DE102016102412A1

DE102016102412A1 - Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung eines Objektes mit mehreren Messhilfsmitteln

Info

Publication number: DE102016102412A1
Application number: DE102016102412.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Brzank
Original assignee: GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
Current assignee: Carl Zeiss GOM Metrology GmbH
Priority date: 2016-02-11
Filing date: 2016-02-11
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Eine Vorrichtung (9) zum dreidimensionalen optischen Vermessen eines Objektes (10) mit einem berührungslosen, optischen Messverfahren, wobei die Vorrichtung (9) – mindestens eine Bildaufnahmeeinheit (11) zur Aufnahme mindestens eines Bildes des Objektes, – eine Sendeeinheit (12) zum Übertragen von Regelungsbefehlen, – eine Steuerungseinheit (13) zur Ansteuerung der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit (11), – eine Auswerteeinheit (14) zur Auswertung des mit der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit (11) aufgenommenen Bildes aufweist, wird beschrieben. Auf und/oder neben dem Objekt (9) sind mehrere Messhilfsmittel (1) angeordnet, wobei jedes Messhilfsmittel (1) – eine Zielmarkeneinheit (2) mit einer optischen Zielmarke (3), – eine Lichtquelleneinheit (4) deren ausgesandter Strahlungsfluss variierbar ist, – eine Verankerungseinheit (5) zur Fixierung des Messhilfsmittels (1), – eine Empfangseinheit (6) zum Empfangen von Regelungsbefehlen, – eine Regelungseinheit (7) zur Regelung des von der Lichtquelleneinheit (4) emittierten Strahlungsflusses (Φ) in Abhängigkeit der empfangenen Regelungsbefehle, sodass der Grauwert der Abbildung des Messhilfsmittels (1) in einem von der Bildaufnahmeeinheit (11) aufgenommenen Bildes anpassbar ist, und – eine Energiespeichereinheit (8) zur Versorgung des Messhilfsmittels (1) mit elektrischer Energie umfasst.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur dreidimensionalen optischen Vermessung eines Objektes mit mehreren Messhilfsmitteln
In der industriellen Messtechnik sind optische Verfahren und optische Messsysteme weit verbreitet. Gegenüber klassischen taktilen Koordinatenmessgeräten besitzen optische Messsysteme diverse Vorteile. So wird das Objekt nicht taktil angetastet sondern wird berührungslos vermessen. Dadurch können auch berührungsempfindliche beziehungsweise elastische Objekte vermessen werden. Weiterhin können im Vergleich zur taktilen Messtechnik bezogen auf einen gleichem Zeitraum ungleich mehr Messpunkte des Objektes erfasst werden. Die zu vermessenden Objekte können dadurch in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum vollständig vermessen werden. Zudem sind optische Messsysteme häufig kompakt und vergleichsweise leicht, so dass sie zum Messobjekt gebracht werden können.
Im Allgemeinen umfasst das optische Messsystem mindestens eine Bildaufnahmeeinheit mit einem flächenhaften Bildsensor. Die Bildaufnahmeeinheit ist mit einer Optik verbunden, so dass vom zu vermessenden Objekt emittierte und/oder reflektierte Strahlung über die Optik auf dem flächenhaften Bildsensor abgebildet wird. Häufig enthält das optische Messsystem auch eine Beleuchtungseinheit. Damit kann das Objekt illuminiert werden. Das von der Beleuchtungseinheit ausgesandte Licht wird an der Oberfläche des Objektes reflektiert. Nachfolgend werden Teile des reflektierten Lichtes über die Abbildungsoptik der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit auf dem flächenhaften Bildsensor abgebildet und es kann mindestens ein 2D-Bild des Objektes ausgelesen werden.
Bei einigen optischen Messverfahren werden auf dem Objekt und/oder einer das Objekt umgebenden Kulisse optische Zielmarken (häufig auch als photogrammetrische Targets bezeichnet) angebracht. Je nach Messprinzip haben sie eine unterschiedliche Bedeutung für die Vermessung des Objektes. So können sie eingesetzt werden, um eine Registrierung von mehreren Teilmessungen des Objektes aus verschiedenen Lagen des optischen Messsystems bezüglich des Objektes durchzuführen. Es ist aber auch sehr gebräuchlich, nur die optischen Zielmarken zu vermessen. Bei bekannter Dicke der optischen Zielmarke und ihrer Orientierung kann jeweils auf einen Oberflächenpunkt des Objektes unterhalb der optischen Zielmarke geschlossen werden.
Über den Zeitraum der Messung sollen die optischen Zielmarken generell eine starre Lage zum Objekt aufweisen. Dies kann durch verschiedene Fixiermethoden wie Einsatz von Klebern, Klettverschlüsse, Magneten, Saugnäpfe und Ähnliches erreicht werden, die wiederum auf physikalische Prinzipien wie Adhäsion, Magnetismus und (Unter-)Druck zurückführbar sind. Die optischen Zielmarken können verschiedenartig ausgestaltet sein. Häufige Verwendung finden geometrische Figuren mit prägnanten Merkmalen, die sich durch den Einsatz von Methoden der digitalen Bildverarbeitung in den Messbildern detektieren lassen. Prägnante Merkmale sind zum Beispiel Kanten sowie Punkte (z.B. definiert durch den Schnitt zweier Kanten).
In der 3D-Messtechnik werden sehr häufig Kreismarken verwendet. Sie bestehen in der einfachsten Ausgestaltung aus zwei konzentrischen Kreisen. Die Fläche innerhalb des inneren Kreises (Innenfläche) ist mit einer definierten Farbe ausgestaltet. Die Fläche zwischen den beiden konzentrischen Kreisen (Außenfläche) ist dann typischerweise mit der Komplementärfarbe gefüllt. In einer einfachen Ausgestaltung ist die Farbe innerhalb des kleinen Kreises zum Beispiel weiß und die Farbe zwischen den beiden konzentrischen Kreisen schwarz.
Zur Bestimmung der Geometrie des Objektes werden ein oder mehrere Bilder des Objektes aufgenommen. Dabei ist es sehr wichtig, dass bei der Verwendung von optischen Zielmarken die zugehörigen Abbildungen selbiger in den Messbildern einen hohen Kontrast aufweisen. Das heißt, dass sich das jeweilige zu bestimmende Merkmal durch einen hohen Grauwertunterschied (z.B. an einer Kante) im Messbild widerspiegelt. Mit fallendem Kontrast verschlechtert sich das Signal-Rausch-Verhältnis und somit die Positionsgenauigkeit des zu bestimmenden Merkmals der jeweiligen optischen Zielmarke. Sinkt der Kontrast zu stark ab, so kann das geometrische Merkmal nicht mehr detektiert werden. Um eine hohe Messgenauigkeit bei Einsatz von optischen Zielmarken zu erreichen, ist es also erforderlich, einen möglichst hohen Kontrast für möglichst alle in den Messbildern abgebildeten zu bestimmenden Merkmale zu erhalten.
