DE102014110536A1

DE102014110536A1 - Lichtprojektor

Info

Publication number: DE102014110536A1
Application number: DE102014110536.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Weniger; Gerhard Blahusch; Jean-Marc Nivet; Christian Pfau
Original assignee: E Zoller GmbH and Co KG; E Zoller GmbH and Co KG Einstell und Messgeraete
Current assignee: E Zoller GmbH and Co KG; E Zoller GmbH and Co KG Einstell und Messgeraete
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-01-28
Also published as: EP3172529A2; WO2016012591A2; WO2016012591A3

Abstract

Es wird ein Lichtprojektor (10), insbesondere eines Werkzeugmessgeräts (12), vorgeschlagen, der eine Recheneinheit (14) aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein Bilddatenpaket (16) zu bearbeiten.

Description

Stand der Technik
Es sind bereits Lichtprojektoren bekannt, um dreidimensionale Strukturen zu erfassen.
Vorteile der Erfindung
Es wird ein Lichtprojektor, insbesondere eines Werkzeugmessgeräts, vorgeschlagen, der eine Recheneinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein Bilddatenpaket zu bearbeiten. Durch eine entsprechende Ausgestaltung kann ein vorteilhaft schneller Prozess, insbesondere ein schneller Messablauf, erreicht werden. Das Werkzeugmessgerät ist vorzugsweise zusätzlich als Werkzeugeinstellgerät ausgebildet. Ferner ist das Werkzeugmessgerät vorzugsweise dazu vorgesehen, Schneidkanten zu vermessen, und zwar insbesondere Schneidkantenverrundungen.
Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter „speziell programmiert“ soll dabei insbesondere verstanden werden, dass in einem Speicher der Recheneinheit ein spezielles Betriebsprogramm abgelegt ist. Der Lichtprojektor ist dabei insbesondere dazu vorgesehen, gemeinsam mit einer Kamera dreidimensionale Strukturen in einer Auflösung kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,002 mm aufzunehmen.
In dem Bilddatenpaket, das vorzugsweise in Form einer Datei vorliegt, sind insbesondere Daten für zumindest zwei und vorzugsweise mehr als fünf Bilder, vorzugsweise für zweidimensionale Grauwertfelder, und vorzugsweise Daten für eine Zuordnung von Bildbereichen zu Projektoreinheiten, insbesondere zu Spiegelarrays, enthalten. Die zumindest zwei Bilder und vorzugsweise zumindest mehr als fünf Bilder sind zuvor, d.h. vor einem Übermitteln an den Lichtprojektor, generiert, beispielsweise mittels eines Grundmusters und mindestens einer Replizierungsvorschrift. Grundsätzlich können neben den übermittelten Daten für die Bilder jedoch auch noch vorzugsweise weitere Bilder im Lichtprojektor generiert werden. Ferner sind in dem Bilddatenpaket vorzugsweise Zeitregime enthalten, wie vorzugsweise Zeitregime für Aufnahmen einer Kamera und/oder Zeitregime für eine Projektoreinheit, wie insbesondere Zeitregime für Winkelstellungen wenigstens eines einzelnen Spiegelarrays, vorzugsweise sämtlicher Spiegelarrays. Unter „bearbeiten“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Recheneinheit zu einer Weiterleitung des Bilddatenpakets oder zumindest eines Teils des Bilddatenpakets an eine dritte Einheit, wie insbesondere an eine Kamera, und/oder besonders vorteilhaft zu einer Aufspaltung des Bilddatenpakets vorgesehen ist. Insbesondere soll unter einer „Aufspaltung“ dabei verstanden werden, dass Teile eines zusammenhängenden Datenstreams des Bilddatenpakets den zumindest zwei Bildern zugeordnet werden, so dass die zumindest zwei Bilder, insbesondere getrennt voneinander, dargestellt bzw. projiziert werden können, und/oder dass einzelne Teile des Bilddatenpakets weitergeleitet werden können, wie beispielsweise an eine Kamera. Die Zuordnung der Teile des Bilddatenpakets kann dabei auf verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Arten erfolgen, wie vorzugsweise indem Teilen des Datenstreams Adressbereiche zugeordnet werden und/oder indem separate Speicherblöcke erstellt werden. Ein Bild ist dabei vorzugsweise durch eine Bitanzahl beschrieben, die sich aus einer Pixelanzahl des darzustellenden Bildes ergibt. Der Datenstream umfasst damit insbesondere zumindest eine Summe der Bits der einzelnen Bilder.
