DE10064289A1

DE10064289A1 - Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren

Info

Publication number: DE10064289A1
Application number: DE2000164289
Authority: DE
Inventors: Andre Kasper; Michael Wandelt
Original assignee: Automation Technology GmbH
Current assignee: Automation Technology GmbH
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren und eine Lichtschnitt-Triangulations-Vorrichtung zur berührungslosen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten (4), bei denen ein Lichtstrahl (2) von einer Lichtquelle (1) auf die Oberfläche des Objekts projiziert wird und dort eine Lichtspur (3) erzeugt und der von dem Objekt reflektierte Lichtstrahl der Lichtspur (3) von einer mit einem Winkel (alpha) zur Lichtquelle (1) angeordneten Detektoreinrichtung (5, 6) erfaßt wird. Der reflektierte Lichtstrahl wird mittels einer speziellen Optik (5) der Detektoreinrichtung in horizontaler und in vertikaler Richtung mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben auf der Detektoreinrichtung abgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Licht schnitt-Triangulations-Verfahren zur berührungslosen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten. Außerdem betrifft die vor liegende Erfindung eine Lichtschnitt-Triangulations-Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das Lichtschnitt-Triangulations-verfahren gehört zu den berührungslosen Meßverfahren, das darauf beruht, daß mit Hilfe einer geeigneten Lichtquelle ein Lichtstrahl mit vorzugsweise geradlinigem Querschnitt auf die Oberfläche eines zu vermes senden Objekts projiziert und die von dem Profil dieser Ober fläche reflektierte Lichtstrahlung mit Hilfe einer unter einem Winkel (Triangulationswinkel) zur Lichtquelle angeordneten Detektoreinrichtung erfaßt wird. Aus der Lichtspur des von dem Oberflächenprofil reflektierten Lichtstrahls können die genauen Abmessungen (Erhebungen und Vertiefungen) des zu vermessenden Profils durch einfache Triangulations-Rechnung ermittelt werden.

Die Erfindung betrifft speziell ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der geometrischen Auflösung bei der Vermessung des Oberflächenprofils von zu vermessenden Objekten basierend auf dem Lichtschnitt-Triangulations- Verfahren, um dadurch die Meßgenauigkeit zu verbessern.

Wie bereits vorstehend erläutert, dient das Lichtschnitt- Triangulations-Meßverfahren zur berührungslosen optischen Detektion und Vermessung von Höhenunterschieden entlang eines Profilschnitts an der Oberfläche von zu vermessenden Objekten. Dabei wird ein Lichtstrahl mit vorzugsweise geradlinigem Quer schnitt auf das zu erfassende Oberflächenprofil des Objekts projiziert. Dieser Lichtstrahl wird von der Oberfläche reflek tiert und abhängig vom Oberflächenprofil bzw. von der Objekt geometrie verzerrt, wenn die Detektoreinrichtung unter einem Triangulationswinkel zur Lichtquelle angeordnet ist.

Dabei ist offensichtlich, daß die Verzerrungen bei zuneh menden Triangulationswinkel größer werden. Das bedeutet, wenn der Triangulationswinkel 0° beträgt, wird der reflektierte Lichtstrahl unabhängig von dem Oberflächenprofil nicht verzerrt und würde von der Detektoreinrichtung als ein geradliniger Lichtstrahl erfaßt werden, weshalb in diesem Fall auch keine Vermessung des Oberflächenprofils möglich ist. Wird jedoch der Triangulationswinkel größer gewählt (zum Beispiel 10°), dann wirken sich die Höhenunterschiede des zu vermessenden Ober flächenprofils derart aus, daß der reflektierte Lichtstrahl verzerrt wird, das heißt, die Höhen und Tiefen des Oberflächen profils erscheinen als Höhen- und Tiefen-Verzerrungen des reflektierten Lichtstrahls (der von dem Oberflächenprofil reflektierte Lichtstrahl erhält eine dem Oberflächenprofil entsprechende Kurvenform). Bei zunehmendem Triangulationswinkel werden diese Höhen- und Tiefen-Verzerrungen immer stärker, wodurch die Genauigkeit des Messung erhöht wird (nachfolgend werden diese Höhen- und Tiefen-Verzerrungen als die Amplitude der Lichtspur des reflektierten Lichtstrahls bezeichnet).

