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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur optischen Profilmessung eines Objektes
mittels Linientriangulation, bei dem mit mindestens einer Licht
emittierenden Beleuchtungseinrichtung eine beleuchtete Linie auf
dem Objekt erzeugt wird, und bei dem mit einer Empfangseinrichtung,
auf die das von dem Objekt reflektierte Licht mittels einer Abbildungsoptik
abgebildet wird, eine Aufnahme der Linie erstellt wird.
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Verfahren und Vorrichtungen der in
Rede stehenden Art sind seit einiger Zeit aus der Praxis bekannt.
Bei dem optischen Linientriangulationsverfahren, oder auch Lichtschnittverfahren,
handelt es sich um ein berührungsloses
Messverfahren zur dreidimensionalen Objekterfassung, welches sich
insbesondere durch eine schnelle Erfassung großer Oberflächenbereiche sowie eine hohe
Ortsauflösung
auszeichnet. Aus den genannten Gründen findet das Verfahren häufig Anwendung
als Testverfahren in industriellen Herstellungs- oder Verarbeitungsprozessen,
insbesondere im Bereich der Qualitätssicherung, im Rahmen von
Unversehrtheitsprüfungen oder
zur Kontrolle von Maßhaltigkeiten.
Neben der Untersuchung und Überwachung
qualitätsbestimmender
Kenngrößen sei
als weiteres Anwendungsgebiet des Linientriangulationsverfahrens
ganz allgemein die Objekterkennung, die Lageerkennung und die Positionsvermessung
genannt.
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Lediglich beispielhaft sei an dieser
Stelle auf die
DE 44
31 922 A1 verwiesen. Aus dieser Druckschrift ist ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Vermessung von Profilen von Objekten mittels
Lichtschnitt-Triangulation bekannt. Dabei wird eine mittels eines
Lichtprojektors erzeugte Beleuchtungsebene auf ein Profil gelenkt
und die aus dem Lichtschnitt reflektierte Strahlung mittels einer
unter einem Winkel zur Einstrahlungsrichtung angeordneten Kamera
aufgenommen. Aus dem gewonnenen Kamerabild kann unter Berücksichtigung
der Geometrie der Anordnung das Profil der beleuchteten Linie errechnet
werden.
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Probleme beim Einsatz des genannten
Verfahrens ergeben sich regelmäßig daraus,
dass die zu untersuchenden Objekte keine homogene Oberflächenbeschaffenheit
aufweisen. Viele Objekte zeigen insbesondere stark ortsabhängige Reflexionseigenschaften.
Im Bereich einer Schweißnaht
gibt es beispielsweise neben nahezu spiegelnden Oberflächenbereichen
auch Oberflächensegmente,
die etwa während
des Schweißvorgangs
mit Zinkstaub bedeckt worden sind, mit einem sehr geringen Reflexionsvermögen. Die
hieraus resultierend hohe Intensitätsbandbreite hat zur Folge,
dass bestimmte Bereiche des untersuchten Liniensegments in der Kameraaufnahme
schlecht oder sogar überhaupt
nicht erkennbar sind, während
andere Bereiche aufgrund einer zu großen Helligkeit übersteuert
sind. Die bekannten Verfahren liefern daher nur innerhalb eines eingeschränkten Dynamikumfanges
zufriedenstellende Messergebnisse, während das Auftreten von großen Intensitätsbandbreiten
zu erheblichen Messungenauigkeiten führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur optischen Profilmessung
eines Objekts mittels Linientriangulation anzugeben und weiterzubilden,
mit dem Profile von Objekten mit – insbesondere im Hinblick
auf die Reflexionseigenschaft – stark
inhomogenen Oberflächen
schnell und mit hoher Messgenauigkeit vermessen werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen
Profilmessung eines Objektes mittels Linientriangulation löst die voranstehende
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist ein
solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Objektes
entlang der Linie aus mehreren Aufnahmen der gleichen Linie zusammengesetzt wird,
wobei für
jede Aufnahme unterschiedliche Aufnahmeparameter eingestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass auch
bei einem hohen Dynamikumfang der von der Objektoberfläche reflektierten
Lichtintensitäten
die Linie nicht – wie
in der
DE 44 31 922
A1 vorgeschlagen – punktweise
gescannt und vermessen werden muss, sondern dass die Linie in ihrer
Gesamtheit beleuchtet und aufgenommen werden kann. Darüber hinaus
ist erkannt worden, dass die Linie mehrmals mit unterschiedlichen
Aufnahmeparametern aufgenommen werden kann und danach das Profil
der Linie aus den Aufnahmen zusammengesetzt werden kann. Durch die
erfindungsgemäße Maßnahme wird
erreicht, dass jeder Bereich der Linie durch geeignete Wahl der
Aufnahmeparameter in mindestens einer Aufnahme optimal ausgesteuert
erscheint. Aus einer Übersteuerung
der Empfangseinrichtung und den damit verbundenen Effekten (wie z.B.
