DE10212364A1

DE10212364A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts

Info

Publication number: DE10212364A1
Application number: DE10212364A
Authority: DE
Inventors: Anton Kraus
Original assignee: Steinbichler Optotechnik GmbH
Current assignee: Steinbichler Optotechnik GmbH
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-16
Also published as: EP1485670A2; WO2003078920A2; US20040150836A1; JP2005520142A; US6876458B2; WO2003078920A3

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts (1) wird das Objekt (1) durch ein Projektionsgitter (2) mit Licht (3) bestrahlt. Das von dem Objekt 1 reflektierte Licht (4) wird von einem Sensor (5) aufgenommen. Die Aufnahme des Sensors wird ausgewertet. Um ein derartiges Verfahren zu verbessern, umfaßt das Projektionsgitter (2) ein erstes Gitter mit einem ersten Gittervektor (G¶1¶) und ein zweites Gitter mit einem davon verschiedenen zweiten Gittervektor (G¶2¶). Der Sensor (5) ist derart im Abstand (b) vom Projektionsgitter (2) angeordnet, daß die Projektionen (b¶x¶, b¶y¶) des vom ersten bzw. zweiten Gitter zum Sensor (5) führenden Basisvektors (b) auf die zugehörigen Gittervektoren (G¶1¶, G¶2¶) verschieden groß sind (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts, bei dem das Objekt durch ein Projektionsgitter mit Licht bestrahlt wird, das von dem Objekt reflektierte Licht von einem Sensor aufgenommen wird und die Aufnahme des Sensors ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts mit einer Projektionsoptik zum Projizieren eines Projektionsgitters auf das Objekt und einer Sensoroptik mit einem Sensor zum Aufnehmen des von dem Objekt reflektierten Lichts.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen, mit denen die Absolut-Koordinaten eines Objekts oder der Oberfläche eines Objekts bestimmt werden können, sind bereits bekannt. Als Sensoren werden Flächensensoren verwendet, insbesondere CCD- Sensoren.

Mit der Moiré-Technik und mit projizierten Linien kann die dreidimensionale Geometerie der Oberfläche eines Objektes bestimmt werden. Die Auswertung der Konturlinienbilder kann durch einen Rechner erfolgen, beispielsweise nach dem sogenannten Phasenshift-Verfahren. Dabei können, nach dem sogenannten zeitlichen Phasenshift-Verfahren, nacheinander phasenverschobene Bilder, also Sensor-Aufnahmen, über eine Videokamera in den Rechner eingelesen werden. Es ist auch möglich, die Konturlinienbilder über eine Fourier-Auswertung zu verarbeiten. Die Auswertung kann auch über andere Techniken erfolgen, bei denen nur ein Konturlinienbild, also nur eine Sensor-Aufnahme bzw. nur ein Videobild, notwendig sind. Beispiele sind in der DE 39 07 430 B1 und der DE 38 43 396 B1 angegeben.

Die Moiré-Technik liefert allerdings nur die relative Form der Objektoberfläche. Mit ihr kann im allgemeinen nicht der absolute Abstand zwischen dem Sensor bzw. der Kamera und dem Objekt aus einem Konturlinienbild bestimmt werden. Es ist also nicht möglich, mit den erwähnten Techniken und Verfahren die Absolut-Koordinaten (also die absoluten Koordinaten) der Objektoberfläche zu bestimmen.

Diese Absolut-Koordinaten des Objekts werden jedoch benötigt, um die absolute Größe des Objekts oder, bei stufenförmigen Querschnitten, die Tiefe des Objekts zu bestimmen. Da im Konturlinienbild keine Informationen über den Abbildungsmaßstab enthalten sind, werden für die Bestimmung der Absolut-Koordinaten zusätzliche, über das Konturlinienbild hinausgehende Informationen benötigt.

Diese zusätzlichen Informationen können durch Abstandssensoren gewonnen werden oder durch Ändern des Konturlinienabstandes oder durch Verschieben des Objekts oder der Kamera. Hierfür müssen allerdings Massen bewegt werden, was einen stabilen Aufbau der Versuchsanlage erfordert und verhältnismäßig viel Zeit in Anspruch nimmt. Der mechanische Aufwand ist sehr hoch, wenn eine gewisse Präzision erreicht werden soll.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Absolut-Vermessung der dreidimensionalen Koordinaten eines Prüfobjekts mittels Moiré-Technik ist in der DE 40 11 406 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden der Verschiebeweg eines Eichkörpers und/oder des Prüfobjekts senkrecht zur Ebene der Gitter (Projektionsgitter und Referenzgitter) gemessen. Aus der EP 0 343 366 A ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem ebenfalls die Moiré-Technik angewendet wird.

