DE102022130735A1

DE102022130735A1 - Streifenprojektionssystem

Info

Publication number: DE102022130735A1
Application number: DE102022130735.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Schleith
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2024-05-23
Also published as: CN118057117A; US20240168369A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung zeigt ein Streifenprojektionssystem zur dreidimensionalen Erfassung der Oberfläche eines Messobjekts, mit einem Projektor zur Projektion eines Streifenmusters auf das Messobjekt und einer Digitalkamera zur Erfassung des Streifenmusters, wobei der Projektor eine binäre Amplitudenmaske umfasst, welche transparente und opake Bereiche aufweist, wobei die Amplitudenmaske erste, sich in einer ersten Richtung erstreckende Streifenbereiche aufweist, in welchen der Anteil der opaken und der transparenten Flächenanteile in Abhängigkeit von einer Position in einer zweiten Richtung variiert. Dabei ist vorgesehen, dass die ersten Streifenbereiche jeweils einen Übergangsbereich zwischen zusammenhängenden, sich in der ersten Richtung erstreckenden opaken bzw. transparenten Streifen bilden und sich mit diesen in der zweiten Richtung abwechseln..

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Streifenprojektionssystem zur dreidimensionalen Erfassung der Oberfläche eines Messobjekts, mit einem Projektor zur Projektion eines Streifenmusters auf das Messobjekt und einer Digitalkamera zur Erfassung des Streifenmusters.
Stand der Technik
Die Streifenprojektion ist ein gängiges Verfahren zur Erfassung der Oberflächendaten eines Objektes. Hierbei projiziert ein Projektor eine periodische Intensitätsverteilung, z.B. ein Sinusmuster auf das zu erfassende Objekt. Über eine Kamera werden das Objekt und die Intensitätsverteilung aufgenommen. Die periodische Intensitätsverteilung auf dem zu erfassenden Objekt bzw. dem Kamerabild wird im Folgenden auch als Streifenmuster bezeichnet. Je nach Form des Objektes wird das Streifenmuster, im Vergleich zu der auf eine ebene Fläche projizierten Intensitätsverteilung, verformt (lokal bleibt das Streifenmuster, z.B. ein Sinusmuster, aber erhalten). Die Blickrichtungen von Kamera und Projektionssystem sind unter dem sogenannten Triangulationswinkel angeordnet. Aus der Deformation des Streifenmusters lässt sich die 3-dimensionale Form der Oberfläche rekonstruieren.
Ein hochgenaues Verfahren zur Rekonstruktion der Oberflächendaten des zu erfassenden Objektes mit maximaler räumlicher Auflösung ist das Phasenshift-Verfahren. Hier wird ein Sinusmuster auf das Objekt projiziert. Indem man die Phase des Sinus für jeden Ort des zu erfassenden Objektes bestimmt, kann man laterale Auflösungen deutlich unterhalb der Periode der Intensitätsverteilung erreichen. Sie hängt dann von der Größe der Kamerapixel, vom Abbildungsmaßstab und von der Qualität des erfassten Sinusmusters ab - speziell von dessen Rauschen und Kontrast. Der Kontrast einer periodischen Intensitätsverteilung mit Maximum I_max und Minimum I_min ist definiert als K= (I_max - I_min) / (I_max + I_min). Zur exakten Bestimmung der Phasenlage an einem beliebigen Ort x des zu erfassenden Objektes, wird beim zeitlichen Phasenshift-Verfahren die periodische Intensitätsverteilung während mehrerer Aufnahmen sukzessiv um einen Bruchteil der Periode verschoben und aus den Helligkeitsunterschieden auf den jeweiligen Bildern die Phase des projizierten Sinusmusters am Ort x bestimmt. Beim räumlichen Phasenshift-Verfahren wird die Phasenlage aus den Helligkeitsunterschieden an benachbarten Orten eines Bildes bestimmt.
Zur Erzeugung der gewünschten periodischen Intensitätsverteilung auf dem zu erfassenden Objekt und letztlich auf dem Kamerabild sind verschiedene Verfahren bekannt. In DE19855324 (Verfahren zur Projektion periodischer Intensitätsprofile mittels binärer Amplitudenmasken) wird eine umfassende Übersicht über den Stand der Technik gegeben und ein neuartiges Verfahren vorgestellt: Ein periodisches Intensitätsprofil mit sinusförmiger Modulation in x-Richtung und konstanter Intensität in y-Richtung soll auf das zu erfassende Objekt projiziert werden. Dieses eindimensional modulierte Intensitätsprofil mit in x-Richtung sinusförmigem Intensitätsverlauf wird durch eine binäre Amplitudenmaske, die in beiden Raumrichtungen periodisch oder quasiperiodisch strukturiert ist, kodiert. Die binäre Amplitudenmaske wird im Folgenden auch als Gitter bezeichnet. Eine quasiperiodische Amplitudenmaske liegt vor, wenn sich ihre Periode in eine oder beide Raumrichtungen Px bzw. Py kontinuierlich geringfügig ändern. Eine signifikante Änderung tritt dann nur über sehr viele Gitterperioden auf und an jedem Ort des Gitters ist die Struktur über einige Perioden quasi identisch. Auch für ein Streifenmuster mit konstanter Periode kann Px und Py lokal variieren, z.B. auf Grund eines veränderlichen Abbildungsmaßstabs durch Verwendung des Scheimpflug-Verfahrens für die Projektion.
Die lokale Periode der Amplitudenmaske in x-Richtung Px mit Ortsfrequenz Vx=1/Px, liegt innerhalb des räumlichen Auflösungsvermögens bzw. Übertragungsbereichs der Projektionsoptik und entspricht (unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabs) der Periode der gewünschten Intensitätsverteilung auf dem zu erfassenden Objekt bzw. Kamerabild. Die lokale Periode der Amplitudenmaske in y- Richtung Py entspricht einer Ortsfrequenz Vy=1/Py außerhalb des räumlichen Auflösungsvermögens bzw. Übertragungsbereichs der Projektionsoptik. Hier wird eine mittlere Helligkeit - integriert über mehrere Perioden in y-Richtung - übertragen.
Ein periodisches Gitter ist aus identischen Bausteinen mit Abmessungen Px und Py in x- und y-Richtung, der sogenannten Grundzelle, aufgebaut. Für ein quasiperiodisches Gitter können die Größe (Px, Py) und die Position der Grundzellen in beide oder einer der beiden Raumrichtungen mittels einer mathematischen Transformation über das Gitter variieren und somit an die jeweilige Projektionsgeometrie angepasst werden. So kann das Gitter z.B. an einen variablen Abbildungsmaßstab, der sich aus einer Projektion unter Scheimpflug-Bedingung ergibt, angepasst werden.
2 zeigt eine Grundzelle eines Gitters zur Projektion eines Sinusmusters. Die Grundzelle enthält ein binäres Muster. Die Grenzen zwischen transparenten (T) und opaken (O) Bereichen wird durch eine mathematische Funktion (F1) beschrieben, die Ordinate (X) läuft entlang der x-Richtung, die Abszisse (Y) entlang der y-Richtung. In diesem Fall ist F1 eine Sinusfunktion, d.h. innerhalb einer Periode (Px) variiert der Anteil des opaken Bereichs entlang der x-Richtung sinusförmig.