Die Recheneinheit ist ferner vorzugsweise dazu vorgesehen, eine Rechenfunktion durchzuführen, bei der insbesondere Daten des Bilddatenpakets zu einer Berechnung genutzt werden, wie insbesondere Daten eines Zeitregimes für Projektionen zur Berechnung von Parametern für Aufnahmen und Beleuchtung.
Ferner soll unter „bearbeiten“ insbesondere verstanden werden, dass die Recheneinheit zumindest Teile des Bilddatenpakets für eine Steuerungsfunktion nutzt, und zwar besonders vorzugsweise für eine Steuerungsfunktion von dritten Einheiten, wie insbesondere einer Kamera. Dabei ist die Recheneinheit insbesondere dazu vorgesehen, einen zeitlichen Ablauf zu steuern, wie vorzugsweise einen zeitlichen Ablauf einzelner Projektionen und/oder einzelner Aufnahmen und/oder zumindest einer Projektion und einer Aufnahme, d.h. eine zeitliche Abstimmung der zumindest einen Projektion und der zumindest einen Aufnahme. Ferner kann die Recheneinheit vorteilhaft dazu vorgesehen sein, eine Kamerasteuerungsfunktion durchzuführen, wie insbesondere eine Funktion zur Steuerung einer Aufnahmezeit, einer Belichtungszeit und/oder einer Verstärkereinheit einer Kamera usw.
Ferner ist die Recheneinheit vorzugsweise dazu vorgesehen, zumindest eine Beleuchtungssteuerungsfunktion durchzuführen, wie insbesondere eine Funktion zur Steuerung einer Beleuchtungsdauer, Intensität und/oder Farbe.
Die Recheneinheit kann auch zur Steuerung weiterer, dem Fachmann als sinnvoll erscheinender Einheiten vorgesehen sein, wie beispielsweise zur Steuerung einer Werkzeugeinheit, wie vorzugsweise einer Werkzeughalteeinheit, wie beispielsweise einer Antriebseinheit einer Werkzeughaltespindel o.dgl., einer Datenverarbeitungseinheit, von der das Bilddatenpaket an den Lichtprojektor übermittelt wird, usw.
Ferner soll unter „bearbeiten“ verstanden werden, dass die Recheneinheit dazu vorgesehen ist, zumindest Teile des Bilddatenpakets in einem Speicher, insbesondere in einem Speicher der Recheneinheit selbst, abzulegen, und zwar vorzugsweise in einer Form, so dass ohne weitere Bearbeitung die einzelnen Bilder projiziert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in einem Speicher der Recheneinheit zumindest ein Projektionsarray fest gespeichert ist, wodurch ein Prozess mit dem Lichtprojektor, insbesondere ein Messprozess, weiter verkürzt werden kann. Unter einem „Projektionsarray“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein spezielles Bild verstanden werden, das vorzugsweise bei verschiedenen Prozessen, wie insbesondere verschiedenen Messabläufen von verschiedenen Werkzeugen, eingesetzt wird. Vorzugsweise ist das Projektionsarray dazu vorgesehen, bei einer Ausrichtung und/oder Justage genutzt zu werden. Insbesondere stellt zumindest ein Projektionsarray ein Fadenkreuz dar.
Ist der Lichtprojektor dazu vorgesehen, farbige Projektionen zu erzeugen, d.h. insbesondere Projektionen, die jeweils zumindest eine von Schwarz und Grauschattierungen abweichende Farbe aufweisen, wie Rot, Blau und/oder Grün usw., kann ein Prozess, insbesondere im Hinblick auf Präzision, weiter verbessert werden. Hierfür weist der Lichtprojektor vorzugsweise ein programmierbares Interface für eine Ansteuerung eines Mikrospiegelarrays auf, welches über mehrere Steuereingänge, vorzugsweise für Lichtquellen, wie insbesondere LEDs, und/oder Sensoren verfügt. Vorzugsweise können dadurch mehrere verschiedenfarbige Lichtquellen, wie vorzugsweise verschiedenfarbige monochrome LEDs gesteuert werden, und zwar vorzugsweise in Abhängigkeit von einem vorliegenden, zu vermessenden Objekt, wie insbesondere abhängig von Form und/oder Farbe des Objekts, von Reflexionen usw. Vorzugsweise können rote, grüne und blaue Lichtquellen eingesetzt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Lichtprojektor eine optische Korrektur aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine bedingt durch einen Triangulationswinkel verursachte Verzerrung zumindest teilweise und besonders vorzugsweise zumindest im Wesentlichen vollständig zu entzerren. Durch eine entsprechende Einheit kann ein Prozess, insbesondere ein Messprozess, mit dem Lichtprojektor weiter verbessert, und zwar insbesondere weiter beschleunigt werden, und zwar insbesondere aufgrund dessen, dass zumindest teilweise auf eine rechnerische Korrektur verzichtet werden kann. Unter „zumindest teilweise entzerren“ soll dabei verstanden werden, dass eine durch den Triangulationswinkel entstandene Verzerrung zumindest reduziert wird, vorzugsweise in zumindest einem Bereich um zumindest 10% und vorzugsweise um zumindest 50%. Unter „zumindest im Wesentlichen vollständig“ soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die projizierte Abbildung in jeder ihrer Dimensionen weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5% von einer entsprechenden unverzerrten Abbildung ohne Triangulationswinkel abweicht.
