DE102013214997A1

DE102013214997A1 - Arrangement for three-dimensional detection of an elongated interior

Info

Publication number: DE102013214997A1
Application number: DE201310214997
Authority: DE
Inventors: Martin Kördel; Anton Schick; Wolfgang Heine; Patrick Wissmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05
Also published as: WO2015014652A1; EP2994717A1

Abstract

Es wird eine Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsachse mittels aktiver Triangulation angegeben. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst eine Strahlformungseinheit die im Wesentlichen unabhängig von den Gestaltungen einer Beleuchtungseinheit und einer Erfassungseinheit ist und die Projektion einer Lichtlinie auf eine Innenkontur des Innenraumes ermöglicht. Zudem ermöglicht die Strahlformungseinheit die Rückführung eines Abbildes der projizierten Lichtlinie zur Erfassungseinheit.An arrangement for the three-dimensional detection of an elongate interior space with a longitudinal axis by means of active triangulation is specified. The arrangement according to the invention comprises a beam-shaping unit which is essentially independent of the configurations of a lighting unit and a detection unit and enables the projection of a light line onto an inner contour of the interior space. In addition, the beam-shaping unit allows the return of an image of the projected light line to the detection unit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsachse mittels aktiver Triangulation. The invention relates to an arrangement for the three-dimensional detection of an elongated interior with a longitudinal axis by means of active triangulation.

Optische Triangulationsmethoden werden vielseitig eingesetzt um Oberflächen oder die gesamte geometrische Form von dreidimensionalen Objekten berührungsfrei zu vermessen. Nach dem Stand der Technik wird bei der Lasertriangulation beispielsweise eine vorher erzeugte Laserline auf das zu vermessende dreidimensionale Objekt projiziert. Die Reflektion der Laserlinie wird anschließend mit einer Kamera unter einem festen Winkel, dem Triangulationswinkel, aufgenommen. Aus der geometrischen Anordnung kann dann die dreidimensionale Form des Messobjektes durch trigonometrische Beziehungen ermittelt werden. Generell werden passive und aktive Triangulationsverfahren unterschieden. Aktive Verfahren besitzen im Gegensatz zu passiven eine strukturierte Beleuchtungseinheit, beispielsweise einen Laser oder eine Laserdiode. Optical triangulation methods are used in a variety of ways to measure surfaces or the entire geometric shape of three-dimensional objects without contact. In the prior art, laser triangulation, for example, is used to project a previously generated laser line onto the three-dimensional object to be measured. The reflection of the laser line is then recorded with a camera at a fixed angle, the triangulation angle. From the geometric arrangement, the three-dimensional shape of the measurement object can then be determined by trigonometric relationships. In general, a distinction is made between passive and active triangulation methods. In contrast to passive ones, active methods have a structured illumination unit, for example a laser or a laser diode.

