DE102009040991B4

DE102009040991B4 - Messanordnung und Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102009040991B4
Application number: DE102009040991A
Authority: DE
Inventors: Dr. Höller Frank; Dr. Tremont Marc
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: DE102009040991A1

Abstract

Messanordnung zum Vermessen einer Oberfläche (18), umfassend eine Erfassungseinrichtung (7, 8; 58), die eingerichtet ist, um berührungslos erste Daten zu erfassen, die eine zweidimensionale oder dreidimensionale Abbildung eines Bereichs der Oberfläche (18) repräsentieren, und eine Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) zum Ermitteln zweiter Daten, die Raumkoordinaten wenigstens eines Punktes (14) der Oberfläche (18) repräsentieren, der in dem Bereich der Oberfläche (18) liegt, wobei die Erfassungseinrichtung (7, 8; 58) eingerichtet ist, um die ersten Daten mit einem flächig messenden oder flächig abbildenden Verfahren zu erfassen, wobei die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) eingerichtet ist, um die zweiten Daten unter Verwendung eines amplituden- oder phasenmodulierten optischen Signals (13), insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, zu ermitteln, und wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist, um die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes (14) mittels Multilateration zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Messanordnung und ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche unter Verwendung berührungsloser Messtechniken.
Die Messung einer Oberflächenkontur eines dreidimensionalen Körpers hat vielfache Anwendungen, beispielsweise bei der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Hierbei stellt die hochgenaue Vermessung sehr großer Objekte mit einer typischen Abmessung von einigen Metern eine Herausforderung dar. Häufig soll eine Oberfläche hinsichtlich ihrer Form, d. h. Topographie, und/oder ihrer Oberflächenbeschaffenheit vermessen werden.
Es existieren verschiedene messtechnische Anordnungen und Verfahren, um eine die Topographie der Oberfläche repräsentierende Punktewolke im dreidimensionalen Raum zu erfassen. Taktile Koordinatenmessmaschinen erreichen hohe Genauigkeiten in Volumina von einigen Kubikmetern. Diese Messungen können aber zeitintensiv sein, insbesondere wenn Positionen einer großen Zahl von über die Messkörperoberfläche verteilten Punkten bestimmt werden sollen, da sowohl schaltende als auch scannende taktile Sensoren als Messwert typischerweise nur Koordinaten eines einzigen Punktes bzw. einer linearen Punktefolge auf der zu vermessenden Oberfläche liefern, so dass flächige Messungen viel Zeit in Anspruch nehmen. Darüber hinaus sind taktile Messgeräte nicht zur Vermessung empfindlicher Oberflächen geeignet, da das mechanische Antasten zu einer Beschädigung der Oberfläche führen kann.
Daneben sind auch berührungslose Oberflächenmessverfahren bekannt, insbesondere optische Verfahren zur Oberflächenvermessung. Dabei können beispielsweise räumlich oder zeitlich strukturierte Lichtmuster auf die zu vermessende Oberfläche projiziert werden. Die Projektionen auf der Oberfläche können mit einem Flächensensor, beispielsweise zeitsequentiell, erfasst und anschließend ausgewertet werden, um die Topographie und/oder Oberflächenstruktur des Objekts zu vermessen.
Beispiele für derartige optische Messverfahren sind Streifenprojektionsverfahren, wie sie beispielsweise in der DE 41 30 237 A1 , in der DE 41 42 564 A1 oder in der DE 40 07 502 A1 beschrieben sind.
Die DE 10 2007 031 157 A1 beschreibt einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung und Abstandsbestimmung eines Objekts. Dabei wird für die Ermittlung eines ersten dreidimensionalen Bilds ein erstes Messprinzip eingesetzt, und für die Ermittlung eines zweiten dreidimensionalen Bilds wird ein zweites Messprinzip eingesetzt, das von dem ersten Messprinzip verschieden ist. Es kann eine Laufzeitkamera eingesetzt werden. Es kann eine Triangulation unter Verwendung einer strukturierten Beleuchtung eingesetzt werden.
Die US 4 818 100 A beschreibt eine optische Abstandsmessung unter Einsatz gepulster Laserstrahlen. Eine Auswertung einer sinusförmigen Signalkomponente kann erfolgen, um eine Weglängenmessung vorzunehmen. Zum Abtasten einer Oberfläche wird ein Scanner eingesetzt, dessen Ablenkwinkel zur Vermessung der Oberfläche bekannt sein muss.
Die US 5 835 199 A beschreibt ein Laserradar-Messsystem, das einen Frequenzkammgenerator verwendet.
Bei zahlreichen optischen Verfahren zur Oberflächenvermessung ist die absolute Messgenauigkeit in Bezug auf das Referenzkoordinatensystem, in dem sich das zu vermessende Objekt befindet, gering. Darüber hinaus besteht häufig eine Kopplung zwischen lateraler Auflösung und Tiefenschärfe, so dass die genaue Vermessung von größeren Oberflächen mit derartigen Verfahren eine Herausforderung darstellt.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Messanordnung und einem Verfahren zur Vermessung von Oberflächen, die bzw. das eine berührungslose Vermessung mit hoher absoluter Genauigkeit erlaubt. Insbesondere besteht ein Bedarf an einer Messanordnung und einem Verfahren zur Vermessung von Oberflächen, die bzw. das eine schnelle Vermessung der Oberfläche mit hoher absoluter Genauigkeit erlaubt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Messanordnung und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsformen.
Eine Messanordnung zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Aspekt umfasst eine Erfassungseinrichtung, die eingerichtet ist, um berührungslos erste Daten zu erfassen, die eine zweidimensionale oder dreidimensionale Abbildung eines Bereichs der Oberfläche repräsentieren, und eine Messeinrichtung zum Ermitteln zweiter Daten, die Raumkoordinaten wenigstens eines Punktes der Oberfläche repräsentieren, der in dem Bereich der Oberfläche Hegt. Die Erfassungseinrichtung ist eingerichtet, um die ersten Daten mit einem flächig messenden oder flächig abbildenden Verfahren zu erfassen. Die Messeinrichtung ist eingerichtet, um die zweiten Daten unter Verwendung eines amplituden- oder phasenmodulierten optischen Signals, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, zu ermitteln. Die Messeinrichtung ist eingerichtet, um die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes mittels Multilateration zu ermitteln.
Der Begriff „optisches Signal” wird so verwendet, dass er elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge umfasst, die eine Wellenlänge im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, eine Wellenlänge im IR-Spektralbereich oder eine Wellenlänge im UV-Spektralbereich sein kann. Entsprechend kann die Folge von Lichtpulsen auch eine Wellenlänge im sichtbaren Spektrum, im IR-Spektralbereich oder im UV-Spektralbereich aufweisen.
Unter einem flächig messenden oder flächig abbildenden Verfahren wird dabei eine Mess- oder Abbildungsmethode verstanden, mit der parallel Daten für eine Vielzahl von Punkten der Oberfläche detektiert werden, um die ersten Daten zu erfassen. Beispielsweise kann das flächig messende oder flächig abbildende Verfahren ein Aufnehmen eines Bildes oder mehrerer sequentieller Bilder des Bereichs der Oberfläche mit einem Flächensensor beinhalten.
Unter einer Bestimmung von Raumkoordinaten wird die Ermittlung einer Mehrzahl von Koordinaten, insbesondere von drei Koordinaten, des wenigstens einen Punktes der Oberfläche verstanden.
Da die Messanordnung nach dem Aspekt zusätzlich zu der Erfassungseinrichtung die Messeinrichtung aufweist, mit der die Raumkoordinaten des wenigstens eines Punktes ermittelt werden können, kann die Vermessung der Oberfläche basierend auf den von der Erfassungseinrichtung in einem flächig messenden oder abbildenden Verfahren erfassten ersten Daten und den von der Messeinrichtung ermittelten zweiten Daten durchgeführt werden. Insbesondere kann bei der Messanordnung vorteilhaft eine Messeinrichtung eingesetzt werden, die für eine Messung von Raumkoordinaten mit einer hohen räumlichen Auflösung eingerichtet ist, um die Absolutkoordinaten von Punkten der Oberfläche mit höherer Genauigkeit zu ermitteln.
Die Erfassungseinrichtung kann ein Kamerasystem oder eine andere optische Abbildungseinrichtung umfassen.
Die Messeinrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie mehrere Punkte der Oberfläche sequentiell abtastet, um so die ersten Daten, die Raumkoordinaten der mehreren Punkte repräsentieren, sequentiell zu ermitteln. Die Messeinrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie zu einem gegebenen Zeitpunkt nur Raumkoordinaten genau eines Punktes des Oberfläche ermitteln kann.
Das optische Signal kann eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfassen, und die Messeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Phasenlage einer Signalkomponente der erfassten Intensität des gestreuten und/oder reflektierten Signals auszuwerten, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Die Auswertung der Phasenlage erlaubt eine Bestimmung der von dem gestreuten und/oder reflektierten Signal zurückgelegten optischen Weglänge relativ zu einer Weglänge eines Referenzpfads. Wenn die Signalkomponente, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zur Auswertung der Phasenlage herangezogen wird, kann bei vorgegebener Phasenauflösung eine höhere axiale Auflösung erzielt werden.
Die Messeinrichtung kann eine Mehrzahl von voneinander beabstandet angeordneten Detektoren zum Erfassen der Intensität des an dem Punkt gestreuten und/oder reflektierten Signals umfassen und eingerichtet sein, um eine Phasendifferenz zwischen Signalkomponenten der von verschiedenen Detektoren erfassten Intensitäten zu ermitteln, wobei die Signalkomponenten jeweils mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren. Durch Vorsehen der Mehrzahl von Detektoren, beispielsweise von mindestens drei Detektoren oder mindestens vier Detektoren, die jeweils ein an dem Punkt gestreutes und/oder reflektiertes Signal erfassen, das mit unterschiedlichen Wellenvektoren zu der Mehrzahl von Detektoren propagiert, kann eine Mehrzahl von optischen Weglängen bestimmt werden. Dies erlaubt die Ermittlung der Raumkoordinaten des Punktes der Oberfläche, an dem das Signal gestreut wird, durch Multilateration.