Aus den obigen Betrachtungen drängt sich der Gedanke auf, den Triangulationswinkel möglichst groß zu wählen, um die Meßgenauigkeit dieses Verfahrens zu maximieren. Allerdings führt ein zu großer Triangulationswinkel zu einer starken Schattenbildung, durch die das Meßergebnis verfälscht wird.

In der Praxis ist es häufig gewünscht, das Oberflächen profil von relativ breiten Objekten zu vermessen. Daher muß auch die Breite des auf das zu vermessende Oberflächenprofil projizierten Lichtstrahls entsprechend groß sein. Hingegen ist die Amplitude der Lichtspur des reflektierten Lichtstrahls üblicherweise relativ klein, so daß das Verhältnis zwischen der Breite des Lichtstrahls und der maximalen Amplitude der Licht spur häufig 100 : 1 oder weniger beträgt.

Als Detektoreinrichung wird häufig ein CCD-Array verwendet. Wie vorstehend erläutert, wird dabei die Lichtspur des reflek tierten Lichts, deren Amplitude (Höhen- und Tiefenverzerrungen) den Höhenunterschieden entlang des Profilschnitts entspricht, auf unterschiedliche Positionen auf dem Detektor (CCD-Array) abgebildet. Aus dem Detektorsignal kann dann direkt oder über geeignete Signalverarbeitungsverfahren auf das Oberflächen profil des Objektes geschlossen werden.

Um das Oberflächenprofil des gesamten Objekts zu bestimmen, wird der geradlinige Lichtstrahl quer zu seiner Längsrichtung über das zu vermessende Objekt geführt oder das Objekt relativ zu dem Lichtstrahl verlagert.

Der mit den bekannten Triangulations-Lichtschnitt-Verfahren kleinste aufzulösende Höhenunterschied wird im wesentlichen durch die Detektorauflösung bestimmt. Beträgt beispielsweise das Verhältnis zwischen der Breite des Lichtstrahls und der maximalen Amplitude der Lichtspur 100 : 1, so werden bei einem CCD-Detektor-Array mit einer Breite (horizontale Richtung) von 1000 Pixeln lediglich etwa 10 Pixel in vertikaler Richtung genutzt, um die Amplitude der Lichtspur des reflektierten Lichtstrahls bzw. die Höhenunterschiede des zu vermessenden Oberflächenprofils zu bestimmen. Besonders nachteilig wirkt sich dieser Umstand bei der Vermessung von breiten Objekten (horizontale Richtung) mit einem flachen Höhenprofil (vertikale Richtung) aus. Um dennoch eine gute Höhenauflösung (Auflösung in vertikaler Richtung) bei großen Objektbreiten zu realisie ren, müßte der Triangulationswinkel erhöht werden, wodurch allerdings eine starke Schattenbildung und eine sehr ungenaue Reflektion des Lichtes erreicht werden.

Aus der EP 0 701 104 ist ein Lichtschnitt-Triangulations- Meßverfahren zur Vermessung von bewegten Profilen bekannt, wobei eine spezielle Ausgestaltung der Detektoreinrichtung keine Erwähnung findet.

Aus der DE 198 39 830 ist ein Verfahren zur hochpräzisen optischen Distanzmessung mittels einer regelbaren Punktlicht quelle und einer mehrkanaligen CCD-Sensoranordnung auf der Basis optischer Triangulations- und punktweiser Abtastung zum berührungslosen Vermessen von dreidimensionalen Objekten bekannt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das ein gangs genannte Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren und die hierzu benötigte Vorrichtung hinsichtlich der Meßgenauigkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unter ansprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Lichtschnitt-Triangulations-Ver fahren wird ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle auf die Ober fläche des zu vermessenden Objekts projiziert, wodurch auf dieser Oberfläche eine Lichtspur erzeugt wird. Der von dem Objekt reflektierte Lichtstrahl der Lichtspur wird von einer mit einem Winkel zur Lichtquelle angeordneten Detektoreinrich tung. Der reflektierte Lichtstrahl wird in horizontaler und in vertikaler Richtung mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben auf der Detektoreinrichtung abgebildet wird.