In der Praxis lässt sich aber diese Forderung bisher nicht erfüllen. Das liegt daran, dass der Kontrast einer optischen Zielmarke im Messbild abhängig ist von seiner Position und Orientierung bezüglich des optischen Messsystems. Weitere Einflussfaktoren sind unter anderem die räumliche Ausgestaltung des optischen Messsystems inklusive Position, Orientierung und Beleuchtungseigenschaft von einer oder mehreren verwendeten Beleuchtungseinheiten, die Lichtempfindlichkeit der Bildaufnahmeeinheit des optischen Messsystems, die Belichtungszeit sowie die Reflexionseigenschaften der optischen Zielmarken.
Typischerweise weisen optische Zielmarken, die sich in räumlicher Nähe zum optischen Messsystem befinden, einen höheren Kontrast auf als optische Zielmarken, die einen größeren Abstand zum optischen Messsystem haben. Analog ist der Kontrast von optischen Zielmarken, die parallel zur Bildebene des optischen Messsystems ausgerichtet sind, höher als von optischen Zielmarken, die geneigt zur Bildebene des optischen Messsystems ausgerichtet sind.
Werden nun einzelne Einstellparameter wie zum Beispiel die Belichtungszeit, die Sensitivitätseinstellung der Bildaufnahmeeinheit oder die Helligkeit der Beleuchtungseinheit variiert, so kann theoretisch für genau eine optische Zielmarke ein optimaler Kontrast im Messbild erzielt werden. Alle anderen im Messbild abgebildeten optischen Zielmarke weisen einen suboptimalen Kontrast auf. Typischerweise weisen einige optische Zielmarken einen zu geringen Kontrast auf während andere optische Zielmarken in die Übersättigung laufen. Letztere Marken sind überbelichtet, wodurch die gemessene Position systematisch verfälscht werden kann oder gar nicht mehr messbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, unabhängig von der Position und Anordnung der photogrammetrischen Zielmarken sowie bei prinzipiell beliebiger Ausrichtung des optischen Messsystems bezüglich des zu vermessenden Objektes eine optimale Ausleuchtung aller innerhalb eines Messbildes aufgenommenen photogrammetrischen Zielmarken zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Vorrichtung ist eingerichtet zum dreidimensionalen optischen Vermessen eines Objektes mit einem berührungslosen, optischen Messverfahren, wobei die Vorrichtung

– mindestens eine Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme mindestens eines Bildes des Objektes,
– eine Sendeeinheit zum Übertragen von Regelungsbefehlen,
– eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit,
– eine Auswerteeinheit zur Auswertung des mit der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Bildes aufweist.

Es wird vorgeschlagen, dass auf und/oder neben dem Objekt mehrere Messhilfsmittel angeordnet sind, wobei jedes Messhilfsmittel

– eine Zielmarkeneinheit mit einer optischen Zielmarke,
– eine Lichtquelleneinheit deren ausgesandter Strahlungsfluss variierbar ist,
– eine Verankerungseinheit zur Fixierung des Messhilfsmittels,
– eine Empfangseinheit zum Empfangen von Regelungsbefehlen,
– eine Regelungseinheit zur Regelung des von der Lichtquelleneinheit emittierten Strahlungsflusses Φ in Abhängigkeit der empfangenen Regelungsbefehle, sodass der Grauwert der Abbildung des Messhilfsmittels in einem von der Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen Bildes anpassbar ist, und
– eine Energiespeichereinheit zur Versorgung des Messhilfsmittels mit elektrischer Energie umfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus folgenden Schritten:

a. Vorgabe eines optimalen Grauwertes G_opt zur optimalen Detektion einer optischen Zielmarke in einem Messbild
b. Exklusives Aktivieren der Lichtquelleneinheit eines ersten Messhilfsmittels mit einem definierten emittierten Strahlungsfluss Φ_Start und Aufnehmen eines ersten Hilfsbildes mit der Bildaufnahmeeinheit
c. Exklusives Aktivieren der Lichtquelleneinheit jedes weiteren i-ten Messhilfsmittels mit einem definierten emittierten Strahlungsfluss Φ_Start und Aufnehmen jeweils eines i-ten Hilfsbildes mit der Bildaufnahmeeinheit
d. Detektion der optischen Zielmarke in jedem Hilfsbild sowie Bestimmung der Eigenschaften je optischer Zielmarke: Position im Hilfsbild P_Start und aktueller Grauwert G_Start
e. Bestimmung des optimalen zu emittierenden Strahlungsflusses Φ_opt je optischer Zielmarke durch Lösen der Gleichung: Φ_opt = (G_opt/G_Start)·Φ_Start
f. Aktivieren der Lichtquelleneinheit jedes Messhilfsmittels mit dem jeweilig berechneten zu emittierenden Strahlungsflusses Φ_opt
g. Aufnehmen des Messbildes mit optimal beleuchteten optischen Zielmarken
h. Bestimmung der Position der optischen Zielmarken im optimal beleuchteten Messbild.

Das Messhilfsmittel beinhaltet eine optische Zielmarke. Diese optische Zielmarke kann prinzipiell eine beliebige Form aufweisen. Denkbar ist ihre Ausgestaltung als geometrische Form z.B. als Kreis. Es ist vorteilhaft, wenn die optische Zielmarke in einem Messbild mit einem geeigneten Algorithmus detektiert werden kann. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die optische Zielmarke codiert ist, so dass sie durch ein detektierbares exklusives Merkmal von anderen optischen Zielmarken unterscheidbar ist. Dies ermöglicht insbesondere eine automatische Identifikation der optischen Zielmarke in einem Messbild.
Das Messhilfsmittel enthält eine Lichtquelleneinheit deren emittierter Strahlungsfluss variabel ist. Je nach Position und Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit der Vorrichtung ist ein bestimmter Strahlungsfluss notwendig, um die optische Zielmarke mit einem optimalen Kontrast in einem aufgenommenen Messbild abzubilden. Steigt der emittierte Strahlungsfluss an, so wird die optische Zielmarke des Messhilfsmittels in einem durch die Bildaufnahmeeinheit der Vorrichtung aufgenommenen Messbild mit einem größeren Grauwert beziehungsweise mit einem höheren Kontrast abgebildet. Generell steigt auch der Kontrast sofern es nicht zu einer Überbelichtung kommt.
Zur Fixierung des Messhilfsmittels mit dem zu vermessenden Objekt oder einer Kulisse umfasst das Messhilfsmittel eine Verankerungseinheit. Vorteilhaft ist, wenn die Verankerungseinheit so ausgeführt ist, dass das Messhilfsmittel prinzipiell beliebig häufig an einem zu vermessenden Objekt fixiert und nach der Vermessung wieder von diesem Objekt getrennt werden kann, ohne die Fixierfähigkeit der Verankerungseinheit signifikant zu schwächen. Dann kann das Messhilfsmittel mehrfach angewendet werden.