Aus der US 4 802 759 A ist ein Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten eines Punktes des Objekts bekannt, bei dem ein Projektionsgitter mit Licht durchstrahlt und auf das Objekt abgebildet wird. Das als Abbildung des Projektionsgitters auf dem Objekt entstehende Muster wird auf einen flächenhaften, ortsauflösenden Sensor abgebildet. Die Koordinaten des Punktes des Objekts werden durch Triangulation des Punktes, ausgehend vom Projektionsgitter und vom Sensor, ermittelt. Dabei wird jedoch lediglich ein einziges Sensorbild aufgenommen. Für die Durchführung dieses Verfahrens ist es erforderlich, eine Bezugslinie zu identifizieren.

Eine weitere Vorrichtung, bei einer Triangulationsverfahren angewendet wird, ist aus der EP 0 181 553 A bekannt.

Die US 4 564 295 A offenbart ein Verfahren, bei dem ein Gitter auf ein Objekt projiziert wird. Das Objekt wird dann abgebildet und mit einer Referenzgitter überlagert (Moiré). Zur Auswertung wird das Referenzgitter bewegt, oder es werden Projektionsgitter und Referenzgitter synchron bewegt, wodurch stationäre Konturlinien auf dem Objekt hervorgerufen werden.

Aus der US 4 641 972 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein sinusförmiges Gitter auf das Objekt projiziert und das Objekt unter einem Winkel beobachtet wird. Die Auswertung erfolgt mit der Phasenshifttechnik. Eine Auswertung über eine Triangulation findet nicht statt.

Die US 4 349 277 offenbart ein Verfahren, bei dem farbige Gitter mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen auf das Objekt projiziert werden. Die Aufnahme erfolgt über Farbfilter zur Wellenlängenselektion auf zwei Diodenzeilen. Äquidistante Gitter in verschiedenen Farben, die zueinander verschoben sind, werden parallel projiziert. Die Auswertung geschieht über das Verhältnis der Intensitäten der jeweiligen Farben.

In mehreren Verfahren auf Triangulationsbasis kommt der kodierte Lichtansatz zum Einsatz, bei dem das projizierte Licht eines Gitterstreifens als eine Ebene im Raum angesehen wird. Das Licht, das vom Objekt reflektiert wird und auf ein bestimmtes Sensorelement gelangt, wird als Gerade betrachtet. Der mit der Kamera betrachtete Objektpunkt wird aus einem Schnitt der durch das Sensorelement definierten Gerade mit der betrachteten Lichtebene berechnet. Die Identifizierung der betrachteten Lichtebene wird über eine Kodierung mit dem sogenannten kodierten Lichtansatz erreicht. Dabei kann die absolute Kodierung der projizierten Ebene durch eine Sequenz von projizierten Binärmustern erfolgen. Zusätzlich kann ein Phasenshift durchgeführt werden, um die Genauigkeit zu erhöhen.

Eine absolute Kodierung der Lichtebenen kann auch über eine Farbinformation des projizierten Gitters erreicht werden, was jedoch mit einer Abhängigkeit von den Farbeigenschaften des Objektes erkauft wird. In ähnlicher Weise kommen Muster zum Einsatz, die mit einer örtlichen Kodierung arbeiten, beispielsweise Binärmuster oder Farbmuster. Hierbei werden im Sensorbild benachbarte Bildelemente betrachtet und eine Identifizierung der projizierten Lichtebene über eine Nachbarschaftsbetrachtung erreicht.

