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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Scannen einer äußeren Kontur eines dreidimensionalen Objektes, aufweisend mindestens eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie, mindestens eine Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes, wobei die mindestens eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie und die mindestens eine Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes fest zueinander angeordnet sind, und mindestens eine Vorrichtung, welche das dreidimensionale Objekt auf der einen Seite und die Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie und die Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes auf der anderen Seite relativ zueinander bewegt, wobei die mindestens eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie so in der Vorrichtung zum Scannen angeordnet ist, dass diese das dreidimensionale Objekt senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung anstrahlt, wodurch die Lichtlinie eine Schnittlinie eines virtuellen, vertikalen Schnitts auf der Oberfläche des dreidimensionalen Objektes bildet und ein zur Vorrichtung korrespondierendes Verfahren.
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Es existieren verschiedenste Aufnahme-Verfahren für eine 3D-Datenerfassung. Das mit Abstand schnellste Verfahren nutzt eine Lasertriangulation mit Hilfe einer Laserlinie und einer Hochfrequenzkamera. Dazu wird ein zu erfassendes, dreidimensionales Objekt quer durch eine projizierte Laserlinie hindurchgefahren und das sich dabei durch die Bestrahlung mit der Laserlinie ausbildende Höhenprofil wird mit fortschreitender Bewegung quer durch die Laserlinie erfasst. Hierbei erreichen die derzeit besten Systeme eine Abtastgeschwindigkeit von bis zu 12,29 Mio. 3D-Punkte pro Sekunde (2.048 3D-Pixel bei 6000 Hz). Diese monokularen Systeme werden auf Grund ihrer hohen Aufnahmefrequenz am häufigsten in Industrieanlagen zur Qualitätsprüfung oder zur Werkzeugprüfung eingesetzt. Derartige Laser-Profiler als 3D-Scanner weisen jedoch grundlegende Nachteile auf. Um einen 3D-Punkt aufzunehmen, muss der Strichlaser das dreidimensionale Objekt bestrahlen und zeitgleich muss eine Kamera zur Erfassung des projizierten Höhenprofils das dreidimensionale Objekt aufnehmen. Da der Strichlaser und die Kamera nicht am selben Ort angeordnet sein können, führt der gleichzeitige Einsatz nebeneinander zwangsläufig zu Abschattungen des Höhenprofils hinter dem zu scannenden, dreidimensionalen Objekt und zwar aus der Perspektive der Kamera. Es muss demnach grundsätzlich entschieden werden, ob eine hohe Z-Genauigkeit (großer Winkel zwischen Kamera und Laser) erwünscht und stärkere Abschattungseffekte in Kauf genommen werden sollen, oder das Gegenteil (kleiner Winkel zwischen Kamera und Laser), was die Z-Genauigkeit unerwünscht drastisch verringert, aber dafür das Abschattungsproblem erwünscht mindert.
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Es sind duale 3D-Scanner-Systeme bekannt, die mit zwei Kameras arbeiten, um das Abschattungsproblem zu vermeiden. Diese Verbesserung der Bildaufnahme durch verschattungsfreies Aufnehmen zieht verschiedene negative Effekte nach sich. Zunächst verdoppelt sich die einzusetzende Hardware. Andererseits ist die rechnerseitige Verarbeitung schwierig, da der pro Zeiteinheit zu bewältigende Datenstrom extrem hohe Anforderungen an die Hardware stellt, um diese Datenströme in Realzeit verarbeiten zu können. Da die Bilder beider Sensoren abgeglichen werden müssen, um sie zusammenzuführen und ein auswertbares 3D-Bild zu erzeugen, wird durch den Einsatz zweier zu synchronisierender bildgebender Systeme die maximale Aufnahmefrequenz sehr stark reduziert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen 3D-Scanner so zu modifizieren, dass keine Abschattungen entstehen, gleichwohl aber hohe Abtastraten möglich sind.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Scannen einer äußeren Kontur eines dreidimensionalen Objektes mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben. In Anspruch 5 wird ein dazu korrespondierender Aufsatz für einen bestehenden monokularen 3D-Scanner beansprucht. In den Unteransprüchen zu Anspruch 5 wird dieser Aufsatz weiter ausgestaltet. In Anspruch 9 wird ein korrespondierendes Verfahren beansprucht und in Anspruch 10 wird die Anwendung des korrespondierenden Verfahrens auf typische industrielle Prozesse beansprucht.
