DE102017118355A1 - Device and method for the planar 3D optical metrology - Google Patents

Device and method for the planar 3D optical metrology Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Vorrichtung (1) zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Messobjekten (100) mit einem topometrischen Messverfahren durch Projektion von Mustern auf das Messobjekt, Beobachtung der aufprojizierten Muster mittels optoelektronischer Bildaufnahmeverfahren und rechnergestützter Auswertung mit einer Musterprojektionseinheit (4), die eine Lichtquelle (6), einen Mustergenerator (7) und eine Lichtaufbereitungseinheit (9) aufweist, wobei die Lichtaufbereitungseinheit (9) mindestens zwei Lichtaufbereitungselemente (10, 11) hat, wobei eines der Lichtaufbereitungselemente (10, 11) ein Mikrooptisches Element (MOE) (10) mit refraktiven Elementen aufweist und ein anderes der Lichtaufbereitungselemente (10, 11) ein Lichtmischelement (11) aufweist, und wobei refraktive Elemente als Mikrolinsen ausgeführt sind, die zufällig bezüglich ihrer Größe und Position auf der Fläche des MOE (10) verteilt sind, wobei alle Linsen den gleichen Proportionalitätsfaktor zwischen Durchmesser und Linsenbrennweite aufweisen.The present invention comprises a device (1) for the three-dimensional optical detection of measurement objects (100) with a topometric measurement method by projection of patterns onto the measurement object, observation of the projected patterns by means of optoelectronic image recording methods and computer-assisted evaluation with a pattern projection unit (4), which is a light source (6), a pattern generator (7) and a light processing unit (9), wherein the light processing unit (9) has at least two light treatment elements (10, 11), wherein one of the light treatment elements (10, 11) is a microoptical element (MOE) (10 ) having refractive elements, and another of the light treatment elements (10, 11) comprises a light mixing element (11), and wherein refractive elements are designed as microlenses randomly distributed in size and position on the surface of the MOE (10) all lenses have the same proportionality factor r between diameter and lens focal length.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Messobjekten mit einem topometrischen Messverfahren durch Projektion unterschiedlicher Muster auf das Messobjekt, Beobachtung der aufprojizierten Muster mittels optoelektronischer Bildaufnahmeverfahren und rechnergestützter Auswertung, sowie ein zugehöriges Musterprojektionsverfahren.The invention relates to a device for the three-dimensional optical detection of measurement objects with a topometric measurement method by projection of different patterns onto the measurement object, observation of the projected patterns by means of optoelectronic image recording methods and computer-assisted evaluation, and an associated pattern projection method.

Die optische Bestimmung von 3D-Koordinaten kommt in zahlreichen Industrien zum Einsatz. Verbreitet sind beispielsweise Triangulationssensoren nach dem Prinzip der Topometrie. Diese basieren auf der Projektion von Mustern auf ein zu vermessendes Objekt. Das projizierte Muster wird von einer oder mehreren Bildaufnahmeeinheiten aufgenommen und anschließend durch eine Bildauswerteeinheit ausgewertet. Die durch eine Musterprojektionseinheit projizierten Muster können vielfältig ausgestaltet sein, typisch sind stochastische oder auch deterministische Muster (z.B. Punkt- und Streifenmuster).The optical determination of 3D coordinates is used in many industries. For example, triangulation sensors based on the principle of topometry are widespread. These are based on the projection of patterns onto an object to be measured. The projected pattern is recorded by one or more image acquisition units and then evaluated by an image evaluation unit. The patterns projected by a pattern projection unit can be variously designed, typically stochastic or deterministic patterns (e.g., dot and striped patterns).

Die in topometrischen Sensoren verwendeten Musterprojektionseinheiten umfassen dabei mindestens die Kernbestandteile Lichtquelle, Mustergenerator und Projektionsoptik. Die Lichtquelle stellt elektromagnetische Strahlung bereit. Je nach Ausführung der Lichtquelle wird elektromagnetische Strahlung mit charakterisierenden Eigenschaften bereitgestellt. Diese Eigenschaften sind insbesondere der Wellenlängenbereich in dem die Lichtquelle Strahlung emittiert sowie die Strahlungs- oder Lichtintensität und das Intensitätsprofil der Lichtstrahlung und die Winkelverteilung.The pattern projection units used in topometric sensors comprise at least the core components light source, pattern generator and projection optics. The light source provides electromagnetic radiation. Depending on the design of the light source, electromagnetic radiation with characterizing properties is provided. These properties are in particular the wavelength range in which the light source emits radiation and the radiation or light intensity and the intensity profile of the light radiation and the angular distribution.

Die Mustergeneratoren dienen dazu das Licht der Lichtquelle mit einem Muster zu beaufschlagen.The pattern generators are used to apply the light of the light source with a pattern.