Unter einer „optischen Korrektur“ soll dabei insbesondere eine von einer rechnerischen Korrektur abweichende Korrektur, insbesondere mittels optischer Korrekturmittel, wie insbesondere mittels Linsen und/oder Spiegeln, und/oder eine spezielle Anordnung von optischen Mitteln, wie Beleuchtung, Spiegeln, Linsen und/oder optischen Ebenen usw., verstanden werden. Die optische Korrektur kann von verschiedenen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Einheiten und/oder Anordnungen im Lichtprojektor gebildet sein, wie beispielsweise einer Linseneinheit usw. Besonders vorteilhaft wird die optische Korrektur jedoch zumindest teilweise durch eine Anordnung einer Projektorbildebene des Lichtprojektors und einer optischen Achse des Lichtprojektors in einem Tiltwinkel ungleich 45° und insbesondere auch ungleich 0° gebildet, wodurch vorteilhaft auf zusätzliche Bauteile für die optische Korrektur verzichtet werden kann. Die Projektorbildebene wird dabei vorzugsweise von einem Mikrospiegelarray gebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein System mit einem erfindungsgemäßen Lichtprojektor, d.h. mit zumindest den Merkmalen des Patentanspruchs 1, und einer Kamera vorgeschlagen. Vorzugsweise sind dabei zumindest einzelne Parameter der Kamera und des Lichtprojektors unabhängig voneinander einstellbar. Insbesondere sind eine Belichtung der Kamera, d.h. insbesondere Lichtempfindlichkeit und/oder Belichtungsdauer, und eine Belichtung des Lichtprojektors, d.h. insbesondere Belichtungsintensität, Belichtungszeit und/oder Lichtfarbe, unabhängig voneinander einstellbar. Bei einer sehr dunklen Oberfläche können dann die Parameter des Lichtprojektors so gesetzt werden, dass möglichst viel Licht auf die Oberfläche fällt und die Parameter der Kamera können zusätzlich so eingestellt werden, dass sie möglichst lichtempfindlich reagiert. Es kann vorteilhaft eine Intensitätssteuerung von Projektionsmustern über eine Beleuchtung des Lichtprojektors, gesteuert durch die Recheneinheit des Lichtprojektors, erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Kamera eine Recheneinheit aufweist, die zumindest eine Bilddatenpaketbearbeitungsfunktion aufweist. Somit können vorteilhaft mehrere Recheneinheiten, insbesondere mehrere Prozessoren, genutzt und Rechenprozesse beschleunigt werden. Es kann eine verteilte Intelligenz erreicht werden. Hierzu sind die Recheneinheiten vorzugsweise mit Bussystemen verbunden. Insbesondere können bereits bei einer Aufnahme und/oder unmittelbar nach einer Aufnahme mittels der Recheneinheit der Kamera Berechnungsvorgänge, wie insbesondere Auswertungsvorgänge, durchgeführt und sich daraus ergebende Ergebnisse für weitere Einheiten, wie insbesondere für den Lichtprojektor und/oder dessen Steuerung, genutzt werden.