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Nach dem Gedanken der Erfindung ist also vorgesehen, dass im Strahlengang zwischen der Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes und dem dreidimensionalen Objekt ein Strahlteiler in Form eines halbdurchlässigen Spiegels angeordnet ist, wobei im durch den halbdurchlässigen Spiegel gespiegelten Strahlengang, und auch im durch den halbdurchlässigen Spiegel hindurchlaufenden Strahlengang mindestens je ein weiterer Spiegel angeordnet ist, wobei die weiteren Spiegel in beiden Strahlengängen nach Passage des beziehungsweise durch Reflexion durch den halbdurchlässigen Spiegel so angeordnet sind, dass zwei Lichtstrahlen, die vom selben Ort der Oberfläche des dreidimensionalen Objektes in unterschiedlicher Richtung spiegelsymmetrisch zur Strahlebene der Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie ausgehen, in beiden Strahlengängen einen identisch langen Weg zurücklegen. Diese Anordnung ermöglicht, dass Bilder aus verschiedenen Perspektiven überlagert werden, wobei die abzubildende, vertikale Objektebene des zu vermessenden Objektes in beiden überlagerten Bildern identisch abgebildet wird.
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Dabei ist vorgesehen, dass die weiteren Spiegel so angeordnet sind, dass sich die beiden korrespondierenden Lichtstrahlen verschiedener Perspektiven in der Bildebene der Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes treffen.
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Um das Filtern des aufgenommenen Bildes zu vereinfachen, kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie ein schmalbandiges Lichtspektrum aufweist, welches bei einer Gaußglockenannäherung des Lichtspektrums bei einer Auftragung der Intensität über der Wellenlänge eine Halbwertsbreite von weniger als 20 nm aufweist, und die weiteren Spiegel ein Reflexionsmaximum in eben diesem Lichtspektrum aufweisen. Hierdurch wird die Bildanalyse vereinfacht, weil das aufgenommene Höhenprofil vorgefiltert wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die weiteren Spiegel so angeordnet sind, dass der Winkel zwischen zwei Lichtstrahlen, die vom selben Ort der Oberfläche des dreidimensionalen Objektes in unterschiedlicher Richtung spiegelsymmetrisch zur Strahlebene der Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie ausgehen, zwischen 5° und 45° beträgt. Dadurch lässt sich die Basis des binokularen Abtastens (Scannen) verbreitern, was die Z-Genauigkeit erheblich verbessert und gleichzeitig die notwendige Bauhöhe der Vorrichtung zum 3D-Scannen verringert.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1.1 ein duales 3D-Scanner-System aus dem STAND DER TECHNIK in einer perspektivischen Ansicht zur Darstellung des Verschattungseffektes,
- 1.2 ein duales 3D-Scanner-System aus dem STAND DER TECHNIK in einer isometrischen Ansicht quer zur Scan-Ebene,
- 2.1 ein monokulares 3D-Scanner-System aus dem STAND DER TECHNIK in einer perspektivischen Ansicht,
- 2.2 ein monokulares 3D-Scanner-System aus dem STAND DER TECHNIK in einer isometrischen Ansicht quer zur Scan-Ebene,
- 3.1 einen ersten Strahlengang eines erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-Systems,
- 3.2 einen zweiten Strahlengang eines erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-Systems,
- 4.1 ein erstes Bild einer 3D-Scan-Situation im ersten Strahlengang eines erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-Systems in zentralperspektivischer Darstellung,
- 4.2 ein zweites Bild einer 3D-Scan-Situation im zweiten Strahlengang eines erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-Systems in zentralperspektivischer Darstellung,
- 4.3 die erfindungsgemäße Überlagerung der Bilder beider Strahlengänge im erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-System,
- 5.1 einen erfindungsgemäßen, binokularen Aufsatz für ein monokulares 3D-Scanner-System in einer geöffneten Darstellung mit eingezeichneten Strahlengängen,
- 5.2 die aus 5.1 isolierten Strahlengänge,
- 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Scannen einer äußeren Kontur eines dreidimensionalen Objektes.