Die Messeinrichtung kann einen optischen Frequenzkamm-Generator zum Erzeugen der Folge von Lichtpulsen umfassen. Der optische Frequenzkamm-Generator kann einen Kurzpulslaser umfassen. Optische Frequenzkämme weisen eine hohe Phasenstabilität und ein ausgeprägtes Oberwellenspektrum im Frequenzraum auf und erlauben, eine Signalkomponente der Intensität, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zur Bestimmung der Phasenlage heranzuziehen.
Die Messeinrichtung kann eine Auswerteschaltung aufweisen, die mit dem Detektor der Messeinrichtung gekoppelt ist und einen Signalverarbeitungspfad für die von dem Detektor erfasste Intensität aufweist. Der Signalverarbeitungspfad kann so eingerichtet sein, dass eine Filterung derart erfolgt, dass die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente ermittelt wird. Der Signalverarbeitungspfad kann derart eingerichtet sein, dass die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente mit einem weiteren oszillierenden Signal gemischt wird. Dadurch kann unter Beibehaltung der Phasenlage der oszillierenden Signalkomponente ein mit einer niedrigeren Frequenz oszillierendes Signal erzeugt werden, um die Ermittlung der Phasendifferenz zu erleichtern.
Die Messeinrichtung ist eingerichtet, um die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes mittels Multilateration zu ermitteln. Die Multilateration kann basierend auf Phasenlagen der mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponenten erfolgen.
Die Erfassungseinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Auftreffposition des von der Messeinrichtung verwendeten optischen Signals auf der Oberfläche zu erfassen. Dies erleichtert eine Absolutkalibrierung der ersten Daten basierend auf den zweiten Daten.
Die Erfassungseinrichtung kann einen Flächensensor umfassen. Der Flächensensor kann schnell auslesbar sein. Der Flächensensor kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass mindestens 10 Millionen, vorteilhaft mindestens 100 Millionen, Bildpunkte pro Sekunde aufgenommen und ausgelesen werden können. Mit dem Flächensensor kann der Bereich der Oberfläche flächig vermessen oder flächig abgebildet werden, und die flächige Vermessung oder Abbildung des Bereichs der Oberfläche, beispielweise durch Aufnehmen einer Sequenz von Abbildungen in einem Streifenprojektionsverfahren, kann in kurzer Zeit erfolgen.
Das von der Messeinrichtung zum Ermitteln der zweiten Daten verwendete optische Signal kann eine Wellenlänge aufweisen, die mit dem Flächensensor erfassbar ist. Die Messeinrichtung kann auch eingerichtet sein, um ein optisches Hilfssignal zu erzeugen, das eine Wellenlänge aufweist, die mit dem Flächensensor erfassbar ist, und um das optische Hilfssignal kollinear zu dem optischen Signal abzustrahlen. Im letzteren Fall kann die Messeinrichtung eine Hilfslichtquelle zum Erzeugen des optische Hilfssignals aufweisen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die zu vermessende Oberfläche derart ausgebildet sein, dass sie das von der Messeinrichtung verwendete optische Signal in ein Signal mit einer anderen Wellenlänge umsetzt, die mit dem Flächensensor erfassbar ist. Dazu kann beispielsweise ein geeignetes Material auf die Oberfläche aufgebracht, z. B. aufgesprüht werden, das die gewünschte Änderung der Wellenlänge des optischen Signals bei Streuung an der Oberfläche hervorruft. Diese Ausgestaltungen erlauben, eine Auftreffposition des von der Messeinrichtung verwendeten optischen Signals auf der Oberfläche mit dem Flächensensor zu erfassen.
Eie Erfassungseinrichtung und wenigstens ein Detektor der Messeinrichtung können mechanisch starr zueinander angeordnet sein. Die Messanordnung kann ein Gehäuse umfassen, in dem wenigstens eine Komponente der Erfassungseinrichtung und wenigstens eine Komponente der Messeinrichtung angeordnet sind. Bei einer Ausgestaltung ist die Erfassungseinrichtung und die Messeinrichtung in dem Gehäuse angeordnet.
Die Messanordnung kann eine mit der Messeinrichtung und der Erfassungseinrichtung gekoppelte Auswerteeinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, um abhängig von den ersten Daten und den zweiten Daten Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten zu ermitteln, die in dem Bereich der Oberfläche liegen. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise als softwaretechnisch geeignet eingerichteter Rechner ausgestaltet sein, der die ersten Daten und die zweiten Daten empfängt, um die Raumkoordinaten der Mehrzahl von Punkten, d. h. eine Punktewolke im Raum, zu ermitteln.
Die Erfassungseinrichtung kann so eingerichtet sein, dass die erfassten ersten Daten eine dreidimensionale Abbildung des Bereichs der Oberfläche repräsentieren. Dazu kann die Erfassungseinrichtung beispielsweise ein Fotogrammetrieverfahren, ein Streifenprojektionsverfahren, ein Deflektometrieverfahren, ein Moiré-Verfahren, ein Speckle-Verfahren oder ein laufzeitbasiertes Verfahren einsetzen. Die ersten Daten können dann Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Stützstellen in dem Bereich der Oberfläche umfassen. Die ersten Daten können mehrere zweidimensionale Abbildungen umfassen, wie sie beispielsweise in einem Streifenprojektionsverfahren aufgenommen werden und die Information über Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Stützstellen in dem Bereich der Oberfläche beinhalten.
Wenn die ersten Daten Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Stützstellen in dem Bereich der Oberfläche umfassen, kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, um eine Absolutkalibrierung der ersten Daten basierend auf den zweiten Daten vorzunehmen. Die von der Messeinrichtung ermittelten zweiten Daten können Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Referenzpunkten repräsentieren, die in dem Bereich der Oberfläche liegen, wobei die Messanordnung derart eingerichtet ist, dass eine Anzahl der Referenzpunkte kleiner ist als eine Anzahl der Stützstellen. Die Messeinrichtung kann eingerichtet sein, um die Raumkoordinaten der Mehrzahl von Referenzpunkten sequentiell zu ermitteln.
Für eine Absolutkalibrierung der ersten Daten basierend auf den zweiten Daten kann die Messeinrichtung eingerichtet sein, um die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes der Oberfläche bzw. der Mehrzahl von Referenzpunkten mit einer höheren Genauigkeit zu ermitteln als die Erfassungseinrichtung. Unter Verwendung der zweiten Daten kann die Auswerteeinrichtung die ersten Daten so kalibrieren, dass eine höhere Genauigkeit der Absolutkoordinaten relativ zu einem vorgegebenen Koordinatensystem erzielt wird.
Die Messanordnung kann so eingerichtet sein, dass das Erfassen der ersten Daten durch die Erfassungseinrichtung und das Ermitteln der zweiten Daten durch die Messeinrichtung gleichzeitig erfolgt.
Die Messanordnung kann eine Steuereinrichtung umfassen, die mit der Erfassungseinrichtung und mit der Messeinrichtung gekoppelt und eingerichtet ist, um die Messeinrichtung abhängig von den ersten Daten zu steuern. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Abstrahlrichtung des optischen Signals der Messeinrichtung abhängig von den ersten Daten zu steuern. Die Messeinrichtung kann eine Strahllenkeinrichtung umfassen, beispielsweise einen verstellbaren Spiegel, dessen Ausrichtung mit der Steuereinrichtung gesteuert wird.
Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um die Messeinrichtung abhängig von den ersten Daten so zu steuern, dass die Messeinrichtung Teilbereiche der Oberfläche dreidimensional vermisst. Dies erlaubt eine Vorauswahl von mit höherer Genauigkeit zu vermessenden Teilbereichen der Oberfläche, die mit der Messeinrichtung dreidimensional vermessen werden sollen.
Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um die Teilbereiche basierend auf den ersten Daten durch automatische Merkmalsextraktion auszuwählen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, um die ersten Daten an einen Benutzer auszugeben und eine benutzerdefinierte Auswahl der mit der Messeinrichtung zu vermessenden Teilbereiche der Oberfläche vorzusehen. Die Steuereinrichtung kann dann eingerichtet sein, um die Messeinrichtung abhängig von einer Auswahl von Teilbereichen durch den Benutzer zu steuern.
Eine Auswahl von zu vermessenden Teilbereichen durch die Steuereinrichtung kann basierend auf einer zweidimensionalen Abbildung des Bereichs der Oberfläche erfolgen. Die Erfassungseinrichtung kann entsprechend derart eingerichtet sein, dass die erfassten ersten Daten eine zweidimensionale Abbildung des Bereichs repräsentieren.
Bei einem Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Aspekt werden erste Daten, die eine zweidimensionale oder dreidimensionale Abbildung eines Bereichs der Oberfläche repräsentieren, mit einem berührungslosen, flächig messenden oder flächig abbildenden Verfahren erfasst. Zweite Daten, die Raumkoordinaten wenigstens eines Punktes, der in dem Bereich der Oberfläche liegt, repräsentieren, werden unter Verwendung eines amplituden- oder phasenmodulierten optischen Signals, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, ermittelt. Die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes werden mittels Multilateration ermittelt. Basierend auf den ersten Daten und den zweiten Daten werden dritte Daten erzeugt, die Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche repräsentieren.