Eine nach dem Stand der Technik schwierige Aufgabe ist die berührungsfreie Vermessung von Spalten oder Nuten oder allgemein von stark eingeschränkten Innenräumen, die eine Breite im Bereich von wenigen Zentimeter und kleiner besitzen und deren Tiefen- zu Breitenverhältnis nahe bei eins und größer liegt. Insbesondere im Flugzeugbau treten Spalte oder Nuten mit den genannten Maßen auf. Zudem besitzen diese meistens eine komplizierte Innenkontur, so dass Abschattungen auftreten, die eine möglichst genaue Vermessung behindern. Im Flugzeugbau typisch sind Nuten mit einer tannenbaumförmigen Innenkontur, sogenannte Disc-Steeples die als Halterung von Turbinenschaufeln dienen. Die Nut zwischen den Steeples gestattet nur einen sehr begrenzten Zugang zu den Innenflächen bzw. zu dem zu vermessenden Raumbereich. Nach dem Stand der Technik kann daher deren berührungsfreie Vermessung nur mittels endoskopischen Systemen oder 3D-Scannern ausgeführt werden. Ein Nachteil der genannten Systeme ist jedoch, dass ihr Messfeld aufgrund ihrer Bauart nur eine geringe optische Übertragungsleistung besitzt. Zudem wird nie die gesamte Innenkontur der Nut oder des Spaltes durch die genannten Systeme erfasst. Durch die unzureichende Ausdehnung des Messfeldes steigen die Messabweichungen, da mehrere Einzelmessungen zu einer Gesamtmessung des Spaltes oder der Nut herangezogen werden müssen. Insbesondere bei endoskopischen Systemen erhöhen sich dadurch in der Regel die Messabweichungen. Nach dem Stand der Technik können auch taktile Messungen durchgeführt werden, die allerdings nur punktuelle Messungen erlauben. A difficult task in the prior art is the non-contact measurement of gaps or grooves, or generally of severely restricted interior spaces, which have a width in the range of a few centimeters and smaller and whose depth to width ratio is close to one and greater. Especially in aircraft column or grooves occur with the dimensions mentioned. In addition, these usually have a complicated inner contour, so that shadowing occur that impede the most accurate measurement possible. Typical in aircraft are grooves with a fir-tree-shaped inner contour, so-called disc steeples which serve as a support for turbine blades. The groove between the Steeples allows only a very limited access to the inner surfaces or to the space to be surveyed. According to the prior art, therefore, their non-contact measurement can only be performed by means of endoscopic systems or 3D scanners. A disadvantage of the systems mentioned, however, is that their measuring field has only a low optical transmission power due to its design. In addition, the entire inner contour of the groove or the gap is never detected by the systems mentioned. Due to the insufficient expansion of the measurement field, the measurement deviations increase, since several individual measurements must be used for an overall measurement of the gap or the groove. In particular, in endoscopic systems thereby increase the measurement errors usually. According to the state of the art, tactile measurements can also be carried out, which, however, only allow punctual measurements.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Anordnung mit einer Beleuchtungseinheit, einer Erfassungseinheit und einer Strahlformungseinheit anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet. Object of the present invention is to provide an arrangement with a lighting unit, a detection unit and a beam forming unit, which avoids the disadvantages mentioned.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch den Anspruch 12 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. The object is achieved by an arrangement having the features of the independent claim 1. With regard to the method, the object is achieved by the claim 12. In the dependent claims advantageous refinements and developments of the invention are given.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsache umfasst eine Beleuchtungseinheit zur Erzeugung einer strukturierten Beleuchtung, eine Erfassungseinheit zur Aufnahme bzw. zur Erfassung eines Abbildes und eine Strahlformungseinheit. Die Strahlformungseinheit ist zur Wandlung eines von der Beleuchtungseinheit ausgehenden Lichtes in eine fächerartige Lichtfläche ausgebildet. Weiterhin wird durch die Strahlformungseinheit ein Abbild von am Innenraum reflektiertem Licht der Lichtfläche zur Erfassungseinheit zurückgeführt. The arrangement according to the invention for the three-dimensional detection of an elongate interior space with a longitudinal axis comprises a lighting unit for producing a structured illumination, a detection unit for recording or for acquiring an image and a beam shaping unit. The beam shaping unit is designed to convert a light emanating from the lighting unit into a fan-shaped light area. Furthermore, an image of light reflected on the interior of the light surface is returned to the detection unit by the beam shaping unit.

Der Innenraum kann insbesondere eine länglich ausgebildete Spalte oder Nut sein, die wenige Zentimeter breit ist und beispielsweise ein Tiefen- zu Breitenverhältnis aufweist, das größer gleich eins ist. Vorteilhafterweise befindet sich die Strahlformungseinheit innerhalb des Innenraumes. Besonders vorteilhaft ist, dass durch die fächerartige Lichtfläche, die von der Strahlformungseinheit ausgeht, im Wesentlichen eine gesamte Innenkontur des Innenraumes mit einer Lichtlinie beleuchtet wird. Hierbei verläuft die Innenkontur in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Innenraumes. Es wird somit eine Lichtlinie auf die gesamte Innenkontur des Innenraumes projiziert. Dadurch kann mittels genau eines Abbildes der Lichtlinie, das die Erfassungseinheit erfasst, ein Tiefenprofil der Innenkontur durch Triangulation (Laser-Line-Triangulation) ermittelt werden. Das Zusammenführen von partiellen Abbildern zu einem Abbild (Stitching) der gesamten Innenkontur kann dadurch vermieden werden, so dass sich Messabweichungen reduzieren. In particular, the interior may be an elongate column or groove that is a few centimeters wide and has, for example, a depth to width ratio greater than or equal to one. Advantageously, the beam shaping unit is located inside the interior. It is particularly advantageous that substantially an entire inner contour of the interior is illuminated by a light line through the fan-like light surface, which emanates from the beam-shaping unit. Here, the inner contour extends in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the interior. It is thus projected a light line on the entire inner contour of the interior. As a result, by means of exactly one image of the light line which detects the detection unit, a depth profile of the inner contour can be determined by triangulation (laser line triangulation). The merging of partial images to an image (stitching) of the entire inner contour can be avoided, so that reduce measurement errors.

