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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der 3D-Koordinaten eines Objekts und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Bei dem Verfahren wird ein Muster auf das Objekt projiziert. Das von dem Objekt reflektierte Licht wird aufgenommen und ausgewertet. Die Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens umfaßt einen Projektor zum Projizieren eines Musters auf das Objekt, eine Kamera zum Aufnehmen des Objekts und eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der aufgenommenen Bilder.
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Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind bereits bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2006 048 234 A1 und der
DE 10 2007 042 963 A1 . Bei diesen Verfahren kann ein Streifenmuster auf das Objekt projiziert werden. Üblicherweise wird das Streifenmuster im Verfahren der Weißlicht-Streifenprojektion auf das Objekt projiziert, also mit weißem Licht. Bei vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen werden Lichtbogenlampen zur Erzeugung des Lichts verwendet.
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Grundsätzlich wäre es vorteilhaft eine Lichtquelle einzusetzen, die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge abstrahlt, beispielsweise eine Leuchtdiode (LED). Dies kann allerdings zu Problemen führen, wenn Objekte geprüft werden sollen, die eine optisch nicht kooperierende Oberfläche aufweisen, beispielsweise eine glänzende Oberfläche, eine Metalloberfläche, insbesondere eine polierte Metalloberfläche, oder eine lichtabsorbierende Oberfläche. Ferner können Probleme auftreten, wenn die Farbe der Lichtquelle, also die Frequenz des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts, mit der Farbe der Oberfläche des zu prüfenden Objekts nicht kooperiert. Dieses Problem tritt beispielsweise dann auf, wenn ein Objekt, beispielsweise aus Kunststoff, mit einer gelben Farbe mit Licht aus einer blauen Lichtquelle, insbesondere aus einer blauen LED, geprüft werden soll. In diesem Fall ergibt sich ein schlechter Kontrast, der eine Prüfung erschwert oder unmöglich macht.
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Um hier Abhilfe zu schaffen könnte in Erwägung gezogen werden, auf das Objekt eine zusätzliche Schicht aufzubringen, beispielsweise eine Schicht aus weißer Kreide oder aus Titanoxid. Eine derartige Vorbehandlung ist allerdings aufwendig. Sie kann in bestimmten Fällen das beschriebene Problem auch nicht lösen, beispielsweise dann, wenn Risse in dem Objekt geprüft werden sollen. Insbesondere sind Rißeindringprüfungen, beispielsweise bei Motorblöcken, auf diese Weise nicht möglich.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art vorzuschlagen, mit dem auch optisch nicht kooperierende Oberflächen geprüft werden können, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens vorzuschlagen.
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Bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Muster wird durch mindestens zwei Lichtquellen auf das Objekt projiziert, wobei sich die Wellenlängen des von den Lichtquellen abgestrahlten Lichts voneinander unterscheiden. Den Wellenlängen des Lichts entsprechen bestimmte Frequenzen und Farben des Lichts. Wenn die Oberfläche des Objekts eine Farbe aufweist, die mit der Farbe oder der Komplementärfarbe einer der Lichtquellen übereinstimmt und daher mit dem Licht aus dieser Lichtquelle nicht kooperiert, steht für die Auswertung das Licht aus der anderen Lichtquelle zur Verfügung. Hierdurch ist gewährleistet, daß stets eine Auswertung möglich ist.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art wird die Aufgabe der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Der Projektor weist mindestens zwei Lichtquellen auf, wobei sich Wellenlängen des von den Lichtquellen abgestrahlten Lichts voneinander unterscheiden.
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Vorzugsweise wird ein Streifenmuster auf das Objekt projiziert. Das Muster, insbesondere das Streifenmuster kann durch ein bildgebendes Element auf das Objekt projiziert werden, insbesondere durch ein Dia oder durch einen digitalen Mustergenerator, insbesondere ein Flüssigkristalldisplay wie beispielsweise ein DLP-Display, ein LCD-Display und/oder ein LCOS-Display.
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Die Kamera kann eine Optik und einen flächenhaften Sensor umfassen, insbesondere einen CCD-Sensor und/oder einen CMOS-Sensor. Die Auswerteeinrichtung kann einen Rechner, insbesondere einen PC, umfassen oder daraus bestehen.
