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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit der berührungslosen Vermessung 3-dimensionaler Körper, insbesondere
mit optischen Lichtschnittverfahren.
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Anwendungen,
in denen berührungslos
die Oberfläche
bzw. die Gestalt eines Körpers
vermessen werden soll, sind vielfältig. Beispielsweise wird bei
der Produktion von Flugzeugtragflächen bei einigen Flugzeugtypen
die Form der Tragfläche
nach einzelnen Produktionsschritten vermessen, um etwaige Abweichungen
der tatsächlichen
Form von einer Sollform festzustellen. Eine andere Anwendungsmöglichkeit
ist beispielsweise die kontaktlose Vermessung der Oberfläche von
Guss- oder Pressteilen, um fehlerhaft produzierte Teile aussondern
zu können.
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Häufig wird
dabei zur berührungslosen
Vermessung auf die optische Vermessung 3-dimensionaler Körper zurückgegriffen,
wobei insbesondere das Lichtschnittverfahren oft verwendet wird.
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Beim
Lichtschnittverfahren, wie es in 5 schematisch
dargestellt ist, wird eine Lichtlinie auf ein zu prüfendes Objekt
projiziert. Der Verlauf der Lichtlinie auf der Oberfläche des
Objekts wird unter einem Winkel zur Projektionsrichtung mit einer
Kamera aufgezeichnet. Dieser Verlauf spiegelt mithin die Topographie
der Oberfläche
wieder und kann daher zur 3-dimensionalen Vermessung der Oberfläche benutzt
werden, wenn das zu vermessende Objekt unter der Anordnung von Laser
und Kamera bewegt wird.
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5 zeigt als Lichtprojektor
einen Laser 2, eine Kamera 4 und als zu vermessendes
Objekt beispielhaft eine einfa ches geometrisches Objekt, nämlich einen
Quader 6. Der Laser 2 erzeugt mittels einer geeigneten
Laseroptik einen aufgefächerten
Strahl, der an der Messposition 8 auf die Oberfläche des Quaders 6 projiziert
wird. Die Kamera 4 beobachtet die Lichtlinie an der Messposition 8.
Da die Projektionsrichtung des Lasers 2 und die Beobachtungsrichtung
der Kamera 4 einen Winkel bilden, wird von der Kamera 4 der
Messstrahl bei einer Veränderung
der Oberfläche
des Quaders 6, beispielsweise bei einer Erhöhung auf
der Oberfläche,
an anderer Stelle auf dem Lichtsensor der Kamera 6 (beispielsweise
einer CCD) nachgewiesen. Aus der Kenntnis des Winkels zwischen Laser 2 und
Kamera 4 sowie der Kenntnis der Nachweisposition des Lichtstrahls
im Kamerasensor, lässt
sich die topographische Information über die Oberfläche des
Quaders 6 an der Messposition 8 gewinnen. Wird
nun der Quader in Richtung einer Scanrichtung 10 unter
der Messposition 8 hindurchgeführt, so lässt sich ein 3-dimensionales
Oberflächenprofil
des zu vermessende Quaders erstellen.
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In
dem Beispiel, das in 5 gezeigt
ist, ist es prinzipiell nur möglich,
eine einzige Oberfläche des
Quaders 6 zu vermessen, nämlich jene auf der an der Messposition 8 die
Lichtprojektion des Lasers 2 sichtbar ist. Im allgemeinen
Fall der 3-dimensionalen Vermessung von Körpern besteht das Problem, dass
nur ein Teil der gesamten Oberfläche
von der Lichtlinie und der Kamera erfasst wird und somit ein Rest
der Oberfläche
nicht beleuchtet wird. Soll die gesamte Oberfläche eines Körpers vermessen werden, müssen daher
mehrere Lichtlinien und ein oder mehrere Kameras verwendet werden.
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6 veranschaulicht dies anhand
der 3-dimensionalen Vermessung eines Quaders 20, der von einem
ersten Laser 22 und von einem zweiten Laser 24 beleuchtet
wird, wobei in 6 der
Einfachheit halber nur eine Kamera 26 gezeigt ist. Wie
es in 6 zu sehen ist,
beleuchtet der Laser 1 die linke Seite und einen Teil der
Oberfläche
des Quaders 20, wohin gegen der zweite Laser 24 die
rechte Seite und einen Teil der Oberfläche des Quaders beleuchtet.
