DE102005002190A1

DE102005002190A1 - Scanner und Verfahren zum Betreiben eines Scanners

Info

Publication number: DE102005002190A1
Application number: DE102005002190A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schelinski; Michael Scholles; Alexander Wolter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-18
Also published as: DE102005002190B4; US20060158662A1; US7469834B2; CN100385199C; CN1808059A

Abstract

Ein Scanner zum Bereitstellen einer Möglichkeit zum Erfassen eines Oberflächenreliefs eines Objektes umfasst einen Projektor, der ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile über das Oberflächenrelief zu führen, um eine beleuchtete Stelle auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei der Projektor ferner ausgebildet ist, um ein Projektionssignal auszugeben, aus dem eine Position des Lichtstrahles in der Beleuchtungszeile ableitbar ist. Ferner umfasst der Scanner einen Kollektor mit einem zu Schwingungen in zwei Dimensionen anregbaren Kollektormikrospiegel und einem punktförmigen Lichtdetektor, wobei der Kollektormikrospiegel derart in eine erste Richtung der Beleuchtungszeile und in eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung schwingbar angeordnet ist, dass eine Reflexion der beleuchteten Stelle innerhalb eines Abtastbereiches des Mikroscannerspiegels durch denselben auf den punktförmigen Lichtdetektor abbildbar ist und wobei der Kollektor ausgebildet ist, um ein Detektionssignal auszugeben, aus dem eine Position der beleuchteten Stelle in der ersten und zweiten Richtung ableitbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der berührungslosen Erfassung bzw. Vermessung dreidimensionaler Objekte. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das technische Teilgebiet der Scanner zum Erfassen eines Oberflächenreliefs mittels einer optischen Abtastung.

Bekannte Scanner für kurze Objektentfernungen nutzen meist das Verfahren der Triangulation, wie es in 7 dargestellt ist. Hierbei wird von einer Lichtquelle 705 eines Scanners 700 ein geeignetes Lichtmuster auf das zu untersuchende Objekt 710 projiziert, während ein elektronischer Bildaufnehmer 720 das entstehende Abbild aus einem anderen Blickwinkel erfasst. Wie in 7 dargestellt ist, führt das Oberflächenprofil des in unterschiedliche Richtungen 730 und 740 verdreh- bzw. verschiebbaren Objektes 710 zu einem Versatz des projizierten Lichtmusters gegenüber einer Referenzebene 750, woraus sich über Bildverarbeitungsalgorithmen Objektkoordinaten berechnen lassen. Ein vollständiges räumliches Modell des Objektes 710 kann gewonnen werden, wenn das Objekt 710 und der Scanner 700 in einer definierten Weise relativ zueinander bewegt werden. Die 7 zeigt somit einen 3D-Scanner, der nach dem Triangulationsprinzip arbeitet.

Je nach Anwendungsfall finden unterschiedliche Lichtquellen Verwendung, wie etwa herkömmliche Projektoren mit Schattenmasken zur Strukturierung (z.B. DE 000010149750 A1 , US 00006501554 B1 ) oder Laserlichtquellen entsprechend beispielsweise DE 000019721688 A1 . Auch Lichtquellen mit Vorsatzoptiken zur Erzeugung von Lichtfiguren nach DE 000019615685 A1 oder solche mit DMD-Bauelementen (DMD = Digital Micro Device = Digitales Mikrospiegelelement mit mat rixförmiger Anordnung von Mikrospiegeln mit Ein/Aus-Funktion, wie sie üblicherweise für Videoprojektoren „Beamer" verwendet werden) können zur Erzeugung von elektronisch steuerbaren Lichtfiguren beispielsweise gemäß EP 000000927334 B1 , US 000006611343 B1 , DE 000019810495 A1 verwendet werden. Alle bekannten Geräte dieser Klassen benutzen jedoch als Bildaufnehmer flächenhafte ( DE 000010149750 A1 oder DE 000019615685 A1 ) oder wenigstens zeilenförmige Bildsensoren (wie beispielsweise in US 000006501554 B1 offenbart ist) auf der Basis der CCD- oder CMOS-Technologie (CCD = Charge Coupled Device = Ladungsgekoppeltes Bauelement = Sensortyp, der unter Lichteinfall elektrische Ladungen akkumuliert, die über geeignet gesteuerte Elektroden einer Ausleseelektronik zugeführt werden; CMOS = Complementary Metal Oxid Semiconductor = Komplementärmetalloxidhalbleiter = weitverbreitete Schaltungstechnik und Herstellungstechnologie für integrierte Festkörperschaltkreise auf Siliziumbasis).

Neuerdings sind mit sogenannten Mikroscannerspiegeln neuartige, elastisch aufgehängte und in der Nähe ihrer Eigenresonanz elektrostatisch angeregte mikrooptische Bauelemente und die zugehörige Ansteuerelektronik verfügbar, wie dies beispielsweise in den nachfolgenden Dokumenten näher erläutert ist:

A new driving principle for micromechanical torsional actuators H. Schenk, P. Dürr, D. Kunze, H. Kück; Micro-Electro-Mechanical System, MEMS-Vol. 1, Conf.: 1999 int. Mech. Eng. Congr. & Exh., 14–19 November 1999, Nashville, p. 333–338, 1999
A Novel Electrostatically Driven Torsional Actuator H. Schenk, P. Dürr, H. Kück Proc. 3^rd Int. Conf. On Micro Opto Electro Mechanical Systems, Mainz, 30. August – 1. September 1999, page 3–10, 1999
Micromirror Spatial Light Modulators P. Dürr, A. Gehner, U. Dauderstädt, 3rd International Conference on Micro Opto Electro Mechanical Systems (Optical MEMS) Proc. MEMS 1999, Mainz, 1999, S. 60–65
A Resonantly Excited 2D-Micro-Scanning-Mirror with Large Deflection H. Schenk, P. Dürr, D. Kunze, H. Lakner, H. Kück Sensors & Actuators, 2001 Sensors & Actuators, A 89 (2001), Nr. 1–2, ISSN 0924-4247, S. 104–111
Large Deflection Micromechanical Scanning Mirrors for Linear Scans and Pattern Generation H. Schenk, P. Dürr, T. Haase, D. Kunze, U. Sobe, H. Lakner, H. Kück Journal of Selected Topics of Quantum Electronics 6, (2000), Nr. 5 ISSN 1077-260X, S. 715–722
An Electrostatically Excited 2D-Micro-Scanning-Mirror with an In-Plane Configuration of the Driving Electrodes H. Schenk, P. Dürr, D. Kunze, H. Lakner, H. Kück Proc. MEMS 2000, 13th Int. Micro Electro Mechanical Systems Conf, Miyazaki, Japan, page 473–478, 2000
Mechanical and electrical failures and reliability of Micro Scanning Mirrors E. Gaumont, A. Wolter, H. Schenk, G. Georgelin, M. Schmoger 9th Int. Symposium on the physical and failure analysis of integrated circuits (IPFA 9), 8–12 July 2002, raffles City Convention Centre, Singapore, Proc. New York, IEEE Press, 2002, ISBN 0-7803-7416-9, S. 212–217
Improved layout for a resonant 2D Micro Scanning Mirror with low operation voltages A. Wolter, H. Schenk, E. Gaumont, H. Lakner, SPIE Conference on MOEMS Display and Imaging Systems (mf07), 28–29 Jan. 2003, San Jose, California, USA, Proceedings, Belling ham, Wash.: SPIE, 2003 (SPIE Proceedings Series 4985) ISBN 0-8194-4785-4, S. 72–74
US020040183149A1 Micromechanical device
WO002003010545A1 Mikromechanisches Bauelement
WO002000025170A1, Mikromechanisches Bauelement Mit Schwingkörper
EP000001123526B1 , US000006595055B1
WO002004092745A1 Mikromechanisches Bauelement Mit Einstellbarer Resonanzfrequenz
Driver ASIC for synchronized excitation of resonant Micro-Mirror K.-U. Roscher, U. Fakesch, H. Schenk, H. Lakner, D. Schlebusch, SPIE Conference on MOEMS Display and Imaging Systems (mf07), 28–29 Jan. 2003, San Jose, California, USA, Proceedings, Bellingham, Wash.: SPIE, 2003 (SPIE Proceedings Series 4985) ISBN 0-8194-4785-4, S. 121–130