Die von der Beleuchtungseinheit und der Erfassungseinheit unabhängige Anordnung im Innenraum wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Strahlformungseinheit ermöglicht. Die Strahlformungseinheit ist unabhängig von der Anordnung der Beleuchtungseinheit und der Erfassungseinheit zur Projektion einer Lichtlinie und zur Rückführung der vom Innenraum reflektierten Lichtlinie ausgebildet. Die Strahlformungseinheit kann Spiegel, Prismen, Linsen und/oder allgemein diffraktive optische Gegenstände umfassen. Durch die Anordnung der Strahlformungseinheit innerhalb des Innenraumes, insbesondere in einer Spalte oder Nut, lassen sich Hinterschneidungen und Abschattungen bei Innenräumen mit einer komplexen Innenkontur, insbesondere bei Innenräumen mit einem Tannenbaumprofil (Disc-Steeples), bei der Projektion und/oder bei der Aufnahme des Abbildes vermeiden. Hierdurch können Messabweichungen verhindert werden. The arrangement in the interior which is independent of the lighting unit and the detection unit is made possible by the design of the beam shaping unit according to the invention. The beam shaping unit is formed independently of the arrangement of the illumination unit and of the detection unit for the projection of a light line and for the return of the light line reflected from the interior. The beam shaping unit may comprise mirrors, prisms, lenses and / or generally diffractive optical articles. By the arrangement of the beam shaping unit within the interior, In particular, in a column or groove, undercuts and shading in interiors with a complex inner contour, especially in interiors with a Christmas tree profile (disc steeples), in the projection and / or in the recording of the image can be avoided. As a result, measurement deviations can be prevented.

Durch die Anordnung der Strahlformungseinheit innerhalb eines Innenraumes wird zudem eine Anpassung der Strahlformungseinheit und somit der Triangulation an die Platzverhältnisse des Innenraumes ermöglicht. Ein Vorteil der Verlagerung der Strahlformungseinheit in den Innenraum ist, dass keinerlei Einschränkungen in der Baugröße und der Qualität von Beleuchtungseinheit und von Erfassungseinheit existieren. So kann vorteilhafterweise die Auflösung der Beleuchtungseinheit, die beispielsweise eine Kamera ist, oder die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinheit optimal auf die Erfordernisse, die sich aus der geforderten Genauigkeit der Messwerte ergeben abgestimmt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass elektronische Komponenten, beispielsweise die Kamera- und Lichtquellenelektronik, sich außerhalb des Innenraumes befinden, was besonderes bei hohen Temperaturschwankungen des Innenraumes und/oder Verschmutzungen von Vorteil ist. Due to the arrangement of the beam-shaping unit within an interior, an adaptation of the beam-shaping unit and thus of the triangulation to the space conditions of the interior space is also made possible. An advantage of the displacement of the beam shaping unit into the interior is that there are no restrictions on the size and quality of the lighting unit and the detection unit. Thus, advantageously, the resolution of the illumination unit, which is, for example, a camera, or the illuminance of the illumination unit can be optimally matched to the requirements resulting from the required accuracy of the measured values. Another advantage is that electronic components, such as the camera and light source electronics, are located outside of the interior, which is particularly advantageous for high temperature fluctuations of the interior and / or contamination.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsachse mittels aktiver Triangulation werden die folgenden Schritte durchgeführt:
Projektion einer Lichtlinie auf eine gesamte Innenkontur eines Innenraumes mittels einer von einer Strahlformungseinheit ausgehenden fächerartigen Lichtfläche;
Aufnahme eines durch die Strahlformungseinheit rückgeführten Abbildes der projizierten Lichtlinie mittels der Erfassungseinheit;
Erstellung eines Tiefenprofils der Innenkontur aus dem Abbild. In the method according to the invention for the three-dimensional detection of an elongate interior space with a longitudinal axis by means of active triangulation, the following steps are carried out:
Projecting a light line on an entire inner contour of an interior space by means of a fan-like light surface emanating from a beam-shaping unit;
Recording an image of the projected light line returned by the beam-shaping unit by means of the detection unit;
Creation of a depth profile of the inner contour from the image.

Das Verfahren ermöglicht die dreidimensionale Vermessung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsachse, insbesondere einer Spalte oder Nut mittels aktiver Triangulation. Hierbei projiziert die Strahlformungseinheit, die sich vorteilhafterweise innerhalb des Innenraumes befindet, eine Lichtlinie auf eine Innenkontur des Innenraumes mittels einer von der Strahlformungseinheit ausgehenden fächerartigen Lichtfläche. The method allows the three-dimensional measurement of an elongated interior space with a longitudinal axis, in particular a column or groove by means of active triangulation. In this case, the beam shaping unit, which is advantageously located inside the interior, projects a line of light onto an inner contour of the interior space by means of a fan-shaped light surface emanating from the beam shaping unit.