Ein Mustergenerator kann mannigfaltig ausgestaltet sein. So können z.B. Glas-Dias verwendet werden, welche das zu projizierende Muster enthalten. Es ist ebenfalls möglich, dass das Dia bezüglich der Lichtquelle in Bewegung gebracht wird (z.B. Rotation und/oder Translation). Darüber hinaus können Lichtventile, wie beispielsweise programmierbare Displays wie Liquid-Crystal-On-Silicon (LCOS), Liquid-Crystal-Display (LCD) und digitale Mikrospiegeleinheiten (Digital Micromirror Device - DMD) oder Digital Light Processing (DLP) Systeme eingesetzt werden. Programmierbare Displays bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber analogen Mustergeneratoren. Insbesondere können prinzipiell unendlich verschiedene Muster projiziert werden.A pattern generator can be designed in a variety of ways. Thus, e.g. Glass slides are used, which contain the pattern to be projected. It is also possible that the slide is made to move with respect to the light source (e.g., rotation and / or translation). In addition, light valves such as programmable displays such as liquid crystal on-silicon (LCOS), liquid crystal display (LCD) and digital micromirror device (DMD) or digital light processing (DLP) systems can be used. Programmable displays offer a number of advantages over analog pattern generators. In particular, infinitely different patterns can be projected in principle.

Die Projektionsoptik, beispielsweise ein Objektiv, dient zur optischen Abbildung des strukturierten Lichts auf die Oberfläche eines Messobjektes.The projection optics, for example a lens, serve for optical imaging of the structured light onto the surface of a measurement object.

Topometrische Sensoren arbeiten größtenteils im Bereich des sichtbaren Lichtes. Dabei gibt es sowohl Systeme, die das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichtes nutzen (Weißlicht) aber auch einzelne schmalbandige Bereiche (z.B. Rot-, Grün- oder Blaulicht). Vorbekannt sind auch Systeme, die im nahen Infrarot oder im Ultraviolett-Bereich arbeiten.Topometric sensors work mostly in the visible light range. There are systems that use the entire spectrum of visible light (white light) but also single narrow-band areas (such as red, green or blue light). Previously known are systems that work in the near infrared or ultraviolet range.

Um die Einflüsse von Umgebungslicht während einer topometrischen Messung gering zu halten, ist es vorteilhaft wenn die Lichtintensität der Musterprojektion hoch ist gegen die Lichtintensität des Umgebungslichtes. Daher ist eine möglichst helle Musterprojektionseinheit vorteilhaft. Durch den Einsatz einer strahlungsstarken Musterprojektionstechnologie werden zudem kurze Bildaufnahmezeiten ermöglicht. Kurze Bildaufnahmezeiten sind insbesondere in vibrationsstarken Umgebungen von Vorteil.In order to minimize the effects of ambient light during a topometric measurement, it is advantageous if the light intensity of the pattern projection is high against the light intensity of the ambient light. Therefore, the brightest possible pattern projection unit is advantageous. The use of a high-radiation pattern projection technology also enables short image acquisition times. Short image acquisition times are particularly advantageous in high-vibration environments.

Vorbekannt sind diverse, verschiedenartige Lichtquellen, die in Musterprojektionseinheiten für die 3D-Messtechnik eingesetzt werden, insbesondere ist auch der Einsatz von Lasern, als strahlungsstarke Lichtquelle bekannt. Allerdings weisen Laserlichtquellen bei einer Projektion oft starke Variationen in der räumlichen Intensitätsverteilung auf.Previously known are diverse, diverse light sources that are used in pattern projection units for 3D measurement, in particular, the use of lasers, known as a high-intensity light source. However, laser light sources often have large variations in the spatial intensity distribution during projection.

Für eine laserbasierte Musterprojektion sind beispielsweise Laserquellen basierend auf Laserdiodentechnologie geeignet. Laserdioden sind kompakt und kostengünstig. Bevorzugt werden eine Vielzahl von einzelnen Laserdioden, die gleichmäßig räumlich verteilt sind, in einer Multilaserdiodenquelle eingesetzt.For a laser-based pattern projection, for example, laser sources based on laser diode technology are suitable. Laser diodes are compact and inexpensive. Preferably, a plurality of individual laser diodes, which are uniformly distributed spatially, are used in a multi-laser diode source.

Neben der Helligkeit spielt auch eine gleichmäßig ausgeleuchtete Musterprojektion eine wichtige Rolle, denn die Messgenauigkeit eines topometrischen Sensors ist nicht zuletzt abhängig von der Güte des projizierten Musters.In addition to the brightness, a uniformly illuminated pattern projection also plays an important role, because the measurement accuracy of a topometric sensor is not least dependent on the quality of the projected pattern.

Eine optimale Lichtquelle würde daher ein paralleles Strahlenbündel mit einer homogenen Intensitätsverteilung zur Verfügung stellen, dadurch wäre in jeder denkbaren Projektionsebene eine optimale unverfälschte Musterprojektion möglich. Treten hingegen bereits Helligkeitsstrukturen oder Winkelvariationen in der Basis-Lichtverteilung der Lichtquelle auf, so pflanzen sich diese in der Projektion fort, und spiegeln sich beispielsweise auf einer Objektoberfläche als ungleichmäßige, körnige Beleuchtung wider. Selbst ohne Verwendung eines Mustergenerators würde auf dem Objekt ein Muster entstehen.An optimal light source would therefore provide a parallel beam with a homogeneous intensity distribution, thus an optimal unadulterated pattern projection would be possible in every conceivable projection plane. On the other hand, if brightness structures or angular variations already occur in the basic light distribution of the light source, these propagate in the projection, and are reflected, for example, on an object surface as uneven, granular illumination. Even without using a pattern generator, a pattern would be created on the object.

