DE102021110857A1

DE102021110857A1 - Optisches Messgerät

Info

Publication number: DE102021110857A1
Application number: DE102021110857.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Hofmann; Rüdiger Klein
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2022-11-03

Abstract

Optisches Messgerät (10) mit einem Lasermodul (14), einem optischen Detektor (18), einer Auswerteeinheit (20) und einem Temperaturregler (26). Das Lasermodul (14) ist dazu eingerichtet, ein Lasermuster (16) auf ein Messobjekt (12) zu projizieren. Der optische Detektor (18) ist dazu eingerichtet, das projizierte Lasermuster (16) zu erfassen. Das Auswerteeinheit (20) ist dazu eingerichtet, das von dem optischen Detektor (18) erfasste Lasermuster (16) auszuwerten und basierend darauf räumliche Positionskoordinaten des Messobjekts (12) zu bestimmen. Der Temperaturregler (26) ist dazu eingerichtet, eine Temperatur zumindest eines Teils des Lasermoduls (14) auf eine vordefinierte Soll-Temperatur zu regeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Messgerät mit einem Lasermodul, einem optischen Detektor und einer Auswerteeinheit. Das Lasermodul ist dazu eingerichtet, ein Lasermuster auf ein Messobjekt zu projizieren. Der optische Detektor ist dazu eingerichtet, das Lasermuster zu erfassen. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, das von dem optischen Detektor erfasste Lasermuster auszuwerten und basierend darauf räumliche Positionskoordinaten des Messobjekts zu bestimmen.
Bei dem Messgerät gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Vorrichtung zum dimensionellen Messen eines beliebigen Messobjekts.
Bei einer Messung wird ein Lasermuster auf das Messobjekt projiziert, das vorzugsweise mindestens drei Laserlinien aufweist. Die räumlichen Positionskoordinaten des Messobjekts werden durch Analyse einer Position, Lage und/oder Form des von dem optischen Detektor erfassten Lasermusters bestimmt. Dieses Messprinzip wird auch als Laser-Triangulation oder optische Abstandsmessung durch Winkelmessung bezeichnet. Als optischer Detektor wird dabei meist eine Kamera eingesetzt, die das auf das Messobjekt projizierte Lasermuster aufnimmt. Wenn man die gegenseitige (relative) Lage des Lasermoduls und der Kamera kennt, lässt sich das in die Kamera abgebildete Lasermuster mit der bekannten Ausrichtung des Lasermusters von dem Lasermodul zum Schnitt bringen und so die dreidimensionellen Positionskoordinaten des Messobjekts mittels Triangulation berechnen.
Dimensionelle Messgeräte wie das das vorliegende optische Messgerät werden häufig auch allgemein als Koordinatenmessgeräte bezeichnet. Der Begriff „Koordinatenmessgerät“ bezieht sich dabei nicht nur auf kartesische Koordinatenmessgeräte in konventioneller Bauweise, sondern auf jegliche Arten von dimensionellen Messgeräten oder Messsystemen, die sich unabhängig von dem zugrunde liegenden Messprinzip zum dimensionellen Messen, also zum Erfassen der dreidimensionalen Position und Lage (Pose) eines Messobjekts eignen.
Koordinatenmessgeräte bzw. dimensionelle Messgeräte dienen dazu, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung, Werkstücke zu überprüfen oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sogenannten „Reverse Engineering“ zu ermitteln. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar, wie z.B. auch prozesssteuernde Anwendungen, bei denen die Messtechnik direkt zur Online-Überwachung und -Regelung von Fertigungs- und Bearbeitungsprozessen angewendet wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft, wie bereits erwähnt, ein optisches Messgerät. Das erfindungsgemäße optische Messgerät basiert auf dem Messprinzip der Laser-Triangulation, bei dem ein Lasermuster auf die Oberfläche des Messobjekts projiziert wird. Mithilfe des genannten Triangulationsprinzips lassen sich letztendlich Tiefeninformationen im Kamerabild ermitteln, die die Objektgeometrie beschreiben. Die Aufnahme der Intensitätswerte des von der Oberfläche reflektierten Laserlichts durch den optischen Detektor erzeugt bei heutigen Lasermesssystemen z.B. in 16-Bit-Graustufen auf einem Fotochip. Hierbei kann beispielsweise ein sogenannter Peak-Finder-Algorithmus spaltenweise für das auf dem Fotochip abgebildete Bild angewendet werden, um aus der Intensitätsverteilung einen Peak pro Spalte zu ermitteln. Durch die Kalibrierung und Einmessung des optischen Detektors werden die ermittelten Peaks verrechnet, um die die Geometrie des Messobjekts zu ermitteln. Im Ergebnis erhält man beispielsweise ein Abbild der zu vermessenden Objektoberfläche, das einem Schwarzweißfoto ähnlich sein kann.
Die mit diesem Messprinzip erreichbare Messgenauigkeit wird wesentlich durch die mechanische Stabilität der einzelnen Komponenten des Messgeräts bestimmt. Jede Veränderung der Relativposition und -lage zwischen Lasermodul und optischem Detektor führt zu Messungenauigkeiten. Entsprechend wichtig ist es für eine hochgenaue Ausbildung des Messgerätes, dass derartige Positions- und Lageveränderungen so gering wie möglich sind.
Veränderungen der Umgebungstemperatur und die daraus resultierenden Längenveränderungen der Komponenten des Messgerätes sind ebenfalls wesentliche Einflussfaktoren, die sich negativ auf die Messgenauigkeit auswirken. Gleiches gilt auch für die Eigenerwärmung der Komponenten. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, dass Temperaturschwankungen am Lasermodul dazu führen, dass das von dem Lasermodul erzeugte Lasermuster seine Form unerwünscht verändert, woraus wiederum Messungenauigkeiten resultieren. Wird beispielsweise eine Laserdiode zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet und diese erwärmt, ändert sich die Wellenlänge im Bereich von 0,25-0,3 nm/K.