Weiterhin führt die Strahlformungseinheit ein Abbild der projizierten Lichtlinie zur Erfassung bzw. Aufnahme zur Erfassungseinheit. Aus dem Abbild der projizierten Lichtlinie wird anschließend ein Tiefenprofil und somit die dreidimensionale Struktur der Innenkontur erstellt. Furthermore, the beam-shaping unit carries an image of the projected light line for detection or recording to the detection unit. From the image of the projected light line, a depth profile and thus the three-dimensional structure of the inner contour is then created.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ermöglicht die Strahlformungseinheit einen Triangulationswinkel im Bereich von 0° bis 90°. Zweckmäßigerweise befindet sich die Strahlformungseinheit innerhalb des Innenraumes, insbesondere innerhalb einer Spalte oder Nut. Hierdurch können Triangulationswinkel im Winkelbereich von 0° bis 90° erreicht werden, ohne die Beleuchtungseinheit und/oder Erfassungseinheit zu modifizieren. Die Triangulationsgeometrie kann dadurch in den Innenraum, also an den Ort der Messung, verlagert werden. In an advantageous development, the beam shaping unit allows a triangulation angle in the range of 0 ° to 90 °. Expediently, the beam shaping unit is located inside the interior, in particular within a gap or groove. As a result, triangulation angles in the angular range of 0 ° to 90 ° can be achieved without modifying the illumination unit and / or detection unit. The triangulation geometry can thereby be shifted into the interior, ie to the location of the measurement.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Anordnung Mittel zur Änderung des Triangulationswinkels. Dadurch kann die Strahlformungseinheit an die Gegebenheiten des Innenraumes optimal und im Wesentlichen unabhängig von der Beleuchtungseinheit und der Erfassungseinheit angepasst sein. In an advantageous development, the arrangement comprises means for changing the triangulation angle. As a result, the beam shaping unit can be adapted to the conditions of the interior space optimally and substantially independently of the illumination unit and the detection unit.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Strahlformungseinheit zur Formung einer homogen ausgeleuchteten fächerartigen Lichtfläche ausgebildet. Dadurch wird die Innenkontur des Innenraumes, insbesondere die Innenkontur eines Spaltes oder einer Nut, im Wesentlichen homogen ausgeleuchtet. Hierdurch werden die Messabweichungen verringert. In an advantageous development, the beam shaping unit is designed to form a homogeneously illuminated fan-shaped light surface. As a result, the inner contour of the inner space, in particular the inner contour of a gap or a groove, is illuminated substantially homogeneously. This reduces the measurement errors.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Anordnung Mittel zum Verfahren der Anordnung entlang der Längsachse des Innenraumes auf. Hierdurch wird für jede Position entlang der Längsachse ein Abbild und somit ein Tiefenprofil der Innenkontur mittels Triangulation gewonnen. Dadurch wird eine gesamte Triangulation des länglichen Innenraumes, insbesondere eines Spaltes oder einer Nut ermöglicht. According to an advantageous development, the arrangement comprises means for moving the arrangement along the longitudinal axis of the inner space. As a result, an image and thus a depth profile of the inner contour is obtained by means of triangulation for each position along the longitudinal axis. As a result, an entire triangulation of the elongated interior, in particular a gap or a groove is made possible.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Strahlformungseinheit eine optische Freiformfläche. Hierbei kann die Freiformfläche auf Grundlage von Brechung, Beugung (DOEs), Phasengitter und/oder Mischformen Lichtstrahlen der fächerartigen Lichtfläche zweckmäßig anpassen. Ist die Erfassungseinheit beispielsweise eine Kamera, so kann vorteilhafterweise durch eine Freiformfläche die Zahl der pro Flächenelement des Innenraumes bzw. der Innenkontur zur Verfügung stehenden Kamerapixel im Wesentlichen konstant gehalten oder an ausgewählten Stellen gesteigert und/oder verringert werden. Dadurch verringern sich Messabweichungen signifikant. In an advantageous embodiment, the beam shaping unit comprises an optical freeform surface. Here, the free-form surface based on refraction, diffraction (DOEs), phase grating and / or mixing forms light beams of fan-shaped light surface appropriately adjust. If the detection unit is, for example, a camera, the number of camera pixels available per area element of the interior space or inner contour can advantageously be kept essentially constant or increased and / or reduced at selected locations by a free-form surface. This significantly reduces measurement errors.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Freiformfläche zur Formung eines tiefenscharfen Abbildes der am Innenraum reflektierten fächerartigen Lichtfläche ausgebildet. Dadurch folgt vorteilhafterweise der Fokus der Erfassungseinheit der Innenkontur, so dass im Wesentlichen die gesamte Innenkontur des Innenraumes scharf abgebildet wird. Messabweichungen werden dadurch signifikant reduziert. In an advantageous development, the free-form surface is designed to form a deep-focused image of the fan-shaped light surface reflected on the interior. This advantageously follows the focus of the detection unit of the inner contour, so that substantially the entire inner contour of the interior is shown in focus. Measurement deviations are significantly reduced as a result.