Wird eine Lichtquelle mit einer inhomogenen Basis-Lichtverteilung in einer Musterprojektionseinheit verwendet, so wird die Eigenstruktur des Projektionslichts (Basis-Lichtverteilung) mit der Helligkeitsverteilung des aufgeprägten Projektionsmusters überlagert. Ungleichmäßigkeiten in der Basis-Lichtverteilung können damit zur falsch interpretierten Messergebnissen führen. Das für die Musterprojektion verwendete Licht sollte also eine möglichst homogene Basis-Lichtverteilung aufweisen um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen.If a light source with an inhomogeneous base light distribution is used in a pattern projection unit, then the intrinsic structure of the projection light (basic light distribution) becomes the brightness distribution of the impressed projection pattern superimposed. Inconsistencies in the basic light distribution can thus lead to misinterpreted measurement results. The light used for the pattern projection should therefore have the most homogeneous possible base light distribution in order to achieve a high measuring accuracy.

Ursachen für die Unregelmäßigkeiten in der Basis-Lichtverteilung können beispielsweise in der Bauform der verwendeten Lichtquelle begründet sein, wie einer Kombination von mehreren Einzellichtquellen zu einer Gesamtlichtquelle, oder aus der Art der verwendeten Lichtquelle hervorgehen. So weisen Laserlichtquellen oft starke Variationen in der Intensitätsverteilung der Strahlung über den Strahlquerschnitt auf, strahlen das Licht aber in einem kleinen Öffnungswinkel bezogen auf die optische Achse des Lichtstrahls ab.Causes of the irregularities in the basic light distribution can be based, for example, in the design of the light source used, as a combination of several individual light sources to a total light source, or emerge from the type of light source used. Thus, laser light sources often have strong variations in the intensity distribution of the radiation across the beam cross section, but radiate the light at a small aperture angle relative to the optical axis of the light beam.

Als Maßnahme zur Reduktion von Ungleichmäßigkeiten der Intensitätsverteilung ist der Einsatz von Lichtmischelementen zur Lichtaufbereitung bereits bekannt. Lichtmischelemente hierfür sind beispielsweise Lichtmischstäbe, Lichtmischtunnel oder Fly-Eye.As a measure for reducing irregularities in the intensity distribution, the use of light mixing elements for light treatment is already known. Light mixing elements for this purpose are, for example, light mixing rods, light mixing tunnel or fly-eye.

Lichtmischtunnel oder Lichtmischstäbe homogenisieren bis zu einem gewissen Grad bei ihrem Durchlauf die räumliche Lichtintensitätsverteilung aufgrund von Vielfachreflexion. Als Lichtmischstäbe sind aus Vollmaterial bestehende Elemente zu verstehen, die aus einem für das einfallende Licht durchlässigen Material bestehen und an ihren Seitenflächen durch Totalreflexion wirken, Lichttunnel sind entsprechend ausgebildete Hohlkörper, deren durchstrahlter Hohlraum mit reflektierenden Elementen, z.B. Spiegeln, umgeben ist. Das einfallende Licht wird durch eine Vielfachreflexion durchmischt, so dass am Ende des Elementes eine von der ursprünglichen Intensitätsverteilung des Lichtes unabhängige homogenisierte Intensitätsverteilung vorliegt. Vollständig verlustfreie Totalreflexionen sind in der Realität bislang leider nicht realisierbar.Light mixing tunnels or light mixing rods homogenize to some degree as they pass the spatial light intensity distribution due to multiple reflection. As light mixing rods are understood to be made of solid material elements consisting of a permeable to the incident light material and act on their side surfaces by total reflection, light tunnels are correspondingly shaped hollow body whose irradiated cavity with reflective elements, e.g. Mirroring is surrounded. The incident light is mixed by a multiple reflection, so that at the end of the element is independent of the original intensity distribution of the light homogenized intensity distribution. Completely lossless total reflections are not realizable in reality.

Bekannt ist auch der Einsatz von Wabenkondensoren zur Strahlhomogenisierung. Wabenkondensoren bestehen aus zumindest zwei Mikrolinsenarrays. Die Mikrolinsenarrays bestehen dabei aus einer periodischen Anordnung von gleichförmigen Mikrolinsen. Durch die Periodizität können allerdings Gittereffekte auftreten.Also known is the use of honeycomb condensers for beam homogenization. Honeycomb condensers consist of at least two microlens arrays. The microlens arrays consist of a periodic arrangement of uniform microlenses. Due to the periodicity, however, lattice effects can occur.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten topometrischen Sensor zur Bestimmung von 3D-Koordinaten eines Objektes zu schaffen, sowie ein verbessertes Musterprojektionsverfahren.Proceeding from this, it is an object of the present invention to provide an improved topometric sensor for determining 3D coordinates of an object, as well as an improved pattern projection method.

