DE10344051A1

DE10344051A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung von Entfernung und/oder räumlichen Koordinaten eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE10344051A1
Application number: DE2003144051
Authority: DE
Inventors: Gunther Dr.rer.nat. Notni; Peter Dipl.-Phys. Kühmstedt; Stefan Dr.rer.nat. Riehemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: DE10344051B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten mindestens eines Gegenstandes oder deren zeitlicher Änderung mit DOLLAR A einer Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, DOLLAR A einer das von der Lichtquelle erzeugte Licht auf den mindestens einen Gegenstand abbildenden Projektionsoptik, DOLLAR A mindestens einer Aufnahmevorrichtung zur Erzeugung eines Bildes der Oberfläche des mindestens einen Gegenstandes sowie DOLLAR A einer Auswerteeinheit zur Auswertung der erzeugten Bilder und Bestimmung der Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten des mindestens einen Gegenstandes oder deren zeitlicher Änderungen, wobei die Lichtquelle selbst bezüglich ihrer Lichtemission räumlich strukturierbar ist zur Erzeugung mindestens eines räumlich strukturierten Lichtmusters, das durch die Projektionsoptik auf die Oberfläche des mindestens einen Gegenstandes abbildbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten eines Gegenstandes bzw. deren zeitlicher Änderungen. Derartige Verfahren werden insbesondere im Bereich der Qualitätskontrolle, der Digitalisierung von Prototypen, der Bestimmung von Oberflächentopographien sowie ganz generell zur Bestimmung von 3D-Formen eingesetzt. Anwendungsbereiche liegen insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, im Maschinenbau, Automobilbau, Keramikindustrie, Schuhindustrie, Schmuckindustrie, Dentaltechnik, Medizin, beispielsweise Orthopädie.

Unter den 3D-Messverfahren sind insbesondere die optischen Messverfahren von zunehmendem Interesse. Insbesondere die optischen Triangulationsverfahren wer den bevorzugt eingesetzt, da diese wesentliche Vorteile aufweisen. Die Messung erfolgt berührungslos und damit rückwirkungsfrei und die Information über das vermessene Objekt liegt bildhaft vor. Die Verbindung mit neuen technischen Lösungen für die schnelle Datenakquisition und Datenanalyse führt zu Verarbeitungsgeschwindigkeiten, die anderen Verfahren deutlich überlegen sind.

Bei den Triangulationsverfahren wird zwischen aktiv und passiv messenden Verfahren unterschieden. 1 zeigt die Unterteilung dieser Triangulationsverfahren, wobei die Unterscheidung zwischen aktiven und passiven Messverfahren deutlich wird.

Passive Systeme kommen ohne besondere Beleuchtungseinheit aus, da die Information über das Messobjekt durch Auswertung von Pixelposition der Objektpunkte in der Bildebene erhalten wird.

Demgegenüber erfordern aktiv messende Verfahren eine spezielle Beleuchtung des zu vermessenden Objektes. Die aktiv messenden Verfahren können dabei nach Art der Beleuchtung in drei Untergruppen unterteilt werden. Im eindimensionalen Fall wird ein Lichtpunkt auf das Messobjekt projiziert und das vom Objekt reflektierte Licht unter einem Winkel mit einem positionsempfindlichen Detektor, z.B. einer CCD-Kamera aufgenommen. Aus der Geometrie des optischen Aufbaus, der im wesentlichen durch den Winkel zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung bestimmt ist, errechnet sich durch Triangulation die Lage des beobachteten Objektpunktes. Dies ist die sog. Punkttriangulationstechnik. Der Lichtstrahl bzw. Lichtpunkt kann auch über die Oberfläche des Objektes scannen und dadurch diese flächenhaft abtasten.

