DE102017113475A1 - Vorrichtung zum Projizieren eines zeitlich veränderlichen optischen Musters auf ein dreidimensional zu vermessendes Objekt - Google Patents

Vorrichtung zum Projizieren eines zeitlich veränderlichen optischen Musters auf ein dreidimensional zu vermessendes Objekt Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Projizieren eines zeitlich veränderlichen optischen Musters auf ein dreidimensional zu vermessendes Objekt, umfassend eine Fassung für ein optisches Muster, eine Lichtquelle mit einer Beleuchtungsoptik und eine Abbildungsoptik, wobei das optische Muster als ein Dia auf einer Verschiebungsmechanik befestigt ist, die das optische Muster relativ zur Beleuchtungsoptik und zur Abbildungsoptik verschiebt, wobei die Verschiebungsmechanik eine Verschiebung des optischen Musters in einer senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik orientierten Diaebene bewirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Projizieren eines zeitlich veränderlichen optischen Musters auf ein zu dreidimensional vermessendes Objekt nach Anspruch 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind hierfür Vorrichtungen bekannt, bei denen verschiedene Muster auf das zu vermessende Objekt projiziert werden. Für derartige dreidimensionale Vermessungen erweisen sich lageveränderliche Muster und Projektionen als zweckmäßig bzw. als notwendig. Hierzu wird die Projektion beispielsweise über einen taumelnden Spiegel umgelenkt ( DE 10 2011 101 476 A1 ). Diese Vorrichtung hat verschiedene Nachteile, von denen folgende besonders hervorzuheben sind:
    Da sich der taumelnde Spiegel zwischen der Abbildungsoptik des Diaprojektors und dem Messobjekt befindet, muss der Spiegel vergleichsweise groß sein, um den ausgeleuchteten Bereich nicht zu begrenzen. Dies erfordert einen großen Bauraum. Außerdem ist infolge der vergleichsweise großen Masse des Spiegels ein großer konstruktiver Aufwand erforderlich, wenn mögliche Unwuchten bei der Rotation zu vermeiden sind.
  • Durch die taumelnde Bewegung des Spiegels wird nicht nur das projizierte Muster, sondern auch der ausgeleuchtete Bereich verschoben. Das effektiv nutzbare Messfeld, das in jeder Stellung des taumelnden Spiegels von einem Muster beleuchtet wird, ist deshalb deutlich kleiner als der Bereich, der in einer einzelnen Stellung des Spiegels ausgeleuchtet wird. Deshalb kommt ein großer Teil der Lichtleistung nicht der Ausleuchtung des Messfeldes zugute. Bei den kurzen Messzeiten, die bei dreidimensionalen Messverfahren grundsätzlich erwünscht sind, ist eine optimale Ausnutzung der Lichtleistung jedoch von hoher Bedeutung.
  • Es besteht die Aufgabe, den genannten Nachteilen abzuhelfen und eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein optisches Muster auf ein zu vermessendes Objekt stabil und mit einem minimalen Aufwand auch auf bewegliche Weise projiziert werden kann.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung zum Projizieren eines optischen Musters auf ein zu vermessendes Objekt mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten zweckmäße und/oder vorteilhafte Ausführungsformen.
  • Die Vorrichtung zum Projizieren eines zeitlich veränderlichen optischen Musters auf ein dreidimensional zu vermessendes Objekt umfasst eine Fassung für ein optisches Muster, eine Lichtquelle mit einer Beleuchtungsoptik und eine Abbildungsoptik, wobei das optische Muster als ein Dia auf einer Verschiebungsmechanik befestigt ist, die das optische Muster relativ zur Beleuchtungsoptik und zur Abbildungsoptik verschiebt. Dabei bewirkt die Verschiebungsmechanik eine Verschiebung des optischen Musters in einer senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik orientierten Diaebene.
