DE102013002399A1 - Device for generating light patterns with a one-dimensionally focused illumination device - Google Patents

Device for generating light patterns with a one-dimensionally focused illumination device Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern, umfassend zumindest eine eindimensional fokussierte Beleuchtungseinrichtung, mit zumindest einem Leuchtmittel und einem Reflektor, wobei das von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte homogene Licht über ein Feld von nebeneinander angeordneten Linsen orthogonal zur Beleuchtungseinrichtung derart gebündelt vorliegt, dass parallel verlaufende Lichtstreifen abbildbar und spezifische eindimensionale Lichtmuster erzeugbar sind.The present invention relates to a device for generating light patterns, comprising at least one one-dimensionally focused lighting device with at least one illuminant and a reflector, the homogeneous light generated by the lighting device being bundled orthogonally to the lighting device via a field of lenses arranged side by side in such a way that parallel running light strips can be mapped and specific one-dimensional light patterns can be generated.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern mit einer eindimensional fokussierten Beleuchtungseinrichtung.The invention relates to a device for generating light patterns with a one-dimensionally focused illumination device.

Sogenannte Streifenmuster werden in der Nahbereichsphotorammetrie benötigt, um bei homogener Oberflächentextur eindeutige Korrespondenzen zu finden. Eine hohe Lichtintensität ist Voraussetzung für kurze Integrations- und Messzeiten. Für die Anwendung mehrschrittiger Messverfahren müssen zudem auch unterschiedliche Streifenmuster generiert werden können.So-called stripe patterns are needed in short-range photorammetry in order to find unique correspondences with homogeneous surface texture. A high light intensity is a prerequisite for short integration and measurement times. For the application of multi-step measuring methods also different stripe patterns must be generated.

Die Umschaltzeiten zwischen verschiedenen Mustern müssen entsprechend kurz sein, um die Messzeit über mehrere Schritte entsprechend einzuschränken. Bei großen Messfeldern sollten auch die generierten Lichtmuster eine entsprechende Fläche überdecken ohne dabei aber an Intensität zu verlieren. Voraussetzung hierfür ist es, dass bei einer Skalierung der Mustergenerierung auch eine Skalierung der Beleuchtungsstärke möglich ist.The switching times between different patterns must be correspondingly short in order to limit the measuring time accordingly over several steps. With large measuring fields, the generated light patterns should also cover a corresponding area without losing intensity. The prerequisite for this is that a scaling of the pattern intensity can also be used to scale the illuminance.

Im Allgemeinen kommen bei der Nahbereichsphotogrammetrie mit aktiver Beleuchtung Dia- oder Videoprojektoren, sogenannte Beamer zum Einsatz. Die Ergebnisse, die hier insbesondere mit mehrschrittigen Verfahren, z. B. Phasenshift oder Zeitkorrelation erzielt werden, sind für viele praktische Anwendungen ausreichend. Die Verfahrensgrundlagen werden z. B. beschrieben in Wiora, G.: Optical 3D-Metrology: Precise Shape Measurement with an extended Fringe Projection Method, University Heidelberg, Dissertation, 2001 .In general, close-range photogrammetry with active illumination uses slide or video projectors, so-called beamers. The results, which here in particular with multi-step method, z. Phase shift or time correlation, are sufficient for many practical applications. The procedural bases are z. B. described in Wiora, G .: Optical 3D Metrology: Precise Shape Measurement with an Extended Fringe Projection Method, University of Heidelberg, Dissertation, 2001 ,

Derzeit werden Messsysteme mit ein oder zwei Kameras und einem Beamer von vielen Unternehmen kommerziell angeboten.Currently, measuring systems with one or two cameras and one projector are commercially offered by many companies.

Zur Lösung messtechnischer Probleme in industriellen Anwendungen stoßen Projektoren bezüglich ihrer maximalen Lichtintensität schnell an ihre Grenzen. Aus der geringen Lichtintensität resultieren verhältnismäßig lange Integrationszeiten zur Bildaufnahme, was zu langen Messzeiten und geringerer Messgenauigkeit, z. B. bei Schwingungen, führt. Wegen der konstanten Maximalleistung eines Projektors kann das Messfeld nur auf Kosten einer geringeren Lichtintensität vergrößert werden.To solve metrological problems in industrial applications, projectors quickly reach their limits with regard to their maximum light intensity. The low light intensity results in relatively long integration times for image acquisition, resulting in long measurement times and lower measurement accuracy, eg. B. vibrations, leads. Because of the constant maximum output of a projector, the field of view can only be increased at the cost of a lower light intensity.

Der gleichzeitige Einsatz mehrerer Projektoren ist im Allgemeinen aus messtechnischen Gründen nicht möglich, da die Lichtmuster sich zwischen den Projektoren überlagern.The simultaneous use of several projectors is generally not possible for metrological reasons, since the light patterns are superimposed between the projectors.

