DE19633686A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher Änderung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren zeitlicher ÄnderungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver
fahren zur Vermessung von Entfernungen und/oder räum
lichen Koordinaten von Gegenständen und/oder deren
zeitlicher Änderung nach den Oberbegriffen der An
sprüche 1 und 6.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden insbe
sondere im Maschinenbau, Automobilbau, Keramikindu
strie, Schuhindustrie, Schmuckindustrie, Dentaltech
nik und Humanmedizin (Orthopädie) und weiteren Berei
chen verwendet.
Die steigenden Forderungen nach einer weitgehend
vollständigen Qualitätkontrolle im laufenden Produk
tionsprozeß sowie nach der Digitalisierung der Raum
form von Prototypen machen die Aufnahme von Oberflä
chentopografien zu einer immer häufiger gestellten
Meßaufgabe. Dabei stellt sich die Aufgabe, die Koor
dinaten einzelner Punkte der Oberfläche der zu ver
messenden Gegenstände in kurzer Zeit zu bestimmen. Es
gibt unterschiedliche Ansätze, sowohl das Zeit- als
auch das Antastproblem durch den Einsatz optischer
Meßverfahren zu lösen. Der Vorteil optischer Meßver
fahren liegt in der berührungslosen und damit rück
wirkungsfreien Messung sowie darin, daß die Informa
tionen über das Objekt in bildhafter Form und damit
leicht verständlich vorliegen. Zu diesen optischen
Meßverfahren gehört die Streifenprojektionstechnik
einschließlich der Gray-Code-Technik, das Moir´-Ver
fahren, das holografische und Speckle-Contouring so
wie die Fotogrammetrie.
Charakteristisch für diese Verfahren ist, daß die
interessierenden Meßgrößen, die Raumkoordinaten der
Oberfläche von Gegenständen, indirekt aus Phasenmeß
werten in Schnittlinienbildern von Lichtmustern, bei
spielsweise Streifenmustern, die auf das Objekt pro
jiziert werden, aus Phasenmeßwerten in Moir´s, aus
Koordinaten der Durchstoßungspunkten von Beobach
tungsstrahlen durch die Empfängerebene und/oder aus
Parametern bestimmt werden, die die Geometrie der
Meßanordnung, d. h. die Lichtquellen, optischen Bau
elemente sowie die Bildaufzeichnungsvorrichtung cha
rakterisieren. Sind die Geometrieparameter der Meß
anordnung bekannt, kann man aus drei linear vonein
ander unabhängigen Phasenmeßwerten und/oder Bild- bzw.
Pixelkoordinaten die Koordinaten der Meßpunkte auf
der Oberfläche des Gegenstandes in einem Sensorkoor
dinatensystem durch Triangulation berechnen.
Zur Erzeugung der Lichtmuster werden unterschiedliche
Projektionstechniken eingesetzt, beispielsweise pro
grammierbare LCD-Projektoren, verschiebliche Glasträ
ger mit unterschiedlichen Gitterstrukturen in einem
Projektor, eine Kombination eines elektrisch schalt
baren Gitters und einer mechanischen Verschiebeein
richtung oder auch die Projektion von Einzelgittern
auf der Basis von Glasträgern.
Aus der DE 42 38 581 A1 ist ein Verfahren zur Erzeu
gung von Linienmustern unter Einsatz eines aus Flüs
sigkristallzellen aufgebauten Verlaufsgitters be
kannt. Dieses Gitter wird zwischen die Lichtquelle
und den Gegenstand, der vermessen werden soll, ge
bracht, so daß der Gegenstand mit dem gewünschten
Verlaufsgitter beleuchtet wird. Nachteilig an derar
tigen LCD-Projektoren ist, daß die Breite der auf lös
baren Einzelstrukturen im allgemeinen < 50 µm ist und
sich daher eine relativ große Bauweise ergibt. Wei
terhin sind bei Einsatz von LCD-Gittern Schaltzeiten
von < 200 ms zwischen zwei unterschiedlichen Projek
tionsstrukturen aufgrund der relativ langsamen Um
orientierung der einzelnen Flüssigkristalle kaum rea
lisierbar. Aus demselben Grund sind beim Wechsel zwi
schen verschiedenen Lichtmustern störende Relaxa
tionserscheinungen zu beobachten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vor
richtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen,
mit dem beliebige strukturierte Lichtmuster auf Ge
genständen mit hoher räumlicher Auflösung sowie kur
zen Wechselzeiten zwischen verschiedenen Lichtmustern
erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie das Verfahren nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 6 in Verbindung mit
ihren kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch eine An
ordnung aus mehreren Spiegeln gekennzeichnet, die