Ferner wird ein System mit einer Objekteinheit mit einer Objektebene und mit einem erfindungsgemäßen Lichtprojektor vorgeschlagen, der eine optische Korrektur aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine bedingt durch einen Triangulationswinkel verursachte Verzerrung zumindest teilweise zu entzerren, wobei der Lichtprojektor vorzugsweise eine Projektorbildebene und eine optische Achse sowie eine Objektivebene aufweist und die optische Korrektur vorzugsweise zumindest teilweise durch eine Anordnung der Projektorbildebene und der optische Achse in einem Tiltwinkel ungleich 45° und vorzugsweise ungleich 0° gebildet ist und wobei sich die Objektebene, die Projektorbildebene und die Objektivebene des Lichtprojektors zumindest im Wesentlichen in einer Gerade schneiden. Durch eine entsprechende Ausgestaltung kann eine Entzerrung besonders vorteilhaft erreicht werden. Insbesondere kann eine Korrektur nach Scheimpflug erreicht werden. Darunter, dass sich die Ebenen „zumindest im Wesentlichen in einer Geraden schneiden“ soll insbesondere verstanden werden, dass eine Abweichung von einem korrekten Schnitt in einer Geraden eine Verzerrung bedingt, die kleiner ist als 5% und besonders vorzugsweise kleiner ist als 1% in all ihren Dimensionen. Unter einer „Objektivebene“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Linsenebene des Lichtprojektors verstanden werden, auf der insbesondere ein Fokuspunkt des Lichtprojektors liegt, und/oder insbesondere eine Ebene, die senkrecht zur optischen Achse des Lichtprojektors verläuft. Unter einer „Objektebene“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Ebene eines zu vermessenden Objekts, insbesondere eines Werkzeugs, verstanden werden, auf die mittels des Lichtprojektors Bilder während eines Erfassungsprozesses, insbesondere während eines Messprozesses, projiziert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Verfahren mit einem erfindungsgemäßen Lichtprojektor und insbesondere mit einem erfindungsgemäßen System, mit einem Verfahrensschritt vorgeschlagen, bei dem dem Lichtprojektor das Bilddatenpaket zur weiteren Bearbeitung übermittelt wird.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zumindest zwei verschiedene Codierungsverfahren in Kombination verwendet werden, wodurch eine erhöhte Präzision erreicht werden kann. Dabei sind verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Codierungsverfahren einsetzbar, wie insbesondere Gray-Code-Verfahren, Phasen-Shift-Verfahren und/oder Binär-Code-Verfahren usw., die in verschiedenen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Kombinationen und Reihenfolgen angewandt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zu einer Kalibrierung eines erfindungsgemäßen Lichtprojektors vorgeschlagen, der eine optische Korrektur aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine bedingt durch einen Triangulationswinkel verursachte Verzerrung zumindest teilweise zu entzerren, und besonders vorteilhaft eine Projektorbildebene und eine optische Achse aufweist, wobei die optische Korrektur vorzugsweise zumindest teilweise durch eine Anordnung der Projektorbildebene und der optischen Achse in einem Tiltwinkel ungleich 45° und vorzugsweise ungleich 0° gebildet ist, wobei in einem Kalibriermodell die optische Korrektur berücksichtigt wird. Dadurch kann einfach eine besonders hohe Präzision erreicht werden, und zwar insbesondere, wenn der Tiltwinkel des Lichtprojektors berücksichtigt wird.
Ein vorteilhaftes Kalibriermodell kann insbesondere erreicht werden, wenn eine virtuelle Projektorbildebene und ein Hauptpunkt des Streifenprojektors bestimmt und/oder eine äquivalente Fokusstrecke berechnet wird. Unter einer „virtuellen Projektorbildebene“ soll dabei eine Ebene verstanden werden, die parallel zur Projektorbildebene ausgerichtet ist und um eine doppelte Fokusstrecke in Richtung einer optischen Achse des Lichtprojektors verschoben ist. Unter einem Hauptpunkt soll ein Punkt auf der virtuellen Projektorbildebene verstanden werden, durch den eine Hauptgerade verläuft, die senkrecht auf der virtuellen Projektorbildebene steht und einen Fokuspunkt des Lichtprojektors schneidet. Ferner soll unter einer äquivalenten Fokusstrecke eine Strecke entlang der Hauptgeraden zwischen dem Fokuspunkt des Lichtprojektors und der virtuellen Projektorbildebene verstanden werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Wert für ein äquivalentes optisches Zentrum des Lichtprojektors unter Berücksichtigung des Tiltwinkels berechnet wird, wodurch der Tiltwinkel vorteilhaft einfach im Kalibriermodell berücksichtigt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein 2-dimensionales Kalibriermessobjekt verwendet wird, wodurch eine kostengünstige und einfache Kalibrierung erreicht werden kann. Unter einem „2-dimensionalen Kalibriermessobjekt“ soll dabei insbesondere verstanden werden, dass eine zu vermessende Fläche des Kalibriermessobjekts zumindest im Wesentlichen von einer Ebene gebildet wird. Unter „zumindest im Wesentlichen“ soll allgemein verstanden werden, dass eine Abweichung kleiner als 10%, vorzugsweise kleiner als 5 % und ganz besonders bevorzugt kleiner als 1 % vorliegt und/oder eine Abweichung kleiner als 5 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,01 mm vorliegt, und zwar im vorliegenden Fall insbesondere von einer theoretischen Ebene mit einer perfekten Ebenheit.