Die Klasse von MOEMS (MOEMS = Micro Opto Electromechanical Systems = Mikro Opto Elektromechanische Systeme) gestatten es, Lichtstrahlen elektronisch gesteuert ein- oder zweidimensional so auszulenken, dass mit punktförmigen Lichtquellen bzw. Detektorelementen eine Fläche oder ein Raumwinkel sequentiell abgerastert bzw. überstrichen werden kann (Scanning).

Für Projektionszwecke stellt der Einsatz resonanter Mikrospiegel bereits eine bekannte Lösung dar, was beispielsweise aus den folgenden Schriften hervorgeht:

DE 000019615685 A1 ,
Low Cost projection device with a 2-dimensional resonant micro scanning mirror K.-U. Roscher, H. Grätz, H. Schenk, A. Wolter, H. Lakner MEMS/MOEMS display and imaging systems II (2004), pp. 22–31
WO002003032046A1, Projektionsvorrichtung
US020040218155A1 , Ebenso werden für Projektionszwecke Spiegel auf andere Weise, z. B. rotierend nach DE 000010304187A1 , DE000010304188A1 und WO002004068211A1 bewegt oder die bereits erwähnten DMD-Bauelemente gemäß EP 000000927334B1 , US000006611343B1 oder DE 000019810495A1 zur Erzeugung von Lichtmustern verwendet.

Eine Möglichkeit zur eindimensionalen Erkennung einer Position eines Lichtstrahls ist in „Torsional stress, fatigue and fracture strength in silicon hinges of a micro scanning mirror", von A. Wolter, H. Schenk, H. Korth und H. Lackner (SPIE Symposium 2004, 26–28 Jan. 2004) vorgestellt worden. Diese eindimensionale Erkennung einer Position eines Lichtstrahls bietet lediglich eine grobe und verzögerte Möglichkeit zur einer Bestimmung der Position des Lichtstrahls, da die beschriebene Methode einen vollständigen Durchlauf des Lichtstrahls zwischen zwei Schwingungsamplitudenmaxima eines Bewegungsweges des Lichtstrahls erfordert.

Ferner sind für den Anwendungsbereich der folgenden Erfindung noch die weiteren Druckschriften relevant:
EP000000999429A1 Messinstrument für 3D Form mit Laser Scanner und Digitalkamera
US020030202691A1 Calibration of multiple cameras for a turntable-based 3D scanner
US000006486963B1 Precision 3D scanner base and method for measuring manufactured parts
DE000019846145A1 Verfahren und Anordnung zur 3D-Aufnahme
DE000019613978A1 Verfahren zum Zusammenfügen der Meßdaten unterschiedlicher Ansichten und Objektbereiche bei der optischen 3D-Koordinatenmeßtechnik mittels flächenhaft und auf der Basis von Musterprojektion arbeitenden Triangulationssensoren
DE000019536287A1 Verfahren zur geometrischen Kalibrierung von optischen 3D-Sensoren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten und Vorrichtung hierzu
DE000019536294A1 Verfahren zur geometrischen Navigation von optischen 3D-Sensoren zum dreidimensionalen Vermessen von Objekten
EP000001371969A1 Ausrichtungsverfahren zum Positionieren von Sensoren für 3D-Meßsysteme
WO002000077471A1 Vorrichtung zur Berührungslosen Dreidimensionalen Vermessung von Körpern und Verfahren zur Bestimmung eines Koordinatensystems für Messpunktkoordinaten
EP000000916071B1 Triangulation-Based 3D Imaging And Processing Method And System
US000005546189A Triangulation-based 3D imaging and processing method and system
US000005654800A Triangulation-based 3D imaging and processing method and system
WO001998005923A1 Triangulation-Based 3D Imaging And Processing Method And System
CA000002365323A1 Method Of Measuring 3D Object And Rendering 3D Object Acquired By A Scanner
DE000019721903C1 Verfahren und Anlage zur meßtechnischen räumlichen 3D-Lageerfassung von Oberflächenpunkten
CA000002376103A1 Active Structural Scanner For Scanning In 3D Mode Data Of Unknown Structures

Allen diesen im Stand der Technik bekannten Ansätzen wohnt jedoch der Nachteil inne, entweder eine Flächen- oder zumindest eine Zeilenkamera zum Erfassen des von dem Objekt reflektierten Abbildes zu benötigen oder lediglich durch eine aufwendige Ansteuerung von Mikrospiegeln mit mikromechanischen Elektromotoren eine Position des Abbildes detektieren zu können, um hieraus das dreidimensionale Oberflächenrelief zu erfassen. Außerdem weist die Lösung der aufwendigen Ansteuerung der Mikrospiegel den weiteren Nachteil auf, dass diese Ansteuerung mechanisch empfindlich, platzaufwendig und zusätzlich kostenintensiv ist. Auch die Verwendung einer Flächen- bzw. Zeilenkamera erfordert einen erheblichen Platzbedarf und ist zusätzlich kostenintensiv.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, um ein dreidimensionales Oberflächenrelief zu erfassen, wobei diese Möglichkeit gegenüber dem Stand der Technik besser auflösend, kostengünstiger, mechanisch robuster sowie platzsparender sein soll.