Um aus einem Laserstrahl Laserlinien zu erzeugen, kann ein diffraktives optisches Element (DOE) verwendet werden. Es zeigt den Laserstrahl in der gewünschten Form auf. Zusätzlich lässt sich der Aufbau noch um eine Fokussierlinie erweitern. Anschließend erhält man das gewünschte Lasermuster fokussiert auf einen festgelegten Arbeitsabstand mit einer festen Distanz zwischen den einzelnen Elementen des Lasermusters, je nach Aufbau des DOE.
Die Wellenlänge des Laserstrahls ist dabei ein Parameter, der in den Aufbau des DOE und der Fokussierlinie eingeht. Eine Veränderung der Wellenlänge hat damit eine Veränderung der Position und/oder Lage des erzeugten Lasermusters zur Folge. Dementsprechend ändert sich das Lasermuster, wenn sich die Temperatur des Lasermoduls ändert.
In der DE 10 2018 114 725 A1 versuchte man diesen Effekt des Temperaturdrifts einer Laserlinie durch optische Kalibrierung, die im Vorfeld einer Messung durchgeführt wird, auszugleichen. Durch die Kalibrierung wird es möglich, temperaturbedingte Asymmetrien des Lasermusters im Vorfeld zu bestimmen und bei einer Messung rechnerisch auszugleichen.
Wenngleich dieses Kalibrierverfahren von großem Vorteil ist, wären dennoch weitere oder alternative Maßnahmen zum Ausgleich oder zumindest zur Kompensation der o.g. temperaturbedingten Messungenauigkeiten von Vorteil.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Messgerät bereitzustellen, bei dem sich die temperaturbedingten Messungenauigkeiten noch besser kompensieren oder vorzugsweise ganz ausräumen lassen.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Messgerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass dieses einen Temperaturregler aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Temperatur zumindest eines Teils des Lasermoduls auf eine vordefinierte Soll-Temperatur zu regeln.
Der Temperaturregler regelt insbesondere die Temperatur der optischen Elemente des Lasermoduls auf die vordefinierte Soll-Temperatur. Grundsätzlich lässt sich aber die Temperatur des gesamten Lasermoduls auf die vordefinierte Soll-Temperatur regeln.
Durch die Temperaturregelung wird es möglich, Temperaturschwankungen des Lasermoduls, die beispielsweise aus Temperaturschwankungen der Umgebungstemperatur resultieren, zu unterdrücken.
Durch die Temperaturregelung wird die Temperatur des Lasermoduls in einem konstanten Temperaturwert oder zumindest in einem konstanten Temperaturbereich gehalten. Dementsprechend werden auch die Temperaturveränderungen des Lasermusters im Messvolumen auf einem bekannten, konstanten Wert oder zumindest in einem konstanten, bekannten Wertbereich gehalten. Die Messgenauigkeit wird dadurch erheblich verbessert.
Bei dem Lasermuster kann es sich um ein komplexes oder ein ganz einfaches Muster handeln. Beispielsweise weist das Lasermuster mindestens eine Laserlinie auf. Das Lasermuster kann auch mehrere Laserlinien bzw. -streifen aufweisen.
Mithilfe des Temperaturreglers kann ein Teil des Lasermoduls oder das gesamte Lasermodul auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt oder gekühlt werden. Dazu wird vorzugsweise die aktuell vorhandene Temperatur (Ist-Temperatur) gemessen und mit einer gewünschten Temperatur (Soll-Temperatur) verglichen. Anschließend versucht der Temperaturregler die Differenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur durch Heizen und/oder Kühlen zu verkleinern. Dieser Prozess läuft vorzugsweise kontinuierlich, bis die Soll-Temperatur erreicht ist. Der Temperaturregler ist dazu eingerichtet, diese Soll-Temperatur anschließend zu halten.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Temperaturregler ein Heizelement auf, das dazu eingerichtet ist, den zumindest einen Teil des Lasermoduls auf die vordefinierte Soll-Temperatur aufzuheizen.
Die Soll-Temperatur liegt gemäß dieser Ausgestaltung vorzugsweise oberhalb der Umgebungstemperatur und der Betriebstemperatur des Lasermoduls. Es erscheint zunächst einmal überraschend, das Lasermodul aufzuheizen, da sich ein Aufheizen des Lasermoduls grundsätzlich negativ auf dessen Lebensdauer auswirkt. Daher wäre dem ersten Anschein nach ein Kühlen des Lasermoduls naheliegender als ein Aufheizen dessen. Heizelemente lassen sich jedoch wesentlich kostengünstiger und platzsparender realisieren als Kühlaggregate. Sofern die Soll-Temperatur nicht allzu hoch gewählt wird, ist eine derartige Ausgestaltung mit einem Heizelement dementsprechend von großem Vorteil.
Der Temperaturregler kann aktive und passive Komponenten aufweisen. Weist der Temperaturregler beispielsweise „nur“ ein Heizelement, aber kein aktives Kühlelement auf, lässt sich eine passive Kühlung einsetzen. Der Temperaturregler kann in einem solchen Fall dazu eingerichtet sein, das Heizelement abzuschalten, wenn die Ist-Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls oberhalb der Soll-Temperatur ist, und das Heizelement erst dann wieder zu aktivieren, wenn die Ist-Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls wieder niedriger als die Soll-Temperatur ist.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Temperaturregler einen ersten Temperatursensor auf, der dazu eingerichtet ist, eine erste Temperatur an dem Lasermodul zu messen, auf Basis derer der Temperaturregler die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls regelt.