Der Begriff „optisches Signal” wird wiederum so verwendet, dass er elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge umfasst, die eine Wellenlänge im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums, eine Wellenlänge im IR-Spektralbereich oder eine Wellenlänge im UV-Spektralbereich sein kann. Entsprechend kann die Folge von Lichtpulsen auch eine Wellenlänge im sichtbaren Spektrum, im IR-Spektralbereich oder im UV-Spektralbereich aufweisen.
Die ersten Daten können mit einem optischen Verfahren erfasst werden.
Zum Ermitteln der zweiten Daten kann das optische Signal in Richtung des wenigstens einen Punktes abgestrahlt und eine Intensität eines an dem Punkt gestreuten und/oder reflektierten Signals als Funktion der Zeit erfasst werden.
Das optische Signal kann eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfassen. Zum Ermitteln der zweiten Daten kann eine Phasenlage einer Signalkomponente der erfassten Intensität des gestreuten und/oder reflektierten Signals ausgewertet werden, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Dazu kann die erfasste Intensität einer entsprechenden Filterung unterzogen werden.
Zum Ermitteln der zweiten Daten können Intensitäten des an dem Punkt gestreuten und/oder reflektierten Signals mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Detektoren, beispielsweise mindestens drei Detektoren oder mindestens vier Detektoren, als Funktion der Zeit erfasst werden und Phasendifferenzen zwischen Signalkomponenten der an unterschiedlichen Detektorpositionen erfassten Intensitäten ermittelt werden, wobei die Signalkomponenten jeweils mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren. Wie unter Bezugnahme auf die Messanordnung beschrieben, kann durch diese Auswertung bei vorgegebener Phasenauflösung die axiale Messauflösung erhöht werden. Das Erfassen des gestreuten und/oder reflektierten Signals mit der Mehrzahl von voneinander beabstandeten Detektoren erlaubt es, eine ausreichende Anzahl von Weglängenunterschieden für die Bestimmung der Raumkoordinaten durch Multilateration zu ermitteln.
Das optische Signal kann einen optischen Frequenzkamm umfassen. Der optische Frequenzkamm kann eine Wellenlänge aufweisen, die im sichtbaren Spektralbereich, im IR-Spektralbereich oder im UV-Spektralbereich liegt.
Bei Ausführungsformen des Verfahrens können die ersten Daten eine dreidimensionale Abbildung des Bereichs der Oberfläche repräsentieren. Die zweiten Daten können so ermittelt werden, dass sie die Raumkoordinaten eines oder mehrerer Punkte des Bereichs mit höherer Genauigkeit als die ersten Daten angeben. Die dritten Daten, die beispielsweise Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche umfassen können, können erzeugt werden, indem die ersten Daten basierend auf den zweiten Daten kalibriert werden.
Um die Kalibrierung zu erleichtern, kann beim Erfassen der ersten Daten eine Auftreffposition des zur Ermittlung der zweiten Daten verwendeten optischen Signals auf der Oberfläche erfasst werden. Dazu kann eine Wellenlänge des zum Ermitteln der zweiten Daten verwendeten optischen Signals derart gewählt werden, dass sie mit einem zum Erfassen der ersten Daten verwendeten Sensor erfassbar ist, oder es kann ein Hilfssignal kollinear zu dem optischen Signal abgestrahlt wird, wobei eine Wellenlänge des Hilfssignals derart gewählt wird, dass sie mit einem zum Erfassen der ersten Daten vorgesehenen Sensor erfassbar ist.
Die ersten Daten und die zweiten Daten können gleichzeitig erfasst werden. Das gleichzeitige Erfassen der ersten Daten und Ermitteln der zweiten Daten verkürzt die insgesamt erforderliche Messzeit und erlaubt es, bei der Erfassung der ersten Daten Referenzmarken abzubilden. Bei der Erfassung der ersten Daten können Raumkoordinaten für Stützstellen auf der Oberfläche ermittelt werden, die eine Anzahl oder eine Dichte aufweisen, die größer ist als eine Anzahl oder Dichte der Referenzpunkte, für die unter Verwendung des optischen Signals Raumkoordinaten ermittelt werden.
Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können basierend auf den ersten Daten Teilbereiche der Oberfläche ausgewählt werden, die unter Verwendung des optischen Signals, insbesondere der Folge von Lichtpulsen, dreidimensional vermessen werden, um die zweiten Daten zu ermitteln. Die dritten Daten können dann durch Kombination der für verschiedene Teilbereiche ermittelten zweiten Daten erzeugt werden. Die ersten Daten werden zum Auswählen der Teilbereiche der Oberfläche herangezogen, die dreidimensional vermessen werden.
Die Teilbereiche können durch eine automatische Merkmalsextraktion basierend auf den ersten Daten oder durch eine Benutzerauswahl ausgewählt werden.
Das Verfahren kann mit einer Messanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt werden.
Während hier auf die Raumkoordinaten von Punkten, Stützstellen, Referenzpunkten etc. der Oberfläche Bezug genommen wird, die von der Erfassungseinrichtung erfasst oder von der Messeinrichtung ermittelt werden, versteht es sich, dass es sich dabei nicht um nulldimensionale Objekte handeln muss, sondern dass sich diese Begriffe auch auf Abschnitte der Oberfläche mit kleinen lateralen Abmessungen beziehen. Derartige Abschnitte können beispielsweise durch einen Strahldurchmesser des von der Messeinrichtung verwendeten optischen Signals und/oder eine laterale Auflösung der Erfassungseinrichtung definiert sein.
Die Messanordnungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zum Vermessen von Oberflächen eingesetzt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Messanwendungen in der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung nach einem Ausführungsbeispiel.
2 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
3 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
4 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
5A und 5B zeigen beispielhafte Signale, die bei einer Ermittlung von zweiten Daten durch eine Messeinrichtung auftreten.
6 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Auswerteschaltung einer Messeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
1 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung 1 zum Vermessen einer Oberfläche 18 nach einem Ausführungsbeispiel. Die Oberfläche 18 weist schematisch dargestellte Strukturmerkmale 19 auf, die beispielsweise Ausnehmungen, Bohrungen, Langlöcher oder dergleichen sein können. Ein Koordinatensystem für das zu vermessende Objekt ist bei 20 schematisch dargestellt.
Die Messanordnung 1 umfasst eine Messeinrichtung und eine Erfassungseinrichtung. Die Erfassungseinrichtung ist eingerichtet, um einen Bereich der Oberfläche berührungslos flächig abzubilden oder zu vermessen. Die Erfassungseinrichtung stellt erste Daten bereit, die durch eine zwei- oder dreidimensionale Abbildung eines Bereichs der Oberfläche 18 erhalten werden. Die Messeinrichtung ist eingerichtet, um zweite Daten zu ermitteln, die Raumkoordinaten eines Punktes 14 oder mehrerer Referenzpunkte der Oberfläche 18 repräsentieren. Die Messeinrichtung und die Erfassungseinrichtung sind in einem Gehäuse 2 der Messanordnung starr zueinander angeordnet, so dass sich die Messeinrichtung und die Erfassungseinrichtung in einem gemeinsamen Geräte-Koordinatensystem befinden, das beispielsweise durch das Gehäuse 2 definiert wird. Die Orientierung des Gehäuses 2 zu der Oberfläche 18 kann unbekannt sein.
Die Messanordnung 1 umfasst eine Auswerteeinrichtung 10, die über eine am Gehäuse 2 vorgesehene Schnittstelle 9 mit der Messeinrichtung und der Erfassungseinrichtung gekoppelt ist, um die ersten Daten und die zweiten Daten auszuwerten. Die Auswerteeinrichtung ermittelt dritte Daten basierend sowohl auf den ersten Daten als auch basierend auf den zweiten Daten. Die dritten Daten können Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche 18, d. h. eine Punktewolke, beinhalten. Wie noch ausführlicher erläutert wird, kann nach einem Ausführungsbeispiel abhängig von den durch die Messeinrichtung bereitgestellten zweiten Daten eine Kalibrierung der mit der Erfassungseinrichtung erfassten ersten Daten vorgenommen werden, um die Absolutpositionen der die Oberfläche im Raum definierenden Punktewolke, beispielsweise in Bezug auf das durch das Gehäuse 2 definierte Geräte-Koordinatensystem, mit höherer Genauigkeit zu bestimmen. Mit der Auswerteeinrichtung 10 kann eine Benutzerschnittstelle 11 oder sonstige Schnittstelle gekoppelt sein, um die basierend auf den ersten Daten und den zweiten Daten ermittelten Raumkoordinaten der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche auszugeben.
Die Messeinrichtung der Messanordnung 1 weist eine Lichtquelle 3 zum Erzeugen eines amplituden- oder phasenmodulierten optischen Signals 13, eine Strahlablenkeinrichtung 4, über die das optische Signal 13 in einer einstellbaren Richtung auf die Oberfläche 18 gelenkt wird, eine Mehrzahl von Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d zum Erfassen von Intensitäten des an einem Punkt 14 der Oberfläche gestreuten und/oder reflektierten optischen Signals 13 und eine Auswerteschaltung 6, die mit dem Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d gekoppelt ist, zum Auswerten der als Funktion der Zeit erfassten Intensitäten auf. Die Lichtquelle 3 ist so eingerichtet, dass das optische Signal 13 in einem kollimierten oder fokussierten Strahl mit geringem Strahldurchmesser abgestrahlt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Messeinrichtung optische Komponenten umfassen, um das von der Lichtquelle 3 erzeugte optische Signal 13 zu kollimieren oder zu fokussieren, so dass das optische Signal 13 auf der zu vermessenden Oberfläche 18 einen Abschnitt mit kleinen lateralen Abmessungen ausleuchtet. Die Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d sind voneinander beabstandet und in vorgegebenen Positionen zueinander angebracht, beispielsweise an einer Seitenfläche des Gehäuses 2. Die Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d erfassen Streulicht von dem Punkt 14, auf den das optische Signal 13 eingestrahlt wird. Das zu unterschiedlichen Detektoren propagierende Streulicht weist unterschiedliche Wellenvektoren auf. Das zu den Detektoren 5c und 5d propagierende Streulicht ist schematisch bei 15c, 15d dargestellt.
