DE102018115673A1

DE102018115673A1 - Methods and devices for pattern projection

Info

Publication number: DE102018115673A1
Application number: DE102018115673.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Höller
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen zur Musterprojektion bereitgestellt.Die Vorrichtung umfasst eine Projektionseinrichtung, wobei die Projektionseinrichtung eingerichtet ist, ein erstes Muster in einem ersten Emissionsspektralbereich und ein zweites Muster in einem zweiten Emissionsspektralbereich gleichzeitig auf das Objekt zu projizieren.Ferner umfasst die Vorrichtung eine Detektionseinrichtung, wobei die Detektionseinrichtung zur räumlich-spektral aufgelösten Detektion von Objekt-Licht, das von dem Objekt als Antwort auf das Projizieren ausgeht, in einem ersten und einem zweiten Detektionsspektralbereich eingerichtet ist.Hierbei umfasst der erste Detektionsspektralbereich zumindest einen Teil des ersten Emissionsspektralbereichs und der erste Detektionsspektralbereich umfasst den zweiten Emissionsspektralbereich nicht.Der zweite Detektionsspektralbereich umfasst hierbei zumindest einen Teil des zweiten Emissionsspektralbereichs und den ersten Emissionsspektralbereich nicht.Methods and devices for pattern projection are provided. The device comprises a projection device, the projection device being set up to simultaneously project a first pattern in a first emission spectral range and a second pattern in a second emission spectral range onto the object. Furthermore, the device comprises a detection device, wherein the detection device for spatial-spectrally resolved detection of object light emanating from the object in response to the projection is set up in a first and a second detection spectral range. The first detection spectral range comprises at least a part of the first emission spectral range and the first detection spectral range does not include the second emission spectral range. The second detection spectral range does not include at least a part of the second emission spectral range and the first emission spectral range.

Description

Die Streifenprojektion als ein Beispiel für Musterprojektion ist ein häufig angewandtes Verfahren zur hochgenauen 3D-Vermessung von Objekten. Typischerweise bestehen Vorrichtungen zur Vermessung mittels Streifenprojektion aus mindestens einer Kamera und einem Projektor. Der Projektor projiziert hierbei nacheinander ein oder mehrere Streifenmuster auf das Objekt und die Kamera nimmt ein oder mehrere Bilder des Objekts auf, während das oder die Streifenmuster auf das Objekt projiziert wird/werden. Zur Bestimmung der Oberflächengeometrie sind dabei typischerweise 3 aufeinanderfolgende Aufnahmen mit verschiedenen projizierten Streifenmuster zur Bestimmung der relativen Phasen der Streifenmuster in den Bildern zueinander sowie mehrerer weiterer Aufnahmen zur Bestimmung der absoluten Phase zwischen den von dem Projektor projizierten Bildern und den von der Kamera aufgenommenen Bildern erforderlich. In der Praxis wird häufig eine höhere Anzahl von Aufnahmen verwendet, typischerweise 4-6, um die numerische Stabilität des Verfahrens zu verbessern. Bedingt durch die hohen Genauigkeitsanforderungen in manchen Bereichen, z.B. im Bereich der Robotik, kann eine noch höhere Anzahl an Bildern, beispielsweise 12-44 Bilder erforderlich sein.The stripe projection as an example for pattern projection is a frequently used method for high-precision 3D measurement of objects. Typically, devices for measuring by means of stripe projection consist of at least one camera and one projector. The projector projects one or more stripe patterns on the object one after the other and the camera takes one or more images of the object while the stripe pattern (s) is / are being projected onto the object. To determine the surface geometry, three consecutive recordings with different projected stripe patterns for determining the relative phases of the stripe patterns in the images to one another and several further recordings for determining the absolute phase between the images projected by the projector and the images recorded by the camera are typically required. In practice, a higher number of recordings is often used, typically 4-6, in order to improve the numerical stability of the method. Due to the high accuracy requirements in some areas, e.g. in the field of robotics, an even higher number of images, for example 12-44 images, may be required.

Die Vielzahl an benötigten Bildern erschwert eine Echtzeitvermessung von Oberflächen. Dies kann insbesondere nachteilig sein, wenn sich die Objekte bewegen oder wenn die Vorrichtung zur Vermessung selbst sich in Bewegung befindet, wie es beispielsweise bei Robotik-Anwendungen der Fall sein kann. Im Bereich der Robotik können Bewegungen des Roboters selbst und die damit einhergehende Änderungen der Position relativ zum Objekt, Bewegungen des Objekts sowie mit der Bewegung des Roboters einhergehende Vibrationen einen Einfluss auf die Messung haben. Der Begriff Echtzeit ist hierbei in Abhängigkeit des Anwendungsfalls zu verstehen und bedeutet, dass die Messung so schnell abläuft, dass diese Störgrößen keinen oder nur einen geringen Einfluss auf das Ergebnis haben.The large number of images required complicates real-time measurement of surfaces. This can be disadvantageous in particular if the objects move or if the device for measurement itself is in motion, as can be the case, for example, in robotics applications. In the field of robotics, movements of the robot itself and the associated changes in position relative to the object, movements of the object and vibrations associated with the movement of the robot can have an influence on the measurement. The term real-time is to be understood here as a function of the application and means that the measurement runs so quickly that these disturbance variables have little or no influence on the result.

Das von Takeda und Mutoh in Applied Optics, Vol. 22, No. 24 vom 15. Dezember 1983 beschriebene Verfahren erlaubt die Bestimmung einer geschlossenen Oberfläche basierend auf einer Auswertung der relativen Phase eines deformierten Streifenmusters aus einem aufgenommenen Bild eines projizierten Streifenmusters. Die Auswertung erfolgt hierbei mittels Fourier-Transformation. Eine Bestimmung einer absoluten Phase ist nur durch Rekonstruktion der Phasensprünge der relativen Phase für Objekte, die hinreichend glatt sind, offenbart.That of Takeda and Mutoh in Applied Optics, Vol. 22, No. 24 method described on December 15, 1983 allows the determination of a closed surface based on an evaluation of the relative phase of a deformed stripe pattern from a recorded image of a projected stripe pattern. The evaluation is carried out here using a Fourier transformation. Determination of an absolute phase is only disclosed by reconstruction of the phase jumps of the relative phase for objects that are sufficiently smooth.

Unter einer räumlich geschlossen Form wird dabei eine dreidimensionale Bestimmung einer Form verstanden, wobei die Form ein zusammenhängendes Gebiet ist, also zumindest zu Teilen keine Lücken aufweist. Eine geschlossene Form kann als eine Fläche bestimmt werden.A spatially closed shape is understood to mean a three-dimensional determination of a shape, the shape being a coherent area, that is to say at least partially having no gaps. A closed shape can be defined as a surface.

Dies kann bedeuten, dass Informationen nicht nur für einzelne Punkte im Raum bekannt sind, sondern auch Informationen über die Verbindungen zwischen den Punkten vorliegen, so dass zumindest für einen Teilbereich die gesamte Oberfläche des Objekts beschrieben wird.This can mean that information is not only known for individual points in space, but also information about the connections between the points, so that the entire surface of the object is described at least for a partial area.

Es sind alternativ fotogrammmetrische Verfahren bekannt. Diese benötigen mindestens 2 Kameras und können nur in mindestens zwei Bildern erkennbare korrespondierende Oberflächenmerkmale vermessen. Diese korrespondieren Oberflächenmerkmale werden oft als Korrespondenzen bezeichnet. Mit solchen Verfahren ist eine geschlossene Flächendarstellung nur in Ausnahmefällen, beispielsweise bei strukturierten Oberflächen, möglich.Alternatively, photogrammetric methods are known. These require at least 2 cameras and can only measure corresponding surface features recognizable in at least two images. These corresponding surface features are often referred to as correspondence. With such methods, a closed area display is only possible in exceptional cases, for example with structured surfaces.

Bei Verwendung von Musterprojektoren, beispielsweise, beispielsweise zufälligen Mustern (engl.: random pattern) kann eine Auswertung in Echtzeit zwar möglich sein, die erreichbare Genauigkeit kann aber sehr viel geringer als bei der Streifenprojektion sein. Entsprechend der Streifenprojektion kann bei der Musterprojektion die Genauigkeit verbessert werden, indem verschiedene Muster, beispielsweise feine und grobe Muster, verwendet werden.When using pattern projectors, for example, for example random patterns, an evaluation in real time may be possible, but the achievable accuracy may be much lower than with the strip projection. According to the stripe projection, the accuracy in the pattern projection can be improved by using different patterns, for example fine and coarse patterns.

Eine Reihe von weiteren Verfahren ermöglicht entweder die Vermessung von Linienprofilen, zum Beispiel in Form von Linienscan-Triangulierung (engl.: line scan triangulation) oder Punkterastern, beispielsweise in Form von konfokal chromatischen Multispotsensoren für die optische Kohärenztomographie.A number of other methods enable either the measurement of line profiles, for example in the form of line scan triangulation, or point scanners, for example in the form of confocal chromatic multi-spot sensors for optical coherence tomography.