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Strahlformungseinheit eine Feldlinse. Eine Feldlinse, wie beispielsweise die letzte objektseitige Linse eines telezentrischen Objektivs, wird im Allgemeinen möglichst nahe zur vermessenden Objektoberfläche angeordnet. Vorteilhafterweise kann die Strahlformungseinheit innerhalb des Innenraumes, insbesondere innerhalb einer Spalte oder Nut angeordnet sein, so dass eine möglichst objektnahe Anordnung zur Innenkontur ermöglicht wird. Weiterhin kann der Strahlengang zwischen der Feldlinse und den weiteren Komponenten der Strahlformungseinheit mehrfach umgelenkt werden, so dass eine kompakte Bauform realisiert werden kann. Dadurch lassen sich die Vorteile einer makroskopischen Optik, wie beispielsweise solche von telezentrischen Objektiven, zur dreidimensionalen Vermessung eines Innenraumes nutzen. In an advantageous development, the beam shaping unit comprises a field lens. A field lens, such as the last object-side lens of a telecentric lens, is generally placed as close as possible to the object surface to be measured. Advantageously, the beam shaping unit can be arranged within the interior, in particular within a gap or groove, so that an arrangement as close to the object as possible to the inner contour is made possible. Furthermore, the beam path between the field lens and the other components of the beam shaping unit can be deflected several times, so that a compact design can be realized. As a result, the advantages of a macroscopic optics, such as those of telecentric lenses, for the three-dimensional measurement of an interior space can be used.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Strahlformungseinheit eine rechteckförmige Feldlinse. Dadurch ist die Feldlinse an die längliche Form des Innenraumes angepasst. In an advantageous development, the beam shaping unit comprises a rectangular field lens. As a result, the field lens is adapted to the elongated shape of the interior.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Beleuchtungseinheit als eine strukturierte Laserlichtquelle ausgebildet. Vorteilhafterweise ermöglicht ein Laser die Projektion einer schmalen, homogenen und intensitätsstarken Laserlinie auf die Innenkontur des Innenraumes. Hierbei kann die Beleuchtungseinheit zusätzliche strahlformende Komponenten ausweisen. According to an advantageous development, the illumination unit is designed as a structured laser light source. Advantageously, a laser allows the projection of a narrow, homogeneous and high-intensity laser line on the inner contour of the interior. In this case, the lighting unit can identify additional beam-forming components.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Erfassungseinheit eine Kamera, deren Anzahl der Bildpunkte größer gleich 1920 × 1080 ist. Vorteilhafterweise ist die Kamera außerhalb des Innenraumes angeordnet. Dadurch kann die Kamera einen Bildsensor mit einer großen Anzahl von Bildpixel aufweisen. Hierdurch wird die gesamte Innenkontur in einer Aufnahme mit einer hohen Auflösung erfasst, so dass sich Messabweichungen reduzieren. In an expedient embodiment, the detection unit is a camera whose number of pixels is greater than or equal to 1920 × 1080. Advantageously, the camera is arranged outside the interior. This allows the camera to have an image sensor with a large number of image pixels. As a result, the entire inner contour is recorded in a recording with a high resolution, so that reduce measurement errors.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei dem Verfahren die erfindungsgemäße Anordnung entlang der Längsachse des Innenraumes verfahren. Insbesondere ist der Innenraum eine längliche Spalte oder Nut, entlang dessen Längsachse verfahren wird. Dadurch wird für jede einzelne Position entlang des Verfahrwegs ein Abbild und somit ein Tiefenprofil der Innenkontur gewonnen. In an advantageous development, the method according to the invention is moved along the longitudinal axis of the interior in the method. In particular, the interior is an elongated column or groove, is moved along the longitudinal axis. As a result, an image and thus a depth profile of the inner contour is obtained for each individual position along the travel path.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden die partiell gewonnen Tiefenprofile zu einem gesamten Abbild des Innenraumes zusammengesetzt. Vorteilhaft ist ein computerunterstütztes Zusammensetzen. Dadurch ergibt sich ein im Wesentlichen vollständiges dreidimensionales Abbild des Innenraumes. According to an advantageous development, the partially obtained depth profiles are combined to form an entire image of the interior. A computer-assisted assembly is advantageous. This results in a substantially complete three-dimensional image of the interior.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von fünf bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angehängte Zeichnung beschrieben, in der The invention will be described below with reference to five preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which