3 zeigt ein entsprechendes Amplitudengitter. Größe und Position der Grundzellen (Z41 - Z46) sind an die spezielle Projektionsgeometrie angepasst, und zwar in diesem Fall an einen sich in x-Richtung durch die Scheimpflug-Bedingung ändernden Abbildungsmaßstab. 3(a) zeigt z.B. einen Ausschnitt aus einem Amplitudengitter, bei dem sowohl Px als auch Py an einen sich in x-Richtung verändernden Abbildungsmaßstab der Projektion angepasst werden, wohingegen in 3(b) nur Px verändert wird und Py konstant bleibt.
Nachteile des Stands der Technik
Kontrastminderung durch die Abtastrate der Kamera.
Bei der Aufnahme des Streifenmusters mit einer Digitalkamera erfolgt eine pixelweise Abtastung der auf das zu erfassende Objekt projizierten Intensitätsverteilung. Für jedes Kamerapixel wird die Intensitätsverteilung über den durch das jeweilige Kamerapixel auf dem Objekt erfassten Bereich gemittelt. Bei Projektion z.B. eines Sinusmusters ist dadurch der Kontrast der durch die Kamera erfassten Intensitätsverteilung geringer als der Kontrast des auf das Objekt projizierten Musters. Wie stark der Kontrast abfällt, hängt von der Anzahl der Kamerapixel, die eine Periode des Streifenmusters erfassen, ab. Dieses Verhältnis nennt man Abtastrate. Wird eine Periode des Streifenmusters beispielweise durch 4 Kamerapixel erfasst, reduziert sich der Kontrast durch die pixelweise Abtastung auf ca. 90 %. Ein verminderter Kontrast auf dem Kamerabild führt zu einer schlechteren Messgenauigkeit bei hochauflösenden Streifenprojektionsverfahren wie z.B. dem räumlichen oder zeitlichen Phasenshift-Verfahren.
Herstellungstechnische Nachteile.
Die typischen Strukturgrößen der beschriebenen binären Amplitudenmasken liegen im Bereich von wenigen 100 Nanometern (nm) bis zu einigen Mikrometern (µm). Sie werden typischerweise durch die Mikrostrukturierung von chrombeschichteten Glassubstraten, mittels lithographischen und nasschemischen Verfahren, hergestellt. Die Auflösungsgrenze dieses Herstellungsprozesses - man spricht von der minimalen Strichbreite - liegt im Bereich von wenigen 100nm, d.h. es können keine Strukturen kleiner als beispielweise 300nm hergestellt werden. Es ist also herstellungstechnisch nicht möglich die Grundzellen in y Richtung direkt aneinander zu setzen. In den Zwischenräumen der zwischen den Berührungspunkten von zwei Sinuskurven würden dann wieder Strukturen unterhalb der minimalen Strichbreite entstehen. D.h. man muss die Grundzellen wie in 3 dargestellt in y-Richtung mit einem Abstand größer der Strichbreite, in diesem Beispiel 300nm, anordnen und erhält dann z.B. für Py = 3 µm einen maximalen Anteil des opaken Bereichs von 90%. Auch der Auslaufbereich des Sinusmusters muss, wie in 3 dargestellt, immer eine gewisse restliche Strukturbreite haben, z.B. 300nm. Der minimale Anteil des opaken Bereichs ist folglich nirgends kleiner als 10%. Das hat unmittelbare Folgen für den bei der Projektion maximal erreichbaren Kontrast: Bei der Projektion entsteht im projizierten Muster an jedem Punkt des Objektes ein Intensitätswert, der der Integration in y-Richtung über die entsprechende Stelle der Amplitudenmaske entspricht. Das projizierte Sinusmuster erreicht bei den Gittern aus 3 durch die herstellungstechnischen Einschränkungen also nur einen Kontrast von K = (90 - 10) / (90 + 10) = 0,8 bzw. 80% zwischen den hellen und den dunklen Bereichen. Ein verminderter Kontrast auf dem Messobjekt bzw. dem Kamerabild führt zu einer schlechteren Messgenauigkeit bei hochauflösenden Streifenprojektionsverfahren wie z.B. dem räumlichen oder zeitlichen Phasenshift-Verfahren.
Außerdem wird eine um 10% kleinere Maximalintensität erreicht. Das muss mit längeren Belichtungszeiten der Kamera oder kleiner Blendenzahlen der Projektionsoptik bzw. Kameraoptik und damit einem geringeren Tiefenschärfebereich und Messbereich kompensiert werden und führt letztlich zu schlechteren Leistungskennzahlen des Messystems, wie längeren Messzeiten oder einem kleineren Messvolumen.
Kontrastabnahme durch die begrenzte Auflösung der Projektionsoptik in x-Richtung.
Um bei der Streifenprojektion eine hohe laterale Auflösung zu erreichen, wird häufig ein Streifenmuster mit einer entsprechend hohen Ortfrequenz projiziert. Wenn die lokale Periode des zu projizierenden Gitters Px (in Richtung der gewünschten periodischen Intensitätsverteilung) sehr klein wird, führt dies zu einem Kontrastabfall des Streifenmusters bedingt durch das begrenzte Auflösungsvermögen der Projektionsoptik. In messtechnischen Anwendungen ist das oft schon bei Raumfrequenzen der Fall, die deutlich unter der Auflösungsgrenze von Objektiven liegen, die speziell für hohe Auflösungsleistungen konzipiert wurden (typischerweise 100 Linienpaare/mm). Neben den hohen Kosten für solche hochauflösenden Objektive steht die Übertragungsleistung (das Auflösungsvermögen) oft in direkter Konkurrenz zu anderen Systemparametern. So müssen z.B. Brennweite und Aperturblende an die Forderung nach einem bestimmten Arbeitsabstand oder Tiefenschärfebereichs angepasst werden und können nicht gemäß einer maximalen Übertragungsfunktion (Auflösung) gewählt werden. Ein verminderter Kontrast auf dem Messobjekt bzw. dem Kamerabild führt zu einer schlechteren Messgenauigkeit bei hochauflösenden Streifenprojektionsverfahren.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Streifenprojektionssystem zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere einen höheren Kontrast des erfassten Musters bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch ein Streifenprojektionssystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung umfasst Streifenprojektionssystem zur dreidimensionalen Erfassung der Oberfläche eines Messobjekts, mit einem Projektor zur Projektion eines Streifenmusters auf das Messobjekt und einer Digitalkamera zur Erfassung des Streifenmusters, wobei der Projektor eine binäre Amplitudenmaske umfasst, welche transparente und opake Bereiche aufweist, und wobei die Amplitudenmaske erste, sich in einer ersten Richtung erstreckende Streifenbereiche aufweist, in welchen der Anteil der opaken und der transparenten Flächenanteile in Abhängigkeit von einer Position in einer zweiten Richtung variiert. Dabei ist vorgesehen, dass die ersten Streifenbereiche jeweils einen Übergangsbereich zwischen zusammenhängenden, sich in der ersten Richtung erstreckenden opaken bzw. transparenten Streifen bilden und sich mit diesen in der zweiten Richtung abwechseln.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Amplitudenmaske berücksichtigt die Tatsache, dass die durch den Projektor auf dem Messobjekt erzeugte Intensitätsverteilung durch Pixel mit endlicher Ausdehnung aufgelöst werden soll, und sich die gewünschte, insbesondere sinusförmige Intensitätsverteilung erst nach der Mittelung über die Breite eines solchen ausgedehnten Pixels ergeben soll. Das projizierte Muster kann daher eine von der gewünschten, insbesondere sinusförmigen Intensitätsverteilung abweichende Intensitätsverteilung aufweisen, durch welche der Kontrast der im Sensor erfassten, sich nach der Mittelung über die Breite eines Pixels ergebenden Intensitätsverteilung erhöht werden kann.