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Es
ist anzumerken, dass zur vollständigen Vermessung
des Quaders 20 mehrere Kameras von Nöten sind, die zusätzlich notwendigen
Kameras sind jedoch nicht gezeigt, da sie für das Verständnis des Verfahrens nicht
erforderlich sind. Um die Oberfläche
des Quaders 20 mittels Kamera 1 vollständig vermessen
zu können,
müssen
diejenigen Anteile der Lichtlinien des Lasers 22 und des
Lasers 24, welche eine Linie auf die Oberfläche des
Quaders 20 projizieren, einen räumlichen Überlapp aufweisen, um die vollständige Erfassung
der Oberfläche
zu ermöglichen.
Weisen die Linien keinen Überlapp
auf, müssten
Anfangs- und Endpunkte der verschiedenen Lichtlinien exakt aufeinanderliegen.
Da die Linien jedoch in der Regel mit einem Punktlaser mit einer
speziellen Linienoptik erzeugt werden, hängt die Länge der auf dem Objekt erzeugten
Lichtlinie vom Abstand des Lasers zum Objekt ab. Bei 3-dimensionalen
Körpern ändert sich
jedoch der Abstand der Oberfläche von
den verschiedenen Lasern von Messort zu Messort (d.h. entlang einer
Scanrichtung 30). Daher ist es unmöglich, Anfangs- und Endpunkte
der Laser 22 und 24 aufeinander auszurichten.
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Spezielle
Lichtschnittsensoren in der Kamera 26 bestimmen die Position
einer Lichtlinie bereits auf dem Sensor selbst, da dadurch eine
möglichst hohe
Messrate erreicht werden kann, die bei aktuell verfügbaren Sensoren
bis zu 20.000 ausgewerteten Lichtlinien pro Sekunde beträgt.
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Bei
der Verwendung mehrerer Lichtlinien von verschiedenen Lasern, wie
es in 6 auf der Oberfläche des
Quaders 20 dargestellt ist, sind solche Sensoren jedoch
nicht in der Lage zu entscheiden, welche der Lichtlinien zur korrekten
Vermessung heranzuziehen ist. Um dieses Problem und damit einher gehende
Fehlauswertungen zu umgehen, müssten die
projizierten Lichtlinien nahtlos ineinander übergehen. Dies kann prinzipiell
dadurch erreicht werden, dass die Lichtli nien zunächst parallel
zueinander ausgerichtet und danach so lange parallel verschoben
werden, bis sie exakt auf einander liegen. Obwohl dies prinzipiell
möglich
ist, ist dieses Vorgehen mit einem sehr hohen Justageaufwand verbunden. Ein
zusätzliches
Problem ist dabei, dass aufgrund von äußeren Einflüsse, wie z. B. durch sich verändernde
Temperatur oder durch auftretende mechanische Spannungen, diese
Justage zeitlich nicht stabil ist.
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Ein
weiteres Problem des Lichtschnittverfahrens besteht darin, dass
erhabene Teile auf der Oberfläche
des Objekts bei Einsatz einer Kamera und eines Lasers zu Abschattungen
führen
können,
d.h. Teile der Oberfläche
können
dann nicht erfasst werden.
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Dies
ist anhand von 7 veranschaulicht, in
der schematisch ein Laser 40, eine Kamera 42 und ein
zu vermessendes Objekt 44 gezeigt ist. Die Vorschubrichtung 46 (Scanrichtung)
ist anhand eines Pfeils symbolisiert.
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Das
zu vermessende Objekt 44 weist eine Erhöhung 48 auf, so dass
mit der Anordnung aufgrund der gegebenen Geometrie und der geradlinigen
Lichtausbreitung ein Bereich 50 nicht vermessen werden
kann. In dem Bereich 50 ist das Projizieren eines Messlichtstrahls
unmöglich,
da dieser von der Erhöhung 48 abgeschattet
wird.