Eine Vorrichtung zur Lösung der oben genannten technischen Aufgabe mit Projektoren ist nicht bekannt. Eine Hauptursache hierfür liegt darin begründet, dass das projizierte Licht in einem einzelnen Objektiv gebündelt und auch nur von einer einzelnen Lichtquelle erzeugt wird.An apparatus for solving the above-mentioned technical problem with projectors is not known. One main reason for this is that the projected light is focused in a single lens and is also produced by only a single light source.

Eine Alternative zur Verwendung von Projektoren bietet der Einsatz von Laserlichtquellen. Laserlicht hat aber den Nachteil, dass es Speckleeffekte verursacht und bei großer Intensität entsprechende Sicherheitsstandards eingehalten werden müssen.An alternative to using projectors is the use of laser light sources. However, laser light has the disadvantage that it causes speckle effects and at high intensity appropriate safety standards must be met.

Bei Applikationen werden häufig Laserlichtschnittverfahren eingesetzt. Die Verfahren sind auch im industriellen Einsatz verhältnismäßig robust, die Messzeiten sind aber häufig noch länger als beim Einsatz von Projektoren.In applications, laser light section methods are often used. The methods are also relatively robust in industrial use, but the measurement times are often even longer than when using projectors.

Laserlicht kann aber auch indirekt eingesetzt werden. In S chaffer M, Grosse M, Kowarschik R: High-speed pattern projection for three-dimensional shape measurement using laser speckles. Appl Opt. 2010 Jun 20; 49(18): 3622–9. doi: 10.1364/AO.49.003622 wird ein System vorgestellt, dass Specklemuster generiert und sie dann über ein Objektiv projiziert, um stochastische Muster zu erzeugen.Laser light can also be used indirectly. In S chaffer M, Grosse M, Kowarschik R: High-speed pattern projection for three-dimensional shape measurement using laser speckles. Appl Opt. 2010 Jun 20; 49 (18): 3622-9. doi: 10.1364 / AO.49.003622 introduces a system that generates speckle patterns and then projects them through a lens to produce stochastic patterns.

Mit dem System werden sehr schnelle Umschaltzeiten und große Lichtintensitäten erreicht.The system achieves very fast switching times and high light intensities.

Allerdings wird bei höherer Intensität auch schnell eine hohe Laserschutzklasse notwendig, was für viele Applikationen problematisch ist. Zudem sind die Muster immer zweidimensional stochastisch verteilt. Die Generierung eindimensionaler Muster also Streifenmuster ist mit dieser Technik nicht möglich.However, at higher intensities, a high laser protection class quickly becomes necessary, which is problematic for many applications. In addition, the patterns are always stochastically distributed in two dimensions. The generation of one-dimensional patterns, ie stripe patterns, is not possible with this technique.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Lichtmustern besteht in der Verwendung einzelner Lichtspots. Mit Lichtspots kann die technische Aufgabe bezüglich Lichtintensität, Skalierbarkeit und Umschaltgeschwindigkeit gelöst werden, allerdings sind die generierten Lichtmuster vergleichsweise grob strukturiert und nicht eindimensional, d. h. nicht streifenförmig.Another possibility for generating patterns of light is the use of individual light spots. With light spots, the technical task can be solved with respect to light intensity, scalability and switching speed, but the generated light patterns are relatively coarse structured and not one-dimensional, d. H. not strip-shaped.

Dies erlaubt eine photogrammetrische Auswertung der Muster nur ein einem sehr eingeschränkten Bereich. Die grob strukturierten Muster können bei ungeeigneten Oberflächen zu systematischen Messfehlern führen.This allows a photogrammetric evaluation of the patterns only in a very limited area. The coarsely structured patterns can lead to systematic measurement errors on unsuitable surfaces.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer die zuvor genannten Nachteile überwunden werden können.Against this background, the object of the present invention is to provide a device by means of which the aforementioned disadvantages can be overcome.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen gemäß der Unteransprüche.This object is achieved by a device according to claim 1 and the further advantageous embodiments according to the subclaims.

Vorgeschlagen wird ein Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern, wobei das von einer eindimensional fokussierten Beleuchtungseinrichtung erzeugte homogene Licht über ein Feld von nebeneinander angeordneten Linsen orthogonal zur Beleuchtungseinrichtung derart gebündelt vorliegt, dass parallel verlaufende Lichtstreifen abbildbar und spezifische eindimensionale Lichtmuster erzeugbar sind. A device for generating light patterns is proposed, wherein the homogeneous light generated by a one-dimensionally focused illumination device is bundled over a field of juxtaposed lenses orthogonal to the illumination device such that parallel light stripes can be imaged and specific one-dimensional light patterns can be generated.