Die Messeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Folge kurzer Lichtpulse mit einer Repetitionsrate als optisches Signal 13 auszugeben und um die Raumkoordinaten des Punktes 14 der Oberfläche 18 basierend auf Signalkomponenten der von den Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d erfassten Intensitäten zu ermitteln, deren Frequenz einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Die Auswerteschaltung 6 kann eingerichtet sein, um Phasendifferenzen zwischen den Signalkomponenten der von den Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d erfassten Intensitäten, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren, zu ermitteln und als von Messeinrichtung ermittelte erste Daten bereitzustellen. Aus den Phasendifferenzen werden durch Multilateration, beispielsweise von der Auswerteeinrichtung 10, die Raumkoordinaten des Punktes 14 ermittelt.
Die Messeinrichtung kann beispielsweise die in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 045 387 , „Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche” beschriebene Ausgestaltung aufweisen. Eine Ausgestaltung und Funktionsweise der Messeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf 5 und 6 ausführlicher beschrieben.
Die Erfassungseinrichtung weist ein Kamerasystem 8 mit einem Flächensensor, beispielsweise einen CCD-Sensor, auf. Die Erfassungseinrichtung weist weiterhin einen Projektionseinrichtung 7 auf, mit der räumlich und/oder zeitlich strukturierte Lichtmuster abgestrahlt werden können. Beispielhaft ist ein von der Projektionseinrichtung 7 auf die Oberfläche 18 projiziertes Streifenmuster 17 dargestellt. Mit dem Kamerasystem 8 wird eine Abbildung oder eine Folge von Abbildungen eines Bereichs der Oberfläche 18 aufgenommen. Beispielsweise kann das Kamerasystem 8 zeitsequentiell mehrere Abbildungen des Bereichs des Oberfläche 18 aufnehmen, die verschiedenen Lagen des projizierten Streifenmusters 17 entsprechen, um eine dreidimensionale Vermessung der Oberfläche durchzuführen, wie beispielsweise in der DE 41 42 564 A1 oder der DE 40 07 502 A1 beschrieben. Zur Erzielung einer höheren Genauigkeit kann beispielsweise ein Phasenschiebungsverfahren eingesetzt werden. Die Folge von mit dem Kamerasystem 8 erfassten Abbildungen des Bereichs der Oberfläche entspricht den mit der Erfassungseinrichtung erfassten ersten Daten, die Informationen über die Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Stützstellen beinhalten.
Der Flächensensor des Kamerasystems 8 ist eingerichtet, um den Auftreffpunkt 14 des optischen Signals 13 der Messeinrichtung auf der Oberfläche 18 zu erfassen. Auf diese Weise ist der Auftreffpunkt 14 des optischen Signals auf der Oberfläche 18, dessen Raumkoordinaten von der Messeinrichtung bestimmt werden, in den von der Erfassungseinrichtung erfassten ersten Daten identifizierbar. Um eine Detektion des Auftreffpunktes 14 durch den Flächensensor des Kamerasystems 8 zu ermöglichen, kann die Wellenlänge des von der Lichtquelle 3 erzeugten optischen Signals 13 so gewählt werden, dass sie mit dem Flächensensor des Kamerasystems 8 erfassbar ist. Alternativ kann der Flächensensor des Kamerasystems 8 abhängig von der Wellenlänge des von der Lichtquelle 3 erzeugten optischen Signals 13 so ausgewählt werden, dass er die Wellenlänge erfasst. Beispielsweise kann das Kamerasystem 8 einen Black Silicon-Sensor oder ein InGaAs-Sensor umfassen, der eine von der Lichtquelle 3 abgegebene Wellenlänge von 1,55 μm erfassen kann. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auf die Oberfläche ein Material aufgebracht, z. B. aufgesprüht werden, das die Wellenlänge des von der Lichtquelle 3 erzeugten optischen Signals 13 in eine andere Wellenlänge umsetzt, die im Detektionsbereich des Flächensensors liegt.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Projektionsvorrichtung 7 der Erfassungseinrichtung Licht mit derselben Wellenlänge ausgeben wie die Lichtquelle 3 der Messeinrichtung, wobei der Detektionsbereich des Flächensensors des Kamerasystems 8 diese Wellenlänge umfasst.
Die Messeinrichtung kann geeignet ausgestaltet sein, um die Raumkoordinaten des Punktes 14 der Oberfläche 18 mit höherer Genauigkeit zu ermitteln, als dies durch die flächige Erfassung oder Messung mit der Erfassungseinrichtung möglich ist. Die von der Messeinrichtung ermittelten Daten, die die Raumkoordinaten des Punktes 14 repräsentieren, und die von der Erfassungseinrichtung erfassten Daten, die eine flächig aufgenommene Abbildung des Bereichs der Oberfläche 18 umfassen, werden über die Schnittstelle 9 der Auswerteeinrichtung 10 zugeführt.
Die Auswerteeinrichtung 10 kann beispielsweise ein Personal Computer oder eine andere elektronische Recheneinrichtung sein, die softwaretechnisch geeignet eingerichtet ist, um eine Kalibrierung der mit der Erfassungseinrichtung erfassten ersten Daten abhängig von den mit der Messeinrichtung ermittelten zweiten Daten durchzuführen. Die Auswerteeinrichtung 10 kann gegebenenfalls auch eine Weiterverarbeitung der ersten und zweiten Daten durchführen. Falls beispielsweise die Auswerteschaltung 6 der Messeinrichtung über die Schnittstelle 9 die zweiten Daten in der Form von mehreren Phasendifferenzen oder Laufzeitunterschieden zwischen Signalen, die von den Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d erfasst werden, bereitstellt, kann die Auswerteeinrichtung 10 durch Multilateration daraus die Raumkoordinaten des Punktes 14 der Oberfläche berechnen. Entsprechend kann die Auswerteeinrichtung 10 auch für eine Bildverarbeitung der von der Erfassungseinrichtung erfassten ersten Daten eingerichtet sein, wie sie beispielsweise in der DE 41 42 564 A1 oder der DE 40 07 502 A1 beschrieben ist, um aus einer Folge zweidimensionaler Abbildungen Tiefeninformation zu gewinnen.
Durch Kalibrierung der ersten Daten, die von der Erfassungseinrichtung bereitgestellt werden, basierend auf den zweiten Daten, die von der Messeinrichtung bereitgestellt werden, erzeugt die Auswerteeinrichtung 10 kalibrierte Daten, die Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche 18 repräsentieren, beispielsweise in Form einer Punktewolke.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden mit der Messeinrichtung zeitsequentiell zweite Daten bestimmt, die die Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten des Bereichs der Oberfläche repräsentieren. Dazu wird mit einer Steuereinrichtung 12 die Strahlabklenkeinrichtung 4 so gesteuert, dass das optische Signal 13 sequentiell auf unterschiedliche Punkte der Oberfläche 18 auftrifft, die als Referenzpunkte für die Absolutkalibrierung der flächig aufgenommenen Abbildung dienen. Durch die Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d und die Auswerteschaltung 6 werden zeitsequentiell Daten ermittelt, die die Raumkoordinaten der Mehrzahl von Punkten des Bereichs der Oberfläche repräsentieren. Diese sequentiell abgetasteten Punkte dienen als Referenzpunkte oder Referenzmarken für die Rekalibrierung der Daten, die durch Vermessung des Bereichs der Oberfläche mit der Erfassungseinrichtung erfasst werden. Die Steuereinrichtung 12 kann als ein softwaretechnisch geeignet eingerichteter Personal Computer oder eine andere Recheneinrichtung ausgebildet sein. Die Auswerteeinrichtung 10 und die Steuereinrichtung 12 können integriert ausgebildet sein, beispielsweise als softwaretechnisch geeignet eingerichtete elektronische Recheneinrichtung.
Gleichzeitig mit der Ermittlung der Raumkoordinaten der Mehrzahl von Referenzpunkten wird der Bereich der Oberfläche mit der Erfassungseinrichtung dreidimensional vermessen. Der jeweilige Auftreffpunkt des optischen Signals 13, d. h. der Referenzpunkt, dessen Raumkoordinaten gerade von der Messeinrichtung ermittelt werden, wird ebenfalls von der Erfassungseinrichtung erfasst, so dass die Raumkoordinaten der Referenzpunkte als Referenzmarken in den mit der Erfassungseinrichtung erfassten ersten Daten ermittelbar sind.
Um eine Kalibrierung der mit der Erfassungseinrichtung erfolgten Vermessung des Bereichs der Oberfläche basierend auf den mit der Messeinrichtung ermittelten Raumkoordinaten durchzuführen, kann die Auswerteeinrichtung 10 die aus den ersten Daten der Erfassungseinrichtung bestimmten Raumkoordinaten der Referenzpunkte mit den aus den zweiten Daten der Messeinrichtung bestimmten Raumkoordinaten der Referenzpunkte vergleichen. Die Auswerteeinrichtung 10 kann beispielsweise ein Korrekturvektorfeld durch Interpolation zwischen den für die Referenzpunkte ermittelten Abweichungen zwischen den aus den ersten Daten der Erfassungseinrichtung bestimmten Raumkoordinaten der Referenzpunkte und den aus den zweiten Daten der Messeinrichtung bestimmten Raumkoordinaten der Referenzpunkte berechnen, um eine Absolutkalibrierung der Daten vorzunehmen, die von der Erfassungseinrichtung bereitgestellt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinrichtung 10 die Raumkoordinaten, die durch Vermessen des Bereichs mit der Erfassungseinrichtung gewonnen werden, so kalibrieren, dass für die Referenzpunkte die rekalibrieten Daten die Raumkoordinaten aufweisen, die den mit der Messeinrichtung ermittelten Werten entsprechen.