Besonders vorteilhaft wird ein Kalibriermessobjekt bei der Kalibrierung verkippt, wodurch vorteilhaft dreidimensionale Werte aufgenommen werden können. Vorzugsweise wird das Kalibriermessobjekt um mehrere Achsen verkippt. Unter „bei der Kalibrierung verkippt“ soll dabei insbesondere verstanden werden, dass das Kalibriermessobjekt bei zumindest einer Aufnahme bei der Kalibrierung verkippt angeordnet ist und vorzugsweise auch bei der Kalibrierung verschiedene Kipppositionen einnimmt.
Zudem wird vorgeschlagen, dass ein Kalibriermessobjekt mit einer inversen Farbgestaltung verwendet wird, d.h. dass zu erfassende Formen, insbesondere 2-dimensionale Formen, wie beispielsweise Streifen und/oder vorteilhaft Kreisflächen, hell, insbesondere weiß sind, und ein Hintergrund dunkel, insbesondere schwarz ist. Dadurch können vorteilhaft zur Kalibrierung Projektionen direkt auf die hell dargestellten Formen projiziert und der Kalibrierablauf vereinfacht werden.
Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei vorzugsweise eine Recheneinheit, die dazu vorgesehen ist, das Verfahren durchzuführen. Vorteilhaft kann die Recheneinheit zumindest teilweise einstückig mit der Recheneinheit des Lichtprojektors, der Kamera und/oder mit der Recheneinheit ausgebildet sein, die dazu vorgesehen ist, das Bilddatenpaket an den Lichtprojektor zu übermitteln.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 ein schematisch dargestelltes System mit einem Lichtprojektor, einer Kamera, einer Objekteinheit sowie einer Recheneinheit zur Übermittlung eines Bilddatenpakets an den Lichtprojektor,
2 eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrensschritts zu einer Kalibrierung,
3 eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrensschritt zur Kalibrierung,
4 eine schematische Darstellung eines dritten Verfahrensschritts zur Kalibrierung und
5 ein Kalibriermessobjekt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine schematisch dargestelltes System, und zwar insbesondere ein schematisch dargestelltes Werkzeugmessgerät 12, mit einem Lichtprojektor 10, der eine Recheneinheit 14 aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein Bilddatenpaket 16 zu bearbeiten. Das System umfasst hierfür eine weitere Recheneinheit 46, die dazu vorgesehen ist, das Bilddatenpaket 16 in einem Messverfahrensschritt an den Lichtprojektor 10 zu senden. Die Recheneinheit 14 umfasst dabei einen Prozessor und einen Speicher 18, indem ein Betriebsprogramm gespeichert ist. Die Recheneinheit 14 ist dazu vorgesehen, das Bilddatenpaket 16, das Bilddaten von zwölf Bildern umfasst, aufzuspalten, so dass die zwölf Bilder zumindest teilweise einzeln in einer gewünschten Reihenfolge auf ein Messobjekt 44, und zwar auf ein Werkzeug, projiziert werden können, um dessen Schneidkanten dreidimensional zu erfassen und zu vermessen, und zwar insbesondere, um eine Schneidkantenverrundung zu erfassen. Eine Kamera 30 des Systems und der Lichtprojektor 10 sind dazu vorgesehen, Messvorgänge durchzuführen, die im µ-Bereich liegen. Die 12 Bilder können nach dem Aufspalten grundsätzlich in beliebiger Reihenfolge nacheinander oder auch zumindest teilweise überschneidend projiziert werden.
Die Recheneinheit 14 ist zudem dazu vorgesehen, das Bilddatenpaket 16 in dem Speicher 18 der Recheneinheit 14 abzulegen.
Die Recheneinheit 14 ist ferner dazu vorgesehen, Steuerungsfunktionen durchzuführen. Die Recheneinheit 14 steuert einen zeitlichen Ablauf von Projektionen des Lichtprojektors 10 und von Aufnahmen der Kamera 30 des Systems und ist damit auch dazu vorgesehen, eine Kamerasteuerungsfunktion durchzuführen. Ferner ist die Recheneinheit 14 dazu vorgesehen, zumindest eine Beleuchtungssteuerungsfunktion einer Beleuchtung 48 des Lichtprojektors 10 durchzuführen. Die Recheneinheit 46, die Recheneinheit 14 des Lichtprojektors 10, die Beleuchtung 48 und die Kamera 30 sind dabei mit Busleitungen 50, 52, 54 verbunden.