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Die aufgenommenen Bilddaten können in einem Kameraspeicher zwischengespeichert werden. Sie können vor oder nach der Zwischenspeicherung oder ohne Zwischenspeicherung weitergeleitet werden.
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Der Projektor und die Kamera können baulich in einem sogenannten 3D-Sensor integriert sein. Der 3D-Sensor umfaßt den Projektor und die Kamera.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Muster durch drei Lichtquellen auf das Objekt projiziert wird. Insbesondere können drei Lichtquellen mit den Farben rot, grün und blau (RGB) verwendet werden. Das Licht aus den drei Lichtquellen kann in der Summe weißes Licht ergeben.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Lichtquellen LEDs umfassen oder aus LEDs bestehen. Hierdurch können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders einfach und kostengünstig realisiert werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Summe des Lichts aus den Lichtquellen weißes Licht ergibt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen auf verschiedenen Seiten von einem oder mehreren dichroitischen Spiegeln liegen. Ein dichroitischer Spiegel, der auch als dielektrischer Spiegel bezeichnet wird, reflektiert nur Licht mit einer bestimmten Wellenlänge und ist für Licht anderer Wellenlängen durchlässig. Durch einen dichroitischen Spiegel wird es ermöglicht, das von einer Lichtquelle ausgehende Licht mit einer bestimmten Wellenlänge in den Strahlengang des Projektors zu lenken und Licht einer hiervon abweichenden Wellenlänge ungestört durch diesen Strahlengang zu schicken. Auf diese Weise kann eine additive Farbmischung des Lichts aus verschiedenen Lichtquellen erreicht werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können die Intensitäten des Lichts einer oder mehrerer oder aller Lichtquellen verändert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß eine oder mehrere oder alle Lichtquellen eingeschaltet und/oder ausgeschaltet werden. Stattdessen oder zusätzlich können eine oder mehrere oder alle Lichtquellen gesteuert und/oder geregelt werden. Ferner ist es möglich, daß das Licht aus einer oder mehreren oder allen Lichtquellen ganz oder teilweise gedämpft wird. Durch die Veränderung der Intensitäten des Lichts der Lichtquellen kann eine bestimmte additive Farbmischung erzeugt werden. Die erzeugte Farbmischung hat ein bestimmtes Spektrum.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitäten des von den Lichtquellen abgestrahlten Lichts an das Reflexionsverhalten des Objekts angepaßt werden. Durch die Veränderung der Intensitäten des von den Lichtquellen abgestrahlten Lichts wird ein Licht mit einem bestimmten Spektrum erzeugt, das an das Reflexionsverhalten des Objekts angepaßt ist. Das von dem Projektor insgesamt abgestrahlte Licht wird auf diese Weise derart ausgebildet, daß dieses Licht unter Berücksichtigung des Reflexionsverhaltens des Objekts einen guten oder zumindestens ausreichenden Kontrast ergibt. Dabei kann das spektrale Reflexionsverhalten und/oder das durch den Glanzgrad bestimmte Reflexionsverhalten des Objekts berücksichtigt werden. Die Intensitäten einer oder mehrere oder aller Lichtquellen werden in der Weise verändert, daß das von den Lichtquellen insgesamt abgestrahlte Licht in der Weise an das Reflektionsverhalten des Objekts angepaßt wird, daß sich ein guter oder zumindest ausreichender Kontrast für die Aufnahme und/oder Auswertung ergibt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren Unteransprüchen beschrieben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine Vorrichtung zum Bestimmen der 3D-Koordinaten eines Objekts in einer schematischen Darstellung.
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Die Vorrichtung umfaßt einen Projektor 1 zum Projizieren eines Musters, nämlich eines Streifenmusters 2, auf ein Objekt (in der Zeichnung nicht dargestellt), eine Kamera (in der Zeichnung nicht dargestellt) zum Aufnehmen des Objekts und eine Auswerteeinrichtung (in der Zeichnung nicht dargestellt) zum Auswerten der aufgenommenen Bilder.
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Der Projektor 1 umfaßt eine erste Lichtquelle 3, eine zweite Lichtquelle 4 und eine dritte Lichtquelle 5, einen ersten dichroitischen Spiegel 6, einen zweiten dichroitischen Spiegel 7 und eine Abbildungsoptik 8. Die Lichtquellen 3, 4, 5 sind als LEDs ausgebildet. Die erste LED 3 emittiert rotes Licht, die zweite LED 4 emittiert grünes Licht und die dritte LED 5 emittiert blaues Licht.