  • Bei einer Ausführungsform enthält die Verschiebungsmechanik eine Anordnung aus zueinander gekreuzten Linearführungen zur Führung der Fassung, wobei die Verschiebung des optischen Musters entlang von durch die gekreuzten Linearführungen ermöglichten und überlagerten translatorischen Bewegungen erfolgt. Unter „gekreuzt” wird hier eine Anordnung verstanden, bei der beide Linearführungen nicht parallel zueinander angeordnet sind. Sie können dabei insbesondere senkrecht zueinander angeordnet sein.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Verschiebungsmechanik in Form eines in die Fassung eingearbeiteten Lagers mit einem in dem Lager exzentrisch rotierenden von einem Motor getriebenen Formkörper ausgebildet.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Verschiebungsmechanik in Form an der Fassung angreifender linearer Aktuatoren ausgebildet, wobei die Aktuatoren in Form von piezoelektrisch bewegten Hebeleinrichtungen ausgebildet sind.
  • Die Lichtquelle, die Beleuchtungsoptik, die Abbildungsoptik und mindestens eine der Linearführungen sind bei einer vorteilhaften Ausgestaltung über einen starren Grundkörper miteinander verbunden.
  • Bei einer Ausführungsform werden die linearen Aktuatoren so angesteuert, dass die Fassung auf einer Kreisbahn verschoben wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist die mit dem Grundkörper verbundene Linearführung senkrecht zur Wirkungsrichtung der Gravitationskraft angeordnet.
  • Bei einer Ausführungsform weist die Verschiebungsmechanik zwei in einer Fest-Los-Lagerung eingearbeitete Lager auf.
  • Die Vorrichtung soll nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 5.
  • Es zeigt
  • 1 eine erste Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung (Ansicht auf die x-z-Ebene des rechtshändigen Koordinatenssytems),
  • 2 eine zweite Ansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung (Ansicht auf die x-y-Ebene des rechtshändigen Koordinatenssytems),
  • 3 eine mögliche Ausführungsform des Exzentertriebs der in 1 und 2 gezeigten Vorrichtung,
  • 4 eine Ausführungsform mit einer von einem linearen Aktuator getriebenen Verschiebungsmechanik,
  • 5 eine weitere Ausführungsform mit einer von einem linearen Aktuator getriebenen Verschiebungsmechanik.
  • Als besonders einfach hat sich eine rein translatorische Verschiebung des optischen Musters auf einer Kreisbahn ergeben. Dadurch ist eine sehr gleichmäßige Veränderung der projizierten Musterstruktur möglich. Insbesondere wird die projizierte Musterstruktur so stets mit konstanter Geschwindigkeit verschoben und es wird keine Bewegungsrichtung bevorzugt.
  • Die 1 bis 2 zeigen eine erste Ausführungsform in verschiedenen Ansichten.
  • Der Musterprojektor besteht aus einer Lichtquelle 1 mit optionaler Beleuchtungsoptik 2, einem optischen Muster in Form eines Dias 5 und einer Abbildungsoptik 3. Die Beleuchtungsoptik und die Abbildungsoptik weisen hier eine gemeinsame optische Achse 4 auf. Die gemeinsame optische Achse ist vorteilhaft aber nicht notwendig. Das Dia 5 wird von der Lichtquelle 1 mithilfe der optionalen Beleuchtungsoptik 2, die beispielsweise der Homogenisierung und Kollimation des Lichts dient, ausgeleuchtet. Die Abbildungsoptik bildet das Dia auf das Messobjekt (nicht dargestellt) ab. Das Dia 5 befindet ich also zwischen Beleuchtungs- 2 und Abbildungsoptik 3. Das Dia selbst ist mit einer Mechanik verbunden, die das Dia relativ zur Lichtquelle und den Optiken verschiebt.
  • Damit das optische Muster stets im gleichen Abstand vom Projektor scharf auf das Messobjekt abgebildet werden kann, muss die Diaebene 6 senkrecht auf der optischen Achse 4 der Abbildungsoptik 3 stehen und die Verschiebung des Dias 5 darf ausschließlich parallel zur Diaebene 6 ausgeführt werden.