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In 1.1 ist zur Verdeutlichung des Verschattungseffektes ein duales 3D-Scanner-System 10 aus dem STAND DER TECHNIK in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. In einem dualen 3D-Scanner-System 10 wird ein dreidimensionales Objekt 200 mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit durch eine Vorrichtung 140 zum Bewegen in eine Richtung R bewegt. Das dreidimensionale Objekt 200 kann ein Werkstück aus einer Fertigungseinheit sein, es kann sich um ein Formteil handeln oder um eine Form selbst. Es ist möglich, dass das dreidimensionale Objekt 200 ein Schokoladengussteil ist, wie eine Praline oder eine Schokoladenfigur. Es ist auch möglich, dass es sich um ein Kunststoffspritzteil handelt oder auch um ein Metallgussteil. Auch kann es sich um ein gebackenes Bäckereiprodukt handeln, wie ein Keks, ein Zwieback oder auch um einen kleinen Kuchen. Auch bestückte Elektronik-Platinen können so als dreidimensionales Objekt 200 untersucht werden. Während der Passage einer Lichtlinie 12, die von einer Vorrichtung 11 zur Erzeugung einer Lichtlinie 12 erzeugt wird, erhält ein Computer C die exakte Position über einen Weggeber W. Zum Bestimmen einer dreidimensionalen Punktmatrix, welche die Oberflächenkontur des dreidimensionalen Objektes 200 widerspiegelt, verfügt der Computer C nun über die y-Komponente als erste Komponente. Die Vorrichtung 11 zur Erzeugung einer Lichtlinie 12 kann ein Strichlaser sein. Es ist aber auch möglich, dass diese Vorrichtung 11 aus einem LED-Band besteht, dessen Licht mit einer Stablinsenoptik zu einer Lichtlinie kollimiert wird. Schließlich sind auch zu einer Linie kollimierte Strahlen einer Leuchtstoffröhre hinter einem Schlitz zur Erzeugung eben einer solchen Lichtlinie 12 bekannt. Die Vorrichtung 13 zum Erfassen eines Bildes ist keine gattungsgemäße Digitalkamera. Vielmehr handelt es sich um einen Sensor in Form einer Spezialkamera, welche nicht nur eine schnelle Bildabfolge intern puffern kann, wie eine Hochgeschwindigkeitskamera, sondern auch noch zur Erfassung einer Höhenlinie eine interne Logik aufweist, um den hohen Datendurchsatz bewältigen zu können. Da sich das dreidimensionale Objekt 200 innerhalb der Strahlebene 122 befindet, welche die Lichtlinie 12 erzeugt, zeigt die Lichtlinie 12 bei Betrachtung durch eine Vorrichtung 13 zum Erfassen eines Bildes, die unter einem Winkel α zur Strahlrichtung 121 angeordnet ist, einen typischen Höhenlinienverlauf eines gedachten, vertikalen Schnitts durch das dreidimensionale Objekt 200. Der Höhenlinienverlauf ist aus der hier dargestellten Zeichnungsperspektive-ist nicht detailliert einsehbar. Nimmt die Vorrichtung 13 zum Erfassen eines Bildes aus ihrer eigenen Perspektive ein Bild auf, so ergibt sich eine Abbildung mit einer Zentralperspektive. Der so abgebildete Höhenlinienverlauf muss nun entsprechend der Optik dieses Systems so umgerechnet werden, dass der Höhenlinienverlauf bei Position y, die durch den Weggeber W