Blooming) resultierende Messungenauigkeiten sind somit wirksam vermieden.
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Im Konkreten ist vorgesehen, dass
jede Aufnahme einer Linie mit einer anderen Beleuchtungsstärke der
Beleuchtungseinrichtung erstellt wird. Bei der Beleuchtungseinrichtung
könnte
es sich um einen Laser, eine Halogenlampe oder eine sonstige Lichtquelle
handeln, wobei dieser Lichtquelle ein Linienprojektor zur Erzeugung
eines ebenen Lichtbündels
vorgeschaltet sein könnte.
Die Beleuchtungsstärke
der Beleuchtungseinrichtung könnte
dann über
die Leistung der Lichtquelle oder über die Abschwächungscharakteristik
des Linienprojektors stufenlos geregelt werden.
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Es hat sich ebenfalls als günstig erwiesen, die
Beleuchtungsstärke
der Beleuchtungseinrichtung konstant zu halten, und stattdessen
für jede
Aufnahme unterschiedliche Verschlusszeiten der Empfangseinrichtung
einzustellen, welche eine Matrixkamera, insbesondere eine CCD- oder
CMOS-Matrixkamera, umfassen könnte.
Es ist ebenfalls möglich,
beide Aufnahmeparameter unabhängig
voneinander für
jede Aufnahme zu verändern,
d.h. für
jede Aufnahme eine unterschiedliche Kombination der Beleuchtungsstärke und
der Verschlusszeit einzustellen.
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Zur Vermessung des Profils des Objektes über dessen
gesamte Oberfläche
wird eine Relativbewegung zwischen dem Objekt und der Beleuchtungs-
und Empfangseinrichtung erzeugt. Die Relativbewegung erfolgt dabei
in eine Richtung senkrecht zu der Beleuchtungsebene, wobei wahlweise
entweder das Objekt oder die Beleuchtungs- und Empfangseinrichtung
bewegt werden kann. Der Abstand der Beleuchtungs- und Empfangseinrichtung
zu dem Objekt und die relative Lage der Beleuchtungseinrichtung
und der Empfangseinrichtung zueinander werden während der Profilmessung nicht
verändert.
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In besonders vorteilhafter Weise
wird die Relativbewegung schrittweise mit einer vorgebbaren Schrittweite
erzeugt. Auf diese Weise entsteht eine Vielzahl voneinander beabstandeter,
parallel zueinander ausgerichteter beleuchteter Linien, die nacheinander
vermessen werden können.
Genauer gesagt wird eine bestimmte beleuchtete Linie wie oben beschrieben
aufgenommen. Sodann wird das Objekt bzw. die Beleuchtungs- und Empfangseinrichtung schrittweise
weiter bewegt, so dass eine neue, von der vorherigen Linie durch
die eingestellte Schrittweite beabstandete beleuchtete Linie entsteht,
welche ebenfalls wie oben beschrieben aufgenommen wird, etc. Durch
die Einstellung der Schrittweite kann die Auflösung der der Profilmessung
in Vorschubrichtung beeinflusst werden. Nachdem die gesamte Oberfläche des
Objektes wie beschrieben abgescannt ist, kann das Gesamtprofil des
Objektes aus den Profilen der einzelnen Linien errechnet werden.
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Falls die Oberflächeneigenschaften des zu untersuchenden
Objektes bereits aus Voruntersuchungen oder aus allgemeinen Erfahrungswerten
innerhalb eines gewissen Rahmens bekannt sind, kann in besonders
vorteilhafter Weise ein fester Satz unterschiedlicher Aufnahmeparameter
für die
einzelnen Aufnahmen einer Linie vorgegeben werden. Auf diese Weise
kann der für
eine Profilerstellung notwendige Auswerte- und Reglungsaufwand reduziert und
die Geschwindigkeit der Profilmessung erhöht werden.
