of the rotary movement with regard to the concentricity and axial run-out or wobble. The correction of explained rotation errors, however, generally requires a high level of computational effort, in particular the determination of the rotation angle at a large number of support points. Furthermore, such calibration processes are very time-consuming and can require a great deal of assembly and setup effort.

Die EP 3 321 883 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Bestimmung einer 6-DOF-Pose eines Objekts im Raum mit einem optischen Marker, der am Objekt angeordnet ist. Hierin ist offenbart, dass der Marker einen inneren Markerbereich aufweist, der eine zirkuläre Kontur mit einem bekannten Radius und einem Markermuster aufweist. Weiter beschrieben ist, dass das Markermuster ein Intensitätsprofil aufweisen kann, das im Wesentlichen entlang eines kreisförmigen Pfades um ein Zentrum herum variiert, wobei diese Intensitätswerte in Übereinstimmung mit einer Funktion variieren können, die aus einer Linearkombination einer begrenzten Anzahl von Sinuskomponenten besteht.The EP 3 321 883 A1 describes a method and a system for determining a 6-DOF pose of an object in space with an optical marker which is arranged on the object. It is disclosed herein that the marker has an inner marker area which has a circular contour with a known radius and a marker pattern. It is further described that the marker pattern can have an intensity profile which varies substantially along a circular path around a center, which intensity values can vary in accordance with a function consisting of a linear combination of a limited number of sinusoidal components.

Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse sowie ein Target für eine solche Bestimmung zu schaffen, welche eine einfach durchführbare und zeitlich schnelle und genaue Bestimmung des Drehwinkels ermöglichen. Hierdurch kann dann insbesondere auch eine zeitlich schnelle, einfach durchführbare und genaue Bestimmung eines Drehfehlers der Drehachse erfolgen.The technical problem arises of creating a method and a device for determining an angle of rotation of an axis of rotation, as well as a target for such a determination, which enable the angle of rotation to be determined easily and quickly and accurately. As a result, a rotational error of the axis of rotation can also be determined quickly, easily and precisely.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from the subjects with the features of the independent claims. Further advantageous refinements of the invention emerge from the subclaims.

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse. In dem Verfahren wird mindestens ein Abbild eines Targets erzeugt, wobei das Target mindestens ein periodisches Muster umfasst, aufweist oder ausbildet. Das periodische Muster kann ein optisch erfassbares Muster sein. Das Abbild kann insbesondere ein zweidimensionales Abbild sein.A method for determining an angle of rotation of an axis of rotation is proposed. In the method, at least one image of a target is generated, the target comprising, having or forming at least one periodic pattern. The periodic pattern can be an optically detectable pattern. The image can in particular be a two-dimensional image.

Das Target kann hierbei um die Drehachse drehbeweglich gelagert sein. Beispielsweise kann das Target an einem um die Drehachse drehbaren Teil befestigt sein.The target can be mounted so that it can rotate about the axis of rotation. For example, the target can be attached to a part rotatable about the axis of rotation.

Das periodische Muster des Targets weist entlang mindestens einer Dimension einen periodischen Intensitätsverlauf auf. Vorzugsweise weist das periodische Muster entlang der mindestens einen Dimension einen harmonischen, insbesondere einen sinusförmigen, Intensitätsverlauf auf. Ein Intensitätsverlauf kann einen Verlauf von Grauwerten bezeichnen. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, dass der Intensitätsverlauf einen Verlauf von einem Farbwert oder einer Summe mehrerer Farbwerte bezeichnet.The periodic pattern of the target has a periodic intensity profile along at least one dimension. The periodic pattern preferably has a harmonic, in particular a sinusoidal, intensity profile along the at least one dimension. An intensity curve can denote a curve of gray values. Of course, however, it is also possible for the intensity profile to designate a profile of one color value or a sum of several color values.

Dass das periodische Muster des Targets entlang mindestens einer Dimension einen periodischen Intensitätsverlauf aufweist, kann bedeuten, dass entlang einer Linie des Musters ein periodischer Intensitätsverlauf gegeben ist. Die Linie kann eine Gerade sein. Auch kann die Linie aber teil- oder vollkreisförmig sein. Wie nachfolgend noch näher erläutert kann das periodische Muster auch in Form einer Transversalwelle mit einer Ausbreitungsrichtung, insbesondere einer geraden Ausbreitungsrichtung, gebildet sein.The fact that the periodic pattern of the target has a periodic intensity profile along at least one dimension can mean that there is a periodic intensity profile along a line of the pattern. The line can be a straight line. The line can also be partially or fully circular. As will be explained in more detail below, the periodic pattern can also be formed in the form of a transverse wave with a direction of propagation, in particular a straight direction of propagation.

Das periodische Muster kann insbesondere ein gedrucktes Muster sein. Hierbei kann eine maximale Wellenlänge des periodischen Musters größer als die doppelte minimale Pixelauflösung im Erfassungsbereich einer Bilderfassungseinrichtung zur Erzeugung des Abbilds sein. Weist eine solche Bilderfassungseinrichtung beispielsweise eine minimale Pixelauflösung von 0,5 mm pro Pixel im Erfassungsbereich auf, so ist die Wellenlänge vorzugsweise größer als ein 1 mm. Besonders bevorzugt ist die Wellenlänge jedoch deutlich, insbesondere 10mal oder mehr als 10mal größer als diese minimale Pixelauflösung im Erfassungsbereich.The periodic pattern can in particular be a printed pattern. Here, a maximum wavelength of the periodic pattern can be greater than twice the minimum pixel resolution in the detection area of an image detection device for generating the image. If such an image acquisition device has, for example, a minimum pixel resolution of 0.5 mm per pixel in the acquisition area, then the wavelength is preferably greater than 1 mm. However, the wavelength is particularly preferably distinct, in particular 10 times or more than 10 times greater than this minimum pixel resolution in the detection area.

Erfindungsgemäß wird mindestens eine Welleneigenschaft des periodischen Intensitätsverlaufs bestimmt. Dies erfolgt insbesondere bildbasiert. Insbesondere kann die Welleneigenschaft also durch Auswertung des Abbilds des periodischen Musters bestimmt werden, insbesondere durch eine geeignete Auswerteeinrichtung. Beispielhafte Welleneigenschaften werden nachfolgend noch näher erläutert.According to the invention, there is at least one wave property of the periodic intensity profile certainly. This is done in particular on the basis of images. In particular, the wave property can thus be determined by evaluating the image of the periodic pattern, in particular by a suitable evaluation device. Exemplary wave properties are explained in more detail below.

Weiter wird der Drehwinkel in Abhängigkeit der mindestens einen Welleneigenschaft bestimmt. Dies kann bedeuten, dass die Welleneigenschaft eine Eingangsgröße für die Bestimmung des Drehwinkels bildet. Der Drehwinkel kann eine Ausgangsgröße des Bestimmungsverfahrens bilden.The angle of rotation is also determined as a function of the at least one shaft property. This can mean that the shaft property forms an input variable for determining the angle of rotation. The angle of rotation can form an output variable of the determination method.

Beispielsweise kann eine vorbekannte Zuordnung zwischen dem Drehwinkel und der Welleneigenschaft existieren, die beispielsweise in einem Kalibriervorgang bestimmt werden kann. Auch kann ein funktioneller oder kennlinien- oder kennfeldbasierter Zusammenhang zwischen der Welleneigenschaft und dem Drehwinkel zur Bestimmung des Drehwinkels ausgewertet werden.For example, there can be a known association between the angle of rotation and the shaft property, which can be determined, for example, in a calibration process. A functional or characteristic curve or map-based relationship between the shaft property and the angle of rotation can also be evaluated in order to determine the angle of rotation.

Der Drehwinkel kann hierbei ein absoluter Drehwinkel oder ein relativer Drehwinkel, also eine Drehwinkeländerung, sein. Dient das Verfahren zur Bestimmung einer Drehwinkeländerung, so kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren sowohl ein erster Drehwinkel in einer ersten Drehposition der Drehachse als auch ein weiterer Drehwinkel in einer weiteren Winkelposition der Drehachse bestimmt werden, wobei die Drehwinkeländerung der Differenz zwischen den beiden Drehwinkeln entspricht. Somit ist es also erforderlich, dass mindestens zwei Abbilder in verschiedenen Winkelpositionen der Drehachse und somit des Targets erzeugt werden.The angle of rotation can be an absolute angle of rotation or a relative angle of rotation, that is to say a change in the angle of rotation. If the method is used to determine a change in the angle of rotation, the proposed method can be used to determine both a first angle of rotation in a first rotational position of the axis of rotation and a further angle of rotation in a further angular position of the axis of rotation, the change in angle of rotation corresponding to the difference between the two angles of rotation. It is therefore necessary that at least two images are generated in different angular positions of the axis of rotation and thus of the target.

In bekannten Verfahren zur Bestimmung von Drehwinkeln werden oft optische Muster mit scharfen, also sprungartigen, Intensitätsübergängen verwendet. Diese sind jedoch aufgrund der begrenzten Auflösung einer Bilderfassungseinrichtung nur mit einer begrenzten Genauigkeit abzubilden, wodurch sich wiederum die Genauigkeit bei der Bestimmung des Drehwinkels reduziert. Durch die Verwendung eines periodischen Musters zur Bestimmung des Drehwinkels kann dieser Nachteil in vorteilhafter Weise vermieden werden, wodurch sich eine genauere Bestimmung des Drehwinkels ergibt. Ebenfalls ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache und schnelle Bestimmung des Drehwinkels, da keine komplexen Auswertealgorithmen durchgeführt werden müssen.In known methods for determining angles of rotation, optical patterns with sharp, that is, abrupt, intensity transitions are often used. However, due to the limited resolution of an image acquisition device, these can only be mapped with limited accuracy, which in turn reduces the accuracy when determining the angle of rotation. By using a periodic pattern for determining the angle of rotation, this disadvantage can advantageously be avoided, which results in a more precise determination of the angle of rotation. A simple and quick determination of the angle of rotation also results in an advantageous manner, since no complex evaluation algorithms have to be carried out.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Detektion von Drehfehlern, da solche in der Regel Abbildungsfehler im Bereich weniger Pixel erzeugen und somit sehr schwer zu erfassen sind.The method is particularly suitable for the detection of rotational errors, since such errors generally generate imaging errors in the area of fewer pixels and are therefore very difficult to detect.

Das Verfahren kann insbesondere zur Bestimmung eines Drehrestfehlers verwendet werden. Hierbei kann die Drehachse beispielsweise um einen vorbestimmten Soll-Drehwinkel verdreht werden, wobei dann durch das vorgeschlagene Verfahren der tatsächlich sich ergebende Ist-Drehwinkel bestimmt wird, wobei die Differenz dann den Drehrestfehler bildet.The method can in particular be used to determine a residual rotation error. In this case, the axis of rotation can be rotated, for example, by a predetermined target angle of rotation, the actually resulting actual angle of rotation then being determined by the proposed method, the difference then forming the residual rotation error.

