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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Herkömmlicher Weise werden voneinander unabhängige, zueinander zu kalibrierende Einzelsysteme beziehungsweise Triangulationssensoren verwendet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vielzahl von Triangulationssensoren unter Verwendung eines einzelnen Kamerachips derart zu realisieren, dass 3D-Messungen (Messungen in drei Dimensionen) in unterschiedlichen Richtungen und mit unterschiedlichen Genauigkeiten in kompakten und robusten Systemen ausführbar sind. Es soll eine 3D-Vermessung insbesondere von länglichen Ausnehmungen, insbesondere Nuten, Spalten und Röhren ausführbar sein.
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Eine Ausnehmung ist insbesondere ein räumlicher Bereich eines Materialkörpers, in dem kein Material des Körpers vorhanden ist.
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Die Aufgabe wird mittels einer Messvorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und einem Messverfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Messvorrichtung zur mittels Triangulation ausgeführten 3D-Messung eines, insbesondere eine Ausnehmung aufweisenden, Objektes, insbesondere einer Nut, einer Spalte oder einer Röhre, vorgeschlagen, wobei zwischen einer einzigen Erfassungseinrichtung und dem Objekt eine Mehrzahl getrennter optische Wege erzeugende optischen Einrichtung positioniert ist, die ein einziges ohne optische Einrichtung ursprüngliches Sichtfeld der Erfassungseinrichtung in eine Mehrzahl von Untersichtfeldern aufteilt und die einzige Erfassungseinrichtung die Untersichtfelder getrennt erfasst.
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Eine Ausnehmung ist insbesondere ein räumlicher Bereich eines Materialkörpers, in dem kein Material des Körpers vorhanden ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur mittels Triangulation ausgeführten 3D-Messung eines, insbesondere eine Ausnehmung aufweisenden, Objektes (0), insbesondere einer Nut, einer Spalte oder einer Röhre, mit dem Schritt vorgeschlagen: relatives Positionieren einer Messvorrichtung und des Objektes zueinander, wobei die Messvorrichtung eine einzige Erfassungseinrichtung und eine optische Einrichtung aufweist, wobei diese zwischen der Erfassungseinrichtung und dem Objekt eine Mehrzahl getrennter optische Wege derart erzeugt, dass ein einziges ohne optische Einrichtung ursprüngliches Sichtfeld der Erfassungseinrichtung in eine Mehrzahl von Untersichtfeldern aufgeteilt wird, wobei die einzige Erfassungseinrichtung die Untersichtfelder getrennt erfasst, wobei das relative Positionieren derart ausgeführt wird, dass mindestens zwei Untersichtfelder das Objekt erfassen.
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Sichtfeld (englisch field of view, FOV) bezeichnet den Bereich im Bildwinkel eines optischen Geräts, eines Sonnensensors, der Bildfläche einer Kamera (Film oder Aufnahmesensor) oder eines Durchsichtdisplays, innerhalb dessen Ereignisse oder Veränderungen wahrgenommen und aufgezeichnet werden können.
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Es wird ein Sichtfeld einer Messvorrichtung in einzelne Untergesichtsfelder aufgeteilt, die zur Aufnahme mehrerer Musterprojektionen auf einem einzigen Kamerachip oder Bildelementfeld separat über ein Objektiv geführt werden.