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Eine derartige Vorgehensweise ist
beispielsweise bei der Untersuchung einer Schweißnaht von Vorteil. Dabei treten
im Wesentlichen zwei Bereiche mit einem grundsätzlich unterschiedlichen Reflexionsvermögen auf:
Zum Einen der Bereich der Schweißnaht selbst mit stark eingeschränktem Reflektionsvermögen und
zum Anderen der Bereich außerhalb
der Schweißnaht,
wo das Metall mit – in
der Regel – unbeschädigter polierter
Oberfläche
vorliegt und demzufolge sehr gute Reflexionseigenschaften aufweist.
Ein Lichtschnitt entlang einer Schweißnaht kann daher im Allgemeinen
durch zwei Aufnahmen mit fest vorgegebenen Aufnahmeparametern hinreichend
gut aufgenommen werden: Eine lange Verschlusszeit bzw. eine große Beleuchtungsstärke für den schlecht
reflektierenden Bereich der Schweißnaht und eine kurze Verschlusszeit
bzw. geringe Beleuchtungsstärke
für die
stark reflektierenden Bereiche außerhalb der Schweißnaht.
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Soll ein Objekt mit einer stark heterogenen Oberflächenstruktur
vermessen werden, so bietet es sich an, die Aufnahmeparameter für die einzelnen Aufnahmen
einer Linie dynamisch an die Messsituation anzupassen. Dabei wird
die Aufnahme der Linie zunächst
in eine vorgebbare Anzahl von Punkten eingeteilt. Wird die Linie
beispielsweise auf eine Kamera mit 1024 × 1024 Bildpunkten abgebildet,
so wäre eine
Einteilung der Aufnahme in Richtung der Linie in beispielsweise
256 Punkte denkbar. Dieses Binning kann sowohl unmittelbar beim
Aufnehmen in Form von Hardware-Binning durch Zusammenfassen der gebildeten
Ladungsträger
mehrerer Bildpunkte direkt auf dem Bildsensor realisiert werden,
als auch in Form von Software-Binning
durch Addition der Intensität
im Bildspeicher nach der Bildaufnahme. Für jeden der Punkte, wird mittels
einer Auswerteeinheit, welche die in den entsprechenden Bildpunkten
erzeugten Ladungsmengen integriert, untersucht, ob eine optimale
Aussteuerung vorliegt. Als Kriterium für eine optimale Aussteuerung
eines Punktes können den
Kameraeigenschaften angepasste obere und untere Grenzwerte vorgegeben
werden. Im Ergebnis ist es dann möglich, nur optimal ausgesteuerte
Punkte einer Aufnahme zur Berechnung des Profils der Linie heranzuziehen.
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Im Rahmen des vorgeschlagenen Messverfahrens
werden von jeder Linie mindestens zwei, vorzugsweise zwischen zwei
und vier Aufnahmen erstellt. Da sich der dynamische Bereich einer
Kamera als das Verhältnis
von Sättigungsbelichtung
zu Kamerarauschen bei mehreren Aufnahmen mit der Anzahl der Aufnahmen
potenziert, sollte für
die allermeisten Oberflächen
eine Anzahl von drei Aufnahmen ausreichen. Jede andere Anzahl ist
jedoch möglich,
wobei stets für
die spezielle Messsituation ein Kompromiss aus hoher Messgenauigkeit
und vertretbarer Messgeschwindigkeit gefunden werden muss.
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Zum Einen ist es denkbar, die Anzahl
der Aufnahmen jeder Linie – wie
bereits oben beispielhaft erläutert – im Vorfeld
einer Messung fest vorzugeben. Zum Anderen kann die Anzahl der Aufnahmen
einer Linie dynamisch an die Messsituation angepasst werden. Die
dynamische Anpassung könnte
derart durchgeführt
werden, dass die Linie aufgenommen wird und die optimal ausgesteuerten
Punkte gemäß obiger
Ausführungen
selektiert werden. Daraufhin wird die Aufnahme der Linie so oft
wiederholt, bis alle Punkte der Linie in mindestens einer Aufnahme
optimal ausgesteuert sind. Alternativ hierzu ist es denkbar, eine
bestimmte Anzahl oder einen bestimmten Prozentsatz der Punkte der
Linie vorzugeben, und die Aufnahme der Linie so oft zu wiederholen,
bis die vorgegebene Anzahl bzw. der vorgegebene Prozentsatz der
Punkte der Linie, beispielsweise 95%, optimal ausgesteuert sind.
