DE10157810A1

DE10157810A1 - Three-dimensional optical shape acquisition through intensity coding of the pulse duration

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Publication number: DE10157810A1
Application number: DE10157810A
Authority: DE
Original assignee: UP TRANSFER GESELLSCHAFT fur WISSENS- und TECHNOLOGIETRANSFER MBH AN DER UNIVERSITAET POTSDAM; UP TRANSFER GES fur WISSENS U
Current assignee: Callidus Precision Systems GmbH
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-05
Also published as: CN1613001A; JP2010175550A; KR20040076251A; EP1451526A2; KR100952254B1; AU2002358562A8; JP2005510697A; WO2003046472A3; CN100549616C; AU2002358562A1; WO2003046472A2

Abstract

The aim of the invention is to provide a method and a device which allow detection of the shape of a three-dimensional object at very short measuring times, especially at substantially shorter measuring times than the methods known so far, thereby allowing inter alia the three-dimensional shape detection of fast moving or quickly changing test objects. According to the invention, the propagation times of the light scattered and/or reflected and/or emitted by the object to the measured are encoded as light intensity modulations and the light intensity or light intensity distribution is measured. The shape of the three-dimensional object is determined on the basis of the measured values for the light intensity distribution.

Description

State of the art with sites

Zur dreidimensionalen Formerfassung von Objekten existieren verschiedene mechanische und optische Verfahren, die jedoch alle große Meßzeiten von typischer Weise vielen Sekunden bis Minuten und z. T. Stunden benötigen. Various mechanical and optical systems exist for three-dimensional shape detection of objects Methods, however, all large measuring times of typically many seconds to minutes and z. T. Need hours.

Bei den mechanischen Verfahren wird das Messobjekt typischerweise mit Hilfe eines Sensors punktweise abgetastet und so durch eine Aneinanderreihung der punktweisen Messresultate die dreidimensionale Form des Messobjektes bestimmt. Falls mit diesem Verfahren eine hohe Genauigkeit erreicht werden soll, ist eine extrem lange Messzeit erforderlich, wenn große Messflächen dreidimensional formerfasst werden sollen. In the mechanical processes, the measurement object is typically made with the help of a sensor scanned point-by-point and so by a series of point-by-point measurement results three-dimensional shape of the measurement object. If with this procedure high accuracy An extremely long measuring time is required if large measuring areas are to be achieved three-dimensional shape.

Optische Messverfahren haben den Vorteil, dass grundsätzlich eine parallele Verarbeitung der einzelnen Bildpunkte einer dreidimensionalen Fläche durchgeführt werden kann. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Verfahren bekannt, wie z. B. die Streifenprojektion, Triangulationsverfahren oder Methoden der Weißlichtinterferometrie, die die dreidimensionale Vermessung von Objektpunkten erlauben. Nachteil dieser Verfahren ist jedoch, dass zur Bestimmung der dreidimensionalen Form eines Objektes mehrere, z. T. eine Vielzahl von Messungen erforderlich sind, aus denen dann über eine mehr oder weniger komplizierte Auswertung die dreidimensionale Form des Objektes bestimmt werden kann. Somit ergibt sich für diese Messverfahren eine erhebliche Messzeit, die typischerweise viele Sekunden, aber auch viele Minuten dauern kann, ehe die dreidimensionale Form mit der hinreichenden Genauigkeit erfasst ist. Optical measurement methods have the advantage that the individual can be processed in parallel Pixels of a three-dimensional surface can be carried out. In this context known various methods such. B. the fringe projection, triangulation method or Methods of white light interferometry, which are the three-dimensional measurement of object points allow. The disadvantage of this method is, however, that for determining the three-dimensional shape of a Object several, e.g. T. a variety of measurements are required, from which then over a more or less complicated evaluation the three-dimensional shape of the object can be determined. This results in a considerable measuring time for these measuring methods, typically many seconds, but it can also take many minutes before the three-dimensional shape with sufficient accuracy is recorded.

Ein Vorteil der optischen Verfahren besteht somit in der berührungslosen Messtechnik und einer typischerweise gegenüber mechanischen Verfahren erhöhten Messgeschwindigkeit. One advantage of the optical method is the contactless measurement technology and one typically increased measuring speed compared to mechanical methods.