Erfindungsgemäß wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine spezielle Optik verwendet, mittels derer der von dem Oberflächenprofil des zu vermessenden Objekts reflektierte Lichtstrahl in horizontaler und in vertikaler Richtung mit unterschiedlichen Abbildungsmaß stäben auf der Detektoreinrichtung abgebildet wird. Dabei ist das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und in vertikaler Richtung größer oder kleiner Eins.

Wenn das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und in vertikaler Richtung kleiner Eins ist, dann werden kleine vertikale Erhebungen (geringe Amplitude der Lichtspur) relativ zur Breite der Lichtspur verstärkt. Wenn das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und in vertikaler Richtung größer Eins ist, dann werden große vertikale Erhebungen (große Amplitude der Lichtspur) relativ zur Breite der Lichtspur abge schwächt. Das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe ist vorzugs weise so gewählt, daß das auf den Detektor (CCD-Array) abge bildete Bild der Lichtspur ein möglichst großes Gebiet der Detektorfläche ausfüllt.

Handelsübliche CCD-Arrays, wie sie beispielsweise bei Video-Kameras verwendet werden (und daher auch relativ preis wert sind), haben häufig eine Auflösung von 1000 × 800 Pixeln. Bei dem oben beispielhaft angegebenen Verhältnis zwischen der Breite der Lichtspur und der maximalen Amplitude der Lichtspur von 100 : 1 würde ein Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in hori zontaler und in vertikaler Richtung von beispielsweise 1 : 10 dazu führen, daß das CCD-Array in horizontaler Richtung vollständig ausgefüllt und in vertikaler Richtung mit etwa 100 Pixeln ausgefüllt wäre. Ein Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe von 1 : 20 oder 1 : 30 würde natürlich zu einer noch besseren Aus füllung führen. Grenzen für das Verhältnis der Abbildungsmaß stäbe sind durch die verwendeten Optiken gegeben, durch die in den Randbereichen möglicherweise optische Verzerrung erzeugt werden können, die widerum aber durch eine geeignete Signal verarbeitung ausgeglichen werden können.

In den Fällen, in denen die Breite der reflektierten Licht spur im Verhältnis zur Amplitude der Kurvenform der reflektier ten Lichtspur relative klein ist (beispielsweise 1 : 10), muß das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und in ver tikaler Richtung natürlich größer Eins sein.

Zur weiteren Verbesserung der Messungen ist es natürlich möglich, mit Hilfe einer oder mehrerer Lichtquellen auf der Oberfläche von dem Objekt eine oder mehrere Lichtspuren zu erzeugen, die dann mit Hilfe einer oder mehrerer Detektor einrichtungen erfaßt werden.

Vorzugsweise werden ein oder mehrere Lichtquellen zur Erzeugung von Lichtstrahlen verwendet, die monochromatisches Licht erzeugen. Die Lichtstrahlen halben vorzugsweise einen geradlinigen Querschnitt, die daher oft auch als fächerförmige Lichtstrahlen oder als Lichtlamellen bezeichnet werden. Diese Lichtlamellen können durch einen Laser erzeugt werden, dessen Lichtstrahl mit punktförmigem Querschnitt mit Hilfe einer Zylinderlinse zu einem fächerförmigen Lichtstrahl aufgeweitet wird.

Für die Optik an der Detektoreinrichtung wird vorzugsweise eine Zylinderlinse oder ein Glasfaserbündel verwendet, um den von der Oberfläche des zu vermessenden Objekts reflektierten Lichtstrahl in horizontaler und in vertikaler Richtung mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben auf der Detektoreinrichtung abzubilden. Es ist aber auch möglich, spezielle Spiegel optiken zu verwenden, die die gleiche Wirkung haben.