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In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die eingangs
genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 18 gelöst. Hiernach
ist eine Vorrichtung zur optischen Profilmessung eines Objektes
mittels Linientriangulation dadurch gekennzeichnet, dass das Profil
des Objektes entlang der Linie aus mehreren Aufnahmen der gleichen
Linie zusammensetzbar ist, wobei für jede Aufnahme unterschiedliche
Aufnahmeparameter einstellbar sind. Vorzugsweise dient die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, so dass zur Vermeidung
von Wiederholungen auf den vorigen Teil der Beschreibung verwiesen
wird.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und
17 nachgeordneten Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand einer Prinzipskizze zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
die einzige
Fig. in einer schematische Darstellung eine Prinzipskizze
einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur optischen Profilmessung eines Objektes mittels Linientriangulation.
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Die in der Prinzipskizze schematisch
gezeigte Vorrichtung zur optischen Profilmessung eines Objektes 1 mittels
Linientriangulation weist eine Beleuchtungseinrichtung 2 mit
einer Laserdiode 3 als Lichtquelle auf. Die Laserdiode 3 erzeugt
Licht im sichtbaren Bereich mit einer Wellenlänge von 550 bis 780 nm. Die
Beleuchtungseinrichtung 2 umfasst weiterhin eine der Laserdiode 3 vorgeschaltete
Linienoptik 4 mit einer LCD-Zelle. Mittels der Linienoptik 4 wird
der Laserstrahl 5 entsprechend der Breite des zu untersuchenden
Objektes 1 in ein ebenes Lichtbündel 6 aufgespreizt.
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Mit der Beleuchtungseinrichtung 2 wird
ein Oberflächenbereich
des zu untersuchenden Objektes 1 linienhaft beleuchtet.
In der in der Fig. gezeigten Ausführungsform wird die Linie 7 senkrecht
von oben beleuchtet, d.h. die Flächennormalen
der Beleuchtungsebene und der Objektoberfläche bilden einen rechten Winkel
miteinander. Das von der Objektoberfläche reflektierte Licht wird
mittels einer Empfangseinrichtung 8 detektiert, wobei die
Flächennormalen der
Beleuchtungsebene und einer durch die beleuchtete Linie 7 und
die Empfangseinrichtung 8 festgelegten Reflexionsebene
unter einem Triangulationswinkel – in der Fig. 45Grad – zueinander
verkippt sind.
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Die Empfangseinrichtung 8 umfasst
ein Objektiv 9, mit der das von der beleuchteten Linie 7 reflektierte
Licht auf eine Matrixkamera 10 abgebildet wird. Die Matrixkamera 10 umfasst
ein Array lichtempfindlicher Elemente, beispielsweise einen CCD-Sensor.
Wie in der Fig. ansatzweise zu erkennen ist, sind das Objektiv 9 und
der fotosensitive Sensor in Bezug auf die Objektoberfläche als
Schärfeebene
im Sinne einer Scheimpfluganordnung zueinander ausgerichtet. Durch
ein derartiges Verschwenken des Objektivs 9 und der Kamera 10 zueinander
kann die Schärfeebene
nahezu exakt mit der Objektoberfläche in Einklang gebracht werden.
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Als Aufnahmeparameter kann sowohl
die Beleuchtungsstärke,
die im vorliegenden Fall innerhalb eines gewissen Intensitätsbereichs
stufenlos verstellbar ist, als auch die mittels eines Snapshot-Shutters
regelbare Verschlusszeit bzw. Belichtungszeit verändert werden.
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Eine in der Fig. nicht gezeigte Objekthalteeinrichtung
ist mit einer Steuerung versehen, die es erlaubt, das Objekt 1 schrittweise
mit einer im Submillimeterbereich liegenden vorgebbaren Schrittweite
positionsgenau in einer Richtung senkrecht zu der Beleuchtungsebene
zu bewegen, um so das Objekt 1 zum Erstellen eines Gesamtprofils
linienweise abzuscannen.
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Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen,
dass die voranstehende Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand der beispielhaften Prinzipskizze lediglich zur Beschreibung der
beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel
einschränkt.