Ebenfalls ist eine Vermessung von Einzelpunkten in Video-Echtzeit bekannt.A measurement of individual points in video real time is also known.

Diese genannten Verfahren ermöglichen aber alle keine geschlossene Oberflächend ig italisi eru ng.However, these methods do not allow a closed surface ig italisi eru ng.

Es ist ausgehend hiervon eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtung zur Musterprojektion bereitzustellen, welche insbesondere für Echtzeitanwendungen geeignet sind.Based on this, it is an object of the present invention to provide methods and apparatus for pattern projection which are particularly suitable for real-time applications.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Musterprojektion gemäß Anspruch 1, und eine Vorrichtung zur Musterprojektion gemäß Anspruch 8 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.According to the invention, a method for pattern projection according to claim 1 and an apparatus for pattern projection according to claim 8 are provided. The sub-claims define further embodiments.

Es wird ein Verfahren zum Erfassen eines ersten und zweiten Bildes eines Objekts bereitgestellt, wobei das Verfahren ein gleichzeitiges Projizieren eines ersten Musters in einem ersten Emissionsspektralbereich und eines zweiten Musters in einem zweiten Emissionsspektralbereich auf das Objekt umfasst. Ferner umfasst das Verfahren spektral getrenntes Detektieren eines ersten Bildes eines ersten deformierten Musters in einem ersten Detektionsspektralbereich und eines zweiten Bildes eines zweiten deformierten Musters in einem zweiten Detektionsspektralbereich basierend auf Objekt-Licht, wobei das Objekt-Licht von dem Objekt als Antwort auf das Projizieren ausgeht.It becomes a method of capturing first and second images of an object The method comprises simultaneously projecting a first pattern in a first emission spectral range and a second pattern in a second emission spectral range onto the object. The method further comprises spectrally separated detection of a first image of a first deformed pattern in a first detection spectral range and a second image of a second deformed pattern in a second detection spectral range based on object light, the object light originating from the object in response to the projection ,

Hierbei umfasst der erste Detektionsspektralbereich zumindest einen Teil des ersten Emissionsspektralbereichs, und der erste Detektionsspektralbereich umfasst den zweiten Emissionsspektralbereich nicht.Here, the first detection spectral range comprises at least a part of the first emission spectral range, and the first detection spectral range does not include the second emission spectral range.

Ferner umfasst der zweite Detektionsspektralbereich zumindest einen Teil des zweiten Emissionsspektralbereichs und der zweite Detektionsspektralbereich umfasst den ersten Emissionsspektralbereich nicht.Furthermore, the second detection spectral range comprises at least a part of the second emission spectral range and the second detection spectral range does not include the first emission spectral range.

Ein Objekt kann hierbei ein dreidimensionaler Gegenstand sein. Ein Objekt kann aus verschiedenen Gegenständen bestehen. Ein Objekt kann auch ein Teilbereich eines Gegenstands sein.An object can be a three-dimensional object. An object can consist of different objects. An object can also be a partial area of an object.

Projizieren eines Musters bedeutet hierbei, dass die Bildinformationen eines Musters in den Raum projiziert werden und bei Wechselwirkung mit einer Oberfläche an den verschiedenen Stellen des Raumes, in denen sie projiziert werden, sichtbar werden.Projecting a pattern here means that the image information of a pattern is projected into the room and, when interacting with a surface, becomes visible at the various points in the room in which it is projected.

Gleichzeitig bedeutet hierbei, dass das Projizieren im Wesentlichen zur gleichen Zeit stattfindet. Dies kann bedeuten, dass das Projizieren tatsächlich gleichzeitig stattfindet, es kann auch bedeuten, dass ein möglicher Zeitversatz zwischen dem projizieren des ersten und des zweiten Muster so gering ist, dass er für die Art der Anwendung nicht ins Gewicht fällt. Beispielsweise kann die Zeit zwischen zwei Projektionen klein sein im Vergleich zu einer charakteristischen Zeitskala der Messung, beispielsweise einer Belichtungszeit einer Kamera. So kann es beispielsweise möglich sein hochfrequente Lichtquellen zu verwenden, die versetzt zueinander leuchten, aber beide innerhalb der Belichtungszeit einer Kamera so leuchten, dass für eine Belichtungszeit der Kamera Licht von beiden Lichtquellen empfangen wird.At the same time, this means that the projection takes place essentially at the same time. This can mean that the projection actually takes place at the same time, it can also mean that a possible time offset between the projection of the first and the second pattern is so small that it does not matter for the type of application. For example, the time between two projections can be small compared to a characteristic time scale of the measurement, for example an exposure time of a camera. For example, it may be possible to use high-frequency light sources that glow offset to one another, but both glow within the exposure time of a camera in such a way that light is received by both light sources for one exposure time of the camera.

Als Muster können insbesondere Streifenmuster verwendet werden. Streifenmuster sind regelmäßige Muster mit mindestens einer Vorzugsrichtung und mindestens einer Streifenfrequenz. Streifenmuster können insbesondere eine sinusförmige Intensitätsverteilung entlang der mindestens einen Vorzugsrichtung aufweisen, aber auch andere Intensitätsverteilungen sind möglich, wie in Streifenprojektionsverfahren üblich.Stripe patterns in particular can be used as the pattern. Stripe patterns are regular patterns with at least one preferred direction and at least one stripe frequency. Stripe patterns can in particular have a sinusoidal intensity distribution along the at least one preferred direction, but other intensity distributions are also possible, as is customary in stripe projection methods.

Ergänzend oder alternativ können auch andere Muster verwendet werden. Solche Muster werden manchmal allgemein als strukturiertes Licht (englisch: structured light) bezeichnet, wobei Streifenmuster ein Beispiel für solche Muster sind. Auch andere Muster kommen dann in Betracht, wenn mehrere verschiedene Muster zum Einsatz kommen, beispielsweise grobe und feine Muster mit strukturiertem Licht die gleichzeitig, aber spektral getrennt, projiziert werden können. Wie im Falle von Streifenmustern können durch Projektion auf ein Objekt deformierte Muster mit dem Muster verglichen wird. In solchen Fällen können auch unregelmäßige Muster verwendet werden, die beispielsweise keine oder nur lokale Vorzugsrichtungen aufweisen. Auch können Muster verwendet werden die in einem ersten Bereich als ein erstes Streifenmuster mit einer ersten Frequenz und in einem zweiten Bereich als ein zweites Streifenmuster mit einer zweiten Frequenz beschrieben werden können oder die eine Vielzahl solcher Bereiche aufweisen. Die so gewonnenen Bilder können dann ebenfalls mittels bekannter Verfahren, die beispielsweise für sequentiell aufgenommene Bilder bekannt sind, ausgewertet werden. Hierbei können Muster verwendet werden die periodische Eigenschaften aufweisen, denen entsprechend Streifenmustern Frequenzen zugeordnet werden können, verwendet werden, aber auch die Verwendung von unregelmäßigen Mustern ist möglich.In addition or alternatively, other patterns can also be used. Such patterns are sometimes commonly referred to as structured light, with stripe patterns being an example of such patterns. Other patterns can also be considered if several different patterns are used, for example coarse and fine patterns with structured light that can be projected simultaneously but spectrally separated. As in the case of stripe patterns, deformed patterns can be compared to the pattern by projection onto an object. In such cases it is also possible to use irregular patterns which, for example, have no or only local preferred directions. It is also possible to use patterns which can be described in a first area as a first stripe pattern with a first frequency and in a second area as a second stripe pattern with a second frequency or which have a large number of such areas. The images obtained in this way can then also be evaluated using known methods, which are known, for example, for sequentially recorded images. In this case, patterns can be used which have periodic properties, to which frequencies can be assigned according to stripe patterns, but the use of irregular patterns is also possible.

Ein deformiertes Muster wird durch Projizieren eines Musters auf ein Objekt erhalten. Durch die Position der Projektionseinrichtung relativ zum Objekt, und der Position der Erfassungseinrichtung relativ zum Objekt und die Form des Objekts wird bestimmt, wie das von der Projektionseinrichtung projizierte Muster von der Erfassungseinrichtung erfasst wird. Hierbei können noch weitere Größen, beispielsweise die lokale Reflektivität des Objekts Einfluss haben.A deformed pattern is obtained by projecting a pattern onto an object. The position of the projection device relative to the object and the position of the detection device relative to the object and the shape of the object determine how the pattern projected by the projection device is detected by the detection device. In this case, further variables, for example the local reflectivity of the object, can have an influence.