Die Aufgabe wird mit dem topometrischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved with the topometric sensor having the features of claim 1 and by the method having the features of claim 12. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen in einem topometrischen Sensor einen Musterprojektor mit einer Lichtaufbereitungseinheit einzusetzen. Diese Lichtaufbereitungseinheit befindet sich im Strahlengang des Lichts zwischen der Lichtquelle und dem Mustergenerator.To solve the problem it is proposed to use a pattern projector with a light processing unit in a topometric sensor. This light treatment unit is located in the beam path of the light between the light source and the pattern generator.

Die Lichtaufbereitungseinheit ist dazu geeignet, das Licht einer Lichtquelle in mehreren Schritten aufzubereiten und beinhaltet dafür verschiedene Lichtaufbereitungselemente. Die Lichtaufbereitungseinheit ist sowohl zur Aufbereitung der Winkelverteilung, als auch der räumlichen Intensitätsverteilung ausgestaltet.The light treatment unit is suitable for processing the light of a light source in several steps and for this purpose contains different light treatment elements. The light conditioning unit is designed both for the preparation of the angular distribution, as well as the spatial intensity distribution.

Die Lichtquelle strahlt Licht in einem gewissen Winkelbereich um ihre optische Achse ab. Je nach eingesetzter Lichtquelle und Aufbau der Lichtquelle können dabei unterschiedliche Werte für die maximalen Abstrahlwinkel auftreten. Auch variieren die Anteile des Lichts, die unter einem bestimmten Abstrahlwinkel ausgesendet werden, so dass sich unterschiedliche Strahlprofile ausbilden.The light source emits light in a certain angular range around its optical axis. Depending on the light source used and the construction of the light source, different values for the maximum emission angles may occur. Also, the proportions of light that are emitted at a certain angle of emission vary so that different beam profiles are formed.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der maximale Abstrahlwinkel des Lichts an den Akzeptanzwinkel des Mustergenerators bzw. die Projektionsoptik angepasst ist, um die vorhandene Lichtintensität möglichst effektiv auszunutzen.It is particularly advantageous if the maximum emission angle of the light is adapted to the acceptance angle of the pattern generator or the projection optics in order to utilize the existing light intensity as effectively as possible.

Zur Aufbereitung der Winkelverteilung, führt die erfindungsgemäße Lichtaufbereitungseinheit das Licht der Lichtquelle in ein Lichtaufbereitungselement, das als Mikrooptisches-Element (MOE) ausgebildet ist. Dieses MOE ist dazu geeignet, eine homogenisierte Winkelverteilung des austretenden Lichts zu erzeugen.For processing the angular distribution, the light treatment unit according to the invention leads the light of the light source into a light treatment element, which is designed as a microoptical element (MOE). This MOE is suitable for producing a homogenized angular distribution of the exiting light.

Das verwendete MOE besitzt eine Vielzahl von refraktiven Elementen, die zum Beispiel als Mikrolinsen ausgeführt sein können.The MOE used has a plurality of refractive elements, which may be embodied for example as microlenses.

Die Mikrolinsen des MOE sind derart ausgestaltet, dass ihre Linsenparameter, wie Krümmungsradius, Durchmesser, laterale Position, 3D Rotation, lateraler Randbeschnitt oder Überlapp mit Nachbarlinsen zufallsverteilt werden, die Linsenbrennweiten sind proportional zu deren lateralen Durchmesser gewählt.The micro-lenses of the MOE are designed such that their lens parameters, such as radius of curvature, diameter, lateral position, 3D rotation, lateral edge trim or overlap with adjacent lenses are randomized, the lens focal lengths are chosen in proportion to their lateral diameter.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen dabei die Mikrolinsen eine asphärische Form auf.In a particularly preferred embodiment, the microlenses have an aspherical shape.

Statt als Mikrolinsen, können die refraktiven Elemente auch sattelförmig ausgeprägte Strukturen sein. Die sattelförmigen Strukturen bilden eine Art Sattellinse, so dass ihre Parameter analog zu den Linsenparametern definiert werden können.Instead of microlenses, the refractive elements can also have saddle-shaped structures be. The saddle-shaped structures form a kind of saddle lens, so that their parameters can be defined analogous to the lens parameters.

Die mikrooptischen Elemente des MOE können aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt sein, denkbar sind beispielsweise Polymer, Polymer auf Glas, oder Glas.The micro-optical elements of the MOE can be made of different materials, conceivable are for example polymer, polymer on glass, or glass.

Vorteile der Verwendung des MOEs liegen in den geringen Lichtverlusten und eine weitgehend von der Wellenlänge des Lichts unabhängigen Wirkungsweise.Advantages of using the MOEs are the low light losses and a largely independent of the wavelength of the light mode of action.

Nach dem Durchlaufen des MOE ist das Licht in seiner Winkelverteilung aufbereitet. Dabei kann nicht nur die Winkelverteilung innerhalb des von der Lichtquelle ausgestrahlten Winkelspektrums homogenisiert werden, auch kann das Winkelspektrum durch das MOE dahingehend beeinflusst werden, dass ein größerer Maximalwinkel entsteht.After passing through the MOE, the light is processed in its angular distribution. Not only can the angle distribution within the angular spectrum emitted by the light source be homogenized, but also the angle spectrum can be influenced by the MOE to produce a larger maximum angle.