Bei einer möglichen Ausgestaltung wird ein kolimierter Strahl einer Laserdiode über einen drehbaren Ablenkspiegel auf eine Scanner-Optik abgelenkt. Diese fokussiert den Laserstrahl auf den Laufstreifen, wobei die gewählte spezielle Optik für eine konstante Laserpunkt-Geschwindigkeit über den gesamten Abtastbereich sorgt. Nahezu unabhängig von dem Ablenkwinkel bleibt der gewählte Laserpunkt-Durchmesser von beispielsweise 50 µm über den gesamten Ablenkbereich unverändert. Die reflek tierte Lichtschnittfigur wird auf das Meßfeld der Detektor einrichtung (CCD-Array) reflektiert. Wie vorstehend erläutert, kann allerdings auch eine Laserlichtquelle mit nachgeschalteter Zylinderlinse verwendet werden, um einen fächerförmigen Licht strahl zu erzeugen.

Statt der vorstehend genannten, an der Detektoreinrichtung angeordneten Zylinderlinse kann auch ein Glasfaserbündel ver wendet werden, das beispielsweise aus mehreren tausend neben einander angeordneten Glasfasern besteht. Die zum Meßobjekt gerichteten Enden und die zum CCD-Array der Detektoreinrich tung gerichteten Enden sind dabei unterschiedlich gezogen, um dadurch das gewünschte Abbildungsverhältnis zu realisieren. Es können ebenfalls spezielle Spiegeloptiken verwendet werden, die den gleichen Zweck erfüllen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, in der der Aufbau der erfindungsgemäßen Lichtschnitt-Triangula tionsvorrichtung dargestellt ist.

Oberhalb eine Objekts 4 mit einem zu vermessenden Ober flächenprofil sind eine Lichtquelle 1 und eine Detektoreinrich tung 5, 6 angeordnet, die mit einem Triangulationswinkel α zueinander angeordnet sind. Die Lichtquelle 1 projiziert einen Lichtstrahl 2 mit einem geradlinigen Querschnitt auf die Ober fläche des zu vermessenden Objekts 4. Durch das Oberflächen profil des Objekts 4 wird dieser Lichtstrahl 2 abhängig vom Triangulationswinkel α zu einer Lichtspur 3 verzerrt. Diese Lichtspur 3 hat, abhängig von dem Triangulationswinkel α eine Breite b (horizontale Erstreckung) und eine Höhe z (vertikale Erstreckung bzw. Amplitude). Der von der Oberfläche des Objekts reflektierte Lichtstrahl, dessen Form der der Lichtspur 3 entspricht, wird durch eine Optik 5 geleitet, die in horizon taler Richtung und in vertikaler Richtung unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe erzeugt. Hinter der Optik 5 befindet sich ein CCD-Array 6 (oder eine andere Detektoreinrichtung), auf die das Bild der durch die Optik 5 bezüglich ihrer Abbildungsmaß stäbe veränderten Lichtspur 3 abgebildet wird. Die Detektor einrichtung 6 kann allgemein eine Anordnung mit einem oder mehreren lichtempfindlichen oder positionsempfindlichen Dioden als Detektor enthalten.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, hat die Lichtspur 3 ein Breite/Höhe-Verhältnis von b : z (Verhältnis von Breite b des Lichtstrahls und der Amplitude der maximalen Verzerrung), wohingen das auf das CCD-Array 6 abgebildete Bild der Licht spur 3 ein Breite/Höhe-Verhältnis von b' : z' hat. Daraus ergibt sich ein Abbildungsmaßstab in horizontaler Richtung β_b = b' : b und ein Abbildungsmaßstab in vertikaler Richtung β_z = z' : z, wobei β_b ≠ β_z ist.