Diese Aufgabe wird durch einen Scanner gemäß dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Scanners gemäß dem Anspruch 10 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Scanner zum Bereitstellen einer Möglichkeit zum Erfassen eines Oberflächenreliefs eines Objektes mit folgenden Merkmalen:
einem Projektor, der ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile über das Oberflächenrelief zu führen, um eine beleuchtete Stelle auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei der Projektor ferner ausgebildet ist, um ein Projektionssignal auszugeben, aus dem eine Position des Lichtstrahls in der Beleuchtungszeile ableitbar ist; und
einem Kollektor mit einem zu Schwingungen in zwei Dimensionen anregbaren Kollektormikrospiegel und einem punktförmigen Lichtdetektor, wobei der Kollektormikrospiegel derart in eine erste Richtung der Beleuchtungszeile und in eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung schwingbar angeordnet ist, dass eine Reflexion der beleuchteten Stelle innerhalb eines Abtastbereiches des Kollektormikrospiegels durch denselben auf den punktförmigen Lichtdetektor abbildbar ist und wobei der Kollektor ausgebildet ist, um ein Detektionssignal auszugeben, aus dem eine Position der beleuchteten Stelle in der ersten und zweiten Richtung ableitbar ist.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Scanners zum Bereitstellen einer Möglichkeit zum Erfassen eines Oberflächenreliefs eines Objektes, wobei der Scanner
einen Projektor aufweist, der ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile über das Oberflächenrelief zu führen, um eine beleuchtete Stelle auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei der Projektor ferner ausgebildet ist, um ein Projektionssignal auszugeben, aus dem eine Position des Lichtstrahls in der Beleuchtungszeile ableitbar ist; und
einem Kollektor mit einem zu Schwingungen in zwei Dimensionen anregbaren Kollektormikrospiegel und einem punktförmigen Lichtdetektor, wobei der Kollektormikrospiegel derart in eine erste Richtung der Beleuchtungszeile und in eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung schwingbar angeordnet ist, dass eine Reflexion der beleuchteten Stelle innerhalb eines Abtastbereiches des Kollektormikrospiegels durch denselben auf den punktförmigen Lichtdetektor abbildbar ist und wobei der Kollektor ausgebildet ist, um ein Detektionssignal auszugeben, aus dem eine Position der beleuchteten Stelle in der ersten und zweiten Richtung ableitbar ist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen und zeilenförmiges Führen des Lichtstrahls in einer Beleuchtungszeile über das Oberflächenrelief des Objektes, um eine beleuchtete Stelle auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei das Führen des Lichtstrahls zugleich ein Ermitteln einer Position des Lichtstrahls in der Beleuchtungszeile und ein Ausgeben eines Projektionssignals umfasst, aus dem die Position des Lichtstrahls in der Beleuchtungszeile ableitbar ist; und
Detektieren einer Position der beleuchteten Stelle unter Verwendung des zu Schwingungen in zwei Dimensionen angeregten Kollektormikrospiegels und des punktförmigen Lichtdetektors, wobei das Detektieren und ein Abbilden einer Reflexion der beleuchteten Stelle auf den Lichtdetektor durch den in die erste und zweite Richtung schwingenden Kollektormikrospiegel umfasst und wobei das Detektieren ferner ein Ausgeben eines Detektorsignals umfasst, aus dem die Position der beleuchteten Stelle in der ersten und zweiten Richtung ableitbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, durch den Projektor das zu erfassende Oberflächenrelief zeilenförmig mit einem Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile derart zu beleuchten, dass ein Lichtpunkt zeilenförmig über das Oberflächenrelief geführt wird. Durch den Kollektor mit dem in zwei Dimensionen zu Schwingungen anregbaren Kollektormikrospiegel und dem punktförmigen Lichtdetektor ist es nun möglich, die Position des Lichtpunktes auf dem Oberflächenrelief in einer Richtung der Beleuchtungszeile als auch in einer hierzu senkrecht angeordneten Richtung in einer Referenzebene des Objektes zu erfassen, wobei durch das veränderliche Höhenprofil des Oberflächenreliefs die Reflexion des Lichtpunktes auf dem Oberflächenrelief nicht nur in Richtung der Beleuchtungszeile, sondern auch in einer Richtung senkrecht zur Beleuchtungszeile erfasst werden kann. Aus diesem Versatz des Lichtpunktes gegenüber einer durch die Beleuchtungszeile definierten Achse lässt sich somit unter Kenntnis der Position des Lichtstrahles in der Beleuchtungszeile das Höhenprofil des Oberflächenreliefs errechnen.

Vorteilhaft kann durch diese Kenntnis der Position der Reflexion des Lichtpunktes auf dem Oberflächenrelief und einer Information über eine Position des Lichtstrahles in der Beleuchtungszeile das Oberflächenrelief eines Objektes erfasst werden und zugleich dieses Erfassen des Oberflächenreliefs platzsparend, kostengünstig und mechanisch robust ausgeführt werden. Platzsparen lässt sich der erfindungsgemäße Ansatz insbesondere dadurch realisieren, dass nunmehr keine Flächenkamera oder Zeilenkamera eingesetzt zu werden braucht, sondern durch den zu Schwingungen anregbaren Kollektorspiegel in Verbindung mit dem punktförmigen Lichtdetektor eine sehr kompakte Bauweise des Kollektors möglich ist. Als weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Ansatzes lässt sich ferner anführen, dass nunmehr durch die Verwendung eines zu Schwingungen anregbaren Kollektormikrospiegels keine aufwendige und somit kostenintensive Ansteuerung des Kollektormikrospiegels notwendig ist, wie sie beispielsweise durch kleine Elektromotoren möglich wäre. Außerdem weist der erfindungsgemäße Ansatz den Vorteil auf, dass durch das Vermeiden der Flächen- bzw. Zeilenkamera eine deutlich kostengünstigere Detektionseinheit, beispielsweise in Form einer einzelnen Photodiode verwendbar ist, wodurch sich die Herstellungskosten eines entsprechenden Kollektors reduzieren lassen. Auch dadurch, dass nunmehr eine aufwendige Ansteuerung mit beispielsweise mikromechanischen Elektromotoren entfallen kann, wird eine deutlich mechanisch robustere Konstruktion ermöglicht.

Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Abtastung eines Oberflächenbereiches des Objektes;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Signalaufbereitung in dem Kollektor;
4A eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Blende des Kollektors;
4B ein Diagramm zur Darstellung von empfangenen Signalen einer Photodiode bei Verwendung der in 4A dargestellten Blende;
5 ein Ausführungsbeispiel für eine Blende für den Projektor;
6A eine Grundrissdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Scanners un ter Verwendung der in 4A und 5 dargestellten Blenden;
6B eine Querschnittsdarstellung des weiteren Ausführungsbeispiels entsprechend einem Schnitt an der Schnittlinie AA';
6C ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Scanners; und
7 eine Prinzipdarstellung des Triangulationsprinzips eines herkömmlichen Scanners.
In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen, wobei auf einer wiederholten Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Scanners ist schematisch in 1 dargestellt. Hierbei umfasst die 1 einen Projektor 10 mit einer Lichtquelle 12 und einem Projektormikroscannerspiegel 14 und einem Kollektor 16 mit einem Kollektormikrospiegel 14 und einem Photosensor 18. Die beiden Mikrospiegel 14 des Projektors 10 und des Kollektors 16 sind dabei in einer Entfernung voneinander angeordnet, die als Triangulationsbasis dient. Über die Lichtquelle 12, die vorzugsweise eine punktförmige Lichtquelle ist, wird ein Lichtstrahl auf den Mikrospiegel 14 des Projektors 10 gerichtet, wobei dieser den Lichtstrahl 20 auf das Objekt 710 ablenkt, wodurch der Lichtpunkt bzw. die beleuchtete Stelle 22 entsteht. Die beleuchtete Stelle 22 bildet nun eine Reflexion 24, die von dem Mikrospiegel 14 des Kollektors 16 auf dem vorzugsweise punktförmigen Lichtdetektor 18 abgebildet wird, die beispielsweise eine Photodiode sein kann. Entsprechend kann die Lichtquelle 12 eine LED (LED = Light Emitting Diode = Lichtemittierende Diode) oder eine Laserdiode sein. Wird nun das Objekt 71 bewegt, wie es beispielsweise durch die Bewegungsrichtungen 73 und 74 dargestellt ist, verschiebt sich bei gleichbleibender Bestrahlung mit dem Lichtstrahl 20 die Position der beleuchteten Stelle 22 beispielsweise zu der Position 22' wodurch sich eine weitere Reflexion 24' ausbildet, die gegenüber der Reflexion 24 um einen Winkel 26 versetzt beim Mikrospiegel 14 des Kollektors 16 auftrifft. Durch eine zweidimensionale Schwingung des Mikrospiegels 14 des Kollektors 16 kann nun ein gewisser Ausschnitt der Oberfläche bzw. des Oberflächenreliefs des Objektes 710 abgetastet werden, wodurch sich auch die Verschiebung der Position der beleuchteten Stelle 22 zur verschobenen beleuchteten Stelle 22' registrieren lässt und woraus dann auch in einer in 1 nicht dargestellten Signalaufbereitungseinheit das Oberflächenrelief des Objektes 710 ermittelt werden kann.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können somit Mikrospiegel unter Anwendung des bekannten Triangulationsverfahrens als Scanner für die 3D-Erfassung von Objekten benutzt werden. Mikroscannerspiegel finden gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sowohl zur Projektion einer strukturierten Beleuchtung auf das Objekt als auch im Lichtempfänger (d.h. dem Kollektor 16) zur Detektion des zurückgestreuten Lichtes zur Anwendung.
Neu ist insbesondere, dass für die Bilderfassung im Kollektor ein punktförmiger Lichtdetektor 18 (oder auch Lichtsensor) in Kombination mit einem zweidimensional schwingenden Mikrospiegel verwendet wird, der über seine augenblickliche Auslenkung die jeweilige „Blickrichtung" des Detektors definiert. Entsprechend der 1 können somit beispielsweise projektorseitig punktförmige Lichtquellen wie beispielsweise eine Laserdiode als auch kollektorseitig punktförmige Detektoren beispielsweise Photodioden verwendet werden. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass insbesondere die detektorseitige Kombination eines schwingenden Mikrospiegels mit einem punktförmigen Lichtdetektor besonders vorteilhaft ist, da sich durch die zweidimensionale Schwingung, d.h. die Auslenkung des Spiegels in zwei Dimensionen zum Erfassen eines Ausschnittes auf der Referenzebene, besonders kostengünstig, robustheitssteigernd sowie platzsparend auswirkt, da insbesondere die zweidimensionale Verkippung und entsprechende Ansteuerung von herkömmlichen Mikroscannerspiegel aufwendig und somit kostenintensiv, mechanisch störanfällig sowie durch die Verwendung von entsprechenden Ansteuerelementen auch platzintensiv ist. Demgegenüber ist die Ausgestaltung des Projektors mit einer punktförmigen Lichtquelle und einem entsprechend eindimensional schwingbaren Mikroscannerspiegel lediglich eine bevorzugte Ausführungsform, jedoch nicht zwingend für die gewünschten Vorteile notwendig, da eine eindimensionale Ansteuerung nicht derart aufwendig wie eine zweidimensional Ansteuerung ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist zum Erreichen der gewünschten Vorteile erfindungsgemäß nicht notwendigerweise ein eindimensional zu Schwingungen anregbarer Mikrospiegel im Projektor erforderlich, vielmehr kann der Projektor auch anders aufgebaut sein, um einen Lichtstrahl in einer Beleuchtungszeile über das Oberflächenrelief zu führen. In den nachfolgenden Ausführungen wird jedoch aus Gründen der Anschaulichkeit ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein Ausführungsbeispiel konkret beschrieben, welches ebenfalls einen Mikroscannerspiegel in dem Projektor verwendet. Durch die vorstehend beschriebenen Vorzüge wird es nunmehr möglich, einen 3D-Scanner preisgünstig und in kompakter Bauweise zu realisieren.
Um das Oberflächenrelief des zu scannenden Objektes zu erfassen, wird ferner eine Vorgehensweise verwendet werden, wie sie nachstehend näher erläutert ist. Bei der Verwendung von Mikrospiegeln beispielsweise zur Beleuchtung des Objektes als auch zur Detektion des rückgestreuten Lichtes, ist prinzipiell zu beachten, dass jeder der schwingenden Spiegel zu jedem Zeitpunkt auf nur genau einen Punkt (Spot) des Objektes gerichtet ist. Daher sollten vorzugsweise beide Spiegel derart angesteuert werden, dass der Detektor den vom Projektor erzeugten Spot auf dem Oberflächenrelief des Objektes erfassen kann.
Um diesen erzeugten Spot (d.h. die belichtete Stelle, die in 1 mit dem Bezugszeichen 22 bzw. 22' gekennzeichnet ist) zu erfassen, kann das nachstehende Verfahren zur Ansteuerung der Mikroscannerspiegel eingesetzt werden, wie es unter Zuhilfenahme der 2 beschrieben ist. Anzumerken ist hierbei, dass die Ausführungsform des Projektors mit einem Mikroscannerspiegel eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, wobei jedoch auch ein Projektor eingesetzt werden kann, bei dem ein anders ausgestaltetes zeilenförmiges Beleuchten des Oberflächenreliefs des Objektes möglich ist. Das nachstehende Verfahren soll jedoch unter Verwendung eines Mikroscannerspiegels näher beschrieben werden.
Die 2 zeigt einen Projektor 10 zum zeilenweisen Beleuchten eines Ausschnittes 30 des Oberflächenreliefs des zu scannenden Objektes. Hierbei wird der Lichtstrahl 20 entlang des Auslenkungswinkels 32 derart über den Ausschnitt 30 des Oberflächenreliefs geführt, dass der Lichtstrahl 20 in einer Beleuchtungszeile 34 das Oberflächenrelief beleuchtet. Durch das Höhenprofil ergibt sich beim Beleuchten des Oberflächenreliefs in dem Ausschnitt 30 eine Spur 36 der Lichtpunkte 22 und 22', deren horizontale Auslenkung durch den Kollektor 16 ermittelt werden kann. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann der Lichtstrahl 20 in er y-Richtung eines in 2 dargestellten Koordinatensystems 38 in der Beleuchtungszeile 34 über das Oberflächenrelief geführt werden, wobei ein Höhenprofil in z-Richtung zu einer Auslenkung der Lichtpunkte 22 in x-Richtung führt. Diese Auslenkung kann durch den Kollektor 16 dadurch erkannt werden, dass die Mikrospiegel in einer zweidimensionalen Schwingung derart angeregt werden, dass sich eine Abrasterung des Ausschnittes 30 in Form einer Lissajous-Figur 40 ergibt, wie sie in 2 dargestellt ist. Diese zweidimensionale Auslenkung resultiert somit in einem Verschwenken desjenigen Punktes des Ausschnittes 30, der durch den (in 2 nicht dargestellten Mikrospiegel des Kollektors 16) auf den punktförmigen Lichtdetektor gebildet wird.
Das Prinzip der Abtastung mit vorzugsweise zwei Spiegeln parallel zur Triangulationsebene gesehen, lässt sich somit folgendermaßen darstellen, wobei unter dem Begriff „Triangulationsebene" die durch die Mittelpunkte des Bildfeldes in der Referenzebene und beider Spiegel bzw. durch den Triangulationswinkel definierte Ebene gemeint ist:

1. Der Spiegel des Projektors wird in nur einer, hier der vertikalen Schwingungsrichtung y ausgelenkt, so dass der Spot 22 eine virtuelle Linie (vertikaler Pfeil bzw. Beleuchtungszeile 34) auf der Referenzebene beschreibt.
2. Der Spiegel des Kollektors wird nun derart angeregt, dass auch er in dieser Richtung, vorzugsweise synchron zum Projektor schwingt, d.h. die augenblickliche Höhenposition des projizierten Spots auf der oben genanten Linie „gesehen" wird. Hierfür sollte eine möglichst genaue Übereinstimmung der beiden y-Schwingungen des Mikrospiegels des Projektors sowie des Mikrospiegels des Kollektors in Frequenz, Amplitude und Phase erreicht werden.
3. Die virtuelle Linie, d.h. die Beleuchtungszeile 34, wird durch das Oberflächenprofil bzw. das Oberflächenrelief des Objektes in z-Richtung zu einer Kurve 36 verzerrt, die in 2 als weiße Spur sichtbar ist. Dies bewirkt nach dem Triangulationsprinzip auch eine Auslenkung des Spots 22 bzw. 22' in x-Richtung, die detektiert werden kann, indem der Kollektor Mikrospiegel gleichzeitig in horizontale Schwingungen versetzt wird. Wenn hierbei y-Schwingungen beider Spiegel weiter synchron laufen, sollte die gesuchte Spotposition bei der Abtastung in x-Richtung gefunden werden, so weit sie innerhalb des durch die horizontale Amplitude bestimmten Empfangsbereiches liegt.
4. Wegen einer Überlagerung von x- und y-Schwingung beschreibt die „Blickrichtung" des Kollektormikrospiegels auf den punktförmigen Lichtdetektor eine Lissajous-Figur, deren Gestalt von dem Verhältnis der Schwingungsfrequenzen in x- und y-Richtung und deren Phasenbeziehung abhängt. Die Ausdehnung der Lissajous-Figur 40 steht dabei im Zusammenhang mit den Schwingungsamplituden in x- und y-Richtung. Für eine Erfassung der Objektdetails ist eine möglichst große Liniendichte in der Lissajous-Figur 40 anzustreben. Um eine derartige Liniendichte der resultierenden Lissajous-Figur 40 zu erreichen, kann auch weiterhin eine Ansteuerung der Spiegelschwingung in x- und y-Richtung erreicht werden, derart, dass beispielsweise mittels einer digitalen Steuerung ein Verhältnis der Schwingungs-Amplituden, der Schwingungs-Phasen und der Schwingungs-Frequenzen über diese Spiegelansteuerung beeinflussbar ist.
5. Hat das Oberflächenrelief des Objektes die Eigenschaft einer diffusen Reflexion des Projektor-Spots, verteilt sich die Lichtleistung entsprechend dem Lambertschen Gesetz über den gesamten Raumwinkel vor der reflektierenden Fläche. Für einen kleinflächigen Detektor wie den punktförmigen Lichtdetektor 18 in 1, steht damit prinzipbedingt lediglich diejenige Strahlungsleistung zur Verfügung, die diesen direkt trifft. Bei einer Leistung des eingestrahlten Lichtstrahles 20 von einigen Milliwatt, wie er in den 1 oder 2 dargestellt ist, liegt die rückgestreute Leistung in der Größenordnung von Nanowatt je mm². Deshalb sollte vorzugsweise ein hochempfindlicher Photosensor verwendet werden, der ein an dem Lichtdetektor empfangenes analoges Ausgangssignal rauscharm aufbereitet und verstärkt. Für eine derartige Aufgabe kann beispielsweise eine elektronische Schaltung verwendet werden, wie sie in 3 näher dargestellt ist. Die 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Aufbereiten eines sehr schwachen Lichtsignals, die zunächst eine Vorspannungserzeugungseinheit 32 aufweist, die eine Spannung von beispielsweise etwa 200 Volt bereitstellt. Diese Vorspannung wird dann an eine Lawinenphotodiode APD weitergeleitet, die wiederum mit einer Parallelschaltung eines Widerstandes 52 und eines Verstärkers 54 verbunden ist. Die Parallelschaltung aus dem Widerstand 52 und dem Verstärker 54, der beispielsweise als Operationsverstärker mit dem Typ OPA657 ausgelegt ist, wird als Transimpedanzverstärker 56 bezeichnet. Dieser Transimpedanzverstärker 56 ist dann ferner mit einem ersten Tiefpass 58 gekoppelt, der wiederum mit einem Spannungsverstärker 60, beispielsweise einem Operationsverstärker des Typs OPA656, verbunden ist. An den Spannungsverstärker 60 ist ein weiterer Tiefpass 62 geschaltet, der nicht notwendigerweise die identische Charakteristik wie der Tiefpass zwischen dem Transimpedanzverstärker 56 und dem Spannungsverstärker 60 aufweist. Schließlich ist nach dem weitere Tiefpass 62 ein Analog-Digital-Wandler mit beispielsweise einer Auflösung von 12 Bit und einer maximalen Taktfrequenz von 20 MHz verschaltet, so dass aus dem schwachen Lichtsignal 66 ein verstärktes ein digitalisiertes Ausgangssignal 68 bereitgestellt werden kann, das aus einem digitalen Strom von Abtastwerten des Sensorsignals besteht. Aus diesem Datenstrom lassen sich die Positionen der beleuchteten Stellen 22 bzw. 22' detektieren und durch Korrelation mit den zugehörigen Spiegelstellungen Objektkoordinaten in dreidimensionaler Form, d.h. das Oberflächenrelief des Objektes bestimmen.