Die Lichtmuster unterscheiden sich

  • – in verschiedenen Höhen,
  • – und bei Variation der räumliche Verteilung der Lichtquellen in der Beleuchtung deutlich voneinander.
The light patterns are different
  • - at different heights,
  • - And with variation of the spatial distribution of the light sources in the lighting clearly from each other.

Zudem erlaubt die Vorrichtung die Erzeugung von Lichtmustern mit hoher Intensität.In addition, the device allows the generation of light patterns with high intensity.

Zwar sind aus dem Bereich von zeilenbasierten Bilderfassungssystemen Zeilenbeleuchtungen mit sehr hoher Lichtintensität bekannt. In vielen Applikationen sind Zeilenbeleuchtungen so konstruiert, dass sie das Licht in einer Dimension parallel bündeln.Although line illumination with very high light intensity is known from the field of line-based image acquisition systems. In many applications, line lighting is designed to bundle the light in one dimension in parallel.

Die Vorrichtung umfasst ein Feld parallel angeordneter Linsen, vorzugsweise Zylinderlinsen, das in den Strahlengang einer Zeilenbeleuchtung mit LED's oder Faseroptik gebracht wird. Die Zylinderlinsen fokussieren das homogene Licht von jedem einzelnen Leuchtmittel, beispielsweise LED oder Lichtleitfaser am Austritt auf kleine Bereiche in Zeilenrichtung. Das vom Reflektor der Zeilenbeleuchtung parallel gebündelte Licht weitet die von den Zylinderlinsen fokussierten Bereiche in Streifen in y-Richtung auf.The device comprises a field of parallel arranged lenses, preferably cylindrical lenses, which is brought into the beam path of a line illumination with LED's or fiber optics. The cylindrical lenses focus the homogeneous light from each individual illuminant, such as LED or optical fiber at the exit to small areas in the row direction. The light bundled in parallel by the reflector of the line illumination widens the areas focused by the cylindrical lenses into strips in the y direction.

Neben Zylinderlinsen sind jedoch beliebige Arten von Linsen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern einsetzbar, wie beispielsweise

  • – sphärische Linsen, konvexer und/oder konkaver Art,
  • – Gradientenlinsen,
  • – asphärische Linsen.
In addition to cylindrical lenses, however, any types of lenses can be used in the device according to the invention for generating light patterns, such as, for example
  • Spherical lenses, convex and / or concave type,
  • - gradient lenses,
  • - aspherical lenses.

Das System lässt sich in einer Dimension ohne Einschränkungen der Lichtintensität beliebig räumlich erweitern. Damit kann im Gegensatz zu Projektoren nach dem Stand der Technik die Messfläche vergrößert werden, ohne dass die Lichtintensität proportional abnimmt.The system can be expanded in any dimension in one dimension without any restrictions of the light intensity. Thus, in contrast to state-of-the-art projectors, the measurement area can be increased without the light intensity decreasing proportionally.

Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die entstehenden Lichtmuster sich zur photogrammetrischen 3D-Oberflächenrekonstruktion mittels Ein- oder Mehrkamerasystemen in einem vorgegebenen Messvolumen eignen.It is provided that the device is designed such that the resulting light patterns are suitable for photogrammetric 3D surface reconstruction by means of single or multiple camera systems in a predetermined measurement volume.

Die photogrammetrische Oberflächenrekonstruktion ist Hauptanwendungsgebiet für die Vorrichtung. Die Verbesserungen gegenüber anderen Musterprojektionen können bei der 3D-Vermessung von großen Oberflächen zu einer höheren Messgeschwindigkeit, einer höheren Messgenauigkeit und einer besseren Robustheit gegen Schwingungen und andere äußere Einflüsse führen. Insbesondere ermöglichen sie den Einsatz von Zeilenkameras. Unter anderem werden damit im industriellen Umfeld neue Möglichkeiten für Qualitätssicherung auf Basis von 3D-Oberflächenrekonstruktionen geschaffen.Photogrammetric surface reconstruction is the main field of application for the device. The improvements over other pattern projections can result in higher measurement speeds, higher measurement accuracy and robustness against vibration and other external influences when 3D surveying large surfaces. In particular, they allow the use of line scan cameras. Among other things, this will create new opportunities for quality assurance based on 3D surface reconstructions in the industrial environment.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass sich die Lichtmuster in verschiedenen Höhen und bei Variation der räumlichen Verteilung der Lichtquellen in der Beleuchtung deutlich voneinander unterscheiden.A further embodiment of the invention provides that the light patterns differ significantly from one another at different heights and with variation of the spatial distribution of the light sources in the illumination.