Diese erste Temperatur wird vorzugsweise direkt an dem Lasermodul gemessen und als Ist-Wert der Temperatur für die Regelung verwendet. Die Regelung erfolgt vorzugsweise auf Basis einer Differenz zwischen der Soll-Temperatur und der ersten Temperatur, die von dem ersten Temperatursensor gemessen wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Temperaturregler einen zweiten Temperatursensor auf, der dazu eingerichtet ist, eine zweite Temperatur beabstandet von dem Lasermodul zu messen, auf Basis derer der Temperaturregler die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls regelt.
Der von dem Lasermodul beabstandet angeordnete, zweite Temperatursensor misst beispielsweise eine Umgebungstemperatur in der Umgebung des Lasermoduls. Dies hat den Vorteil, dass in der Regelungslogik des Temperaturreglers einprogrammiert sein kann, dass die Soll-Temperatur stets oberhalb der zweiten Temperatur (Umgebungstemperatur) liegt. Die Soll-Temperatur lässt sich somit beispielsweise den Gegebenheiten der Umgebung anpassen. Insbesondere ist es damit möglich, die Soll-Temperatur möglichst nur wenige Kelvin über der Umgebungstemperatur zu wählen, um die Lebensdauer des Lasermoduls so gering wie möglich zu beeinträchtigen.
Beispielsweise kann die Soll-Temperatur maximal 20 Kelvin höher als die zweite Temperatur gewählt werden. Besonders bevorzugt wird die Soll-Temperatur maximal 10 oder sogar maximal nur 5 Kelvin höher als die zweite Temperatur gewählt. Es genügt also mit anderen Worten schon ein relativ geringes zusätzliches Aufheizen des Lasermoduls, um dessen Temperatur zur Verbesserung der Messgenauigkeit auf einem stabilen Niveau zu halten, andererseits dessen Funktion und Lebensdauer jedoch nicht allzu stark zu beeinträchtigen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das optische Messgerät ein Gehäuse auf, in dem zumindest Teile des Lasermoduls, des optischen Detektors und des Temperaturreglers im Gehäuse angeordnet sind.
Die genannten Komponenten des optischen Messgeräts sind gemäß dieser Ausgestaltung zumindest zu Teilen, vorzugsweise vollständig in ein und demselben Gehäuse angeordnet. Dies hat nicht nur den Vorteil einer platzsparenden Ausgestaltung, sondern ermöglicht auch eine möglichst starre Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten, um Messungenauigkeiten durch temperaturbedingte Änderungen der Relativposition und -lage der einzelnen Komponenten zu minimieren. Temperaturschwankungen wirken damit auch möglichst gleichmäßig auf alle Komponenten des Messgerätes.
Der oben erwähnte zweite Temperatursensor, der eine Umgebungstemperatur als zweite Temperatur misst, kann entweder in dem Gehäuse oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
In dem ersten Fall handelt es sich bei der von dem zweiten Temperatursensor gemessenen zweiten Temperatur um die Umgebungstemperatur des Lasermoduls innerhalb des Gehäuses. In dem zweiten Fall handelt es sich bei der von dem zweiten Temperatursensor gemessenen zweiten Temperatur um die Umgebungstemperatur außerhalb des Gehäuses, also um die Umgebungstemperatur des optischen Messgerätes.
Die von dem zweiten Temperatursensor gemessene zweite Temperatur kann innerhalb des Temperaturreglers als Fehlererkennung eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Temperaturregler damit überprüfen, ob die Ist- und/oder Soll-Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur innerhalb des Gehäuses und/oder der Umgebungstemperatur außerhalb des Gehäuses gewählt ist. Ebenso kann eine Fehlerüberprüfung stattfinden, indem überprüft wird, ob die an dem Lasermodul gemessene Ist-Temperatur (erste Temperatur) unterhalb der zweiten Temperatur liegt, was bei der Verwendung eines ausschließlichen Heizelements nicht möglich wäre. Dies würde in diesem Fall also auf einen Fehler hinweisen.
Ebenso ist es auch möglich, die Umgebungstemperatur sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gehäuses zu messen. In einer solchen Ausgestaltung weist der Temperaturregler nicht nur einen zweiten Temperatursensor in dem Gehäuse auf, sondern auch einen dritten Temperatursensor, der dazu eingerichtet ist, eine dritte Temperatur außerhalb des Gehäuses zu messen, wobei der Temperaturregler die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls auf Basis der ersten Temperatur, der zweiten Temperatur und der dritten Temperatur regelt.
Beispielsweise kann der Temperaturregler dazu eingerichtet sein, die Temperatur des Lasermoduls auf Basis einer Differenz der vordefinierten Soll-Temperatur und der ersten Temperatur (Ist-Temperatur des Lasermoduls) zu regeln, wobei die Regelungslogik des Temperaturreglers ferner die Bedingung aufweist, dass die Soll-Temperatur sowohl größer als die zweite Temperatur als auch größer als die dritte Temperatur ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Temperaturregler dazu eingerichtet sein, die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls auf eine erste Soll-Temperatur zu regeln, wenn sich die zweite Temperatur, die beabstandet von dem Lasermodul innerhalb oder außerhalb des Gehäuses gemessen wird, in einem ersten Temperaturbereich befindet, und die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls auf eine zweite Soll-Temperatur zu regeln, wenn sich die zweite Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich befindet.
Gemäß dieser Ausgestaltung können zwei oder sogar mehr Temperaturstufen für die Soll-Temperatur festgelegt werden. Zwischen diesen Stufen kann der Temperaturregler dann, abhängig von der Umgebungstemperatur, selbständig wechseln. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Soll-Temperatur in jedem Fall nur sehr geringfügig über der Umgebungstemperatur gewählt wird und damit die Lebensdauer des Lasermoduls kaum beeinträchtigt wird.