1 eine dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt zur Erfassung einer Nut mit einer tannenbaumartigen Innenkontur, 1 a three-dimensional representation of the arrangement according to the invention shows for detecting a groove with a fir-tree-like inner contour,

2 eine seitliche schematische Ansicht entlang einer Längsachse der Nut zeigt, 2 shows a lateral schematic view along a longitudinal axis of the groove,

3 einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse der Nut zeigt, 3 shows a cross section perpendicular to the longitudinal axis of the groove,

4 eine erste Anordnung der Freiformfläche innerhalb der Nut darstellt, 4 represents a first arrangement of the freeform surface within the groove,

5 eine zweite Anordnung der Freiformfläche innerhalb der Nut verdeutlicht. 5 illustrates a second arrangement of the free-form surface within the groove.

1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Anordnung 1 zur Erfassung bzw. zur dreidimensionalen Vermessung eines Innenraumes 2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Innenraum 2 eine Nut die sich entlang einer Längsachse 3 erstreckt und eine gekrümmte Innenkontur 12 aufweist. Die dargestellte Innenkontur 12 ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel tannenbaumartig. Weiterhin umfasst 1 einen Laser 4, eine Kamera 6 und eine Strahlformungseinheit 8. Laser 4 und/oder Kamera 6 können weitere Strahlformungskomponenten wie beispielsweise Linsen, Objektive und/oder Spiegel zur Strahlführung aufweisen. Hierbei befindet sich der Laser 4 und die Kamera 6 vorteilhafterweise außerhalb der Nut 2, so dass keine geometrischen Einschränkungen für deren Form vorhanden sind. Insbesondere kann die Kamera 6 dadurch einen Bildsensor mit einer hohen Auflösung umfassen. Die Strahlformungseinheit 8, die das vom Laser 4 ausgehende Licht 5 in eine fächerartige Lichtfläche 10 wandelt, projiziert dadurch eine Lichtlinie 11 auf die Innenkontur 12 der Nut 2. Vorteilhafterweise befindet sich die Strahlformungseinheit 8 innerhalb der Nut 2 und ist prismenförmig ausgebildet. Dadurch ermöglicht die Strahlformungseinheit 8, die im Wesentlichen vollständige Ausleuchtung der Innenkontur 12 der Nut 2. Weiterhin ermöglicht die Strahlformungseinheit 8 eine Rückführung 14 des Abbildes der projizierten Laserlinie 11 zur Kamera 6. Durch die in 1 gezeigte Anordnung 1 ist somit die Strahlformungseinheit 8 von der Ausführung des Lasers 4 und der Kamera 6 im Wesentlichen unabhängig. Dadurch kann die Strahlformungseinheit 8 optimal auf die räumlichen Gegebenheiten innerhalb der Nut 2 angepasst werden, ohne den Laser 4 und/oder die Kamera 6 in ihrer Bauweise einzuschränken. Vorteilhafterweise kann durch die zweckmäßige Anordnung innerhalb der Nut 2 ein Triangulationswinkel 24 im Bereich von 0° bis 90° realisiert werden. 1 shows a three-dimensional representation of the arrangement 1 for recording or for three-dimensional measurement of an interior space 2 , In the illustrated embodiment, the interior 2 a groove extending along a longitudinal axis 3 extends and a curved inner contour 12 having. The illustrated inner contour 12 is fir-tree-like in the embodiment shown here. Furthermore includes 1 a laser 4 , a camera 6 and a beam shaping unit 8th , laser 4 and / or camera 6 may comprise further beam shaping components such as lenses, lenses and / or mirrors for beam guidance. Here is the laser 4 and the camera 6 advantageously outside the groove 2 so that there are no geometric constraints on their shape. In particular, the camera can 6 thereby comprise an image sensor with a high resolution. The beam-shaping unit 8th that's from the laser 4 outgoing light 5 in a fan-like light area 10 transforms, thereby projecting a light line 11 on the inner contour 12 the groove 2 , Advantageously, the beam shaping unit is located 8th inside the groove 2 and is prism-shaped. This allows the beam shaping unit 8th , which is essentially complete illumination of the inner contour 12 the groove 2 , Furthermore, the beam-shaping unit allows 8th a return 14 the image of the projected laser line 11 to the camera 6 , By the in 1 shown arrangement 1 is thus the beam shaping unit 8th from the execution of the laser 4 and the camera 6 essentially independent. As a result, the beam shaping unit 8th optimal on the spatial conditions within the groove 2 be adjusted without the laser 4 and / or the camera 6 restrict in their construction. Advantageously, by the appropriate arrangement within the groove 2 a triangulation angle 24 be realized in the range of 0 ° to 90 °.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird durch die Anordnung 1 ein Abbild der an einer Stelle auf die Innenkontur 12 projizierten Laserlinie 11 durch die Kamera 6 erfasst. Aus den erfassten Abbildern kann dann ein Tiefenprofil der Innenkontur 12 ermittelt bzw. berechnet werden. Die Verfahrbarkeit der Anordnung 1 längs der Längsachse 3 der Nut 2 ermöglicht für jede Stelle entlang der Längsachse 3 die Erstellung eines Tiefenprofils. Anschließend lassen sich die partiellen Tiefenprofile zu einem dreidimensionalen Abbild der gesamten Nut 2 zusammensetzen. In the embodiment shown is by the arrangement 1 an image of at one point on the inner contour 12 projected laser line 11 through the camera 6 detected. From the captured images can then be a depth profile of the inner contour 12 calculated or calculated. The mobility of the arrangement 1 along the longitudinal axis 3 the groove 2 allows for any position along the longitudinal axis 3 the creation of a depth profile. Subsequently, the partial depth profiles can be made into a three-dimensional image of the entire groove 2 put together.