Die Verankerungseinheit kann mannigfaltig ausgestaltet sein. Vorteilhaft ist die Ausnutzung bekannter physikalischer Prinzipien wie Magnetismus, Adhäsion oder Druck. Die Ausführung ist in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu vermessenden Objektes bzw. der Kulisse sinnvoll zu wählen. Die Verankerungseinheit kann zum Beispiel als Magnet ausgeführt sein. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Verankerungseinheit kann ein Saugnapf oder eine ähnliche das Prinzip der Haftung aufgrund Unterdrucks ausnutzende Einheit sein. Denkbar ist auch der Einsatz von Klebstoffen in verschiedener Variation z.B. doppelseitiges Klebeband, Permanentkleber. Diese Form der Fixierung ist allerdings im Vergleich zur Ausführung mit Magneten und Saugnapf nur mäßig geeignet, da eine mehrfache Anwendung des Messhilfsmittels nicht zwingend gewährleistet ist, da die Klebkraft bei mehrfacher Anwendung im Allgemeinen sinkt.
Das Messhilfsmittel beinhaltet ferner eine Empfangseinheit zum Empfangen von Regelungsbefehlen, die von der Sendeeinheit des optischen Messsystems ausgesendet werden. Die Empfangseinheit kann vorteilhafterweise als drahtlose Übertragungseinheit zum Beispiel als Funkempfangseinheit ausgeführt sein. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung per Kabelverbindung zwischen optischen Messsystem und Messhilfsmittel denkbar.
Das Messhilfsmittel beinhaltet eine Regelungseinheit zur Regelung der Lichtquelleneinheit in Abhängigkeit der empfangenen Regelungsbefehle. Entsprechend der Anweisung wird die Lichtquelleneinheit aktiviert, um mit einen bestimmten Strahlungsfluss zu emittieren. Es kann aber auch die Anweisung übermittelt werden, dass die Lichtquelleneinheit deaktiviert werden soll. Die optische Zielmarke ist bei ausgeschalteter Lichtquelleneinheit im Allgemeinen nicht in einem Messbild detektierbar.
Das Messhilfsmittel hat eine Energiespeichereinheit. Diese versorgt insbesondere die Lichtquelleneinheit, die Empfangseinheit sowie die Regelungseinheit mit elektrischer Energie. In der einfachsten Ausgestaltung ist die Energiespeichereinheit eine Batterie oder ein Akkumulator. Denkbar ist auch eine direkte Versorgung des Messhilfsmittels über eine externe Energiequelle zum Beispiel durch einen Stromanschluss.
Das Verfahren besteht aus folgenden Teilschritten. Zuerst muss ein optimaler Grauwert G_opt zur optimalen Detektion einer optischen Zielmarke in einem Messbild vorgegeben werden. Dieser Wert liegt theoretisch direkt unter der Überbelichtung. Unter der Annahme, dass ein 8-bit-Grauwertbild aufgenommen wird, wäre das zum Beispiel der Grauwert 254. In der Praxis empfiehlt sich ein etwas geringerer Wert, um Überbelichtungen aufgrund des Einflusses zufälliger Messfehler praktisch auszuschließen. Vorteilhaft kann zum Beispiel bei der Aufnahme von 8-bit-Grauwertbildern der Grauwert 240 sein.
Nachfolgend wird die Lichtquelleneinheit eines ersten Messhilfsmittels exklusiv aktiviert und durch die Bildaufnahmeeinheit des optischen Messsystems ein Hilfsbild aufgenommen. Die Lichtquelle emittiert einen definierten Strahlungsfluss Φ_Start. Der Strahlungsfluss Φ_Start sollte so gewählt sein, dass die optische Zielmarke im Hilfsbild weder über- noch unterbelichtet wird. Sollte die optische Zielmarke im Hilfsbild nicht messbar sein bzw. wird eine Über- oder Unterbelichtung anhand der Ausprägung der optischen Zielmarke im Hilfsbild festgestellt, so muss der definierte Strahlungsfluss Φ_Start entsprechend verändert werden, um eine Detektion der optischen Zielmarke im Hilfsbild zu ermöglichen. Die Lichtquelleneinheit jedes anderen Messhilfsmittels wird durch entsprechende Regelungsanweisung des optischen Messsystems an die jeweilige Regelungseinheit der anderen Messhilfsmittel deaktiviert.
Für jedes weitere in der Messanordnung vorhandene Messhilfsmittel wird analog verfahren. Die Lichtquelleneinheit des jeweiligen i-ten Messhilfsmittels wird exklusiv aktiviert mit einem definierten emittierten Strahlungsfluss Φ_Start. Dann wird jeweils ein Hilfsbild mit der Bildaufnahmeeinheit aufgenommen. Im Ergebnis wird für jedes Messhilfsmittel, welches sich im Sichtfeld der optischen Bildaufnahmeeinheit befindet, genau ein zugehöriges Hilfsbild erhalten, wobei je Hilfsbild jeweils die optische Zielmarke des zugehörigen Messhilfsmittels aufgenommen worden ist.
In jedem Hilfsbild wird jeweils die 2D-Position P_Start sowie der aktuelle Grauwert G_Start der optischen Zielmarke ermittelt. In Abhängigkeit von der Geometrie der optischen Zielmarke wird dazu eine passende Detektionsmethode aus dem Fachbereich der digitalen Bildverarbeitung ausgewählt. Der aktuelle Grauwert G_Start bezieht sich dabei auf den hellen Bereich der optischen Zielmarke. Im Allgemeinen besteht dieser Bereich aus mehreren Pixeln im jeweiligen Hilfsbild. Ist zum Beispiel die optische Zielmarke als Kreis mit heller Innenfläche sowie dunkler Außenfläche ausgestaltet, so bezieht sich der aktuelle Grauwert G_Start auf die helle Innenfläche. Ist dagegen die optische Zielmarke als Kreis mit dunkler Innenfläche sowie heller Außenfläche ausgestaltet, so bezieht sich der aktuelle Grauwert G_Start auf die helle Außenfläche.
Der Grauwert G_Start kann als Mittelwert der Grauwerte aller Pixel im hellen Bereich definiert werden. Denkbar ist aber auch, dass er als maximal auftretender Grauwert aller Pixel im hellen Bereich definiert ist. Bei letzterer Festlegung ist sichergestellt, dass es zu keiner Überbelichtung für die gesamte optische Zielmarke kommt, während bei der Definition als Mittelwert aller Grauwerte einzelne Pixel in die Übersättigung laufen könnten.
Kann die Position einer optischen Zielmarke nicht ermittelt werden, so ist es sehr wahrscheinlich, dass sich diese optische Zielmarke und das zugehörige Messhilfsmittel nicht im sichtbaren Bereich der Bildaufnahmeeinheit befinden. Für die weiteren Verfahrensschritte kann dieses Messhilfsmittel ignoriert werden.
Je optischer Zielmarke kann dann für das zugehörige Messhilfsmittel ein optimaler zu emittierender Strahlungsfluss Φ_opt berechnet werden. Dazu muss die Gleichung Φ_opt = (G_opt/G_Start)·Φ_Start, die sich durch einfache Umstellung einer Verhältnisgleichung bilden lässt, gelöst werden. Der Gleichung liegt die Annahme zu Grunde, dass sich der Grauwert proportional zum emittierten Strahlungsfluss (unter der Bedingung, dass alle sonstigen Einflussparameter wie z.B. Belichtungszeit unverändert bleiben) verhält.