bekannt ist, umgerechnet werden kann in ein x-z-Profil, so dass bei je einer Position y gleich das gesamte x-z-Profil errechnet wird und somit eine vollständige Zeile mit Ortskoordinaten x, y und z erhalten wird. Je größer der Winkel α ist, desto höher ist die mögliche Präzision bei der Höhenbestimmung für die Komponente z. Der Idealfall wäre ein Winkel α von 90° zwischen der Blickrichtung der Vorrichtung 13 zum Erfassen eines Bildes und der Strahlrichtung 121. Bei einer senkrechten Ausrichtung würden sich jedoch extreme Verschattungsproblematiken ergeben. Eine Verschattung ist in dieser 1.1 für eine zweite Vorrichtung 13' zum Erfassen eines Bildes gezeigt. Diese Vorrichtung 13' kann aufgrund der eigenen Position nicht den Teil des hier aktuell projizierten Höhenlinienverlaufs auf der von der Vorrichtung 13' weg weisenden Seite des hier als Kegelstumpf dargestellten, dreidimensionalen Objektes 200 erfassen, weil die obere Deckfläche des Kegelstumpfes den Höhenlinienverlauf dort verdeckt. Es gibt für ein aus einer Zentralperspektive blickende Vorrichtung 13, 13' zur Erfassung eines Bildes keine Position, die verschattungsfrei ist. Um die Verschattungsproblematik zu umgehen, ist es deshalb bekannt, duale 3D-Scanner einzusetzen, wie ein solcher hier mit zwei Vorrichtungen 13, 13' zum Erfassen eines Bildes gezeigt ist. Zum Erfassen der Höhenlinie ist es notwendig, dass eine im Computer C befindliche Logik die Höhenlinien beider Vorrichtungen 13, 13' zum Erfassen eines Bildes auswertet, Verschattungen erkennt und jeweils die Höhenlinie der einen oder anderen Vorrichtung 13, 13' zum Erfassen eines Bildes extrahiert.
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In 1.2 ist ein duales 3D-Scanner-System 10 aus dem STAND DER TECHNIK in einer isometrischen Ansicht quer zur Scan-Ebene gezeigt. Beide Vorrichtungen 13, 13' zum Erfassen eines Bildes erfassen die identische Objektebene 134, hier neben der tatsächlichen Objektebene parallelversetzt dargestellt, in jeweils seitenverkehrter Richtung. Der Einsatz eines dualen 3D-Scanner-Systems ist dann wirtschaftlich, wenn es sich um im Vergleich zur Leistungsfähigkeit eines Computers C und eines Datenbusses langsame Scan-Vorgänge handelt. Für industrielle Scan-Vorgänge, die beispielsweise zur Qualitäts- oder Oberflächenkontrolle von Formteilen eingesetzt werden, ist ein solches System nicht mehr einsetzbar. Bei typischen Förderband-Geschwindigkeiten von 1 m/s und mehr und bei einer sub-mm-Auflösung der zu erfassenden 3D-Gitter ist das zu bearbeitende Datenvolumen pro Zeiteinheit so groß, dass heutige Bussysteme und heutige Computer extrem leistungsfähig sein müssen, mehrere tausend Höhenlinien aus zwei Quellen mit einer Auflösung von bspw. mehr als 2.048 z-Koordinaten pro Zeile aus zwei Quellen zu errechnen. Hierzu sind mehrere tausend Bildberechnungen pro Sekunde notwendig. Um das pro Zeiteinheit zu bearbeitende Datenvolumen der Signalfolge D zu verringern, setzt man stattdessen monokulare 3D-Scanner-Systeme ein.