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Prinzipiell
kann dieses Problem beispielsweise durch den Einsatz von zwei Kameras,
die symmetrisch zur Projektionsrichtung der Lichtlinie angeordnet
sind, gelöst
werden. Wenn der Laser das Objekt beispielsweise senkrecht von oben
beleuchtet und die Kameras die Position der Lichtlinie aus zwei
unterschiedlichen Richtungen aufzeichnen. Offensichtlich können Abschattungseffekte
somit in Scanrichtung weitgehend vermieden werden, da der Lichtstrahl
selbst nicht abgeschattet werden kann und zumindest eine der Kameras
jeweils den Lichtstrahl beobachten kann. Äußerst nachteilhaft an diesem
Ansatz ist jedoch der stark erhöhte
Kostenauf wand, der durch den Einsatz einer zweiten, komplexen Kamera entsteht.
Da die Position von Laser und Kamera prinzipiell austauschbar ist,
ist es auch möglich,
eine Kamera und zwei Laser zu kombinieren, um Abschattungen zu vermeiden.
Aufgrund des oben beschriebenen Problems der Ununterscheidbarkeit
der Laserlinien ist dies jedoch in den dem Stand der Technik entsprechenden
Verfahren unmöglich.
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Allgemein
werden beim Lichtschnittverfahren die projizierten Laserlinien lediglich
beobachtet, d.h. das Verfahren basiert darauf, dass das Laserlicht am
Ort des Auftreffens auf das Objektes diffus gestreut wird, so dass
die Kamera die Linie des Lasers auf dem Objekt ohne Störungen beobachten
kann. Beim herkömmlichen
Lichtschnittverfahren kann es jedoch zu zusätzlichen Problemen kommen,
wenn die Oberfläche
von zu vermessenden Objekten teilweise reflektierend ist, so dass
Reflexionen entstehen, die im ungünstigsten Fall in die Optik
der Kamera reflektiert werden, wodurch das Bild der Kamera verfälscht wird.
In einem solchen Fall treten in einem Teil des Kamerabildes, in
dem nur die Lichtlinie zu sehen sein sollte, weitere helle Stellen
auf, welche die Auswertung erschweren oder unmöglich machen. Werden beispielsweise
diffus streuende Autoreifen auf reflektierenden Aluminiumfelgen
vermessen, kann dieses Problem auftreten, wenn der Teil der Lichtlinie,
der auf das Aluminium trifft, in dem Kamerabereich reflektiert wird.
Mit dem Stand der Technik entsprechenden Lichtschnittverfahren kann
der Reifen dann nicht mehr erfasst werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zu schaffen, durch die eine effizientere Anwendung
des Lichtschnittverfahrens zum exakten Vermessen dreidimensionaler
Körper
möglich
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein
Verfahren gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass
eine verbesserte Vermessung insbesondere dreidimensionaler Körper möglich ist,
wenn eine Einrichtung vorgesehen wird, mit deren Hilfe eine erste
und eine zweite Messlichtprojektion auf einer Oberfläche eines
zu vermessenden Objektes eindeutig als von einem ersten oder zweiten Lichtprojektor
stammend identifiziert werden kann. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß eine Unterstützungseinrichtung
vorgesehen, welche eine Kamera und/oder die Messlichtprojektoren
vorzugsweise so betreibt, dass bei jeder Lichtschnittaufnahme der
Kamera entweder nur die erste oder nur die zweite Messlichtprojektion
für die
Kamera sichtbar ist.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird das Problem der Identifizierung überlappender
Lichtlinien dadurch gelöst,
dass Lichtlinien nicht gleichzeitig, sondern sequentiell, also in
verschiedenen Phasen des Messvorgangs aufeinanderfolgend auf das
Objekt projiziert werden. Mittels der Unterstützungseinrichtung wird die
für die
Erfassung der jeweiligen Lichtlinie vorgesehene Kamera ebenfalls
so getaktet, dass diese nur dann empfindlich ist, wenn jeweils nur
eine aufzuzeichnende Lichtlinie aktiv ist.
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Eine
vollständige
Aufnahme eines Objektes wird also in mehrere Phasen zerlegt, bei
der jeweils nur Lichtlinien und Kameras aktiv sind, welche keine wechselseitig überlappenden
Bereiche aufweisen. Somit wird effizient verhindert, dass eine Kamera zwei
unterschiedliche Lichtlinien je Aufnahme sieht. Dadurch können spezielle
Lichtschnittkameras verwendet werden, welche mit hoher Messfrequenz
die Position einer Lichtlinie selbständig bestimmen, um effizient
und kostengünstig
mehrere parallele Lichtprojektionen zur Auswertung zu verwenden,
wobei gleichzeitig die hohe Auswertegeschwindigkeit der Lichtschnittkameras
lediglich um einen Faktor 2 verringert wird.