Es ist möglich, dass mindestens ein Abbild mehrerer Targets mit jeweils mindestens einem periodischen Muster erzeugt wird, wobei diese in verschiedenen Relativlagen relativ zur Drehachse angeordnet sein können. Hierdurch kann ermöglicht werden, perspektivische Verzeichnungen bei der Abbildung dieser Targets zu identifizieren und entsprechend zu kompensieren.It is possible that at least one image of a plurality of targets is generated, each with at least one periodic pattern, it being possible for these to be arranged in different relative positions relative to the axis of rotation. This makes it possible to identify perspective distortions in the imaging of these targets and to compensate accordingly.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welleneigenschaft eine Phaseninformation des periodischen Intensitätsverlaufs. Die Phaseninformation kann ein Phasenwert oder eine von dem Phasenwert abhängige Größe sein.In a preferred embodiment, the wave property is phase information of the periodic intensity profile. The phase information can be a phase value or a variable that is dependent on the phase value.

Alternativ kann die Welleneigenschaft eine Amplituden- oder eine Frequenzinformation des periodischen Intensitätsverlaufs sein, also eine Information über eine Amplitude oder eine Frequenz des periodischen Intensitätsverlaufs.Alternatively, the wave property can be amplitude or frequency information of the periodic intensity profile, that is to say information about an amplitude or a frequency of the periodic intensity profile.

Eine Frequenzinformation kann hierbei ein Frequenzwert oder eine von dem Frequenzwert abhängige Größe sein. Wie nachfolgend noch näher erläutert, kann eine Frequenzinformation auch eine Lage in einem zweidimensionalen Frequenzraum oder eine davon abhängige Größe sein. Hierbei kann eine solche Lage u.a. durch Anwendung einer zweidimensionalen Fouriertransformation bestimmt werden.In this case, frequency information can be a frequency value or a variable that is dependent on the frequency value. As will be explained in more detail below, frequency information can also be a position in a two-dimensional frequency space or a variable that is dependent on it. Such a position can be determined, among other things, by using a two-dimensional Fourier transformation.

Wie nachfolgend noch näher erläutert, kann eine Welleneigenschaft durch numerische Verfahren zur Anpassung eines periodischen, vorzugsweise harmonischen, Intensitätsverlaufs an den abgebildeten Intensitätsverlauf oder unter Anwendung einer Fouriertransformation und Auswertung des transformierten Verlaufs bestimmt werden.As explained in more detail below, a wave property can be determined by numerical methods for adapting a periodic, preferably harmonic, intensity profile to the mapped intensity profile or using a Fourier transformation and evaluation of the transformed profile.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine rechentechnisch einfach zu implementierende und zeitlich schnelle sowie genaue Bestimmung des Drehwinkels, da insbesondere etablierte und somit bereits implementierte Verfahren zur Bestimmung der Welleneigenschaft genutzt werden können.This advantageously results in a computationally simple to implement and fast and accurate determination of the angle of rotation, since in particular established and thus already implemented methods for determining the shaft property can be used.

In einer weiteren Ausführungsform weist das periodische Muster entlang mindestens einer Dimension einen harmonischen Intensitätsverlauf auf. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine sehr zuverlässige und somit genaue Bestimmung der Welleneigenschaft, da nur Eigenschaften einer einzigen Harmonischen bestimmt werden müssen.In a further embodiment, the periodic pattern has a harmonic intensity profile along at least one dimension. This advantageously results in a very reliable and thus precise determination of the wave property, since only properties of a single harmonic have to be determined.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das periodische Muster einen periodischen Intensitätsverlauf entlang mindestens einer teil- oder vollkreisförmigen Linie auf. Ein Mittelpunkt dieser Linie kann insbesondere ein Zentrum des periodischen Musters oder ein Zentrum des Targets sein. Insbesondere kann das Target derart drehbar um die Drehachse angeordnet werden, dass der Mittelpunkt des kreisförmigen Verlaufs der Linie auf der Drehachse angeordnet ist. Wie nachfolgend erläutert, kann bei einer solchen Ausbildung des periodischen Musters durch die Bestimmung einer Phaseninformation in vorteilhafter Weise eine besonders einfache und zeitlich schnell durchführbare Bestimmung des Drehwinkels erreicht werden.In a preferred embodiment, the periodic pattern has a periodic intensity profile along at least one partially or fully circular line. A center point of this line can in particular be a center of the periodic pattern or a center of the target. In particular, the target can be arranged rotatably about the axis of rotation in such a way that the center of the circular course of the line is arranged on the axis of rotation. As explained below, with such a design of the periodic pattern, by determining phase information, a particularly simple determination of the angle of rotation that can be carried out quickly in terms of time can be achieved in an advantageous manner.

In einer weiteren Ausführungsform werden im Abbild Intensitätswerte einer Anzahl von Messpunkten entlang mindestens einer teil- oder vollkreisförmigen Linie im Abbild bestimmt, wobei als Welleneigenschaft eine Phaseninformation oder -lage des Verlaufs der Intensitätswerte bestimmt wird. Die Messpunkte können hierbei insbesondere im Bildkoordinatensystem des Abbilds bestimmt werden. Weicht die Koordinate eines Messpunkts nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß von der Koordinate eines Bildpunktes ab, so kann als Intensitätswert des Messpunkts der Intensitätswert des Bildpunktes bestimmt werden. Weicht die Koordinate des Messpunkts um mehr als ein vorbestimmtes Maß von der Koordinate eines Bildpunktes ab, so kann der Intensitätswert des Messpunkts in Abhängigkeit der Intensitätswerte mehrerer Bildpunkte bestimmt werden, beispielsweise durch Interpolation von Intensitätswerten benachbarter Bildpunkte.In a further embodiment, intensity values of a number of measurement points along at least one partially or fully circular line in the image are determined in the image, phase information or phase position of the course of the intensity values being determined as the wave property. The measuring points can be determined in particular in the image coordinate system of the image. If the coordinate of a measurement point does not deviate by more than a predetermined amount from the coordinate of an image point, the intensity value of the image point can be determined as the intensity value of the measurement point. If the coordinate of the measuring point deviates by more than a predetermined amount from the coordinate of an image point, the intensity value of the measuring point can be determined as a function of the intensity values of several image points, for example by interpolating intensity values of adjacent image points.

Wird das Muster mit dem teil- oder vollkreisförmigen periodischen Intensitätsverlauf verdreht, so wird sich, je nach Drehwinkel, eine Phasenlage des bildbasiert bestimmten Verlaufs der Intensitätswerte verändern. Liegt, wie vorhergehend erläutert, der Mittelpunkt der teil- oder vollkreisförmigen Linie genau auf der Drehachse, so kann insbesondere die Amplitude des im Abbild bestimmten Verlaufs sowie dessen Frequenz unverändert bleiben, wobei sich also in diesem Fall nur die Phasenlage verändert. Liegt der besagte Mittelpunkt nicht genau auf der Drehachse, so kann sich neben der Phasenlage auch die Amplitude des im Abbild bestimmten Verlaufs der Intensitätswerte verändern.If the pattern is rotated with the partially or fully circular periodic intensity profile, then, depending on the angle of rotation, a phase position of the image-based profile of the intensity values will change. If, as explained above, the center of the partially or fully circular line lies exactly on the axis of rotation, then in particular the amplitude of the curve determined in the image and its frequency can remain unchanged, in which case only the phase position changes. If the said center point does not lie exactly on the axis of rotation, then in addition to the phase position, the amplitude of the course of the intensity values determined in the image can also change.

Durch die Bestimmung der Phaseninformation ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache und zuverlässige Bestimmung des Drehwinkels.The determination of the phase information results in a simple and reliable determination of the angle of rotation in an advantageous manner.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Phaseninformation durch eine Fouriertransformation des Verlaufs der Intensitätswerte bestimmt. Hierbei kann insbesondere eine Fouriertransformation des Verlaufs der Intensitätswerte durchgeführt werden, wobei eine Ausgangsgröße der Fouriertransformation die Phasenlage ist. Insbesondere ergibt sich die Phasenlage aus dem durch die Fouriertransformation bestimmten Imaginärteil. Alternativ wird die Phaseninformation durch Anpassung einer periodischen, insbesondere harmonischen, Funktion an den Verlauf der Intensitätswerte bestimmt, wobei ein Parameter der periodischen Funktion die Phaseninformation, insbesondere die Phasenlage, ist. Weitere Parameter der periodischen Funktion können eine Amplitude und eine Frequenz sein. Beispielsweise kann durch geeignete Optimierungsverfahren eine Kostenfunktion durch Variierung der Parameter der periodischen Funktion minimiert werden, wobei die Kostenfunktion beispielsweise eine Abweichung oder eine quadrierte Abweichung zwischen den bildbasierten bestimmten Intensitätswerten und den Intensitätswerten der periodischen Funktion sein kann.In a further embodiment, the phase information is determined by a Fourier transformation of the course of the intensity values. In particular, a Fourier transformation of the course of the intensity values can be carried out, with an output variable of the Fourier transformation being the phase position. In particular, the phase position results from the imaginary part determined by the Fourier transformation. Alternatively, the phase information is determined by adapting a periodic, in particular harmonic, function to the course of the intensity values, one parameter of the periodic function being the phase information, in particular the phase position. Further parameters of the periodic function can be an amplitude and a frequency. For example, suitable optimization methods can be used to minimize a cost function by varying the parameters of the periodic function, the cost function being, for example, a deviation or a squared deviation between the image-based determined intensity values and the intensity values of the periodic function.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Phaseninformation, was wiederum zu einer genauen Bestimmung des Drehwinkels führt.This advantageously results in a simple and reliable determination of the phase information, which in turn leads to a precise determination of the angle of rotation.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform werden im Abbild Intensitätswerte einer Anzahl von Messpunkten entlang mehrerer teil- oder vollkreisförmiger Linien im Abbild bestimmt, wobei als Welleneigenschaft eine Phaseninformation bzw. -lage der Verläufe der Intensitätswerte bestimmt wird. Die mehreren teil- oder vollkreisförmigen Linien können hierbei einen gemeinsamen Mittelpunkt, jedoch voneinander verschiedene Radien, aufweisen/haben. Werden die Intensitätswerte dieser mehreren Linien in einem Polarkoordinatensystem über dem Winkel aufgetragen, so ergibt sich bei einem harmonischen Intensitätsverlauf des Musters im Idealfall, dass alle Intensitätswerte auf einer sinusförmigen Kurve angeordnet sind. Für diese Ausführungsform kann das periodische Muster entlang mehrerer teil- oder vollkreisförmiger Linien jeweils einen periodischen, vorzugsweise harmonischen, Intensitätsverlauf auf, wobei diese einen gemeinsamen Mittelpunkt und voneinander verschiedene Radien, jedoch gleiche Amplituden, aufweisen/haben. Ein derartiges Muster kann auch als Siemensstern mit harmonischem Intensitätsverlauf bezeichnet werden.In a further preferred embodiment, intensity values of a number of measurement points along a plurality of partially or fully circular lines in the image are determined in the image, phase information or phase position of the courses of the intensity values being determined as the wave property. The multiple partially or fully circular lines can have a common center point, but radii different from one another. If the intensity values of these multiple lines are plotted over the angle in a polar coordinate system, then in the ideal case, with a harmonious intensity profile of the pattern, all intensity values are arranged on a sinusoidal curve. For this embodiment, the periodic pattern along a plurality of partially or fully circular lines can each have a periodic, preferably harmonic, intensity profile, these having / have a common center point and radii different from one another, but the same amplitudes. Such a pattern can also be referred to as a Siemens star with a harmonic intensity profile.

Hierdurch erhöht sich in vorteilhafter Weise die Zuverlässigkeit und Genauigkeit bei der Bestimmung der Phaseninformation und somit auch die Genauigkeit bei der Bestimmung des Drehwinkels.This advantageously increases the reliability and accuracy when determining the phase information and thus also the accuracy when determining the angle of rotation.