Bei der Vorgabe mehrerer Soll-Temperatur-Stufen gemäß der zuvor erwähnten Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass der Temperaturregler die jeweils gewählte Soll-Temperatur (erste oder zweite Soll-Temperatur) der Auswerteeinheit meldet, damit diese die Bestimmung der räumlichen Positionskoordinaten des Messobjekts entsprechend anpassen kann. Beispielsweise kann diese Anpassung auf Basis einer Kalibrierung erfolgen, die zuvor für die beiden Soll-Temperatur-Stufen durchgeführt wurde.
Wie bereits erwähnt, weist das Lasermodul vorzugsweise einen Diodenlaser und ein DOE auf. Das erfindungsgemäße Vorsehen eines Temperaturreglers ist insbesondere in Bezug auf ein derartiges Lasermodul von Vorteil, da die temperaturbedingte Änderung der von derartigen Lasermodulen erzeugten Lasermuster relativ stark ausgeprägt ist. Dies liegt u.a. daran, dass sich die Wellenlänge des Lasers in Abhängigkeit der Temperatur ändert und diese Wellenlänge in den Aufbau des DOE eingeht.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen weist der optische Detektor vorzugsweise zumindest eine Kamera auf.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Messgerät eine Speichereinheit, eine Recheneinheit und eine Ausgabeeinheit auf. Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet, eine Lebensdauer des Lasermoduls in Abhängigkeit von zumindest einem Umgebungs- oder Betriebsparameter des Lasermoduls zu berechnen und eine Betriebsdauer des Lasermoduls zu erfassen und in der Speichereinheit zu speichern. Die Ausgabeeinheit ist dazu eingerichtet, eine prognostizierte verbleibende Betriebsdauer auszugeben, die sich aus einer Differenz der berechneten Lebensdauer und der gespeicherten Betriebsdauer ergibt, und/oder ein Signal auszugeben, wenn die prognostizierte verbleibende Betriebsdauer einen Schwellwert unterschreitet.
Aufgrund der erwähnten Verkürzung der Lebensdauer, die sich durch ein zusätzliches Aufheizen des Lasermoduls ergibt, ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, die Lebensdauer und damit eine prognostizierte verbleibende Betriebsdauer zu berechnen. Auf diese Weise kann die prognostizierte verbleibende Betriebsdauer mithilfe der Ausgabeeinheit für den Nutzer ausgegeben werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Nutzer des Messgeräts gewarnt werden, wenn die prognostizierte verbleibende Betriebsdauer einen Schwellwert unterschreitet. Damit lassen sich spezifische Wartungsintervalle zur Wartung oder zum Austausch des Lasermoduls oder des gesamten Messgeräts realisieren.
Der zumindest eine Umgebungs- oder Betriebsparameter des Lasermoduls umfasst vorzugsweise die erste Temperatur. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Lebensdauer in Abhängigkeit der am Lasermodul gemessenen ersten Temperatur (Ist-Temperatur) bestimmt wird. Beispielsweise erfolgt dies mithilfe der Arrhenius-Gleichung, was weiter unten noch näher erläutert wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Messgerät ferner eine Messeinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Intensität des von dem Lasermodul ausgestrahlten Lichts zu messen, und wobei der zumindest eine Umgebungs- oder Betriebsparameter des Lasermoduls die Intensität des Lichts umfasst.
Diese Messeinrichtung kann Teil des optischen Detektors sein oder in den optischen Detektor integriert sein. Durch Messen der Lichtintensität des Lasermoduls lässt sich die Berechnung der Lebensdauer präzisieren. Zumindest kann die Lebensdauer-Berechnung und/oder die Berechnung der prognostizierten verbleibenden Betriebsdauer basierend auf der Lichtintensitätsmessung überprüft werden.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen optischen Messgeräts ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen sowie der zugehörigen Beschreibung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messgeräts;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messgeräts; und
3 ein schematisches Temperatur-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung eines technischen Effekts der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Messgeräts schematisch dargestellt. Das Messgerät ist darin in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.
Das optische Messgerät 10 dient zur Bestimmung räumlicher Positionskoordinaten eines Messobjekts 12. Mit Hilfe des Messgeräts 10 lässt sich die Oberfläche des Messobjekts 12 optisch abtasten und damit dessen Form, Größe, Position und Lage erfassen. Bei dem Messobjekt 12 kann es sich um ein beliebiges Messobjekt, beispielsweise um ein Fahrzeugkarosserie-Bauteil, handeln.
Das messtechnische Prinzip, das einer Messung des Messgeräts 10 zugrunde liegt, beruht auf dem allgemein bekannten Prinzip der Triangulation. Mit Hilfe eines Lasermoduls 14 wird ein Lasermuster 16 auf das Messobjekt 12 projiziert.
Bei diesem Lasermuster 16 kann es sich grundsätzlich um ein Lasermuster mit beliebiger Form handeln. Im vorliegend gezeigten Fall weist das Lasermuster 16 mehrere Laserlinien auf, die parallel beabstandet zueinander ausgerichtet sind. Vorzugsweise werden mindestens drei solcher Laserlinien auf das Messobjekt 12 projiziert.
Bei dem Lasermodul 14 handelt es sich vorzugsweise um einen Diodenlaser. Das Lasermuster 16 wird mit Hilfe eines diffraktiven optischen Elements (DOE) erzeugt. Es teilt den Laserstrahl in der gewünschten Form auf. Zusätzlich lässt sich der Aufbau noch um eine Fokussierlinse erweitern. Dadurch erhält man das gewünschte Lasermuster fokussiert auf einen festgelegten Arbeitsabstand mit einer festen Distanz zwischen den Laserlinien (oder anderen Mustern) je nach DOE-Aufbau.