2 zeigt einen Querschnitt längs der Längsachse 3 der Nut 2. Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte schematische Anordnung umfasst wiederum den Laser 4, die Strahlformungseinheit 8, die Kamera 6 und gegebenenfalls weitere Strahlformungskomponenten bzw. Strahlführungskomponenten 22. Wie in 1 beschrieben befindet sich die Strahlformungseinheit 8 innerhalb der Nut 2. Der Laser 4 und die Kamera 6 befinden sich außerhalb der Nut 2. Hieraus ergeben sich die gleichen Vorteile wie bereits in 1. Die Strahlformungseinheit 8 projiziert eine Laserline 11 auf eine in dieser Darstellung nicht sichtbare Innenkontur 12. Anschließend führt die Strahlformungseinheit 8 ein Abbild der projizierten Laserline 11 zur Kamera 6 zur Auswertung zurück. 2 shows a cross section along the longitudinal axis 3 the groove 2 , The schematic arrangement shown in this embodiment again comprises the laser 4 , the beam shaping unit 8th , the camera 6 and optionally further beam shaping components or beam guiding components 22 , As in 1 described is the beam shaping unit 8th inside the groove 2 , The laser 4 and the camera 6 are outside the groove 2 , This results in the same advantages as already in 1 , The beam-shaping unit 8th projects a laser line 11 on a not visible in this representation inner contour 12 , Subsequently, the beam shaping unit leads 8th an image of the projected laser line 11 to the camera 6 back to the evaluation.

3 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse 3 der Nut 2. Weiterhin zeigt 3 die Strahlformungseinheit 8 und deren Anordnung innerhalb der Nut 2. Zusätzlich zu den Elementen der 1, 2 weist dieses Ausführungsbeispiel eine Feldlinse 18 auf. Vorteilhafterweise befindet sich die Feldlinse 18 zwischen der Strahlformungseinheit 8 und der Innenkontur 12. Hierbei kann die Feldlinse 18 rechteckförmig ausgebildet sein, da bei der Lasertriangulation nur der Bereich auf den die Laserlinie 11 projiziert wird auf den Bildsensor der Kamera 6 abgebildet werden muss. Zudem ist die Feldlinse 18 so an die Platzverhältnisse innerhalb der Nut 2 angepasst. Durch die Feldlinse 18 können Hinterschneidungen bzw. Abschattungen bei komplexen Innenkonturen 12 zusätzlich vermieden werden, so dass sich Messabweichungen verringern 3 shows a cross section perpendicular to the longitudinal axis 3 the groove 2 , Further shows 3 the beam shaping unit 8th and their arrangement within the groove 2 , In addition to the elements of the 1 . 2 this embodiment has a field lens 18 on. Advantageously, the field lens is located 18 between the beam shaping unit 8th and the inner contour 12 , Here, the field lens 18 be formed rectangular, since in laser triangulation only the area on the laser line 11 is projected onto the image sensor of the camera 6 must be displayed. In addition, the field lens 18 so to the space within the groove 2 customized. Through the field lens 18 can undercuts or shadowing complex inner contours 12 be additionally avoided, so that reduce measurement errors