In einer vorteilhaften Ausführung wird dabei ein Maximalwinkel eingehalten (Bandgrenze). Die Bandgrenze der erzeugten Winkelverteilung wird dabei bevorzugt auf den Akzeptanzwinkel des verwendeten Mustergenerators abgestimmt.In an advantageous embodiment, a maximum angle is maintained (band limit). The band limit of the generated angular distribution is preferably matched to the acceptance angle of the pattern generator used.

Zusätzlich zur Winkelaufbereitung findet in der erfindungsgemäßen Lichtaufbereitungseinheit eine Aufbereitung der räumlichen Lichtintensitätsverteilung statt, dazu wird das Licht durch ein Lichtmischelement als Lichtaufbereitungselement geführt. Das Lichtmischelement kann im Strahlengang in Abstrahlrichtung vor dem MOE oder bevorzugt hinter dem MOE angeordnet sein.In addition to the angle preparation, a processing of the spatial light intensity distribution takes place in the light treatment unit according to the invention, for this purpose the light is passed through a light mixing element as a light treatment element. The light mixing element can be arranged in the beam path in the emission direction before the MOE or preferably behind the MOE.

Das Lichtmischelement ist dabei bevorzugt ein Lichtmischstab oder ein Lichtmischtunnel.The light mixing element is preferably a light mixing rod or a light mixing tunnel.

Das verwendete Lichtmischelement wirkt homogenisierend auf die räumliche Lichtverteilung ohne dabei die Homogenisierung der Winkelverteilung zu zerstören.The light mixing element used has a homogenizing effect on the spatial light distribution without destroying the homogenization of the angular distribution.

Das Lichtmischelement wird dabei in einer bevorzugten Ausführungsform so gewählt, dass die resultierende räumliche Lichtverteilung an den, an die Lichtaufbereitungseinheit anschließenden, Mustergenerator angepasst ist. Dadurch kann die aus der Lichtaufbereitungseinheit austretende Lichtintensität optimal ausgenutzt werden.The light mixing element is selected in a preferred embodiment so that the resulting spatial light distribution is adapted to the, following the light treatment unit, pattern generator. As a result, the light intensity emerging from the light treatment unit can be optimally utilized.

In einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Lichtaufbereitungseinheit ist die Lichtaufbereitungseinheit dazu geeignet, das Licht weiter aufzubereiten.In a further development of the light treatment unit according to the invention, the light treatment unit is suitable for further processing the light.

Trotz der bereits beschriebenen Aufbereitungen von Winkelverteilung und Intensitätsverteilung, kann es Fälle geben, in denen das Licht noch Inhomogenität aufweist. Es wird daher vorgeschlagen die erfindungsgemäße Lichtaufbereitungseinheit in einer bevorzugten Ausführungsform um weitere Elemente zur Strahlaufbereitung zu ergänzen. Dazu sind beispielsweise als Lichtaufbereitungselemente weitere MOEs und/oder Diffusoren und/oder Lichtmischeinheiten geeignet.Despite the already described arrangements of angular distribution and intensity distribution, there may be cases in which the light still exhibits inhomogeneity. It is therefore proposed to supplement the light treatment unit according to the invention in a preferred embodiment by further elements for beam conditioning. For this purpose, further MOEs and / or diffusers and / or light mixing units are suitable, for example, as light treatment elements.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 - Skizze einer Vorrichtung zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten mit einem topometrischen Sensor;
  • 2 - Ausführungsbeispiel einer Musterprojektionseinheit;
  • 3 - Ausführungsbeispiel einer erweiterten Musterprojektionseinheit und
  • 4 - beispielhaftes Musterprojektionsverfahren.
The invention will be explained in more detail with reference to non-limiting embodiments with the accompanying drawings. Show it:
  • 1 - Sketch of a device for the three-dimensional optical measurement of objects with a topometric sensor;
  • 2 Embodiment of a pattern projection unit;
  • 3 Embodiment of an extended pattern projection unit and
  • 4 - exemplary pattern projection method.