  • Es ist also die Funktion der Dia-verschiebenden Mechanik, sicherzustellen, dass die Verschiebung des Dias 5 möglichst parallel zur Diaebene 6 stattfindet und dass diese Diaebene auch bei äußeren Einflüssen (beispielsweise Gravitation) eingehalten wird. Die Verschiebung des Dias in der Diaebene soll möglichst gleichmäßig erfolgen. Vorteilhaft ist die Verschiebung auf einer Kreisbahn. Die Anforderung einer festen Diaebene und einer gleichmäßigen Verschiebung wird durch eine geeignete Kombination verschiedener mechanischer Einrichtungen gelöst.
  • Das optische Muster in Form eines Dias 5 ist mit einer Mechanik verbunden, die folgende Merkmale umfasst:
    Das Dia 5 befindet sich in einer Fassung 7, die über ein Lager 10 mit einem Motor 8 verbunden ist. Dabei sind die Motorachse 9 und die Achse des Lagers 10 exzentrisch zueinander angeordnet. Weiterhin ist die Fassung 7 des Dias 5 mit zwei gekreuzten Linearführungen 11, 12 verbunden, mit denen die Bewegung des Dias 5 mit der Fassung 7 auf reine translatorische Bewegungen eingeschränkt wird.
  • Um zu gewährleisten, dass das Dia 5 parallel zur Diaebene 6 auf einer Kreisbahn verschoben wird, sind die zwei gekreuzten Linearführungen 11, 12 jeweils parallel zur Diaebene 6 und jeweils senkrecht zur Motorachse 9 angeordnet. Daraus folgt, dass auch die Motorwelle 9 senkrecht zur Diaebene 6 angeordnet ist. Gleichfalls folgt daraus, dass die optische Achse 4 der Abbildungsoptik 3 senkrecht zu den Linearführungen 11, 12 und parallel zur Motorachse 9 angeordnet ist. Die Linearführungen 11, 12 können praktischerweise senkrecht zueinander angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Es ist lediglich erforderlich, dass die beiden Linearführungen 11, 12 nicht parallel zueinander angeordnet sind.
  • Die Lichtquelle 1, die Optiken 2, 3, der Motor 8 und eine der Linearführungen 12 sind über eine starre Verbindung 13, die nachfolgend „Grundplatte” genannt wird, starr miteinander verbunden. Die Fassung 7 mit dem Dia 5, dem Lager 10 und der anderen Linearführung 11 bildet die erste bewegte Einheit. Das Verbindungselement 14 der beiden gekreuzten Linearführungen 11, 12 bildet eine zweite bewegte Einheit. Die erste bewegte Einheit wird auf einer Kreisbahn in der Diaebene 6 verschoben. Die zweite bewegte Einheit wird geradlinig entlang der einen Linearführung 12 hin und her verschoben.
  • Die Anordnung der Linearführungen 11, 12 ist vertauschbar. Beispielsweise ist die mit der Fassung 7 verbundene Linearführung 11 in 2 horizontal (parallel zur x-Achse und die mit der Grundplatte 13 verbundene Linearführung 12 vertikal (parallel zur y-Achse angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass die mit der Grundplatte starr verbundene Linearführung 12 horizontal und die mit der Fassung 7 verbundene Linearführung 11 vertikal angeordnet ist.
  • Weiterhin umfasst die Dia-verschiebende Mechanik folgende Merkmale:
    Bei der Wahl der Anordnung der gekreuzten Linearführungen 11, 12 sollte praktischerweise die Richtung der Gravitationskraft berücksichtigt werden. Ordnet man die mit der Grundplatte 13 verbundene Linearführung 12 senkrecht zur Richtung der Gravitationskraft an, muss das Verbindungselement 14 der Linearführungen 11, 12 vom Motor 8 nur senkrecht zur Gravitationskraft verschoben werden. Der Motor 8 muss also keine zusätzliche Kraft aufbringen, um das Verbindungselement 14 parallel zur Gewichtskraft zu verschieben. Die mit der Fassung 7 verbundene Linearführung 11 muss entsprechend parallel zur Richtung der Gravitationskraft angeordnet sein.