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Somit
können
auf vorteilhafte Art und Weise unter anderem Abschattungen vermieden
werden, wenn beispielsweise die Kamera das Objekt senkrecht von
oben erfasst und symmetrisch zur Vertikalen zwei Laser zur Projektion
einer Lichtlinie angeordnet werden, welche sequentiell ein- und
ausgeschaltet werden. Die Messwerte der beiden (oder ggf. mehreren)
Aufnahemphasen werden zusammengefasst, so dass für jeden Messabschnitt (bzw.
Messpunkt, d.h. an jeder Stelle des Vorschubs in Scanrichtung) ein
gültiger
Messwert vorliegt. Durch Abscannen des Objektes werden die Messpunkte
schließlich zu
einem lückenlosen
3D-Bild der Oberfläche
zusammengesetzt, wobei kaum Abschattungen mehr auftreten können. Die
effektive Messrate wird durch das sequentielle Zuschalten von Lichtlinien
und Kameras zwar reduziert, jedoch erlauben spezielle Lichtschnittsensoren
so hohe Messraten, dass diese Reduktion der effektiven Messrate
tolerierbar ist.
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Die
Anordnung von zwei Lasern symmetrisch zur Blickrichtung einer Kamera
hat einen geringen Kostenmehraufwand zur Folge, um einen zweiten
Laser zu installieren. Jedoch ist, bei geringer Laserleistung, der
zusätzliche
Kostenaufwand wesentlich geringer als bei Einsatz einer zweiten
Kamera, wie es im Stand der Technik oftmals der Fall ist. Insgesamt
ergibt sich somit der große
Vorteil, dass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Konzeptes mit geringem
Kostenmehraufwand das Auftreten von Abschattungen verhindert werden
kann. Ebenso kann so eine vollständige
Oberfläche
eines Objektes mittels mehrerer nicht exakt aufeinander ausgerichteter Lichtstreifen
vermessen werden.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die eindeutige Identifikation einer
ersten und einer zweiten Messlichtprojektion dadurch ermöglicht,
dass für
die erste und die zweite Messlichtprojektion Laserlicht unterschiedlicher
Wellenlänge
verwendet wird. Dabei wird die jeweils gewünschte Kamera zur Erfassung
der Lichtlinie mit einem entsprechenden optischen Filter ausgestattet,
so dass Lichtlinien, die nicht erfasst werden sollen, hinreichend
unterdrückt
werden. Darüber
hinaus kann von einer Unterstützungseinrichtung
ein Lichtfilter einer einzelnen Kamera zeitlich variabel gewechselt
werden, so dass auch mittels nur einer Kamera mehrere Laserstrahlen
eindeutig unterschieden werden können.
In einer Erweiterung können, sollten
zwei unterschiedliche Wellenlängen
nicht zur Vermeidung von Überlappungen
ausreichen, prinzipiell beliebig viele weitere Wellenlängen hinzugenommen
werden.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist ein Matrix- oder Zeilensensor innerhalb
der Kamera, beispielsweise eine CCD, direkt auf einzelnen Pixeln
befindliche, unterschiedliche Farbfilter auf, so dass eine Unterscheidung
des ersten und des zweiten Laserstrahls automatisch dadurch erreicht
wird, dass jeweils nur die mit dem entsprechenden Wellenlängenfilter
ausgestatteten Pixel das Laserlicht sehen. Bei einem CCD-Sensor
kann zum Beispiel jedes zweite Pixel, jede zweite Spalte oder jede
zweite Zeile mit einem Wellenlängenfilter
unterschiedlicher Durchlasscharakteristik belegt werden, so dass
dann mit halber Ortsauflösung
zwei unterschiedliche Laser automatisch unterschieden werden können. Eine
Erweiterung auf prinzipiell beliebig viele unterschiedliche Farben
ist möglich,
wobei jedoch die mit der Anzahl der unterschiedlichen Farben geringer
werdende Ortsauflösung
bei Verwendung nur eines einzigen Chips zu bedenken ist. Kostengünstig können dabei beispielsweise
herkömmliche
RGB-Sensoren verwendet werden, wie sie unter anderem in Videokameras
zum Einsatz kommen.