Die Generierung unterschiedlicher Lichtmuster ist eine Grundvoraussetzung für die Anwendung mehrschrittiger 3D-Messverfahren. Durch Wahl einer geeigneten räumlichen Verteilung ist es möglich auch geeignete Lichtmuster zu generieren. In einem begrenzten Höhenbereich ist es so auch Möglich klassische Phasenshiftmuster zu erzeugen.The generation of different light patterns is a basic requirement for the application of multi-step 3D measuring methods. By choosing a suitable spatial distribution, it is also possible to generate suitable light patterns. In a limited height range, it is also possible to generate classical phase shift patterns.

Durch die Abhängigkeit in z-Richtung kann das Messvolumen entscheidend erweitert, da die Mustererzeugung dann nicht von einem eingeschänkten Tiefenschärfebereich abhängt. Es ermöglicht zudem auch mehrschrittige Messverfahren mit nur einer Kamera.Due to the dependence in the z-direction, the measurement volume can be decisively extended since the pattern generation then does not depend on a limited depth-of-focus range. It also enables multi-step measurement with just one camera.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die in der Beleuchtungseinrichtung eingesetzten LED's so ein- und ausschaltbar sind, dass für ein vorgegebenes Messvolumen verschiedene Lichtmuster erzeugbar sind, die sich zur photogrammetrischen 3D-Oberflächenrekonstruktion mit mehrschrittigen Verfahren bei Ein oder Mehrkamerasystemen eignen.According to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the LEDs used in the illumination device are so switched on and off that for a given measurement volume different light patterns can be generated, which are suitable for photogrammetric 3D surface reconstruction with multi-step process in single or multi-camera systems.

Mehrschrittige photogrammetrische Messverfahren haben gegenüber einschrittigen Messverfahren eine höhere latrerale Auflösung und sind in der Anwendung robuster gegen systematische Messfehler.Multistep photogrammetric measuring methods have a higher latrereal resolution compared to single-step measuring methods and are more robust in use against systematic measuring errors.

Beim Einsatz von Zeilenkameras, werden aber verschiedene Muster benötigt, die ihre Form mit jeder aufgenommenen Zeile ändern. Damit ist schnelles Umzeitschalten der Muster eine Grundvoraussetzung für zeiteffiziente Messverfahren. Die Muster können bei Verwendung von LED's sehr schnell geändert werden, da LED's als Leuchtmittel sich im Allgemeinen durch sehr kurze Schaltzeiten auszeichnen.When using line scan cameras, however, different patterns are needed, which change their shape with each recorded line. Fast turnaround of patterns is therefore a prerequisite for time-efficient measuring procedures. The patterns can be changed very quickly when using LED's, since LED's as light sources are generally characterized by very short switching times.

Damit hat die Vorichtung einen weiteren entscheidenen Vorteil gegenüber Projektoren nach dem aktuellen Stand der Technik. Die Möglichkeit, die sich daraus ergibt, mehrschrittige 3D-Messverfahren mit Zeilenkameras umzusetzen, stellt eine wichtige Voraussetzung für viele neue Einsatzgebiete der 3D-Messtechnik dar.Thus, the Vorichtung has another decisive advantage over projectors according to the current state of the art. The possibility that is As a result, the implementation of multi-step 3D measuring methods with line scan cameras is an important prerequisite for many new areas of application of 3D measuring technology.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass Lichtleitfasern anstelle der LED's verwendet werden, deren Primärlichtquellen schnell an- und abschaltbar sind.A further embodiment of the invention provides that optical fibers are used instead of the LEDs whose primary light sources can be quickly switched on and off.

Neben LED's sind Lichtleiterfasern ein häufig verwendetes Hilfsmittel, um Linienbeleuchtungen zu konstruieren. Jede einzelne Faser ist an ihrem Ausgang eine kleine Lichtquelle. Werden benachbarte Lichtleiter von unterschiedlichen Primärlichtquellen gespeist, dann ist es auch beim Einsatz von Lichtleitern möglich, unterschiedliche Muster äquivalent zur Ausführungsform mit LED's zu erzeugen.In addition to LEDs, optical fiber is a commonly used tool to construct line lighting. Each individual fiber is a small light source at its output. If adjacent light guides fed by different primary light sources, then it is also possible when using optical fibers to produce different patterns equivalent to the embodiment with LED's.