4 veranschaulicht eine Anordnung einer Freiformfläche 16 innerhalb der Nut 2. Zudem umfasst 4 eine Feldlinse 18. Lichtstrahlen 20 die zur fächerartigen Lichtfläche 10 korrespondieren werden durch die Freiformfläche 16 so geführt, dass sich eine Homogenisierung der Pixeldichte pro Flächenelement ergibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gelingt die Führung der Lichtstrahlen 20 durch die Freiformfläche 16 mittels Brechung. 4 illustrates an arrangement of a freeform surface 16 inside the groove 2 , It also includes 4 a field lens 18 , light rays 20 the fan-like light surface 10 will correspond through the freeform surface 16 guided so that there is a homogenization of the pixel density per surface element. In the illustrated embodiment, the leadership of the light beams succeed 20 through the freeform surface 16 by refraction.

5 zeigt die gleichen Elemente wie 4. Die Freiformfläche 16 bricht nun die Lichtstrahlen 20 so, dass ein Fokus 26 stets entlang der Innenkontur 12 verläuft. Dadurch wird die Innenkontur unabhängig von ihrem Tiefenverlauf stets scharf abgebildet. So können Messabweichungen signifikant reduziert werden. 5 shows the same elements as 4 , The freeform surface 16 now breaks the rays of light 20 so that a focus 26 always along the inner contour 12 runs. As a result, the inner contour is always sharply displayed regardless of its depth. Thus, measurement deviations can be significantly reduced.

Claims

Arrangement ( 1 ) for three-dimensional detection of an elongated interior space ( 2 ) with a longitudinal axis ( 3 ) by means of active triangulation, comprising a lighting unit ( 4 ), a registration unit ( 6 ) and a beam shaping unit ( 8th ), characterized in that the beam-shaping unit ( 8th ) is formed and to the lighting unit ( 4 ) is arranged that one of the lighting unit ( 4 ) outgoing light ( 5 ) into one of the beam-shaping unit ( 8th ) outgoing fan-like light surface ( 10 ) is converted; an image of the interior ( 2 ) reflected light ( 14 ) of the light surface ( 10 ) to the registration unit ( 6 ) is returned.

Arrangement ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the beam-shaping unit ( 8th ) for shaping the fan-like light surface ( 10 ), so that a triangulation angle ( 24 ) between the incident on the interior and the interior of the fan-shaped light surface ( 10 . 14 ) is in the range of 0 ° to 90 °.

Arrangement ( 1 ) according to claim 2 with means for changing the triangulation angle ( 24 ).

Arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the beam-shaping unit ( 8th ) for forming a homogeneously illuminated fan-like light surface ( 10 ) is trained.

Arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims with means for moving the device ( 1 ) along the longitudinal axis ( 3 ) of the interior ( 2 ).

Arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the beam-shaping unit ( 8th ) an optical freeform surface ( 16 ).

Arrangement ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the freeform surface ( 16 ) for forming a deep-sharp image of the interior ( 2 ) reflect fan-shaped light surface ( 14 ) is trained.

Arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the beam-shaping unit ( 8th ) at least one lens ( 18 ), which is formed as a field lens.

Arrangement ( 1 ) according to claim 8, with a rectangular, in particular elongated field lens ( 18 ).

Arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the lighting unit ( 4 ) is a structured laser light source.

Arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the detection unit ( 6 ) is a camera, where the number of pixels is greater than or equal to 1920 × 1080.

Method for three-dimensional detection of an elongate interior space ( 2 ) with a longitudinal axis ( 3 ), in which in particular an arrangement ( 1 ) according to any one of the preceding claims and comprising at least the following steps: projection of a light line ( 11 ) on an entire inner contour ( 12 ) of an interior ( 2 ) by means of one of a beam-shaping unit ( 8th ) outgoing fan-shaped light surface ( 10 ); Receiving one by the beam shaping unit ( 8th ) returned image of the projected light line ( 11 ) by means of the registration unit ( 6 ); Creation of a depth profile of the inner contour ( 12 ) from the image.

Method according to Claim 12, in which the arrangement according to the invention ( 1 ) along a longitudinal axis ( 3 ) of the interior ( 2 ).

Method according to Claim 13, in which the individual depth profiles form an overall image of the interior space ( 2 ).