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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellstmöglichen und hochgenauen 3D-Messung von Objekten, bei dem spektral schmalbandige Muster auf das zu vermessende Objekt projiziert werden, die von Standort unterschiedlichen Bildansichten als korrespondierende Bildmuster des Objekts, beispielsweise durch Kameras, detektiert werden. Diese Bildansichten werden zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Oberfläche über Triangulationsrechnungen benutzt. Dabei werden für gewöhnlich Specklemuster verwendet. Um hinreichend große Speckles erzeugen zu können, ist eine Fokussierung des zur Verfügung stehenden Lichtes nötig. Dies, in Kombination mit zur schnellen Vermessung von Objekten notwendiger hoher Lichtleistung, führt häufig zur Zerstörung des speckleerzeugenden Elementes oder zu einer Beschränkung der Aufnahmerate. Durch die Erfindung wird dieses Problem maßgeblich reduziert, sodass verglichen mit dem aktuellen Stand höhere Lichtleistungen zur 3D-Vermessung von Objekten zur Verfügung stehen.
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Berührungslose optische Formvermessung ist in vielen Bereichen von Bedeutung. So werden derartige Systeme beispielsweise in der Qualitätssicherung, bei Crashtests oder zur Bewegungsbestimmung von Personen in der Sportwissenschaft, der Medizin sowie der Unterhaltungsindustrie eingesetzt. Dabei besteht oft das Problem, dass sich die Objekte bewegen oder nur für einen kurzen Moment unbewegt zur Verfügung stehen, sodass es zwingend notwendig ist, die Objekte so schnell zu vermessen, dass keine Bewegungsartefakte auftreten.
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Mittlerweile existiert eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren, um Objekte hochgenau und schnell dreidimensional zu vermessen. So ist es möglich, das Verfahren der Streifenmusterprojektion einzusetzen. Dabei wird das schnelle Umschalten zwischen den Phasen des Streifenmusters über ein Array aus LEDs erzeugt (S. Heist, M. Sieler, A. Breitbarth, P. Kühmstedt, G. Notni: Hochgeschwindigkeits-3D-Formvermessung mittels Array-Projektion, DGaO Proceedings 2013, urn:nbn:de:0287-2013-A018-5). Auch kann ein einzelnes Muster mittels eines taumelnden Spiegels so über das Objekt bewegt werden, dass durch die verschiedenen Lagen des Musters auf dem Objekt eine zeitcodierte Korrelation erfolgen kann (
DE 10 2011 101 476 A1 ). Wiederum andere Verfahren setzen speziell angepasste DLP-Projektoren zur Mustererzeugung ein (
S. Zhang: Recent progresses on real-time 3d shape measurement using digital fringe projection techniques, Optica and Lasers in Engineering 48, 2010, 149 - 158). Nachteil an inkohärenten Verfahren ist dabei die durch die nötige Abbildung des Musters auf das Objekt limitierte Schärfentiefe des zur Zeitkorrelation genutzten Musters. Neben der bestehenden Vielzahl an inkohärenten Beleuchtungsmethoden besteht aber weiterhin auch die Möglichkeit einer kohärenten Mustererzeugung.
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Bei der kohärenten Mustererzeugung wird im Bereich der schnellen hochgenauen Vermessung für gewöhnlich mittels eines Lasers eine kleine Fläche auf einer Streuscheibe beleuchtet, wodurch Speckles entstehen, welche nach Propagation im freien Raum das gewünschte Objekt beleuchten (
DE 10 2012 001 307 A1 ;
DE 10 2012 002 161 A1 ;
M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik: High-speed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acoustooptical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097-3099,
M. Dekiff, P. Berssenbrügge, B. Kemper, C. Denz, D. Dirksen: Three-dimensional data acquisition by digital correlation of projected speckle patterns, Applied Physics B 99, 2010, 449 - 456). Das resultierende Specklemuster kann dann durch Verdrehen der Streuscheibe oder beispielsweise mittels eines akusto-optischen Deflektors variiert werden. Allerdings hat dies den Nachteil, dass bei sehr kurzen Belichtungszeiten eine so hohe Lichtleistung benötigt wird, dass die verwendete Streuscheibe dabei beschädigt wird.
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Neben den beschriebenen Verfahren gibt es eine Vielzahl weiterer Verfahren, welche eine dreidimensionale Vermessung der Objektoberfläche ermöglichen. Beispiele dazu sind etwa holographische Methoden als Formvergleich eines Prüflings zu einer Referenz (
T. Baumbach, W. Osten, C. von Kopylow, W. Jüptner: Remote metrology by comparative digital holography, Applied Optics 45, 2006, 925 - 934), die Erzeugung eines erweiterten Fokus (
C. McElhinney, B. Hennely, T. Naughton: Extended focused imaging for digital holograms of macroscopic three-dimensional objects, Applied Optics 47, 2008, D71 - D79), Verfahren zum Laserscannen (
DE 10 2006 060 108 A1 ) oder aber auch Verfahren wie die, der holographischen Interferometrie ähnliche, elektronische Specklemusterinterferenz (ESPI), bei der das auf der rauen Objektoberfläche erzeugte Specklemuster von einer Kamera erfasst und anschließend mithilfe eines Computers ausgewertet wird (
D. Dirksen, J. Gettkant, G. Bischoff, B. Kemper, Z. Böröcz, G. von Bally: Improved evaluation of electronic speckle pattern interferograms by photogrammetric image analysis, Optics and Lasers in Engineering 44, 2006, 443 - 454). Die ESPI wird dabei lediglich zur Deformationsmessung opaker Objekte sowie bei Änderungen des Brechungsindex in transparenten Medien eingesetzt (