einzeln, gegebenenfalls durch eine Steuerschaltung
einzeln ansteuerbar, in verschiedene Kippstellungen
gebracht werden können. Erfindungsgemäß sind unter
dem Begriff "Spiegel" jegliche reflektiven optischen
Bauelemente zu verstehen. Durch die Auswahl der Kipp
stellungen der einzelnen Spiegel werden die von der
Lichtquelle erzeugten Lichtstrahlen in unterschiedli
che Richtungen reflektiert. Durch geeignete Ansteue
rung der einzelnen Spiegel kann auf dem zu vermessen
den Gegenstand ein lediglich durch die Größe und An
zahl der Spiegel in der Auflösung bestimmtes Licht
muster erzeugt werden, wobei jeder von einem Spiegel
reflektierte und auf den Gegenstand auftreffende
Lichtstrahl einen Lichtpunkt bzw. -fleck zu dem
Lichtmuster beiträgt. Soll ein reflektierter Licht
strahl keinen Lichtpunkt erzeugen, so kann der Spie
gel so eingestellt werden, daß der reflektierte
Lichtstrahl an dem Gegenstand vorbei geführt wird.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es folg
lich möglich, ohne mechanischen Umbau unterschied
lichste Lichtmuster, im allgemeinen Gitterstrukturen,
auf den zu vermessenden Gegenstand zu projizieren und
damit Triangulationsverfahren, beispielsweise die
Streifenprojektionstechnik einschließlich der Gray-
Code-Technik, das Moir´-Verfahren sowie die Fotogram
metrie sowie Kombinationen dieser Verfahren anzuwen
den.
Die Lichtausbeute bei der Generierung von struktu
rierten Lichtmustern aus dem von einer Lichtquelle
erzeugten und auf die Anordnung von Spiegeln proji
zierten Licht ist erheblich höher als beim Einsatz
von Flüssigkristall-Gittern, da zur Generierung der
Lichtmuster keine absorbierenden Strukturen sondern
reflektierende Spiegel in den Strahlengang eingesetzt
werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wer
den in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Die oben beschriebenen Verfahren, die mit Hilfe einer
Triangulation zur Bestimmung von räumlichen Koordina
ten von Gegenständen verwendet werden, können mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vor
teilhaft verwendet und auch miteinander kombiniert
werden. Die Verwendung von Anordnungen mit Mikrospie
geln, sogenannte Mikrospiegelarrays, ermöglicht nied
rige Schaltzeiten von unter 10 µs, so daß eine Pro
jektion in Zeiten schneller als Videoechtzeit möglich
ist und auch bewegte Objekte bei Einsatz von
Hochgeschwindigkeitskameras zur Datenaufnahme vermes
sen werden können. Mikrospiegelarrays, die bisher
ausschließlich im Bereich der Telekommunikation ein
gesetzt werden, besitzen derzeit einen Flächen Füll
faktor von 95%, d. h. verspiegelte Fläche zu Gesamt
fläche des Arrays, und zeigen damit eine bessere Flä
chennutzung als herkömmliche Gitter erzeugende Ele
mente. Weiterhin können die Mikrospiegel so klein
erzeugt werden, daß eine sehr hohe räumliche und,
aufgrund der geringen Schaltzeiten, zeitliche Auflö
sung erreicht wird.
Besonders kurze Schaltzeiten lassen sich erzielen,
wenn die Mikrospiegel um eine Achse um einen fest
vorgegebenen Winkel zwischen zwei Stellungen gekippt
werden. In diesem Falle wird die Anordnung von Mikro
spiegeln so bezüglich der Lichtquelle und des zu ver
messenden Objektes ausgerichtet, daß in einer der
Kippstellungen das einfallende Licht von dem Mikro
spiegel auf den Gegenstand und in der anderen Kipp
stellung das einfallende Licht an dem Gegenstand vor
bei reflektiert wird. Durch eine geeignete Ansteue
rung der einzelnen Mikrospiegel können so Zeilen und
Spalten bzw. weitere beliebige Formen von Hell- und
Dunkelbereichen erzeugt werden.
Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungs
gemäßen Verfahrens dargestellt.
Fig. 1 zeigt den Beleuchtungsteil einer er
findungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt die Erzeugung eines Kreuzgitters 6 aus
Hell- und Dunkelbereichen mit dem Beleuchtungsteil
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Projektor 1
erzeugt als Lichtquelle einen Lichtstrahl, der quer
zu seiner Ausbreitungsrichtung flächig ausgedehnt
ist. Dieser Lichtstrahl wird durch eine Kondensorlin
se 2 auf eine Anordnung 3 aus Mikrospiegeln 4 proji
ziert. An diesen Mikrospiegeln wird das einfallende
Licht reflektiert und über ein weiteres optisches
System 5 auf das zu vermessende Objekt abgebildet.