Nachfolgend wird nun die Lichtquelleneinheit jedes Messhilfsmittel mit ihrem spezifischen optimalen zu emittierenden Strahlungsfluss Φ_opt aktiviert. Die Bildaufnahmeeinheit nimmt ein Messbild auf, in dem alle sich im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit befindlichen optischen Zielmarken optimal beleuchtet sind. Alle (bezüglich des Sichtfeldes der Bildaufnahmeeinheit) sichtbaren optischen Zielmarken sind nun mit einem optimalen Kontrast und somit dem optimalen Signal-Rausch-Verhältnis im Messbild vorhanden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jede optische Zielmarke mit einem exklusiven Code ausgestattet. Dieser exklusive Code ist mit geeigneten Methoden der digitalen Bildverarbeitung automatisch detektierbar. Da jeder Code einmalig vorkommt, ist dadurch auch die zugehörige optische Zielmarke einmalig. Wenn a priori bekannt ist, welchen Code die optische Zielmarke eines i-ten Messhilfsmittels hat, so kann in einem Hilfsbild/Messbild die jeweilige codierte optische Zielmarke genau dem zugehörigen Messhilfsmittel zugeordnet werden. Dadurch lässt sich das Verfahren deutlich vereinfachen.
Unabhängig von der Anzahl der verwendeten Messhilfsmittel wird nur noch ein Hilfsbild aufgenommen. Alle Lichtquelleneinheiten der Messhilfsmittel emittieren einen definierten Strahlungsfluss Φ_Start. Jede optische Zielmarke eines Messhilfsmittels besitzt einen einzigartigen Code, sodass die optische Zielmarke in dem Hilfsbild eindeutig einem Messhilfsmittel zugeordnet werden kann. Die Detektion der optischen Eigenschaften je optischer Zielmarke wird dann in dem einen Hilfsbild durchgeführt. Somit müssen bei n Messhilfsmitteln nicht mehr n Hilfsbilder aufgenommen werden, sondern es genügt unabhängig von der Anzahl der Messhilfsmittel genau ein Hilfsbild.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zielmarkeneinheit als transparenter Träger mit lichtundurchlässigen Teilbereichen ausgeführt, wobei entweder die eine optische Zielmarke lichtundurchlässig ist und die Umgebung lichtdurchlässig ist oder die eine optische Zielmarke lichtdurchlässig ist und die Umgebung lichtundurchlässig ist. Der Träger kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Vorteilhaft ist die Anwendung von Glas, welches insbesondere eine sehr ebene Oberfläche aufweisen kann. Möglich ist aber auch die Verwendung von anderen Materialen wie zum Beispiel Folie oder Plexiglas. Die optische Zielmarke kann verschiedenartig auf dem Träger aufgebracht werden. Denkbar ist zum Beispiel die Anwendung von selbstklebenden Materialien. Die Elemente der optischen Zielmarke werden dann einfach auf den Träger aufgeklebt. Es können aber auch andere Methoden wie additive oder subtraktive Verfahren zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist zum Beispiel der Einsatz des Lift-off-Verfahrens, welches in der Waferproduktion zum Einsatz kommt. Mit diesem Verfahren können sehr feine Strukturen mit einer sehr hohen Genauigkeit auf dem Träger aufgebracht werden.
Die Zielmarkeneinheit kann aber auch als programmierbares Display ausgestaltet sein. Denkbar ist der Einsatz eines hochauflösenden Farb-LCD-Panels. Es können aber auch andere programmierbare Displays wie zum Beispiel LCOS-Displays eingesetzt werden. Vorteilhaft kann auch die Anwendung von sogenannten OLED- und AMOLED-Displays sein, da die Strahlungsstärke (Strahlungsfluss pro Raumwinkel) in die verschiedenen Abstrahlungsrichtungen sehr ähnlich ist.
Sofern die Zielmarkeneinheit als programmierbares Display ausgestaltet ist, kann nicht nur der Kontrast der optischen Zielmarke in einem Messbild optimiert werden. Auch die Größe der abgebildeten Zielmarke in einem Messbild hat entscheidenden Einfluss auf die Genauigkeit der bestimmten 2D-Position der optischen Zielmarke. Bei sehr kleiner Größe der Abbildung der optischen Zielmarke im Messbild kann die 2D-Position nur sehr ungenau bestimmt werden, da aufgrund der Pixelstruktur des Messbildes die Details nicht mehr hinreichend gut abgebildet werden können. Die Pixelstruktur sorgt für eine Diskretisierung, die insbesondere bei kleinen Objekten die Güte der Abbildung deutlich reduziert. Aber auch sehr große Abbildungen müssen nicht zwingend zu einer höheren Positionsgenauigkeit führen. So steigt mit wachsender Größe der optischen Zielmarke der negative Einfluss von geometrischen Abbildungsfehlern wie zum Beispiel Verzeichnungsfehlern, da die einzelnen Bereiche der optischen Zielmarke nun stärker unterschiedlich von geometrischen Abbildungsfehlern betroffen sind. Bei Verwendung von Kreisen als optische Zielmarken gibt es ferner einen Abbildungsfehler, der als Ellipsenzentrumsexzentrizität in der Photogrammetrie bekannt ist. Die Position der Kreismarke wird mit einem systematischen Fehler bestimmt der unter anderem umso größer wird, je größer der Durchmesser der Kreismarke ist. Aufgrund der gegenläufigen Genauigkeitswirkung von Diskretisierung auf der einen Seite sowie geometrische Abbildungsfehler/Ellipsenzentrumsexzentrizität auf der anderen Seite gibt es je nach Messkonfiguration (beinhaltet z.B. die Bildaufnahmeeinheit sowie die Abbildungsoptik) eine bestimmte Größe der optischen Zielmarke, die eine optimale Positionsbestimmung im Messbild ermöglicht.
Sofern die optimale Abbildungsgröße A_{opt_Bild} (zum Beispiel aus vorbekanntem Expertenwissen) der optischen Zielmarke in einem Messbild bekannt ist, kann die Größe der optischen Zielmarke so ermittelt werden, dass eine optimale Bestimmung der Position der optischen Zielmarke in einem Messbild sichergestellt ist. Die optische Zielmarke je Messhilfsmittel wird dazu mit einer definierten Größe A_{Start_Obj} auf dem Display dargestellt. Analog zum vorgestellten Verfahren wird entweder je Messhilfsmittel genau ein Hilfsbild, wobei nur genau die eine Lichtquelleneinheit aktiviert ist, aufgenommen oder bei Verwendung von codierten optischen Zielmarken genau ein Hilfsbild für alle Messhilfsmittel aufgenommen.