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Vorteilhaft können mehrere Messungen gleichzeitig unter Verwendung lediglich einer Kamera und eines Objektives bei einer einfachen mechanischen Ausrichtung ausgeführt werden. Infolge des Wegfalls des Erfordernisses einer mechanischen Kopplung mehrerer Kameras kann eine im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerte Stabilität bewirkt werden. Des Weiteren sind weder eine Synchronisation und Referenzierung mehrerer Kameras erforderlich. Es ist lediglich ein einziger Bildeinzug von der erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung zu einer Rechnereinrichtung erforderlich. Es ist lediglich eine Kalibrierung bei einer Objektivverzeichnung erforderlich. Es sind ein kompakteres, robusteres und kostengünstigeres Design und kleinere Formfaktoren im Vergleich zum Stand der Technik bereitstellbar. Ein erfindungsgemäßes System kann als 3D-Steeple-Scan- oder 3D-Graben oder 3D-Nut-Scan-System bezeichnet werden, da es besonders vorteilhaft für Ausnehmungen aufweisende Objekte verwendbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können mittels der optischen Einrichtung mindestens zwei Untersichtfelder erzeugt werden, die zu einer Bezugsebene symmetrisch ausgebildet sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können zwei Untersichtfelder entlang zweier Strecken erzeugt werden, die parallel zueinander und symmetrisch zu einer Bezugsebene, insbesondere Symmetrieebene, der Messvorrichtung verlaufen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können drei Untersichtfelder entlang dreier Strecken erzeugt werden, die symmetrisch zu einer Bezugsebene, insbesondere Symmetrieebene, der Messvorrichtung verlaufen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zur aktiven Triangulation mindestens eine Projektionseinrichtung ausgebildet sein, die in jedem Untersichtfeld ein Muster erzeugt, das auf das Objekt projizierbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zur passiven Triangulation für jedes Untersichtfeld in der einzigen Erfassungseinrichtung ein Stereo-System ausgebildet sein, mittels dem jeweils das Objekt erfassbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die optische Einrichtung zur Untersichtfeld-Aufteilung ein reflektierendes, ein brechendes und/oder ein beugendes optisches Element aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die optische Einrichtung die optischen Wege, insbesondere mittels Faltung, verlängernde oder verkürzende optische Elemente aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels der Projektionseinrichtung Muster unter verschiedenen Triangulationswinkeln getrennt von der Erfassungseinrichtung auf das Objekt projizierbar sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels der optischen Einrichtung für die Untersichtfelder jeweils verschiedene Filter, insbesondere für Helligkeit und/oder Wellenlänge, in einem jeweiligen optischen Weg eingebracht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels der optischen Einrichtung für die Untersichtfelder jeweils verschiedene optische Abbildungs-Verzehr-Elemente zur Kompensation von Abbildungsfehlern in einem jeweiligen optischen Weg eingebracht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels einer Bildelement-Takteinrichtung an Bildelementen der Erfassungseinrichtung Zeitverschiebungen ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels der optischen Einrichtung ein steuerbares Blenden-Array zur Auswertung einer mittels der Erfassungseinrichtung erzeugten Abbildung und einer Diskriminierung bestimmter Bereiche in die optischen Wege eingebracht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels einer Rechnereinrichtung die Diskriminierung ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels einer Rechnereinrichtung die Triangulation auf der Grundlage mehrerer mittels der Untersichtfelder erzeugten Abbildungen ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Untersichtfelder separat über das Objektiv geführt werden.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur mittels Triangulation ausgeführten 3D-Messung eines Objektes 0, die hier beispielsweise eine Nut ist. Die Messvorrichtung weist eine Projektionseinrichtung 3 zur Musterprojektion auf das Objekt 0 auf. Eine mit einem Objekt ein Sichtfeld erzeugende Erfassungseinrichtung 1 dient der Mustererfassung. Mittels einer zwischen Erfassungseinrichtung 1 und dem Objekt 0 positionierten, eine Mehrzahl getrennt einstellbarer optische Wege erzeugenden optischen Einrichtung kann das Sichtfeld in eine Mehrzahl von Untersichtfeldern aufgeteilt werden.
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Die Messvorrichtung kann ebenso als „Multi directional single chip triangulation system“ also als „Mehrrichtungs-Einzelchip-Triangulationssystem“ oder als „optischer 3D Messtaster“ bezeichnet werden. Die Triangulation ist insbesondere eine aktive Triangulation, die beispielsweise Laserlinienverformungen zur Berechnung verwendet.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 zeigt eine mit einem Objekt ein Sichtfeld erzeugende Erfassungseinrichtung 1 zur Erfassung von Mustern. Die Messvorrichtung ermöglicht eine mittels Triangulation ausgeführte 3D-Messung eines Objektes 0, das hier eine Nut ist. 2 zeigt eine zwischen Erfassungseinrichtung 1 und dem Objekt 0 positionierte, eine Mehrzahl getrennt einstellbarer optische Wege erzeugende optische Einrichtung 5, die das Sichtfeld in eine Mehrzahl von Untersichtfeldern aufteilt. Beispielsweise kann die optische Einrichtung 5 zur Untersichtfeld-Aufteilung reflektierende, brechende und/oder beugende optische Elemente aufweisen.
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2 zeigt eine Messvorrichtung M, die symmetrisch zu einer lotrechten Symmetrieebene S ausgebildet ist. Entsprechend sind zwei zueinander symmetrische Untersichtfelder erzeugt, die eine gleichzeitige Erfassung beispielsweise von gegenüberliegenden Nutenwänden ermöglichen.