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In 2.1 ist ein monokulares 3D-Scanner-System 20 aus dem STAND DER TECHNIK in einer perspektivischen Ansicht skizziert. Das hier gezeigte monokulare Scanner-System 20 weist nur eine Vorrichtung 23 zum Erfassen eines Bildes auf. Für einen möglichst verschattungsfreien Betrieb ist es bei monokularen 3D-Scanner-Systemen üblich, den Blickwinkel α zwischen der Strahlrichtung 121 der Vorrichtung 21 zum Erzeugen einer Lichtlinie 22 und dem Lichtstrahl LS vom dreidimensionalen Objekt 200 möglichst gering zu halten. Je geringer dieser Winkel α ist, desto weniger präzise ist eine aus dieser Perspektive errechenbare Höhenkomponente z. Um bauliche Gegebenheiten bei dem durch den geringen Winkel α entstehenden Platzmangel auszugleichen, wird der Abstand zwischen dem monokularen Scanner-System 20 und dem dreidimensionalen Objekt 200 entsprechend erhöht. Ein großer Abstand ist jedoch im industriellen Fertigungsumfeld nicht immer frei verfügbar.
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In 2.2 ist ein monokulares 3D-Scanner-System 20 aus dem STAND DER TECHNIK in einer isometrischen Ansicht quer zur Scan-Ebene gezeichnet. Im Unterschied zu dem dualen 3D-Scan-System in 1.2 ist in diesem System nur eine Vorrichtung 23 zum Erfassen eines Bildes vorhanden, welche von nur einer Perspektive die Objektebene 134 eines dreidimensionalen Objektes 200 erfasst und auf der Bildebene 3' der Vorrichtung 23 zum Erfassen eines Bildes abbildet.
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Um die Probleme aus dem Stand der Technik zu umgehen, wird nach dem Gedanken der Erfindung vorgeschlagen, ein binokulares 3D-Scanner-System 100 einzusetzen, 3.1 und 3.2. Das binokulare 3D-Scanner-System 100 weist zwei Strahlengänge SG1 und SG2 zur Erfassung einer Objektebene 134 aus zwei unterschiedlichen Perspektiven auf. Das binokulare 3D-Scanner-System 100 nach dem Gedanken der Erfindung ist dennoch kein duales 3D-Scanner-System mit zwei Bilderfassungssystemen, weil die Objektebene 134 aus beiden Perspektiven der durch die beiden Strahlengänge SG1 und SG2 abgebildeten Objektebene 134 auf der selben Bildebene 133 einer einzigen Vorrichtung 130 zum Erfassen eines Bildes abgebildet wird. Nach dem Gedanken der Erfindung ist es möglich, dass mehr als ein binokulares 3D-Scanner-System in einem System zusammengefasst sind und parallel arbeiten, um den Durchsatz des Scanners zu erhöhen.
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3.1 zeigt einen ersten Strahlengang SG1 eines erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-Systems. In diesem Strahlengang SG1 wird ein Lichtstrahl LS1 von einer Objektebene 134 über einen ersten Spiegel 161 auf einen zweiten Spiegel 160 reflektiert. Von dort wird der Lichtstrahl LS1 auf einen halbdurchlässigen Spiegel 150 geleitet, der sodann den Lichtstrahl LS1 in die Vorrichtung 130 zum Erfassen eines Bildes umlenkt, wo die Objektebene 134 auf der Bildebene 133 abgebildet wird.
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In 3.2 ist der zweite Strahlengang SG2 des erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-Systems aus 3.1 skizziert. In diesem Strahlengang SG2 wird ein Lichtstrahl LS2 von einer Objektebene 134 über einen ersten Spiegel 162 auf einen zweiten Spiegel 163 reflektiert. Von dort wird der Lichtstrahl LS2 von hinten auf einen halbdurchlässigen Spiegel 150 geleitet, so dass der Lichtstrahl LS2 diesen durchdringt und in die Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes 130 gelangt, wo die Objektebene 134 auf der Bildebene 133 abgebildet wird.