Einzelne Parameter der Kamera 30, wie insbesondere Belichtung, und Parameter des Lichtprojektors 10, wie insbesondere eine Beleuchtungsstärke der Beleuchtung 48, sind unabhängig voneinander einstellbar, und zwar insbesondere unabhängig voneinander regelbar, wodurch eine hohe Dynamik erreicht werden kann, ohne einen elektronischen Gain, insbesondere der Kamera 30, zu nutzen. Insbesondere könnte ferner auch ein Gain der Kamera 30 unabhängig von anderen Parametern regelbar ausgeführt sein.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Lichtprojektor 10, nachdem das Bilddatenpaket 16 übersandt ist, alle Bilddatenpaketbearbeitungsfunktionen auf. Die Kamera 30 ist von einer Bearbeitung des Bilddatenpakets entkoppelt und weist somit keine Bilddatenpaketbearbeitungsfunktion auf. Eine Recheneinheit 22 der Kamera 30 kann damit ausschließlich für Aufnahmen und eine Weiterleitung der Aufnahmen zur weiteren Auswertung und/oder auch zumindest teilweise bereits zu einer Auswertung der Aufnahmen genutzt werden. Alternativ könnte jedoch die Recheneinheit 22 der Kamera 30 jedoch auch eine Bilddatenpaketbearbeitungsfunktion aufweisen, beispielsweise könnten Teile des Bilddatenpakets 16 an die Recheneinheit 22 der Kamera 30 zur weiteren Bearbeitung übermittelt werden, so dass insbesondere eine verteilte Intelligenz erreicht und für bestimmte Rechenvorgänge eine insgesamt hohe Rechenleistung zur Verfügung gestellt werden kann.
In dem Speicher 18 der Recheneinheit 14 ist ein Projektionsarray in Form eines Fadenkreuzes fest gespeichert, das dazu genutzt wird, mit einem in der Kamera 30 und/oder einer Software vorgesehenen Fadenkreuz in Übereinstimmung gebracht zu werden und somit eine Ausrichtung vorzunehmen.
Der Lichtprojektor 10 ist dazu vorgesehen, farbige Projektionen zu erzeugen. Hierfür weist die Beleuchtung 48 des Lichtprojektors 10 mehrere verschiedenfarbige LEDs auf, und zwar eine blaue, eine grüne und eine rote LED.
Der Lichtprojektor 10 weist eine optische Korrektur auf, die dazu vorgesehen ist, eine bedingt durch einen Triangulationswinkel α von ca. 30° verursachte Verzerrung zu entzerren. Der Lichtprojektor 10 weist eine von Mikrospiegeln gebildete Projektorbildebene 20 und eine optische Achse 60 auf, wobei die optische Korrektur durch eine Anordnung der Projektorbildebene 20 und der optischen Achse 60 in einem Tiltwinkel θ ungleich 45° und ungleich 0°, und zwar von ca. 39,5°, und durch eine Anordnung einer Objektebene 26 einer Objekteinheit 24 des Systems, einer Objektivebene 28 des Lichtprojektors 10 und der Projektorbildebene 20, so dass sich diese in einer Geraden 32 schneiden und somit die Scheimpflugbedingungen erfüllen, gebildet ist. Eine digitale Korrektur kann entfallen. Die Mikrospiegel bilden eine Bildfläche 82 des Lichtprojektors 10. Die Objektivebene 28 wird von einer nicht näher dargestellten Optik des Lichtprojektors 10 gebildet. Die Optik wird von einer perspektivischen Optik gebildet. Es sind jedoch auch andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Optiken denkbar. Die Kamera 30 weist eine telezentrische Optik auf, die eine Kamerabildebene 68 bildet, jedoch kann auch diese von einer anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Optik gebildet sein. Die optische Achse 60 bildet dabei eine Z-Achse eines Koordinatensystems des Lichtprojektors 10, auf der X- und Y-Achsen des Koordinatensystems des Lichtprojektors 10 senkrecht stehen. Die X-Achse des Koordinatensystems des Lichtprojektors 10 verläuft entlang einem auf die Projektorbildebene 20 fallenden Lichtstrahl 80 der Beleuchtung 48 des Lichtprojektors 10.
Bei einem Messablauf werden verschiedene Codierungsverfahren einzeln oder in Kombination verwendet, und zwar z.B. Gray-Code-Verfahren, Phasen-Shift-Verfahren und Binär-Code-Verfahren, d.h. es werden insbesondere Gray-Code-Bilder, Phasen-Shift-Bilder oder andere Binär-Code-Bilder auf das zu vermessende Messobjekt 44 projiziert.