In einer weiteren Ausführungsform wird im Abbild ein Zentrum der teil- oder vollkreisförmigen Linien bestimmt. Dieses Zentrum kann beispielsweise als Zentrum einer oder mehrerer teil- oder vollkreisförmigen Linien bestimmt werden, wobei die Intensitätswerte der Messpunkte entlang der Linie(n) einen sinusförmigen Verlauf mit einer konstanten oder nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß variierenden Frequenz aufweisen. Werden nämlich Intensitätswerte von Messpunkten entlang einer teil- oder vollkreisförmigen Linie bestimmt, deren Mittelpunkt nicht dem wahren Zentrum entspricht, so wird der Verlauf der Intensitätswerte entlang dieser Messpunkte zwar im Wesentlichen sinusförmig sein, jedoch eine variierende, insbesondere mehr als ein vorbestimmtes Maß variierende, Frequenz aufweisen.In a further embodiment, a center of the partially or fully circular lines is determined in the image. This center can be determined, for example, as the center of one or more partially or fully circular lines, the intensity values of the measurement points along the line (s) having a sinusoidal profile with a constant or have no more than a predetermined amount of varying frequency. If intensity values of measuring points are determined along a partially or fully circular line, the center of which does not correspond to the true center, then the course of the intensity values along these measuring points will be essentially sinusoidal, but a varying frequency, in particular varying more than a predetermined amount exhibit.

Weiter kann dann das derart bestimmte Zentrum das Zentrum der teil- oder vollkreisförmigen Linien bilden, wobei wie vorhergehend erläutert diese zur Bestimmung der Intensitätswerte einer Anzahl von Messpunkten dienen.Furthermore, the center determined in this way can then form the center of the partially or fully circular lines, wherein, as explained above, these serve to determine the intensity values of a number of measurement points.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige und genaue Bestimmung der Phasenlage und somit auch des Drehwinkels.This advantageously results in a reliable and precise determination of the phase position and thus also of the angle of rotation.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Zentrum im Abbild in Abhängigkeit eines Referenzmusters bestimmt. Das Referenzmuster kann insbesondere ein von dem periodischen Muster verschiedenes Muster des Targets sein. Insbesondere kann das Referenzmuster eine bildbasierte, also durch Auswertung des Abbilds, zuverlässige Bestimmung des Zentrums ermöglichen. Ein solches Referenzmuster kann beispielsweise in der Form eines QR-Codes ausgestaltet sein. Auch kann ein solches Referenzmuster ein sogenanntes Aruco-Muster sein, wobei diese bei bekannten Aruco-Markern verwendet werden. Auch das derart bestimmte Zentrum kann dann als Zentrum zur Festlegung der teil- oder vollkreisförmigen Linien zur Bestimmung der Messpunkte bzw. ihrer Intensitätswerte dienen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise wie vorhergehend erläutert eine einfache und genaue Bestimmung des Drehwinkels.In a further embodiment, the center in the image is determined as a function of a reference pattern. The reference pattern can in particular be a pattern of the target that is different from the periodic pattern. In particular, the reference pattern can enable an image-based, that is to say by evaluating the image, a reliable determination of the center. Such a reference pattern can be designed, for example, in the form of a QR code. Such a reference pattern can also be a so-called aruco pattern, this being used in known aruco markers. The center determined in this way can then also serve as a center for defining the partially or fully circular lines for determining the measurement points or their intensity values. As explained above, this advantageously results in a simple and precise determination of the angle of rotation.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Drehwinkel zusätzlich in Abhängigkeit eines weiteren Musters des Targets bestimmt, wobei das weitere Muster vom periodischen Muster verschieden ist. Das weitere Muster kann hierbei das erläuterte Referenzmuster sein. Allerdings kann das weitere Muster sowohl von dem periodischen Muster als auch von dem Referenzmuster verschieden sein.In a further embodiment, the angle of rotation is additionally determined as a function of a further pattern of the target, the further pattern being different from the periodic pattern. The further pattern can be the explained reference pattern. However, the further pattern can be different both from the periodic pattern and from the reference pattern.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genaue Bestimmung der Phasenlage und somit eine genaue Bestimmung des Drehwinkels, da abhängig von der Anzahl von Perioden des Intensitätsverlaufs entlang der teil- oder vollkreisförmigen Linie die gleiche Phasenlage für verschiedene Drehwinkel im Bereich von 0° (einschließlich) bis z.B. 360° (ausschließlich) vorliegen kann. Das Vorsehen eines weiteren Musters ermöglicht hierbei in vorteilhafter Weise, dass eine Phasenlage genau einem dieser Drehwinkel zugeordnet werden kann, insbesondere wenn das weitere Muster ortsfest relativ zum periodischen Muster angeordnet ist.This advantageously results in an exact determination of the phase position and thus an exact determination of the angle of rotation, since depending on the number of periods of the intensity profile along the partially or fully circular line, the same phase position for different angles of rotation in the range from 0 ° (inclusive) to eg 360 ° (exclusively) can be present. The provision of a further pattern advantageously enables a phase position to be assigned to precisely one of these angles of rotation, in particular if the further pattern is arranged in a stationary manner relative to the periodic pattern.

In einer alternativen Ausführungsform umfasst das periodische Muster mindestens einen Teilbereich mit einem transversalen ungewichteten Streifen- oder Wellenmuster oder einem transversalen gewichteten Streifen- oder Wellenmuster, wobei eine Fouriertransformation, insbesondere eine zweidimensionale Fouriertransformation, des Abbilds durchgeführt und der Drehwinkel in Abhängigkeit einer Lage eines Intensitätsmaximums im Frequenzraum bestimmt wird. Das Intensitätsmaximum kann insbesondere ein lokales Intensitätsmaximum sein.In an alternative embodiment, the periodic pattern comprises at least a partial area with a transverse unweighted stripe or wave pattern or a transversal weighted stripe or wave pattern, with a Fourier transformation, in particular a two-dimensional Fourier transformation, being carried out on the image and the angle of rotation depending on a position of an intensity maximum in Frequency domain is determined. The intensity maximum can in particular be a local intensity maximum.

Das transversale ungewichtete Streifen- oder Wellenmuster kann insbesondere ein zweidimensionales Wellenmuster sein, welches im Abbild entlang einer geraden Ausbreitungsrichtung der Welle einen periodischen Intensitätsverlauf und quer, insbesondere senkrecht, zur Ausbreitungsrichtung konstante Intensitätswerte aufweist. Das transversal gewichtete Streifen- oder Wellenmuster kann Intensitätswerte des mit einer, insbesondere zweidimensionalen, Gewichtungsfunktion gewichteten transversal konstanten Streifen- oder Wellenmusters aufweisen.The transversal unweighted stripe or wave pattern can in particular be a two-dimensional wave pattern which in the image has a periodic intensity profile along a straight direction of propagation of the wave and has constant intensity values transversely, in particular perpendicular, to the direction of propagation. The transversely weighted stripe or wave pattern can have intensity values of the transversely constant stripe or wave pattern weighted with an, in particular two-dimensional, weighting function.

Ein Streifenmuster kann hierbei ein Muster mit sprungartigen Intensitätsänderungen entlang der Ausbreitungsrichtung des Streifenmusters sein. Ein Wellenmuster kann hierbei ein Muster mit periodischen, insbesondere harmonischen, Intensitätsänderungen entlang der Ausbreitungsrichtung sein. Wird ein derartiges transversales Streifen- oder Wellenmuster fouriertransformiert, so ergibt sich im zweidimensionalen Frequenzraum ein lokales Intensitätsmaximum bezüglich des Betrags, der den verschiedene Frequenzen im zweidimensionalen Frequenzraum zugeordnet ist, wobei eine radiale Entfernung des lokalen Intensitätsmaximums von einem Ursprung des Frequenzraums eine Frequenz des Streifen- oder Wellenmusters repräsentiert und ein Winkel zwischen der Ordinate eines Koordinatensystems des zweidimensionalen Frequenzraums und einer Verbindungslinie zwischen dem Ursprung des Koordinatensystems und dem Intensitätsmaximum eine Orientierung des Wellenmusters repräsentiert. Wird ein derartiges Muster um einen Drehwinkel verdreht, so ändert sich auch die Lage des Intensitätsmaximums und somit der vorhergehend erläuterte Winkel im Frequenzraum. Durch Bestimmung der Lage kann somit ein aktueller Drehwinkel und somit auch eine Drehwinkeländerung des Targets bestimmt werden. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine alternative zuverlässige und genaue Bestimmung des Drehwinkels. Wird ein derartiges Muster mit einer reinen Translationsbewegung bewegt, also verschoben, so ändert sich die Phaseninformation, die den Frequenzen im zweidimensionalen Frequenzraum zugeordnet ist. Durch Auswertung der Phaseninformation kann somit auch eine zuverlässige und genaue Bestimmung einer Translationsbewegung erfolgen.A stripe pattern can be a pattern with abrupt changes in intensity along the direction of propagation of the stripe pattern. A wave pattern can be a pattern with periodic, in particular harmonic, intensity changes along the direction of propagation. If such a transverse stripe or wave pattern is Fourier transformed, a local intensity maximum results in the two-dimensional frequency space with respect to the amount that is assigned to the various frequencies in the two-dimensional frequency space, with a radial distance of the local intensity maximum from an origin of the frequency space being a frequency of the stripe. or represents a wave pattern and an angle between the ordinate of a coordinate system of the two-dimensional frequency space and a connecting line between the origin of the coordinate system and the intensity maximum represents an orientation of the wave pattern. If such a pattern is rotated by an angle of rotation, the position of the intensity maximum and thus the previously explained angle in the frequency space also change. By determining the position, a current angle of rotation and thus also a change in the angle of rotation of the target can be determined. This advantageously results in an alternative, reliable and precise determination of the angle of rotation. If such a pattern is moved, that is, shifted, with a purely translational movement, the phase information that is assigned to the frequencies in the two-dimensional frequency space changes. By evaluating the Phase information can therefore also be used to reliably and precisely determine a translational movement.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das periodische Muster mehrere Teilbereiche mit Streifen- oder Wellenmustern unterschiedlicher Orientierung. Diese verschiedenen Teilbereiche können hierbei aneinander angrenzen. Weiter wird eine, insbesondere zweidimensionale Fouriertransformation des Abbilds durchgeführt und der Drehwinkel dann in Abhängigkeit der Lage der mehreren lokalen Intensitätsmaxima im Frequenzraum bestimmt. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise eine Robustheit und somit auch eine Genauigkeit der Bestimmung des Drehwinkels verbessert.In a further embodiment, the periodic pattern comprises a plurality of partial areas with stripe or wave patterns of different orientation. These different sub-areas can adjoin one another. Furthermore, a, in particular two-dimensional, Fourier transformation of the image is carried out and the angle of rotation is then determined as a function of the position of the multiple local intensity maxima in the frequency space. This advantageously improves the robustness and thus also the accuracy of the determination of the angle of rotation.