Das projizierte Lasermuster 16 wird mit Hilfe eines optischen Detektors 18 erfasst. Der optische Detektor 18 umfasst vorzugsweise eine Kamera, deren Optik auf das Lasermuster 16 ausgerichtet ist.
Das Ausgangssignal des optischen Detektors 18 wird innerhalb einer Auswerteeinheit 20 ausgewertet. Diese Auswerteeinheit 20 ist dazu eingerichtet, basierend auf dem Ausgangssignal des optischen Detektors 18 räumliche Positionskoordinaten des Messobjekts 12 zu berechnen. Das Berechnungsverfahren basiert vorzugsweise auf dem Prinzip der Triangulation bzw. der Streifenprojektionstechnik. Hierzu sollte die relative Ausrichtung des optischen Detektors 18 zu dem Lasermodul 14 bekannt sein. Wenn man die gegenseitige Lage des Lasermoduls 14 und des optischen Detektors 18 kennt, kann man die - in dem Detektor 18 - abgebildeten Punkte entlang eines Streifens mit der bekannten Ausrichtung des Streifens von dem Lasermodul 14 zum Schnitt bringen und so die dreidimensionalen Koordinaten des Messobjekts 12 mittels Triangulation berechnen.
Bei der Auswerteeinheit handelt es sich in dem vorliegenden Fall um eine extern angeordnete Recheneinheit, z.B. ein PC oder ein Cloud-Server, der über Signalleitungen 22 mit dem Lasermodul 14, dem optischen Detektor 18 und den übrigen Komponenten des optischen Messgeräts 10 verbunden ist. Diese Signalleitungen 22 können fest verdrahtet oder drahtlos ausgebildet sein.
Es ist ebenso möglich, die Auswerteeinheit 20 in dem Gehäuse 24 anzuordnen, in dem auch die übrigen Komponenten des Messgeräts angeordnet sind. In einem solchen Fall weist die Auswerteeinheit 20 vorzugsweise einen Mikroprozessor auf.
Das Messgerät 10 weist ferner einen Temperaturregler 26 auf. Der Temperaturregler 26 ist dazu ausgestaltet, eine Temperatur zumindest eines Teils des Lasermoduls 14 auf eine vordefinierte Soll-Temperatur zu regeln.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Temperaturregler 26 eine elektronische Regeleinheit 28, ein als Heizelement 30 ausgebildetes Stellglied sowie einen ersten Temperatursensor 32. Das Heizelement 30 umfasst beispielsweise einen Heizdraht oder eine Heizfolie. Der erste Temperatursensor 32 ist dazu ausgebildet, eine erste Temperatur an dem Lasermodul 14 zu messen, auf Basis derer der Temperaturregler 26 die Temperatur des Lasermoduls 14 regelt. In der elektronischen Regeleinheit 28 ist eine Regelungslogik gespeichert, die dazu eingerichtet ist, das Lasermodul 14 mit Hilfe des Heizelements 30 derart aufzuheizen, dass sich die mit dem ersten Temperatursensor 32 gemessene Ist-Temperatur des Lasermoduls 14 einer vordefinierten Soll-Temperatur so gut wie möglich annähert.
Der Temperaturregler 26 kann aktive und passive Komponenten enthalten. Steht dem Temperaturregler 26, wie vorliegend gezeigt, nur ein Heizelement 30 zur Verfügung, aber keine aktive Kühlung, können die Störgrößen, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, als „passive Kühlung“ verwendet werden. Die elektronische Regeleinheit 28 ist in diesem Fall dazu ausgebildet, das Heizelement 30 zu aktivieren, wenn die mit dem ersten Sensor 32 gemessene Ist-Temperatur über der vordefinierten Soll-Temperatur liegt. Die Regeleinheit 28 aktiviert das Heizelement 30 erst dann wieder, wenn sich die mit dem ersten Sensor 32 gemessene Ist-Temperatur unterhalb der vorgegebenen Soll-Temperatur befindet.
Anstelle einer elektronischen Regeleinheit 28, die unmittelbar in den Temperaturregler 26 bzw. in das Gehäuse 24 integriert ist, kann auch die Auswerteeinheit 20 als Regel- bzw. Recheneinheit des Temperaturreglers 26 fungieren, in der die Regelungslogik abgespeichert ist.
Unabhängig davon, ob die Regeleinheit 28 in dem Gehäuse 24 oder außerhalb des Gehäuses 24 angeordnet ist, lässt sich über die in 1 gezeigte Ausführung mit nur einem Heizelement 30 ein sehr kompakter Temperaturregler 26 realisieren. Mit Hilfe dieses Temperaturreglers 26 lässt sich die Temperatur des Lasermoduls 14 auf einem gewünschten Niveau stabilisieren. Dies wirkt sich, wie eingangs bereits erwähnt, positiv auf die Messgenauigkeit des optischen Messgeräts 10 aus.
3 stellt diesen Effekt schematisch in einem Temperatur-Zeit-Diagramm dar. Darin ist schematisch der Verlauf der Umgebungstemperatur 34 des Messgeräts 10 über die Zeit angedeutet. Ferner ist mit 36 der Verlauf der Temperatur innerhalb des Gehäuses 24 angedeutet. Wie ersichtlich ist, ist dieser Temperaturverlauf 36 von dem Temperaturverlauf der Umgebungstemperatur 34 abhängig. Die Temperatur 36 innerhalb des Gehäuses 24 ist jedoch etwas höher angesiedelt als die Umgebungstemperatur 34, was einfach nachvollziehbar ist, da diese durch die Abwärme der Komponenten des Messgeräts 10 (des optischen Detektors 18 und des Lasermoduls 14) beeinflusst wird. Der mit 38 bezeichnete Temperaturverlauf zeigt eine Temperatur, die sich am Lasermodul 14 ergeben würde, wenn keine Temperaturregelung stattfindet. Es ist einfach zu erkennen, dass es in einem solchen Fall zu relativ starken Temperaturschwankungen am Lasermodul 14 kommt.