Durch die Projektion der zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen weist das projizierte Muster bevorzugt Bereiche auf, welche über eine gewisse Breite in der zweiten Richtung eine maximale bzw. minimale Intensität aufweisen, d.h. die Maxima und Minima des projizierten Musters sind gegenüber einem Sinusmuster verbreitert. Nach der Mittelung über die Breite eines Pixels wird hierdurch der Kontrast zwischen Minima und Maxima der erfassten Intensitätsverteilung vergrößert.
Weiterhin hat die erfindungsgemäße Ausgestaltung den Vorteil, dass die herstellungsbedingt gegebene minimale Strichbreite, welche im Stand der Technik die maximale bzw. minimale Intensität weiter reduzierte, keine nachteilige Rolle mehr spielt, weil das Muster der binären Amplitudenmaske im Bereich der zusammenhängenden transparenten Streifen keine opaken Anteile aufweist und umgekehrt, und daher keine in der zweiten Richtung durchgehenden opaken oder transparenten Striche vorhanden sind.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Anteil der opaken und der transparenten Flächenanteile unter Berücksichtigung der Auflösung der Projektions- und Kameraoptik über die Erstreckung des jeweiligen ersten Bereiches in der zweiten Richtung stetig ansteigt oder fällt. Die ersten Streifenbereiche haben daher eine mit den Grundzellen des Stands der Technik vergleichbare Funktion, nur dass der der Anteil der opaken und der transparenten Flächenanteile nicht über die gesamte Periodenlänge stetig ansteigt oder fällt, sondern dass zwischen Bereichen mit einem stetigen Anstieg bzw. Abstieg ausgedehnte Minima und Maxima vorgesehen sind, welche durch die zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen gebildet werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst in einem zweiten unabhängigen Aspekt ein Streifenprojektionssystem zur dreidimensionalen Erfassung der Oberfläche eines Messobjekts, mit einem Projektor zur Projektion eines Streifenmusters auf das Messobjekt und einer Digitalkamera zur Erfassung des Streifenmusters. Der Projektor umfasst eine binäre Amplitudenmaske, die durch Aneinanderreihung von Grundzellen in einer ersten und einer zweiten Richtung periodisch oder quasiperiodisch strukturiert ist, wobei die Grundzellen transparente und opake Bereiche aufweisen. Die Strukturperiode in der ersten Richtung entlang der Streifen des Streifenmusters ist kleiner als die Auflösung des Gesamtsystems. Die Grundzellen sind mindestens in einem ersten Bereich in der ersten Richtung über ihre Höhe teilweise opak und teilweise transparent, wobei der jeweilige Anteil in Abhängigkeit von der Position in der zweiten Richtung variiert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Grundzellen mindestens einen zweiten Bereich aufweisen, in welchem sie in der ersten Richtung über ihre gesamte Höhe transparent sind.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Grundzellen berücksichtigt auch gemäß dem zweiten Aspekt die Tatsache, dass die durch den Projektor auf dem Messobjekt erzeugte Intensitätsverteilung durch Pixel mit endlicher Ausdehnung aufgelöst werden soll, und sich die gewünschte, insbesondere sinusförmige Intensitätsverteilung erst nach der Mittelung über die Breite eines solchen ausgedehnten Pixels ergeben muss. Das projizierte Muster kann daher eine von der gewünschten, insbesondere sinusförmigen Intensitätsverteilung abweichende Intensitätsverteilung aufweisen und insbesondere durch Projektion der zweiten Bereiche erzeugte Bereiche aufweisen, welche über eine gewisse Breite in der zweiten Richtung eine Intensität von 100% aufweisen. Weiterhin hat die erfindungsgemäße Ausgestaltung den Vorteil, dass die herstellungsbedingt gegebene minimale Strichbreite, welche im Stand der Technik die maximale Intensität weiter reduzierte, keine nachteilige Rolle mehr spielt, weil das Muster der binären Amplitudenmaske im zweiten Bereich überhaupt keine opaken Anteile aufweist und daher keine in der zweiten Richtung durchgehenden Striche vorhanden sind.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Grundzellen mindestens einen dritten Bereich aufweisen, in welchem sie in der ersten Richtung über ihre gesamte Höhe opak sind. Auch hier werden die gleichen Mechanismen ausgenutzt wie bei dem zweiten Bereich, nämlich dass sich die gewünschte, insbesondere sinusförmige Intensitätsverteilung erst nach der Mittelung über die Breite eines solchen ausgedehnten Pixels ergeben muss. Zudem werden auch hier die herstellungstechnisch bedingten Nachteile des Stands der Technik vermieden, da die opaken Bereiche zweier Grundzellen in der ersten Richtung unmittelbar aneinandergrenzen, ohne dass ein durchgehender transparenter Strick zwischen den Grundzellen verbleiben würde.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Grundzelle aus zwei ersten Bereichen, einem zweiten Bereich und einem dritten Bereich besteht, wobei zwischen dem zweiten und dem dritten Bereich ein erster Bereich angeordnet ist. Da die Anordnung der Grundzelle bezüglich des sich ergebenden Streifenmusters letzten Endes lediglich eine Frage der Definition ist, kann der verbleibende erste Bereich außen entweder neben dem zweiten oder dem dritten Bereich angeordnet sein. Im sich ergebenden Gitter der binären Amplitudenmaske wechseln sich damit jeweils zweite und dritte Bereiche ab, zwischen welchen jeweils erste Bereiche angeordnet sind.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der opake Anteil in dem ersten Bereich in Abhängigkeit von der Position in der zweiten Richtung stetig variiert, insbesondere von einem Anteil von 100% auf einen Anteil von 0%. Insbesondere ist der Verlauf des Anteils des opaken Anteils in Abhängigkeit von der Position in der zweiten Richtung so gewählt, dass sich unter Berücksichtigung der Integration über die Pixelbreite und bevorzugt auch der durch die Projektion und Abbildung ergebenden Unschärfe im Bild der Kamera den gewünschten Verlauf der Intensitätsverteilung ergibt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der opake Anteil in dem ersten Bereich in Abhängigkeit von der Position in der zweiten Richtung Arkussinus-förmig bzw. Arkuscosinus-förmig verläuft. Hierdurch ergibt sich im Bild der Kamera bereits allein durch die Pixelabtastung ein nahezu sinusförmiger Verlauf. Bei geeigneter Systemauslegung, insbesondere der Abtastrate der Digitalkamera und dem Auflösungsvermögen der Projektions- und Kameraoptik, ist der Unterschied zu einem idealen Sinus im Ergebnisbild nicht mehr messbar. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die periodische Intensitätsverteilung, die auf dem Kamerabild erzeugt wird, (lokal) in eine Richtung konstant und in die zweite Richtung eine Sinusfunktion ist und die mathematische Funktion der Amplitudenmaske so gewählt wird, dass sie in m Bereiche eingeteilt wird, wobei m die Anzahl der Pixel der Digitalkamera ist, die eine Periode des projizierten Intensitätsmusters erfasst (Abtastrate) und die Funktion stetig ist und in einem der Bereiche den Wert 1 hat (d.h. die Grundzelle hier opak ist) und in einem der Bereiche den Wert 0 hat (d.h. hier transparent ist) und dazwischen Arkussinus-förmig bzw. Arkuskosinus-förmig verläuft.