In einer weiteren Ausführungsform werden Intensitätswerte eines transversalen gewichteten Streifen- oder Wellenmusters eines Teilbereichs durch Gewichtung eines transversalen ungewichteten Streifen- oder Wellenmusters mit einer, insbesondere zweidimensionalen, Gauß-Funktion bestimmt. Hierbei kann ein Scheitelpunkt der Gauß-Funktion dem Zentrum des Teilbereichs entsprechen. Durch die Gewichtung werden Intensitätswerte sich zu den Rändern des Teilbereichs hin verringern, wobei gleichwohl die Welleneigenschaften des Streifen- oder Wellenmusters erhalten bleiben. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein scharfer, also sprungartiger, Intensitätsübergang von dem Teilbereich zu einem weiteren Teilbereich oder zu einem den Teilbereich umfassenden Randbereich vermieden werden, wodurch eine bessere Auswertung und Bestimmung der Lage eines Intensitätsmaximums im Frequenzraum ermöglicht wird.In a further embodiment, intensity values of a transversely weighted stripe or wave pattern of a sub-area are determined by weighting a transverse, unweighted stripe or wave pattern with a, in particular two-dimensional, Gaussian function. Here, a vertex of the Gaussian function can correspond to the center of the sub-area. As a result of the weighting, intensity values will decrease towards the edges of the partial area, with the wave properties of the stripe or wave pattern nevertheless being retained. This advantageously avoids a sharp, that is, abrupt, intensity transition from the sub-area to a further sub-area or to an edge area encompassing the sub-area, which enables better evaluation and determination of the position of an intensity maximum in the frequency domain.

In einer weiteren Ausführungsform sind Frequenzen des Streifen- oder Wellenmusters in verschiedenen Teilbereichen voneinander verschieden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine einfachere Identifikation und Zuordnung von lokalen Intensitätsmaxima im Frequenzraum zu einem Teilbereich und somit eine verbesserte Bestimmung des Drehwinkels erfolgen.In a further embodiment, frequencies of the stripe or wave pattern are different from one another in different subregions. In this way, a simpler identification and assignment of local intensity maxima in the frequency space to a sub-range and thus an improved determination of the angle of rotation can advantageously take place.

In einer weiteren Ausführungsform werden lokale Intensitätsmaxima durch Anpassung einer vorbekannten Verteilung lokaler Intensitätsmaxima bestimmt. Sind Frequenzen und Orientierungen bzw. Ausbreitungsrichtungen der verwendeten Streifen- oder Wellenmuster bekannt, so kann auch die Relativlage der lokalen Intensitätsmaxima im Frequenzraum vorbekannt sein. Beispielsweise kann dann mit bekannten Optimierungsverfahren durch Variation eines Rotationswinkels einer Rotation der Anordnung dieser Intensitätsmaxima mit den bekannten Relativlagen eine Kostenfunktion minimiert werden, die beispielsweise der Differenz oder der quadrierten Differenz zwischen den im Abbild bestimmten lokalen Intensitätsmaxima bzw. deren Intensitätswerte und den lokalen Intensitätsmaxima der entsprechend rotierten Anordnung entspricht. Die Rotation kann eine Rotation um den Ursprung des Koordinatensystems des zweidimensionalen Frequenzraums sein.In a further embodiment, local intensity maxima are determined by adapting a previously known distribution of local intensity maxima. If frequencies and orientations or directions of propagation of the strip or wave patterns used are known, the relative position of the local intensity maxima in the frequency space can also be known in advance. For example, a cost function can then be minimized with known optimization methods by varying a rotation angle of a rotation of the arrangement of these intensity maxima with the known relative positions, which for example corresponds to the difference or the squared difference between the local intensity maxima or their intensity values determined in the image and the local intensity maxima of the corresponding corresponds to rotated arrangement. The rotation can be a rotation around the origin of the coordinate system of the two-dimensional frequency space.

Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine robuste Bestimmung der Lage der Intensitätsmaxima im Frequenzraum, wodurch sich wiederum die Genauigkeit bei der Bestimmung des Drehwinkels erhöht.This advantageously results in a robust determination of the position of the intensity maxima in the frequency space, which in turn increases the accuracy in determining the angle of rotation.

In einer weiteren Ausführungsform wird das mindestens eine Abbild gefiltert. Beispielsweise kann das mindestens eine Abbild mit einem Bandpassfilter gefiltert werden, wobei Grenzfrequenzen des Bandpasses derart gewählt werden, dass Frequenzen des periodischen, insbesondere harmonischen Intensitätsverlaufs nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß abgeschwächt werden, wobei jedoch Anteile mit davon verschiedenen Frequenzen um mehr als das vorbestimmte Maß abgeschwächt werden.In a further embodiment, the at least one image is filtered. For example, the at least one image can be filtered with a bandpass filter, with cutoff frequencies of the bandpass being selected in such a way that frequencies of the periodic, in particular harmonic, intensity profile are not attenuated by more than a predetermined amount, but portions with frequencies different therefrom by more than the predetermined amount be weakened.

Auch kann durch die Filterung das mindestens eine Abbild mit der vorhergehend erläuterten Gauß-Funktion gefaltet werden, um die ebenfalls vorhergehend erläuterten Vorteile durch eine Rechenoperation zu erreichen. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn das periodische Muster mindestens einen Teilbereich mit einem transversalen ungewichteten Streifen- oder Wellenmuster umfasst.The filtering can also be used to convolve the at least one image with the Gaussian function explained above in order to achieve the advantages also explained above by means of an arithmetic operation. This can take place in particular when the periodic pattern comprises at least a partial area with a transverse, unweighted stripe or wave pattern.

Weiter wird die mindestens eine Welleneigenschaft des periodischen Intensitätsverlaufs im gefilterten Abbild bestimmt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine genauere Bestimmung des Drehwinkels.Furthermore, the at least one wave property of the periodic intensity profile is determined in the filtered image. This advantageously results in a more precise determination of the angle of rotation.

Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse, wobei die Vorrichtung mindestens eine Bilderfassungseinrichtung und mindestens eine Auswerteeinrichtung umfasst. Die Bilderfassungseinrichtung kann insbesondere als Kamera ausgebildet sein, beispielsweise als CMOS-Kamera oder CCD-Kamera. Die Auswerteeinrichtung kann insbesondere als Mikrocontroller oder integrierte Schaltung ausgebildet sein oder eine solche(n) umfassen.A device is also proposed for determining an angle of rotation of an axis of rotation, the device comprising at least one image acquisition device and at least one evaluation device. The image acquisition device can in particular be designed as a camera, for example as a CMOS camera or CCD camera. The evaluation device can in particular be designed as a microcontroller or integrated circuit or comprise one (s).

Durch die mindestens eine Bilderfassungseinrichtung wird mindestens ein Abbild eines Targets mit mindestens einem periodischen Muster erzeugt, wobei das periodische Muster entlang mindestens einer Dimension einen periodischen Intensitätsverlauf aufweist.The at least one image acquisition device generates at least one image of a target with at least one periodic pattern, the periodic pattern having a periodic intensity profile along at least one dimension.

Erfindungsgemäß wird durch die Auswerteeinrichtung mindestens eine Welleneigenschaft des (abgebildeten) periodischen Intensitätsverlaufs bestimmt, wobei der Drehwinkel in Abhängigkeit der mindestens einen Welleneigenschaft bestimmt wird.According to the invention, the evaluation device provides at least one wave property of the (depicted) periodic intensity profile determined, wherein the angle of rotation is determined as a function of the at least one shaft property.

Die Vorrichtung ist somit derart konfiguriert, dass ein Verfahren gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen mit der Vorrichtung durchführbar ist. Somit ermöglicht die Vorrichtung in vorteilhafter Weise die Durchführung des erläuterten Verfahrens.The device is thus configured in such a way that a method according to one of the embodiments described in this disclosure can be carried out with the device. The device thus advantageously enables the explained method to be carried out.

Die Vorrichtung, insbesondere die Bilderfassungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung, kann/können Teil einer Messeinrichtung, insbesondere einer Koordinatenmesseinrichtung sein.The device, in particular the image acquisition device and the evaluation device, can be part of a measuring device, in particular a coordinate measuring device.

Weiter beschrieben wird ein System mit einer Vorrichtung gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen und mit einem Target gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Das System kann weiter wenigstens ein drehbewegliches Teil umfassen, wobei das Target an dem drehbeweglichen Teil angeordnet ist, insbesondere um die Drehachse des beweglichen Teils drehbar.A system with a device according to one of the embodiments described in this disclosure and with a target according to one of the embodiments described in this disclosure is described further. The system can further comprise at least one rotatable part, the target being arranged on the rotatable part, in particular rotatable about the axis of rotation of the movable part.

Weiter vorgeschlagen wird ein Target zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse. Das Target kann hierbei einen Marker aufweisen oder ausbilden. Das Target, insbesondere der Marker, kann mindestens ein periodisches Muster aufweisen oder ausbilden, wobei das periodische Muster entlang mindestens einer Dimension einen periodischen, vorzugsweise harmonischen, Intensitätsverlauf aufweist. Weiter kann das Target mindestens ein Befestigungsmittel zur Befestigung an einem um die Drehachse drehbeweglichen Teil aufweisen oder ausbilden. Das Muster ist hierbei, wie vorhergehend erläutert, ein optisches Muster, welches durch eine Bilderfassungseinrichtung abgebildet werden kann. Weitere Aspekte bezüglich des Targets und des periodischen Musters wurden vorhergehend erläutert. Das Target ermöglicht in vorteilhafter Weise die genaue und zeitlich schnelle Bestimmung des Drehwinkels der Drehachse.A target for determining an angle of rotation of an axis of rotation is also proposed. The target can have or form a marker. The target, in particular the marker, can have or form at least one periodic pattern, the periodic pattern having a periodic, preferably harmonic, intensity profile along at least one dimension. Furthermore, the target can have or form at least one fastening means for fastening to a part that can rotate about the axis of rotation. As explained above, the pattern is an optical pattern which can be imaged by an image acquisition device. Further aspects relating to the target and the periodic pattern have been explained above. The target advantageously enables the precise and timely determination of the angle of rotation of the axis of rotation.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das periodische Muster mindestens einen Teilbereich mit einem transversalen gewichteten oder ungewichteten Streifen- oder Wellenmuster. Dies und entsprechende Vorteile wurden vorhergehend erläutert. Der Teilbereich kann insbesondere ein rechteckförmiger, insbesondere quadratischer, Teilbereich sein.In a further embodiment, the periodic pattern comprises at least a partial area with a transversely weighted or unweighted stripe or wave pattern. This and the corresponding advantages have been explained above. The sub-area can in particular be a rectangular, in particular square, sub-area.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das periodische Muster mehrere Teilbereiche mit Streifen- oder Wellenmustern unterschiedlicher Orientierung. Die Teilbereiche können hierbei benachbart zueinander angeordnet sein. Alle Teilbereiche können hierbei rechteckförmig, insbesondere quadratisch, ausgebildet sein. Dass die Streifen- oder Wellenmuster unterschiedliche Orientierungen aufweisen, kann bedeuten, dass in einem gemeinsamen Referenzkoordinatensystem, beispielsweise in einem zweidimensionalen targetfesten Koordinatensystem, dessen Achsen die Ebene aufspannen, in der das/die Streifen- oder Wellenmuster angeordnet ist, voneinander verschiedene Ausbreitungsrichtungen aufweisen. Wie vorhergehend erläutert, ermöglicht ein solches Target eine zuverlässige und zeitlich schnelle Bestimmung des Drehwinkels.In a further embodiment, the periodic pattern comprises a plurality of partial areas with stripe or wave patterns of different orientation. The subregions can be arranged adjacent to one another. All subregions can be designed to be rectangular, in particular square. The fact that the stripe or wave pattern have different orientations can mean that in a common reference coordinate system, for example in a two-dimensional target-fixed coordinate system, the axes of which span the plane in which the stripe or wave pattern is arranged, have different directions of propagation from one another. As explained above, such a target enables the angle of rotation to be determined reliably and quickly.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Target mindestens ein weiteres Muster auf, welches vom periodischen Muster verschieden ist. Das weitere Muster kann insbesondere das vorhergehend erläuterte Referenzmuster sein, welches zusätzlich zur Bestimmung des Drehwinkels erfasst werden kann. Auch kann das weitere Muster zur Bestimmung eines Zentrums des periodischen Musters dienen.In a further embodiment, the target has at least one further pattern which is different from the periodic pattern. The further pattern can in particular be the reference pattern explained above, which can also be detected for determining the angle of rotation. The further pattern can also be used to determine a center of the periodic pattern.