Aus der EP 0 534 284 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Absolut- Koordinaten eines Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem bei einer ersten Stellung des Projektionsgitters und des Sensors eine erste Aufnahme und Auswertung vorgenommen werden und bei dem anschließend das Projektionsgitter und/oder der Sensor um einen bestimmten Winkel gedreht werden und eine zweite Aufnahme und Auswertung des Sensors vorgenommen werden. Aus den Auswertungen können die Absolut-Koordinaten des Objekts bestimmt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Projektionsgitter ein erstes Gitter mit einem ersten Gittervektor und ein zweites Gitter mit einem davon verschiedenen zweiten Gittervektor umfaßt und daß der Sensor derart im Abstand vom Projektionsgitter angeordnet ist, daß die Projektionen des vom ersten bzw. zweiten Gitter zum Sensor führenden Basisvektors auf die zugehörigen Gittervektoren verschieden groß sind.

Bei der 3D-Messung mit Streifenprojektion wird die Empfindlichkeit mit wachsender Basislänge und damit wachsendem Triangulationswinkel größer. Unter der "Basis" wird dabei der Vektor vom jeweiligen Gitter zum Sensor verstanden. Der Triangulationswinkel ist der Winkel zwischen der Strecke vom Objektpunkt zum jeweiligen Gitter und der Strecke vom Objektpunkt zum Sensor. Maßgebend für die Empfindlichkeit ist die Projektion des Basisvektors, also des Vektors vom jeweiligen Gitter zum Sensor, auf den zugehörigen Gittervektor. Dadurch, daß der Sensor derart im Abstand vom Projektionsgitter angeordnet ist, daß die Projektionen des vom ersten Gitter zum Sensor führenden Basisvektors auf den ersten Gittervektor und des vom zweiten Gittervektor zum Sensor führenden Basisvektors auf den zweiten Gittervektor verschieden groß sind, sind auch die zugehörigen Empfindlichkeiten verschieden groß. Die Empfindlichkeiten können durch eine entsprechende Wahl des Basisvektors derart gewählt werden, daß die Absolut-Koordinaten des Objekts bestimmt werden können. Insbesondere ist es möglich, die Basisvektoren von den Gittern zu dem Sensor und damit die Empfindlichkeiten derart zu wählen, daß zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten des Objekts nur ein einziges Bild vom Sensor bzw. von der Kamera aufgenommen werden muß. Damit ist es möglich, mit statischen, unveränderten Gittern in einer einzigen Aufnahme die Absolut-Koordinaten des Objekts zu bestimmen. Ein farbiges Gitter oder eine Farbkamera werden nicht benötigt, so daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung von der Objektfarbe unabhängig sind.

Gemäß der Erfindung kann insbesondere ein Gitterprojektionsverfahren durchgeführt werden, bei dem mit einer einzigen Aufnahme mit Hilfe des direkten Phasenshift-Algorithmus zwei Phasenbilder mit frei wählbaren Empfindlichkeiten erzeugt werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in die mit wachsender Basislänge größer werdende Empfindlichkeit nur die Projektion des Basisvektors auf den Gittervektor eingeht. Durch eine entsprechende Wahl des Basisvektors kann erreicht werden, daß die Projektion des vom ersten Gitter zum Sensor führenden Basisvektors auf den ersten Gittervektor von der Projektion des vom zweiten Gitter zum Sensor führenden Basisvektors auf den zweiten Gittervektor verschieden ist, so daß in Konsequenz hierzu verschiedene Empfindlichkeiten erreicht werden können. Insbesondere können zwei frei wählbare Empfindlichkeiten erreicht werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Vorzugsweise ist der Abstand des Sensors von den Gittern derart gewählt, daß das Objekt oder ein wesentlicher, interessierender Bereich des Objekts oder eine Diskontinuität des Objekts von einer Periode des mit geringerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters abgedeckt wird. Der Basisvektor für dieses Gitter ist also derart gewählt, daß das Objekt oder ein wesentlicher, interessierender Bereich des Objekts oder eine Diskontinuität des Objekts von einer Periode dieses Gitters abgedeckt wird. Die Anordnung kann derart gewählt werden, daß auch das größtmögliche Objekt, also das gesamte Meßvolumen der Vorrichtung, oder der größtmögliche wesentliche, interessierende Bereich des Objekts oder die größtmögliche Diskontinuität von einer Periode dieses Gitters abgedeckt wird. Es ist allerdings auch möglich, bei einer verstellbaren Vorrichtung den Basisvektor so einzustellen, daß die genannte Bedingung für das jeweilige Objekt bzw. dessen wesentlichen Bereich bzw. dessen Diskontinuität zutrifft.