Die Messanordnung 1 kann so eingerichtet sein, dass mit der Messeinrichtung zeitsequentiell Raumkoordinaten von Referenzpunkten ermittelt, deren Flächendichte auf der Oberfläche 18 kleiner ist als eine Dichte der Stützstellen, für die mit der flächig messenden Erfassungseinrichtung Raumkoordinaten ermittelt werden. Beispielsweise kann die Messanordnung 1 so eingerichtet sein, dass die Messeinrichtung zeitsequentiell Raumkoordinaten der Mehrzahl von Referenzpunkten erfasst, wobei die Anzahl der Referenzpunkte viel kleiner ist als eine Anzahl von Bildpunkten in dem mit dem Flächensensor der Erfassungseinrichtung erfassten Bild.
Die Messeinrichtung der Messanordnung 1 ist so eingerichtet, dass sie die Raumkoordinaten der Referenzpunkte mit einer Genauigkeit ermittelt, die höher als die Genauigkeit ist, die aus den von der Erfassungseinrichtung erfassten zweiten Daten erzielbar ist. Die Kombination der Messeinrichtung und der Erfassungseinrichtung in der Messanordnung 1 erlaubt eine schnelle Vermessung mit hoher lateraler Auflösung durch die Erfassungseinrichtung, wobei die Absolutgenauigkeit der Oberflächenvermessung durch die Kalibrierung basierend auf den von der Messeinrichtung bereitgestellten Daten erhöht wird.
2 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel, das mit der in 1 dargestellten Messanordnung durchgeführt werden kann. Das Verfahren ist mit 31 bezeichnet.
Bei 32 wird ein Bereich der Oberfläche dreidimensional vermessen. Zur dreidimensionalen Vermessung kann eine Folge zweidimensionaler Abbildungen mit einem flächig abbildenden Verfahren erfasst werden, oder der Bereich kann unter Einsatz eines anderen flächig messenden Verfahrens dreidimensional vermessen werden. Bei der Messanordnung 1 von 1 kann die Erfassungseinrichtung zur dreidimensionalen Vermessung der Oberfläche mit dem Flächensensor des Kamerasystems 8 sequentiell mehrere Abbildungen der Bereichs der Oberfläche aufnehmen.
Bei 33 werden Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Referenzpunkten, die in dem bei 32 erfassten Bereich liegen, unter Verwendung eines amplituden- oder phasenmodulierten optischen Signals, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, ermittelt. Die Ermittlung der Raumkoordinaten der Referenzpunkte bei 33 erfolgt mit einer Genauigkeit, die höher ist als die Genauigkeit bei der Bestimmung von Raumkoordinaten eines Punktes, die mit der Vermessung bei 32 erzielt wird. Die Ermittlung der Raumkoordinaten der Referenzpunkte bei 33 erfolgt gleichzeitig mit der Vermessung bei 32. Das Ermitteln der Raumkoordinaten kann unter Verwendung der Messeinrichtung der Messanordnung 1 erfolgen. Dazu kann zeitsequentiell das optische Signal 13 auf einen der Referenzpunkte eingestrahlt, das an dem Referenzpunkt gestreute Signal von den Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d erfasst und die Ausgangssignale der Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d von der Auswerteschaltung 6 ausgewertet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Auswerteschaltung 6 Daten ermitteln, die proportional zu den Weglängenunterschieden der von den Detektoren 5a, 5b, 5c erfassten gestreuten Signale zu dem von dem Detektor 5d erfassten gestreuten Signal sind. Die bei 32 ermittelten Daten können Phasendifferenzen zwischen Signalkomponenten der von den Detektoren erfassten Signale sein, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren.
Bei 34 werden die Referenzpunkte in der bei 32 erfassten Abbildung bzw. den bei 32 erfassten Abbildungen identifiziert. Die Identifizierung der Referenzpunkte kann basierend auf einer Lichtintensität und/oder Wellenlänge für unterschiedliche Bildpunkte der bei 32 erfassten Abbildung erfolgen. Bei der Messanordnung 1 von 1 kann die Identifizierung der Referenzpunkte in den von der Erfassungseinrichtung erfassten Daten durch die Auswerteeinrichtung 10 erfolgen. Die Auswerteeinrichtung 10 kann auch die Raumkoordinaten der Referenzpunkte anhand der bei 32 erfassten Abbildung ermitteln. Falls zur räumlichen Vermessung bei 32 eine Folge zweidimensionaler Abbildungen erfasst wird, kann jeder der Referenzpunkte auch nur in einer oder einem Teil der zweidimensionalen Abbildungen identifizierbar sein. Beispielsweise können die zweidimensionalen Abbildungen, die zur räumlichen Vermessung des Bereichs der Oberfläche aufgenommen werden, zeitsequentiell erfasst werden, während die Messeinrichtung das optische Signal 13 zeitsequentiell auf unterschiedliche Referenzpunkte auf der Oberfläche einstrahlt.
Bei 35 werden die Raumkoordinaten der Referenzpunkte, die aus der bei 32 erfassten Abbildung ermittelt werden, mit den Raumkoordinaten der Referenzpunkte, die bei 33 ermittelt werden, verglichen. Das Vergleichen bei 35 kann ein Bestimmen von Differenzvektoren zwischen den Raumkoordinaten, die aus der bei 32 erfassten Abbildung ermittelt werden, und den Raumkoordinaten, die bei 33 ermittelt werden, für die Mehrzahl von Referenzpunkten beinhalten. Bei der Messanordnung 1 von 1 kann die Auswerteeinrichtung 10 das Vergleichen der Raumkoordinaten bei 35 durchführen.
Bei 36 werden die bei 32 durch ein flächig messendes oder flächig abbildendes Verfahren gewonnenen Daten basierend auf dem Vergleich bei 35 kalibriert, um eine Absolutgenauigkeit der bei 32 erfassten Raumkoordinaten zu erhöhen. Das Kalibrieref bei 36 kann derart erfolgen, dass für jeden der Referenzpunkte die bei 36 ermittelten rekalibrierten Daten die Raumkoordinaten aufweisen, die mit den bei 33 ermittelten Raumkoordinaten übereinstimmen. Die Anzahl von Stützstellen, für die mit dem flächigen Messverfahren bei 32 Raumkoordinaten ermittelt werden, ist typischerweise größer, insbesondere viel größer, als die Anzahl von Referenzpunkten. In diesem Fall kann das Kalibrieren bei 36 eine Interpolation zwischen den für verschiedene Referenzpunkte bei 35 ermittelten Differenzvektoren beinhalten. Mit der Absolutkalibrierung bei 36 können aus den Daten, die bei 32 und 33 erfasst werden, Daten erzeugt werden, die eine Punktewolke der Oberfläche im Raum repräsentieren. Bei der Messanordnung 1 von 1 kann die Auswerteeinrichtung 10 die Absolutkalibrierung bei 36 durchführen.
3 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung 41 zum Vermessen einer Oberfläche 18 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Messanordnung 41, die in ihrer Ausgestaltung und Funktion Elementen oder Einrichtungen der Messanordnung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen und unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Bei der Messanordnung 41 ist der Flächensensor der Erfassungseinrichtung nicht notwendig derart eingerichtet, dass er die Wellenlänge des optischen Signals 13 auf der Oberfläche 18 erfassen kann.
Um eine Identifizierung des Punktes 14, an dem das von der Messeinrichtung verwendete optische Signal 13 auf die Oberfläche 18 auftrifft, in den von der Erfassungseinrichtung erfassten Daten zu ermöglichen, weist die Messanordnung 41 eine Hilfslichtquelle 42 auf. Die Hilfslichtquelle 42 ist eingerichtet, um ein optisches Hilfssignal 43 auszugeben, dessen Wellenlänge mit dem Flächensensor des Kamerasystems 8 erfassbar ist.
Die Messanordnung ist so eingerichtet, dass das von der Hilfslichtquelle 42 ausgegebene optische Hilfssignal 43 an demselben Punkt 14 auf die Oberfläche 18 trifft wie das von der Lichtquelle 3 der Messeinrichtung erzeugte optische Signal 13. Dazu kann das von der Hilfslichtquelle 42 erzeugte optische Hilfssignal 43 über geeignete optische Komponenten, beispielsweise Umlenkspiegel 44 und Strahlteiler 45, in den Strahlengang des von der Lichtquelle 3 erzeugten optischen Signals 13 eingekoppelt werden. Die Einkopplung erfolgt derart, dass das optische Hilfssignal 43 von der Strahlablenkeinrichtung 4 zusammen mit dem optischen Signal 13 abgelenkt wird.
Wie für die Messanordnung 1 beschrieben, werden bei der Messanordnung 41 mit der Messeinrichtung Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Referenzpunkten ermittelt, während die Erfassungseinrichtung 7, 8 gleichzeitig einen Bereich der Oberfläche 18 dreidimensional vermisst. Die Auswerteeinrichtung 10 führt eine Absolutkalibrierung der mit der Erfassungseinrichtung erfassten Abbildung abhängig von den mit der Messeinrichtung erfassten Raumkoordinaten der Referenzpunkte durch, wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben wurde.