Der zweite Aspekt ist zunächst unabhängig von dem oben beschriebenen ersten Aspekt. Bevorzugt werden jedoch beide Aspekte kombiniert, wobei die zweiten und dritten Bereiche des zweiten Aspekts den zusammenhängenden transparenten und opaken Streifen gemäß dem ersten Aspekt entsprechen.
Insbesondere kann daher gemäß dem ersten Aspekt die binäre Amplitudenmaske durch Aneinanderreihung von Grundzellen in der ersten und der zweiten Richtung periodisch oder quasiperiodisch strukturiert sein, wobei die Strukturperiode in der ersten Richtung entlang der Streifen des Streifenmusters kleiner ist als die Auflösung des Gesamtsystems, und wobei die Grundzellen in dem ersten Streifenbereich in der ersten Richtung über ihre Höhe teilweise opak und teilweise transparent sind, wobei der jeweilige Anteil in Abhängigkeit von der Position in der zweiten Richtung variiert.
Bevorzugte Ausgestaltungen sowohl des ersten als auch des zweiten Aspekts werden im Folgenden näher beschrieben.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Breite der zusammenhängenden transparenten und/oder opaken Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung in dem durch die Digitalkamera erfassten Bild im Wesentlichen der Breite eines Pixels der Digitalkamera entspricht. Hierdurch wird ein Pixel, welches in der zweiten Richtung genau mittig zu der Projektion des jeweiligen zusammenhängenden transparenten oder opaken Streifens bzw. zweiten oder dritten Bereiches angeordnet ist, jeweils trotz seiner Ausdehnung eine Intensität von 100% bzw. 0 % erfassen. Die Intensitäts- und Kontrasteinbußen, welche im Stand der Technik aufgrund der Integration über die Breite der Pixel auftraten, werden daher vermieden.
Dass die Breite der zusammenhängenden transparenten und/oder opaken Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung in dem durch die Digitalkamera erfassten Bild der Breite eines Pixel der Digitalkamera im Wesentlichen entspricht, bedeutet dabei bevorzugt, dass die Breite der zusammenhängenden transparenten und/oder opaken Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung in dem durch die Digitalkamera erfassten Bild zwischen 50 % und 200% der Breite eines Pixels der Digitalkamera beträgt, bevorzugt zwischen 80 % und 120 % der Breite eines Pixel der Digitalkamera. Insbesondere kann die Breite der zusammenhängenden transparenten und/oder opaken Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung in dem durch die Digitalkamera erfassten Bild der Breite eines Pixels der Digitalkamera entsprechen, d.h. auf die Breite eines Pixels abgebildet werden.
Für die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist zwar die tatsächliche Erstreckung der Kamera-Pixel in der zweiten Richtung entscheidend, nicht das Rastermaß des Kamerachips. Bei üblichen Kamerachips ist die Überdeckung der Fläche mit Pixeln jedoch sehr hoch, so dass sich hierdurch kaum ein Unterschied ergibt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die Breite der zusammenhängenden transparenten und/oder opaken Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung 1/m der Periodenlänge des Streifenmusters bzw. der Breite der Grundzelle beträgt, wobei m die Anzahl der Pixel der Digitalkamera ist, die in der zweiten Richtung eine Periode des projizierten Intensitätsmusters erfassen.
Dass die Breite der zusammenhängenden transparenten und/oder opaken Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung ungefähr 1/m der Periodenlänge des Streifenmusters bzw. der Breite der Grundzelle beträgt, bedeutet dabei bevorzugt, dass die die Breite der zusammenhängenden transparenten und/oder opaken Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung zwischen 50 % und 200% eines Anteils 1/m der Periodenlänge des Streifenmusters bzw. der Breite der Grundzelle beträgt, bevorzugt zwischen 80 % und 120 %. Insbesondere kann die Breite der zusammenhängenden transparenten und/oder opaken Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung 1/m der Periodenlänge des Streifenmusters bzw. der Breite der Grundzelle betragen.
Soweit im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Größe der einzelnen Bereiche des Musters unter Bezugnahme auf eine Projektion auf den Kamerachip definiert wird, erfolgt diese Definition für den Soll-Objektabstand des Streifenprojektionssystems, welcher bevorzugt dem Abstand mit der besten Abbildungsschärfe und/oder der Mittelebene der Schärfentiefe entspricht.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Anzahl m der Pixel der Digitalkamera, die in der zweiten Richtung eine Periode des projizierten Intensitätsmusters erfassen, in dem Bereich von 3 bis 20 liegt. Drei Pixel pro Periode stellen dabei die theoretische Untergrenze dar, welche noch eine Zuordnung der Pixel zum Sinusmuster erlaubt. Bei üblichen technischen Realisierungen werden jedoch üblicherweise mindestens vier Pixel pro Periode eingesetzt. Werden mehr als 20 Pixel pro Periode eingesetzt, verliert die vorliegende Erfindung weitgehend ihre Bedeutung, da die Effekte nur noch sehr gering ausfallen.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Breite der zusammenhängenden opaken und/oder transparenten Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung mindestens 1/m der Periodenlänge des Streifenmusters bzw. der Breite der Grundzelle beträgt, wobei m kleiner gleich 20, bevorzugt kleiner gleich 10 ist, weiter bevorzugt kleiner gleich 5 ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Breite der zusammenhängenden opaken und/oder transparenten Streifen bzw. des zweiten und/oder dritten Bereiches in der zweiten Richtung maximal 1/n der Periodenlänge des Streifenmusters bzw. der Breite der Grundzelle beträgt, wobei n größer als 3 ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass durch die Aufteilung des Streifenmusters in zusammenhängende opake und transparente Streifen und dazwischen liegende Übergangsbereiche bzw. durch die Aufteilung der Grundzellen in opake und transparente Bereiche zusammen mit der Abtastrate der Digitalkamera und dem Auflösungsvermögen der Projektions- und Kameraoptik lokal die gewünschte periodische Intensitätsverteilung auf dem Kamerabild mit dem maximal möglichen Kontrast erzeugt wird.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die periodische Intensitätsverteilung, die auf dem Kamerabild erzeugt wird, lokal in eine Richtung konstant und in die zweite Richtung eine Sinusfunktion ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Grundzellen gemäß dem zweiten Aspekt jeweils einen zusammenhängenden opaken oder transparenten Bereich aufweisen. Hierdurch ergeben sich die bereits oben beschrieben Vorteile im Hinblick auf die Vermeidung herstellungsbedingter Einbußen im Kontrast oder der maximalen Intensität.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel werden die Übergangsbereiche dadurch gebildet, dass die Position der Grenzlinien zwischen den zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen in der zweiten Richtung im Bereich der ersten Streifenbereiche in Abhängigkeit von der Position in der ersten Richtung variiert.