U. Schnars, W. Jueptner: Digital Holography, Springer-Verlag, 2005).
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine hochgenaue und schnellstmögliche 3D-Vermessung mit möglichst hohen Intensitäten zu realisieren, insbesondere sollte neben einer schnellen Vermessung auch eine Ausleuchtung und damit Vermessung großer Flächen und Volumina auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Mustererzeugung gelöst, bei dem die zur Messung verwendeten Specklemuster durch ein streuend reflektives Element generiert werden.
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Der Vorteil dieser Mustererzeugungsmethode liegt darin, dass es möglich ist, nicht transparente Materialien (wie Metalle oder Keramiken) zu verwenden, die gegenüber der durch die hohe Lichtleistung verursachten Wärmeentwicklung deutlich widerstandsfähiger sind, was gegenüber dem aktuellen Stand der Technik einen signifikanten Vorteil bei der Projektion der Muster und somit bei der möglichen Messzeit darstellt.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungsmerkmale aufgeführt.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand zweier Zeichnungen genauer erläutert werden. 1 enthält ein Ausführungsbeispiel zur schnellen, hochgenauen 3D-Oberflächenvermessung unter Verwendung von statistischen kohärenten Mustern. Ein mögliches Beispiel des Musterprojektors 3 ist in 2 zu finden.
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Die Oberfläche 2 eines Objektes 1 soll dreidimensional, schnell und hochgenau vermessen werden. Dazu werden statistische Muster erzeugt, welche die zu vermessende Objektoberfläche ausfüllen.
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Die Muster des Projektors 3 werden, wie in 2 beispielhaft dargestellt, dadurch erzeugt, dass ein von einem Laser 6 oder einer anderen hinreichend kohärenten Quelle erzeugtes Lichtbündel, das mithilfe eines optischen Systems 7 aufgeweitet und homogenisiert wurde mittels eines Spiegels 8 umgelenkt wird und nach Passieren einer weiteren Linse 9 auf die raue Oberfläche einer Metallplatte 10 oder eines anderen streuend reflektiven Materials trifft. Die Muster können nun variiert werden, indem beispielsweise das Lichtbündel mithilfe von Spiegel 8 bewegt wird. Eine andere Möglichkeit ist das Bewegen des streuend reflektiven Elementes 10.
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Die Linse 9 dient dem Zweck, die auf dem streuend reflektiven Element beleuchtete Fläche wählbar zu gestalten. Dabei bestimmt die Größe dieser Fläche die Größe der erzeugten Speckles (J. C. Dainty: Laser Speckle and Related Phenomena, Springer-Verlag 1984). Die hierfür minimale erzeugbare Fläche kann aus der numerischen Apertur der verwendeten Linse 9 sowie der von der Lichtquelle 6 abgestrahlten Wellenlänge des Lichts bestimmt werden. Der vom streuend reflektiven Element abgestrahlte Lichtkegel wird hingegen vorwiegend von der Rauheit der streuend reflektiven Oberfläche bestimmt.
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Die das Objekt beleuchtenden statistischen Muster werden mittels zweier abbildender Optiken 4 durch Detektoren 5 erfasst. Die Kameras werden typischerweise vorher bezüglich ihrer inneren und äußeren Parameter kalibriert, sodass die von beiden Kameras aufgenommenen Bilder miteinander korreliert werden können. Schematisch ergibt sich dabei folgender Ablauf: Zunächst wird am streuend reflektiven Element 10 eine Speckleverteilung erzeugt, die sich frei durch den Raum bis auf die Objektoberfläche 2 ausbreitet. Diese Verteilung wird nun von zwei sich an unterschiedlichen Standorten befindlichen Kameras, bestehend aus Abbildungsoptik 4 und Detektor 5 erfasst. Im Anschluss daran wird ein neues statistisches Specklemuster erzeugt, beispielsweise durch eine laterale Bewegung des streuend reflektiven Elementes 10, woraufhin beide Kameras, bestehend aus Abbildungsoptik 4 und Detektor 5 wieder je ein neues Bild aufzeichnen. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Anzahl an Mustern erfasst wurde. Der Detektionsbereich der beiden Kameras ist schematisch mittels der gepunkteten Linien dargestellt. Durch die Materialbeschaffenheit des streuend reflektiven Elementes 10 ist es dabei möglich, leistungsstärkere Lichtquellen 6 zu verwenden und mittels der Linse 9 auf eine kleinere Fläche zu fokussieren, als dies mittels der bisher üblicherweise verwendeten Streuscheiben möglich wäre.