Je optischer Zielmarke kann dann in dem einen oder mehreren Hilfsbildern die aktuelle Abbildungsgröße jeder optischen Zielmarke A_{Start_Bild} ermittelt werden. Analog zur umgestellten Verhältnisgleichung zur Berechnung des optimalen Strahlungsflusses kann auch hier die optimale Größe der jeweiligen Zielmarke aus einer gleichartigen Verhältnisgleichung ermittelt werden. Die Gleichung lautet: A_{opt_Obj} = (A_{opt_Bild}/A_{Start_Bild})·A_{Start_Obj}.
Anschließend wird je optischer Zielmarke die zugehörige optimale Größe A_{opt_Obj} mit Hilfe des Displays auf dem jeweiligen Messhilfsmittel erzeugt. Wichtig ist, dass das Zentrum der jeweiligen optischen Zielmarke auf dem programmierbaren Display nicht verändert wird. Die detektierbare 2D-Position auf dem Display bleibt also unabhängig von der eingestellten Größe der optischen Zielmarke immer gleich. Es ist vorteilhaft, wenn das Display hochauflösend ist, da dann auch bei einer kleineren Größe der optischen Zielmarke selbige mit einem hohen Detailgrad dargestellt werden kann.
In einigen Fällen kann eine optische Zielmarke nicht durch die Bildaufnahmeeinheit gemessen werden, obwohl sie sich im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit befindet. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn die optische Zielmarke durch andere Teile des Objektes und/oder der Kulisse verdeckt ist. Sofern mindestens ein anderer Bereich des Displays durch die Verdeckung nicht betroffen ist und dieser Bereich groß genug ist, kann die optische Zielmarke auch an einer dieser Position projiziert werden. Die Verschiebungsbeträge Δx und Δy bezogen auf die bisherige Position und die neue Position sind dann bekannt und können bei der nachfolgenden Berechnung der 3D-Position der optischen Zielmarke im Raum entsprechend berücksichtigt werden. Die Messung der optischen Zielmarke erfolgt in solchen Fällen exzentrisch.
Sofern die Verdeckung der optischen Zielmarke vor dem Verfahren vorbekannt ist, kann die Positionsänderung der optischen Zielmarke vor Aufnahme des Hilfsbildes erfolgen. Wird die Verdeckung anhand des Hilfsbildes erkannt, kann die Positionsverschiebung auch zwischen der Aufnahme des Hilfsbildes und des Messbildes erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine zusätzliche Beleuchtungseinheit. Diese beleuchtet das Objekt, die Messhilfsmittel sowie die optional vorhandene Kulisse. Die zusätzliche Beleuchtungseinheit sorgt für eine Szenenbeleuchtung. Dadurch ist es möglich, je Messhilfsmittel eine leuchtschwächere Lichtquelleneinheit zu verwenden, da im Hilfsbild bzw. Messbild der Grauwert der jeweiligen optischen Zielmarke aus den beiden Anteilen – reflektiertes Licht der Beleuchtungseinheit und emittiertes Licht der Lichtquelleneinheit des Messhilfsmittels – zusammensetzt.
Es kann vorteilhaft sein, dass vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung des optimal zu emittierenden Strahlungsflusses Φ_opt je optischer Zielmarke sowie optional die optimale Größe A_opt und Position P bei Verwendung eines digitalen Displays nicht nur für eine Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit zum zu vermessenden Objekt anzuwenden, sondern für alle Ausrichtungen, in welche die Bildaufnahmeeinheit gebracht wird, um jeweils ein Messbild vom Objekt zu erfassen. Im Rahmen der Photogrammetrie wird aus mehreren Ausrichtungen der Bildaufnahmeeinheit zum zu vermessenden Objekt jeweils ein Messbild aufgenommen. Durch Anwendung der photogrammetrischen Bündelblockausgleichung können im Ergebnis die 3D-Koordinaten der optischen Signalmarken auf dem Objekt ermittelt werden. Durch Anwendung des Verfahrens für jede einzelne Ausrichtung werden je Ausrichtung Bildkoordinaten hoher Genauigkeit für die messbaren optischen Zielmarken ermittelt. Dies führt zu genaueren 3D-Koordinaten als Ergebnis der Bündelblockausgleichung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden je Messhilfsmittel mehrere optische Zielmarken verwendet. Dabei ergibt sich der optimal zu emittierende Strahlungsfluss Φ_opt für das jeweilige Messmittel aus dem höchsten aktuellen Grauwert Gakt, der auf dem Messhilfsmittel befindlichen optischen Zielmarken.
In der automatisierten Messung von mehreren Objekten des gleichen Typs ist es vorteilhaft, die gleiche Messanordnung, die gleiche Messstrategie und die gleichen Messparameter anzuwenden. Dadurch steigt die Vergleichbarkeit der Messergebnisse untereinander. Abweichungen von Objekten eines gleichen Typs können so einfach und schnell detektiert werden. Sofern im Rahmen einer ersten Anwendung des Verfahrens für eine Messstrategie mit n Ausrichtungen der Bildaufnahmeeinheit zum zu vermessenden Objekt der optimal zu emittierende Strahlungsfluss Φ_opt je optischer Zielmarke und optional die optimale Größe A_opt und Position P je Messhilfsmittel und Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit ermittelt worden ist, können diese Messparameter bei einer nachfolgenden erneuten Vermessung desselben Objektes oder eines anderen Objektes gleichen Typs identisch angewendet werden. Dadurch kann sehr viel Zeit eingespart werden und die Genauigkeit der nachfolgenden Messungen gleichartig zur ersten Messung gesteigert werden.
Es kann von Vorteil sein, dass die Vorrichtung als Streifenprojektionssystem ausgestaltet ist. Ein Streifenprojektionssystem ist eingerichtet zur dreidimensionalen Vermessung des Objektes. Das Streifenprojektionssystem besteht aus einer Projektionseinheit zur Beleuchtung des Objektes und die auf oder neben dem Objekt angeordneten Messhilfsmittel mit mindestens einem Projektionsmuster und mindestens einer Bildaufnahmeeinheit zur Aufnahme des vom Objekt und/oder den Messhilfsmitteln rückgestreuten Projektionsmuster, wobei die Projektionseinheit und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit starr miteinander verbunden sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung als Laserlinienscanner ausgestaltet. Analog zum Streifenprojektionssystem umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine starr zur Bildaufnahmeeinheit ausgerichtete Projektionseinheit. Die Projektionseinheit des Laserlinienscanner projiziert genau eine Laserlinie. Durch Messung der Laserlinie mit der Bildaufnahmeeinheit und Anwendung des Triangulationsprinzips können 3D-Koordinaten des Objektes berechnet werden.
Nachfolgend wird die Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren durch ein Ausführungsbeispiel mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 – Skizze eines Messhilfsmittels in einer Zweitafelprojektion (Grund-Aufriss);
2 – Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Vermessung eines Objektes mit mehreren Messhilfsmitteln;
3 – Skizze eines Messhilfsmittels in Grundrissdarstellung, wobei die Zielmarkeneinheit als LCD-Display ausgestaltet ist;
4 – Skizze eines Messhilfsmittels in Grundrissdarstellung, wobei die Zielmarkeneinheit als LCD-Display ausgestaltet ist und die Größe der optischen Zielmarke verringert worden ist;
5 – Skizze eines Messhilfsmittels in Grundrissdarstellung, wobei die Zielmarkeneinheit als LCD-Display ausgestaltet ist und die Position der optischen Zielmarke verändert worden ist.