Spektral getrenntes Detektieren bedeutet, dass Licht in einem bestimmten Spektralbereich detektiert wird, wohingegen Licht außerhalb des bestimmten Spektralbereichs nicht effizient detektiert wird, beispielsweise gar nicht, beispielsweise viel schwächer, beispielsweise mindestens sechs Größenordnungen schwächer, beispielsweise mindestens 4 Größenordnungen schwächer, beispielsweise mindestens 2 Größenordnungen schwächer. Dies verhindert, dass Licht aus einem anderen Spektralbereich zu einem Signal in dem jeweiligen Detektionsspektralbereich führt. Solche Störeinflüsse, die hier vermieden werden, sind beispielsweise von herkömmlichen Farbkameras, beispielsweise Kameras mit Rot/Grün/Blau (RGB)-Sensor, beispielweise mittels Bayer-Filter realisiert, bekannt, bei denen z.B. auch intensives grünes Licht ein Signal in einem roten Farbkanal erzeugen kann, weil die Empfindlichkeit für grünes Licht im roten Farbkanal nicht viel schwächer ist. Dies kann beispielsweise beim Projizieren der Muster mit intensivem Licht, um eine hohe Zeitauflösung durch eine kurze Belichtungszeit zu ermöglichen, problematisch sein.Spectrally separated detection means that light is detected in a certain spectral range, whereas light outside the certain spectral range is not detected efficiently, for example not at all, for example much weaker, for example at least six orders of magnitude weaker, for example at least 4 orders of magnitude weaker, for example at least 2 orders of magnitude weaker , This prevents light from another spectral range from leading to a signal in the respective detection spectral range. Such interference, which are avoided here, are, for example, from conventional color cameras, for example cameras with a red / green / blue (RGB) sensor, for example realized using a Bayer filter, in which, for example, even intense green light can generate a signal in a red color channel because the sensitivity to green light in the red color channel is not much weaker. This can be problematic, for example, when projecting the pattern with intense light in order to enable high time resolution through a short exposure time.

Detektionsspektralbereich bezeichnet hierbei den Bereich, in dem eine für das Verfahren verwendete Detektionseinrichtung empfindlich ist. Im Falle einer Kamera als Detektionseinrichtung kann dies beispielsweise in Form einer Sensitivitätskurve als Funktion der Wellenlänge dargestellt sein. Die Sensitivitätskurve kann sich durch ein Zusammenspiel von Sensoren, optischen Bauelementen, beispielsweise Objektiven und Filtern ergeben.Detection spectral range here denotes the range in which a detection device used for the method is sensitive. In the case of a camera as a detection device, this can be represented, for example, in the form of a sensitivity curve as a function of the wavelength. The sensitivity curve can result from an interaction of sensors, optical components, for example objectives and filters.

Der Emissionsspektralbereich bezeichnet den Bereich des Spektrums, in dem eine Lichtquelle im wesentlichen Licht emittiert. Dies kann, beispielsweise im Falle eines Lasers, ein sehr scharf begrenzter Bereich sein, im Falle von anderen Lichtquellen, beispielsweise LEDs, kann der Emissionsspektralbereich weniger scharf begrenzt sein.The emission spectral range denotes the range of the spectrum in which a light source essentially emits light. This can be a very sharply delimited area, for example in the case of a laser, and the emission spectral area can be less sharply delimited in the case of other light sources, for example LEDs.

Ein Detektionsspektralbereich umfasst einen Emissionsspektralbereich dann nicht, wenn eine Emission im Emissionsspektralbereich im Wesentlichen nicht zu einem Signal eines Detektors, der den Detektionsspektralbereich aufweist, führt.A detection spectral range does not include an emission spectral range if an emission in the emission spectral range essentially does not lead to a signal from a detector which has the detection spectral range.

Unter einem Bild wird eine ortsaufgelöste Information über mindestens einen Intensitätswert eines Detektionsspektralbereich verstanden. Ein Bild kann beispielsweise als X, Y-Matrix mit Intensitätswerten aufgebaut sein. Ein Bild kann auch als X, Y Matrix aufgebaut sein, wobei für jeden X, Y Eintrag mehrere Intensitätswerte zugeordnet sind, beispielsweise aus einem ersten und einem zweiten Detektionsspektralbereich.An image is understood to mean spatially resolved information about at least one intensity value of a detection spectral range. An image can be constructed, for example, as an X, Y matrix with intensity values. An image can also be constructed as an X, Y matrix, with several intensity values being assigned for each X, Y entry, for example from a first and a second detection spectral range.

Objekt-Licht ist Licht, welches von dem Objekt ausgeht, beispielsweise in Reaktion auf Beleuchtung durch ein Projizieren, beispielsweise hervorgerufen durch Reflexion am Objekt. Object light is light that emanates from the object, for example in response to lighting by projecting, for example caused by reflection on the object.

Das Verfahren kann ein Bestimmen einer Form des Objekts basierend auf dem ersten und zweiten Bild umfassen.The method may include determining a shape of the object based on the first and second images.

Unter der Form des Objekts werden räumliche Informationen über die Ausdehnung des Objekts verstanden. Die Form des Objekts kann beispielsweise durch lokale Tiefeninformationen bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es möglich sein, einem zweidimensionalen Bild eines Objektes für jeden Bildpunkt eine lokale Tiefeninformation, wie von Takeda und Mutoh beschrieben, zuzuordnen und hierdurch die Form des Objektes, welches in dem zweidimensionalen regionalen Bild dargestellt ist, zu beschreiben.The shape of the object is understood to be spatial information about the extent of the object. The shape of the object can be provided, for example, by local depth information. For example, it may be possible to assign local depth information, as described by Takeda and Mutoh, to a two-dimensional image of an object, and thereby to describe the shape of the object which is represented in the two-dimensional regional image.

Hierbei kann die Form des Objekts räumlich geschlossen bestimmt werden. Räumlich geschlossen ist hierbei wie vorstehend erläutert zu verstehen.The shape of the object can be determined spatially closed. Spatially closed is to be understood as explained above.

Das erste Muster kann ein erstes Streifenmuster mit einer ersten Frequenz und das zweite Muster kann ein zweites Streifenmuster mit einer zweite Frequenz sein, wobei die erste und die zweite Frequenz unterschiedlich sein können.The first pattern may be a first stripe pattern at a first frequency and the second pattern may be a second stripe pattern at a second frequency, the first and second frequencies being different.

Insbesondere können erste und zweite Frequenz leicht zueinander verstimmt sein, also nahe beieinanderliegen. Beispielsweise kann die erste Frequenz so gewählt werden, dass das Projizieren über den gesamten Projektionsbereich eine Emission von n Streifen ermöglicht und die zweite Frequenz kann so gewählt werden, dass das Projizieren über den gesamten Projektionsbereich eine Emission von n'=n + dn Streifen ermöglicht. Hierbei kann dn klein gegenüber n gewählt werden. Beispielsweise kann dn auch 1 sein.In particular, the first and second frequencies can be slightly out of tune with one another, that is to say they are close to one another. For example, the first frequency can be selected such that the projection over the entire projection range enables an emission of n strips and the second frequency can be selected such that the projection over the entire projection range enables an emission of n '= n + dn strips. Here dn can be chosen to be small compared to n. For example, dn can also be 1.

Die Streifenzahl n wird hierbei entsprechend der Detektionseinrichtung, die in der Lage sein muss, dass vom Objekt deformierte Streifenmuster aufzulösen, und der geometrischen Bedingungen, beispielsweise der Tiefenbereich, der abgedeckt werden soll, gewählt. Die Streifenzahl kann auch von Messung zu Messung variiert werden. Beispielsweise kann zunächst eine Grobvermessung, mit einem erhöhten Tiefenbereich und einer verringerten Tiefenauflösung durchgeführt werden, gefolgt von einer Messung mit einem geringeren Tiefenbereich und einer höheren Tiefenauflösung. Steht eine höhere Anzahl an Emission-und Detektionsspektralbereichen zur Verfügung, können solche Vorgehensweisen auch zeitgleich durchgeführt werden.The number of strips n is selected in accordance with the detection device, which must be able to resolve the striped pattern deformed by the object, and the geometric conditions, for example the depth range that is to be covered. The number of strips can also be varied from measurement to measurement. For example, a rough measurement with an increased depth range and a reduced depth resolution can be carried out first, followed by a measurement with a smaller depth range and a higher depth resolution. If a higher number of emission and detection spectral ranges are available, such procedures can also be carried out at the same time.

Die für die Auswertung von Bildern, welche deformierte Streifenmuster zeigen, notwendige Algorithmen können auf heutigen Rechnerplattformen problemlos in Echtzeit ausgeführt werden. Hierbei kann in manchen Beispielen ein gewünschter Tiefenbereich dz in verschiedene Phasendurchläufe zerlegt werden.The algorithms necessary for the evaluation of images showing deformed stripe patterns can be easily executed in real time on today's computer platforms. In some examples, a desired depth range dz can be broken down into different phase runs.