1 skizziert eine Vorrichtung 1 zum dreidimensionalen optischen Vermessen von Objekten 100 mit einem topometrischen Sensor 2. Der topometrische Sensor 2 besteht im Wesentlichen aus einer Musterprojektionseinheit 4 sowie mindestens einer Bildaufnahmeeinheit 5. Die Musterprojektionseinheit 4 und die mindestens eine Bildaufnahmeeinheit 5 sind durch eine mechanisch, stabile Verbindung miteinander verknüpft. Die Musterprojektionseinheit 4 hat eine Lichtquelle 6, einen Mustergenerator 7 sowie eine Projektionsoptik 8. Der topometrische Sensor 2 ist durch eine Kabelverbindung mit einer Auswerteeinheit 3 verbunden. 1 outlines a device 1 for the three-dimensional optical measurement of objects 100 with a topometric sensor 2 , The topometric sensor 2 consists essentially of a pattern projection unit 4 and at least one image acquisition unit 5 , The pattern projection unit 4 and the at least one image capture unit 5 are linked by a mechanically stable connection. The pattern projection unit 4 has a light source 6 , a pattern generator 7 as well as a projection optics 8th , The topometric sensor 2 is by a cable connection to an evaluation unit 3 connected.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine verbesserte Musterprojektionseinheit 4. Die Musterprojektionseinheit 4 weist neben der Lichtquelle 6, dem Mustergenerator 7 und der Projektionsoptik 8 auch eine Lichtaufbereitungseinheit 9 auf. Die Lichtaufbereitungseinheit 9 hat als Lichtaufbereitungselemente 10, 11 ein Mikrooptisches-Element (MOE) 10 und ein Lichtmischelement 11. 2 shows an embodiment of an improved pattern projection unit 4 , The pattern projection unit 4 points next to the light source 6 , the pattern generator 7 and the projection optics 8th also a light treatment unit 9 on. The light treatment unit 9 has as light treatment elements 10 . 11 a micro-optical element (MOE) 10 and a light mixing element 11 ,

Das MOE 10 ist dabei zur Aufbereitung der Winkelverteilung des Lichts geeignet.The MOE 10 is suitable for processing the angular distribution of the light.

Das MOE 10 hat eine Vielzahl von Mikrolinsen. Die Mikrolinsen sind nicht gleichmäßig, sondern in unregelmäßigen Abständen auf der Fläche des MOE 10 angeordnet. Auch die Durchmesser der Mikrolinsen variieren. Dabei werden die Linsenbrennweiten der verschiedenen Linsen aber proportional zu ihrem Durchmesser gewählt. Durch eine Variation weiterer Linsenparameter, wie z.B. der Krümmungsradius und die Winkel der optischen Achsen verschiedener Linsen zur Basis des MOE 10 kann das erzeugte Strahlprofil weiter beeinflusst werden, ebenso durch die Art und Weise wie und wo der laterale Randbeschnitt oder Überlapp mit Nachbarlinsen erfolgt. Die Winkelverteilung des Lichts nach dem Durchlaufen des MOEs 10 ist abhängig vom Histogramm der Oberflächengradienten des mikrooptischen Elements 10.The MOE 10 has a variety of microlenses. The microlenses are not uniform, but at irregular intervals on the surface of the MOE 10 arranged. Also, the diameters of the microlenses vary. However, the lens focal lengths of the different lenses are chosen to be proportional to their diameter. By varying other lens parameters, such as the radius of curvature and the angles of the optical axes of different lenses to the base of the MOE 10 The beam profile generated can be further influenced, as well as the way and where the lateral edge trimming or overlap with neighboring lenses. The angular distribution of the light after passing through the MOEs 10 depends on the histogram of the surface gradients of the micro-optical element 10 ,

Das Licht der Lichtquelle 6, beispielsweise einer Laserdiodengruppe, wird durch das MOE 10 in seiner Winkelverteilung homogenisiert. Zusätzlich kann das MOE 10 auch dazu geeignet sein, den Maximalwinkel der Winkelverteilung zu vergrößern.The light of the light source 6 , for example a laser diode group, is detected by the MOE 10 Homogenized in its angular distribution. In addition, the MOE 10 also be suitable to increase the maximum angle of the angular distribution.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Rotationssymmetrie im Winkelspektrum des Lichtes nach dem Durchlauf durch das MOE 10 erreicht.In a preferred embodiment, a rotational symmetry in the angular spectrum of the light after passing through the MOE 10 reached.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Mikrolinsen des MOE 10 eine asphärische Form auf.In a further preferred embodiment, the microlenses of the MOE 10 an aspherical shape.

Das MOE 10 kann aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt sein, Beispiele sind Polymer, Polymer auf Glas oder auch Glas.The MOE 10 can be made of different materials, examples are polymer, polymer on glass or glass.

An das MOE 10 schließt sich ein Lichtmischelement 11 an. Das Lichtmischelement ist dabei bevorzugt ein Lichtmischstab, ein Lichtmischtunnel oder eine Fly-Eye. Das Lichtmischelement 11 bewirkt durch seine Bauweise eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung des Licht über einen bauartbedingten austretenden Strahlquerschnitt.To the MOE 10 closes a light mixing element 11 at. The light mixing element is preferably a light mixing rod, a light mixing tunnel or a fly-eye. The light mixing element 11 caused by its construction, a homogenization of the intensity distribution of light over a design-related exiting beam cross-section.