Insbesondere kann die Variation der Position der der Grenzlinien der Breite der ersten Streifenbereiche entsprechen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Grenzlinien zwischen den zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen im Bereich der ersten Streifenbereiche eine Wellenform auf.
Insbesondere ist die Variation in der Position der Grenzlinien so ausgeführt, dass sie in der ersten Richtung durch die Projektions- und Kameraoptik nicht mehr aufgelöst wird und daher in der ersten Richtung auf dem Kamerachip nicht zu einer Variation in der Helligkeit führt.
Insbesondere kann die Wellenlänge in der ersten Richtung kleiner als die Auflösung der Projektions- und Kameraoptik sein. Bevorzugt ist die Wellenform sinusförmig.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel besteht die Amplitudenmaske bevorzugt ausschließlich aus den zusammenhängenden transparenten und opaken Streifen, wobei die Übergangsbereiche bzw. die ersten Streifenbereiche durch den Verlauf der Grenzlinien zwischen den zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen gebildet werden.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist dagegen vorgesehen, dass die Übergangsbereiche dadurch gebildet werden, dass zwischen den zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen ein Muster aus diskreten opaken oder transparenten Elementen vorgesehen ist.
Bevorzugt nimmt der Flächenanteil der opaken oder transparenten Elemente in der zweiten Richtung unter Berücksichtigung der Auflösung der Projektions- und Kameraoptik stetig ab oder zu.
Gemäß einer ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels handelt es sich bei den diskreten opaken oder transparenten Elementen um Streifen, wobei sich die Streifen bevorzugt in der ersten Richtung erstrecken und in der zweiten Richtung eine von Streifen zu Streifen kleiner oder größer werdende Dicke aufweisen.
Gemäß einer zweiten Variante des zweiten Ausführungsbeispiels handelt es sich bei den diskreten opaken oder transparenten Elementen um Punkte, wobei die Punkte bevorzugt in der zweiten Richtung kleiner oder größer werden oder die Dichte der Punkte in der zweiten Richtung kleiner oder größer wird.
Das Muster ist bevorzugt so ausgeführt, dass es durch die Projektions- und Kameraoptik nicht mehr aufgelöst wird und daher in der ersten Richtung auf dem Kamerachip nicht zu einer Variation in der Helligkeit und/oder in der zweiten Richtung zu einer stetig abnehmenden oder zunehmenden Helligkeit führt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die opaken und transparenten Bereiche innerhalb der Amplitudenmaske jeweils eine Breite in der zweiten Richtung aufweisen, welche eine Herstellung mit lithographischen Prozessen erlaubt, ohne dass eine herstellungsbedingte Beeinträchtigung im Kontrast der projizierten und von der Kamera erfassten Intensitätsverteilung auftritt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die binäre Amplitudenmaske quasi-periodisch ist und die Ausrichtung und/oder Periodenlänge des Gitters bzw. die Größe und die Position ihrer Grundzellen in beide oder einer der beiden Richtungen über das Gitter variiert und hierdurch bevorzugt an die jeweilige Projektionsgeometrie angepasst ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist das Streifenprojektionssystem eine Auswertungseinheit auf, welche das durch die Digitalkamera erfasste Streifenmuster auswertet und hieraus die dreidimensionale Form des Messobjekts ermittelt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Auswertung und insbesondere die Ermittlung der Position des Streifenmusters in der zweiten Richtung durch einen räumlichen Phasenshift erfolgt.
Die Ermittlung der dreidimensionalen Form des Messobjekts erfolgt bevorzugt durch Triangulation.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist das Streifenprojektionssystem eine Bewegungseinheit auf, welche das Streifenprojektionssystem an der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts entlang führt, wobei es sich insbesondere um einen Roboterarm handelt.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Amplitudenmaske für ein Streifenprojektionssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Herstellung durch einen lithographischen Prozess, insbesondere einen photo-lithografischen Prozess erfolgt.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Streifenprojektionssystem, wie es oben beschrieben wurde, mit den Schritten:

- Projektion eines Streifenmusters auf ein Messobjekt,
- Erfassung des Streifenmusters und
- Auswertung des erfassten Streifenmusters.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Verfahren zur Erfassung von Oberflächendefekten und/oder Formabweichungen von Blechteilen eingesetzt wird. Insbesondere kann es sich hierbei um Karosserieteile von Fahrzeugen handeln.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Auswertung des erfassten Streifenmusters durch einen räumlichen Phasenshift erfolgt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Streifenprojektionssystem an der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts entlang geführt wird, um dieses zu vermessen.
Die vorliegende Erfindung realisiert damit wie oben beschrieben ein binäres Amplitudengitter, welches zusammen mit der Abtastrate der Digitalkamera und dem Auflösungsvermögen der Projektions- und Kameraoptik eine vorgegebene eindimensionale, periodische Intensitätsverteilung auf dem Kamerabild mit maximalem Kontrast erzeugt. Dabei wird insbesondere ein Kontrastabfall durch die Abtastrate der Kamera verhindert oder kompensiert. Eine herstellungstechnisch bedingte Kontrastabnahme wird ebenfalls weitestgehend vermieden. In gewissem Maße ist auch eine Kompensation der Kontrastabnahme durch das begrenzte Auflösungsvermögen von Projektions- und Kameraoptik in der zweiten Richtung möglich.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Streifenprojektionssystems,
2 eine Grundzelle gemäß dem Stand der Technik,
3 eine binäre Amplitudenmaske gemäß dem Stand der Technik,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Grundzelle gemäß der vorliegenden Erfindung,
5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Amplitudenmaske gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 in einem linken Diagramm die sich auf dem Messobjekt und nach der Erfassung durch den Kamerachip ergebende Intensitätsverleitung bei der darunter dargestellten Basiszelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und im rechten Diagramm zum Vergleich die sich auf dem Messobjekt und sich nach der Erfassung durch den Kamerachip ergebende Intensitätsverleitung bei der darunter dargestellten Basiszelle gemäß dem Stand der Technik,
7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Amplitudenmaske gemäß der vorliegenden Erfindung und
8 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Amplitudenmaske gemäß der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Streifenprojektionssystems in einer Prinzipdarstellung.
Das Streifenprojektionssystem weist einen Projektor P auf, welcher ein Streifenmuster S auf ein Messobjekt M projiziert. Weiterhin ist eine Digitalkamera K vorgesehen, welche das auf dem Messobjekt M erzeugte Streifenmuster S aufnimmt. Die Aufnahme wird durch eine Auswertungseinheit A ausgewertet. Projektor P und Kamera K können auf einer Basis in einem gewissen Abstand voneinander und mit einem Triangulationswinkel angeordnet.
Der Projektor P weist eine Lichtquelle 3, eine binäre Amplitudenmaske 4 und eine Projektionsoptik 5 auf, und bildet daher das Muster der Amplitudenmaske 4 auf das Messobjekt M ab. Die Kamera K weist eine Optik K auf, welche das Muster auf eine Kamerachip 1 abbildet. Die binäre Amplitudenmaske 4 weist ein statisches Muster aus transparenten und opaken bzw. undurchsichtigen Bereichen auf. Bei der Amplitudenmaske 4 handelt es sich beispielsweise um ein mikrostrukturiertes chrombeschichtetes Glassubstrat, welches beispielsweise mittels lithographischen und nasschemischen Verfahren hergestellt wird.