Alternativ zu diesen Verfahren, bei denen eine Parallelverarbeitung der Objektpunkte der dreidimensionalen Oberfläche durchgeführt wird, sind optische Punktsensoren entwickelt worden. Diese haben gegenüber den mechanischen Punktsensor-Verfahren den Vorteil einer wesentlich verkürzten Messzeit. Optische Punktsensoren sind jedoch im Vergleich zu optischen Flächensensoren durch die erforderliche Rasterung der dreidimensionalen Oberfläche meist langsamer. As an alternative to these methods, in which the object points are processed in parallel three-dimensional surface, optical point sensors have been developed. This have the advantage of a significantly shortened compared to the mechanical point sensor method Measurement time. Optical point sensors are, however, compared to optical area sensors due to the required rasterization of the three-dimensional surface usually slower.

Als Problem der somit bekannten, vielfältigen Messverfahren zur dreidimensionalen Formerfassung, die hier wegen ihrer Vielzahl nicht im einzelnen erörtert werden sollen, stellt sich heraus, dass die Messzeit grundsätzlich nicht auf sehr kleine Werte reduziert werden kann. Der Hintergrund für diesen Zeitbedarf sind die für die Messung erforderlichen vielfachen Messungen, aus deren Gesamtheit dann die dreidimensionale Oberflächenform bestimmt werden kann. As a problem with the well-known, diverse measurement methods for three-dimensional shape detection, the because of their large number not to be discussed in detail here, it turns out that the measurement time can generally not be reduced to very small values. The background for this time requirement are the multiple measurements required for the measurement, the total of which is then three-dimensional surface shape can be determined.

Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, eine dreidimensionale Formerfassung zu realisieren, bei der mit einer einzigen Messung die gesamte dreidimensionale Form des Messobjektes erfasst werden kann. Eine entsprechende Messtechnik ist jedoch derzeitig m. W. nicht bekannt. Insofern ist die dreidimensionale Formerfassung derzeitig typischer Weise auf statische Messobjekte begrenzt. Eine Messung sich verändernder oder schnell bewegender Objekte ist mit den derzeitigen Messverfahren m. W. nicht möglich. For this reason, it is desirable to realize a three-dimensional shape detection in which the entire three-dimensional shape of the measurement object can be recorded with a single measurement. A corresponding measurement technique is currently m. W. not known. To that extent it is three-dimensional shape detection is currently typically limited to static measurement objects. A Measuring changing or fast moving objects is with the current measurement methods m. W. not possible.

Problem (criticism of the state of the art)

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine dreidimensionale optische Formerfassung zu realisieren, die sehr kurze Messzeiten ermöglicht. Damit wird u. a. die dreidimensionale Formerfassung sich schnell bewegender oder schnell verändernder Messobjekte möglich. The invention specified in claim 1 is based on the problem, a three-dimensional to implement optical shape detection, which enables very short measuring times. So u. a. the three-dimensional shape detection of fast moving or rapidly changing objects possible.

solution

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Intensitätskodierung der Laufzeit des Messlichtes die sich aus der dreidimensionale Form des Messobjektes ergibt, realisiert wird. This object is achieved in that an intensity coding of the running time of the Measurement light resulting from the three-dimensional shape of the measurement object is realized.

Achieved advantages

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass die dreidimensionale Formerfassung optisch und in außerordentlich kurzen Messzeiten von wenigen Millisekunden oder sogar Sub- Pikosekunden erfolgen kann. Damit können Objekte berührungslos in extrem kurzen Messzeiten in ihrer dreidimensionalen Form erfasst werden. The advantages achieved with the invention are that the three-dimensional shape detection optically and in extremely short measuring times of a few milliseconds or even sub- Picoseconds can be done. This allows objects to be touch-free in extremely short measuring times three-dimensional shape.