Insbesondere kann das weitere Muster von dem periodischen Muster umgeben sein. Mit anderen Worten kann das weitere Muster in einem Teilbereich angeordnet sein, der von dem periodischen Muster teilweise oder vollständig umgeben ist. Das weitere Muster kann hierbei eine kreisförmige oder eine vieleckförmige, insbesondere viereckförmige, Umrandung aufweisen.In particular, the further pattern can be surrounded by the periodic pattern. In other words, the further pattern can be arranged in a partial area which is partially or completely surrounded by the periodic pattern. The further pattern can have a circular or a polygonal, in particular square, border.

Weiter können Intensitätswerte eines transversalen gewichteten Streifen- oder Wellenmusters eines Teilbereichs durch Gewichtung eines transversalen ungewichteten Streifen- oder Wellenmusters mit konstanter Amplitude mit einer Gauß-Funktion bestimmt werden. Weiter können Frequenzen des Streifen- oder Wellenmusters in verschiedenen Teilbereichen voneinander verschieden sein. Dies und entsprechende Vorteile wurden vorhergehend bereits erläutert.Furthermore, intensity values of a transversely weighted stripe or wave pattern of a sub-area can be determined by weighting a transverse, unweighted stripe or wave pattern with constant amplitude with a Gaussian function. Furthermore, frequencies of the stripe or wave pattern can differ from one another in different partial areas. This and the corresponding advantages have already been explained above.

Weiter beschrieben wird ein Programm, welches, wenn es auf oder durch einen Computer oder eine Auswerteeinrichtung ausgeführt wird, den Computer veranlasst, einen, mehrere oder alle Schritte des in dieser Offenbarung dargestellten Verfahrens zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse durchzuführen. Alternativ oder kumulativ wird ein Programmspeichermedium oder Computerprogrammprodukt beschrieben, auf oder in dem das Programm gespeichert ist, insbesondere in einer nicht vorübergehenden, z.B. in einer dauerhaften, Form. Alternativ oder kumulativ wird ein Computer beschrieben, der dieses Programmspeichermedium umfasst. Weiter alternativ oder kumulativ wird ein Signal beschrieben, beispielsweise ein digitales Signal, welches Informationen codiert, die das Programm repräsentieren und welches Code-Mittel umfasst, die adaptiert sind, einen, mehrere oder alle Schritte des in dieser Offenbarung dargestellten Verfahrens zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse durchzuführen. Das Signal kann ein physikalisches Signal, zum Beispiel ein elektrisches Signal sein, welches insbesondere technisch oder maschinell erzeugt wird. Das Programm kann den Computer auch dazu veranlassen, die Bestimmung auszuführen.A program is also described which, when executed on or by a computer or an evaluation device, causes the computer to carry out one, several or all of the steps of the method for determining an angle of rotation of an axis of rotation shown in this disclosure. Alternatively or cumulatively, a program storage medium or computer program product is described on or in which the program is stored, in particular in a non-temporary, for example in a permanent, form. Alternatively or cumulatively, a computer is described which comprises this program storage medium. Further alternatively or cumulatively, a signal is described, for example a digital signal which encodes information that represents the program and which comprises code means that are adapted, one, more or all of the steps of the method shown in this disclosure for determining an angle of rotation of a Axis of rotation perform. The signal can be a physical signal, for example an electrical signal, which in particular is generated technically or by machine. The program can also cause the computer to carry out the determination.

Weiter kann das Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse ein computerimplementiertes Verfahren sein. So können zum Beispiel ein, mehrere oder alle Schritte des Verfahrens durch einen Computer ausgeführt werden. Eine Ausführungsform für das computerimplementierte Verfahren ist die Benutzung des Computers zur Durchführung einer Datenverarbeitungsmethode. Der Computer kann zum Beispiel zumindest eine Recheneinrichtung, insbesondere ein Prozessor, und zum Beispiel zumindest eine Speichereinrichtung umfassen, um die Daten, insbesondere technisch, zu verarbeiten, zum Beispiel elektronisch und oder optisch. Ein Computer kann hierbei jede Art von Datenverarbeitungsgerät sein. Ein Prozessor kann ein halbleiterbasierter Prozessor sein.Furthermore, the method for determining an angle of rotation of an axis of rotation can be a computer-implemented method. For example, one, more or all of the steps of the method can be carried out by a computer. One embodiment for the computer-implemented method is the use of the computer to carry out a data processing method. The computer can, for example, comprise at least one computing device, in particular a processor, and, for example, at least one storage device, in order to process the data, in particular technically, for example electronically and / or optically. A computer can be any type of data processing device. A processor can be a semiconductor-based processor.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse,
  • 2 ein periodisches Muster eines Targets in einer ersten Ausführungsform,
  • 3 ein periodisches Muster eines Targets in einer weiteren Ausführungsform,
  • 4a ein abgebildetes periodisches Muster in einer ersten Drehstellung,
  • 4b ein abgebildetes periodisches Muster in einer weiteren Drehstellung,
  • 5a Messpunkte im abgebildeten Muster gemäß 4a,
  • 5b Messpunkte im abgebildeten Muster gemäß 4b,
  • 6a ein Verlauf von Intensitätswerten der in 5a dargestellten Messpunkte,
  • 6b ein Verlauf von Intensitätswerten der in 5b dargestellten Messpunkte,
  • 7 ein periodisches Muster eines Targets mit einem Referenzmuster,
  • 8 ein periodisches Muster eines Targets mit einem weiteren Referenzmuster,
  • 9a ein abgebildetes periodisches Muster mit mehreren Teilbereichen,
  • 9b eine Betragsdarstellung einer zweidimensionalen Fouriertransformation des in 9a dargestellten periodischen Musters,
  • 10a das in 9a dargestellte abgebildete periodische Muster mit mehreren Teilbereichen in einer weiteren Drehstellung,
  • 10b eine Betragsdarstellung einer zweidimensionalen Fouriertransformation des in 10a dargestellten Musters,
  • 11a ein abgebildetes periodisches Muster mit mehreren Teilbereichen gemäß einer weiteren Ausführungsform,
  • 11b eine Betragsdarstellung einer zweidimensionalen Fouriertransformation des in 11a dargestellten Musters und
  • 12 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform.
The invention is explained in more detail using exemplary embodiments. The figures show:
  • 1 a schematic block diagram of a device according to the invention for determining an angle of rotation of an axis of rotation,
  • 2 a periodic pattern of a target in a first embodiment,
  • 3 a periodic pattern of a target in a further embodiment,
  • 4a an imaged periodic pattern in a first rotational position,
  • 4b an imaged periodic pattern in a further rotational position,
  • 5a Measuring points in the pattern shown in accordance with 4a ,
  • 5b Measuring points in the pattern shown in accordance with 4b ,
  • 6a a course of intensity values of the in 5a shown measuring points,
  • 6b a course of intensity values of the in 5b shown measuring points,
  • 7th a periodic pattern of a target with a reference pattern,
  • 8th a periodic pattern of a target with another reference pattern,
  • 9a an imaged periodic pattern with several sub-areas,
  • 9b a representation of the amount of a two-dimensional Fourier transformation of the in 9a depicted periodic pattern,
  • 10a this in 9a depicted depicted periodic pattern with several partial areas in a further rotary position,
  • 10b a representation of the amount of a two-dimensional Fourier transformation of the in 10a shown pattern,
  • 11a an imaged periodic pattern with several partial areas according to a further embodiment,
  • 11b a representation of the amount of a two-dimensional Fourier transformation of the in 11a illustrated pattern and
  • 12th a schematic flow diagram of a method according to the invention according to a first embodiment.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.In the following, the same reference symbols designate elements with the same or similar technical features.

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines Drehwinkels W einer Drehachse 2. Die Vorrichtung 1 umfasst hierbei eine Bilderfassungseinrichtung 3, die beispielsweise als CMOS- oder CCD-Kamera ausgebildet sein kann. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine Auswerteeinrichtung 4, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet oder einen solchen umfassen kann. 1 shows a schematic block diagram of a device 1 for determining an angle of rotation W of an axis of rotation 2 . The device 1 in this case comprises an image acquisition device 3 which can be designed as a CMOS or CCD camera, for example. The device further comprises 1 an evaluation device 4th which, for example, is designed as a microcontroller or can include one.

Dargestellt ist weiter ein Drehtisch 5, der einen statischen, also ortsfest angeordneten, Teil 6 sowie einen um die Drehachse 2 drehbaren Teil 7 umfasst. Weiter dargestellt ist ein Target 8, welches an dem drehbaren Teil 7 befestigt ist. Das Target 8 ist somit ebenfalls um die Drehachse 2 drehbar angeordnet.A turntable is also shown 5 , the one static part 6th as well as one around the axis of rotation 2 rotatable part 7th includes. A target is also shown 8th , which is on the rotatable part 7th is attached. The target 8th is thus also around the axis of rotation 2 rotatably arranged.

Wie nachfolgend noch näher erläutert, weist das Target mindestens ein periodisches Muster 9 auf.As will be explained in more detail below, the target has at least one periodic pattern 9 on.

Mit der Bilderfassungseinrichtung 3 wird ein Abbild des Targets 8, insbesondere des periodischen Musters 9 oder zumindest eines Teils davon, erzeugt. Dieses Abbild kann insbesondere ein zweidimensionales Abbild sein.With the image capture device 3 becomes an image of the target 8th , especially the periodic pattern 9 or at least a part thereof. This image can in particular be a two-dimensional image.

Das Abbild, insbesondere Intensitätswerte des Abbilds, können dann durch die Auswerteeinrichtung 4 ausgewertet werden. Insbesondere kann durch die Auswertung mindestens eine Welleneigenschaft des abgebildeten periodischen Intensitätsverlaufs des Musters 9 bestimmt werden, wobei der Drehwinkel W dann in Abhängigkeit der mindestens einen Welleneigenschaft bestimmt wird.The image, in particular intensity values of the image, can then be used by the evaluation device 4th be evaluated. In particular, the evaluation allows at least one wave property of the imaged periodic intensity profile of the pattern 9 can be determined, the angle of rotation W then being determined as a function of the at least one shaft property.