Lichtleiter haben im Vergleich zu LED's den Vorteil eine deutlich kleinere Emissionsfläche zu haben und als Kaltlicht eingesetzt zu werden. Daher gibt es Anwendungen bei denen die Vorteile der Vorrichtung nur in Verbindung mit Lichtleitern genutzt werden könnenLight guides have the advantage compared to LED's to have a much smaller emission area and be used as cold light. Therefore, there are applications in which the advantages of the device can only be used in conjunction with optical fibers

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Baugruppe vorgesehen, die mehrere oder zumindest zwei Vorrichtungen der zuvor genannten Art umfasst, wobei die Vorrichtungen parallel zueinander angeordnet sind und ein Streifenmuster orthogonal zu einer Zeile ausdehnbar ist.In a further embodiment of the invention, an assembly is provided which comprises a plurality or at least two devices of the aforementioned type, wherein the devices are arranged parallel to each other and a stripe pattern is extendable orthogonal to a row.

Die Vorrichtung kann nicht nur im Zusammenhang mit Zeilenkamerasystemen sondern auch mit Matrixkamerasystemen eingesetzt werden. Da sich Matrixkamerasysteme durch eine Flächenhafte Bilderfassung auszeichnen, ist die Ausdehnung der Streifenmuster orthogonal zu Zeile notwendig. Durch die bereits genannten Vorteile der Vorrichtung können damit auch Matrixkamerasysteme zur 3D-vermessung entscheidend verbessert werden.The device can be used not only in conjunction with line scan camera systems but also with matrix camera systems. Since matrix camera systems are characterized by a surface image acquisition, the extension of the stripe pattern orthogonal to line is necessary. By virtue of the already mentioned advantages of the device, it is thus also possible to decisively improve matrix camera systems for 3D surveying.

Die Fertigung einer solchen Vorrichtung kann beispielsweise in folgenden Schritten erfolgen:

  • – Zur Grundkonstruktion kann eine handelsübliche Zeilenbeleuchtung mit einem Reflektor oder einer Zylinderlinse verwendet werden.
  • – Ein Array mit Zylinderlinsen kann im Spitzgussverfahren hergestellt werden. Handelsübliches Rillenglas kann auch verwendet werden.
  • – Das Zylinderlinsenarray wird so montiert, dass es im Strahlengang der Zeilenbeleuchtung liegt und bei eingeschalteter Zeilenbeleuchtung ein Streifenmuster erzeugt.
  • – Wenn zwischen verschiedenen Mustern umgeschaltet werden soll, muss eine elektronische Ansteuerung gebaut werden, die es erlaubt, alle verwendeten Leuchtmittel einzeln oder in Gruppen anzusteuern.
  • – Wenn spezielle Muster und Musterabfolgen generiert werden sollen, dann ist die räumliche Anordnung von Leichtmittel und Zylinderlinsen entsprechend zu ändern bzw. zu optimieren.
The manufacture of such a device can take place, for example, in the following steps:
  • - For the basic construction, a commercial line lighting with a reflector or a cylindrical lens can be used.
  • - An array of cylindrical lenses can be made by injection molding. Commercially available grooved glass can also be used.
  • - The cylindrical lens array is mounted so that it lies in the beam path of the line illumination and generates a striped pattern when the line illumination is switched on.
  • - If you want to switch between different patterns, an electronic control must be built, which allows you to control all bulbs used individually or in groups.
  • - If special patterns and pattern sequences are to be generated, then the spatial arrangement of light and cylindrical lenses must be changed accordingly or optimized.

Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben.By way of example, embodiments of the invention are illustrated in the following figures and described in more detail.

Es zeigen:Show it:

1: schematisch das Konstruktionsprinzip einer Zeilenbeleuchtung in der Seitenansicht, 1 : schematically the construction principle of a line illumination in the side view,

2: den schematischen Aufbau der Vorrichtung als Zeilenbeleuchtung mit LED-Zeile in der Frontalansicht, 2 : the schematic structure of the device as line illumination with LED row in the front view,

3: schematisch eine Zeilenbeleuchtung mit Zylinderlinsen im Strahlengang und 3 schematically a line illumination with cylindrical lenses in the beam path and

4: schematisch ein System zur Generierung eindimensionaler Helligkeitsverteilungen 4 schematically a system for generating one-dimensional brightness distributions

In 1 ist schematisch das Konstruktionsprinzip einer Zeilenbeleuchtung in Seitenansicht zu sehen. Von einem Leuchtmittel 1 werden Lichtstrahlen 3 über einen eindimensionalen Reflektor 2 in einer Richtung, beispielsweise in z-Richtung, zu einem Zeilenlicht 3' fokussiert bzw. parallelisiert.In 1 schematically shows the design principle of a row illumination in side view. From a light source 1 become light rays 3 over a one-dimensional reflector 2 in one direction, for example in the z-direction, to a line light 3 ' focused or parallelized.

Alternativ kann die Fokussierung bzw. Parallelisierung der Lichtstrahlen 3 auch über eine Zylinderlinse anstelle des Reflektors 2 vorgenommen werden.Alternatively, the focusing or parallelization of the light beams 3 also via a cylindrical lens instead of the reflector 2 be made.