4 ist eine schematische Darstellung einer Messanordnung 51 zum Vermessen einer Oberfläche 18 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Messanordnung 51 weist eine Messeinrichtung mit einer Lichtquelle 3, einer Strahlablenkeinrichtung 4, einer Mehrzahl von Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d und einer Auswerteschaltung 6 auf. Die Messeinrichtung kann die unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Ausgestaltung aufweisen. Die Messanordnung 51 weist weiterhin ein Kamerasystem 58 auf, das eingerichtet ist, um eine zweidimensionale Abbildung eines Bereichs der Oberfläche zu erfassen. Das Kamerasystem 58 kann einen Flächensensor aufweisen. Das Kamerasystem 58 und die Messeinrichtung können in einem Gehäuse 2 mechanisch starr zueinander angeordnet sein.
Die Messanordnung 51 weist eine Steuereinrichtung 52 auf, mit der über eine Schnittstelle 9 die Strahlablenkeinrichtung 4 der Messeinrichtung angesteuert wird, um mit einem von der Lichtquelle der Messeinrichtung erzeugten optischen Signal sequentiell verschiedene Punkte der Oberfläche 18 abzutasten. Die Steuereinrichtung 52 kann als softwaretechnisch geeignet eingerichteter Personal Computer oder eine andere softwaretechnisch eingerichtete elektronische Recheneinrichtung ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung 52 ist derart ausgebildet, dass die Ansteuerung der Strahlablenkeinrichtung 4 abhängig von der mit dem Kamerasystem 58 erfassten Abbildung des Bereichs der Oberfläche 18 erfolgt. Dazu stellt das Kamerasystem 58 Daten, die die zweidimensionale Abbildung des Bereichs der Oberfläche repräsentieren, über die Schnittstelle 9 an die Steuereinrichtung 52 bereit.
Die Steuereinrichtung 52 kann durch automatische Merkmalsextraktion, die softwaregestützt erfolgen kann, mit der Messeinrichtung zu vermessende Bereiche („ROI”, Region Of Interest) in der zweidimensionalen Abbildung des Bereichs der Oberfläche ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung 52 die mit dem Kamerasystem 58 erfasste zweidimensionale Abbildung über eine Benutzerschnittstelle 53 ausgeben, um eine benutzerdefinierte Auswahl der mit der Messeinrichtung zu vermessenden Bereiche zu ermöglichen.
Die ROIs können derart ausgewählt werden, dass sie Strukturmerkmale der Oberfläche beinhalten. Strukturmerkmale 19, 19' und 19'', beispielsweise Ausnehmungen, Bohrungen, Langlöcher oder dergleichen, sind in 4 schematisch dargestellt. Die ROI 54 beinhaltet das Strukturmerkmal 19.
Die Steuereinrichtung 52 ist eingerichtet, um abhängig von der identifizierten ROI die Strahlablenkeinrichtung 4 so anzusteuern, dass das optische Signal 13 über die ROI gescannt wird. Die Messeinrichtung ermittelt dabei zeitsequentiell Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten in der entsprechenden ROI und vermisst so die ROI dreidimensional. Die Auswerteschaltung 6 stellt Daten, die Raumkoordinaten von Punkten in der gerade vermessenen ROI repräsentieren, über die Schnittstelle 9 an eine Auswerteeinrichtung 54 bereit. Die Auswerteeinrichtung 54 kann als softwaretechnisch geeignet eingerichteter Personal Computer oder eine andere softwaretechnisch eingerichtete elektronische Recheneinrichtung ausgebildet sein. Die Auswerteeinrichtung 54 ist eingerichtet, um die von der Auswerteschaltung 6 bereitgestellten Daten weiter zu verarbeiten, um abhängig davon eine Punktewolke zu berechnen, die Raumkoordinaten von Punkten der Oberfläche 18 in der ROI 54 entspricht.
Die Vermessung von ROIs der Oberfläche, die dreidimensional vermessen werden sollen, kann für mehrere Bereiche wie oben beschrieben sequentiell durchgeführt werden. Aus den für die verschiedenen ROIs von der Messeinrichtung ermittelten Daten kann die Auswerteeinrichtung 54 eine Punktewolke berechnen, die Raumkoordinaten von Punkten der Oberfläche 18 in allen mit der Messeinrichtung vermessenen ROIs beinhalten.
Die Auswahl von mit der Messeinrichtung zu vermessenden Bereichen basierend auf der mit dem Kamerasystem 58 erfassten Abbildung des Bereichs der Oberfläche 18 bei der Messanordnung 51 erlaubt eine Verkürzung der zur dreidimensionalen Vermessung benötigten Zeit, da selektiv nur bestimmte Bereiche der Oberfläche 18 mit der Messeinrichtung dreidimensional vermessen werden.
Die Messanordnungen und Verfahren nach den verschiedenen Ausführungsbeispielen erlauben es, durch Kombination der Daten, die mit einem flächig messenden oder flächig abbildenden Verfahren gewonnen werden, mit Daten, die durch die Bestimmung von Raumkoordinaten unter Verwendung eines amplituden- oder phasenmodulierten optischen Signals, insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, gewonnen werden, eine Oberfläche zu vermessen. Dabei werden die Geschwindigkeit und laterale Auflösung des flächig messenden oder flächig abbildenden Verfahrens kombiniert mit der Genauigkeit bei der Bestimmung von Raumkoordinaten, die durch die Messeinrichtung ermittelt werden.
Eine Ausgestaltung der Messeinrichtung, bei der als optisches Signal ein optischer Frequenzkamm eingesetzt wird, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben. Die Messeinrichtung der Messanordnungen 1, 41 und 51 kann die nachfolgend beschriebene Ausgestaltung und Funktionsweise aufweisen.
Die Lichtquelle 3 der Messeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Folge kurzer Lichtpulse mit einer Repetitionsrate f0 zu erzeugen. Insbesondere kann die Lichtquelle 3 einen optischen Frequenzkamm erzeugen. 5A zeigt beispielhaft eine derartige Folge kurzer Lichtpulse 61, wobei die Ausgangsleistung P der Lichtquelle 3 als Funktion der Zeit t dargestellt ist. Die Dauer jedes Lichtpulses kann im Vergleich zu dem Zeitabstand T0 = 1/f0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen sehr klein sein, beispielsweise von der Größenordnung 1·10^–5. Die Intensität des optischen Signals 61 weist eine Anzahl von um f0 beabstandete Spektrallinien auf, die sich bis zu großen ganzzahligen Vielfachen von f0 erstrecken. Mit der Messeinrichtung können Phasenlagen von Signalkomponenten ermittelt werden, die mit einem ganzzahligen Vielfachen n·f0 der Repetitionsrate f0, insbesondere einem großen ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate f0 mit n » 1, oszillieren. Die Dauer jedes Lichtpulses und der Zeitabstand T0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen wird so gewählt, dass die Intensität der von der Lichtquelle 3 ausgegebene Folge von Lichtpulsen 61 ein ausreichendes spektrales Gewicht bei der Frequenz n·f0 aufweist. Auch wenn in 5A beispielhaft eine Folge von Rechteckspulsen dargestellt ist, können ebenso andere geeignete Pulsformen gewählt werden, beispielsweise das Quadrat eines hyperbolischen Secans oder eine Gaussfunktion.
Eine Folge von Lichtpulsen, wie sie schematisch bei 61 in 5A dargestellt ist, kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z. B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungsgeschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle 3 verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle 3 verwendet werden. Beispielhafte Pulsdauern der Lichtquelle 3 liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert).
5A zeigt eine von einem der Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d der Messeinrichtung erfasste Intensität 62 als Funktion der Zeit. Die von dem an dem Punkt 14 der Oberfläche 18 gestreuten optischen Signal zurückgelegte Weglänge ist als Laufzeit τ bei 63 dargestellt. Aufgrund der unterschiedlichen Weglängen zwischen dem Punkt 14, an dem das optische Signal auf die Oberfläche 18 auftrifft, und den Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d sind die Laufzeiten für die unterschiedlichen Detektoren im Allgemeinen unterschiedlich. Die Differenzen zwischen Laufzeiten des Signals zu einem der Detektoren, beispielsweise dem Detektor 5d, der als Referenzdetektor dient, und den anderen Detektoren 5a, 5b, 5c sind proportional zu der Differenz der Weglänge zwischen dem Punkt 14 auf der Oberfläche 18 und dem Detektor 5d und der Weglänge zwischen dem Punkt 14 auf der Oberfläche 18 und dem jeweiligen anderen Detektor 5a, 5b, 5c. Da die Relativpositionen der Detektoren bekannt sind, kann aus den Weglängendifferenzen in herkömmlicher Weise durch Multilateration die Position des Punktes 14 auf der Oberfläche ermittelt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Messeinrichtung derart eingerichtet, dass die Weglängenunterschiede durch eine Bestimmung einer Phasenlage einer Signalkomponente der von den Detektoren als Funktion der Zeit erfassten Intensitäten ermittelt werden, wobei die Signalkomponente mit dem Vielfachen n·f0 der Repetitionsrate f0, mit n > 1 und vorteilhaft n » 1, oszillieren.
5B zeigt schematisch derartige Signalkomponenten 65 und 66, die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren. Dabei ist bei 65 die entsprechende Signalkomponente der von einem der Detektoren, beispielsweise dem Detektor 5d, als Funktion der Zeit erfassten Intensität und bei 66 die entsprechende Signalkomponente der von einem anderen der Detektoren, beispielsweise einem der Detektoren 5a, 5b, 5c, erfassten Intensität dargestellt. Die unterschiedlichen Laufzeiten von dem Punkt 14 an der Oberfläche zu den Detektoren führen zu einer Phasenverschiebung Δφ_n = 2·π n·f0·Δτ = 2·π·n·f0·(Δd/c) zwischen den Signalkomponenten, die bei 67 dargestellt ist. Dabei bezeichnet Δτ den Laufzeitunterschied, Δd die Weglängendifferenz und c die Lichtgeschwindigkeit. Eine Abschätzung der Weglängendifferenz Δd bis auf eine Genauigkeit von c/(n·f0) kann beispielsweise anhand der von der Erfassungseinrichtung erfassten Daten oder aus der jeweiligen Messgeometrie ermittelt werden, so dass die Phasendifferenz Δφ_n in einem Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2·π ermittelt werden kann, um einen verfeinerten Wert für die Weglängendifferenz Δd zu bestimmen.