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Der erste dichroitische Spiegel 6 spiegelt grünes Licht und ist für Licht von anderer Farbe durchlässig. Der zweite dichroitische Spiegel 7 spiegelt blaues Licht und ist für Licht anderer Farbe durchlässig.
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Der Strahlengang verläuft längs der optischen Achse 9 von der roten LED 3 durch den ersten dichroitischen Spiegel 6, den zweiten dichroitischen Spiegel 7, die Abbildungsoptik 8 und das Streifenmuster 2, in der Zeichnung also von links nach rechts. Die rote LED 3 liegt im Strahlengang vor dem ersten dichroitischen Spiegel 6. Der erste dichroitische Spiegel 6 liegt im Strahlengang vor dem zweiten dichroitischen Spiegel 7. Die Abbildungsoptik 8 liegt im Strahlengang hinter dem zweiten dichroitischen Spiegel 7 und vor dem Streifenmuster 2.
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Die grüne LED 4 liegt seitlich von der optischen Achse 9 des Projektors 1. Sie emittiert grünes Licht längs einer optischen Achse 10, die rechtwinkelig zur optischen Achse 9 des Projektors 1 verläuft und die die optische Achse 9 des Projektors 1 im rechten Winkel auf der Oberfläche des ersten dichroitischen Spiegels 6 schneidet. Die blaue LED 5 liegt seitlich von der optischen Achse 9 des Projektors 1. Sie emittiert blaues Licht in Richtung ihrer optischen Achse 11, die senkrecht zur optischen Achse 9 des Projektors 1 verläuft und die die optische Achse 9 des Projektors 1 im rechten Winkel auf der Oberfläche des zweiten dichroitischen Spiegels 7 schneidet.
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In Strahlrichtung nach dem ersten dichroitischen Spiegel 6 weist das Licht eine additive Farbmischung aus rotem Licht von der roten LED 3 und aus grünem Licht von der grünen LED 4 auf. In Strahlrichtung nach dem zweiten dichroitischen Spiegel 7 weist das Licht eine additive Farbmischung auf, die zusätzlich noch das blaue Licht aus der blauen LED 5 enthält. Die gesamte additive Farbmischung ergibt weißes Licht.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich liegen die rote LED 3 und die grüne LED 4 auf verschiedenen Seiten des ersten dichroitischen Spiegels 6. Die rote LED 3 und die grüne LED 4 einerseits und die blaue LED 5 andererseits liegen auf verschiedenen Seiten des zweiten dichroitischen Spiegels 7.
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Die Intensitäten des von den LEDs 3, 4, 5 abgestrahlten Lichts sind veränderbar. Auf diese Weise sind beliebige additive Farbmischungen möglich.
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Durch die Erfindung wird eine verbesserte Projektorlichtquelle zur Verwendung in Musterprojektionsmeßsystemen, insbesondere in Streifenprojektionsmeßsystem geschaffen. Hierbei kann zum einen die Leuchtdichte der Projektorlichtquelle gesteigert werden. Zum anderen kann der Einsatzbereich des Meßsystems durch eine nahezu beliebige additive Generierung der projizierten Lichtfarbe erweitert werden. Das Zusammenführen der Strahlen, die von den Lichtquellen emittiert werden, kann in aufsteigender oder in absteigender Wellenlänge erfolgen, vorzugsweise durch dichroitische Spiegel. Grundsätzlich können beliebig viele Lichtquellen oder Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlänge kombiniert werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die dichroitischen Spiegel so gewählt werden, daß jeweils Lichtquellen oder Leuchtdioden mit benachbarter Wellenlänge zusammengeführt werden. Rückwärts durch die Blende des Projektors betrachtet liegen alle leuchtenden Flächen auf derselben optischen Achse und/oder auf demselben Ort. Sie können denselben Emissionswinkel haben. Ferner können die Lichtquellen oder LEDs zu einer virtuellen, multichroitischen Lichtquelle zusammengefaßt werden. Ein damit erreichbarer Vorteil liegt in der Steigerung der Leuchtdichte. Zudem kann durch die selektive Kombination der Lichtquellen oder LEDs der Anwendungsbereich des Meßsystems erweitert werden.