In 2 ist schematisch eine LED Zeile 1', umfassend mehrere Leuchtmittel 1 und einen Reflektor 2, in der Vorderansicht dargestellt. Die hohe Lichtintensität einer derartigen Zeilenbeleuchtung liegt darin begründet, dass das Licht entlang einer Zeile über eine große Anzahl von Leuchtmitteln 1, wie Lichtleiter oder LED's, emittiert wird.In 2 is schematically an LED line 1' comprising a plurality of bulbs 1 and a reflector 2 , shown in front view. The high light intensity of such line illumination is due to the fact that the light along a line over a large number of light sources 1 as light guides or LEDs is emitted.

Da die Lichtstrahlen 3 in Zeilenrichtung nicht fokussiert bzw. parallelisiert werden, ist das entstehende Zeilenlicht 3' im Allgemeinen sehr homogen, was für die meisten Applikationen auch so benötigt wird. Durch den dezentralen Aufbau der Leuchtmittel 1 ist eine Skalierung in Zeilenrichtung x ohne Verluste der Lichtintensität möglich.Because the light rays 3 not focused or parallelized in the row direction, is the resulting line light 3 ' generally very homogeneous, which is needed for most applications. Due to the decentralized structure of the bulbs 1 is a scaling in the row direction x without loss of light intensity possible.

3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern in Form von Streifen 6. Hierbei sind Leuchtmittel 1, die eine Leuchtmittelzeile, beispielsweise eine LED-Zeile 1' bilden, ein Reflektor 2 und ein Zylinderlinsenarray 5' vorgesehen, wobei das Zylinderlinsenarray 5' in den Strahlengang des Zeilenlichts 3' beabstandet von dem Leuchtmittel 1' in einem Abstand B angeordnet ist und ein Feld parallel angeordneter Zylinderlinsen 5 umfasst. 3 schematically shows an apparatus for generating light patterns in the form of stripes 6 , Here are bulbs 1 containing a row of illuminants, for example an LED row 1' form a reflector 2 and a cylindrical lens array 5 ' provided, wherein the cylindrical lens array 5 ' in the ray path of the line light 3 ' spaced from the Lamp 1' is arranged at a distance B and a field of parallel cylindrical lenses 5 includes.

Die Zylinderlinsen 5 fokussieren das von jedem einzelnen Leuchtmittel 1 emittierte Zeilenlicht 3', auf jeweils kleine Bereiche in Zeilenrichtung x. Durch das vom Reflektor 2 der Zeilenbeleuchtung parallelisierte Zeilenlicht 3' werden die von den Zylinderlinsen 5 fokussierten Bereiche als Streifen 6 in y-Richtung auf einer gedachten und schematisch dargestellten Messoberfläche 4 abgebildet. Die entstehenden Streifen 6 befinden sich in einem Abstand O von dem Zylinderlinsenarray 5'.The cylindrical lenses 5 Focus on every single light source 1 emitted line light 3 ' , on small areas in the row direction x. By the reflector 2 the row illumination parallelized line light 3 ' become the ones of the cylindrical lenses 5 focused areas as stripes 6 in the y-direction on an imaginary and schematically represented measuring surface 4 displayed. The resulting stripes 6 are at a distance O from the cylindrical lens array 5 ' ,

In 4 wird schematisch ein System zur Generierung eindimensionaler Helligkeitsverteilungen 11 darstellt.In 4 schematically a system for generating one-dimensional brightness distributions 11 represents.