Die 1 zeigt ein Messhilfsmittel 1 in einer Zwei-Tafel-Projektion (Grundriss unten, Aufriss oben). Das Messhilfsmittel besteht aus einer Zielmarkeneinheit 2 mit einer codierten optischen Zielmarke 3. Die Zielmarkeneinheit 2 ist als Glasträger ausgestaltet. Die optische Zielmarke 3 besteht aus der eigentlichen Kreismarke 3a sowie drei Codeelementen 3b, 3c und 3d. Das Messhilfsmittel 1 umfasst eine bezüglich des emittierten Strahlungsflusses variable Lichtquelleneinheit 4. Die Verankerungseinheit 5 ist als Magnet ausgeführt. Sie befindet sich an der entgegengesetzten Seite bezüglich der Zielmarkeneinheit 2 und ermöglicht die Fixierung des Messhilfsmittels 1 an eisenhaltigen Körpern. Das Messhilfsmittel 1 ist mit einer Empfangseinheit 6 ausgestattet, die den Empfang von Regelungsbefehlen für die Lichtquelleneinheit 4 ermöglicht. Im vorliegenden Beispiel ist die Empfangseinheit zum Empfang von Funksignalen eingerichtet. Das Messhilfsmittel 1 hat eine Regelungseinheit 7. Sie dient zur Regelung der Lichtquelleneinheit 4 in Abhängigkeit von den durch die Empfangseinheit 6 empfangenen Befehlen. Das Messhilfsmittel 1 beinhaltet eine Energiespeichereinheit 8. Diese versorgt die Beleuchtungseinheit 4, die Empfangseinheit 6 sowie die Regelungseinheit 7 mit elektrischer Energie. Sofern die Zielmarkeneinheit 2 des Messhilfsmittels als digitales Display ausgeführt ist, wird auch dieses durch die Energiespeichereinheit mit elektrischem Strom versorgt.
Die 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 9 in einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 9 hat eine Bildaufnahmeeinheit 11, deren Sichtfeld zum zu vermessenden Objekt 10 ausgerichtet ist. Die Bildaufnahmeeinheit 11 ist eine Industriemesskamera, die 8-bit Grauwertbilder aufnehmen kann. Auf dem Objekt sind 8 baugleiche Messhilfsmittel 1a–1h fixiert. Ihre Position und Ausrichtung zum Objekt ändert sich nicht. Drei Messhilfsmittel 1a, 1b und 1c befinden sich im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit 11. Alle sonstigen Messhilfsmittel 1d–1h liegen außerhalb des Sichtfeldes und können in der aktuellen Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit 11 zum Objekt 10 nicht gemessen werden. Zur Vorrichtung 9 gehören zudem eine Sendeeinheit 12, eine Steuerungseinheit 13 sowie eine Auswerteinheit 14. Sie sind per Kabel miteinander verbunden. Die Sendeeinheit 12 dient zur Übertragung von Funksignalen an die Messhilfsmittel 1a–1h. Die Steuerungseinheit 13 ist zur Steuerung der Bildaufnahmeeinheit 11 eingerichtet. Die Auswerteeinheit 14 dient zur Auswertung der aufgenommenen Bilder der Bildaufnahmeeinheit 11. Insbesondere ist es die Aufgabe der Auswerteeinheit die optischen Zielmarken 3 in den Bildern zu bestimmen.
Der optimale Grauwert G_opt wird am Anfang auf den Grauwert 240 festgelegt. Ebenfalls wird ein zu emittierender Strahlungsfluss Φ_Start festgelegt. Dieser liegt im unteren Bereich des maximal möglichen zu emittierenden Strahlungsflusses der Messhilfsmittel 1a–1h. Dadurch sind Überbelichtungen der jeweiligen optischen Signalmarke im Hilfsbild praktisch ausgeschlossen. Anschließend wird die Lichtquelleneinheit 4 des ersten Messhilfsmittels 1a exklusiv mit dem zu emittierenden Strahlungsfluss Φ_Start aktiviert. Alle anderen Lichtquelleneinheiten 4 der weiteren Messhilfsmittel 1b–1h sind deaktiviert. Die Bildaufnahmeeinheit 11 nimmt ein erstes Hilfsbild auf.
Nachfolgend wird nun jede weitere Lichtquelleneinheit 4 der weiteren Messhilfsmittel 1b–1h jeweils exklusiv mit dem definierten emittierten Strahlungsfluss Φ_Start aktiviert und jeweils ein Hilfsbild mit der Bildaufnahmeeinheit 11 aufgenommen. Anschließend wird in jedem Hilfsbild die optische Zielmarke 3 der jeweils aktivierten Messhilfsmittel 1a–1h detektiert. Wie aus der 2 ersichtlich, befinden sich nur die Messhilfsmittel 1a, 1b und 1c im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit 11. Ihre jeweilige optische Zielmarke 3 kann jeweils in ihrem zugehörigen Hilfsbild detektiert werden. Die Messhilfsmittel 1d–1h liegen außerhalb des Sichtfeldes der Bildaufnahmeeinheit 11 Der Detektionsalgorithmus findet folglich auch keine optische Zielmarke 3 im jeweiligen Hilfsbild der Messhilfsmittel 1d–1h. Für jede detektierte optische Zielmarke 3 werden die Eigenschaften Position im Hilfsbild P_Start und aktueller Grauwert G_Start ermittelt.
Nun kann für jede detektierte Zielmarke der Messhilfsmittel 1a, 1b und 1c durch Lösen der Gleichung Φ_opt = (G_opt/G_Start)·Φ_Start der optimal zu emittierende Strahlungsfluss Φ_opt berechnet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Position und Orientierung der Messhilfsmittel 1a, 1b und 1c zur Bildaufnahmeeinheit 11 werden die jeweils zu emittierenden Strahlungsflüsse Φ_opt jeweils unterschiedlich groß sein. Für das Messhilfsmittel 1a wird ein kleiner zu emittierender Strahlungsfluss ausreichen, da das Messhilfsmittel 1a parallel zur Bildaufnahmeeinheit 11 ausgerichtet ist und der räumliche Abstand vergleichsweise klein ist. Der zu emittierende Strahlungsfluss Φ_opt des Messhilfsmittel 1b wird größer sein, da der räumliche Abstand zwischen dem Messhilfsmittel 1b und der Bildaufnahmeeinheit 11 vergleichsweise groß ist und das Messhilfsmittel 1b gegenüber der Bildaufnahmeeinheit verkippt ist. Auch der zu emittierenden Strahlungsfluss Φ_opt des Messhilfsmittel 1c wird vergleichsweise groß sein, da der räumliche Abstand ebenfalls groß ist und das Messhilfsmittel 1c am Rand des Sichtfeldes der Bildaufnahmeeinheit 11 liegt.