Durch diese vorteilhafte Weiterbildung ist gewährleistet, daß für jeden Punkt des Objekts bzw. des Meßvolumens bzw. des wesentlichen Bereichs des Objekts bzw. der Diskontinuität des Objekts eine eindeutige Zuordnung bzw. Bestimmung der Absolut-Koordinaten möglich ist, und zwar auch dann, wenn die Oberfläche des Objekts Sprünge oder Absätze oder ähnliche Diskontinuitäten aufweist.

Die Empfindlichkeit des anderen Gitters kann auf eine ausreichende oder auf die größtmögliche Auswertegenauigkeit eingestellt sein. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Sensors von den Gittern derart gewählt ist, daß die Auswertung des mit größerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters mit einer ausreichenden Auswertegenauigkeit oder mit größtmöglicher Auswertegenauigkeit erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Sensors von den Gittern derart gewählt ist, daß eine Periode des mit geringerer Empfindlichkeit augewerteten Gitters und/oder des mit größerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters vier Pixel auf dem Sensor abdeckt. In diesem Fall ergibt sich ein besonders einfacher Auswertealgorithmus. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen mit Vorteil anwendbar.

Vorteilhaft ist es, wenn die Gittervektoren rechtwinkelig zueinander verlaufen.

Die Gitter können von einem Kreuzgitter gebildet werden. In diesem Fall werden das erste Gitter und das zweite Gitter auf einem gemeinsamen Projektionsgitter realisiert. Vorzugsweise handelt es sich um ein rechtwinkeliges Kreuzgitter, bei dem die Gittervektoren rechtwinkelig zueinander verlaufen. Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Gittervektoren denselben Betrag aufweisen, was insbesondere bei einem Projektionsgitter mit rechtwinkelig zueinander verlaufenden Gittervektoren von Vorteil ist.

Es ist allerdings auch möglich, daß die Gitter voneinander verschieden sind. Die das Projektionsgitter bildenden Gitter, also das erste Gitter und das zweite Gitter, können also voneinander verschieden, insbesondere voneinander beabstandet sein.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren vorgesehen sind. Vorzugsweise werden zwei Sensoren verwendet. Durch die Verwendung mehrerer Sensoren kann eine höhere Genauigkeit bei der Auswertung erreicht werden. Die Sensoren sind vorzugsweise voneinander beabstandet. Vorzugsweise gehören zu den verschiedenen Sensoren unterschiedliche Basisvektoren. Die Basisvektoren können allerdings auf einer Linie liegen, insbesondere auf einer durch das Projektionsgitter verlaufenden Linie. Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden unter Verwendung eines Kreuzgitters und zweier Sensoren vier unterschiedliche Phasenbilder erhalten, die auf besonders vorteilhafte Weise ausgewertet werden können.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Projektionsgitter vorgesehen.

Die Aufnahme des Sensors kann durch einen Phasenshift ausgewertet werden. Es kann ein zeitlicher und/oder räumlicher Phasenshift angewendet werden.

Vorzugsweise wird ein farbiges Projektionsgitter verwendet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Auswertung der Aufnahme des Sensors durch einen Phasenshift erfolgt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Projektionsgitter gedreht.