Hierbei sind die sieben Größen

  • 1. Verteilung der Leuchtmittel, d. h. von der Positionen in Zeilenrichtung,
  • 2. Größe der Leuchtmittel, beispielsweise von der Breite in Zeilenrichtung,
  • 3. Verteilung der Linsen, d. h. von der Positionen in Zeilenrichtung,
  • 4. Größe der Linsen, von der Breite in Zeilenrichtung,
  • 5. Brennweite der Linsen,
  • 6. Abstand der Linsen zum Leuchtmittel,
  • 7. Abstand der Linsen zur Messobjektoberfläche.
als Eingänge 9 eines Systems 10 interpretierbar, dessen Ausgang ein eindimensionales Lichtmuster bzw. die eindimensionale Helligkeitsverteilung 11 liefert. Nur die beiden letzten Größen, also der Abstand B der Linsen 5 zum Leuchtmittel 1 bzw. zur gedachten Messobjektoberfläche 4 sind skalar, die anderen Eingänge sind Vektoren, d. h., für jedes Leuchtmittel 1 der Zeilenbeleuchtung gibt es eine Position Lx1, Lx2, ..., Lxn sowie eine Breite Lb1, Lb2, ..., Lbn, und für jede Linse 5 gibt es eine Position Zx1, Zx2, ..., Zxn, eine Breite Zb1, Zb2, ..., Zbn und eine Brennweite Zf1, Zf2, ..., Zfn.Here are the seven sizes
  • 1. Distribution of the lamps, ie from the positions in the row direction,
  • 2. size of the lamps, for example, the width in the row direction,
  • 3. distribution of the lenses, ie from the positions in the row direction,
  • 4. Size of the lenses, from the width in the row direction,
  • 5. focal length of the lenses,
  • 6. distance of the lenses to the illuminant,
  • 7. Distance of the lenses to the target surface.
as inputs 9 of a system 10 whose output can be interpreted as a one-dimensional light pattern or the one-dimensional brightness distribution 11 supplies. Only the last two sizes, so the distance B of the lenses 5 to the light source 1 or to the imaginary measuring object surface 4 are scalar, the other inputs are vectors, ie, for each light source 1 There is a position Lx1, Lx2, ..., Lxn and a width Lb1, Lb2, ..., Lbn, and for each lens 5 there is a position Zx1, Zx2, ..., Zxn, a width Zb1, Zb2, ..., Zbn and a focal length Zf1, Zf2, ..., Zfn.

Die Menge an Eingangsgrößen macht das System verhältnismäßig komplex. Die Eingänge können so gewählt werden, dass die entstehenden Streifenmuster für das anzuwendende photogrammetrische Verfahren möglichst gute Ergebnisse liefern. Wegen der Kompliziertheit des Systems sind herfür mehrdimensionale Optimierungsverfahren zu verwenden. Eine wichtige feste Randgröße ist hierbei das Messvolumen bzw. die maximale Höhe der zu messenden Objektoberfläche.The amount of input makes the system relatively complex. The inputs can be selected so that the resulting stripe patterns provide the best possible results for the photogrammetric method to be used. Because of the complexity of the system, multidimensional optimization methods are to be used. An important fixed edge size here is the measurement volume or the maximum height of the object surface to be measured.

Da der Abstand der Linsen 5 zur Messobjektoberfläche 4, die beispielsweise in 3 in der x-y-Ebene liegen könnte, eine Eingangsgröße des Systems darstellt, ändert sich das Streifenmuster 11 mit der Objekthöhe, bzw. mit dem Abstand O. Für einschrittige Messverfahren ist die Vorrichtung damit bereits vollständig, da hier in der Regel zeitinvariante Lichtmuster genutzt werden.Because the distance of the lenses 5 to the target surface 4 for example, in 3 in the xy plane, represents an input of the system, the fringe pattern changes 11 with the object height, or with the distance O. For one-step measurement method, the device is thus already complete, since time-invariant light patterns are usually used here.

Durch die deutliche Änderung der Muster in Abhängigkeit von der Höhe eines Messobjektes ergeben sich bessere Möglichkeiten zur photogrammetrischen Auswertung als bei Verwendung von Projektoren.The significant change in the pattern as a function of the height of a measured object gives better possibilities for photogrammetric evaluation than when using projectors.

Durch das Prinzip der Zeilenbeleuchtung lässt sich das System zumindest in Zeilenrichtung problemlos skalieren ohne an Lichtintensität zu verlieren. Orthogonal zur Zeile können mehrere baugleiche Beleuchtungen parallel angeordnet und betrieben werden, wodurch auch hier eine Skalierung möglich ist. Bei identischen Mustern gehen die Streifen dann ineinander über.Thanks to the principle of line illumination, the system can be easily scaled, at least in the line direction, without losing its light intensity. Orthogonal to the line, a plurality of identical lighting can be arranged and operated in parallel, whereby a scaling is possible here as well. With identical patterns, the strips then merge.

Eine maximale Lichtintensität wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung nicht zuletzt dadurch erzielt, dass die Lichtmuster nicht durch Verdeckung bzw. Abschattung entstehen, wie bei Projektion, sondern durch Bündelung von Licht. Ein Leistungsverlust ist lediglich an Linsen und Reflektor zu verzeichnen. Dieser Leistungsverlust ist aber verhältnismäßig gering.A maximum light intensity is achieved not least in the proposed device in that the light patterns are not caused by occlusion or shading, as in projection, but by bundling of light. A loss of power is recorded only on lenses and reflector. This power loss is relatively low.

Für photogrammetrische Mehrschrittverfahren werden zeitvariante Muster benötigt. Eine Zeitvarianz des Systems lässt sich aber nur durch eine Änderung der Eingangsgrößen erzielen. Sofern kein mechanischer Aufwand betrieben werden soll, lässt sich nur die Verteilung der Leuchtmittel verändern, was durch das ein- und abschalten einzelner Leuchtmittel realisiert werden kann.For photogrammetric multi-step processes, time-variant patterns are needed. However, a time variance of the system can only be achieved by changing the input variables. If no mechanical effort is to be operated, only the distribution of the light source can be changed, which can be realized by switching on and off individual lamps.