Die Auswertung kann mittels bekannter Verfahren, wie beispielsweise in D. Malacara, Optical Shop Testing, Wiley 2007, S. 780 ff. beschrieben, erfolgen, wobei die spektral getrennt detektierten Bilder entsprechend gemäß der beschriebenen Verfahren, beispielsweise der Verarbeitung im Fall von sequentiell erfassten Bildern entsprechend, verarbeitet werden können.The evaluation can be carried out by means of known methods, as described, for example, in D. Malacara, Optical Shop Testing, Wiley 2007, p. 780 ff Images can be processed accordingly.

Das Verfahren kann ferner umfassen:

Bestimmen von ersten lokalen relativen Phasendifferenzen des ersten deformierten Musters zu dem ersten Muster im ersten Bild und
Bestimmen von zweiten lokalen relativen Phasendifferenzen des zweiten deformierten Musters zu dem zweiten Muster im zweiten Bild.
Bestimmen von absoluten lokalen Phasendifferenzen des ersten deformierten Musters zu dem ersten Muster im ersten Bild und/oder des zweiten deformierten Musters zu dem zweiten Muster im zweiten Bild basierend auf den ersten lokalen relativen Phasendifferenzen und den zweiten lokalen relativen Phasendifferenzen.

The method may further include:

Determining first local relative phase differences of the first deformed pattern to the first pattern in the first image and
Determining second local relative phase differences of the second deformed pattern to the second pattern in the second image.
Determining absolute local phase differences of the first deformed pattern to the first pattern in the first image and / or the second deformed pattern to the second pattern in the second image based on the first local relative phase differences and the second local relative phase differences.

Ist die Anzahl der Streifen n und n', wie zuvor beschrieben, nahe beieinander gewählt, kann dies den Vorteil haben, das über einen verhältnismäßig großen Tiefenbereich dz absolute lokalen Phasendifferenzen basierend aus den relativen lokalen Phasendifferenzen des ersten und zweiten Bildes bestimmt werden können.If the number of strips n and n 'is selected close to one another, as described above, this can have the advantage that absolute local phase differences can be determined over a relatively large depth range dz based on the relative local phase differences of the first and second images.

Dies kann den Vorteil haben, dass es möglich sein kann, basierend auf den zwei Bildern für zumindest ein Bild eine absolute lokale Phasendifferenz zwischen projiziertem Streifenmuster und deformierten Streifenmuster zu bestimmen.This can have the advantage that it can be possible to determine an absolute local phase difference between the projected stripe pattern and the deformed stripe pattern based on the two images for at least one image.

Hierzu wird, wie oben beschrieben, n'=n + dn gewählt und ebenfalls die lokale relative Phasendifferenz des zweiten deformierten Streifenmusters bestimmt. Dies kann jeweils mittels dem von Takeda und Mutoh beschriebenen Verfahren erfolgen. Ein Tiefenmessbereich dz kann in m Phasendurchläufe zerlegt werden, wobei m<n gewählt wird. Beim Durchlaufen des Messbereichs dz variiert eine absolute Phase dann um 2 π m.For this purpose, as described above, n '= n + dn is selected and the local relative phase difference of the second deformed stripe pattern is also determined. This can be done using the method described by Takeda and Mutoh. A depth measuring range dz can be broken down into m phase runs, with m <n being selected. When passing through the measuring range dz, an absolute phase then varies by 2π m.

Die relative Phasendifferenz der jeweiligen deformierten Streifenmuster zu den ursprünglichen Streifenmuster variieren in Abhängigkeit von n und n', die Phasendifferenzen der zwischen den beiden deformierten Streifenmuster variieren jedoch um den Faktor dn/(n + dn) langsamer. Für dn=1 variiert die lokale Phasendifferenz dann um 2 π m/n. Da n > m ist, variiert die Phasendifferenz über den gesamten Messbereich weniger als 2π und ist damit eindeutig, wodurch eine absolute Phasendifferenz rekonstruiert werden kann.The relative phase difference between the respective deformed stripe patterns and the original stripe patterns varies depending on n and n ', but the phase differences between the two deformed stripe patterns vary more slowly by the factor dn / (n + dn). For dn = 1 the local phase difference then varies by 2π m / n. Since n> m, the phase difference varies less than 2π over the entire measuring range and is therefore unique, as a result of which an absolute phase difference can be reconstructed.

Dies kann beispielsweise wie in D. Malacara, Optical Shop Testing, Wiley 2007, S. 635 ff. beschrieben, durchgeführt werden.This can be done, for example, as described in D. Malacara, Optical Shop Testing, Wiley 2007, p. 635 ff.

Hierbei ermöglicht es die gleichzeitigen Projektion von Streifenmustern, die jeweils in einzelnen Detektionsspektralbereichen detektiert werden können, und somit nicht miteinander störend wechselwirken, die Signale der deformierten Streifenmuster bei zeitgleicher Detektion getrennt zu erfassen und auszuwerten, als wären sie unabhängig voneinander erfasst wurden.Here, the simultaneous projection of stripe patterns, which can be detected in individual detection spectral ranges and thus do not interact with one another in a disruptive manner, enables the signals of the deformed stripe patterns to be detected and evaluated separately at the same time as if they were detected independently of one another.

Das Verfahren kann entsprechend für ein oder mehrere weitere Muster mit zugeordneten einem oder mehreren Emissionsspektralbereichen und einer entsprechenden Anzahl von einem oder mehreren weiteren Detektionsspektralbereichen durchgeführt werden. Hierbei kann ein weiteres Bilder erfasst werden oder es können weitere mehrere Bilder erfasst werden.The method can be carried out accordingly for one or more further patterns with assigned one or more emission spectral ranges and a corresponding number of one or more further detection spectral ranges. In this case, another image can be acquired or a number of further images can be acquired.

Hierdurch kann es möglich sein, das oben beschriebene Verfahren zeitgleich für verschiedene Werte des Tiefenbereichs dz durchzuführen.This may make it possible to carry out the method described above simultaneously for different values of the depth range dz.

Das Verfahren kann ein Projizieren von sechs Streifenmustern einschließlich des ersten und zweiten Musters umfassen, wobei jeweils drei der sechs Streifenmuster eine Phasenlage von 0°, 120° und 240° zueinander aufweisen und wobei die Bestimmung der Form des Objekts ferner auf einer Phasenverschiebungsauswertung des ersten und zweiten Bildes sowie der weiteren Bilder basiert.The method may include projecting six stripe patterns including the first and second patterns, three of the six stripe patterns each having a phase angle of 0 °, 120 ° and 240 ° to one another, and the determination of the shape of the object also based on a phase shift evaluation of the first and second image and the other images based.

Auch solche Verfahren, die sechs Streifenmuster verwenden, sind ohne die erfindungsgemäße Verwendung von Emissions- und Detektionsspektralbereichen für sich genommen bekannt, beispielsweise aus D. Malacara, Optical Shop Testing, Wiley 2007, S. 569 ff.Such methods that use six stripe patterns are also known per se without the use of emission and detection spectral ranges according to the invention, for example from D. Malacara, Optical Shop Testing, Wiley 2007, p. 569 ff.

Eine solche Vorgehensweise kann den Vorteil haben, dass bei jeweils einem Dreiersatz aus einem Streifenmuster mit n, n+dn1 und n+dn2 Streifen, die jeweils 0°/120°/240° Phasenlage aufweisen, eine Phasenschiebeauswertung als Alternative oder ergänzend zum Takeda und Mutoh-Verfahren verwendet werden kann. Eine solche Vorgehensweise erfordert eine Emission und Detektion von Streifenmustern und deformierten Streifenmustern in einer höheren Anzahl von getrennten Spektralbereichen. Die Auswertung der so ermittelten Bilder kann im Falle der reinen Phasenschiebeauswertung rechnerisch vereinfacht werden, da keine Fouriertransformationen erforderlich sind.Such a procedure can have the advantage that a phase shift evaluation as an alternative or in addition to Takeda and Mutoh method can be used. Such a procedure requires emission and detection of stripe patterns and deformed stripe patterns in a higher number of separate spectral ranges. The evaluation of the images determined in this way can be simplified in the case of pure phase shift evaluation, since no Fourier transformations are required.

Es wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Musterprojektion bereit gestellt, wobei die Vorrichtung eine Projektionseinrichtung umfasst, wobei die Projektionseinrichtung eingerichtet ist, ein erstes Muster in einem ersten Emissionsspektralbereich und ein zweites Muster in einem zweiten Emissionsspektralbereich gleichzeitig auf das Objekt zu projizieren.According to the invention, a device for pattern projection is provided, the device comprising a projection device, the projection device being set up to simultaneously project a first pattern in a first emission spectral range and a second pattern in a second emission spectral range onto the object.