Eine Erweiterung des einfachen Triangulationsverfahrens mit einem Lichtpunkt (eindimensionaler Fall) stellt die Methode des Lichtschnittverfahrens dar. Statt eines einzelnen Lichtpunktes wird ein Lichtband mit einer scharfen Hell-/Dunkelgrenze auf das Objekt projiziert. Auch hier wird das Lichtband mittels einer positionsempfindlichen Kamera erfasst und durch Triangulation ausgewertet. Diese Techniken sind beispielsweise in „Sechster Leitfaden zur optischen 3D-Messtechnik, Herausgeber Fraunhofer-Allianz-Vision, www.vision.fhg.de (2003)" dargestellt.

Ermöglicht die punktweise Beleuchtung eine punktweise 3D-Vermessung, die linienhafte Beleuchtung eine Triangulation entlang eines einzelnen Objektschnittes, so gestattet die flächenhafte Projektion von strukturiertem Licht, die sog., Streifenprojektion, eine bildhafte Triangulation der gesamten Messszene.

Zur Erzeugung der Lichtmuster werden im Stand der Technik unterschiedliche Projektionstechniken eingesetzt. Bekannt sind hierbei insbesondere die pixelweise ansteuerbaren Projektoren auf der Basis von transmittiven Mikrodisplays oder reflektiven Mikrodisplays. Hierbei wird mittels einer Lichtquelle ein einheitliches Licht erzeugt und das Streifenmuster beispielsweise durch ein transmittives LCD-Array (Liquid Crystal Display Array) oder einem reflektiven DMD (Digital Micromirror Display) bzw. einem reflektiven LCoS-Display (Liquid Crystal on Silicon) das gewünschte Muster erzeugt. Alternativen hierzu bestehen in der Verschiebung eines Glasträgers mit unterschiedlichen Gitterstrukturen im erzeugten Projektionslicht, die Verwendung eines elektrisch schaltbaren Gitters mit einer mechanischen Verschiebeeinrichtung oder auch die Projektion von Einzelgittern auf der Basis von Glasträgern.

All diesen Projektionstechniken ist gemeinsam, dass das Projektionslicht zuerst erzeugt und anschließend moduliert wird. Dies bedeutet, dass ausschließlich extern beleuchtete Mikrodisplays verwendet werden.

Nachteilig an diesen Beleuchtungsgruppen ist, dass eine Miniaturisierung und Vereinfachung des Projektionssystems aufgrund der erforderlichen separaten Beleuchtungsbaugruppe für die Ausleuchtung der Chipebene kaum möglich ist.

Eine derartige Vorrichtung zeigt beispielsweise die DE 196 33 686 A1 , bei der als Projektionselement für das Licht eine Anordnung aus mehreren in einem zweidimensionalen Array angeordneten Spiegeln verwendet wird. Die Kippstellung der einzelnen Mikrospiegel ist dabei variabel, so dass jeder einzelne Mikrospiegel einen ansteuerbaren Bildpunkt bildet. Es handelt sich also hier um ein Beispiel für die oben genannte reflektiven Mikrodisplays.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten bzw. deren zeitlicher Änderungen eines Gegenstandes zur Verfügung zu stellen, das aufgrund seiner Projektionseinheit klein, kompakt und/oder robust ist und weiterhin niedrige Betriebskosten und eine lange Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben. Die Ansprüche 24 und 25 geben Verwendungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie als Vorrichtung zur Projektion von Lichtmustern für die optische 3D-Formvermessung neuartige, in diesem Bereich bisher nicht bekannte Lichtquellen verwendet, nämlich eine selbstleuchtende, räumlich strukturierbare Lichtquelle, d.h. selbstleuchtende Mikrodisplaystrukturen. Vorteilhafterweise können diese Mikrodisplays organische Leuchtdioden-Arrays (OLEDs) sein.

Mit einer derartigen Projektionsvorrichtung ist es möglich, beliebige Lichtstrukturen zeitlich nacheinander zu generieren und auf das zu vermessende Objekt zu projizieren. Da derartige Displays bzw, ihre Elektrodenstruktur mit photolithographischen Techniken hergestellt werden können, besitzen die einzelnen Pixel eine sehr gute intrinsische Maßverkörperung.