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Die Aufteilung kann mittels refraktive oder diffraktive Elemente, beispielsweise Spiegel oder Prismen, hervorgerufen werden. So lässt sich das über die Anordnung aus Kamera und Objekt gegebene Gesichtsfeld in mehrere, aber mindestens zwei Teilgesichtsfelder, aufteilen. Mittels weiterer optischer Elemente können diese Gesichtsfelder separat geführt und zu unterschiedlichen oder der identischen Stelle im Raum geleitet werden. Hierbei kann durch die Faltung des Strahlenganges beziehungsweise durch eine Verlängerung oder Verkürzung der optischen Weglänge ebenso eine Abbildung an unterschiedlichen Tiefen ausgeführt werden, obwohl das gleiche Objektiv eingesetzt wird. Die für die aktive Triangulation nötige Beleuchtung kann unabhängig davon an die entsprechenden Stellen gelenkt werden. Auf diese Weise lassen sich Messungen derselben Stelle mit unterschiedlichen Triangulationswinkel durchführen oder ebenso Bereiche in unterschiedlicher Tiefe mit gleichbleibender Auflösung messen, ohne die Schärfentiefe zu erhöhen. Die Aufspaltung des Gesichtsfeldes erlaubt bei Betrachtung der gleichen Stelle auch eine Art High Dynamic Range Anwendung, da innerhalb der Einzelstrahlengänge unterschiedliche Filter für Helligkeit und Wellenlänge verwendet werden können. Natürlich können ebenso weitere optische Elemente eingebracht werden, die die Abbildung der gleichen Stelle des Objekts so verzerren, dass Abbildungsfehler kompensiert werden können. So kann die Genauigkeit selektiv erhöht werden. Gleichzeitig erlaubt die Benutzung nur einer Kamera und eines Objekts eine einfache und genaue Referenzierung zwischen den durch die Aufteilung entstehenden Einzelsensoren, da keine mechanischen Kopplungen, wie bei Verwendung getrennter Systeme, erforderlich sind. Damit wir eine genaue diametrale Messung ermöglicht. Ebenso die exakt synchrone Messung der Teilsysteme ist infolge des Einsatzes lediglich einer Kamera gegeben, da nicht mehrere Kameras synchronisiert werden müssen.
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Genauso kann aber ebenso eine so genannte "Pixel-Clock" benutzt werden, um exakt definierte Zeitverschiebungen einzuführen, wie dies beispielsweise ähnlich bei TDI-Kameras ausgeführt wird. Vorstellbar ist ebenso die Auswertung der Abbildung und eine computergestützte Diskriminierung bestimmter Bereiche mittels eines steuerbaren Blenden-Arrays. Erfindungsgemäß wird nicht, wie es bei einer Lichtfeldkamera der Fall ist, lediglich eine Szene betrachtet. Es erfolgt eine Aufteilung eines Gesichtsfeldes und eine separate Führung von Einzelgesichtsfeldern zur Aufnahme mehrerer Musterprojektionen auf einem einzelnen Kamerachip über ein Objektiv. Eine Kamera ist ein Ausführungsbeispiel für eine Erfassungseinrichtung.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren nutzt insbesondere die Triangulation zur 3D-Messung eines Objekts. In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen des Systems, wobei ein Aufteilen eines ursprünglichen Sichtfeldes in eine Mehrzahl von Untersichtfeldern ausgeführt wurde. Dies erfolgt mittels einer zwischen Erfassungseinrichtung und dem Objekt positionierbaren, eine Mehrzahl getrennt einstellbarer optischer Wege erzeugenden, optischen Einrichtung. Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt eine mittels einer Projektionseinrichtung ausgeführte Musterprojektion. Mit einem dritten Schritt S3 erfolgt eine mittels einer mit einem Objektiv ein Sichtfeld erzeugenden Erfassungseinrichtung ausgeführte Mustererfassung. Das Verfahren nutzt, dass mittels der Projektionseinrichtung Muster unter verschiedenen Triangulationswinkeln getrennt von der Erfassungseinrichtung auf das Objekt projiziert werden können. Mittels des Erzeugens von Untersichtfeldern können die für die Triangulationsberechnungen erforderlichen Messwerte erhalten und mittels einer Rechnereinrichtung weiter verarbeitet werden. Entsprechend kann das Objekt hinsichtlich dessen dreidimensionaler räumlichen Erstreckungen im Raum gemessen werden.