Ferner umfasst die Vorrichtung eine Detektionseinrichtung, wobei die Detektionseinrichtung zur räumlich-spektral getrennte Detektion von Objekt-Licht, das von dem Objekt als Antwort auf das Projizieren ausgeht, in einem ersten und einem zweiten Detektionsspektralbereich eingerichtet ist.Furthermore, the device comprises a detection device, the detection device for the spatially spectrally separated detection of object Light emanating from the object in response to the projection is set up in a first and a second detection spectral range.

Hierbei umfasst der erste Detektionsspektralbereich zumindest einen Teil des ersten Emissionsspektralbereichs und der erste Detektionsspektralbereich umfasst den zweiten Emissionsspektralbereich nicht.Here, the first detection spectral range comprises at least part of the first emission spectral range and the first detection spectral range does not include the second emission spectral range.

Der zweite Detektionsspektralbereich umfasst hierbei zumindest einen Teil des zweiten Emissionsspektralbereichs und umfasst den ersten Emissionsspektralbereich nicht.The second detection spectral range comprises at least a part of the second emission spectral range and does not include the first emission spectral range.

Die Vorrichtung kann zusätzlich eine Auswerteeinrichtung umfassen, wobei die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, die Form des Objekts basierend auf einem Signal der Detektionseinrichtung zu bestimmen.The device can additionally comprise an evaluation device, the evaluation device being set up to determine the shape of the object based on a signal from the detection device.

Dabei ist zu beachten, dass die Auswerteeinrichtung auch mittels eines verteilten Systems implementiert sein kann, welches verschiedene separate Komponenten aufweist. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung aus verschiedenen Modulen bestehen, die Daten untereinander austauschen. Beispielsweise kann die Bestimmung der Form auf einem vergleichsweise leistungsstarken Rechner, beispielsweise einem externen Server (räumlich entfernter Rechner, in manchen Anwendungsfällen auch „Cloud“), welcher auch Coprozessoren wie Graphikprozessoren aufweisen kann, durchgeführt werden. Die Auswerteeinrichtung oder einzelne Module der Auswerteeinrichtung können also räumlich getrennt von der Erfassungsvorrichtung ausgeführt sein.It should be noted here that the evaluation device can also be implemented by means of a distributed system which has various separate components. For example, the evaluation device can consist of different modules that exchange data with one another. For example, the shape can be determined on a comparatively powerful computer, for example an external server (spatially distant computer, in some applications also “cloud”), which can also have coprocessors such as graphics processors. The evaluation device or individual modules of the evaluation device can thus be spatially separated from the detection device.

Die Detektionseinrichtung kann eine Multispektralkamera umfassen.The detection device can comprise a multispectral camera.

Als Multispektralkamera wird eine Kamera bezeichnet, die mindestens zwei spektral vollständig getrennte Detektionsspektralbereiche aufweist. Diese können durch dem eigentlichen Sensor vorgeschaltete schmalbandige Filter, beispielsweise Interferenzfilter, realisiert werden. Auch eine Anwendung von anderen Filtern, beispielsweise Kombinationen von Kantenfiltern sind entsprechend möglich. Auch können Halbleiter mit verschiedenen Sensitivitätscharakteristiken, auch kombiniert mit Filtern, verwendet werden.A multispectral camera is a camera that has at least two spectrally completely separated detection spectral ranges. These can be implemented by means of narrow-band filters upstream of the actual sensor, for example interference filters. Other filters, for example combinations of edge filters, can also be used accordingly. Semiconductors with different sensitivity characteristics, also combined with filters, can also be used.

Hyperspektralkameras können eine höhere Anzahl von vollständig getrennten Detektionsspektralbereichen umfassen, beispielsweise 16, beispielsweise 64 Detektionsspektralbereiche.Hyperspectral cameras can comprise a larger number of completely separate detection spectral ranges, for example 16, for example 64 detection spectral ranges.

Vollständig getrennt bedeutet hierbei, dass die Trennung so vollständig ist, dass sie ein spektral getrenntes Detektieren, wie zuvor beschrieben, ermöglicht.Here, completely separated means that the separation is so complete that it enables spectrally separated detection, as described above.

Die Verwendung von Multispektralkameras kann gegenüber der Verwendung von konventionellen Farbkameras den Vorteil haben, dass kein Übersprechen der in dem ersten und zweiten Emissionsspektralbereich emittierten Muster stattfindet. Ein solches Übersprechen kann eine Auswertung der Bilder erschweren oder sogar unmöglich machen.The use of multispectral cameras can have the advantage over the use of conventional color cameras that there is no crosstalk of the patterns emitted in the first and second emission spectral range. Such crosstalk can make evaluation of the images more difficult or even impossible.

Die Detektionseinrichtung kann eine Vielzahl von Kameras und einen spektralen Strahlteiler umfassen.The detection device can comprise a plurality of cameras and a spectral beam splitter.

Dies kann den Vorteil haben, dass die Vorrichtung kostengünstiger realisiert werden kann, da keine Multispektralkamera notwendig ist. Hierzu kann es notwendig sein die Vielzahl von Kameras auf den relevanten Zeitskalen, wie oben beschrieben, zu synchronisieren. Hierdurch kann ein spektral getrenntes Detektieren, wie zuvor beschrieben, ebenfalls ermöglicht werden. Eine solche Detektionseinrichtung für räumlich auflösende Wasserstoffplasmaspektroskopie ist beispielsweise aus M. Clever, Hydrogen recycling and transport in the helical divertor of TEXTOR, Schriften des Forschungszentrums Jülich, Energy & Environment Vol. 87, 2010, 5.4, bekannt.This can have the advantage that the device can be implemented more cost-effectively, since no multispectral camera is necessary. To do this, it may be necessary to synchronize the large number of cameras on the relevant time scales, as described above. This also enables spectrally separated detection, as described above. Such a detection device for spatially resolving hydrogen plasma spectroscopy is, for example, from M. Clever, Hydrogen recycling and transport in the helical divertor of TEXTOR, writings of Forschungszentrum Jülich, Energy & Environment Vol. 87, 2010, 5 .4, known.

Die Detektionseinrichtung kann mindestens ein chromatisch dispersives Bauelement umfassen. Ferner kann der erste und zweite Detektionsspektralbereich jeweils in unterschiedlichen Teilbereichen eines Sensors detektierbar sein.The detection device can comprise at least one chromatically dispersive component. Furthermore, the first and second detection spectral ranges can each be detectable in different subregions of a sensor.

Unter einem chromatisch-dispersiven Bauelement werden Bauelemente wie beispielsweise Gitter, Prisma, oder Anordnungen solcher Bauelemente verstanden. Diese können auch mit weiteren chromatisch-dispersiven einzelnen Bauelementen oder anderen optischen Bauelementen kombiniert sein. Hierdurch kann die Anzahl von benötigten Sensoren, beispielsweise von Kameras, verringert werden, was die Synchronisation der in den verschiedenen Detektionsspektralbereichen erfassten Bilder verringern kann.A chromatically dispersive component is understood to mean components such as gratings, prisms, or arrangements of such components. These can also be combined with further chromatically dispersive individual components or other optical components. In this way, the number of sensors required, for example cameras, can be reduced, which can reduce the synchronization of the images recorded in the different detection spectral ranges.

Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, die Form des Objekts in Echtzeit zu bestimmen.The evaluation device can be set up to determine the shape of the object in real time.

Die Projektionseinrichtung kann eine monochromatische Lichtquelle und/oder einen Multispektralprojektor umfassen.The projection device can comprise a monochromatic light source and / or a multispectral projector.

Es kann beispielsweise eine Laserdiode eingesetzt werden. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich, beispielsweise durch Filter vor Projektoren und optische Elemente.For example, a laser diode can be used. Other configurations are also possible, for example using filters in front of projectors and optical elements.

Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, ein Verfahren wie zuvor oder nachfolgend beschrieben durchzuführen. The device can be set up to carry out a method as described above or below.

Figurenlistelist of figures

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
2 schematische Beispiele für Streifenmuster und deformierte Streifenmuster.
3a, 3b und 3c schematisch Beispiele für verschiedene Kombinationen unterschiedlicher Emissions- und Detektionsspektralbereiche.
4 eine Vorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.

The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 a flowchart to illustrate a method according to various embodiments.
2 schematic examples of stripe patterns and deformed stripe patterns.
3a . 3b and 3c schematic examples of different combinations of different emission and detection spectral ranges.
4 a device according to various embodiments.
5 a flowchart to illustrate a method according to various embodiments.
6 a flowchart to illustrate a method according to various embodiments.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Insbesondere ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele alternative Merkmale, weniger Merkmale und/oder zusätzliche Merkmale aufweisen.Various exemplary embodiments are explained in detail below. It should be noted that these exemplary embodiments are only illustrative and are not to be interpreted as restrictive. In particular, a description of an exemplary embodiment with a large number of features should not be interpreted to mean that all of these features are necessary for implementation. Rather, other exemplary embodiments can have alternative features, fewer features and / or additional features.