Für die Messhilfsmittel 1a, 1b und 1c werden die zugehörigen Lichtquelleneinheiten 4 mit den ermittelten optimal zu emittierenden Strahlungsflüssen Φ_opt aktiviert. Die Lichtquelleneinheiten 4 der Messhilfsmittel 1d–1h werden nicht aktiviert. Die Bildaufnahmeeinheit 11 nimmt dann ein Messbild auf. Die zugehörigen optischen Zielmarken 3 der Messhilfsmittel 1a, 1b und 1c werden mit einem optimalen Kontrast und einem optimalen Signal-Rausch-Verhältnis im Messbild abgebildet. Nachfolgend können nun in diesem Messbild die 2D-Positionen der abgebildeten optischen Zielmarken 3 mit einem geeigneten Verfahren der digitalen Bildverarbeitung bestimmt werden.
Sofern jedes Messhilfsmittel 1a–1h jeweils eine exklusive Codierung aufweist, wäre es auch möglich, alle Messhilfsmittel gleichzeitig mit einem definierten zu emittierenden Strahlungsfluss Φ_Start zu aktivieren und nur ein Hilfsbild mit der Bildaufnahmeeinheit 11 aufzunehmen. Die Bestimmung des jeweiligen optimal zu emittierenden Strahlungsfluss Φ_opt kann dann aus dem einen Hilfsbild erfolgen.
Die 3 zeigt ein Messhilfsmittel 1, bei dem die Zielmarkeneinheit 2 als hochauflösendes Display ausgestaltet ist. Dies ermöglicht zusätzlich, dass in dem Messbild nicht nur der Kontrast der abgebildeten optischen Zielmarken 3 optimiert werden kann, sondern auch die Größe und/oder die Position der abgebildeten optischen Zielmarken 3. Die 4 zeigt dasselbe Messhilfsmittel 1 mit derselben codierten optischen Zielmarke 3. Allerdings ist die Größe der optischen Zielmarke 3 in 4 gegenüber der Größe der optischen Zielmarke in 3 reduziert. Der Kreismarkenmittelpunkt der durch den Bildoperator als Position der optischen Zielmarke ermittelt wird, ist bei 3 und 4 identisch. In Bezug auf das Ausführungsbeispiel in 2 ist unter der Annahme, dass die Zielmarkeneinheiten 2 der Messhilfsmittel 1a–1h als digitales Display ausgeführt sind, möglich, dass die Größe der optischen Zielmarke 3 des Messhilfsmittels 1a verkleinert wird, da das Messhilfsmittel 1a einen kleinen Abstand zur Bildaufnahmeeinheit hat. Die Größe der optischen Zielmarke 3 des Messhilfsmittels 1c kann gegebenenfalls vergrößert werden, da das Messhilfsmittel 1c zur Bildaufnahmeeinheit 1c einen großen Abstand hat. Die Berechnung der Größe der jeweiligen Zielmarke 3 erfolgt analog aus den Hilfsbildern und der Vorgabe der optimalen Größe einer Zielmarke im Messbild A_{opt_Bild}.
Die 5 zeigt wiederum das gleiche Messhilfsmittel 1 wie in 3 und 4. Im Gegensatz zur 3 ist die Position des Kreismarkenmittelpunkts verändert. Dies kann sinnvoll sein, wenn die optische Zielmarke 3 des Messhilfsmittels 1 in der originären Position auf dem Display nicht durch die Bildaufnahmeeinheit 11 direkt messbar ist, sich aber mindestens ein ausreichend großer Bereich des Messhilfsmittels 1 im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit 11 befindet. Ein mögliches Szenario ist, dass sich die originäre Position der optischen Zielmarke 3 außerhalb des Sichtfeldes der Bildaufnahmeeinheit 11 befindet, aber ein ausreichend großer Bereich des Messhilfsmittels 1 im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit 11 liegt. Denkbar ist ebenfalls, dass sich die originäre Position der optischen Zielmarke 3 zwar im Sichtfeld der Bildaufnahmeeinheit 11 befindet, aber durch Teile des Objektes 10 und/oder der Kulisse verdeckt wird.
Das vorgestellte Verfahren kann vorteilhaft im Rahmen einer photogrammetrischen Vermessung eingesetzt werden. In jeder Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit 11 zum zu vermessenden Objekt 1 wird nach Anwendung des Verfahrens jeweils ein Messbild aufgenommen in dem alle abgebildeten optischen Zielmarken 3 einen optimalen Kontrast aufweisen. Bei Verwendung eines digitalen Displays können auch die Größe der optischen Zielmarken sowie die Position auf dem Display optimal ausgestaltet sein. Aufgrund des so optimierten Signal-Rausch-Verhältnisses für jede abgebildete optische Zielmarke 3 können hochgenaue 2D-Positionen der optischen Zielmarken 3 in jedem Messbild ermittelt werden. Dadurch können im Ergebnis genauere 3D-Koordinaten der optischen Zielmarken 3 im Rahmen einer photogrammetrischen Bündelblockausgleichung berechnet werden.
Das digitale Display kann ein in der Massenkommunikation eingesetztes Medium sein.

Claims

Vorrichtung (9) zum dreidimensionalen optischen Vermessen eines Objektes (10) mit einem berührungslosen, optischen Messverfahren, wobei die Vorrichtung (9) – mindestens eine Bildaufnahmeeinheit (11) zur Aufnahme mindestens eines Bildes des Objektes, – eine Sendeeinheit (12) zum Übertragen von Regelungsbefehlen, – eine Steuerungseinheit (13) zur Ansteuerung der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit (11), – eine Auswerteeinheit (14) zur Auswertung des mit der mindestens einen Bildaufnahmeeinheit (11) aufgenommenen Bildes aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder neben dem Objekt (9) mehrere Messhilfsmittel (1) angeordnet sind, wobei jedes Messhilfsmittel (1) – eine Zielmarkeneinheit (2) mit einer optischen Zielmarke (3), – eine Lichtquelleneinheit (4) deren ausgesandter Strahlungsfluss variierbar ist, – eine Verankerungseinheit (5) zur Fixierung des Messhilfsmittels (1), – eine Empfangseinheit (6) zum Empfangen von Regelungsbefehlen, – eine Regelungseinheit (7) zur Regelung des von der Lichtquelleneinheit (4) emittierten Strahlungsflusses (Φ) in Abhängigkeit der empfangenen Regelungsbefehle, sodass der Grauwert der Abbildung des Messhilfsmittels (1) in einem von der Bildaufnahmeeinheit (11) aufgenommenen Bildes anpassbar ist, und – eine Energiespeichereinheit (8) zur Versorgung des Messhilfsmittels (1) mit elektrischer Energie umfasst.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungseinheit (5) des Messhilfsmittels (1) auf dem Prinzip des Magnetismus, der Adhäsion oder des Drucks basiert.