Soll beispielsweise das Profil der Oberfläche eines Auto reifens vermessen werden, beträgt zum Beispiel b = 100 mm und z = 3 mm. Hat das CCD-Array der Detektoreinrichtung eine Breite von 30 mm und eine Höhe von 25 mm, so könnte beispielsweise b' - 25 mm und z' = 15 mm gewählt werden. In diesem Fall wäre β_z = 5 und β_b = 0,25. Folglich wäre das Verhältnis der Abbil dungsmaßstäbe in horizontaler und in vertikaler Richtung in diesem Fall 1 : 20.

Claims

1. Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren zur berührungslosen Vermessung des Oberflächenprofils von Objekten (4), bei denen ein Lichtstrahl (2) von einer Lichtquelle (1) auf die Oberfläche des Objekts projiziert wird und dort eine Lichtspur (3) erzeugt und der von dem Objekt reflektierte Lichtstrahl der Lichtspur (3) von einer mit einem Winkel (α) zur Lichtquelle (1) angeordneten Detektoreinrichtung (5, 6) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der reflek tierte Lichtstrahl in horizontaler und in vertikaler Rich tung mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben auf der Detektoreinrichtung abgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und in vertikaler Richtung größer als Eins ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und in vertikaler Richtung kleiner als Eins ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß durch einen oder mehrere Lichtstrahlen eine oder mehrere Lichtspuren (3) auf dem Objekt (4) erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß eine oder mehrere Lichtquellen (1) zur Erzeu gung der Lichtstrahlen (2) verwenden werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß eine oder mehrere Lichtquellen (1) zur Erzeu gung der Lichtstrahlen (2) verwendet werden, die monochro matisches Licht erzeugen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die abgebildete Lichaspur (3) bzw. Licht spuren mit Subpixel-Algorithmen vermessen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtstrahlen (2) einen geradlinigen Querschnitt haben.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtstrahlen (2) durch eine Lichtquellen erzeugt werden, die einen Lichtstrahl mit punktförmigem Querschnitt erzeugt, wobei der Lichtquelle eine Zylinder linse nachgeschaltet ist, um diesen Lichtstrahl zu einem Lichtstrahl mit geradlinigem Querschnitt aufzuweiten.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (2), der auf die Oberfläche eines zu vermessenden Objekts (4) projiziert wird und dort eine Lichtspur (3) erzeugt, und einer mit einem Winkel (α) zur Lichtquelle (1) angeordneten Detektoreinrichtung (5, 6) zur Erfassung des von dem Objekt reflektierten Lichtstrahls der Lichtspur (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor einrichtung (5, 6) zumindest eine Optik (5) aufweist, die dazu ausgestaltet ist, um den reflektierten Lichtstrahl in horizontaler und in vertikaler Richtung mit unterschied lichen Abbildungsmaßstäben auf der Detektoreinrichtung abzubilden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (5) eine Zylinderlinse enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (5) ein Lichtwellenleiterbündel enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (5) eine Spiegeloptik enthält.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (6) eine Anordnung mit einer oder mehreren positionsempfindlichen Dioden als Detektor beinhaltet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (6) eine Anordnung mit einer oder mehreren lichtempfindlichen Dioden als Detektor beinhaltet.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (6) einen CCD-Matrixdetektor oder einen CMOS-Matrixdetektor enthält.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und in vertikaler Richtung größer als Eins ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und in vertikaler Richtung kleiner als Eins ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen oder mehrere Lichtstrahlen eine oder mehrere Lichtspuren (3) auf dem Objekt (4) erzeugt werden.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Lichtquellen (1) zur Erzeugung der Lichtstrahlen (2) verwendet werden.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Lichtquellen (1) zur Erzeugung der Lichtstrahlen (2) verwendet werden, die mono chromatisches Licht erzeugen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die abgebildete Lichtspur (3) bzw. Lichtspuren mit Subpixel-Algorithmen vermessen werden.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen (2) einen gerad linigen Querschnitt haben.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen (2) durch eine Licht quellen erzeugt werden, die einen Lichtstrahl mit punkt förmigem Querschnitt erzeugt, wobei der Lichtquelle eine Zylinderlinse nachgeschaltet ist, um diesen Lichtstrahl zu einem Lichtstrahl mit geradlinigem Querschnitt aufzuweiten.