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Zwar entsteht aus den unterschiedlichen Perspektiven der Strahlengänge SG1 und SG2 ein unterschiedliches Abbild eines dreidimensionalen Objektes 200 auf der Bildebene 133 der Vorrichtung 130 zum Erfassen eines Bildes. Identisch ist jedoch die Abbildung der Objektebene 134. Da beide Strahlengänge SG1 und SG2 eine unterschiedliche Anzahl Spiegelungen aufweisen, wird das Bild aus der Perspektive in Strahlengang SG1 mit einer ungeraden Anzahl Spiegel seitenrichtig auf das Bild aus der Perspektive in Strahlengang SG2, welches eine gerade Anzahl Spiegelungen aufweist, überlagert. Da zum Erfassen der sehr hellen Höhenlinie innerhalb der Objektebene 134 nur die sehr helle Höhenlinie aus dem Bild ausgefiltert wird, ergibt sich keine Verschattungsproblematik, weil stets eine Perspektive je eines Strahlenganges SG1 oder SG2 einen Blick auf die Höhenlinie hat. Diese Höhenlinie wird aus beiden Perspektiven identisch dargestellt.
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Der Effekt der identischen Höhenlinie wird in den folgenden Figuren 4.1 und 4.2 näher erläutert.
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4.1 zeigt ein erstes Bild einer 3D-Scan-Situation im ersten Strahlengang SG1 eines erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-Systems in zentralperspektivischer Darstellung. Das dreidimensionale Objekt 200 wird entlang der Richtung R (y-Richtung) hinter die Papierebene transportiert. Während des Transports erzeugt eine Vorrichtung 110 zum Erzeugen einer Lichtlinie 120 ein Höhenprofil auf dem dreidimensionalen Objekt 200. Aus der hier dargestellten Perspektive eines ersten Strahlenganges SG1 ist die gesamte Höhenlinie erkennbar. Der hier fett gedruckte Strich stellt die Höhenlinie aus der Linie 120 in der Strahlebene 122 dar.
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4.2 zeigt ein zweites Bild der zuvor beschriebenen 3D-Scan-Situation im zweiten Strahlengang eines erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-Systems in zentralperspektivischer Darstellung. Die hier dargestellte Perspektive ist gegenüber der Perspektive in 4.1 um 180° um eine vertikale Achse verdreht, so dass das dreidimensionale Objekt 200 aus der Papierebene nach vorne heraus in Richtung R (y-Richtung) transportiert wird. Aus der hier dargestellten Perspektive des zweiten Strahlenganges SG2 ist die gesamte Höhenlinie nicht erkennbar. Ein Teil des hier fett gedruckten Strichs als Höhenlinie aus der Linie 120 in der Strahlebene 122 ist durch das dreidimensionale Objekt 200 selbst verschattet. Nach dem Gedanken der Erfindung werden die Bilder beider Perspektiven in beiden Strahlengängen SG1 und SG2 nach 4.1 und 4.2 zu einem einzigen Bild durch eine Überlagerung vereint, wie es die beiden, einander entgegenstehenden Pfeile unterhalb der Figuren 4.1 und 4.2 andeuten. Das Ergebnis dieser Überlagerung der Perspektiven ist in 4.3 gezeigt.