2 zeigt ein beispielhaftes periodisches, insbesondere harmonisches, Muster 9 eines Targets 8. Das Muster 9 weist entlang von Kreislinien um ein Zentrum 10 des Musters 9 einen harmonischen Grauwertverlauf auf, insbesondere einen sinusförmigen Grauwertverlauf. Mit anderen Worten ähnelt das in 2 dargestellte Muster 9 einem bekannten Siemensstern, wobei jedoch entlang der Kreislinie keine sprunghaften Grauwertänderungen von einem weißen Grauwert auf einen dunklen Grauwert oder umgekehrt erfolgen, sondern vielmehr eine harmonische Veränderung zwischen dem weißen und dem dunklen Grauwert. 2 shows an exemplary periodic, in particular harmonic, pattern 9 of a target 8th . The pattern 9 points along circular lines around a center 10 of the pattern 9 a harmonic gray value curve, in particular a sinusoidal gray value curve. In other words, it is similar to in 2 illustrated pattern 9 a well-known Siemens star, although there are no sudden changes in gray value along the circular line from a white gray value to a dark gray value or vice versa, but rather a harmonic change between the white and dark gray value.

Hierbei ist dargestellt, dass das Muster 9 20 Wellen pro Umdrehung des Musters 9 um das Zentrum 10, also eine senkrecht zur Zeichenebene durch das Zentrum 10 verlaufende Drehachse, aufweist.Here it is shown that the pattern 9 20 waves per revolution of the pattern 9 around the center 10 , so one perpendicular to the plane of the drawing through the center 10 extending axis of rotation.

Wird der Grauwertverlauf in einem Polarkoordinatensystem mit einem Ursprung im Zentrum 10 über den Winkel zu einer ortsfest angeordneten Referenzlinie aufgetragen, so ergibt sich ein sinusförmiger Verlauf mit einer Frequenz von 20 Schwingungen, wenn der Winkel um 360° verändert wird.The gray value gradient is in a polar coordinate system with an origin in the center 10 Plotted over the angle to a stationary reference line, a sinusoidal curve with a frequency of 20 oscillations results when the angle is changed by 360 °.

In 3 ist ein weiteres periodisches Muster 9 dargestellt, welches ebenfalls zur Bestimmung des Drehwinkels W verwendet werden kann. Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Muster 9 weist das in 3 dargestellte Muster 9 entlang einer Kreislinie um ein Zentrum 10 40 Wellen pro Umdrehung auf.In 3 is another periodic pattern 9 shown, which can also be used to determine the angle of rotation W. In contrast to the in 2 illustrated pattern 9 shows that in 3 illustrated pattern 9 along a circular line around a center 10 40 waves per revolution.

4a zeigt ein Abbild eines periodischen Musters 9 in einer ersten Drehstellung. Das abgebildete periodische Muster 9 weist hierbei entsprechend der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen entlang einer Kreislinie um ein Zentrum 10 des optischen Musters einen sinusförmigen Grauwert- bzw. Intensitätswertverlauf auf, wobei dieser 10 Wellen pro Umdrehung aufweist. Weiter dargestellt ist ein Bildkoordinatensystem mit einer Längsachse x und einer Querachse y, die senkrecht zueinander orientiert sind. Dargestellt ist, dass der Ursprung des Bildkoordinatensystems im Zentrum 10 des abgebildeten Musters 9 angeordnet ist. 4a shows an image of a periodic pattern 9 in a first rotary position. The pictured periodic pattern 9 shows in accordance with the in 2 and 3 illustrated embodiments along a circular line around a center 10 of the optical pattern has a sinusoidal gray value or intensity value curve, this having 10 waves per revolution. Also shown is an image coordinate system with a longitudinal axis x and a transverse axis y, which are oriented perpendicular to one another. It is shown that the origin of the image coordinate system is in the center 10 of the pattern shown 9 is arranged.

In 4b ist das in 4a dargestellte abgebildete periodische Muster 9 in einer weiteren Drehstellung dargestellt, wobei das abgebildete Muster 9 im Bildkoordinatensystem um 10° um das Zentrum 10, also eine senkrecht zur Zeichenebene durch das Zentrum 10 verlaufenden Drehachse, im mathematisch positiven Sinn verdreht ist.In 4b is that in 4a depicted depicted periodic pattern 9 shown in a further rotational position, the pattern shown 9 in the image coordinate system by 10 ° around the center 10 , so one perpendicular to the plane of the drawing through the center 10 running axis of rotation, is twisted in a mathematically positive sense.

5a zeigt schematisch Messpunkte 11, die entlang mehrerer Kreislinien in dem in 4a dargestellten Abbild angeordnet sind, wobei die Radien dieser Kreislinien voneinander verschieden sind. Hierbei werden Intensitätswerte dieser Messpunkte 11 bestimmt. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Messpunkt mit einem Bezugszeichen versehen. 5a shows schematically measuring points 11 along several circular lines in the in 4a shown image are arranged, the radii of these circular lines are different from each other. Intensity values of these measuring points are thereby used 11 certainly. For the sake of clarity, only one measuring point is provided with a reference number.

In 5b sind ebenfalls Messpunkte 11 dargestellt, die ebenfalls entlang mehrerer Kreislinien mit voneinander verschiedenen Radien angeordnet sind, wobei Intensitätswerte dieser Messpunkte in dem in 4b dargestellten Abbild bestimmt werden.In 5b are also measuring points 11 which are also arranged along several circular lines with radii different from one another, with intensity values of these measuring points in the in 4b can be determined.

6a zeigt einen Verlauf der Intensitätswerte der Messpunkte 11 in einem Polarkoordinatensystem, dessen Ursprung im Zentrum 10 des in 5a dargestellten Abbilds angeordnet ist, wobei die Grauwerte der Messpunkte über einen Winkel zwischen der Längsachse x und einer Verbindungslinie zwischen dem Zentrum 10 und dem jeweiligen Messpunkt 11 aufgetragen sind. Erkennbar ist, dass die Intensitätsverläufe der Messpunkte verschiedener Kreislinien einen gleichen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Ebenfalls ist erkennbar, dass eine Phasenlage des sinusförmigen Verlaufs 0° beträgt. 6a shows a course of the intensity values of the measuring points 11 in a polar coordinate system with its origin in the center 10 of the in 5a shown image is arranged, wherein the gray values of the measurement points over an angle between the longitudinal axis x and a connecting line between the center 10 and the respective measuring point 11 are applied. It can be seen that the intensity curves of the measuring points of different circular lines have the same sinusoidal curve. It can also be seen that a phase position of the sinusoidal curve is 0 °.

In 6b ist der entsprechende Verlauf der Intensitätswerte für die Messpunkte 11 in dem in 5b dargestellten Abbild dargestellt. Im Unterschied zu 6a beträgt die Phasenlage des sinusförmigen Verlaufs ca. 100°. Da die Frequenz des periodischen Intensitätsverlaufs entlang einer Kreislinie 10 Perioden pro voller Umdrehung des Musters um sein Zentrum 10 beträgt, kann der Drehwinkel W als 10° bestimmt werden.In 6b is the corresponding course of the intensity values for the measuring points 11 in the in 5b shown image. In contrast to 6a the phase position of the sinusoidal curve is approx. 100 °. Since the frequency of the periodic intensity profile along a circular line 10 Periods per full revolution of the pattern around its center 10 is, the rotation angle W can be determined as 10 °.

7 zeigt ein Target 8 mit einem periodischen Muster 9 und einem Referenzmuster 12, wobei das Referenzmuster 12 als QR-Code (Binärcode) ausgebildet ist. Dargestellt ist, dass das Referenzmuster 12 in einem Teilbereich 13 angeordnet ist, der innerhalb des periodischen Musters 9 angeordnet ist. Ebenfalls dargestellt ist ein Randbereich 14 des Targets 8, welcher das periodische Muster 9 umgibt. Zwischen dem Referenzmuster 12 und dem periodischen Muster 9 kann hierbei ein Übergangsbereich 15 mit einem konstanten Grauwert angeordnet sein. 7th shows a target 8th with a periodic pattern 9 and a reference pattern 12th , where the reference pattern 12th is designed as a QR code (binary code). It is shown that the reference sample 12th in a sub-area 13th is arranged within the periodic pattern 9 is arranged. An edge area is also shown 14th of the target 8th , which is the periodic pattern 9 surrounds. Between the reference pattern 12th and the periodic pattern 9 can be a transition area 15th be arranged with a constant gray value.

Das Referenzmuster 12 kann hierbei eine Bestimmung der Lage des Zentrums 10 des periodischen Musters 9, insbesondere der Kreislinien mit einem periodischen Intensitätsverlauf entlang der Kreislinie, im Abbild ermöglichen. Weiter kann das Referenzmuster 12 ebenfalls zur Bestimmung des Drehwinkels W dienen.The reference pattern 12th can determine the position of the center 10 of the periodic pattern 9 , in particular the circular lines with a periodic intensity profile along the circular line, in the image. The reference pattern can also be used 12th are also used to determine the angle of rotation W.

8 zeigt eine Draufsicht auf ein Target 8 mit einem periodischen Muster 9 und einem weiteren Referenzmuster 12. Im Unterschied zu der in 7 dargestellten Ausführungsform umfasst das weitere Referenzmuster mehrere Teilbereiche mit QR-Codes (Binärcodes) und mehrere Teilbereiche mit einem konstanten Grauwert. 8th shows a plan view of a target 8th with a periodic pattern 9 and another reference pattern 12th . In contrast to the in 7th In the illustrated embodiment, the further reference pattern comprises several sub-areas with QR codes (binary codes) and several sub-areas with a constant gray value.

9a zeigt ein Abbild eines Targets 8 mit einem weiteren periodischen Muster 9, wobei dieses periodische Muster mehrere Teilbereiche 16a, 16b, 16c, 16d aufweist. Jeder Teilbereich umfasst ein transversales ungewichtetes Streifen- oder Wellenmuster mit jeweils unterschiedlicher Orientierung. Die Wellenmuster sind hierbei transversale Wellenmuster, wobei eine Ausbreitungsrichtung der Wellenmuster in den verschiedenen Teilbereichen 16a, ..., 16d durch Pfeile 17 dargestellt ist. So ist beispielsweise die Ausbreitungsrichtung 17 des Wellenmusters des ersten Teilbereichs 16a mit einem Winkel von -45° bzw. +315° zu einer Längsachse x des Targets 8 orientiert. Die Ausbreitungsrichtung 17 des Wellenmusters im zweiten Teilbereich 16b ist mit einem Winkel von - 270° bzw. +90° relativ zur Längsachse x orientiert. Die Ausbreitungsrichtung des Wellenmusters im dritten Teilbereich 16c ist parallel zur Längsachse x orientiert. Die Ausbreitungsrichtung des Wellenmusters im vierten Teilbereich 16d ist mit einem Winkel von +225°(bzw. -135°) relativ zur Längsachse x orientiert. Hierbei ist das in 9a dargestellte abgebildete periodische Muster 9 in einer ersten Drehstellung eines Targets 8 um die Drehachse 2 (siehe 1) dargestellt. Die Wellenmuster der verschiedenen Teilbereiche 16a, ...., 16d können hierbei gleiche, vorzugsweise aber voneinander verschiedene, Frequenzen aufweisen. 9a shows an image of a target 8th with another periodic pattern 9 , with this periodic pattern several sub-areas 16a , 16b , 16c , 16d having. Each sub-area comprises a transverse, unweighted stripe or wave pattern, each with a different orientation. The wave patterns here are transverse wave patterns, with one direction of propagation of the wave pattern in the various sub-areas 16a , ..., 16d by arrows 17th is shown. This is the direction of propagation, for example 17th of the wave pattern of the first sub-area 16a with an angle of -45 ° or + 315 ° to a longitudinal axis x of the target 8th oriented. The direction of propagation 17th of the wave pattern in the second sub-area 16b is oriented at an angle of - 270 ° or + 90 ° relative to the longitudinal axis x. The direction of propagation of the wave pattern in the third sub-area 16c is oriented parallel to the longitudinal axis x. The direction of propagation of the wave pattern in the fourth sub-area 16d is oriented at an angle of + 225 ° (or -135 °) relative to the longitudinal axis x. Here this is in 9a depicted depicted periodic pattern 9 in a first rotational position of a target 8th around the axis of rotation 2 (please refer 1 ) shown. The wave patterns of the various sub-areas 16a , ...., 16d can in this case have the same, but preferably different, frequencies.