Vorteilhaft ist es, wenn mehrere Aufnahmen gemacht werden. Hierdurch kann die Genauigkeit der Auswertung erhöht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten 7 Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 ein Liniengitter mit einem Gittervektor,
Fig. 3 ein rechtwinkeliges Kreuzgitter mit zwei Gittervektoren,
Fig. 4 eine Abwandlung eines rechtwinkeligen Kreuzgitters mit zwei Gittervektoren,
Fig. 5 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts mit zwei Projektoren in einer schematischen Ansicht von oben,
Fig. 6 eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 5 mit einem Projektor und drei Kameras in einer der Fig. 5 entsprechenden Darstellung und
Fig. 7 eine weitere Abwandlung der Vorrichtungen gemäß Fig. 5 und 6 mit einem Projektor und zwei Kameras in einer den Fig. 5 und 6 entsprechenden Darstellung.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird ein Objekt 1 durch ein Projektionsgitter 2 mit Licht 3 bestrahlt. Das von dem Objekt 1 reflektierte Licht 4 wird von einem Sensor 5, nämlich einem Flächensensor, insbesondere einem CCD-Sensor, aufgenommen. Die Aufnahme des Sensors 5 wird ausgewertet (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Ein Ausführungsbeispiel des Gitters 2 ist in Fig. 3 gezeigt, nämlich ein ideales Sinusgitter mit zwei rechtwinkelig zueinander verlaufenden Gittervektoren G₁ und G₂. Stattdessen könnte auch das in Fig. 4 gezeigte rechtwinkelige Kreuzgitter verwendet werden, ein Sinusgitter mit zwei rechtwinkelig zueinander verlaufenden Gittervektoren G₁ und G₂ mit örtlicher grober Rasterung des Grauwertverlaufs. Die Beträge der Gittervektoren G₁ und G₂ in den Fig. 3 und 4 sind jeweils gleich groß.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist der Sensor 5 im Abstand vom Projektionsgitter 2 angeordnet. Der vom Projektionsgitter 2 zum Sensor führende Basisvektor ist mit b bezeichnet. Der Sensor 5 ist derart im Abstand b vom Projektionsgitter 2angeordnet, daß die Projektion b_x des Basisvektors b auf den ersten Gittervektor G₁ größer ist als die Projektion b_y des Basisvektors b auf den zweiten Gittervektor G₂. Auf dem Sensor 5 verläuft der Vektor a_x der Auswertung in x-Richtung parallel zum ersten Gittervektor G₁ und der Vektor a_y der Auswertung in y-Richtung parallel zum zweiten Gittervektor G₂. Durch die beschriebene Wahl des Basisvektors b ist gewährleistet, daß die Auswertung in Richtung des ersten Gittervektors G₁ bzw. in x- Richtung mit einer größeren Empfindlichkeit erfolgt als die Auswertung in Richtung des zweiten Gittervektors G₂ bzw. in y-Richtung. Die Empfindlichkeit nimmt mit wachsender Basislänge, also mit wachsender Länge der Projektion des Basisvektors b auf den jeweiligen Gittervektor bzw. mit wachsendem Triangulationswinkel γ zu, wobei der Triangulationswinkel γ der Winkel zwischen der Strecke 3 vom Objektpunkt 6 zum Gitter 2 und der Strecke 4 vom Objektpunkt 6 zum Sensor 5 ist.
Der Abstand b des Sensors 5 von den Gittern des Projektionsgitters 2 ist derart gewählt, daß das Objekt 1 von einer Periode des mit geringerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters, also des Gitters mit dem Gittervektor G₂, abgedeckt wird. Dieser Abstand b ist ferner derart gewählt, daß die Auswertung des mit größerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters, also des Gitters mit dem Gittervektor G₁, mit größtmöglicher Auswertegenauigkeit erfolgt.
Anstelle eines einzigen Projektionsgitters, welches zwei Gitter enthält, können auch voneinander verschiedene Gitter verwendet werden, beispielsweise Gitter der in Fig. 2 gezeigten Art, die nur einen Gittervektor G aufweisen. Diese Gitter werden derart angeordnet, daß die Gittervektoren G voneinander verschieden sind. Sie können im Abstand voneinander angeordnet werden. Vorzugsweise verlaufen die Gittervektoren G rechtwinkelig zueinander. Ein Beispiel ist in Fig. 5 gezeigt, bei dem ein erster Projektor 8 mit einem Gitter mit einem ersten Gittervektor G₁ und ein zweiter Projektor 9 mit einem zweiten Gitter mit einem rechtwinkelig zum ersten Gittervektor verlaufenden zweiten Gittervektor G₂ vorhanden sind, die im Abstand voneinander angeordnet sind. Die Verbindungslinie zwischen dem ersten Projektor 8 und dem zweiten Projektor 9, die in der Y-Achse liegt, verläuft senkrecht zur Verbindungslinie zwischen dem ersten Projektor 8 und dem Sensor 5 der Kamera; diese Linie ist Bestandteil der X-Achse.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist ein Projektor 8 vorhanden, der im Ursprung der X-Y-Koordinatenebene liegt. Auf der X-Achse sind eine erste Kamera 10, eine zweite Kamera 11 und eine dritte Kamera 12 im Abstand voneinander angeordnet.
Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist ein Projektor 8 im Ursprung des X-Y-Koordinatensystems angeordnet. Die erste Kamera 13 liegt im ersten Quadranten dieses Koordinatensystems, und zwar näher an der X-Achse als an der Y-Achse. Die zweite Kamera 14 liegt ebenfalls im ersten Quadranten der X- Y-Ebene, und zwar ebenfalls näher an der X-Achse als an der Y-Achse. Projektor 8, erste Kamera 13 und zweite Kamera 14 liegen annähernd auf einer Linie, wobei allerdings die erste Kamera 13 etwas außerhalb der Verbindungslinie zwischen dem Projektor 8 und der zweiten Kamera 14 liegt, und zwar etwas näher an der X- Achse.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, mit dem flächenhaft absolute Koordinaten eines Objekts gemessen werden können, wobei nur ein einziges Bild aufgenommen werden muß. Dies wird ermöglicht unter Verwendung eines Gitters, welches statisch ist und welches zu keinem Zeitpunkt manipuliert werden muß. Im Gegensatz zum bekannten "Einbild"-Verfahren benötigt das erfindungsgemäße Verfahren kein farbiges Gitter und auch keine Farbkamera; es ist also unabhängig von der Objektfarbe.
Die Transmissionsfunktion eines Gitters, beispielsweise des in Fig. 2 gezeigten Gitters, läßt sich wie folgt beschreiben:
Hierin bedeuten:

Gittervektor g Gitterkonstante
r_e Einheitsvektor in Richtung des Gittervektors
φ_n Phase des Gitters
r Vektor zu einem Ort auf dem Gitter
a Hintergrundintensität
b Kontrast
* Skalarprodukt-Operator
Es gilt: b > 0 und a >= b und a + b <= 1.
Bei der 3D-Messung mit Streifenprojektion wird die Empfindlichkeit mit wachsender Basislänge und damit wachsendem Triangulationswinkel γ sowie mit kleiner werdender Gitterkonstante größer. In die Empfindlichkeit geht dabei allerdings nur die Projektion des Basisvektors auf den Gittervektor ein. Wenn beispielsweise der Basisvektor senkrecht auf dem Gittervektor steht, ergibt dies die Empfindlichkeit null. Mit diesen Grundlagen läßt sich ein Gitterprojektionsverfahren entwickeln, welches mit einer Aufnahme mit Hilfe eines Auswertealgorithmus wie beispielsweise des direkten Phasenshiftalgorithmus zwei Phasenbilder mit frei wählbaren Empfindlichkeiten erzeugt.
Dazu kann ein sogenanntes Kreuzgitter mit folgender Transmissionsfunktion verwendet werden:
Hierin bedeuten:
G₁ Gittervektor des ersten Vektors
G₂ Gittervektor des zweiten Vektors
T (r) Transmissionsfunktion
Hierbei gilt: b > 0 und c > 0 und a >= b + c und a + b + c <= 1. Im gewählten Beispiel stehen die Gittervektoren aufeinander senkrecht.
Wählt man die Basis b der Kamera