Further embodiment of the invention

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist nach Patentanspruch 2 bis 9 dadurch gegeben, dass zur Intensitätskodierung verschiedene Konverter eingesetzt werden können. Dies sind Bauelemente deren Transmission sich im Laufe der Zeit ändert. Dies können auch optische Tore, wie z. B. in Ansprüchen 8 und 9 beschrieben, sein. Besonders einfach gestaltet sich ggf. der Aufbau unter Verwendung von Konvertern auf der Basis der nichtlinearen Transmission, wie sie z. B. in Ansprüchen 4 bis 7 und 19 beschrieben sind. A further embodiment of the invention is given according to claim 2 to 9 in that Intensity coding different converters can be used. These are components of which Transmission changes over time. This can also be optical gates, e.g. B. in claims 8 and 9. If necessary, the construction using is particularly easy Converters based on the non-linear transmission, as z. B. in claims 4 to 7 and 19th are described.

Die Konverter werden zur Messung elektrisch oder mit besserer Genauigkeit optisch getriggert. Diese Triggerung muß nicht sehr genau sein, da in der Flanke des Transmissionsänderungseffektes gemessen werden kann. The converters are triggered electrically or with better accuracy for measurement. This Triggering does not have to be very precise, since it is measured in the flank of the transmission change effect can be.

Im einfachsten Fall wird ein nichtlinearer Absorber mit bekannter Rückkehrzeit der Absorption verwendet. Dieser Absorber wird durch ein entsprechendes Anregungslicht, welches mit dem Messlicht synchronisiert wird, ausgebleicht. Dies führt dann zur laufzeitabhängigen Schwächung des am dreidimensionalen Objekt reflektierten Lichtes. In the simplest case, a nonlinear absorber with a known return time of the absorption used. This absorber is activated by a suitable excitation light, which is combined with the measuring light is synchronized, faded. This then leads to the maturity-dependent weakening of the three-dimensional object of reflected light.

Nach Patentanspruch 6 und 7 kann dieser nichtlineare Absorber auf der Basis von z. B. schnell schaltenden optischen Filtern, wie sie z. B. aus der RG-Serie der Firma Schott verfügbar sind, durch geeignete Farbstoffe, wie sie z. B. Triphenylmethanfarbstoffe darstellen oder durch geeignete Halbleiterschalter realisiert werden. According to claims 6 and 7, this nonlinear absorber on the basis of z. B. quickly switching optical filters, such as z. B. from the RG series from Schott are available suitable dyes, such as. B. triphenylmethane dyes or by suitable Semiconductor switches can be realized.

Zur Auswertung dreidimensionaler Bildinformationen bieten sich nach Patentanspruch 10 neben CCD- Kameras insbesondere CMOS-Kameras mit einer logarithmischen Kennlinie an, da diese Kameras die Kennlinie des nichtlinearen Absorbers in bestmöglicher Weise ausnutzen. According to claim 10, in addition to CCD, Cameras in particular CMOS cameras with a logarithmic characteristic, since these cameras are the Use the characteristic of the nonlinear absorber in the best possible way.

Zur Korrektur von Ungleichmäßigkeiten in der Beleuchtung und im Transmissionsprofil des Konverters sind Referenzkanäle und -messungen entsprechend der Ansprüche 11 und 12 hilfreich. Mit ihnen läßt sich die Messgenauigkeit erheblich steigern. For correcting irregularities in the lighting and in the transmission profile of the converter reference channels and measurements according to claims 11 and 12 are helpful. With them lets the measuring accuracy increase considerably.

Messergebnisse verschiedener Messungen aus verschiedenen Ansichten des Objektes können kombiniert werden und die mathematische Beschreibung in z. B. CAD-Formate konvertiert werden, wie in Ansprüchen 13 bis 15 beschrieben. Measurement results of different measurements from different views of the object can be combined be and the mathematical description in z. B. CAD formats can be converted as in Claims 13 to 15 described.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass verschiedene Konverter gleichzeitig in verschiedenen Messkanälen oder nacheinander benutzt werden können, wie in Anspruch 16 beschrieben. Auf diese Weise können die Messgenauigkeit gesteigert und der Messbereich erweitert werden. A further embodiment of the invention is that different converters in at the same time Different measuring channels or can be used in succession, as described in claim 16. In this way, the measuring accuracy can be increased and the measuring range expanded.