Im Rahmen der Erfindung wird daher ein statisches Streifenmuster auf die zu erfassende Oberfläche projiziert, um die dreidimensionale Form der Oberfläche zu ermitteln. Dies ermöglicht es, das Streifenprojektionssystem gegenüber dem Messobjekt zu bewegen.
Die vorliegende Erfindung arbeitet daher bevorzugt mit einem räumlichen Phasenshift, d.h. die Phasenlage aus den Helligkeitsunterschieden an benachbarten Orten und insbesondere aus den Helligkeitsunterschieden der Pixel eines durch die Digitalkamera aufgenommenen Bildes bestimmt. Hierdurch ist es möglich, die Position des Streifenmusters bzw. der Phasenlage des Streifenmusters mit einer Genauigkeit zu bestimmen, welche deutlich höher ist als die Erstreckung der einzelnen Pixel.
Um eine ausreichend hohe Auflösung zu erreichen, wird bevorzugt ein sehr feines Streifenmuster eingesetzt, dessen Periode auf nur wenige Kamerapixel der Kamers des Messsystems abgebildet wird. Insbesondere wird eine Periode des Streifenmusters auf drei bis zwanzig Pixel abgebildet wird. Das Streifenmuster kann auf der binären Amplitudenmaske beispielsweise zwischen 10 und 500 Strichen pro Millimeter aufweisen, bevorzugt zwischen 50 und 200 Strichen pro Millimeter.
Gemäß dem Stand der Technik wurde üblicher Weise eine sinusförmige Intensitätsverteilung des projizierten Musters eingesetzt, wobei über die Helligkeit, welche von den einzelnen Kamerapixeln erfasst wird, die Position der Pixel relativ zu dieser sinusförmigen Intensitätsverteilung bestimmt werden kann. Hierbei machte sich diese Art der Auswertung zu Nutze, dass auch eine über die Breite eines Kamerapixels gemittelte sinusförmige Intensitätsverteilung wiederum eine Sinuskurve ergibt. Aus der Helligkeit eines Pixels konnte daher unmittelbar auf dessen Position relativ zur Sinuskurve geschlossen werden. Allerdings verliert die durch die Mittelung über die Breite des Kamerapixels erzeugte Sinuskurve an Amplitude, sodass der Kontrast des sich ergebenden Bildes sinkt.
Die Erfindung hat sich nun zum Ziel gesetzt, diesen Kontrast zu verbessern.
Bei dem Gitter handelt es sich dabei um ein Muster, welches aus durchsichtigen und undurchsichtigen bzw. opaken Bereichen zusammengesetzt ist.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher insbesondere im ersten Ausführungsbeispiel verwirklicht ist, wird eine Grundzelle Z eingesetzt, welche sowohl entlang der Streifen, als auch in Wellenrichtung senkrecht zu den Streifen (mit ggf. geringfügigen Änderungen in der Größe) wiederholt wird. In Richtung der Streifen ist das Muster so fein, dass es nach der Abbildung der Projektions- und Kameraoptik und schließlich der Abtastung der Kamerapixel nicht mehr aufgelöst wird, und daher in Streifenrichtung (der ersten Richtung der vorliegenden Erfindung) zu einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung verschwimmt. Senkrecht zur Streifenrichtung (d.h. in der zweiten Richtung der vorliegenden Erfindung) erzeugt es die gewünschte Modulation.
Gemäß dem Stand der Technik hatte der opake Bereich O dieser Grundzelle wie in 2 gezeigt die Form einer sich in einer Richtung Px senkrecht zur Streifenrichtung Py ausbreitenden Linie, deren Dicke F1 in Abhängigkeit von der Position Linienrichtung Px sinusförmig variiert. Aufgrund einer minimalen Strichbreite beim Herstellungsverfahren des Musters war wie in 3 gezeigt die Linie an ihrer dünnsten Stelle jedoch immer noch so breit wie diese minimale Strichbreite des Herstellungsverfahrens, die Breite ging daher nicht komplett auf 0. Weiterhin war auch an der dicksten Stelle der Abstand zur in Streifenrichtung benachbarten Linie nicht gleich 0, sondern entsprach auch hier der minimalen Strichbreite, sodass auch hier keine Überdeckung von 100% erreicht wurde. Weder der transparente Bereich T noch der opake Bereich 0 wies daher in der ersten Richtung Py eine Überdeckung von 100 % auf. Die Grundzellen des Musters in 3 sind hierbei mit Z41 bis Z46 bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Streifenmuster wird dagegen gemäß dem zweiten Aspekt aus Grundzellen gebildet, welche die Tatsache berücksichtigen, dass die sich ergebende Intensitätsverteilung am Ende durch Pixel mit endlicher Ausdehnung aufgelöst werden soll, und sich die sinusförmige Intensitätsverteilung erst nach der Mittelung über die Breite eines solchen ausgedehnten Pixels ergeben muss.
Die Grundzellen gemäß dem zweiten Aspekt weisen daher wie in 4 gezeigt Bereiche X22 auf, in welchen der opake Bereich O eine Erstreckung F22 in der ersten Richtung Py von 100% aufweist, und/oder Bereiche X24, in welchen der opake Bereich O unterbrochen ist und daher eine Erstreckung F24 in der ersten Richtung Py von 100% aufweist, während der transparente Bereich T eine Erstreckung in der ersten Richtung Py von 100% aufweist. Die Bereiche X22 und X24 sind dabei in der zweiten Richtung Px in etwa so breit, dass sie bei Abbildung auf den Kamerachip der Breite eines Pixels entsprechen. Hierdurch wird ein Kamerapixel, welches genau mittig zu einem Maximum der Intensitätsverteilung angeordnet ist, tatsächlich 100% der Helligkeit aufnehmen, und bei einem Minimum der Intensitätsverteilung 0%. Die dazwischenliegenden ersten Bereiche X21 und X23 weisen einen variierenden Anteil F21 bzw. F23 des opaken Bereichs O auf, durch welchen sich bei einer entsprechenden Verschiebung des Kamerapixels wiederrum eine sinusförmige Intensitätsverteilung in dem sich ergebenden Bild der Kamera ergibt. Hierbei weist der opake Bereich in Richtung Py eine Sinus- bzw. Cosinusform auf, in Richtung Px dementsprechend eine Arcus-Sinus- bzw. Arcus-Cosinus-Form.
Die Ausgestaltung der Grundzelle kann hierbei berücksichtigen, dass sich auch durch die Optik des Projektionssystems und des Kamerasystems eine gewisse Nivellierung des Musters ergibt. Die Bereiche X22 mit 100% opakem Anteil und X24 mit 0% opakem Anteil können daher in ihrer Breite so gewählt werden, dass sie unter Berücksichtigung der Projektionseigenschaften des Projektors und der Kamera auf dem Kamerachip jeweils Bereiche mit einer Intensität von 100% bzw. 0% erzeugen, welche so breit sind wie ein Kamerapixel. Weiterhin kann die Berücksichtigung der Projektionseigenschaften des Projektors und der Kamera auch zu einer geringfügigen Anpassung des Verlaufs des opaken Anteils in den ersten Bereichen X21 und X23 führen.