Zur Veranschaulichung wird angenommen, dass die Phasenauflösung 2·π/1000 beträgt und f0 = 100 MHz. Dann beträgt die axiale Auflösung 3 mm/n und nimmt mit zunehmender Frequenz der Signalkomponente, n ab. Für n = 700, wird beispielsweise eine axiale Auflösung von ungefähr 4,1 μm erreicht. Somit kann die axiale Auflösung vergrößert werden, indem die Phasendifferenz auf der Basis einer Signalkomponente des Lichtsignals 13 ermittelt wird, die einer hochfrequenten Oberwelle der Folge von Lichtpulsen entspricht, d. h. deren Frequenz die Repetitionsrate multipliziert mit einem Faktor n » 1 ist. Die Signalkomponente, auf deren Basis die Phasendifferenz bestimmt wird, wird so gewählt, dass sie eine möglichst hohe Frequenz aufweist, bei der die Folge von Lichtpulsen noch ein ausreichendes spektrales Gewicht hat und die eine Signalverarbeitung durch die als Hochfrequenzschaltung ausgestaltete Auswerteschaltung 6 erlaubt.
Die Auswerteschaltung 6 kann eingerichtet sein, um eine Filterung der von den Detektoren 5a, 5b, 5c, 5d erfassten Intensitäten vorzunehmen, um die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente zu bestimmen. Die Auswerteschaltung 6 kann insbesondere eingerichtet sein, um die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente der mit einem der Detektoren 5a, 5b, 5c erfassten Intensität unter Beibehaltung ihrer Phasenlage abwärts zu mischen. Dazu kann die Auswerteschaltung 6 einen Mischer aufweisen, der eingangsseitig die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente und eine mit einem anderen Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente der mit einem der anderen Detektoren erfassten Intensität empfängt.
6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Detektoranordnung und Auswerteschaltung. Die Auswerteschaltung 6 der Messanordnungen 1, 41 und 51 können wie unter Bezugnahme auf 6 erläutert ausgebildet sein. Auch wenn unter Bezugnahme auf 6 nur die Verarbeitung der von zwei Detektoren 71, 72 erfassten Signale erläutert wird, wobei beispielsweise der Detektor 71 einem der Detektoren 5a, 5b, 5c der Messeinrichtung und der Detektor 72 dem Detektor 5d der Messeinrichtung entsprechen kann, kann eine entsprechende Signalverarbeitung für jeden der Detektoren 5a, 5b, 5c vorgesehen sein. Insbesondere kann die Auswerteschaltung 6 eingerichtet sein, um die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente von Ausgangssignalen jedes der Detektoren 5a, 5b, 5c abwärts zu mischen, um die Phasenlage bzw. Phasendifferenz dieser Signalkomponente zu einer entsprechenden Signalkomponente der von dem Detektor 5d erfassten Intensität zu bestimmen.
Die Auswerteschaltung 6 umfasst einen Signalverarbeitungspfad für ein von dem Fotodetektor 71 ausgegebenes elektrisches Signal, das eine von dem Fotodetektor 71 erfasste Intensität des auf ihn einfallenden, an der Oberfläche gestreuten optischen Signals 81 repräsentiert. Der Signalverarbeitungspfad weist einen eingangsseitigen Verstärker 73 und ein Bandpassfilter 74 auf. Das Bandpassfilter 74 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich das Vielfache der Repetitionsrate n·f0 beinhaltet, mit dem die Signalkomponente des von dem Fotodetektor 71 erfassten Signals oszilliert, die zur Ermittlung der Weglängendifferenz ausgewertet wird.
Die Auswerteschaltung 6 umfasst weiterhin einen Signalverarbeitungspfad für ein von dem Fotodetektor 72 ausgegebenes elektrisches Signal, das eine von dem Fotodetektor 72 erfasste Intensität des auf ihn einfallenden, an der Oberfläche gestreuten optischen Signals 82 repräsentiert. Der Signalverarbeitungspfad weist einen eingangsseitigen Verstärker 76 auf. Ein Ausgangssignal des Verstärkers 76 wird einem ersten Bandpassfilter 77 und einem zweiten Bandpassfilter 78 zugeführt. Das Bandpassfilter 77 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich das Vielfache (n – k)·f0 der Repetitionsrate oder das Vielfache (n + k)·f0 der Repetitionsrate beinhaltet, wobei k eine ganze Zahl und 0 < k < n ist. Das Filter 78 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich das Vielfache k·f0 der Repetitionsrate beinhaltet. Das Filter 78 kann einen Durchlassbereich aufweisen, dessen Breite kleiner als die Repetitionsrate f0 ist. Bei den genannten Durchlassbereichen kann insbesondere k = 1 gewählt werden.
Ein Ausgangssignal 84 des Bandpassfilters 74 und ein Ausgangssignal 87 des Bandpassfilters 77 werden Eingängen eines Mischers 75 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Mischers 75 wird mit einem Filter 79, dessen Durchlassbereich das Vielfache k·f0 der Repetitionsrate beinhaltet, gefiltert. Die Bandpassfiltern 74, 77 und das Filter 79 sind so eingerichtet, dass ein Ausgangssignal des Filters 79 der mit der Differenzfrequenz k·f0 oszillierenden Signalkomponente des von dem Mischer 75 ausgegebenen Mischprodukts aus der mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Signalkomponente des von dem Detektor 71 erfassten Signals und der mit der Frequenz (n – k)·f0 oder (n + k)·f0 oszillierenden Signalkomponente des von dem Detektor 72 erfassten Signals ist. Dazu kann beispielsweise jedes der Filter 74, 77 und 79 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist. Während in 6 die Bandpassfilter 74, 77 aus Gründen der Übersichtlichkeit als separate Komponenten dargestellt sind, kann die entsprechende Filterung auch durch die Filtercharakteristik des Mischers 75 erzielt werden.
Das Ausgangssignal 85 des Filters 75 oszilliert mit einer Frequenz k·f0, die kleiner als die Frequenz n·f0 der Signalkomponente ist, die zur Messung der Phasenlage herangezogen wird. Das Abwärtsmischen in der Auswerteschaltung 6 erfolgt jedoch unter Beibehaltung der Phasenlage, so dass die Phasendifferenz zwischen dem mit der Frequenz k·f0 oszillierenden Signal 85 und dem Ausgangssignal 88 des Filters 78 gleich der Phasendifferenz zwischen den mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Signalkomponenten der von dem Fotodetektor 71 als Funktion der Zeit erfassten Intensität des an der Oberfläche gestreuten optischen Signals und der von dem Fotodetektor 72 als Funktion der Zeit erfassten Intensität des an der Oberfläche gestreuten optischen Signals ist.
Die Signale 85 und 88 werden einem Phasenauswerter 80 zugeführt, der die Phasendifferenz Δφ_n zwischen dem Signal 85 und dem Signal 88 bestimmt. Das Abwärtsmischen unter Beibehaltung der Phasenbeziehung erlaubt, dass die Phasenmessung bei tiefen Frequenzen erfolgen.
Unter Bezugnahme auf die Figuren wurden Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben. Abwandlungen der detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiele können bei weiteren Ausführungsbeispielen implementiert sein. Während eine Implementierung der Messeinrichtung beschrieben wurde, kann die Messeinrichtung auch die Ausgestaltung der unterschiedlichen Vorrichtungen zum Vermessen von Oberflächen aufweisen, die in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 045 387 , „Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche” beschrieben sind. Anstelle einer Messung, bei der kurze optische Pulse als optisches Signal verwendet werden, können zur Ermittlung der Raumkoordinaten von Punkten der Oberfläche auch andere Messtechniken eingesetzt werden, die amplituden- oder phasenmodulierte optische Signale nutzen.
Während Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, bei denen die Messeinrichtung und die Erfassungseinrichtung integral in einem Gehäuse vorgesehen sind, können bei weiteren Ausführungsbeispielen die Messeinrichtung und die Erfassungseinrichtung auch separat vorgesehen und unabhängig voneinander relativ zu dem Objekt positionierbar sein.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine genaue und berührungslose Vermessung einer Oberfläche. Die Vorrichtungen und Verfahren können allgemein zum Vermessen von Oberflächen eingesetzt werden, wobei ein beispielhaftes Anwendungsfeld die quantitative Messung in industriellen Einrichtungen ist.

Claims

Messanordnung zum Vermessen einer Oberfläche (18), umfassend eine Erfassungseinrichtung (7, 8; 58), die eingerichtet ist, um berührungslos erste Daten zu erfassen, die eine zweidimensionale oder dreidimensionale Abbildung eines Bereichs der Oberfläche (18) repräsentieren, und eine Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) zum Ermitteln zweiter Daten, die Raumkoordinaten wenigstens eines Punktes (14) der Oberfläche (18) repräsentieren, der in dem Bereich der Oberfläche (18) liegt, wobei die Erfassungseinrichtung (7, 8; 58) eingerichtet ist, um die ersten Daten mit einem flächig messenden oder flächig abbildenden Verfahren zu erfassen, wobei die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) eingerichtet ist, um die zweiten Daten unter Verwendung eines amplituden- oder phasenmodulierten optischen Signals (13), insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, zu ermitteln, und wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist, um die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes (14) mittels Multilateration zu ermitteln.