Durch Einsatz des Temperaturreglers 26 wird die Temperatur des Lasermoduls 14 auf eine im Idealfall konstante Soll-Temperatur 40 geregelt.
Das optische Messgerät 10 gemäß dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist grundsätzlich gleich aufgebaut wie das in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel. Hier weist der Temperaturregler 26 zusätzlich zu dem ersten Sensor 32 jedoch noch einen zweiten Temperatursensor 42 und einen dritten Temperatursensor 44 auf. Der zweite Temperatursensor 42 ist beabstandet zu dem Lasermodul 14, jedoch ebenfalls innerhalb des Gehäuses 24 angeordnet. Der zweite Temperatursensor 42 ist somit dazu eingerichtet, eine Temperatur innerhalb des Gehäuses 24 zu messen, die der in 3 schematisch gezeigten Temperatur 36 entspricht. Der dritte Temperatursensor 44 ist außerhalb des Gehäuses 42 angeordnet und dazu eingerichtet, eine dritte Temperatur zu messen, die der in 3 schematisch gezeigten Umgebungstemperatur 34 entspricht.
Mit Hilfe dieser beiden zusätzlichen Temperatursensoren 42, 44 lässt sich die Temperaturregelung des Temperaturreglers 26 zusätzlich verfeinern. Hierdurch lassen sich insbesondere typische Störgrößen kompensieren. Störgrößen können den Temperaturregler 26 zusätzlich beeinflussen. Beispielsweise kann eine in der Umgebung des Messgeräts 10 angeordnete zusätzliche Temperaturquelle Wärme produzieren, die dann die Umgebungstemperatur 34 und damit auch die Temperatur 36 innerhalb des Gehäuses 24 sowie letztendlich die Temperatur des Lasermoduls 14 beeinflusst.
In einer Ausführungsvariante ist es vorgesehen, dass der Temperaturregler 26 die Temperatur des Lasermoduls 14 auf Basis der vom ersten Sensor 32 gemessenen ersten Temperatur, der vom zweiten Sensor 42 gemessenen zweiten Temperatur und der von dem dritten Sensor 44 gemessenen dritten Temperatur regelt. In der Regelungslogik der Regeleinheit 28 kann beispielsweise hinterlegt sein, dass die vordefinierte Soll-Temperatur 40 höher als die von dem zweiten Temperatursensor 42 im Inneren des Gehäuses 24 gemessene zweite Temperatur ist. Die von dem dritten Temperatursensor 44 gemessene dritte Temperatur kann als Überprüfung dienen. Falls innerhalb des Temperaturreglers 26 lediglich ein Heizelement 30 eingesetzt wird, kann diese dritte Temperatur 34 beispielsweise nicht unterhalb der von dem ersten Temperatursensor 32 gemessenen ersten Temperatur angesiedelt sein.
Statt die Temperatur des Lasermoduls 14 auf eine konstante Soll-Temperatur 40 zu regeln, können auch mehrere Temperaturstufen für die Soll-Temperatur vorgegeben sein. Beispielsweise lässt sich die Soll-Temperatur 40 in Abhängigkeit von der von dem dritten Temperatursensor 44 gemessenen Umgebungstemperatur 34 ändern. Ebenso ließe sich die Soll-Temperatur 40 auch in Abhängigkeit von der von dem zweiten Temperatursensor 42 gemessenen zweiten Temperatur 36 ändern. Damit ist das System etwas aufwendiger und komplexer ausgestaltet. Im langfristigen Mittel ließe sich dadurch jedoch die Lasertemperatur geringer halten, da die Soll-Temperatur 40 in einem solchen Fall jeweils nur wenige Kelvin über der zweiten Temperatur 36 oder der Umgebungstemperatur 34 gewählt werden müsste. Dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer des Lasermoduls 14 aus.
Die in 2 schematisch gezeigte Ausführungsform weist des Weiteren eine Einheit zur Berechnung und Ausgabe einer prognostizierten Lebensdauer und/oder einer prognostizierten verbleibenden Betriebsdauer des Lasermoduls 14 auf. In dem vorliegend gezeigten Fall ist diese Einheit mit Hilfe eines Mikrochips 46 realisiert, der neben einer Recheneinheit 48 eine Speichereinheit 50 aufweist. Die Recheneinheit 48 ist dazu eingerichtet, eine Lebensdauer des Lasermoduls 14 in Abhängigkeit von zumindest einem Umgebungs- oder Betriebsparameter des Lasermoduls 14 zu berechnen/prognostizieren und eine Betriebsdauer des Lasermoduls 14 zu erfassen und in der Speichereinheit 50 zu speichern. Über eine Ausgabeeinheit 52, welche in diesem Fall durch das Display der Auswerteeinheit 20 realisiert ist, kann eine prognostizierende verbleibende Betriebsdauer ausgegeben werden, die sich aus der Differenz der berechneten/prognostizierten Lebensdauer und der gespeicherten Betriebsdauer ergibt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann über die Ausgabeeinheit 52 eine Meldung ausgegeben werden, wenn die prognostizierte verbleibende Betriebsdauer einen Schwellwert unterschreitet.