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4.3 stellt die erfindungsgemäße Überlagerung der Bilder beider Strahlengänge im erfindungsgemäßen, binokularen 3D-Scanner-System dar. Die Überlagerung der Bilder aus den Figuren 4.1 und 4.2 ist durch die beiden überlagerten und einander entgegengesetzten Pfeile unterhalb der Darstellung angedeutet. Wenngleich in dieser Darstellung die beiden x-y-Ebenen zur leichteren Erkennbarkeit in unterschiedlichen Höhen gezeigt sind, so werden bei der Überlagerung die Ebenen der beiden Perspektiven tatsächlich ineinander überführt. Dies ist an der Überlagerung beider Perspektiven der Strahlengänge SG1 und SG2 für das dreidimensionale Objekt 200 gezeigt. Das dreidimensionale Objekt 200 erzeugt aus beiden Perspektiven ein unterschiedliches Bild. Der Bildanteil aus 4.2 ist hier gestrichelt gezeichnet, hingegen ist der Bildanteil aus 4.1 mit durchgezogenen Linien gezeichnet. Identisch in beiden unterschiedlichen und hier überlagerten Bildern ist jedoch die vertikale Ebene, in der die Höhenlinie verläuft. Diese Ebene ist identisch mit der Strahlebene 122. Innerhalb dieser Ebene 122 verläuft das Höhenprofil identisch. An den Stellen, an denen die Bilder beider Perspektiven SG1 und SG2 das Höhenprofil aus der Linie 120 zeigen, addieren sich die Helligkeiten bei der Überlagerung der Bilder. Dies ist hier durch einen sehr breiten Strich der Linie 120 gezeigt. An der Stelle in dem überlagerten Bild, wo das Höhenprofil nur aus einer Perspektive sichtbar ist, hier in dem oberen Teil des dreidimensionalen Objektes 200, ist der Teil der Höhenlinie nur so hell, wie es dem Bild dieser Perspektive SG2 entspricht. Ein Algorithmus, der die Linie des sehr hellen Höhenprofils aus dem Bild der Vorrichtung 130 zum Erfassen eines Bildes filtert, erzeugt ein Höhenprofil mit unterschiedlicher Helligkeit zwischen solchen Stellen, die verschattet sind, und solchen Stellen, die aus beiden Perspektiven sichtbar sind, jedoch ist der der Zug der Höhenlinie vollständig vorhanden. Da die Helligkeit der Höhenlinie das gesamte Bild dominiert, stört der Helligkeitsverlauf innerhalb des Höhenprofils nicht.
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Nach dem Gedanken der Erfindung ist es auch möglich, monokulare 3D-Scanner-Systeme als Bestandssysteme nachzurüsten, indem in den Strahlengang SG eines monokularen 3D-Scanner-Systems ein Aufsatz positioniert wird, der beide Perspektiven zu einem Bild in dem monokularen 3D-Scanner-System vereint.
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5.1 zeigt eine Skizze eines erfindungsgemäßen, binokularen Aufsatzes 300 für ein monokulares 3D-Scanner-System 400 in einer geöffneten Darstellung mit eingezeichneten Strahlengängen SG1 und SG2. Der Aufsatz 300 weist einen Strahlteiler in Form eines halbdurchlässigen Spiegels 150 auf. Bei bestimmungsgemäßer Montage des Aufsatzes 300 teilt dieser halbdurchlässige Spiegel 150 den Strahlengang SG eines monokularen 3D-Scanner-Systems (2.2) zwischen einer Vorrichtung 130 zum Erfassen eines Bildes in der monokularen Vorrichtung 400 und dem dreidimensionalen Objekt 200 in einen durch den halbdurchlässigen Spiegel 150 gespiegelten Strahlengang SG1 und in einen durch den halbdurchlässigen Spiegel 150 hindurchlaufenden Strahlengang SG2 auf. Im durch den halbdurchlässigen Spiegel 150 gespiegelten Strahlengang SG1 und auch im durch den halbdurchlässigen Spiegel 150 hindurchlaufenden Strahlengang SG2 befindet sich in dieser Ausführungsform mindestens je ein weiterer Spiegel 160, 161, 162, 163. Dieser mindestens eine weitere Spiegel 160, 161, 162, 163 ist in beiden Strahlengängen SG1, SG2 nach Passage des beziehungsweise durch Reflexion durch den halbdurchlässigen Spiegel 150 so angeordnet, dass zwei Lichtstrahlen LS1, LS2, die vom selben Ort OK der Oberfläche OB des dreidimensionalen Objektes 200 in unterschiedlicher Richtung spiegelsymmetrisch zur Strahlebene 122 der Vorrichtung 110 zum Erzeugen einer Lichtlinie 120 ausgehen, in beiden Strahlengängen SG1, SG2 einen identisch langen Weg zurücklegen. Der identisch lange Weg bei gegebener Apertur der Vorrichtung 130 zum Erfassen eines Bildes erzeugt einen identischen Öffnungswinkel zwischen beiden Strahlengängen SG1 und SG2. Der Aufsatz 300 weist hier zwei Öffnungen 301 und 302 auf, durch die eine Vorrichtung 110 zum Erzeugen einer Lichtlinie 120 hindurchstrahlen kann.