In der folgenden Beschreibung werden Streifenmuster als Beispiel für Muster verwendet. Es ist jedoch auch die Verwendung anderer Muster wie weiter oben erläutert möglich.In the following description, stripe patterns are used as an example of patterns. However, it is also possible to use other patterns as explained above.

1 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele. In Schritt 11 erfolgt ein Projizieren von ersten und zweiten Streifenmustern auf ein Objekt. Beispiele für Streifenmuster werden in 2 gezeigt. Dieses Projizieren erfolgt gleichzeitig und in verschiedenen Emissionsspektralbereichen E1 und E2, wie nachfolgend im Zusammenhang mit den 3a-3c erläutert. 1 shows a flowchart to illustrate a method according to various embodiments. In step 11 first and second stripe patterns are projected onto an object. Examples of stripe patterns are given in 2 shown. This projection takes place simultaneously and in different emission spectral ranges E1 and E2 , as below in connection with the 3a-3c explained.

In Schritt 12 erfolgt ein spektral getrenntes Detektieren eines ersten Bildes eines ersten deformierten Streifenmusters in einem ersten Detektionsspektralbereich und eines zweiten Bildes eines zweiten deformierten Streifenmusters in einem zweiten Detektionsspektralbereich. Bei dem deformierten Streifenmuster handelt es sich um Objekt-Licht, welches von dem Objekt als Antwort auf das Projizieren ausgeht.In step 12 there is a spectrally separated detection of a first image of a first deformed stripe pattern in a first detection spectral range and a second image of a second deformed stripe pattern in a second detection spectral range. The deformed stripe pattern is object light, which emanates from the object in response to the projection.

Hierbei finden Schritt 11 und Schritt 12 gleichzeitig statt.This will find step 11 and step 12 held simultaneously.

Der erste Detektionsspektralbereich umfasst zumindest einen Teil des ersten Emissionsspektralbereichs. Zugleich umfasst der erste Detektionsspektralbereich den zweiten Emissionsspektralbereich nicht. Dies hat den Vorteil, dass ein im ersten Detektionsspektralbereich erfasstes Bild nicht durch Licht aus dem zweiten Emissionsspektralbereich gestört wird.The first detection spectral range comprises at least a part of the first emission spectral range. At the same time, the first detection spectral range does not include the second emission spectral range. This has the advantage that an image recorded in the first detection spectral range is not disturbed by light from the second emission spectral range.

Für den zweiten Detektionsspektralbereich gilt entsprechendes; so umfasst der zweite Detektionsspektralbereich zumindest einen Teil des zweiten Emissionsspektralbereichs, nicht jedoch den ersten Emissionsspektralbereich. Es werden also im Westlichen die deformierten Streifenmuster spektral getrennt detektiert.The same applies to the second detection spectral range; the second detection spectral range thus includes at least a part of the second emission spectral range, but not the first emission spectral range. The deformed stripe patterns are detected spectrally separated in the western part.

Die so detektierten ersten und zweiten Bilder können dann wie zuvor und nachfolgend Beschrieben weiterverarbeitet werden, um eine Form des Objektes zu bestimmen.The first and second images thus detected can then be processed further as described above and below in order to determine a shape of the object.

2 zeigt schematische Beispiele für Streifenmuster 21, 22 und deformierte Streifenmuster. 2 shows schematic examples of stripe patterns 21 . 22 and deformed stripe patterns.

In dem in 2 gezeigten Beispiel sind die Formen der Streifenmuster 21, 22 ähnlich. Die Streifenmuster können aber auch unterschiedlich geformt sein. Die Streifenmuster sind jeweils durch eine Frequenz und durch eine Form gekennzeichnet, im Falle der 2 handelt sich um einfache senkrechte Streifenmuster mit einer Vorzugsrichtung, es können aber auch andere Streifenmuster zur Verwendung kommen, auch Streifenmuster mit mehreren Vorzugsrichtungen. In manchen Beispielen ist die Intensität der Streifenmuster sinusförmig. Im Falle von senkrechten Streifenmustern werden diese durch eine Frequenz und durch eine Anzahl von Streifen in einem bestimmten Intervall gekennzeichnet. Die verschiedenen Streifenmuster 21, 22 können in verschiedenen Emissionsspektralbereichen emittiert werden, wie dies schematisch durch die gefüllte und nicht gefüllte Streifenauszeichnung gezeigt ist.In the in 2 The example shown are the shapes of the stripe patterns 21 . 22 similar. The stripe patterns can also be shaped differently. The stripe patterns are each characterized by a frequency and a shape, in the case of 2 are simple vertical stripe patterns with one preferred direction, but other stripe patterns can also be used, including stripe patterns with several preferred directions. In some examples, the intensity of the stripe patterns is sinusoidal. In the case of vertical stripe patterns, these are characterized by a frequency and by a number of stripes in a certain interval. The different stripe patterns 21 . 22 can be emitted in different emission spectral ranges, as is shown schematically by the filled and unfilled stripe marking.

Bei dem Projizieren in Schritt 11 in 1 kann das Projizieren in verschiedenen Emissionsspektralbereichen stattfinden. Hierbei kann insbesondere das erste Streifenmuster 21 in einem ersten Emissionsspektralbereich und das zweite Streifenmuster 22 in einem zweiten Emissionsspektralbereich liegen. Dies ist schematisch im Projektorbild 23 gezeigt. Die im Projektorbild 23 kombinierten Streifenmuster 21, 22 können kombiniert gleichzeitig auf ein Objekt projiziert werden wie in Schritt 11 der 1 beschrieben. Dies kann beispielsweise mittels einem Multispektralprojektor erfolgen. Durch die Form des Objekts, auf welches das Projektorbild 23 projiziert wird, kann eine Deformation des Streifenmusters eintreten. Das vom Objekt ausgesandte Objektlicht kann jeweils für jeden Emissionsspektralbereich als jeweiliges deformiertes Streifenmuster detektiert werden.When projecting in step 11 in 1 the projection can take place in different emission spectral ranges. In particular, the first stripe pattern 21 in a first emission spectral range and the second stripe pattern 22 lie in a second emission spectral range. This is schematic in the projector image 23 shown. The one in the projector image 23 combined stripe pattern 21 . 22 can be projected simultaneously onto an object as in step 11 the 1 described. This can be done, for example, using a multispectral projector. By the shape of the object on which the projector image is located 23 is projected, a deformation of the stripe pattern can occur. The object light emitted by the object can be detected as a respective deformed stripe pattern for each emission spectral range.

Ein Beispiel für solche deformierten Streifenmuster ist in 2 mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichnet. Diese deformierten Streifenmuster setzen sich zusammen aus einem ersten deformierten Streifenmuster 26 in dem ersten Emissionsspektralbereich und dem zweiten deformierten Streifenmuster 28 in dem zweiten Spektralbereich. Gemäß dem Verfahren kann ein erstes Bild 25 des ersten deformierten Streifenmusters 26 detektiert werden und ein zweites Bild 27 des zweiten deformierten Streifenmusters 28. So liegt in dem ersten Bild nur das erste deformierte Streifenmuster 26 und in dem zweiten Bild 27 nur das zweite deformierte Streifenmuster 28 vor. Die deformierten Streifenmuster 24 können von einer Detektionseinrichtung, beispielsweise einer Multispektralkamera, in verschiedenen Detektionsspektralbereichen spektral getrennt detektiert werden, die um das erste Bild 25 und das zweite Bild 27 bereitzustellen. So kann das spektral getrennte Detektieren, beispielsweise mittels einer Multispektralkamera, gleichzeitig erfolgen und somit wird die Messung nicht von räumlichen Veränderungen wie Bewegungen oder Vibrationen beeinflusst.
Die 3a, 3b und 3c zeigen schematisch Beispiele für verschiedene Kombinationen unterschiedlicher Emissions- und Detektionsspektralbereiche.An example of such deformed stripe patterns is in 2 with the reference symbol 24 characterized. These deformed stripe patterns are composed of a first deformed stripe pattern 26 in the first emission spectral range and the second deformed stripe pattern 28 in the second spectral range. According to the method, a first image 25 of the first deformed stripe pattern 26 be detected and a second image 27 of the second deformed stripe pattern 28 , In the first picture there is only the first deformed stripe pattern 26 and in the second picture 27 only the second deformed stripe pattern 28 in front. The deformed stripe pattern 24 can be detected by a detection device, for example a multispectral camera, in different detection spectral ranges, spectrally separated, around the first image 25 and the second picture 27 provide. The spectrally separated detection, for example by means of a multispectral camera, can thus take place simultaneously and thus the measurement is not influenced by spatial changes such as movements or vibrations.
The 3a . 3b and 3c schematically show examples of different combinations of different emission and detection spectral ranges.

Es werden jeweils zwei Emissionsbereiche E1, E2 und zwei Detektionsspektralbereiche D1, D2 gezeigt. Die Bereiche sind als Funktion der Wellenlänge λ aufgetragen.There are two emission areas each E1 . E2 and two detection spectral ranges D1 . D2 shown. The ranges are plotted as a function of the wavelength λ.