mit der Laufvariablen λ, erhält man für das zweite Gitter mit dem Gittervektor G₂ eine um den Faktor k größere Empfindlichkeit als für das erste Gitter. Die Auswertung der Kamerabilder, also der Aufnahmen des Sensors, durch den Auswertealgorithmus, insbesondere den Phasenshift, erfolgt dabei für die beiden verschiedenen Gitter jeweils in Richtung des dazugehörenden Gittervektors G₁ und G₂.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel steht der Projektor mit dem Projektionsgitter 2 im Koordinatenursprung. Die beiden Gittervektoren G₁ und G₂ liegen auf der X- Achse bzw. der Y-Achse. Der Kameraknotenpunkt, also der Sensor 5 der Kamera, hat in diesem Koordinatensystem den Ortsvektor
Die Kanten des Sensors 5, also des CCD-Chips, liegen ebenfalls parallel zur X- Achse und zur Y-Achse. Im Ausführungsbeispiel sind die Gitterkonstanten der Gitter, die Brennweite des Projektors und die Brennweite der Kamera so gewählt, daß eine Gitterperiode auf dem CCD-Sensor jeweils vier Pixel in X-Richtung und in Y- Richtung entspricht.
Wertet man das Kamerabild mit dem Auswertealgorithmus, beispielsweise dem direkten Phasenshiftalgorithmus, in X-Richtung aus, erhält man eine Empfindlichkeit entsprechend der X-Komponente des Basisvektors, also der Projektion b_x des Basisvektors b auf den Gittervektor G₁ des ersten Gitters. Bei der Auswertung in Y- Richtung mit dem Auswertealgorithmus, insbesondere dem direkten Phasenshiftalgorithmus, erhält man eine Empfindlichkeit entsprechend der Y-Komponente des Basisvektors b, also der Projektion b_y des Basisvektors b auf den Gittervektor G₂ des zweiten Gitters. Die beiden Empfindlichkeiten verhalten sich wie b_x/b_y. Dies gilt, wenn die Pixel auf dem Sensor 5 quadratisch sind bzw. quadratisch angeordnet sind und die beiden Gittervektoren G₁ und G₂ dem Betrag nach gleich sind. Bei nicht quadratischen Pixeln müssen die einzelnen Gitter in ihrer Frequenz angepaßt werden. Die Empfindlichkeit ergibt sich dann zu (b_x.g_y)/(b_y.g_x) mit den zur Anpassung der Frequenzen erforderlichen Faktoren g_y und g_x.
Das gleiche Ergebnis erhält man, wenn zwei Projektoren mit jeweils einem Gitter, beispielsweise einem Liniengitter gemäß Fig. 2, zur Beleuchtung des Objekts 1 benutzt werden, wobei die Gittervektoren der beiden Projektoren voneinander verschieden sind und vorzugsweise senkrecht aufeinander stehen, wie dies in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 gezeigt ist. Die Empfindlichkeiten ergeben sich dann wie oben aus den Projektionen des Basisvektors auf den entsprechenden Gittervektor. Die Auswertung erfolgt analog zur beschriebenen Auswertung.
Eine weitere Möglichkeit, mehrere Phasenbilder mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten zu erhalten, besteht darin, einen Projektor mit einem Gittervektor und zwei oder mehr Kameras, die unterschiedliche Basisvektoren besitzen, zu verwenden, wie dies in Fig. 6 in einem Beispiel dargestellt ist. Hier ist ein Projektor 8 mit einem Gitter vorhanden, das einen Gittervektor G besitzt, beispielsweise ein Gitter der in Fig. 2 gezeigten Art (also in Liniengitter). Die Auswertung erfolgt durch mindestens zwei Kameras, im Bespiel der Fig. 6 durch drei Kameras, die unterschiedliche Basisvektoren besitzen, deren Abstand vom Projektor 8 also verschieden groß ist.
Es ist ferner möglich, einen Projektor mit einem Kreuzgitter mit zwei Kameras zu kombinieren, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Auf diese Weise erhält man bei geeigneter Wahl der Positionen der Kameras 13, 14 vier unterschiedliche Phasenbilder.
Wenn die spektrale Remission des Meßobjektes bekannt ist, kann der direkte Phasenshift durch einen "Farbphasenshift" ersetzt werden. Hierzu werden drei Bilder des Phasenshifts in den Farbkanälen (beispielsweise RGB entsprechend rot-gelb- blau) des Gitters abgelegt und mit einer Farbkamera aufgenommen. Bei dem farbigen Gitter, beispielsweise dem RGB-Gitter, beträgt die Phasendifferenz zwischen den einzelnen farbigen Phasenbildern vorzugsweise 120°. Hieraus kann dann, nachdem die spektrale Remission berücksichtigt wurde, ein Phasenbild berechnet werden.