9b zeigt eine Intensitätsverteilung einer zweidimensionalen Fouriertransformation des in 9a dargestellten Abbilds, wobei nur die den verschiedenen Frequenzen zugeordneten Beträge, also die Beträge der Leistungsanteile dieser verschiedenen Frequenzen dargestellt sind. Weiter dargestellt ist ein Frequenzkoordinatensystem des Frequenzraums mit einer Frequenzlängsachse xf und einer Frequenzquerachse yf, die senkrecht zueinander orientiert sind. Weiter bildet ein Schnittpunkt dieser Achsen xf, yf einen Ursprung des Frequenzkoordinatensystems. Weiter dargestellt sind lokale Intensitätsmaxima in dem zweidimensionalen Frequenzraum. Die eingekreisten Frequenzmaxima 18 sind durch das Wellenmuster im ersten Teilbereich 16a bedingt, wobei die beiden lokalen Intensitätsmaxima ein komplex konjugiertes Intensitätsmaximapaar bilden. 9b shows an intensity distribution of a two-dimensional Fourier transform of the in 9a shown image, with only the amounts assigned to the different frequencies, that is, the amounts of the power components of these different frequencies are shown. Also shown is a frequency coordinate system of the frequency space with a frequency longitudinal axis xf and a frequency transverse axis yf, which are oriented perpendicular to one another. Furthermore, an intersection of these axes xf, yf forms an origin of the frequency coordinate system. Local intensity maxima in the two-dimensional frequency space are also shown. The circled frequency maxima 18th are due to the wave pattern in the first sub-area 16a conditional, the two local intensity maxima forming a complex conjugate intensity maxima pair.

Erkenntlich ist, dass eine radiale Distanz zwischen dem lokalen Intensitätsmaxima 18 und dem Ursprung des Frequenzkoordinatensystems proportional zur Frequenz des Wellenmusters ist. Je höher die Frequenz des Wellenmusters, desto größer die radiale Distanz. Weiter korrespondiert ein Winkel zwischen der Frequenzlängsachse xf und einer Verbindungslinie zwischen dem Ursprung des Frequenzkoordinatensystems und dem lokalen Intensitätsmaximum 18 mit der vorhergehend erläuterten Ausbreitungsrichtung und somit Orientierung des Wellenmusters. So entspricht der erläuterte Winkel zwischen dem lokalen Intensitätsmaximum 18, insbesondere dem ersten Intensitätsmaximum 18a und der Frequenzlängsachse xf, einem Winkel von -45° (bzw. +315°). Die weiter dargestellten lokalen Intensitätsmaxima bilden ebenfalls konjugiert komplexe Paare und sind durch die Wellenmuster der weiteren Teilbereiche 16b, 16c, 16d bedingt.It can be seen that there is a radial distance between the local intensity maxima 18th and the origin of the frequency coordinate system is proportional to the frequency of the wave pattern. The higher the frequency of the wave pattern, the greater the radial distance. Furthermore, an angle corresponds between the frequency longitudinal axis xf and a connecting line between the origin of the frequency coordinate system and the local intensity maximum 18th with the previously explained direction of propagation and thus orientation of the wave pattern. The explained angle thus corresponds to the local intensity maximum 18th , especially the first intensity maximum 18a and the frequency longitudinal axis xf, an angle of -45 ° (or + 315 °). The local intensity maxima shown further also form conjugate complex pairs and are due to the wave pattern of the further sub-areas 16b , 16c , 16d conditionally.

Da diese Lage der lokalen Intensitätsmaxima in der dargestellten Anordnung lokaler Intensitätsmaxima einem unverdrehten Target 8 entspricht, kann als Drehwinkel W der Winkel von 0° bestimmt werden.Since this position of the local intensity maxima in the illustrated arrangement of local intensity maxima is an untwisted target 8th corresponds to, the angle of 0 ° can be determined as the angle of rotation W.

10a zeigt ein schematisches Abbild eines Targets 8 mit mehreren Teilbereichen mit jeweils voneinander verschiedenen Wellenmustern, welches jedoch im Unterschied zu dem in 9a dargestellten Abbild um 15° um die Drehachse 2 (siehe 1) verdreht wurde. 10a shows a schematic image of a target 8th with several sub-areas each with different wave patterns, which, however, differs from the one in 9a shown image by 15 ° around the axis of rotation 2 (please refer 1 ) was twisted.

10b zeigt die entsprechende zweidimensionale Fouriertransformation mit den bereits erläuterten lokalen Intensitätsmaxima, die durch die Wellenmuster der verschiedenen Teilbereiche bedingt sind. Hierbei ist erkennbar, dass auch die zum ersten Teilbereich 16a korrespondierenden lokalen Intensitätsmaxima 18 in dem Frequenzkoordinatensystem um 15° verdreht wurden. Somit kann in Abhängigkeit einer Lage der entsprechenden Intensitätsmaxima im Frequenzraum der Drehwinkel W von 15° bestimmt werden. 10b shows the corresponding two-dimensional Fourier transformation with the local intensity maxima already explained, which are caused by the wave patterns of the various sub-areas. It can be seen here that the first sub-area 16a corresponding local intensity maxima 18th have been rotated by 15 ° in the frequency coordinate system. The angle of rotation W of 15 ° can thus be determined as a function of a position of the corresponding intensity maxima in the frequency domain.

11a zeigt ein Abbild eines Targets 8 mit einem optischen Muster 9 in einer weiteren Ausführungsform. Hierbei umfasst das periodische Muster 9 mehrere Teilbereiche 16a, 16b, 16c, 16d mit Wellenmustern verschiedener Ausbreitungsrichtungen 17, die durch entsprechende Pfeile dargestellt sind. 11a shows an image of a target 8th with an optical pattern 9 in a further embodiment. Here, the periodic pattern includes 9 several sub-areas 16a , 16b , 16c , 16d with wave patterns in different directions of propagation 17th represented by corresponding arrows.

Hierbei sind die Intensitätswerte eines Teilbereichs 16a, ..., 16d durch Gewichtung eines transversalen ungewichteten Wellenmusters (siehe z.B. 9a) mit einer zweidimensionalen Gauß-Funktion bestimmt, wobei ein Maximum der zweidimensionalen Gauß- oder Normalverteilung in einem Zentrum des entsprechenden Teilbereichs 16a, ..., 16d angeordnet ist. Weiter können Co-Varianzen der entsprechenden Verteilung an eine Dimension des Teilbereichs 16a, ..., 16d angepasst sein, insbesondere derart gewählt sein, dass eine Intensität des gewichteten Wellenmusters in einem Teilbereich am Übergangsrand zu einem weiteren Teilbereich 16a, ..., 16d oder zu einem äußeren Randbereich kleiner als ein vorbestimmten Intensitätswert ist oder Null beträgt.Here are the intensity values of a sub-area 16a , ..., 16d by weighting a transversal unweighted wave pattern (see e.g. 9a) determined with a two-dimensional Gaussian function, with a maximum of the two-dimensional Gaussian or normal distribution in a center of the corresponding sub-area 16a , .. ., 16d is arranged. Co-variances of the corresponding distribution to one dimension of the sub-area can also be used 16a , ..., 16d be adapted, in particular selected such that an intensity of the weighted wave pattern in a sub-area at the transition edge to a further sub-area 16a , ..., 16d or to an outer edge region is smaller than a predetermined intensity value or is zero.

Weiter dargestellt ist, dass die Frequenzen der Wellenmuster der verschiedenen Teilbereiche 17 voneinander verschieden sind.It is also shown that the frequencies of the wave patterns of the various sub-areas 17th are different from each other.

In 11b ist dann die zweidimensionale Fouriertransformation des in 11a dargestellten periodischen Musters 9 dargestellt, wobei entsprechend den in 9b und 10b dargestellten Fouriertransformationen lokale Intensitätsmaxima dargestellt sind. Durch Kreise dargestellt sind lokale Intensitätsmaxima 18, die durch das gewichtete Wellenmuster des ersten Teilbereichs 16a bedingt sind. Aufgrund der verschiedenen Frequenzen sind die lokalen Intensitätsmaxima nicht entlang einer Kreislinie, wie in 9b und 10b dargestellt, sondern entlang eines elliptischen Verlaufs im Frequenzkoordinatensystem angeordnet.In 11b is then the two-dimensional Fourier transform of the in 11a periodic pattern shown 9 shown, whereby according to the in 9b and 10b Fourier transforms shown local intensity maxima are shown. Local intensity maxima are shown by circles 18th by the weighted wave pattern of the first sub-area 16a are conditional. Due to the different frequencies, the local intensity maxima are not along a circular line, as in 9b and 10b shown, but arranged along an elliptical course in the frequency coordinate system.

12 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform. Hierbei wird in einem ersten Schritt S1, der auch als Abbildungsschritt bezeichnet werden kann, ein Abbild eines Targets 8 mit einem periodischen Muster 9 (siehe 1 und z.B. 2) erzeugt. In einem zweiten Schritt S2, der auch als Auswerteschritt bezeichnet werden kann, wird mindestens eine Welleneigenschaft des abgebildeten periodischen Intensitätsverlaufs bestimmt. In einem Bestimmungsschritt S3 wird dann in Abhängigkeit mindestens der Welleneigenschaft der Drehwinkel W bestimmt. 12th shows a schematic flow diagram of a method according to the invention in a first embodiment. The first step here is S1 , which can also be referred to as an imaging step, is an image of a target 8th with a periodic pattern 9 (please refer 1 and e.g. 2 ) generated. In a second step S2 , which can also be referred to as an evaluation step, at least one wave property of the depicted periodic intensity profile is determined. In one determination step S3 the angle of rotation W is then determined as a function of at least the shaft property.

Hierbei kann in einem ersten Teilschritt des Auswerteschritts ein Zentrum 10 des abgebildeten periodischen Musters 9 bestimmt werden, also ein Zentrum des periodischen Musters 9 im Bildkoordinatensystem. Dies kann durch die Detektion und Auswertung eines Referenzmusters 12 (siehe 7, 8) erfolgen. Weiter können in einem weiteren Teilschritt Messpunkte entlang von Kreislinien um das derart bestimmte Zentrum und deren Intensitätswerte bestimmt werden. Weiter kann dann in einem weiteren Teilschritt eine Phasenlage des durch diese Intensitätswerte gebildeten periodischen, insbesondere harmonischen, Verlaufs bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit der Phasenlage dann der Drehwinkel W bestimmt wird.A center can be used in a first sub-step of the evaluation step 10 of the depicted periodic pattern 9 be determined, i.e. a center of the periodic pattern 9 in the image coordinate system. This can be done by detecting and evaluating a reference pattern 12th (please refer 7th , 8th ) respectively. Furthermore, in a further sub-step, measuring points along circular lines around the center determined in this way and their intensity values can be determined. Furthermore, in a further partial step, a phase position of the periodic, in particular harmonic, curve formed by these intensity values can then be determined, the angle of rotation W then being determined as a function of the phase position.