Im in 3a gezeigten Beispiel sind sowohl der erste Emissionsbereich E1 und der zweite Emissionsbereich E2 breitbandiger als der erste Detektionsspektralbereich D1 und der zweite Detektionsspektralbereich D2. Sowohl der erste Detektionsspektralbereich D1 als auch der zweite Detektionsspektralbereich D2 ist jeweils vollständig in dem ersten Emissionsbereich E1 und in dem zweiten Emissionsbereich E2 enthalten.In in 3a The example shown are both the first emission range E1 and the second emission area E2 broadband than the first detection spectral range D1 and the second detection spectral range D2 , Both the first detection spectral range D1 as well as the second detection spectral range D2 is always completely in the first emission range E1 and in the second emission range E2 contain.

In 3b wird eine andere mögliche Konstellation gezeigt. Sowohl der erste gezeigte Emissionsbereich E1 als auch der zweite Emissionsbereich E2 sind deutlich schmalbandiger als in 3a. Ein solcher schmalbandiger Emissionsbereich kann beispielsweise durch einen Laser, beispielsweise durch eine Laserdiode, erzielt werden. Der erste Detektionsspektralbereich D1 ist ebenfalls schmalbandiger als im 3a gezeigten Beispiel, liegt jedoch nur teilweise im ersten Emissionsbereich E1. Dies genügt für eine Detektion des Signals. Der erste Detektionsspektralbereich D1 ist hier in Bereichen sensitiv, die nicht vom ersten Emissionsbereich E1 abgedeckt werden. Dies steht einem erfindungsgemäßen Durchführen des Verfahrens jedoch nicht im Wege, solange kein Überlapp der Detektionsspektralbereiche D1 und D2 vorhanden ist. Der Emissionsbereich E2 ist ebenfalls schematisch als schmalbandig gezeigt, der Detektionsspektralbereich D2 ist breitbandiger und schließt den zweiten Emissionsbereich E2 vollständig ein.In 3b another possible constellation is shown. Both the first emission range shown E1 as well as the second emission area E2 are significantly narrower than in 3a , Such a narrow-band emission range can be achieved, for example, by a laser, for example by a laser diode. The first detection spectral range D1 is also narrower than in 3a shown example, but is only partially in the first emission range E1 , This is sufficient for detection of the signal. The first detection spectral range D1 is sensitive here in areas that are not from the first emission area E1 be covered. However, this does not stand in the way of carrying out the method according to the invention, as long as there is no overlap of the detection spectral ranges D1 and D2 is available. The emission area E2 is also shown schematically as a narrow band, the detection spectral range D2 is broadband and closes the second emission range E2 completely one.

In 3c wird eine weitere mögliche Gestaltung der Emissionsbereiche E1 und E2 und der Detektionsspektralbereiche D1, D2 gezeigt. Im gezeigten Beispiel der 3c sind die Emissionsbereiche E1 und E2 breitbandiger und überlappen sich sogar. Die Detektionsspektralbereiche D1 und D2 überlappen sich hingegen nicht und sind jeweils in dem Wellenlängenbereich angesiedelt, in denen sich die Emissionsbereiche E1 und E2 nicht überlappen. Somit ist es auch in der in 3C gezeigten Konstellation möglich, jedes Detektionssignal eindeutig einem Emissionsspektralbereich zuzuordnen.In 3c will be another possible design of the emission areas E1 and E2 and the detection spectral ranges D1 . D2 shown. In the example shown the 3c are the emission areas E1 and E2 broadband and even overlap. The detection spectral ranges D1 and D2 In contrast, they do not overlap and are each located in the wavelength range in which the emission ranges are located E1 and E2 do not overlap. So it is also in the 3C shown constellation possible to uniquely assign each detection signal to an emission spectral range.

Dies zeigt, dass Emissions- und Detektionsspektralbereiche nicht identisch sein müssen, so lange eine spektral getrennte Detektion der projizierten und durch das Objekt deformierten Streifenmuster erfolgen kann.This shows that the emission and detection spectral ranges do not have to be identical as long as spectrally separated detection of the projected and deformed stripe patterns can take place.

4 zeigt eine Vorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele. 4 shows a device according to various embodiments.

Die Vorrichtung umfasst eine Projektionseinrichtung 41, die eingerichtet ist, ein erstes Streifenmuster in einem ersten Emissionsspektralbereich und ein zweites Streifenmuster in einem zweiten Emissionsspektralbereich gleichzeitig auf ein Objekt 42 zu projizieren. Bei dem ersten Streifenmuster kann es sich beispielsweise um das erste Streifenmuster 21 der 2, bei dem zweiten Streifenmuster beispielsweise um das zweite Streifenmuster 22 der 2 handeln, aber auch andere Streifenmuster und Streifenmusterkombinationen sind möglich. Bei den Emissionsspektralbereichen kann es sich um die in den 3a bis 3c gezeigten ersten Emissionsspektralbereich E1 und zweiten Emissionsspektralbereich E2 handeln. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Detektionseinrichtung 43. Bei der Detektionseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Multispektralkamera handeln. Die Detektionseinrichtung ist zur räumlich spektral getrennten Detektion von Objektlicht, das von dem Objekt 42 als Antwort auf das projizierte Licht ausgeht, eingerichtet. Hierbei erfolgt die Detektion in einem ersten Detektionsspektralbereich D1 und einem zweiten Detektionsspektralbereich D2. Wie im Zusammenhang mit 3a bis 3c erläutert, umfasst der erste Detektionsspektralbereich D1 zumindest einen Teil des ersten Emissionsspektralbereichs E1 und den zweiten Emissionsspektralbereich E2 nicht. Bei dem zweiten Detektionsspektralbereich D2 verhält es sich umgekehrt: Der zweite Detektionsspektralbereich D2 umfasst zumindest einen Teil des zweiten Emissionsspektralbereichs E2 und umfasst den ersten Emissionsspektralbereich E1 nicht. Hierdurch kann spektral getrennt und ortsaufgelöst ein erstes und ein zweites Bild detektiert werden.The device comprises a projection device 41 , which is set up, a first stripe pattern in a first emission spectral range and a second stripe pattern in a second emission spectral range simultaneously on an object 42 to project. The first stripe pattern can be, for example, the first stripe pattern 21 the 2 , in the second stripe pattern, for example, around the second stripe pattern 22 the 2 act, but other stripe patterns and stripe pattern combinations are also possible. The emission spectral ranges can be those in the 3a to 3c shown first emission spectral range E1 and second emission spectral range E2 act. The device further comprises a detection device 43 , The detection device can be a multispectral camera, for example. The detection device is for the spatially spectrally separated detection of object light from the object 42 in response to the projected light. The detection takes place in a first detection spectral range D1 and a second detection spectral range D2 , As related to 3a to 3c explained, the first detection spectral range D1 at least part of the first emission spectral range E1 and the second emission spectral range E2 Not. In the second detection spectral range D2 the opposite is true: the second detection spectral range D2 comprises at least part of the second emission spectral range E2 and includes the first emission spectral range E1 Not. In this way, a first and a second image can be detected spectrally separated and spatially resolved.

In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine Auswerteeinrichtung 44, wobei die Auswerteeinrichtung 44 eingerichtet ist, die Form des Objekts 42 basierend auf einem Signal der Detektionseinrichtung 43 zu bestimmen. Dies wird nachfolgend im Zusammenhang mit 5 näher erläutert.In some exemplary embodiments, the device additionally comprises an evaluation device 44 , the evaluation device 44 is set up the shape of the object 42 based on a signal from the detection device 43 to determine. This is related below 5 explained in more detail.

5 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele. 5 shows a flowchart to illustrate a method according to various embodiments.

Bei 51 erfolgt ein Projizieren von erstem und zweitem Streifenmuster auf dem Objekt. Bei dem ersten und zweiten Streifenmuster kann sich um die im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Streifenmuster handeln. Die Projektion kann beispielsweise von einem Projektor 41 der 4 durchgeführt werden. Das Objekt kann ein beliebig geformtes Objekt sein, wie beispielsweise das Objekt 42 in der 4.at 51 the first and second stripe patterns are projected onto the object. The first and second stripe patterns may be related to 2 act strip pattern described. The projection can, for example, from a projector 41 the 4 be performed. The object can be any shaped object, such as the object 42 in the 4 ,

Bei 52 erfolgt ein spektral getrenntes Detektieren von erstem und zweitem Bild. Erstes und zweites Bild können beispielsweise von der Detektionseinrichtung 43 erfasst werden. Die Detektionseinrichtung 43 kann beispielsweise eine Multispektralkamera sein oder alternative Ausführungsformen haben, wie zuvor und nachfolgend beschrieben. Die Schritte 51 und 52 entsprechen den Schritten 11 und 12 der 1.at 52 there is a spectrally separated detection of the first and second image. The first and second image can, for example, from the detection device 43 be recorded. The detection device 43 can be, for example, a multispectral camera or have alternative embodiments, as described above and below. The steps 51 and 52 correspond to the steps 11 and 12 the 1 ,

Bei 53 erfolgt das Bestimmen der Form des Objekts 42 in (4) basierend auf dem ersten und zweiten Bild der Detektionseinrichtung. Schritt 53 kann beispielsweise in der Auswerteeinrichtung 44 durchgeführt werden. Wie schematisch in 4 angedeutet und zuvor beschrieben kann die Auswerteeinrichtung 44 auch räumlich getrennt von der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise als ein Cloud Computing System.at 53 the shape of the object is determined 42 in ( 4 ) based on the first and second image of the detection device. step 53 can, for example, in the evaluation device 44 be performed. As schematically in 4 The evaluation device can be indicated and described above 44 also be spatially separate from the device according to the invention, for example as a cloud computing system.