  • Die Linearführungen 11, 12 können beispielsweise durch Kombination von je einen Bolzen mit je einem passenden Gleitlager oder je einen Bolzen mit je einem passenden Linearlager oder je eine Linearschiene mit je einem entsprechenden Schlitten umgesetzt werden.
  • Die Kombination aus Motorwelle 9 und exzentisch angeordnetem Lager 10 lässt sich folgendermaßen umsetzen wie 3 gezeigt.
  • Die Welle 9 des Motors 8 ist mit einer zweiten Welle 15 verbunden, die parallel zur Motorachse 9 orientiert, aber senkrecht dazu verschoben ist. Die beiden Wellen sind über eine Mechanik 16 starr miteinander verbunden.
  • Die zweite Welle 15 ist zentral mit einem Kugellager 17 verbunden, dessen äußerer Ring wiederum mit der Fassung 7 des Dias 5 verbunden ist. Ein Kugellager lässt normalerweise in gewissem Maß auch andere Rotationen als reine Rotationen um die Achse des Kugellagers zu. Dieses Spiel lässt es zu, dass sich das mit dem Kugellager 17 über die Fassung 7 verbundene Dia 5 senkrecht zur gewünschten Diaebene 6 bewegt. Um dieses Spiel zu unterdrücken, werden statt einem Kugellager 17 zwei hintereinander auf der Welle 15 angeordnete Kugellager in einer „Fest-Los-Lagerung” verwendet. Auf diese Weise kann die Kreisbewegung des Dias 5 exakt auf die gewünschte Diabene 6 eingeschränkt werden. Dies ermöglicht eine konstant scharfe Abbildung des Dias 5 mit der Abbildungsoptik 3 auf das hier nicht dargestellte Messobjekt.
  • 4 und 5 zeigen alternative Vorrichtungen zur Umsetzung einer dia-verschiebenden Mechanik unter Verwendung einer linearen Aktuatork, bspw. piezoelektische, elektromagnetische, pneumatische oder hydraulische Aktuatoren.
  • Das Dia ist mit einer Fassung 18 fest verbunden. Die Fassung 18 ist fest mit einem linearen Aktuator 19 bspw. Piezoaktuator oder Voice-Coil-Actuator verbunden, welcher die Fassung entlang der x-Achse verschieben kann. Der lineare Aktuator 19 ist über ein Verbindungselement 20 mit einem weiteren linearen Aktuator 21 mit vorzugsweise gekreuzter Bewegungsrichtung verbunden. Dieser verschiebt die Teile 19 und 20 und damit auch den Rahmen 18 entlang der vorzugsweise gekreuzten Richtung
  • Weiterhin umfasst die Dia-verschiebende Mechanik folgende bei diesem Ausführungsbeispiel folgende Merkmale:
    Die linearen Aktuatoren 19 und 21 können zusätzlich über eine Hebelvorrichtung zur Vergrößerung des maximalen Verschiebewegs mit den Komponenten 18 und 20 verbunden sein. Die linearen Aktuatoren 19 und 21 können jeweils so angesteuert werden, dass der zeitliche Verlauf der Ausdehnung einer Cos-Funktion entspricht. Beträgt die Phasenverschiebung zwischen den jeweilige Verläufen 90° und die Frequenz ist identisch, wird eine Kreisbewegung der Fassung erreicht.
  • 5 zeigt hierzu eine weitere Ausgestaltung. Das Dia ist bei dieser Ausführungsform mit einer Fassung 22 fest verbunden. An der Fassung sind gekreuzte Linearführungen 23, 24 angebracht, auf denen jeweils ein Schlitten 25, 26 verschoben werden kann. Die Schlitten 25, 26 sind jeweils fest mit einem linearen Aktuator 19, 21 bspw. Piezoaktuator oder Voice-Coil-Actuator verbunden. Die ebenfalls vorzugsweise gekreuzt angeordneten linearen Aktuatoren bewegen die Schlitten und die damit verbundene Fassung 22 in einer Ebene.