Der zumindest eine Umgebungs- oder Betriebsparameter des Lasermoduls 14, auf Basis dessen die Lebensdauer des Lasermoduls 14 prognostiziert wird, umfasst vorzugsweise die von dem ersten Sensor 32 gemessene Ist-Temperatur des Lasermoduls 14. Diese Berechnung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung: $t_{R e f e r e n z p u n k t} = A • e^{\frac{e_{A}}{k_{B} • T_{R e f}}}$
wobei t_{Referenzpunkt} die Zeit bis zum Ausfall des Lasermoduls 14 (beispielsweise in Stunden) in einem gewählten Temperaturreferenzpunkt T_Ref ist, A ein laserspezifischer Skalierungsfaktor ist, e_A die notwendige Aktivierungsenergie bezeichnet und k_B die Boltzmann-Konstante ist. Bei der Temperatur T_Ref handelt es sich um eine Referenztemperatur, bei der die Lebensdauer des Lasermoduls 14 berechnet werden soll, beispielsweise gemessen in Kelvin.
Durch die Lösung obiger Arrhenius-Gleichung erhält man einen annähernd linearen Verlauf zwischen der Zeit bis zum Ausfall und der Temperatur (meist im Bereich, dass sich die Lebensdauer des Lasermoduls 14 mit jeder Erhöhung um 10 Kelvin halbiert.
Ist die Lebensdauer des Lasermoduls 14 für eine Referenztemperatur T_Ref bekannt, kann darauf basierend die veränderte Lebensdauer für eine andere Temperatur berechnet werden: $t_{A r b e i t s p u n k t} = t_{R e f e r e n z p u n k t} e^{(\frac{e_{A}}{k_{B}} (\frac{1}{T_{A r b e i t s p u n k t}} - \frac{1}{T_{R e f e r e n z p u n k t}}))}$
Hierbei stellt t_Arbeitspunkt die Zeit bis zum Ausfall in dem gewählten Arbeitspunkt und T_{Arbeits-punkt} die Temperatur in dem Arbeitspunkt dar. Die Temperatur T_Arbeitspunkt ist der Wert, auf den der Temperaturregler 26 die Temperatur des Lasers 14 regelt. Für diesen Arbeitspunkt lassen sich auf diese Weise also die verbleibenden Betriebsstunden bis zum Ausfall (prognostizierte verbleibende Betriebsdauer) berechnen.
Für das Lasermodul 14 ist also beispielsweise eine Lebensdauer für eine Referenztemperatur T_Ref bekannt. Die mit dem ersten Sensor 32 gemessene Ist-Temperatur des Lasermoduls 14 wird periodisch erfasst und in der Speichereinheit 50 gespeichert. Ebenfalls werden die Schaltzyklen des Lasermoduls 14 sowie die Betriebsdauer des Lasermoduls 14 erfasst und in der Speichereinheit 50 abgespeichert. Auf Basis der gemessenen Ist-Temperatur des Lasermoduls 14 sowie der erfassten und abgespeicherten Betriebsdauer und den Schaltzyklen kann die verbleibende Lebensdauer des Lasermoduls in obiger Art und Weise berechnet bzw. prognostiziert werden. Da das Lasermodul 14 typischerweise die Komponente des Messgeräts 10 ist, welche die kürzeste Lebensdauer aufweist, lässt sich somit auch die Gesamtlebensdauer des Messgeräts 10 prognostizieren.
Neben der Temperatur haben weitere Betriebsparameter einen Einfluss auf die Lebensdauer des Lasermoduls 14, wie z.B. die Stromversorgung für die gewählte optische Leistung und die daraus resultierende Eigenerwärmung der Laserdiode durch die Verlustleistung, die Pulslänge, wenn der Laser nicht dauerhaft eingeschaltet betrieben wird, weitere laserspezifische Einflüsse, bedingt durch den Aufbau und das verwendete Material innerhalb des Lasermoduls 14, und/oder die Luftfeuchtigkeit. Diese weiteren Betriebsparameter lassen sich selbstverständlich ebenfalls in die Berechnung der prognostizierten verbleibenden Betriebsdauer des Lasermoduls 14 mit einbeziehen.
Variiert die Temperatur des Lasermoduls 14 über die Zeit, beispielsweise weil die Soll-Temperatur, wie oben erwähnt, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur 34 variiert wird, so lässt sich mit obiger Methode ebenfalls die verbleibende Betriebsdauer des Lasermoduls 14 prognostizieren. Dazu wird aus den erfassten Temperaturen ein Mittelwert gebildet und auf dieser Basis die Lebensdauerberechnung durchgeführt.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass diverse weitere Abwandlungen an dem Messgerät 10 möglich sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Berechnung der prognostizierten verbleibenden Betriebsdauer muss nicht zwangsläufig in einer Extraeinheit 46, wie sie in 2 beispielhaft gezeigt ist, implementiert sein. Ebenso kann die ohnehin verwendete Auswerteeinheit 20, die als externe oder interne in das Gerät 10 bzw. das Gehäuse 24 integrierte Einheit ausgestaltet ist, dazu verwendet werden. Des Weiteren können anstelle eines Displays 52 auch andere Ausgabeeinheiten verwendet werden, um dem Nutzer die prognostizierte verbleibende Betriebsdauer anzuzeigen oder diesen zu warnen, wenn die prognostizierte verbleibende Betriebsdauer einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Beispielsweise können auch akustische oder andere optische Signale erzeugt werden, um den Nutzer zu warnen, dass die prognostizierte verbleibende Betriebsdauer einen gewissen Wert unterschritten hat und ausgetauscht werden soll.
Anstelle einer Streifenprojektion ließen sich auch andere Lasermuster 16 zum Zwecke des dimensionellen Messens des Messobjekts 12 verwenden. Ebenso lassen sich anstelle nur einer Kamera auch mehrere Kameras oder eine ganz andere Art von optischem Sensor als Detektor 18 verwenden.