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Im Ausführungsbeispiel können die LEDs 3, 4, 5 eine aufsteigende oder absteigende Reihenfolge der benachbarten Wellenlängen aufweisen. Die Anordnung kann also derart gewählt sein, daß die beiden Wellenlängenbereiche der LEDs 3 und 4 kleiner oder größer als der Wellenlängenbereich der Leuchtdiode 5 sind. Der erste dichroitische Spiegel 6 transmittiert das Licht der optischen Achse 9 der ersten Leuchtdiode 3 und reflektiert das Licht der optischen Achse 10 der zweiten Leuchtdiode 4. Der dichroitische Spiegel 7 transmittiert das kombinierte Licht der optischen Achse 9 der ersten und zweiten Leuchtdioden 3 und 4 und reflektiert das Licht der optischen Achse 11 der dritten Leuchtdiode 3. Die kombinierten Lichtwellen der optischen Achse 9 stellen die Gesamtachse des optischen Beleuchtungssystems dar. Die Abbildungsoptik (Kondensor) 8 bildet den Strahlengang über das Streifenmuster 2 oder das sonstige helligkeitsmodulierende Medium in die Optik des Systems ab.
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Durch die Erfindung kann die Leuchtdichte gesteigert und damit die Ausleuchtung des Meßfeldes verbessert werden. Wenn LEDs der drei Primärfarben rot, grün und blau verwendet werden, läßt sich hieraus eine große Anzahl von Kombinationen und Intensitäten generieren. Es sind allerdings nicht nur Lichtquellen oder LEDs des Spektrums des für das menschliche Auge sichtbaren Lichts möglich. Anwendbar ist auch eine Erweiterung in dem kürzerwelligen UV-Bereich und in dem längerwelligen Infrarot-Bereich. Dies kann insbesondere deshalb vorteilhaft sein, weil die Empfindlichkeit vieler CCD-Kamerachips über den sichtbaren Bereich hinausgeht.
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Durch die Verwendung von Leuchtdioden der drei Primärfarben kann eine höhere Lichtleistung im Vergleich zu einer weißen LED erreicht werden, die üblicherweise aus der Kombination einer kurzwelligen blauen oder UV-LED mit einem photolumineszierenden Material erzeugt wird.
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Die projizierte Lichtfarbe kann der Farbe und/oder dem Reflexionsverhalten des Meßobjekts in der Weise angepaßt werden, daß das Nutzlicht- zu Störlichtverhältnis optimiert wird. Hierfür können mehrere monochromatische Kameras mit Bandpaßfiltern unterschiedlicher Wellenlängentransmissionen verwendet werden oder eine Farbkamera mit mehreren Chips, beispielsweise mit einem 3-Chip-CCD-Sensor. Zur dreidimensionalen Erfassung des Meßobjekts kann dann lediglich der Chip mit dem besten Nutz- zu Störlichtverhältnis verwendet werden.
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Durch sequentielle oder gleichzeitige Projektion der Lichtquellen, insbesondere in Primärfarben, kann die Farbe des Meßobjekts mit einer oder mehreren monochromatischen Kameras erfaßt werden. Hierzu können die erfaßten Grauwertintensitäten einer roten, grünen und blauen Projektion miteinander verrechnet werden. Hierdurch kann gegenüber einem Bayer-Sensor der Vorteil einer höheren Auflösung des verrechneten Farbbildes erreicht werden, da für jeden Pixel eine dreikanalige Farbinformation vorhanden ist.
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Durch die Erfindung können auch volumenstreuende Objekte dreidimensional vermessen werden. Dies gilt insbesondere für Objekte, bei denen die Eindringtiefe der Lichtwellen in das Objekt unbekannt ist. Die Eindringtiefe in das volumenstreuende Meßobjekt kann von der Wellenlänge des Lichts abhängig sein. Durch eine sequentielle dreidimensionale Vermessung des Objekts mit den einzelnen Leuchtdioden, die vorzugsweise nahezu monochromatisch sind, kann die wahre physikalische Oberfläche des Meßobjekts extrapoliert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006048234 A1 [0003]
- DE 102007042963 A1 [0003]