Es gibt Lichtmischelemente die die Winkelverteilung unverändert erhalten. Durch den Einsatz von vergrößernden / verkleinernden Lichtmischern (z.B. konische Lichtleiter oder skalierende Fly-Eye) kann die Winkelverteilung des Lichts zusätzlich beeinflusst werden.There are light mixing elements that keep the angular distribution unchanged. Through the use of magnifying / reducing light mixers (for example conical light guides or scaling fly-eye), the angular distribution of the light can be additionally influenced.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Musterprojektionseinheit 4 mit einer Lichtaufbereitungseinheit 9. Die Lichtaufbereitungseinheit 9 hat mehrere Lichtaufbereitungselemente 12, 13, 14, 15. Die Lichtaufbereitungseinheit 9 ist derart ausgestaltet, dass das Licht der Lichtquelle 6 nach dem Durchlaufen der Lichtaufbereitungseinheit 9 eine homogene Winkelverteilung der austretenden Lichtstrahlen bis zu einem Maximalwinkel aufweist. Der Maximalwinkel ist dabei derart gewählt, dass er dem Akzeptanzwinkel des Mustergenerators 7 entspricht. Auch die räumlich durchmischte Intensitätsverteilung ist auf die optimale Einkoppelungsfläche des Mustergenerators 7 abgestimmt. 3 shows an embodiment of a pattern projection unit 4 with a light treatment unit 9 , The light treatment unit 9 has several light treatment elements 12 . 13 . 14 . 15 , The light treatment unit 9 is configured such that the light of the light source 6 after passing through the light treatment unit 9 has a homogeneous angular distribution of the exiting light rays up to a maximum angle. The maximum angle is chosen such that it corresponds to the acceptance angle of the pattern generator 7 equivalent. The spatially mixed intensity distribution is also on the optimal coupling surface of the pattern generator 7 Voted.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Lichtaufbereitungselement 12 um ein MOE, das eine Vielzahl von Mikrolinsen aufweist, deren Linsenparameter sich statistisch zufallsverteilt unterscheiden. Sie weisen somit viele unterschiedliche Krümmungsradien und Durchmesser auf. Ihre räumliche Anordnung bildet keine gleichmäßige periodische Struktur. Bei den Lichtaufbereitungselementen 13 und 15 handelt es sich um Lichtmischelemente und bei dem Lichtaufbereitungselement 14 um ein winkel-verbreiterndes Element, wie zum Beispiel ein zweites Mikrooptisches Element oder einen Diffusor. Es sind aber auch andere Kombinationen in der Reihenfolge der Lichtaufbereitungselemente denkbar. Auch sind zusätzliche, hier nicht dargestellte optische Elemente, wie Blenden und Linsen zur Strahlführung denkbar.In a particularly preferred embodiment, the light treatment element is 12 a MOE having a plurality of microlenses whose lens parameters differ statistically randomized. They thus have many different radii of curvature and diameter. Their spatial arrangement does not form a uniform periodic structure. At the light treatment elements 13 and 15 these are light mixing elements and the light treatment element 14 around an angle-broadening element, such as a second micro-optical element or a diffuser. But there are also other combinations in the order of the light treatment elements conceivable. Also, additional optical elements not shown here, such as diaphragms and lenses for beam guidance are conceivable.

4 zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Musterprojektionsverfahren. 4 shows an exemplary pattern projection method according to the invention.

Im ersten Verfahrensschritt 101 wird das Winkelspektrum des Eingangslichts aus der Lichtquelle in seiner Winkelverteilung homogenisiert und zusätzlich das Winkelspektrum derart vergrößert, das das Licht das nachfolgende Element maximal ausleuchtet.In the first process step 101 the angular spectrum of the input light from the light source is homogenized in its angular distribution and additionally increases the angular spectrum such that the light illuminates the following element maximally.

Es folgt der nächste Schritt 102 mit der Homogenisierung der Intensitätsverteilung des Lichts. Durch den Einsatz eines geeigneten Lichtmischelements 11 wird ein homogen ausgeleuchteter Ausgang des Lichtmischelements 11 erzeugt.The next step follows 102 with the homogenization of the intensity distribution of the light. By using a suitable light mixing element 11 becomes a homogeneously illuminated output of the light mixing element 11 generated.

Im optionalen Schritt 103 wird durch einen Einsatz weiterer Lichtaufbereitungselemente eine weitere Homogenisierung der Winkel- und Intensitätsverteilung des Lichts durchgeführt.In the optional step 103 a further homogenization of the angular and intensity distribution of the light is carried out by using further light treatment elements.

In Schritt 104 erfolgt in einem Mustergenerator die Beaufschlagung des Lichtes mit einer gewünschten Struktur, beispielsweise einem streifenförmigen Helligkeitsverlauf.In step 104 In a pattern generator, the exposure of the light to a desired structure, for example a strip-shaped brightness curve, takes place.

Im Schritt 105 durchläuft das mit dem Muster beaufschlagte Licht die Projektionsoptik und wird auf das Messobjekt projiziert.In step 105 The light impinged upon by the pattern passes through the projection optics and is projected onto the measurement object.