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Das
Verwenden unterschiedlich farbiger Laser hat den großen Vorteil,
dass die Erfassung aller Lichtlinien parallel erfolgen kann. Dadurch
kann die maximale Messfrequenz der Messkamera ausgenutzt werden.
Die effektive Messfrequenz bei sequentiellen Methoden kann prinzipiell
dadurch erhöht werden,
dass die Belichtungszeiten verkürzt
werden, was jedoch eine Erhöhung
der eingesetzten Laserleistung voraus setzt, um pro einzelner Aufnahme
die Messlinie noch reproduzieren zu können. Da Laser mit hoher Leistung
wesentlich teuerer sind als Laser geringerer Leistung, birgt die
Verwendung unterschiedlich farbiger Laserstrahlung zusätzlich einen signifikanten
Kostenvorteil.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im Nachfolgenden Bezug nehmend
auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lichtschnittmesseinrichtung;
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2 ein
Taktzyklusdiagramm zum Betrieb der Lichtschnittmesseinrichtung aus 1;
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3a eine
Lichtschnittmesseinrichtung zur vollständigen Vermessung einer 3-dimensionalen Oberfläche;
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3b ein
Taktzyklusdiagramm zum Betrieb der Lichtschnittmesseinrichtung von 3a;
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4 ein
Lichtschnittverfahren mit Lasern unterschiedlicher Wellenlänge;
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5 eine
prinzipielle Funktionsweise des Lichtschnittmessverfahrens;
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6 eine
Vermessung einer Oberfläche mittels
mehrerer Lichtschnitte; und
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7 Abschattungseffekte
beim Lichtschnittverfahren.
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Die 1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Lichtschnittmesseinrichtung 100,
die einen ersten Lichtprojektor 102, einen zweiten Lichtprojektor 104,
eine Kamera 106 und eine Unterstützungseinrichtung 108 aufweist.
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Die
Lichtschnittmesseinrichtung 100 dient dem 3-dimensionalen Vermessen
der Form eines Objektes 110, das unter der Lichtschnittmesseinrichtung 100 in
der Scanrichtung 112 hindurchbewegt wird.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird die Unterscheidbarkeit von zwei Messlichtstrahlen
durch die Unterstützungseinrichtung 108 sichergestellt,
die sowohl mit dem ersten Lichtprojektor 102, dem zweiten Lichtprojektor 104 als
auch mit der Kamera 106 verbunden ist. Die Unterstützungseinrichtung 108 betreibt
dabei die Kamera 106 und die Lichtprojektoren 102 und 104 in
einer getakteten Art und Weise derart, dass für aufeinanderfolgende Bilder
der Kamera 106 entweder eine Lichtprojektion 114 auf
einer Oberfläche
des Objekts 110 von dem ersten Lichtprojektor 102 erzeugt
wird, wie es in 1 zu sehen ist, oder von dem
zweiten Lichtprojektor 104. Ein Beispiel für ein Taktschema,
mit dem das Umschalten durch die Unterstützungseinrichtung 108 erfolgt,
ist in 2 dargestellt. Die Funktionsweise der Lichtschnittmesseinrichtung 100 wird
im Folgenden bezug nehmend auf 2 erläutert.
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2 zeigt
auf einer gemeinsamen x-Achse die Zeit in beliebigen Einheiten,
während
die Schaltzustände,
d.h. der Ein-Zustand und der Aus-Zustand für den ersten Lichtprojektor
in einer Taktzyklusdarstellung 130, für den zweiten Lichtprojektor 104 in
einer Taktzyklusdarstellung 132 und für die Kamera 106 in
einer Taktzyklusdarstellung 134 gezeigt sind.
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Die
Unterstützungseinrichtung 108 steuert die
Lichtprojektoren 102 und 104 bzw. die Kamera 106 in
einer ersten Phase 140 derart, dass der erste Lichtprojektor 102 die
Projektion des Lichtstrahls auf dem Objekt 110 erzeugt,
wobei die Kamera 106 aktiv ist und den projizierten Lichtstrahl
aufnimmt. In einer darauffolgenden, zweiten Phase 142 wird
hingegen der erste Lichtprojektor 102 inaktiv geschaltet, während der
zweite Lichtprojektor 104 die Messlichtprojektion auf dem
Objekt 110 erzeugt, welche mittels der Kamera 106 in
der zweiten Phase 142 aufgezeichnet wird.