5 zeigt nun ein durch mehrere Grundzellen Z31 bis Z34 gebildetes Streifenmuster auf der binären Amplitudenmaske gemäß dem zweiten Aspekt bzw. dem entsprechenden ersten Ausführungsbeispiel. Es ergeben sich daher jeweils zusammenhängende Streifen opaker Bereiche O und transparenter Bereiche T, wobei die Position der Grenze zwischen den opaken und transparenten Streifen in der zweiten Richtung in Abhängigkeit von der Position in der ersten Richtung variiert und die Grenze insbesondere wellenförmig verläuft.
6 zeigt die sich durch die vorliegende Erfindung ergebenden Intensitätsverläufe (links) im Vergleich zu jenen gemäß dem Stand der Technik (rechs).
Im linken Diagramm ist die sich auf dem Messobjekt ergebende Intensitätsverteilung I und die sich nach der Erfassung durch den Kamerachip ergebende Intensitätsverteilung I* bei der darunter dargestellten Basiszelle gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie an der Intensitätsverteilung I ersichtlich, erstrecken sich die Bereiche des projizierten Musters mit einer Intensität von 100% bzw. 0 % jeweils über eine gewisse Breite der Basiszelle, welche aufgrund der Abbildungsoptik allerdings etwas geringer ist als die Breite der entsprechenden Bereiche mit 100 % bzw. 0 % opakem Anteil der Basiszelle der binären Phasenmaske, welche darunter dargestellt ist. Die sich im Bild der Kamera ergebende Intensitätsverteilung I* weist dagegen aufgrund der Integration über die Breite der Pixel eine Sinusform auf.
Im rechten Diagramm sind zum Vergleich die sich auf dem Messobjekt ergebende Intensitätsverteilung I und die sich nach der Erfassung durch den Kamerachip ergebende Intensitätsverteilung I* bei der darunter dargestellten Basiszelle gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Hier weist bereits die Intensitätsverteilung I auf dem Messobjekt eine Sinusform auf, welche bei der sich im Bild der Kamera ergebenden Intensitätsverteilung I*jedoch zu einer geringeren maximalen Intensität und zu einem geringeren Kontrast führt.
Die vorliegende Erfindung erhöht daher ohne Qualitätseinbußen bei der gewünschten (Sinus-)Form des erfassten Musters dessen maximale Intensität und Kontrast.
Die vorliegende Erfindung kann gemäß dem ersten Aspekt auch ohne den Rückgriff auf Grundzellen beschrieben werden, bzw. ohne solche Aufteilung umgesetzt werden.
7 und 8 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, welche dies verdeutlichen, da in ihnen die Aufteilung des Musters der Amplitudenmaske in Grundzellen weniger deutlich zu Tage tritt als bei dem ersten Ausführungsbeispiel bzw. auch konzeptionell nicht mehr notwendig ist.
Hierbei weist die Amplitudenmaske gemäß dem ersten Aspekt zusammenhängende, in erster Richtung durchgehend opake Steifen O und in erster Richtung durchgehend transparente Steifen T auf, zwischen welchen jeweils Übergangsbereiche Ü vorgesehen sind, in welchen sich der Anteil der opaken und der transparenten Flächenanteile in zweiter Richtung über einen gewissen Erstreckungsbereich ändert. Die Übergangsbereiche Ü entsprechen hierbei dem ersten Bereich gemäß dem oben beschriebenen zweiten Aspekt bzw. ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei sich auch das oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel in gleicher Weise als Abfolge von zusammenhängenden, in erster Richtung durchgehenden opaken Steifen O und transparente Steifen T und zwischen diesen angeordneten Übergangsbereichen Ü beschreiben lässt. Die Übergangsbereiche werden beim ersten Ausführungsbeispiel durch die Bereiche X21, X23 gebildet, in welchen sich der Anteil der der opaken und der transparenten Flächenanteile in Abhängigkeit von der zweiten Richtung ändert, bzw. in welchen die Grenze zwischen den opaken und transparenten Steifen O und T variiert und insbesondere eine Wellenform aufweist.
Bei den Ausführungsbeispielen in 7 und 8 kommt dagegen eine Ausgestaltung zum Einsatz, bei welcher in den Übergangsbereichen Ü jeweils Muster aus diskreten opaken oder transparenten Elementen vorgesehen sind, d.h. Muster aus voneinander separierten opaken oder transparenten Elementen auf einem transparenten bzw. opaken Hintergrund. Die Muster sind hierbei so ausgestaltet, dass sich der Flächenanteil der opaken oder transparenten Elemente in der zweiten Richtung über die Breite der Übergangsbereiche Ü ändert und insbesondere einen Übergang zwischen den komplett transparenten Streifen T und den komplett opaken Streifen O bildet.
Das Muster ist dabei so ausgestaltet, dass es durch die Abbildungsoptik von Projektor und Kamera nicht mehr aufgelöst wird und daher auf dem Kamerachip in der ersten Richtung eine konstante Intensitätsverteilung vorliegt und sich die Intensität in der zweiten Richtung stetig von maximaler Intensität zu minimaler Intensität ändert oder umgekehrt.
Bei dem Ausführungsbeispiel in 7 wird das Muster durch opake Punkte gebildet, deren Größe und/oder Dichte sich in der zweiten Richtung ändert.
Bei dem Ausführungsbeispiel in 8 wird das Muster durch in erster Richtung verlaufende opake Striche gebildet, deren Dicke und/oder Dichte sich in der zweiten Richtung ändert.
In beiden Ausführungsbeispielen wird ein regelmäßiges Muster eingesetzt, welches konzeptionell immer noch in Grundzellen aufteilbar wäre, auch wenn das Muster mehrere unterschiedliche Ausdehnungen der Grundzellen in der ersten Richtung erlauben würde bzw. in 8 in der ersten Richtung ohnehin ein konstantes Muster zum Einsatz kommt.
Die vorliegende Erfindung könnte jedoch auch durch ein unregelmäßiges Muster für den Übergangsbereich Ü verwirklicht werden, bspw. indem der Übergangsbereich zufällig opak und transparent gepixelt wird, und lediglich der durchschnittliche Anteil der opaken bzw. transparenten Pixel in der zweiten Richtung ansteigt bzw. fällt.
Für die Dimensionierung der Übergangsbereiche Ü und insbesondere deren Breite in der zweiten Richtung gilt für den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung das gleiche, was oben im Hinblick auf die ersten Bereiche X21, X23 bereits erläutert wurde, wobei an die Stelle der Breite der Grundzelle in der zweiten Richtung die Periodenlänge des Streifenmusters trifft, welche dieser konzeptionell entspricht.
Beide Aspekte der vorliegenden Erfindung erlauben eine deutliche Verbesserung des Kontrastes des durch den Kamerachip erfassten Streifenmusters.
Das Streifenprojektionssystem kann insbesondere dazu eingesetzt werden, um Oberflächendefekte und Formabweichungen von Blechteilen, insbesondere Karosserieteilen aus der Automobilindustrie, zu erfassen. Es wird hierfür über einen Roboter an dem Blechteil entlanggeführt.