Bei einem Verfahren zur Kalibrierung des Lichtprojektors 10 wird in einem Kalibriermodell 34 die optische Korrektur, d.h. der Tiltwinkel θ berücksichtigt (vgl. 2 bis 5). Hierzu wird eine virtuelle Projektorbildebene 36 bestimmt, und zwar durch eine Parallelverschiebung der Projektorbildebene 20 in Richtung eines Fokuspunkts 56, entlang der optischen Achse 60 um eine doppelte Fokusstrecke 58. Anschließend wird ein Hauptpunkt 38 des Lichtprojektors 10 bestimmt. Der Hauptpunkt 38 wird dabei von einem Punkt auf der virtuellen Projektorbildebene 36 gebildet, durch den eine Hauptgerade 62 verläuft, die senkrecht auf der virtuellen Projektorbildebene 36 steht und durch den Fokuspunkt 56 des Lichtprojektors 10 verläuft. Anschließend wird eine äquivalente Fokusstrecke 40 berechnet, die entlang der Hauptgeraden 62 zwischen dem Fokuspunkt 56 und der virtuellen Projektorbildebene 36 verläuft. Ferner wird ein Wert C_X‘Äqui für ein äquivalentes optisches Zentrum des Lichtprojektors 10, das auf einer virtuellen X‘-Achse mit dem Hauptpunkt 38 zusammenfällt, unter Berücksichtigung des Tiltwinkels θ berechnet, und zwar mit: C_X‘Äqui = C_x‘ – Fokusstrecke 58·sin(θ)/Lichtprojektorpixelgröße S_x‘
Dabei wird auf der virtuellen X‘-Achse, die eine Achse eines virtuellen Koordinatensystems des Lichtprojektors 10 bildet, in einer gemeinsamen Ebene mit den Achsen X und Z des Lichtprojektors 10 liegt und entlang der virtuellen Projektorbildebene 36 verläuft, ein Koordinatennullpunkt 70 an einem oberen Rand einer virtuellen Bildfläche 72 des Lichtprojektors 10 festgelegt. Die virtuelle Bildfläche 72 entspricht von der Größe der Bildfläche 82 des Lichtprojektors 10 und liegt auf der virtuellen Projektorbildebene 36. Ausgehend von dem Koordinatennullpunkt 70 ergeben sich unter Berücksichtigung einer vorliegenden Lichtprojektorpixelgröße S_x‘ des Lichtprojektors 10, d.h. insbesondere einer Größe einzelner Mikrospiegel, ausgehend von dem Koordinatennullpunkt 70 eine Strecke 74 mit C_X·S_X‘ und eine Strecke 76 mit C_XAqui·S_X‘. Die Strecke 74 ist damit ein Abstand auf der virtuellen X‘-Achse zwischen dem Koordinatennullpunkt 70 und einem optischen Zentrum 78, das sich ergeben würde ohne Tiltwinkel θ, und die Strecke 76 ist damit ein Abstand auf der virtuellen X‘-Achse zwischen dem Koordinatennullpunkt 70 und dem optischen Zentrum des Lichtprojektors 10, das sich unter Berücksichtigung des Tiltwinkels θ ergibt.
Zudem werden vorliegende Rotationen RotY‘, RotX‘ und RotZ‘ der Kamerabildebene 68 der Kamera 30 um Achsen X,‘ Y‘, Z‘ des virtuellen Koordinatensystems des Lichtprojektors 10 im Hauptpunkt 38 berechnet, wobei erwartete Werte bei RotX‘ = 0, RotZ‘ = 0 und RotY‘ = 360° – Triangulationswinkel (α) – Tiltwinkel (θ) liegen.
Bei der Kalibrierung werden Abbildungsgeometrien korrekt erfasst.
Bei der Kalibrierung wird ein 2-dimensionales Kalibriermessobjekt 42, und zwar eine Platte, mit einer inversen Farbgestaltung verwendet (4 und 5). Das Kalibriermessobjekt 42 weist weiße Punkte 64 und einen dunklen Hintergrund 66 auf. Bei der Kalibrierung werden von dem Kalibriermessobjekt 42 verschiedene Aufnahmen gemacht, wobei das Kalibriermessobjekt 42 um verschiedene Achsen verkippt wird, und zwar vorzugsweise um jeweils ca. 10°, so dass die Punkte 64 noch scharf abgebildet werden können. Auf das Kalibriermessobjekt 42 projizierte Streifen können direkt auf den Punkten 64 rekonstruiert werden.
Ein Teil des Verfahrens zur Kalibrierung wird in der Recheneinheit 14 des Lichtprojektors 10 und ein Teil des Verfahrens zur Kalibrierung wird in der Recheneinheit 22 der Kamera 30 durchgeführt. Der Lichtprojektor 10 und die Kamera 30 bilden damit eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Kalibrierung. Grundsätzlich könnte jedoch auch zusätzlich oder alternativ eine andere Recheneinheit genutzt werden.