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In 5.2 zeigt die aus 5.1 isolierten Strahlengänge SG1 und SG2 mit den zuvor benannten Spiegeln 160, 161, 162 und 163 und dem halbdurchlässigen Spiegel 150. Diese bilden die Objektebene 134 auf der Bildebene 133 der Vorrichtung 130 zum Erfassen eines Bildes identisch ab. Durch den Aufsatz 300 verringert sich der tatsächliche Bildabstand 135 zwischen dem dreidimensionalen Objekt 200 und dem monokularen 3D-Scanner-System, so dass Bauhöhe eingespart werden kann. Durch den gesamten Strahlengang in dem Aufsatz 300 ändern sich jedoch nicht die Bildabstände, da die Lichtstrahlen LS1 und LS2 in beiden Strahlengängen SG1 und SG2 den gleichen Weg zur Bildebene 133 der Vorrichtung 130 zum Erfassen eines Bildes zurücklegen. Eine gegebenenfalls bestehende Optik in dem aufgerüsteten, monokularen 3D-Scanner-System muss daher nicht angepasst werden.
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Durch den Aufsatz 300 ist es nicht nur möglich, Bauhöhe zu sparen, sondern es ist auch möglich, den Winkel α zwischen der Strahlrichtung 121 und den Lichtstrahlen LS1, LS2 zu vergrößern, so dass die Präzision bei der Höhenbestimmung, nämlich die z-Komponente, vergrößert wird.
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In 6 ist schließlich eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Scannen einer äußeren Kontur eines dreidimensionalen Objektes 200 dargestellt. Die Vorrichtung 100 kann aus einem bestehenden monokularen 3D-Scanner-System, hier monokulare Vorrichtung 400 zum Scannen einer äußeren Kontur eines dreidimensionalen Objektes 200, und einem Aufsatz 300 für ein solches System bestehen oder aber als integrierte Einheit aufgebaut sein. Da die Vorrichtung von außen weitgehend umhaust ist, sind hier nur die Öffnungen 302 für die Vorrichtung 110 zum Erzeugen einer Lichtlinie 120, eine Öffnung 303 für einen ersten Strahlengang SG1 und eine Öffnung 304 für einen zweiten Strahlengang SG2 erkennbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zum Scannen
- 11
- Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie
- 12
- Lichtlinie
- 13
- Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes
- 13'
- Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes
- 21
- Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie
- 22
- Lichtlinie
- 23
- Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes
- 33
- Bildebene
- 33'
- Bildebene
- 100
- Vorrichtung zum Scannen
- 110
- Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtlinie
- 120
- Lichtlinie
- 121
- Strahlrichtung
- 122
- Strahlebene
- 130
- Vorrichtung zum Erfassen eines Bildes
- 133
- Bildebene
- 134
- Objektebene
- 135
- Bildabstand, real
- 140
- Vorrichtung zum Bewegen
- 150
- halbdurchlässiger Spiegel
- 160
- Spiegel
- 161
- Spiegel
- 162
- Spiegel
- 163
- Spiegel
- 200
- dreidimensionales Objekt
- 300
- Aufsatz
- 301
- Öffnung
- 302
- Öffnung
- 303
- Öffnung
- 304
- Öffnung
- 400
- monokulare Vorrichtung zum Scannen
- α
- Winkel
- C
- Computer
- D
- Signalfolge
- D'
- Signalfolge
- LS
- Lichtstrahl
- LS1
- Lichtstrahl
- LS2
- Lichtstrahl
- OB
- Oberfläche
- OK
- Ort
- R
- Richtung
- R'
- Richtung
- R1
- Richtung
- R2
- Richtung
- W
- Weggeber
- SG
- Strahlengang
- SG1
- Strahlengang
- SG2
- Strahlengang
- x
- Richtung
- x'
- Richtung
- y
- Richtung
- y'
- Richtung
- z
- Richtung
- z'
- Richtung