Zudem ist es ebenso denkbar, den Temperaturregler 26 nicht nur mit einem Heizelement 30, sondern auch mit einem Kühlaggregat auszugestalten. Grundsätzlich wäre es auch möglich, ein solches Kühlaggregat anstelle des Heizelements vorzusehen, so dass die Soll-Temperatur, auf die die Temperatur des Lasermoduls 14 geregelt wird, niedriger als die im Gehäuse 24 gemessene Temperatur 36 ist. Dies würde sich positiv auf die Lebensdauer des Lasermoduls 14 auswirken. Allerdings sind derartige Kühlaggregate meist größer dimensioniert als einfache Heizelemente, so dass dies zu einer deutlich größeren Baugröße des Messgeräts 10 führen würde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018114725 A1 [0011]

Claims

Optisches Messgerät (10), aufweisend: - ein Lasermodul (14), das dazu eingerichtet ist, ein Lasermuster (16) auf ein Messobjekt (12) zu projizieren; - ein optischen Detektor (18), der dazu eingerichtet ist, das projizierte Lasermuster (16) zu erfassen; - eine Auswerteeinheit (20), die dazu eingerichtet ist, das von dem optischen Detektor (18) erfasste Lasermuster (16) auszuwerten und basierend darauf räumliche Positionskoordinaten des Messobjekts (12) zu bestimmen; und - ein Temperaturregler (26), der dazu eingerichtet ist, eine Temperatur zumindest eines Teils des Lasermoduls (14) auf eine vordefinierte Soll-Temperatur zu regeln.
Optisches Messgerät gemäß Anspruch 1, wobei der Temperaturregler (26) ein Heizelement (30) aufweist, das dazu eingerichtet ist, den zumindest einen Teil des Lasermoduls (14) auf die vordefinierte Soll-Temperatur aufzuheizen.
Optisches Messgerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Temperaturregler (26) einen ersten Temperatursensor (32) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine erste Temperatur an dem Lasermodul (14) zu messen, auf Basis derer der Temperaturregler (26) die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls (14) regelt.
Optisches Messgerät gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei der Temperaturregler (26) einen zweiten Temperatursensor (42) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine zweite Temperatur beabstandet von dem Lasermodul (14) zu messen, auf Basis derer der Temperaturregler (26) die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls (14) regelt.
Optisches Messgerät gemäß einem der Ansprüche 1-4, ferner aufweisend ein Gehäuse (24), wobei zumindest Teile des Lasermoduls (14), des optischen Detektors (18) und des Temperaturreglers (26) in dem Gehäuse (24) angeordnet sind.
Optisches Messgerät gemäß der Ansprüche 4 und 5, wobei der zweite Temperatursensor in dem Gehäuse (24) angeordnet ist.
Optisches Messgerät gemäß der Ansprüche 4 und 5, wobei der zweite Temperatursensor außerhalb des Gehäuses (24) angeordnet ist.
Optisches Messgerät gemäß Anspruch 6, wobei der Temperaturregler (26) einen dritten Temperatursensor (44) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine dritte Temperatur außerhalb des Gehäuses (24) zu messen, und wobei der Temperaturregler (26) die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls (14) auf Basis der ersten Temperatur, der zweiten Temperatur und der dritten Temperatur regelt.
Optisches Messgerät gemäß einem der Ansprüche 4 oder 6-8, wobei die vordefinierte Soll-Temperatur höher als die zweite Temperatur ist.
Optisches Messgerät gemäß Anspruch 9, wobei die vordefinierte Soll-Temperatur maximal 20K höher als die zweite Temperatur, vorzugsweise maximal 10K höher als die zweite Temperatur ist.
Optisches Messgerät gemäß einem der Ansprüche 4 oder 6-10, wobei der Temperaturregler (26) dazu eingerichtet ist, die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls (14) auf eine erste Soll-Temperatur zu regeln, wenn sich die zweite Temperatur in einem ersten Temperaturbereich befindet, und die Temperatur des zumindest einen Teils des Lasermoduls (14) auf eine zweite Soll-Temperatur zu regeln, wenn sich die zweite Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich befindet.
Optisches Messgerät gemäß einem der Ansprüche 1-11, ferner aufweisend: - eine Speichereinheit (50); - eine Recheneinheit (48), die dazu eingerichtet ist, eine Lebensdauer des Lasermoduls (14) in Abhängigkeit von zumindest einem Umgebungs- oder Betriebsparameter des Lasermoduls (14) zu berechnen und eine Betriebsdauer des Lasermoduls (14) zu erfassen und in der Speichereinheit (50) zu speichern; und - eine Ausgabeeinheit (52), die dazu eingerichtet ist, eine prognostizierte verbleibende Betriebsdauer auszugeben, die sich aus einer Differenz der berechneten Lebensdauer und der gespeicherten Betriebsdauer ergibt, und/oder ein Signal auszugeben, wenn die prognostizierte verbleibende Betriebsdauer einen Schwellwert unterschreitet.
Optisches Messgerät gemäß den Ansprüchen 3 und 12, wobei der zumindest eine Umgebungs- oder Betriebsparameter des Lasermoduls (14) die erste Temperatur umfasst.
Optisches Messgerät gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei das Messgerät (10) ferner eine Messeinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine Intensität des von dem Lasermodul (14) ausgestrahlten Lichts zu messen, und wobei der zumindest eine Umgebungs- oder Betriebsparameter des Lasermoduls (14) die Intensität des Lichts umfasst.
Optisches Messgerät gemäß einem der Ansprüche 1-14, wobei das Lasermodul (14) dazu eingerichtet ist, mindestens drei Laserlinien auf das Messobjekt (12) zu projizieren und die räumlichen Positionskoordinaten des Messobjekts (12) durch Analyse einer Position und Lage der von dem optischen Detektor (18) erfassten Laserlinien mittels Triangulation zu bestimmen.