6. Um die y-Schwingungen beider Spiegel, d.h. des Mikroscannerspiegels des Projektors als auch des Mikroscan nerspiegels des Detektors exakt zu synchronisieren, kann der Scanner weiter um Messanordnungen für die Amplituden, Phasen und Frequenzen jeweils der Schwingung des Mikrospiegels des Projektors oder des Mikrospiegels des Kollektors ergänzt werden. Hierfür kann beispielsweise am Kollektor eine rahmenartige, mit Leuchtdioden versehene Blende 70 verwendet werden, wie sie in 4A dargestellt ist. Hierbei weist die rahmenartige Blende 70 des Kollektors 16 an der dem Mikroscannerspiegel 14 des Kollektors zugewandten Seite eine oder mehrere Leuchtdioden 72 auf, die an einem Rand einer inneren Öffnung 74 der Blende 70 angeordnet sind. Gemäß der Darstellung in 4A ist an jedem der vier Innenseiten der Öffnung 74 der Blende 70 je eine Leuchtdiode 72 angeordnet, wobei diese eine Leuchtdiode 72 auch in Form einer Leuchtdiodenzeile entlang der kompletten Innenseite des entsprechenden Öffnungsabschnittes ausgebildet sein kann. Auch kann jeweils nur an zwei gegenüberliegenden Seiten eine Leuchtdiode oder eine Leuchtdiodenzeile an dem Rand der Öffnung 74 ausgebildet sein. Die Funktionsweise einer derartigen Blende 70 ist in 4B näher dargestellt. Hierzu wird zunächst in einem oberen Teildiagramm der 4B der Verlauf 76 von abgetasteten Stellen in x- und y-Koordinaten über die Zeit dargestellt. Hierzu ist anzumerken, dass für die prinzipielle Funktionsweise lediglich das Abtasten in eine Richtung (d.h. die x-Richtung oder die y-Richtung) dargestellt zu werden braucht, da die Abtastung in die entsprechende andere Richtung analog ausgeführt wird. Wird nun durch den Mikroscannerspiegel 14 ein Detektionspunkt innerhalb der in 4B dargestellten Öffnung 74 abgetastet, bewegt sich die Kurve 76 innerhalb des Öffnungsbereiches 78. Bildet nun der Mikroscannerspiegel 14 einen Ort auf dem Blendenrahmen 70 auf den Photodetektor APD ab, überstreicht er bei Ausbildung der Photodioden 72 an den Rändern der Öff nung 74 diese Photodioden 72, wodurch ein entsprechendes Lichtsignal bzw. eine entsprechend erhöhte Intensität des Lichtdetektorsignals am Lichtdetektor APD erfassbar ist. Dies ist aus dem unteren Teildiagramm der 4B anhand der Begrenzungssignale 80 ersichtlich, wenn die Leuchtdioden 72 an den Leuchtdiodenkoordinaten 82 angeordnet sind, wie sie im oberen Teildiagramm der 4B dargestellt sind. Wird nun ein Lichtsignal innerhalb des Abtastbereiches, d.h. innerhalb der Öffnung 74 detektiert, wie es im oberen Teildiagramm der 4B an der Koordinate 84 der Fall ist, resultiert dies in weiteren Lichtsignalen 86, wie sie im unteren Teildiagramm der 4B dargestellt sind. Insbesondere durch die zeitliche Lage der Begrenzungssignale 80, die durch die Referenzlichtquellen 72 bzw. die LEDs verursacht werden, ist dann sowohl auf eine Frequenz und eine Phase und bei bekannten Dimensionen der Öffnung 74 auch auf eine Amplitude der Schwingung des Mikroscannerspiegels 14 zu schließen, ohne dass der Mikroscannerspiegel selbst durch ein definiertes Phasen-, Amplituden- oder Frequenzsignal entsprechend angesteuert zu werden braucht. Hierdurch ist eine sehr einfache Erkennung der Schwingung des Mikroscannerspiegels 14 möglich. Analog kann auch die eindimensionale Schwingung des Mikroscannerspiegels 14 des Projektors 10, so wie er in 1 abgebildet ist, durch eine entsprechende Blende erfasst werden, wie dies beispielsweise in 5 dargestellt ist. Hierzu werden jedoch lichtaussendende und lichtdetektierende Elemente entsprechend vertauscht, so dass an einem Innenrand der entsprechenden Blende 90 Photodioden 92 bzw. andere entsprechende geeignete Lichtdetektoren angeordnet werden, die ein Auftreffen des Lichtstrahles 20 von der Lichtquelle 12 (beispielsweise eines Laserstrahles von einer Laserdiode) empfangen und analog der 4B auswerten, um eine Schwingungsamplitude, eine Schwin gungsfrequenz und eine Schwingungsphase des Mikroscannerspiegels 14 des Projektors 10 zu erfassen. Die konkrete Ausgestaltung der Blende des Projektors kann dabei analog zu der Blende des Kollektors aufgebaut sein.