  • Weiterhin umfasst die Dia-verschiebende Mechanik bei diesem Ausführungsbeispiel folgende Merkmale:
    Die linearen Aktuatoren 19, 21 können zusätzlich über eine Hebelvorrichtung zur Vergrößerung des maximalen Verschiebewegs mit den ersten Schlitten 25 und/oder dem zweiten Schlitten 26 verbunden sein. Die linearen Aktuatoren 19, 21 können jeweils so angesteuert werden, dass der zeitliche Verlauf der Ausdehnung jeweils einer Cosinus-Funktion entspricht, wobei hier verschiedene Phasendifferenzen, Frequenzen und Amplituden möglich sind. Beträgt die Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen Verläufen 90° bei identischen Frequenzen und Amplituden, wird eine Kreisbewegung der Fassung erreicht.
  • Möglich ist hier natürlich auch das Durchfahren ansich beliebiger geschlossener oder auch nicht geschlossener Lissajous-Figuren.
  • Die Vorrichtung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus fachmännischem Handeln.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtquelle
    2
    Beleuchtungsoptik
    3
    Abbildungsoptik
    4
    Optische Achse
    5
    Dia
    6
    Diaebene
    7
    Fassung
    8
    Motor
    9
    Motorwelle
    10
    Lager
    11
    Erste Linearführung
    12
    Zweite Linearführung
    13
    Grundplatte
    14
    Verbindungselement
    15
    Welle
    16
    Mechanik
    17
    Kugellager
    18
    Fassung
    19
    Erster linearer Aktuator
    20
    Verbindungselement
    21
    Zweiter linearer Aktuator
    22
    Fassung
    23
    Erste Linearführung
    24
    Zweite Linearführung
    25
    Erster Schlitten
    26
    Zweiter Schlitten
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011101476 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Vorrichtung zum Projizieren eines zeitlich veränderlichen optischen Musters auf ein dreidimensional zu vermessendes Objekt, umfassend eine Fassung (7) für ein optisches Muster (5), eine Lichtquelle (1) mit einer optionalen Beleuchtungsoptik (2) und eine Abbildungsoptik (3), wobei das optische Muster als ein Dia auf einer Verschiebungsmechanik befestigt ist, die das optische Muster relativ zur optionalen Beleuchtungsoptik und/oder zur Abbildungsoptik verschiebt, wobei die Verschiebungsmechanik eine Verschiebung des optischen Musters in einer senkrecht zur optischen Achse (4) der Abbildungsoptik orientierten Diaebene (6) bewirkt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungsmechanik eine Anordnung aus zueinander nichtparallelen Linearführungen (11, 12) zur Führung der Fassung (7) enthält, wobei die Verschiebung des optischen Musters entlang von durch die Linearführungen ermöglichten und überlagerten translatorischen Bewegungen erfolgt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungsmechanik in Form eines in die Fassung (7) eingearbeiteten Lagers (10) mit einem in dem Lager exzentrisch rotierenden von einem Motor getriebenen Formkörper ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung (7) mit einer gleichförmigen Bahngeschwindigkeit auf einer Kreisbahn umläuft.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungsmechanik in Form an der Fassung angreifender linearer Aktuatoren ausgebildet ist, wobei die Aktuatoren in Form von linearen Aktuatoren, insbesondere piezoelektrisch bewegten Hebeleinrichtungen, ausgebildet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1), die Beleuchtungsoptik (2), die Abbildungsoptik (3) und mindestens eine der Linearführungen (11, 12) über einen starren Grundkörper miteinander verbunden sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die linearen Aktuatoren so angesteuert sind, dass die Fassung auf einer Kreisbahn verschoben wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Grundkörper verbundene Linearführung (12) senkrecht zur Wirkungsrichtung der Gravitationskraft angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungsmechanik zwei in einer Fest-Los-Lagerung eingearbeitete Lager aufweist.
DE102017113475.1A 2016-06-20 2017-06-20 Vorrichtung zum Projizieren eines zeitlich veränderlichen optischen Musters auf ein dreidimensional zu vermessendes Objekt Pending DE102017113475A1 (de)

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