Das Streifenprojektionssystem kann beispielsweise eine Tiefenschärfe zwischen 5 % und 20 % des Objektabstands aufweisen, beispielsweise 10%. In einem möglichen Ausführungsbeispiel kann die Tiefenschärfe beispielsweise +- 2cm bei einem Objektabstand von ca. 40 bis 50 cm betragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19855324 [0004]

Claims

Streifenprojektionssystem zur dreidimensionalen Erfassung der Oberfläche eines Messobjekts, mit einem Projektor zur Projektion eines Streifenmusters auf das Messobjekt und einer Digitalkamera zur Erfassung des Streifenmusters, wobei der Projektor eine binäre Amplitudenmaske umfasst, welche transparente und opake Bereiche aufweist, wobei die Amplitudenmaske erste, sich in einer ersten Richtung erstreckende Streifenbereiche aufweist, in welchen der Anteil der opaken und der transparenten Flächenanteile in Abhängigkeit von einer Position in einer zweiten Richtung variiert, wobei bevorzugt der Anteil der opaken und der transparenten Flächenanteile unter Berücksichtigung der Auflösung der Projektions- und Kameraoptik über die Erstreckung des jeweiligen ersten Bereiches in der zweiten Richtung stetig ansteigt oder fällt, dadurch gekennzeichnet dass die ersten Streifenbereiche jeweils einen Übergangsbereich zwischen zusammenhängenden, sich in der ersten Richtung erstreckenden opaken bzw. transparenten Streifen bilden und sich mit diesen in der zweiten Richtung abwechseln.
Streifenprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei die Breite der zusammenhängenden opaken bzw. transparenten Streifen in der zweiten Richtung in dem durch die Digitalkamera erfassten Bild im Wesentlichen der Breite eines Pixel der Digitalkamera entspricht, und/oder wobei die Breite der zusammenhängenden opaken bzw. transparenten Streifen in der zweiten Richtung ungefähr 1/m der Periodenlänge des Streifenmusters beträgt, wobei m die Anzahl der Pixel der Digitalkamera ist, die in der zweiten Richtung eine Periode des projizierten Intensitätsmusters erfassen.
Streifenprojektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl m der Pixel der Digitalkamera, die in der zweiten Richtung eine Periode des projizierten Intensitätsmusters erfassen, in dem Bereich von 3 bis 20 liegt, und/oder wobei die Breite der zusammenhängenden opaken bzw. transparenten Streifen in der zweiten Richtung mindestens 1/m der Periodenlänge des Streifenmusters beträgt, wobei m kleiner gleich 20, bevorzugt kleiner gleich 10 ist.
Streifenprojektionssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei durch die Aufteilung des Streifenmusters in zusammenhängende opake und transparente Streifen und dazwischen liegende Übergangsbereiche zusammen mit der Abtastrate der Digitalkamera und dem Auflösungsvermögen der Projektions- und Kameraoptik lokal die gewünschte periodische Intensitätsverteilung auf dem Kamerabild mit dem maximal möglichen Kontrast erzeugt wird.
Streifenprojektionssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die periodische Intensitätsverteilung, die auf dem Kamerabild erzeugt wird, lokal in die erste Richtung konstant und in die zweite Richtung im Wesentlichen eine Sinusfunktion ist.
Streifenprojektionssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die binäre Amplitudenmaske durch Aneinanderreihung von Grundzellen in der ersten und der zweiten Richtung periodisch oder quasiperiodisch strukturiert ist, wobei die Strukturperiode in der ersten Richtung entlang der Streifen des Streifenmusters kleiner ist als die Auflösung der Projektions- und Kameraoptik, und wobei die Grundzellen in dem ersten Streifenbereich in der ersten Richtung über ihre Höhe teilweise opak und teilweise transparent sind, wobei der jeweilige Anteil in Abhängigkeit von der Position in der zweiten Richtung variiert.
Streifenprojektionssystem nach Anspruch 6, wobei in der Grundzelle der opake Anteil in dem ersten Bereich in Abhängigkeit von der Position in der zweiten Richtung stetig variiert, insbesondere von einem Anteil von 100% auf einen Anteil von 0%, und bevorzugt Arkussinus-förmig bzw. Arkuscosinus-förm ig verläuft.
Streifenprojektionssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Übergangsbereiche dadurch gebildet werden, dass die Position der Grenzlinien zwischen den zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen in der zweiten Richtung im Bereich der ersten Streifenbereiche in Abhängigkeit von der Position in der ersten Richtung variiert, wobei bevorzugt die Variation der Position der Breite der ersten Streifenbereiche entspricht, wobei bevorzugt die Grenzlinien zwischen den zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen im Bereich der ersten Streifenbereiche eine Wellenform aufweisen.
Streifenprojektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Übergangsbereiche dadurch gebildet werden, dass zwischen den zusammenhängenden opaken und transparenten Streifen ein Muster aus diskreten opaken oder transparenten Elementen vorgesehen ist, wobei bevorzugt der Flächenanteil der opaken oder transparenten Elemente in der zweiten Richtung unter Berücksichtigung der Auflösung der Projektions- und Kameraoptik stetig abnimmt oder zunimmt.
Streifenprojektionssystem nach Anspruch 9, wobei es sich bei den voneinander separierten opaken oder transparenten Elementen um Streifen oder Punkte handelt, wobei sich die Streifen bevorzugt in der ersten Richtung erstrecken und in der zweiten Richtung eine von Streifen zu Streifen kleiner oder größer werdende Dicke aufweisen oder wobei die Punkte bevorzugt in der zweiten Richtung kleiner oder größer werden oder die Dichte der Punkte in der zweiten Richtung kleiner oder größer wird.
Streifenprojektionssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die binäre Amplitudenmaske quasi-periodisch ist und die Ausrichtung und/oder Periodenlänge über das Gitter variiert und hierdurch bevorzugt an die jeweilige Projektionsgeometrie angepasst ist.
Streifenprojektionssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Auswertungseinheit, welche das durch die Digitalkamera erfasste Streifenmuster auswertet und hieraus die dreidimensionale Form des Messobjekts ermittelt, wobei die Auswertung bevorzugt durch einen räumlichen Phasenshift erfolgt.
Streifenprojektionssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Bewegungseinheit, welche das Streifenprojektionssystem an der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts entlang führt, wobei es sich insbesondere um einen Roboterarm handelt.
Verfahren zur Herstellung einer Amplitudenmaske für ein Streifenprojektionssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Herstellung durch einen lithographischen Prozess, insbesondere einen photo-lithografischen Prozess erfolgt.
Verfahren zum Betrieb eines Streifenprojektionssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten: - Projektion eines Streifenmusters auf ein Messobjekt, - Erfassung des Streifenmusters und - Auswertung des erfassten Streifenmusters, wobei das Verfahren bevorzugt zur Erfassung von Oberflächendefekten und/oder Formabweichungen von Blechteilen eingesetzt wird und/oder wobei bevorzugt die Auswertung des erfassten Streifenmusters durch einen räumlichen Phasenshift erfolgt und/oder wobei das Streifenprojektionssystem bevorzugt an der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts entlang geführt wird, um dieses zu vermessen.