6A zeigt eine Grundrissdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Scanners unter Verwendung je einer Blende für den Projektor als auch den Kollektor.
Am Kollektor wird hierfür eine rahmenartige, mit Leuchtdioden besetzte Blende nach 4A, deren Seiten einzeln steuerbar und/oder bezüglich ihrer Helligkeit veränderbar sind und die das Gesichtfeld des Kollektors begrenzen, verwendet. Passiert diese Lissajous-Figur eine eingeschaltete Leuchtdiode, so entsteht ein Sensorsignal (d.h. Begrenzungssignal), aus dem bei bekannter Lage der Leuchtdioden die Amplitude und Phasenlage der Schwingung des Kollektorspiegels berechnet werden kann. Ferner kann auch beispielsweise durch die Ausgestaltung von unterschiedlichen Farben der entsprechenden Leuchtdioden gegenüber einer Lichtfarbe einer zu erfassenden Reflexion einer beleuchteten Stelle bzw. einer unterschiedlich starken Ansteuerung und somit einer unterschiedlich starken Helligkeit weiterhin ein Vorteil erreicht werden, da hierdurch auch eine Spotposition in unmittelbarer Nähe der Öffnung 74 eindeutig und zweifelsfrei erkannt werden kann. Auch kann beispielsweise durch ein Ein- bzw. Ausschalten von Leuchtdioden (oder Leuchtdiodenzeilen) an den jeweiligen Blendenrändern eine Phase der Schwingung erkannt werden. Auch lässt sich, wenn mehrere Leuchtdiode (oder andere Lichtquellen wie beispielsweise Laserdioden oder Lichtleiterenden) pro Blendenrandseite verwendet werden, durch eine unterschiedlich eingestellte Helligkeit der einzelnen Leuchtdioden bzw. der weiteren Lichtquellen an dem jeweiligen Blendenrand eine exakte Positionsbestimmung durchführen. Außerdem können auch sich zwei sich gegenüberliegende Lichtquellen durch eine unterschiedliche Helligkeit oder Wellenlänge des ausge strahlten Lichtes unterscheiden und hierdurch eine genaue Phasenbestimmung einer Bewegung bzw. Schwingung des „Abtaststrahles" bestimmt werden.
Am Projektor ist eine ähnliche Blende angebracht, die jedoch anstelle der Leuchtdioden zwei gegenüberliegende Photodioden trägt, die bei Beleuchtung durch den Spot ein Signal liefern, welches zur Berechnung von Amplitude und Phase der y-Schwingung des Projektormikrospiegels dient und gleichzeitig die Auslenkung des Spots begrenzt.
Die 6A zeigt somit eine Lichtquelle 12, die einen Lichtstrahl senkrecht zur Zeichenebene ausgeben kann, der durch den Mikroscannerspiegel 14 des Projektors 10 auf die Blende 90 projiziert wird und nachfolgend auf das durch einen Motortreiber 100 und eine Motor 102 drehbare Objekt 710 projiziert wird. Dies resultiert in einem Lichtfleck 22, dessen Reflexion 24 durch die Blende 70 des Kollektors, den Mikroscannerspiegel 14 sowie den unter dem Mikroscannerspiegel 14 angeordneten Lichtdetektor APD projiziert wird. Hierbei kann der Motortreiber 100 durch den Scanner mit dem Projektor 10 und dem Kollektor 16 derart angesteuert werden, dass ein Oberflächenrelief des Objektes 710 vollständig erkannt werden kann.
Die 6B zeigt eine Querschnittsdarstellung entlang einer in 6A dargestellten Schnittlinie zwischen den Punkten A und A'. Hierbei ist ein Gehäuse 104 dargestellt, das den Scanner umgibt. Innerhalb des Gehäuses 104 ist eine Leiterplatte 106 angeordnet, an der die Lichtquelle 12, beispielsweise die Laserdiode befestigt ist. Die Lichtquelle 12 gibt einen Lichtstrahl 20 aus, der an dem Mikroscannerspiegel 14 reflektiert wird. Ferner ist in 6B eine Anregungseinheit 108 für den Mikroscannerspiegel 14 dargestellt, die den Mikroscannerspiegel 14 entsprechend zu einer eindimensionalen Schwingung anregt.
6C zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Scanners. In einem ersten Schritt 110 erfolgt hierbei ein Bereitstellen eines Lichtstrahles, ein Führen des Lichtstrahles über das Oberflächenrelief und einer Mitte einer Position des Lichtstrahles in einer Beleuchtungszeile, in der der Lichtstrahl über das Oberflächenrelief geführt wird.
In einem zweiten Schritt 112 erfolgt ein Ausgeben eines Projektionssignals, aus dem die Position des Lichtstrahles in der Beleuchtungszeile ableitbar ist.
Hieran anschließend erfolgt in einem dritten Schritt 114 ein Detektieren einer beleuchteten Stelle des Oberflächenreliefs unter Verwendung eines zu Schwingungen angeregten Mikrospiegels in dem Kollektor.
In einem vierten Schritt 116 erfolgt ein Ausgeben eines Detektionssignals, aus dem eine Position der beleuchteten Stelle auf dem Oberflächenrelief ableitbar ist. In einem abschließenden Schritt 118 des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Aufbereiten des Projektionssignals und des Detektionssignals, um hieraus das Oberflächenrelief zu erfassen.
Zusammenfassend ist somit zu sagen, dass ein neuartiger 3D-Scanner hierin offenbar ist, der aus einem Projektor (mit vorzugsweise einer punktförmigen Lichtquelle und einem Mikroscannerspiegel) sowie einem Kollektor ausgestattet ist, wobei der Kollektor einen Mikroscannerspiegel und einen punktförmigen Lichtdetektor umfasst, auf dem durch den Mikroscannerspiegel eine Reflexion eines Lichtpunktes von einem Oberflächenrelief eines zu erfassenden Objektes projiziert werden kann. Ferner kann eine entsprechende elektronische Schaltung mit einer Schnittstelle zu einem Host-Computer zur Steuerung und zur Weiterverarbeitung der gewonnenen Daten bereitgestellt werden. Weiterhin ist hier ein Verfahren zur Anregung der beiden Mikroscannerspiegel des 3D-Scanners offenbart, derart, dass der vom Projektormikroscannerspiegel erzeugte Spot über den Kollektormikroscannerspiegel und den Lichtdetektor in dem Detektionsbereich tatsächlich gefunden werden kann, in dem der Projektorspiegel nur in einer Richtung senkrecht zur Triangulationsebene mit einer definierten Frequenz und Amplitude schwingt, der Kollektormikrospiegel hierzu vorzugsweise synchron und mit gleicher Amplitude vorzugsweise ebenfalls senkrecht zur Triangulationsebene angeregt wird und der Kollektorspiegel außerdem gleichzeitig eine zweite Schwingung in der Triangulationsebene ausführt, um die durch das Messprinzip bedingte Auslenkung des Spots zu erfassen.
Weiterhin ist hier eine Vorrichtung beispielsweise für den 3D-Scanner offenbart, die vorzugsweise eine Synchronisation der Schwingungen beider Spiegel in der zur Triangulationsebene senkrechten Richtung gemäß dem Anregungsverfahren ermöglicht, bestehend aus einer Blende mit Photodioden im Strahlengang des Projektors und/oder einer analogen ausgebildeten, jedoch mit Leuchtdioden versehenen Blende im Strahlengang des Kollektors, durch die jeweils Signale über die augenblicklichen Amplituden und Phasen einer oder beider Schwingungen der Mikroscannerspiegel gewonnen werden kann. Ferner ist eine elektronische Schaltung offenbart, die regelnd in die Ansteuerung der Spiegel eingreifen kann, um beispielsweise eine Aussteuerung der Frequenz, Phase oder Amplitude einer Anregung eines Mikrospiegels zu beeinflussen, um beispielsweise eine Liniendichte der Lissajous-Figur zu erhöhen und hierdurch eine Wahrscheinlichkeit für das Auffinden der Reflexion des Lichtpunktes zu erhöhen.
Die hierin beschriebene Erfindung weist daher den Vorteil auf, ohne Flächen- oder Zeilenkamera arbeiten zu können, so dass keine flächen- oder linienhaften Bildsensoren und keine entsprechende zugehörige aufwendige Abbildungsoptik benötigt wird. Ferner ist ein Mikroscannerspiegel klein, mechanisch robust und preisgünstig herstellbar, wodurch sich die zentralen Vorteile der vorliegenden Erfindung in einer Reduktion des Platzbedarfes und der Herstellungskosten sowie einer Erhöhung der mechanischen Robustheit darstellt. Durch die beschriebene Schaltung zur Aufbereitung eines schwachen Lichtsignals ist ferner eine Erhöhung des Auflösungsvermögens möglich. Hierdurch lässt sich der beschriebene 3D-Scanner weiterhin räumlich sehr kompakt aufbauen. Die erforderliche Signalverarbeitung z. B. die Detektion des Laserspots im Sensordatenstrom, kann zumindest teilweise in Hardware realisiert und beispielsweise in den Scanner integriert werden, wodurch sich der entsprechende Rechenaufwand zur Verarbeitung der gewonnenen Daten an einem steuernden Host-Rechner erheblich verringern lässt und somit die Erfassung des Oberflächenreliefs des entsprechenden Objekts deutlich beschleunigt sowie die Komplexität entsprechender im Host-Rechner durchzuführender Algorithmen möglich wird. Somit sind keine Bildverarbeitungsoperationen zur Extraktion interessierender Bereiche aus einem 2D-Bild mehr erforderlich.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Scanners in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Claims