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Wie
es in den 1 und 2 zu sehen
ist, ist es somit erfindungsgemäß möglich, die
Quellen der Messlichtprojektion eindeutig einzelnen Kameraaufnahmen
zuzuordnen.
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Besonders
vorteilhaft an dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist, dass es in der in 1 gezeigten Anordnung der Komponenten
in Scanrichtung kaum zu Abschattungseffekten kommen kann.
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3a zeigt
ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Quader 3-dimensional vollständig erfasst wird, wobei unter
vollständiger
Erfassung zu verstehen ist, dass eine Auflagefläche des Quaders als eben angenommen
und somit als bekannt vorausgesetzt wird, so dass lediglich drei
verbleibende Seiten des Quaders durch eine erfindungsgemäße Lichtschnittmesseinrichtung
zu bestimmen sind.
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3a zeigt
einen zu vermessenden Quader 150, der in einer Scanrichtung 152 bewegt
wird, wobei zur vollständigen
Vermessung des Quaders 150 eine erste Kamera 154,
eine zweite Kamera 156, eine dritte Kamera 158 sowie
ein erster Laser 160 und ein zweiter Laser 162 verwendet
werden. Die Taktsignale zur Ansteuerung der Kameras und der Laser
sind in 3b gegen die Zeit in willkürlichen Einheiten
aufgetragen, wobei ein Signal 170 den ersten Laser 160,
ein Signal 172 den zweiten Laser 162, ein Signal 174 die
erste Kamera 154, ein Signal 176 die zweite Kamera 156 und
ein Signal 178 die dritte Kamera 158 steuern.
Anhand der 3a und 3b soll
im Folgenden kurz die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Lichtschnittmesseinrichtung
von 3a erläutert
werden.
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Der
erste Laser 160 beleuchtet in einer ersten Messphase 180 die
linke Seite des Quaders 150 und erzeugt dabei eine erste
Messlichtprojektion 181, wobei der zweite Laser 162 ausgeschaltet
ist. Die Position der zugehörigen
Messlichtprojektion 181 wird in der Messphase 180 von
der ersten Kamera 154 und von der dritten Kamera 158 erfasst.
Durch die Schrägprojektion
der Lichtlinie wird die komplette linke Seite des Quaders 150 und
ein Teil der oberen Fläche
des Quaders 150 beleuchtet. In der Messphase 180 werden
daher von der dritten Kamera 158 3-dimensionale Positionen
der linken Oberfläche
und von der ersten Kamera 154 3-dimensionale Positionen von Teilen der
oberen Oberfläche
des Quaders 150 erfasst.
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Durch
die Bewegung des Quaders 150 in Scanrichtung 152 werden
nacheinander 3D-Daten für die
eben beschriebenen Teile des Quaders ermittelt. In einer zweiten
Messphase 182 wird der erste Laser 160 ausgeschaltet,
der zweite Laser 162 beleuchtet die rechte Oberfläche und
einen Teil der oberen Oberfläche
des Quaders 150 und erzeugt dabei eine zweite Messlichtprojektion 183.
Die Erfassung der Messdaten erfolgt nun mit der ersten Kamera 154 und
mit der zweiten Kamera 156. Erfindungsgemäß müssen die
Lichtlinien des ersten Lasers 160 und des zweiten Lasers 162 nicht
aufeinander zu liegen kommen, da der Quader 150 während des
Scanvorgangs vollständig
erfasst wird, wobei die Messdaten in einem Post-Processing auf einem
Rechner korrekt zusammengesetzt werden können, um das vollständige 3-dimensionales
Bild des Quaders 150 zu erzeugen. Durch das erfindungsgemäße getaktete
Betreiben, das von einer Unterstützungseinrichtung
gesteuert wird, wird also verhindert, dass der erste Laser 160 und
der zweite Laser 162 zeitgleich betrieben werden.