Alternativ kann in einem ersten Teilschritt des zweiten Schritts S2 eine zweidimensionale Fouriertransformation des Abbilds durchgeführt werden. Weiter können in einem weiteren Teilschritt des zweiten Schritts S2 lokale Intensitätsmaxima im zweidimensionalen Frequenzraum bestimmt werden. Weiter kann, wie vorhergehend erläutert, der Winkel zwischen der Verbindungslinie des Ursprungs des Frequenzkoordinatensystems und des lokalen Intensitätsmaximums sowie einer Referenzachse im Frequenzkoordinatensystem, beispielsweise einer Frequenzlängsachse xf (siehe 9b), bestimmt werden, wobei in Abhängigkeit dieses Winkels eine Drehlage des Targets 8 bestimmt werden kann. Hierbei kann z.B. eine vorbekannte Zuordnung zwischen dem besagten Winkel und einem Drehwinkel W des Targets 8 ausgewertet werden.Alternatively, in a first sub-step of the second step S2 a two-dimensional Fourier transformation of the image can be carried out. You can continue in a further sub-step of the second step S2 local intensity maxima can be determined in the two-dimensional frequency space. Furthermore, as explained above, the angle between the connecting line of the origin of the frequency coordinate system and the local intensity maximum as well as a reference axis in the frequency coordinate system, for example a frequency longitudinal axis xf (see 9b) , are determined, a rotational position of the target as a function of this angle 8th can be determined. Here, for example, a previously known association between said angle and an angle of rotation W of the target can be used 8th be evaluated.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungcontraption
22
DrehachseAxis of rotation
33
BilderfassungseinrichtungImage capture device
44th
AuswerteeinrichtungEvaluation device
55
DrehtischTurntable
66th
ortsfester Teilfixed part
77th
drehbarer Teilrotatable part
88th
TargetTarget
99
periodisches Musterperiodic pattern
1010
Zentrumcenter
1111
MesspunktMeasuring point
1212th
ReferenzmusterReference sample
1313th
ÜbergangsbereichTransition area
1414th
RandbereichEdge area
1515th
ÜbergangsbereichTransition area
16a, ..., 16d16a, ..., 16d
TeilbereicheSub-areas
1717th
AusbreitungsrichtungDirection of propagation
1818th
lokales Intensitätsmaximumlocal intensity maximum
18a, 18b18a, 18b
lokale Intensitätsmaximalocal intensity maxima
S1S1
erster Schrittfirst step
S2S2
zweiter Schrittsecond step
S3S3
dritter SchrittThird step

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 3321883 A1 [0004]EP 3321883 A1 [0004]

Claims (21)

Verfahren zur Bestimmung eines Drehwinkels (W) einer Drehachse (2), wobei mindestens ein Abbild eines Targets (8) mit mindestens einem periodischen Muster (9) erzeugt wird, wobei das periodische Muster (9) entlang mindestens einer Dimension einen periodischen Intensitätsverlauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Welleneigenschaft des periodischen Intensitätsverlaufs bestimmt wird, wobei der Drehwinkel (W) in Abhängigkeit der mindestens einen Welleneigenschaft bestimmt wird.Method for determining an angle of rotation (W) of an axis of rotation (2), at least one image of a target (8) with at least one periodic pattern (9) being generated, the periodic pattern (9) having a periodic intensity profile along at least one dimension, characterized in that at least one wave property of the periodic intensity profile is determined, the angle of rotation (W) being determined as a function of the at least one wave property. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welleneigenschaft eine Phaseninformation oder eine Amplitudeninformation oder eine Frequenzinformation ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a wave property is phase information or amplitude information or frequency information. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Muster entlang mindestens einer Dimension einen harmonischen Intensitätsverlauf aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the periodic pattern has a harmonic intensity profile along at least one dimension. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Muster einen periodischen Intensitätsverlauf entlang mindestens einer teil- oder vollkreisförmigen Linie aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the periodic pattern has a periodic intensity profile along at least one partially or fully circular line. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Abbild Intensitätswerte einer Anzahl von Messpunkten (11) entlang mindestens einer teil- oder vollkreisförmigen Linie im Abbild bestimmt werden, wobei als Welleneigenschaft eine Phaseninformation des Verlaufs der Intensitätswerte bestimmt wird.Procedure according to Claim 4 , characterized in that intensity values of a number of measuring points (11) are determined in the image along at least one partially or fully circular line in the image, phase information of the course of the intensity values being determined as the wave property. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phaseninformation durch eine Fourier-Transformation des Verlaufs der Intensitätswerte bestimmt wird oder dass die Phaseninformation durch Anpassung einer periodischen Funktion an den Verlauf der Intensitätswerte bestimmt wird, wobei ein Parameter der periodischen Funktion die Phaseninformation ist.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the phase information is determined by a Fourier transformation of the course of the intensity values or that the phase information is determined by adapting a periodic function to the course of the intensity values, one parameter of the periodic function being the phase information. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Abbild Intensitätswerte einer Anzahl von Messpunkten entlang mehrerer teil- oder vollkreisförmiger Linien im Abbild bestimmt werden, wobei als Welleneigenschaft eine Phaseninformation der Verläufe der Intensitätswerte bestimmt wird.Method according to one of the Claims 4 to 6th , characterized in that intensity values of a number of measurement points along a plurality of partially or fully circular lines in the image are determined in the image, phase information of the courses of the intensity values being determined as the wave property. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Abbild ein Zentrum (10) der teil- oder vollkreisförmigen Linien bestimmt wird.Method according to one of the Claims 4 to 7th , characterized in that a center (10) of the partially or fully circular lines is determined in the image. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum (10) im Abbild in Abhängigkeit eines Referenzmusters (12) bestimmt wird.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the center (10) in the image is determined as a function of a reference pattern (12). Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel (W) zusätzlich in Abhängigkeit eines weiteren Musters des Targets (8) bestimmt wird, wobei das weitere Muster vom periodischen Muster (9) verschieden ist.Method according to one of the Claims 4 to 9 , characterized in that the angle of rotation (W) is additionally determined as a function of a further pattern of the target (8), the further pattern being different from the periodic pattern (9). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Muster (9) mindestens einen Teilbereich (16a,..., 16d) mit einem transversalen ungewichteten oder gewichteten Streifen- oder Wellenmuster umfasst, wobei eine Fouriertransformation des Abbilds durchgeführt und der Drehwinkel (W) in Abhängigkeit einer Lage eines Intensitätsmaximums (18, 18a, 18b) im Frequenzraum bestimmt wird.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the periodic pattern (9) comprises at least a partial area (16a, ..., 16d) with a transversal unweighted or weighted stripe or wave pattern, a Fourier transformation of the image being carried out and the angle of rotation (W) depending on a Location of an intensity maximum (18, 18a, 18b) in the frequency space is determined. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Muster (9) mehrere Teilbereiche (16a,... ,16d) mit Streifen- oder Wellenmustern unterschiedlicher Orientierung umfasst, wobei eine Fouriertransformation des Abbilds durchgeführt und der Drehwinkel (W) in Abhängigkeit der Lage mehrerer Intensitätsmaxima (18, 18a, 18b) im Frequenzraum bestimmt wird.Procedure according to Claim 11 , characterized in that the periodic pattern (9) comprises several partial areas (16a, ..., 16d) with stripe or wave patterns of different orientation, a Fourier transformation of the image being carried out and the angle of rotation (W) depending on the position of several intensity maxima ( 18, 18a, 18b) is determined in the frequency domain. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Intensitätswerte eines transversalen gewichteten Streifen- oder Wellenmusters eines Teilbereichs (16a,...,16d) durch Gewichtung eines transversalen ungewichteten Streifen- oder Wellenmusters mit einer Gauss-Funktion bestimmt werden.Procedure according to Claim 11 or 12th , characterized in that intensity values of a transversely weighted stripe or wave pattern of a sub-area (16a, ..., 16d) are determined by weighting a transversal unweighted stripe or wave pattern with a Gaussian function. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenzen des Streifen- oder Wellenmusters in verschiedenen Teilbereichen (16a,...,16d) verschieden sind.Method according to one of the Claims 12 to 13th , characterized in that frequencies of the stripe or wave pattern in different sub-areas (16a, ..., 16d) are different. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Intensitätsmaxima (18, 18a, 18b) durch Anpassung einer vorbekannten Verteilung Intensitätsmaxima bestimmt werden.Method according to one of the Claims 12 to 14th , characterized in that intensity maxima (18, 18a, 18b) are determined by adapting a previously known distribution of intensity maxima. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abbild gefiltert wird, wobei die mindestens eine Welleneigenschaft des periodischen Intensitätsverlaufs im gefilterten Abbild bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one image is filtered, the at least one wave property of the periodic intensity profile being determined in the filtered image. Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels (W) einer Drehachse (2), wobei die Vorrichtung (1) mindestens eine Bilderfassungseinrichtung (3) und mindestens eine Auswerteeinrichtung (4) umfasst, wobei durch die mindestens eine Bilderfassungseinrichtung (3) mindestens ein Abbild eines Targets (8) mit mindestens einem periodischen Muster (9) erzeugt wird, wobei das periodische Muster (9) entlang mindestens einer Dimension einen periodischen Intensitätsverlauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinrichtung (4) mindestens eine Welleneigenschaft des periodischen Intensitätsverlaufs bestimmt wird, wobei der Drehwinkel (W) in Abhängigkeit der mindestens einen Welleneigenschaft bestimmt wird.Device for determining an angle of rotation (W) of an axis of rotation (2), wherein the device (1) comprises at least one image acquisition device (3) and at least one evaluation device (4), with at least one image of a target (3) being provided by the at least one image acquisition device (3). 8) with at least one periodic Pattern (9) is generated, the periodic pattern (9) having a periodic intensity profile along at least one dimension, characterized in that at least one wave property of the periodic intensity profile is determined by the evaluation device (4), the angle of rotation (W) as a function the at least one wave property is determined. Target zur Bestimmung eines Drehwinkels einer Drehachse, wobei das Target (8) mindestens ein periodisches Muster (9) aufweist, wobei das periodische Muster (9) entlang mindestens einer Dimension einen periodischen Intensitätsverlauf aufweist.Target for determining an angle of rotation of an axis of rotation, the target (8) having at least one periodic pattern (9), the periodic pattern (9) having a periodic intensity profile along at least one dimension. Target nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Muster (9) mindestens einen Teilbereich (16a,...,16d) mit einem transversalen ungewichteten oder gewichteten Streifen- oder Wellenmuster umfasst.Target after Claim 18 , characterized in that the periodic pattern (9) comprises at least a partial area (16a, ..., 16d) with a transversal unweighted or weighted stripe or wave pattern. Target nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Muster (9) mehrere Teilbereiche (16a,...,16d) mit Streifen- oder Wellenmustern unterschiedlicher Orientierung umfasst.Target after one of the Claims 18 or 19th , characterized in that the periodic pattern (9) comprises several partial areas (16a, ..., 16d) with stripe or wave patterns of different orientation. Target nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (8) mindestens ein weiteres Muster aufweist, welches vom periodischen Muster (9) verschieden ist.Target after one of the Claims 18 to 20th , characterized in that the target (8) has at least one further pattern which is different from the periodic pattern (9).
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