Scanner zum Bereitstellen einer Möglichkeit zum Erfassen eines Oberflächenreliefs eines Objektes (71) mit folgenden Merkmalen: einem Projektor (10), der ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl (20) in einer Beleuchtungszeile (34) über das Oberflächenrelief zu führen, um eine beleuchtete Stelle (22) auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei der Projektor (10) ferner ausgebildet ist, um ein Projektionssignal auszugeben, aus dem eine Position des Lichtstrahls (10) in der Beleuchtungszeile (34) ableitbar ist; und einem Kollektor (16) mit einem zu Schwingungen in zwei Dimensionen anregbaren Kollektormikrospiegel (14) und einem punktförmigen Lichtdetektor (18), wobei der Kollektormikrospiegel (14) derart in eine erste Richtung der Beleuchtungszeile (34) und in eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung schwingbar angeordnet ist, dass eine Reflexion der beleuchteten Stelle (22) innerhalb eines Abtastbereiches (30) des Kollektormikrospiegels (14) durch denselben auf den punktförmigen Lichtdetektor (18) abbildbar ist und wobei der Kollektor (16) ausgebildet ist, um ein Detektionssignal auszugeben, aus dem eine Position der beleuchteten Stelle (22) in der ersten und zweiten Richtung ableitbar ist.
Scanner gemäß Anspruch 1, bei dem der Projektor (10) eine punktförmige Lichtquelle (12) und einen zu eindimensionalen Schwingungen anregbaren Projektormikrospiegel (14) umfasst.
Scanner gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, der ferner eine Signalaufbereitungseinheit aufweist, die ausgebildet ist, um basierend auf dem Projektionssignal, dem Detektionssignal und einer bekannten geometrischen Anordnung des Projektors (10) und des Kollektors (16) zueinander das Oberflächenrelief zu erfassen.
Scanner gemäß Anspruch 3, bei dem die Signalaufbereitungseinheit zumindest teilweise in Hardware implementiert ist.
Scanner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der punktförmige Lichtdetektor (18) eine Lawinenphotodiode APD aufweist, wobei der Kollektor (16) ferner einen Transimpedanzverstärker, einen Tiefpass, einen Spannungsverstärker und einen Analog-Digitalwandler umfasst, welche mit der Lawinenphotodiode gekoppelt sind.
Scanner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Projektor (10) und der Kollektor (16) derart gekoppelt sind, dass ein Führen des Lichtstrahls (20) in der Beleuchtungszeile (34) mit einem Schwingen des Kollektormikrospiegels (14) in die erste Richtung der Beleuchtungszeile (32) synchronisierbar ist.
Scanner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Projektor (10) eine Blende (90) zum Definieren der Beleuchtungszeile (34) aufweist, wobei die Blende einen optischen Sensor (92) umfasst, der derart angeordnet ist, dass bei einem Ausführen einer Bewegung des Lichtstrahls (20) eine Information über eine Position des Lichtstrahls (20) in der Beleuchtungszeile (34) ermittelbar ist und wobei der Projektor (10) ferner ausgebildet ist, um das Projektionssignal auf der Basis der ermittelten Information zu bilden.
Scanner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Kollektor (16) eine Blende (70) zum Definieren eines Abtastbereiches (30) aufweist, wobei die Blende (70) eine Referenzlichtquelle (72) umfasst, die derart an geordnet ist, dass bei einem Schwingen des Kollektormikrospiegels (14) ein Lichtstrahl aus der Referenzlichtquelle (72) auf den Lichtdetektor (18) abgelenkt wird und der Lichtdetektor (18) ausgebildet ist, um bei einem Empfangen des Lichtstrahls von der Referenzlichtquelle (72) ein Referenzsignal (80) auszugeben, aus welchem eine Information über ein Schwingverhalten des Kollektormikrospiegels (14) ableitbar ist, wobei der Kollektor (16) ferner ausgebildet ist, um das Detektionssignal auf der Basis der Information über das Schwingverhalten des Kollektormikrospiegels (14) zu bestimmen.
Scanner gemäß Anspruch 8, der ferner eine Schwingungsanregungseinheit zum Anregen einer Schwingung des Kollektormikrospiegels (14) und eine Steuereinheit umfasst, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um eine Schwingungsfrequenz, eine Schwingungsamplitude oder eine Schwingungsphase der Schwingung des Kollektormikrospiegels (14) in Abhängigkeit von dem Referenzsignal zu steuern.
Verfahren zum Betreiben eines Scanners zum Bereitstellen einer Möglichkeit zum Erfassen eines Oberflächenreliefs eines Objektes (71), wobei der Scanner einen Projektor (10) aufweist, der ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl (20) in einer Beleuchtungszeile (34) über das Oberflächenrelief zu führen, um eine beleuchtete Stelle (22) auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei der Projektor (10) ferner ausgebildet ist, um ein Projektionssignal auszugeben, aus dem eine Position des Lichtstrahls (10) in der Beleuchtungszeile (34) ableitbar ist; und einem Kollektor (16) mit einem zu Schwingungen in zwei Dimensionen anregbaren Kollektormikrospiegel (14) und einem punktförmigen Lichtdetektor (18), wobei der Kol lektormikrospiegel (14) derart in eine erste Richtung der Beleuchtungszeile (34) und in eine von der ersten Richtung verschiedene zweite Richtung schwingbar angeordnet ist, dass eine Reflexion der beleuchteten Stelle (22) innerhalb eines Abtastbereiches (30) des Kollektormikrospiegels (14) durch denselben auf den punktförmigen Lichtdetektor (18) abbildbar ist und wobei der Kollektor (16) ausgebildet ist, um ein Detektionssignal auszugeben, aus dem eine Position der beleuchteten Stelle (22) in der ersten und zweiten Richtung ableitbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen (110) und zeilenförmiges Führen des Lichtstrahls (20) in einer Beleuchtungszeile (34) über das Oberflächenrelief des Objektes, um eine beleuchtete Stelle (22) auf dem Oberflächenrelief zu erhalten, wobei das Führen des Lichtstrahls zugleich ein Ermitteln einer Position des Lichtstrahls (20) in der Beleuchtungszeile (34) und ein Ausgeben (112) eines Projektionssignals umfasst, aus dem die Position des Lichtstrahls (20) in der Beleuchtungszeile (34) ableitbar ist; und Detektieren (114) einer Position der beleuchteten Stelle (22) unter Verwendung des zu Schwingungen in zwei Dimensionen angeregten Kollektormikrospiegels (14) und des punktförmigen Lichtdetektors (18), wobei das Detektieren und ein Abbilden einer Reflexion (24) der beleuchteten Stelle (22) auf den Lichtdetektor (18) durch den in die erste und zweite Richtung schwingenden Kollektormikrospiegel (14) umfasst und wobei das Detektieren ferner ein Ausgeben (116) eines Detektorsignals umfasst, aus dem die Position der beleuchteten Stelle (22) in der ersten und zweiten Richtung ableitbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner den folgenden Schritt umfasst: Aufbereiten (118) des Projektionssignals und des Detektionssignals, um eine Möglichkeit zu schaffen, das Oberflächenrelief des Objektes (71) zu erfassen.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung eines Verfahren gemäß dem Anspruch 10 oder 11, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.