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Zur Auswertung werden die aufgezeichneten Mustersequenzen an einen Computer übertragen, welcher aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in der Figur dargestellt wurde. Dort wird die Sequenz an Bildern mittels der bekannten Methode der zeitcodierten Korrelation ausgewertet. Die Zeitkorrelation beschreibt hier ein Verfahren, bei dem für jeden Pixel der Führungskamera die Sequenz der in den einzelnen Aufnahmen gefundenen Grauwerte mit den Sequenzen verglichen wird, die von der zweiten Kamera aufgezeichnet worden sind. Der Kreuzkorrelationskoeffizient bewertet dabei die Ähnlichkeit der Grauwertsequenzen. So wird festgestellt, welches Pixelpaar aus einem Pixel der Führungskamera und einem Pixel der zweiten Kamera für die triangulatorische Bestimmung der Raumkoordinaten des rekonstruierten Punktes verwendet wird.
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Am Ende dieses Prozesses steht dem Nutzer eine Punktwolke der Oberfläche 2 des Objektes 1 zur Verfügung. Diese Punktwolke enthält nur Informationen aus dem Bereich des Objektes 1, der von beiden Kameras (Kombination aus Abbildungsoptik 4 und Detektor 5) erfasst werden konnte.
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Anstelle der hier beschriebenen Kreuzkorrelation können auch weitere Korrelationsmethoden für die zeitliche und/oder räumliche Korrelation verwendet werden. So ist es beispielsweise auch möglich, die Änderungen der Grauwerte einer Sequenz zu einem Vergleich heranzuziehen. Die Zeitkorrelation beschreibt hier ein Verfahren, bei dem für jedes Pixel der Führungskamera die Sequenz der in den einzelnen Aufnahmen gefundenen Grauwerte mit den Sequenzen verglichen wird, die von der zweiten Kamera für verschiedene Pixel aufgezeichnet worden sind. Der Kreuzkorrelationskoeffizient bewertet dabei die Ähnlichkeit der Grauwertsequenzen. So wird festgestellt, welches Pixelpaar (homologe Punkte) aus einem Pixel der Führungskamera und einem Pixel der zweiten Kamera für die triangulatorische Bestimmung der Raumkoordinaten des rekonstruierten Punktes verwendet wird.
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Anstelle einer Einzellinse 9 können auch ein oder mehrere Objektive, Linsenkombinationen und/oder Spiegel verwendet werden.
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Anstelle des Lasers 6 kann auch eine andere Lichtquelle verwendet werden, sofern sie die Anforderungen bezüglich der für die Speckleerzeugung benötigten Kohärenzeigenschaften erfüllt. Weiterhin ist es auch möglich, mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge zu verwenden und die daraus resultierenden Specklemuster beispielsweise über Filter voneinander zu trennen.
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Die Form des streuend reflektiven Elementes 10 kann dabei variabel gestaltet werden. Dabei ist es möglich, mittels bestimmter Formen oder auch verschiedener Polierungen des Elementes die Form des Strahlkegels gezielt zu beeinflussen, sodass beispielsweise eine linienhafte Beleuchtung realisiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- 2
- Objektoberfläche
- 3
- Projektor
- 4
- Abbildungsoptik
- 5
- Detektor
- 6
- Lichtquelle (Laser)
- 7
- Optik zur Strahlaufweitung
- 8
- Umlenkspiegel
- 9
- Fokussierlinse
- 10
- streuend reflektives Element
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011101476 A1 [0003]
- DE 102012001307 A1 [0004]
- DE 102012002161 A1 [0004]
- DE 102006060108 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- S. Zhang: Recent progresses on real-time 3d shape measurement using digital fringe projection techniques, Optica and Lasers in Engineering 48, 2010, 149 - 158 [0003]
- M. Schaffer, M. Grosse, B. Harendt, R. Kowarschik: High-speed three-dimensional shape measurements of objects with laser speckles and acoustooptical deflection, Optics Letters 36, 2011, 3097-3099 [0004]
- M. Dekiff, P. Berssenbrügge, B. Kemper, C. Denz, D. Dirksen: Three-dimensional data acquisition by digital correlation of projected speckle patterns, Applied Physics B 99, 2010, 449 - 456 [0004]
- T. Baumbach, W. Osten, C. von Kopylow, W. Jüptner: Remote metrology by comparative digital holography, Applied Optics 45, 2006, 925 - 934 [0005]
- C. McElhinney, B. Hennely, T. Naughton: Extended focused imaging for digital holograms of macroscopic three-dimensional objects, Applied Optics 47, 2008, D71 - D79 [0005]
- D. Dirksen, J. Gettkant, G. Bischoff, B. Kemper, Z. Böröcz, G. von Bally: Improved evaluation of electronic speckle pattern interferograms by photogrammetric image analysis, Optics and Lasers in Engineering 44, 2006, 443 - 454 [0005]
- U. Schnars, W. Jueptner: Digital Holography, Springer-Verlag, 2005 [0005]