Damit ist der Aufbau sehr einfacher Projektionseinheiten für die 3D- und Oberflächenmesssysteme möglich, die durch diese Miniaturisierung die Anwendung unterschiedlichster, sich ergänzender Projektionstechniken und Auswertemethoden gestatten.

Neben den auch im Stand der Technik bereits gegebenen Möglichkeiten, beliebige Muster zu generieren, beispielsweise mit verschiedenen Gitterperioden, Gray-Code, die vollständige Vermeidung von Phasenschiebefehlern durch pixelsynchrone Erzeugung, der Vermeidung mechanisch bewegter Teile, dem schnellen Bild aufbau und der Projektion auch von Farbmustern und generell der freien Adressierbarkeit jedes einzelnen Pixelelementes zur Erzeugung beliebiger Lichtmuster zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass die Beleuchtungsbaugruppe nunmehr stark vereinfacht wird. Die bisherige Beleuchtungsbaugruppe, die aus Lichtquelle, dem Modulationselement sowie der Kondensor und Einkoppeloptik zur Beleuchtung der transmissiven oder reflektiven Displays bestand, entfällt vollständig. Es sind keine Beleuchtungsoptiken zwischen der Lichtquelle und dem Display mehr erforderlich. Damit kann eine kurze displayseitige (objektseitige) Schnittweite der Projektionsoptik realisiert werden. Dies führt zu dem genannten hohen Grad an Miniaturisierbarkeit, Kompaktheit und Robustheit des erfindungsgemäßen Projektionssystems.

Weiterhin reduziert sich die Temperaturproblematik im Projektionskopf, die bisher aufgrund der Aufheizung des Projektionskopfs aufgrund der Verwendung intensiver Lichtquellen und deren Netzteile vorlag. Die verwendeten selbstleuchtenden Mikrodisplays weisen zusätzlich niedrigere Betriebskosten und eine längere Lebensdauer auf.

Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung die Konzeption ultraleichter Projektionssysteme und auch die einfache Integration in bereits bestehende, auch räumlich beschränkte Aufbauten, wie beispielsweise Stereomikroskope oder Endoskope für die optische 3D- und Oberflächenvermessung.

Vorteilhafterweise können auch mehrere selbstleuchtende Mikrodisplays objektseitig angeordnet sein zur Erzeugung und Projektion der unterschiedlichen Lichtmuster bzw. zur zusammengesetzten Erzeugung und Pro jektion eines Lichtmusters. Das oder die selbstleuchtenden Mikrodisplays sind dabei vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie sich in der objektseitigen Schnittebene der Projektionsoptik befinden. Damit kann dann das mit dem selbstleuchtenden Mikrodisplay erzeugte Lichtmuster direkt auf das vermessene Objekt projiziert werden.

Vorteilhafterweise erfolgt dabei die Ansteuerung jedes einzelnen Pixelelementes des selbstleuchtenden Mikrodisplays, unabhängig vom Nachbarelement über direkte oder indirekte Rechnersteuerung, d.h. durch unmittelbare Ansteuerung durch den Rechner oder mittels eines Pufferspeichers.

Vorteilhafterweise erfolgt die Messwertaufzeichnung, d.h. die Messung der Intensitätsverteilung des projizierten Musters auf der zu vermessenden Oberfläche synchronisiert mit dem Displayarray über beispielsweise CCD-Kameras. Dies ermöglicht eine Berechnung der Objektpunktkoordinaten unter Verwendung der im Stand der Technik hinreichend beschriebenen Phase-Shift-Techniken, Kombination von Gray-Codes oder Phase-Step-Techniken sowie anderer Verfahren.