Nach Patentanspruch 17 können zusätzliche Gatter in die Messanordnung eingebracht werden, so dass die dreidimensionale Formerfassung nur für einen vorher festgelegten Tiefenbereich stattfindet. Auf diese Weise ist es möglich, auch innerhalb von z. B. streuenden Objekten dreidimensionale Formerfassung durchzuführen. Dies könnte insbesondere für biologische und medizinische Objekt von Interesse sein. According to claim 17, additional gates can be introduced into the measuring arrangement, so that the three-dimensional shape acquisition only takes place for a predetermined depth range. On in this way it is possible, even within z. B. scattering objects three-dimensional Perform shape registration. This could be of biological and medical object in particular Be interested.

Nach Patentanspruch 20 bis 22 ist die hier beschriebene dreidimensionale optische Formerfassung auch geeignet, um in zwei Dimensionen oder gar nur in einer Dimension Formerfassungen durchzuführen. In dem Falle wird z. B. die nachweisende Kamera entweder im Binding-Modus betrieben oder durch eine lineare Zeile respektive eine PIN-Diode ersetzt werden können. Durch die Auswertung nur eines einzigen Bildpunktes können auch Entfernungsmessungen durchgeführt werden. According to claims 20 to 22, the three-dimensional optical shape detection described here is also Suitable for performing shape measurements in two dimensions or even in one dimension. In the case is z. B. the detecting camera either operated in binding mode or by a linear line or a PIN diode can be replaced. By evaluating only one Distance measurements can also be carried out with a single pixel.

Description of exemplary embodiments

In Abb. 1 ist das Ausführungsbeispiel der optischen dreidimensionalen Formerfassung mit Hilfe eines Femtosekundenlaserpulses dargestellt. Das Messobjekt wird nach diesem Ausführungsbeispiel durch einen Teil des Femtosekundenlaserlichtes beleuchtet, welches am Strahlteiler BS1 ausgekoppelt wird. Ein anderer Teil der Strahlung passiert diesen Strahlteiler und wird mit einer geeigneten Verzögerung über den hochreflektierenden Spiegel HR auf den zur Intensitätskodierung benutzten Konverter (z. B. nichtlinearen Absorber) gelenkt. Das an dem Messobjekt gestreute Licht wird mit Hilfe des Linsensystems L1 durch das angeregte und damit ausgebleichte Volumen des nichtlinearen Absorbers (Konverter) geführt. Nach diesem Absorber wird dieses Licht auf die Oberfläche einer CCD- Kamera (Kam1) mit der Linse L2 abgebildet. Im Ergebnis kann so mit der CCD-Kamera das an dem Messobjekt gestreute Licht beobachtet werden. Dieses Licht wird durch die nichtlineare Kennlinie des nichtlinearen Absorbers in Abhängigkeit von der Laufzeit des Lichtes in seiner Intensität moduliert. In dem Ausführungsbeispiel ergibt sich unter Verwendung z. B. eines RG-Filters eine logarithmische Rückkehrzeit der Absorption, so dass die Intensität mit dieser logarithmischen Skala in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit und damit von der Messobjektform kodiert wird. Das entstehende Bild auf der CCD-Kamera ergibt sich somit aus der Intensitätsverteilung dieses durch den nichtlinearen Absorber intensitätskodierten Lichtes. Für Messobjekte, die das Beleuchtungslicht in verschiedener Weise reflektieren, z. B. durch verschiedene Reflektionsgrade auf der dreidimensionalen Oberfläche, kann diese Reflektion mit Hilfe einer zweiten Kamera Kam2 hinter dem Strahlteiler BS2 und der Linse L3 erfasst werden. Das Höhenprofil des Objektes ergibt sich dann aus der gemessenen Intensität hinter dem Konverter, mit der Kamera Kam1 gemessen, geteilt durch die Intensitätsverteilung, die mit der Kamera Kam2 gemessen worden ist. Die Normierung des Höhenprofils ergibt sich nach Logarithmierung und Kalibrierung der Intensitätskodierung als Funktion der Lebensdauer des Ausbleichens in dem nichtlinearen Absorber. Fig. 1 shows the embodiment of the optical three-dimensional shape detection using a femtosecond laser pulse. According to this exemplary embodiment, the measurement object is illuminated by part of the femtosecond laser light which is coupled out at the beam splitter BS1. Another part of the radiation passes this beam splitter and is directed with a suitable delay via the highly reflecting mirror HR to the converter used for intensity coding (e.g. nonlinear absorber). The light scattered on the measurement object is guided with the aid of the lens system L1 through the excited and thus bleached volume of the nonlinear absorber (converter). After this absorber, this light is imaged on the surface of a CCD camera (Kam1) with the lens L2. As a result, the light scattered on the measurement object can be observed with the CCD camera. The intensity of this light is modulated by the nonlinear characteristic of the nonlinear absorber depending on the propagation time of the light. In the embodiment, using z. B. an RG filter, a logarithmic return time of the absorption, so that the intensity is encoded with this logarithmic scale as a function of the delay time and thus of the shape of the measurement object. The resulting image on the CCD camera thus results from the intensity distribution of this light, which is intensity-coded by the nonlinear absorber. For measuring objects that reflect the illuminating light in different ways, e.g. B. by different degrees of reflection on the three-dimensional surface, this reflection can be detected with the help of a second camera Kam2 behind the beam splitter BS2 and the lens L3. The height profile of the object then results from the measured intensity behind the converter, measured with the camera Kam1, divided by the intensity distribution, which was measured with the camera Kam2. The normalization of the height profile results after logarithmization and calibration of the intensity coding as a function of the lifespan of the bleaching in the nonlinear absorber.