Bei der Kalibrierung werden zur Bestimmung von Initialpositionen horizontale und vertikale Streifenmuster ausgewertet. Anschließend werden Koordinaten des Lichtprojektors 10 in Koordinaten der Kamera 30 transformiert. Darauf basierend wird dann eine Initialposition des Lichtprojektors 10 relativ zu einem Koordinatensystem des Kalibriermessobjekts 42 bestimmt. Anschließend wird eine Initialposition der Kamera 30 bestimmt. Anschließend werden 25 bis 30 Aufnahmen unter verschiedenen Orientierungen des Kalibriermessobjekts 42 durchgeführt. Anschließend können Re-Kalibrierungen mit verbesserten Start-Parametern durchgeführt werden.

Claims

Lichtprojektor (10), insbesondere eines Werkzeugmessgeräts (12), der eine Recheneinheit (14) aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein Bilddatenpaket (16) zu bearbeiten.
Lichtprojektor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) dazu vorgesehen ist, das Bilddatenpaket (16) aufzuspalten.
Lichtprojektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) dazu vorgesehen ist, das Bilddatenpaket (16) in einem Speicher (18) abzulegen.
Lichtprojektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) dazu vorgesehen ist, zumindest eine Steuerungsfunktion durchzuführen.
Lichtprojektor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) dazu vorgesehen ist, einen zeitlichen Ablauf zu steuern.
Lichtprojektor (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) dazu vorgesehen ist, zumindest eine Kamerasteuerungsfunktion durchzuführen.
Lichtprojektor (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) dazu vorgesehen ist, zumindest eine Beleuchtungssteuerungsfunktion durchzuführen.
Lichtprojektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher (18) der Recheneinheit (14) zumindest ein Projektionsarray fest gespeichert ist.
Lichtprojektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er dazu vorgesehen ist, farbige Projektionen zu erzeugen.
Lichtprojektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Korrektur, die dazu vorgesehen ist, eine bedingt durch einen Triangulationswinkel (α) verursachte Verzerrung zumindest teilweise zu entzerren.
Lichtprojektor (10) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Projektorbildebene (20) und eine optische Achse (60), wobei die optische Korrektur zumindest teilweise durch eine Anordnung der Projektorbildebene (20) und der optische Achse (60) in einem Tiltwinkel (θ) ungleich 45° gebildet ist.
System, insbesondere Werkzeugmessgerät, mit einem Lichtprojektor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Kamera (30).
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Parameter der Kamera (30) und des Lichtprojektors (10) unabhängig voneinander einstellbar sind.
System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (30) eine Recheneinheit (22) aufweist, die zumindest eine Bilddatenpaketbearbeitungsfunktion aufweist.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 14 gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (46), die dazu vorgesehen ist, das Bilddatenpaket (16) an den Lichtprojektor (10) zu senden.
System mit einem Lichtprojektor (10) nach Anspruch 10 oder 11 und nach Anspruch 12 und insbesondere nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch eine Objekteinheit (24) mit einer Objektebene (26), wobei sich die Objektebene (26), eine Projektorbildebene (20) des Lichtprojektors (10) und eine Objektivebene (28) des Lichtprojektors (10) zumindest im Wesentlichen in einer Geraden (32) schneiden.
Verfahren mit einem Lichtprojektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und insbesondere mit einem System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, mit einem Verfahrensschritt, bei dem dem Lichtprojektor (10) das Bilddatenpaket (16) zur weiteren Bearbeitung übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilddatenpaket (16) in der Recheneinheit (14) des Lichtprojektors (10) bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei verschiedene Codierungsverfahren in Kombination verwendet werden.
Verfahren zur Kalibrierung eines Lichtprojektors (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kalibriermodell (34) die optische Korrektur berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiltwinkel (θ) des Lichtprojektors (10) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine virtuelle Projektorbildebene (36) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22 dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptpunkt (38) des Lichtprojektors (10) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine äquivalente Fokusstrecke (40) berechnet wird.
Verfahren zumindest nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wert (C_Äqui) für ein äquivalentes optisches Zentrum des Lichtprojektors (10) unter Berücksichtigung des Tiltwinkels (θ) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein 2-dimensionales Kalibriermessobjekt (42) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibriermessobjekt (42) bei der Kalibrierung verkippt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibriermessobjekt (42) mit einer inversen Farbgestaltung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil eines Kalibrierverfahrens in einer Recheneinheit (14) des Lichtprojektors (10) und/oder in einer Recheneinheit (22) einer Kamera (30) durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 17 bis 29.