Eine Möglichkeit der Auswertung wird unter Bezugnahme auf 6 nachfolgend erläutert.One way of evaluating is with reference to 6 explained below.

6 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele. 6 shows a flowchart to illustrate a method according to various embodiments.

Bei 61 erfolgt ein Projizieren von ersten und zweiten Streifenmustern auf das Objekt wie zuvor im Zusammenhang bei 51 und bei 11 beschrieben. Bei 62 erfolgt ein spektral getrenntes Detektieren von erstem und zweitem Bild wie zuvor bei 52 und bei 12 beschrieben. Bei 63 erfolgt ein Bestimmen erster lokaler Phasendifferenzen des ersten deformierten Streifenmusters, beispielsweise des ersten deformierten Streifenmusters 26 der 2 zu dem ersten Streifenmuster, beispielsweise dem ersten Streifenmuster 21 der 2 im ersten Bild. at 61 first and second stripe patterns are projected onto the object as previously in connection with 51 and at 11 described. at 62 there is a spectrally separated detection of the first and second image as before 52 and at 12 described. at 63 first local phase differences of the first deformed stripe pattern, for example of the first deformed stripe pattern, are determined 26 the 2 to the first stripe pattern, for example the first stripe pattern 21 the 2 in the first picture.

Die erste lokale Phasendifferenz kann also für jeden Bildpunkt des ersten Bildes basierend auf einem Vergleichen des projizierten Streifenmusters mit dem detektierten deformierten Streifenmusters ermittelt werden. Entsprechend erfolgt bei Schritt 64 ein Bestimmen von zweiten lokalen relativen Phasendifferenzen des zweiten deformierten Streifenmusters zu dem zweiten Streifenmuster im zweiten Bild. Das Bestimmen der lokalen Phasendifferenzen für die jeweiligen Bilder kann basierend auf dem Takeda und Mutoh-Verfahren, wie zuvor beschrieben, durchgeführt werden. Bei Schritt 65 erfolgt ein Bestimmen von absoluten lokalen Phasendifferenzen entweder des ersten deformierten Streifenmusters zu dem ersten Streifenmuster im ersten Bild und/oder des zweiten deformierten Streifenmusters zu dem zweiten Streifenmuster im zweiten Bild. In beiden Fällen erfolgt dieses Bestimmen der absoluten lokalen Phasendifferenzen basierend auf den ersten lokalen relativen Phasendifferenzen und den zweiten lokalen relativen Phasendifferenzen, wie zuvor beschrieben.The first local phase difference can therefore be determined for each pixel of the first image based on a comparison of the projected stripe pattern with the detected deformed stripe pattern. The same happens with step 64 determining second local relative phase differences of the second deformed stripe pattern to the second stripe pattern in the second image. The determination of the local phase differences for the respective images can be carried out based on the Takeda and Mutoh method, as previously described. At step 65 absolute local phase differences of either the first deformed stripe pattern to the first stripe pattern in the first image and / or the second deformed stripe pattern to the second stripe pattern in the second image are determined. In both cases, this determination of the absolute local phase differences is based on the first local relative phase differences and the second local relative phase differences, as previously described.

Durch die Kombination der verschiedenen lokalen Phasendifferenzen des ersten des zweiten Bildes kann es somit möglich sein, für ein Bild oder für beide Bilder die absoluten lokalen Phasendifferenzen zu ermitteln, welches für eine gewählte Tiefenauflösung, die durch die Gitterfrequenz vorgegeben werden kann, eine absolute Entfernungsbestimmung ermöglichen kann. Hierdurch kann es in Schritt 66 möglich sein, die Form des Objekts basierend auf dem ersten und zweiten Bild zu bestimmen. Zur Bestimmung der Form des Objekts basierend auf dem ersten und zweiten Bild können die bereits genannten Verfahren verwendet werden.By combining the different local phase differences of the first of the second image, it may thus be possible to determine the absolute local phase differences for one image or for both images, which enables an absolute distance determination for a selected depth resolution, which can be predetermined by the grating frequency can. This allows it to step in 66 be able to determine the shape of the object based on the first and second images. The methods already mentioned can be used to determine the shape of the object based on the first and second image.

Claims

A method for pattern projection, the method comprising: simultaneous projection (11, 51, 61) of a first pattern (21) in a first emission spectral range (E1) and a second pattern (22) in one second emission spectral range (E2) on an object (42), spectrally separated detection (12, 52, 62) of a first image (25) of a first deformed pattern (26) in a first detection spectral range (D1) and a second image (27) one second deformed pattern (28) in a second detection spectral range (D2) based on object light, the object light originating from the object (42) in response to the projection, the first detection spectral range (D1) at least part of the first emission spectral range (E1) and does not include the second emission spectral range (E2) and wherein the second detection spectral range (D2) comprises at least part of the second emission spectral range (E2) and does not include the first emission spectral range (E1).

Procedure according to Claim 1 The method further comprises: determining a shape (53, 66) of the object (42) based on the first and second images.

Procedure according to Claim 2 , the shape of the object (42) being determined spatially closed.

Method according to one of the preceding claims, wherein the first pattern is a first stripe pattern and the second pattern is a second stripe pattern.

Procedure according to Claim 4 , wherein the first stripe pattern (21) has a first frequency and the second stripe pattern (22) has a second frequency, the first and the second frequency being different.

Procedure according to Claim 5 The method further comprises: determining first local relative phase differences of the first deformed stripe pattern (26) to the first stripe pattern (21) in the first image (25) and determining second local relative phase differences of the second deformed stripe pattern (28) to the second Stripe pattern (22) in the second image (27). Determining absolute local phase differences of the first deformed stripe pattern (26) to the first stripe pattern (21) in the first image (21) and / or the second deformed stripe pattern (28) to the second stripe pattern (22) in the second image (27) based on the first local relative phase differences and the second local relative phase differences.

Method according to one of the preceding claims, the method being carried out accordingly for one or more further patterns with assigned one or more emission spectral ranges and a corresponding number of one or more further detection spectral ranges and one or more further images being acquired.

Procedure according to Claim 7 , the method comprising projecting six stripe patterns, including the first and second patterns, three of the six stripe patterns each having a phase angle of 0 °, 120 ° and 240 ° to one another, and wherein the determination of the shape of the object (42) is further based on a Phase shift evaluation of the first and second image as well as the further images is based.

A pattern projection device, the device comprising: a projection device (41), the projection device (41) being set up to simultaneously project a first pattern (21) in a first emission spectral range (E1) and a second pattern (22) in a second emission spectral range (E2) towards the object (42) project, a detection device (43), the detection device being set up for spatially spectrally separated detection of object light emanating from the object (42) in response to the projection, in a first (D1) and a second (D2) detection spectral range, wherein the first detection spectral range (D1) comprises at least a part of the first emission spectral range (E1) and does not include the second emission spectral range (E2) and wherein the second detection spectral range (D2) comprises at least part of the second emission spectral range (E2) and does not include the first emission spectral range (E1).

Device after Claim 7 The device additionally comprises: an evaluation device (44), the evaluation device (44) being set up to determine the shape of the object (42) based on a signal from the detection device (43).

Device after Claim 9 or 10 , wherein the detection device (42) comprises a multispectral camera.

Device according to one of the Claims 9 to 11 , wherein the detection device (43) comprises a plurality of cameras and a spectral beam splitter.

Device according to one of the Claims 9 to 12 , wherein the detection device (43) comprises at least one chromatically dispersive component and the first and second detection spectral range (D1, D2) can each be detected in different partial areas of a sensor.

Device according to one of the Claims 10 - 12 , wherein the evaluation device (44) is set up to determine the shape of the object (42) in real time.

Device according to one of the Claims 10 - 14 , wherein the projection device (41) comprises a monochromatic light source and / or a multispectral projector.

Device according to one of the Claims 9 - 15 , wherein the device is set up, a method according to one of the Claims 1 - 8th perform.