Claims

1. Three-dimensional optical shape detection, characterized in that the transit times of the light are encoded in a corresponding converter as light intensity modulations.

2. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that the above Converter shows a time-dependent transmission change.

3. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1 and 2, characterized, that the converter is irradiated by a pump light beam and thereby its transmission is changed.

4. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1 to 3, characterized, that the converter functions as a nonlinear absorber in such a way that with a short Pump light pulse a fading of the absorber is reached and then the absorber again its original absorption reached.

5. Converter according to claim 2 to 4, characterized, that the return of the absorption of the converter is known in its course, e.g. B. one Exponential function is sufficient.

6. Converter according to claim 2-5, characterized, that as a converter non-linear absorbers based on dyes, dye solutions, and / or semiconductor switches can be used.

7. Converter according to claim 2-6, characterized, that optical filters, e.g. B. RG filters from Schott, or triphenylmethane dyes or GaAs Structures are used.

8. Converter according to claim 1, characterized, that optical gates based on polarization effects, e.g. B. Kerr cells or Pockels cells, to be used.

9. Converter according to claim 8, characterized, that the polarization rotation diffusion, e.g. B. the Kerr cells, by varying the viscosity Liquids is varied.

10. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that the light is measured with film or CCD or CMOS cameras.

11. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that with one or more reference channels, the light scattered by the object without passage is measured by the converter.

12. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1-11, characterized, that the light from reference channels and reference measurements to eliminate the effects uneven lighting and / or different object properties as well as the possible Way non-uniform transverse transmission profile of the converter in the Shape calculation is used.

13. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that the evaluation of the measurements for the mathematical three-dimensional description of the Molding is performed.

14. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1-13, characterized, that the evaluation of several measurements to determine the three-dimensional description different views of the objects.

15. Three-dimensional optical shape detection according to claims 13 and 14, characterized, that the three-dimensional description is carried out in the form of CAD data.

16. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that several converters are used in succession or simultaneously in different channels, so that the measurement of different depths can be done with increased accuracy.

17. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that additional temporal light gates are introduced for the light to be measured, so that the three-dimensional shape detection only for certain depths defined by the light gate.

18. Three-dimensional optical shape detection according to claim 16, characterized, that within media, e.g. B. in biological tissues, the three-dimensional shape detection is carried out and areas in front of and / or behind the measuring field thus defined are not in the Take measurement.

19. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that with the converter the rising edge of the transmission change for evaluation is exploited.

20. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that only two dimensions are evaluated.

21. Three-dimensional optical shape detection according to claim 20, characterized, that a CCD or CMOS line scan camera is used for two-dimensional evaluation.

22. Three-dimensional optical shape detection according to claim 1, characterized, that only the depth dimension is evaluated and a distance measurement is carried out in this way.