Beim Einsatz von LED's ist dies durch eine entsprechende Elektronik umsetzbar. Beim Einsatz von Lichtleitern, sind entsprechend unterschiedliche Primärlichtquellen zu verwenden, die sich unabhängig voneinander an- bzw. ausschalten lassen.When using LEDs, this can be implemented by appropriate electronics. When using optical fibers, correspondingly different primary light sources are to be used, which can be switched on and off independently of each other.

Durch die Verwendung von LED's können kurze Umschaltzeiten garantiert werden. Damit sind beste Voraussetzungen gegeben, die Vorrichtung auch für mehrschrittige Verfahren einzusetzen.By using LEDs short switching times can be guaranteed. Thus, the best conditions are given to use the device for multi-step processes.

Die dargestellten Figuren zeigen die Anwendbarkeit der entwickelten Vorrichtung und belegen Möglichkeiten zu deren Herstellung, wobei die Erfindung nicht auf die aufgezeigten Verwendungsmöglichkeiten und Materialien sowie Kombinationen dieser beschränkt ist.The illustrated figures show the applicability of the developed device and demonstrate possibilities for their production, the invention being not limited to the indicated uses and materials and combinations thereof.

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Claims (6)

Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern (6), umfassend zumindest eine eindimensional fokussierte Beleuchtungseinrichtung, mit zumindest einem Leuchtmittel (1) und einem Reflektor (2), wobei das von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte homogene Licht (3, 3') über ein Feld (5') von nebeneinander angeordneten Linsen (5) orthogonal zur Beleuchtungseinrichtung derart gebündelt vorliegt, dass parallel verlaufende Lichtstreifen abbildbar und spezifische eindimensionale Lichtmuster (6) erzeugbar sind.Device for generating light patterns ( 6 ), comprising at least one one-dimensionally focused illumination device, with at least one light source ( 1 ) and a reflector ( 2 ), wherein the homogeneous light generated by the illumination device ( 3 . 3 ' ) over a field ( 5 ' ) of juxtaposed lenses ( 5 ) is bundled orthogonal to the illumination device in such a way that parallel light stripes can be imaged and specific one-dimensional light patterns ( 6 ) are producible. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mehrere Leuchtmittel (1), beispielsweise LED's (1) vorgesehen sind und eine Leuchtmittelzeile (1') bilden und wobei die Lichtmuster (6) sich in verschiedenen Höhen und bei Variation der räumlichen Verteilung der Leuchtmittel (1) in der Beleuchtung deutlich voneinander unterscheiden.Apparatus according to claim 1, wherein a plurality of lighting means ( 1 ), for example LEDs ( 1 ) are provided and a row of illuminants ( 1' ) and where the light patterns ( 6 ) at different heights and with variation of the spatial distribution of the illuminants ( 1 ) in the lighting differ significantly from each other. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die entstehenden Lichtmuster (6) sich zur photogrammetrischen 3D-Oberflächenrekonstruktion mittels Ein- oder Mehrkamerasystemen in einem vorgegebenen Messvolumen eignen.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the device is designed such that the resulting light pattern ( 6 ) are suitable for photogrammetric 3D surface reconstruction by means of single or multiple camera systems in a given measurement volume. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in der Beleuchtungseinrichtung eingesetzten LED's (1) so ein- und ausschaltbar sind, dass für ein vorgegebenes Messvolumen verschiedene Lichtmuster (6) erzeugbar sind, die sich zur photogrammetrischen 3D-Oberflächenrekonstruktion mit mehrschrittigen Verfahren bei Ein oder Mehrkamerasystemen eignen.Device according to one of the preceding claims, wherein the LEDs used in the illumination device ( 1 ) are so switched on and off that for a given measurement volume different light patterns ( 6 ) which are suitable for photogrammetric 3D surface reconstruction with multi-step procedures in single or multi-camera systems. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Leuchtmittel (1) Lichtleitfasern verwendet werden, deren Primärlichtquellen schnell an- und abschaltbar sind.Device according to one of the preceding claims, wherein as lighting means ( 1 ) Optical fibers are used whose primary light sources can be quickly switched on and off. Baugruppe, umfassend zumindest zwei Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtungen parallel zueinander angeordnet sind, und ein Streifenmuster (11) orthogonal zu einer Zeile erweiterbar ist.An assembly comprising at least two devices according to one of the preceding claims, wherein the devices are arranged parallel to each other, and a stripe pattern ( 11 ) is orthogonal to a line expandable.
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