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Alternativ
zum Einsatz von zwei oder mehr Kameras, wie es in 3a zu
sehen ist, ist es auch möglich,
eine einzelne Kamera zu verwenden, welche mittels einer geeigneten
Optik den Quader 150 aus verschiedenen Perspektiven abbilden
kann. Dies kann beispielsweise mittels eines optischen Strahlteilers
und geometrisch geeignet angebrachten Spiegeln erreicht werden,
wobei dann unterschiedliche Bildbereiche einer einzigen Aufnahme
der Kamera den jeweiligen Perspektiven zugeordnet sind. In Anlehnung
an 3a kann eine solche Aufteilung beispielsweise
so erfolgen, dass ein linker Randbereich einer CCD-Aufnahme aus
der Perspektive der Kamera 158 abgebildet ist, während ein
mittlerer Bereich der CCD-Aufnahme aus der Perspektive der Kamera 154 gesehen
wird und wobei ein rechter Randbereich der CCD-Aufnahme aus der Perspektive der Kamera 156 abgebildet
ist. Dies hat den großen
Vorteil, dass eine oder mehrere kostenintensive Kameras gespart werden
können.
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Die 4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem die Oberfläche eines Objektes mittels
zweiter Lichtstrahlen und zweier Kameras vermessen wird.
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Die 4 zeigt
dabei ein zu vermessendes Objekt 200, einen ersten Messlichtprojektor 202,
einen zweiten Messlichtprojektor 204, eine erste Kamera 212 und
eine zweite Kamera 214. Auf der rechten Seite und auf einem
Teil der Oberfläche
des Objektes 200 wird von dem ersten Messlichtprojektor 202 ein
erster Messlichtstreifen 222 in einer erste Farbe projiziert,
bei dem das Licht also einen ersten Wellenlängenbereich umfasst. Auf der
linken Seite und einem zweiten Teil der Oberfläche des Objektes 200 wird
vom zweiten Messlichtprojektor 204 ein zweiter Messlichtstreifen 224 erzeugt,
wobei der zweite Messlichtstreifen 224 eine andere Farbe
hat als der erste Messlichtstreifen 222. Vor der ersten Kamera 212 ist
ein erster Wellenlängenfilter 232 angebracht,
dessen Filtercharakteristik so ausgewählt ist, dass die erste Kamera 212 nur
den ersten Messlichtstreifen 222 der ersten Farbe beobachten
kann. Äquivalent
dazu befindet sich vor der zweiten Kamera 214 ein zweiter
Filter 234, der eine Filtercharakteristik aufweist, die
lediglich Licht im Wellenlängenbereich
des zweiten Messlichtstreifens 224 pas sieren lässt, so
dass die zweite Kamera 214 nur den zweiten Messlichtstreifen 224 sieht.
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Auf
diese Art und Weise kann erreicht werden, dass die Messung kontinuierlich
erfolgen kann, d.h. dass keiner der Messlichtprojektoren zeitweise stillgelegt
oder abgeschattet werden muss, was zu einer Reduzierung der effektiven
Messrate einer Kamera um einen Faktor 2 führen würde. Daher kann erfindungsgemäß die hohe
Messrate spezialisierter Lichtschnittkameras in vollem Umfang genutzt
werden, wenn das erfindungsgemäße Konzept
so implementiert wird, wie es in 4 zu sehen
ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
des in 4 gezeigten Konzeptes werden Messlinien unterschiedlicher
Wellenlängen
verwendet, wobei nur eine einzelne Kamera zur Beobachtung verwendet wird.
Zusätzlich
ist dann eine Einrichtung vorgesehen, die wechselnde Farbfilter
vor der Kamera anordnet, so dass auf jeder Aufnahme nur eine eindeutig zuordenbare
Messlinie beobachtet werden kann. Dies kann beispielsweise mittels
eines Filterrades geschehen, das verschiedene Filterfolien in einzelnen
Segmenten eines Kreises aufweist, wobei durch Rotation des Filterrades
zeitlich präzise
gesteuert einzelne Filterfolien vor das Objektiv der Kamera gebracht
werden können.
So wird der zusätzliche
Kostenaufwand für
eine zweite Kamera vermieden, jedoch wird die effektive Messrate
um den Faktor 2 verringert. Im Fall der Verhinderung von Abschattungseffekten
durch das Einsetzen zweier Laser ist dies jedoch akzeptabel, da
in diesem Fall die effektive Messrate nur dann reduziert wird, wenn
einer der Laserstrahlen tatsächlich
abgeschattet ist.