Claims (14)

Vorrichtung (1) zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Messobjekten (100) mit einem topometrischen Messverfahren durch Projektion von Mustern auf das Messobjekt, Beobachtung der aufprojizierten Muster mittels optoelektronischer Bildaufnahmeverfahren und rechnergestützter Auswertung mit einer Musterprojektionseinheit (4), die eine Lichtquelle (6), einen Mustergenerator (7) und eine Lichtaufbereitungseinheit (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaufbereitungseinheit (9) mindestens zwei Lichtaufbereitungselemente (10, 11) hat, wobei eines der Lichtaufbereitungselemente (10, 11) ein Mikrooptisches Element (MOE) (10) mit refraktiven Elementen aufweist und ein anderes der Lichtaufbereitungselemente (10, 11) ein Lichtmischelement (11) aufweist, und wobei refraktive Elemente als Mikrolinsen ausgeführt sind, die zufällig bezüglich ihrer Größe und Position auf der Fläche des MOE (10) verteilt sind, wobei alle Linsen den gleichen Proportionalitätsfaktor zwischen Durchmesser und Linsenbrennweite aufweisen.Device (1) for the three-dimensional optical detection of measurement objects (100) with a topometric measurement method by projection of patterns onto the measurement object, observation of the projected patterns by means of optoelectronic image recording methods and computer-aided evaluation with a pattern projection unit (4) having a light source (6), a Pattern generator (7) and a light processing unit (9), characterized in that the light processing unit (9) has at least two light treatment elements (10, 11), wherein one of the light treatment elements (10, 11) has a micro-optical element (MOE) (10) refractive elements and another of the light treatment elements (10, 11) comprises a light mixing element (11), and wherein refractive elements are designed as microlenses randomly distributed in size and position on the surface of the MOE (10), all lenses have the same proportionality factor between diameter and lens focal length. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktiven Elemente des MOE (10) sattelförmige Strukturen aufweisen.Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the refractive elements of the MOE (10) have saddle-shaped structures. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Linsenparameter der refraktiven Elemente des MOE (10) aus der Gruppe von Krümmungsradius, 3D Rotation, lateraler Randbeschnitt und/oder Überlapp mit Nachbarelementen statistisch zufallsverteilt ausgewählt sind.Device (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that lens parameters of the refractive elements of the MOE (10) from the group of radius of curvature, 3D rotation, lateral edge trim and / or overlap with neighboring elements are randomly randomly selected. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen eine asphärische Form haben.Device (1) according to Claim 1 or 3 , characterized in that the microlenses have an aspherical shape. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das MOE (10) aus Polymer, Polymer auf Glas oder Glas gebildet ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the MOE (10) is formed of polymer, polymer on glass or glass. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmischelement (11) ein Lichtmischstab oder ein Lichtmischtunnel oder ein Fly-Eye ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the light mixing element (11) is a light mixing rod or a light mixing tunnel or a fly-eye. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmischelement (11) ein konischer Lichtleiter oder ein skalierendes Fly-Eye ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the light mixing element (11) is a conical light guide or a scaling fly-eye. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaufbereitungseinheit (9) zur Aufbereitung von Licht einer Laser-Lichtquelle (6) geeignet ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the light processing unit (9) is suitable for processing light from a laser light source (6). Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaufbereitungseinheit (9) zur Aufbereitung von Licht einer Laser-Lichtquelle (6) mit mehreren verschiedenen Wellenlängen oder einem breiten WellenlängenSpektrum geeignet ist.Device (1) according to Claim 8 , characterized in that the light treatment unit (9) is suitable for processing light from a laser light source (6) having a plurality of different wavelengths or a broad wavelength spectrum. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaufbereitungseinheit (9) zusätzliche Elemente zur Strahlaufbereitung (12, 13, 14, 15) hat, und dass diese Elemente weitere MOEs und/oder Diffusoren und/oder Lichtmischelemente und/oder winkel-verbreitende Elemente sind.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the light treatment unit (9) has additional elements for jet preparation (12, 13, 14, 15), and that these elements comprise further MOEs and / or diffusers and / or light mixing elements and / or angle-spreading elements. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaufbereitungseinheit (9) optische Elemente, wie Linsen und/oder Blenden enthält.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the light treatment unit (9) contains optical elements, such as lenses and / or diaphragms. Verfahren für die Projektion von strukturiertem Licht mit einer Lichtquelle (6), einem Mustergenerator (7) und einer Strahlaufbereitungseinheit (9), die mindestens ein mikrooptisches Element (10) und mindestens ein Lichtmischelement (11) hat, gekennzeichnet durch die Schritte: - Umformen des Winkelspektrums der von der Lichtquelle (6) austretenden Strahlung mit dem mikrooptischen Element (10), derart, dass das aufprojizierte Licht in der Verteilung um die optischen Achse der aufbereiteten Strahlung im Vergleich zu einem nicht umgeformten Winkelspektrum vergleichmäßigt ist, und - Beeinflussen der Verteilung der Strahlungsintensität in der Projektionsebene mit dem Lichtmischelement (11).Method for the projection of structured light with a light source (6), a pattern generator (7) and a beam conditioning unit (9) having at least one micro-optical element (10) and at least one light-mixing element (11), characterized by the steps of: - forming the angular spectrum of the radiation exiting from the light source (6) with the micro-optical element (10) such that the projected light in the distribution around the optical axis of the processed radiation is equalized compared to an un-converted angular spectrum, and influencing the distribution the radiation intensity in the projection plane with the light mixing element (11). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung des Winkelspektrums bandbegrenzt erfolgt.Method according to Claim 12 , characterized in that the preparation of the angle spectrum is band-limited. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandgrenze an den Akzeptanzwinkel des Mustergenerators (7) angepasst ist.Method according to Claim 13 , characterized in that the band limit is adapted to the acceptance angle of the pattern generator (7).
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