Messanordnung nach Anspruch 1, wobei die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) eingerichtet ist, um zum Ermitteln der zweiten Daten das optische Signal (13) in Richtung des wenigstens einen Punktes (14) abzustrahlen und um eine Intensität des an dem wenigstens einen Punkt (14) gestreuten und/oder reflektierten Signals (15c, 15d) als Funktion der Zeit zu erfassen.
Messanordnung nach Anspruch 2, wobei das optische Signal (13) eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst und die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) eingerichtet ist, um eine Phasenlage einer Signalkomponente (65, 66) der erfassten Intensität des gestreuten und/oder reflektierten Signals (15c, 15d; 81, 82) auszuwerten, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert.
Messanordnung nach Anspruch 3, wobei die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) eine Mehrzahl von voneinander beabstandet angeordneten Detektoren (5a, 5b, 5c, 5d; 71, 72) zum Erfassen der Intensität des an dem wenigstens einen Punkt (14) gestreuten und/oder reflektierten Signals (15c, 15d; 81, 82) umfasst und eingerichtet ist, um eine Phasendifferenz zwischen Signalkomponenten (65, 66) der von verschiedenen Detektoren (5a, 5b, 5c, 5d; 71, 72) erfassten Intensitäten zu ermitteln, wobei die Signalkomponenten (65, 66) jeweils mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) einen optischen Frequenzkamm-Generator (3) zum Erzeugen der Folge von Lichtpulsen umfasst.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (7, 8; 58) eingerichtet ist, um eine Auftreffposition (14) des von der Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) verwendeten optischen Signals (13) auf der Oberfläche (18) zu erfassen.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (7, 8; 58) einen Flächensensor umfasst.
Messanordnung nach Anspruch 7, wobei das von der Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) zum Ermitteln der zweiten Daten verwendete optische Signal (13) eine Wellenlänge aufweist, die mit dem Flächensensor erfassbar ist.
Messanordnung nach Anspruch 7, wobei die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6, 44-45) eingerichtet ist, um ein optisches Hilfssignal (43) zu erzeugen, das eine Wellenlänge aufweist, die mit dem Flächensensor erfassbar ist, und um das optische Hilfssignal (43) kollinear zu dem optischen Signal (13) abzustrahlen.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (7, 8; 58) und ein Detektor (5a, 5b, 5c, 5d) der Messeinrichtung mechanisch starr zueinander angeordnet sind.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Gehäuse (2), in welchem wenigstens eine Komponente der Erfassungseinrichtung (7, 8; 58) und wenigstens eine Komponente der Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) angeordnet sind.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine mit der Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) und der Erfassungseinrichtung (7, 8; 58) gekoppelte Auswerteeinrichtung (10), die eingerichtet ist, um abhängig von den ersten Daten und den zweiten Daten Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten zu ermitteln, die in dem Bereich der Oberfläche (18) liegen.
Messanordnung nach Anspruch 12, wobei die ersten Daten Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Stützstellen in dem Bereich der Oberfläche (18) umfassen, und wobei die Auswerteeinrichtung (10) eingerichtet ist, um eine Absolutkalibrierung der ersten Daten basierend auf den zweiten Daten vorzunehmen.
Messanordnung nach Anspruch 13, wobei die von der Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) ermittelten zweiten Daten Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Referenzpunkten (14) repräsentieren, die in dem Bereich der Oberfläche (18) liegen, wobei die Messanordnung (1; 41) derart eingerichtet ist, dass eine Anzahl der Referenzpunkte kleiner ist als eine Anzahl der Stützstellen.
Messanordnung nach Anspruch 14, wobei die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) eingerichtet ist, um die Raumkoordinaten der Mehrzahl von Referenzpunkten (14) sequentiell zu ermitteln.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 12–15, wobei die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) eingerichtet ist, um die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes (14) der Oberfläche (18) bzw. der Mehrzahl von Referenzpunkten mit einer höheren Genauigkeit zu ermitteln als die Erfassungseinrichtung (7, 8).
Messanordnung nach einem der Ansprüche 12–16, wobei die Messanordnung (1; 41) derart eingerichtet ist, dass das Erfassen der ersten Daten durch die Erfassungseinrichtung (7, 8) und das Ermitteln der zweiten Daten durch die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) gleichzeitig erfolgt.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1–12, umfassend eine Steuereinrichtung (52), die mit der Erfassungseinrichtung (58) und mit der Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) gekoppelt und eingerichtet ist, um die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) abhängig von den ersten Daten zu steuern.
Messanordnung nach Anspruch 18, wobei die Steuereinrichtung (52) eingerichtet ist, um eine Abstrahlrichtung des optischen Signals (13) der Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) abhängig von den ersten Daten zu steuern.
Messanordnung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) abhängig von den ersten Daten so zu steuern, dass die Messeinrichtung (3, 4, 5a, 5b, 5c, 5d, 6) einen Teilbereich (54) oder mehrere Teilbereiche (54) der Oberfläche (18) dreidimensional vermisst.
Messanordnung nach Anspruch 20, wobei die Steuereinrichtung (52) eingerichtet ist, um den Teilbereich (54) bzw. die Teilbereiche (54) basierend auf den ersten Daten durch automatische Merkmalsextraktion auszuwählen.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 18–21, wobei die Erfassungseinrichtung (58) derart eingerichtet ist, dass die erfassten ersten Daten eine zweidimensionale Abbildung des Bereichs repräsentieren.
Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche (18), wobei erste Daten, die eine zweidimensionale oder dreidimensionale Abbildung eines Bereichs der Oberfläche (18) repräsentieren, mit einem berührungslosen, flächig messenden oder flächig abbildenden Verfahren erfasst werden, wobei zweite Daten, die Raumkoordinaten wenigstens eines Punktes (14), der in dem Bereich der Oberfläche (18) liegt, repräsentieren, unter Verwendung eines amplituden- oder phasenmodulierten optischen Signals (13), insbesondere einer Folge von Lichtpulsen, ermittelt werden, wobei die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes (14) mittels Multilateration ermittelt werden, und wobei basierend auf den ersten Daten und den zweiten Daten dritte Daten erzeugt werden, die Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche (18) repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei zum Ermitteln der zweiten Daten das optische Signal (13) in Richtung des wenigstens einen Punktes (14) abgestrahlt und eine Intensität eines an dem wenigstens einen Punkt (14) gestreuten und/oder reflektierten Signals (15c, 15d; 81, 82) als Funktion der Zeit erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das optische Signal (13) eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst und zum Ermitteln der zweiten Daten eine Phasenlage einer Signalkomponente (65, 66) der erfassten Intensität des gestreuten und/oder reflektierten Signals (15c, 15d; 81, 82) ausgewertet wird, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei zum Ermitteln der zweiten Daten Intensitäten des gestreuten und/oder reflektierten Signals (15c, 15d; 81, 82) mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Detektoren (5a, 5b, 5c, 5d; 71, 72) als Funktion der Zeit erfasst werden und Phasendifferenzen (67) zwischen Signalkomponenten (65, 66) der mit unterschiedlichen Detektoren erfassten Intensitäten ermittelt werden, wobei die Signalkomponenten (65, 66) jeweils mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillieren.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Raumkoordinaten des wenigstens einen Punktes (14) durch Multilateration basierend auf den Phasendifferenzen (67) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–27, wobei das optische Signal (13) einen optischen Frequenzkamm umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22–28, wobei beim Erfassen der ersten Daten eine Auftreffposition (14) des zur Ermittlung der zweiten Daten verwendeten optischen Signals (13) auf der Oberfläche (18) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei eine Wellenlänge des zum Ermitteln der zweiten Daten verwendeten optischen Signals (13) derart gewählt wird, dass sie mit einem zum Erfassen der ersten Daten verwendeten Sensor (8; 58) erfassbar ist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei ein Hilfssignal (43) kollinear zu dem optischen Signal (13) abgestrahlt wird, wobei eine Wellenlänge des Hilfssignals (43) derart gewählt wird, dass sie mit einem zum Erfassen der ersten Daten verwendeten Sensor (8; 58) erfassbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–31, wobei die ersten Daten eine dreidimensionale Abbildung des Bereichs der Oberfläche (18) repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die ersten Daten erfasst werden mit einem Verfahren, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Fotogrammetrieverfahren, Streifenprojektionsverfahren, Deflektometrieverfahren, Moiré-Verfahren, Speckle-Verfahren und laufzeitbasierte Verfahren.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, wobei die ersten Daten Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Stützstellen in dem Bereich der Oberfläche (18) repräsentieren, und wobei eine Absolutkalibrierung der ersten Daten basierend auf den zweiten Daten vorgenommen wird, um die dritten Daten zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die ermittelten zweiten Daten Raumkoordinaten einer Mehrzahl von Referenzpunkten (14) repräsentieren, und wobei eine Anzahl der Referenzpunkte kleiner ist als eine Anzahl der Stützstellen.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei die Raumkoordinaten der Mehrzahl von Referenzpunkten sequentiell ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–36, wobei die ersten Daten und die zweiten Daten gleichzeitig ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–31, wobei basierend auf den ersten Daten ein Teilbereich (54) oder mehrere Teilbereiche (54) der Oberfläche (18) ausgewählt werden, die unter Verwendung des optischen Signals (13), insbesondere der Folge von Lichtpulsen, dreidimensional vermessen werden, um die zweiten Daten zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei der Teilbereich (54) bzw. die Teilbereiche (54) durch eine automatische Merkmalsextraktion basierend auf den ersten Daten ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die ersten Daten über eine Benutzerschnittstelle (53) ausgegeben werden, um eine benutzerdefinierte Auswahl des Teilbereichs (54) bzw. der Teilbereiche (54) zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38–40, wobei die ersten Daten eine zweidimensionale Abbildung des Bereichs der Oberfläche (18) repräsentieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23–41, welches mit der Messanordnung (1; 41; 51) nach einem der Ansprüche 1–22 durchgeführt wird.