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Obwohl
anhand der vorhergehenden Beispiele das erfindungsgemäße Konzept
anhand der Steuerung bzw. des Einsatzes von zwei Lasern beschrieben
wurde, wird es im allgemeinen bei komplexeren 3D-Oberflächen erforderlich
sein, eine größere Anzahl
von Lasern und Kameras einzusetzen, um Abschattungseffekte zu vermeiden
und um die vollständige
Oberfläche
er fassen zu können.
Dementsprechend kann es erforderlich werden, mehr als zwei Aufnahmephasen
zu definieren, in denen mehrere Gruppen von Lasern und Kameras zu
unterschiedlichen Zeiten aktiv sind, um die Messdaten der Oberfläche zu generieren.
Dies ist auf vorteilhafte Weise mittels des erfindungsgemäßen Konzepts
realisierbar, bei dem die Anzahl der unterschiedlichen Messphasen
prinzipiell nicht limitiert ist. Darüber hinaus kann selbstverständlich auch
eine beliebige Anzahl unterschiedlich farbiger Laser zum Einsatz
kommen, um das erfindungsgemäße Konzept
mittels einer beliebigen Anzahl von unterschiedlich farbigen Lasern
und Kameras mit Farbfiltern umzusetzen.
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Durch
das erfindungsgemäße Verwenden mehrerer
Laser kann dabei auf vorteilhafte Art und Weise auch das Problem
von eventuell auftretenden Reflexionen beseitigt werden, wenn Kamerabilder mit
Reflexionsanteilen verworfen werden können, da diese in einer zweiten
Messphase durch ein redundantes Kamerabild ersetzt werden können. Dies
ist möglich,
da die eindeutige Zuordnung eines Messlichtstreifens zu einem Laser
erfindungsgemäß ermöglicht wird.
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Zusammengefasst
ermöglicht
es die vorliegende Erfindung also bei hinreichend glatter Oberfläche eine
3D-Erfassung eines Körpers
während
genau eines Scanvorganges auf Basis des Lichtschnittverfahrens zu
rekonstruieren.
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Obwohl
in den in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung die erfindungsgemäße Unterstützungseinrichtung, die eine eindeutige
Identifikation einer ersten oder einer zweiten Messlichtprojektion
in einer Lichtschnittaufnahme ermöglicht, anhand von zwei Beispielen,
nämlich dem
getakteten Betreiben einer Lichtschnittmesseinrichtung und dem Bereitstelen
von Wellenlängenfiltern
zum Unterscheiden verschiedenfarbiger Messlichtprojektionen beschrieben
wurde, sind auch beliebige andere Ausführungsformen möglich.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Unterstützungseinrichtung
zu implementieren, die eine eindeutige Identifikation einer ersten
oder einer zweiten Messlichtprojektion gestattet ist, die geometrische Form
einer Messlichtprojektion zu verändern.
Beispielsweise kann die Breite eines Lichtstreifens variiert werden,
so dass beispielsweise ein verbreiterter von einem normalen Messlichtstreifen
leicht unterschieden werden kann. Darüber hinaus kann die geometrische
Gestalt eines Streifens in beliebiger Art und Weise zur Codierung
der Information über
den Ursprung des Streifens verwendet werden. Beispielsweise ist
ein Streifen, der in bestimmten Abständen unterbrochen ist, vorstellbar,
wobei die Sequenz der Unterbrechungen des Lichtstreifens den Code
enthält.
Darüber
hinaus kann auch ein Muster aus kurzen Lichtstreifen, die senkrecht
zum Verlauf des eigentlichen Messlichtstreifens angeordnet sind
eine Codesequenz definieren, die zur Unterscheidung herangezogen
werden kann.
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Obwohl
bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Phasen der Belichtung
in abwechselnder Reihenfolge durchlaufen werden, ist es ebenso möglich, eine
Phase mehrmals hintereinander zu durchlaufen, wenn dies notwendig
ist. Insbesondere kann die Steuerung auch dynamisch die Reihenfolge
der Phasen verändern,
sollte beispielsweise eine fehlerhafte Auswertung dies erfordern.
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Abhängig von
den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum 3-dimensionalen Vermessen
der Form eines Objektes 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 erfindungsgemäße Verfahren
zum 3-dimensionalen Vermessen der Form eines Objektes ausgeführt wird.
Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem
auf einem maschinenlesbaren Träger
ge speicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In
anderen Worten ausgedrückt
kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode
zur Durchführung
des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf
einem Computer abläuft.