Vorrichtung (9) nach Anspruch (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Messhilfsmittel (1) jeweils voneinander unterscheidbar sind, dadurch dass die eine optische Zielmarke (3) je Messhilfsmittel (1) einen exklusiven Code beinhaltet.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielmarkeneinheit (2) mit der einen optischen Zielmarke (3) als transparenter Träger mit lichtundurchlässigen Teilbereichen ausgeführt ist, wobei entweder die eine optische Zielmarke (3) lichtundurchlässig ist und die Umgebung lichtdurchlässig ist oder die eine optische Zielmarke (3) lichtdurchlässig ist und die Umgebung lichtundurchlässig ist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielmarkeneinheit (2) mit der einen optischen Zielmarke (3) als programmierbares Display ausgeführt ist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der einen optischen Zielmarke (3) variiert werden kann.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der einen optischen Zielmarke (3) definiert variiert werden kann.
Vorrichtung (9) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (9) eine Beleuchtungseinheit umfasst, welche das Objekt (10) und die auf oder neben dem Objekt (10) angeordneten Messhilfsmittel (1) beleuchtet.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (9) als Streifenprojektionssystem bestehend aus einer Projektionseinheit zur Beleuchtung des Objektes (10) mit mindestens einem Projektionsmuster und mindestens einer Bildaufnahmeeinheit (11) zur Aufnahme des vom Objekt (10) rückgestreuten Projektionsmuster ausgestaltet ist, wobei die Projektionseinheit und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit (11) starr miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (9) als Laserlinienscanner bestehend aus einer Projektionseinheit zur Projektion einer Laserlinie auf das Objekt (10) eingerichtet ist, wobei die Projektionseinheit und die Bildaufnahmeeinheit (11) starr miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (9) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielmarkeneinheit (2) eines Messhilfsmittels (1) mehrere optische Zielmarken umfasst.
Verfahren zum dreidimensionalen optischen Vermessen eines Objektes (10) mit einem optischen Messverfahren durch Aufnehmen mindestens eines Bildes mit einer Bildaufnahmeeinheit (11), wobei auf oder neben dem Objekt (10) mehrere Messhilfsmittel (1) befestigt worden sind, welche jeweils eine Zielmarkeneinheit (2) mit je einer optischen Zielmarke (3), eine Lichtquelleneinheit (4) deren ausgesandter Strahlungsfluss variierbar ist, eine Verankerungseinheit (5) zur Fixierung des Messhilfsmittels (1), eine Empfangseinheit (6) zum Empfangen von Regelungsbefehlen, eine Regelungseinheit (7) zur Regelung der Lichtquelleneinheit (4) in Abhängigkeit der empfangenen Regelungsbefehle und eine Energiespeichereinheit (8) zur Versorgung des Messhilfsmittels (1) mit elektrischer Energie umfasst, gekennzeichnet durch: a. Vorgabe eines optimalen Grauwertes G_opt zur optimalen Detektion einer optischen Zielmarke (3) in einem Messbild b. Exklusives Aktivieren der Lichtquelleneinheit (4) eines ersten Messhilfsmittels (1) mit einem definierten emittierten Strahlungsfluss Φ_Start und Aufnehmen eines ersten Hilfsbildes mit der Bildaufnahmeeinheit (11) c. Exklusives Aktivieren der Lichtquelleneinheit (4) jedes weiteren i-ten Messhilfsmittels (1) mit einem definierten emittierten Strahlungsfluss Φ_Start und Aufnehmen jeweils eines i-ten Hilfsbildes mit der Bildaufnahmeeinheit (11) d. Detektion der optischen Zielmarke (3) in jedem Hilfsbild sowie Bestimmung der Eigenschaften je optischer Zielmarke (3): Position im Hilfsbild P_Start und aktueller Grauwert G_Start e. Bestimmung des optimalen zu emittierenden Strahlungsflusses Φ_opt je optischer Zielmarke (3) in Abhängigkeit von der Beziehung: Φ_opt = (G_opt/G_Start)·Φ_Start f. Aktivieren der Lichtquelleneinheit (4) jedes Messhilfsmittels (1) mit dem jeweilig berechneten zu emittierenden Strahlungsflusses Φ_opt g. Aufnehmen des Messbildes mit optimal beleuchteten optischen Zielmarken (3) h. Bestimmung der Position der optischen Zielmarken (3) im optimal beleuchteten Messbild.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von der Anzahl der verwendeten Messhilfsmittel (1) nur ein Hilfsbild aufgenommen wird, wobei alle Lichtquellen (4) der Messhilfsmittel (1) jeweils mit einem definierten emittierten Strahlungsfluss Φ_Start leuchten und jede optische Zielmarke (3) eines Messhilfsmittels (1) einen einzigartigen Code aufweist, sodass die optische Zielmarke (3) in dem Hilfsbild eindeutig einem Messhilfsmittel (1) zugeordnet werden kann und die Detektion der optischen Eigenschaften je optischer Zielmarke (3) in dem einen Hilfsbild durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 wobei die Zielmarkeneinheit (2) als programmierbares Display ausgestaltet ist, gekennzeichnet durch folgende ergänzende Teilschritte: a. Vorgabe einer optimalen Größe A_{opt_Bild} der optischen Zielmarke (3) im Messbild b. Einstellung einer definierten Größe A_{Start_Obj} jeder optischen Zielmarke (3) auf dem programmierbaren Display c. Bestimmung der Größe A_{Start_Bild} jeder abgebildeten optischen Zielmarke (3) im Hilfsbild d. Bestimmung der optimalen Größe A_{opt_Obj} je optischer Zielmarke (3) in Abhängigkeit von der Beziehung: A_{opt_Obj} = (A_{opt_Bild}/A_{Start_Bild})·A_{Start_Obj} e. Anpassung der Größe je optischer Zielmarke (3) an die jeweilig berechnete optimale Größe A_{opt_Obj}, wobei das Zentrum der jeweiligen optischen Zielmarke (3) auf dem programmierbaren Display nicht verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Zielmarke (3) der Zielmarkeneinheit (2) entsprechend einer Vorgabe in ihrer Position vor Aufnahme des Hilfsbildes oder zwischen der Aufnahme des Hilfsbildes und des Messbildes definiert verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für mehrere verschiedene Lagen der Bildaufnahmeeinheit (11) zum Objekt (10) angewendet wird und die 3D-Koordinaten der optischen Zielmarken (3) aus den Positionen der optischen Zielmarken (3) in den jeweiligen Messbildern mittels photogrammetrischer Auswertung berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass je Messhilfsmittel (1) mehrere optische Zielmarken (3) verwendet werden und zur Bestimmung des zugehörigen optimal zu emittierenden Strahlungsfluss Φ_opt der höchste aktuelle Grauwert Gakt der zu dem Messhilfsmittel (1) gehörenden optischen Zielmarken (3) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der nach Anwendung des Verfahrens ermittelte optimal zu emittierende Strahlungsfluss Φ_opt je optischer Zielmarke (3) und optional die optimale Größe A_opt und Position P je optischer Zielmarke (3) sowie Ausrichtung der Bildaufnahmeeinheit (11) zum Objekt (10) gespeichert wird und bei einer nachfolgenden Messung des Objektes (10) oder eines vergleichbaren anderen Objektes (10) entsprechend angewendet werden.