Im folgenden wird ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren gegeben.
Es zeigen
1 eine Übersicht über verschiedene Triangulationsverfahren und ihre Unterteilung sowie systematische Zuordnung;
2 eine erfindungsgemäße Anordnung mit selbstleuchtendem Mikrodisplay;
3 ein erfindungsgemäß erzeugtes Streifenmuster mit einer sinusförmigen Intensitätsverteilung; und
4 eine weitere erfindungsgemäße Anordnung.
In 2 ist schematisch eine typische Anordnung zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet die Displayfläche eines selbstleuchtenden Mikrodisplays mit einzelnen Displayelementen 1.1, die sich in der objektseitigen Schnittebene, d.h. der Objektebene einer Projektionsoptik 2 befindet. Die Projektionsoptik 2 besteht beispielsweise aus einer Objektivlinse. Das Mikrodisplay 1 ist ein organisches Leuchtdiodenarray (OLED) als selbstleuchtendes Mikrodisplay. Die Projektionsoptik 2 projiziert das von dem selbstleuchtenden Mikrodisplay 1.1 erzeugte Muster auf die Oberfläche eines Gegenstandes 4, der sich in der Bildebene 3 der Projektionsoptik 2 befindet.
Durch die freie Adressierbarkeit jedes einzelnen Displayelementes 1.1 des Mikrodisplays 1 ist es möglich, beliebige Lichtmuster zu erzeugen und auf das zu vermessende Objekt 4 zu projizieren.
3 zeigt ein derart erzeugtes Streifenmuster, das quer zur Längsausdehnung der Streifen eine sinusförmige Intensitätsverteilung aufweist.
Die Ansteuerung jedes einzelnen Mikrodisplayelements 1.1 erfolgt hierbei unabhängig vom Nachbarelement über eine Rechnersteuerung. Die Messwerte werden mittels einer CCD-Kamera aufgezeichnet und in einem Rechner ausgewertet.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung, wobei für gleiche und ähnliche Elemente gleiche und ähnliche Bezugszeichen verwendet wurden. Diese Anordnung basiert auf einem Stereomikroskop, dessen erster Strahlengang zur Beleuchtung eines Objektes 4 verwendet wird, während der zweite Strahlengang zur Beobachtung der auf dem Gegenstand 4 erzeugten Lichtmuster verwendet wird. Dementsprechend wird ein selbstleuchtendes Mikrodisplay 1 (SVGA OLED Microdisplay 852 × 600 Pixel, Pixelgröße 15 × 15 μm, Bildrate 40–65 Hz von eMagin Corporation) in die Bildebene des Okulars 2a in einem ersten Stereokanal des Stereomikroskops montiert. Das von dem OLED-Display 1 erzeugte Muster wird auf das Objekt 4 über das Objektiv 2b projiziert.
Auf diese Art und Weise wird auf der Oberfläche des Gegenstandes 4 ein räumlich strukturiertes Lichtmuster aufprojiziert, das dann unter dem Triangulationswinkel β über den zweiten Stereokanal mit Objektiv 2b' und Okular 2a' beobachtet wird. Die Beobachtung erfolgt dabei durch eine Bildaufnahmeeinrichtung 6 (CCD-Kamera Sony XC 55). Die Größe des Triangulationswinkels β wird dabei durch die Stereobasis des Mikroskops bestimmt.
Wird nun durch das Mikrodisplay 1 ein Schnittlinienbild auf der Oberfläche des Gegenstandes 4 erzeugt, so wird unter Nutzung bekannter Phasenauswerteverfahren (hier siebenstufiger Gray-Code in Kombination mit einem vierstufigen Phase-Shift-Verfahren), aus diesen Schnittlinienbildern auf der Oberfläche des Gegen standes 4 die Oberflächenform des Gegenstandes 4 berechnet.