Die Auswertung der Sensoraufnahmen kann für die verschiedenen Gitter gleichzeitig erfolgen, insbesondere innerhalb eines Videotaktes bzw. einer Bildaufnahmezeit des Sensors bzw. CCD-Sensors.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann mit einem Projektionsgitter, das zwei aufeinander vorzugsweise senkrecht stehende Gittervektoren aufweist, realisiert werden. Es ist allerdings auch möglich, zwei Projektoren zu verwenden, die jeweils ein Streifengitter (mit einem Gittervektor) aufweisen, wobei die Gittervektoren der Streifengitter vorzugsweise aufeinander senkrecht stehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Projektor mit einem Kreuzgitter zu verwenden und die Aufnahme mit mehreren Kameras durchzuführen, wodurch eine höhere Genauigkeit erreicht werden kann. Die Erfindung kann auch dadurch realisiert werden, daß mehrere Projektoren mit jeweils einem Kreuzgitter verwendet werden und die Auswertung durch eine Kamera erfolgt. Vorteilhaft ist es, wenn die Projektionen der mehreren Projektoren voneinander unterscheidbar sind, beispielsweise dadurch, daß sie jeweils nacheinander in Aktion treten und die Auswertung entsprechend zeitlich gesteuert erfolgt, oder daß für jeden Projektor eine andere Farbe oder eine andere Polarisation des Lichtes verwendet wird, so daß auf diese Weise die verschiedenen Projektionen bei der Auswertung unterschieden werden können.
Die Auswertung kann durch einen Phasenshiftalgorithmus erfolgen, beispielsweise durch Phasenschieben über ein farbiges Gitter. In diesem Fall kann in jeder Farbe ein Gitter stecken, wobei die Gitter vorzugsweise um 120° voneinander verschieden sind. Es ist auch möglich, einen zeitlichen Phasenshift durchzuführen, wobei mindestens drei getrennte Bilder mit zeitlichem Versatz aufgenommen werden. Zusätzlich kann das Gitter noch gedreht werden, und es können mehrere Aufnahmen bei verschiedenen Drehungen des Gitters gemacht werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts (1), bei dem
das Objekt (1) durch ein Projektionsgitter (2) mit Licht (3) bestrahlt wird,
das von dem Objekt (1) reflektierte Licht (4) von einem Sensor (5) aufgenommen wird
und die Aufnahme des Sensors (5) ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Projektionsgitter (2) ein erstes Gitter mit einem ersten Gittervektor (G₁) und ein zweites Gitter mit einem davon verschiedenen zweiten Gittervektor (G₂) umfaßt
und daß der Sensor (5) derart im Abstand (b) vom Projektionsgitter (2) angeordnet ist, daß die Projektionen (b_x, b_y) des vom ersten bzw. zweiten Gitter zum Sensor (5) führenden Basisvektors (b) auf die zugehörigen Gittervektoren (G₁, G₂) verschieden groß sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (b) des Sensors (5) von den Gittern derart gewählt ist, daß das Objekt (1) oder ein wesentlicher Bereich des Objekts oder eine Diskontinuität des Objekts von einer Periode des mit geringerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters abgedeckt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (b) des Sensors (5) von den Gittern derart gewählt ist, daß die Auswertung des mit größerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters mit einer ausreichenden Auswertegenauigkeit oder mit größtmöglicher Auswertegenauigkeit erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (b) des Sensors (5) von den Gittern derart gewählt ist, daß eine Periode des mit geringerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters und/oder des mit größerer Empfindlichkeit ausgewerteten Gitters vier Pixel auf dem Sensor (5) abdeckt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gittervektoren (G₁, G₂) rechtwinkelig zueinander verlaufen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter von einem Kreuzgitter gebildet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter voneinander verschieden sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise zwei Sensoren (10, 11, 12; 13, 14) vorgesehen sind.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Projektionsgitter (8, 9) vorgesehen sind.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme des Sensors durch einen Phasenshift ausgewertet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein farbiges Projektionsgitter verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionsgitter gedreht wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aufnahmen gemacht werden.

14. Vorrichtung zur Bestimmung der Absolut-Koordinaten eines Objekts (1) mit einer Projektionsoptik zum Projizieren eines Projektionsgitters (2) auf das Objekt (1) und einer Sensoroptik mit einem Sensor (5) zum Aufnehmen des von dem Objekt (1) reflektierten Lichts, dadurch gekennzeichnet,
daß das Projektionsgitter (2) ein erstes Gitter mit einem ersten Gittervektor (G₁) und ein zweites Gitter mit einem davon verschiedenen zweiten Gittervektor (G₂) umfaßt
und daß der Sensor (5) derart im Abstand (b) vom Projektionsgitter (2) angeordnet ist, daß die Projektionen (b_x, b_y) des vom ersten bzw. zweiten Gitter zum Sensor (5) führenden Basisvektors (b) auf die zugehörigen Gittervektoren (G₁, G₂) verschieden groß sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Merkmale eines oder mehrerer der Ansprüche 2 bis 13.