Claims

Vorrichtung zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten mindestens eines Gegenstandes oder deren zeitlicher Änderung mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, einer das von der Lichtquelle erzeugte Licht auf den mindestens einen Gegenstand abbildenden Projektionsoptik, mindestens einer Aufnahmevorrichtung zur Erzeugung eines Bildes der Oberfläche des mindestens einen Gegenstandes sowie einer Auswerteeinheit zur Auswertung der erzeugten Bilder und Bestimmung der Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten des mindestens einen Gegenstandes oder deren zeitlicher Änderungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle selbst bezüglich ihrer Lichtemission räumlich strukturierbar ist zur Erzeugung mindestens eines räumlich strukturierten Lichtmusters, das durch die Projektionsoptik auf die Oberfläche des mindestens einen Gegenstandes abbildbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle mindestens ein selbstleuchtendes Mikrodisplay mit einem Array von Bildpunkten zur Erzeugung strukturierter Lichtmuster aufweist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtintensi tät der Bildpunkte des selbstleuchtenden Displays getrennt voneinander und/oder einzeln steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das selbstleuchtende Mikrodisplay ein organisches Leuchtdioden-Array aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle in der objektseitigen Schnittebene der Projektionsoptik angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, mit der die Leuchtintensität und/oder Form der erzeugten Lichtmuster steuerbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuervorrichtung die Leuchtintensität einzelner Bildpunkte der Lichtquelle steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung einen Mikroprozessor aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera oder eine sonstige Bildaufnahmevorrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Mikroprozessor aufweist.
Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten mindestens eines Gegenstandes oder deren zeitlicher Änderung dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einem selbstleuchtenden Mikrodisplay mindestens ein räumlich strukturiertes Lichtmuster erzeugt, das Lichtmuster auf den Gegenstand abgebildet, mindestens ein Bild der Oberfläche des Gegenstandes erfasst wird und aus dem mindestens einen erzeugten Bild die Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten des mindestens einen Gegenstandes oder deren zeitliche Änderungen bestimmt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich aufeinanderfolgend mehrere räumlich verschieden strukturierte Lichtmuster erzeugt werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass strukturierte Lichtmuster erzeugt werden, die bezüglich der Form, Grauwertverteilung und/oder Farbe räumlich strukturiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als strukturierte Lichtmuster Streifenmuster erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgend periodische oder nichtperiodische, unterschiedlich strukturierte Lichtmuster erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtmuster mindestens ein Lichtpunkt, mindestens eine Lichtlinie oder ein zweidimensionales Lichtmuster erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtmuster additive Kreuzgitter erzeugt werden und die räumlichen Koordinaten mittels Streifenprojektion und/oder mittels Photogrammetrie bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtmuster Rechteckgitter unterschiedlicher Periode erzeugt werden und die räumlichen Koordinaten mittels Gray-Code-Verfahren bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtmuster bezüglich ihrer Lichtintensität in einer Ausdehnungsrichtung der Lichtmusters sinusförmige Gitter mit gleicher oder unterschiedlicher Periode der Lichtintensität innerhalb eines Musters oder zwischen verschiedenen Mustern erzeugt und die räumlichen Koordinaten mittels Mehr-Wellenlängen-Verfahren bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtmuster aufeinanderfolgend Lichtmuster mit zueinander jeweils phasenverschobener sinusförmiger Intensitätsverteilung erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtmuster mit stochastischer Struktur erzeugt und die räumlichen Koordinaten mittels Photogrammetrie oder Korrelationsverfahren bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmuster durch eine Kombination aus codiertem Lichtansatz und Phase-Shiftverfahren codiert werden.
Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Qualitätskontrolle, zur Digitalisierung von Prototypen, zur Aufnahme von Oberflächentopografien und/oder zur Bestimmung von 3D-Formen und/oder von Oberflächenrauhigkeiten und dergleichen.
Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch im Maschinenbau, Automobilbau, Keramikindustrie, Schuhindustrie, Schmuckindustrie, Dentaltechnik, Medizin, Orthopädie und dergleichen.