Jeder einzelne Mikrospiegel kann um eine Achse um
einen fest vorgegebenen Winkel ± α gekippt werden.
Jeder Spiegel kann folglich zwei Kippstellungen ein
nehmen. Derartige Anordnungen werden daher auch als
digitale Mikrospiegelarrays abgezeichnet.
Die Ansteuerung jedes Mikrospiegels erfolgt unabhän
gig vom Nachbarspiegel mit Hilfe einer Schaltelektro
nik, die wiederum durch einen Mikroprozessor gesteu
ert werden kann.
Je nach eingestellter Kippstellung des Mikrospiegels
lenkt dieser das auf ihn auftreffende Licht in die
Pupille des optischen Abbildungssystems 5 oder daran
vorbei. Bei Reflexion in die Pupille des Abbildungs
systems erscheint der damit ausgeleuchtete Objektbe
reich hell (Kippwinkel + α), in anderem Fall er
scheint der entsprechende Objektbereich dunkel (Kipp
winkel - α). Durch die freie Adressierbarkeit jedes
Mikrospiegels sind folglich beliebige strukturierte
Lichtmuster, beispielsweise aus einzelnen Lichtflecken
von einzelnen Mikrospiegeln aufgebaute Streifen
muster oder Kreuzgitter, generierbar und können auf
das zu vermessende Objekt projiziert werden.
Die Meßwertaufzeichnung, das heißt die Bestimmung der
Intensitätsverteilung des von dem Gegenstand in eine
CCD-Kamera gestreuten und/oder reflektierten Lichtes,
erfolgt synchronisiert mit der Ansteuerung der ein
zelnen Mikrospiegel 4 der digitalen Mikrospiegelan
ordnung 3.
Dadurch ist eine Berechnung der Objektpunktkoordina
ten unter Verwendung der ansonsten bekannten
Phase-Shift-Technik, der Gray-Code-Technik, der Phase-Step-
Technik oder fotogrammetrischer Verfahren bzw. Kom
binationen dieser einzelnen Techniken und Verfahren
möglich. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird ein
Kreuzgitter aus dunklen Linien auf den zu vermessen
den Gegenstand projiziert. Da jeder einzelne Mikro
spiegel getrennt von den anderen Mikrospiegeln ange
steuert werden kann, kann jedoch jedes beliebige
Lichtpunktmuster auf dem Gegenstand erzeugt werden.
Claims (17)
1. Vorrichtung zur Vermessung von Entfernungen
und/oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen
und/oder deren zeitlicher Änderung mit minde
stens einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung von
Licht, einer von der Lichtquelle (1) beleuchte
ten abbildenden Optik (2, 3) zur Erzeugung struk
turierter Lichtmuster (6) auf der Oberfläche der
Gegenstände, einer Aufnahmevorrichtung zur Er
zeugung von Bildern der Oberfläche der Gegen
stände und einer Auswerteeinheit zur Bestimmung
der Entfernungen und/oder räumlichen Koordinaten
durch Triangulation aus den genannten Bildern,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung des Lichtmusters auf der Ober
fläche der Gegenstände die abbildende Optik
(2, 3) mindestens eine Anordnung (3) aus mehreren
Spiegeln (4) aufweist, die einzeln in eine vor
bestimmte von mindestens zwei voneinander ver
schiedenen Kippstellungen so einstellbar sind,
daß jeder Spiegel (4) das auf ihn auftreffende
Licht in eine vorbestimmte Richtung reflektiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (2, 3)
mindestens drei Anordnungen (3) aus mehreren
Spiegeln (4) aufweist, wobei die mindestens eine
Lichtquelle und die mindestens drei Anordnungen
so aufeinander ausgerichtet sind, daß jede der
mindestens drei Anordnungen mit Licht anderer
Wellenlänge belichtet wird.
3. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die mindestens eine Anordnung (3) eine zweidi
mensionale Anordnung aus mehreren Spiegeln (4)
ist.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spiegel (4) Mikrospiegel sind.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spiegel in zwei, um einen vorbestimmten Win
kel gegeneinander gekippte Stellungen einstell
bar sind.
6. Verfahren zur Vermessung von Entfernungen und/
oder räumlichen Koordinaten von Gegenständen
und/oder deren zeitlicher Änderung indem ein
quer zur Strahlrichtung ausgedehnter Lichtstrahl
erzeugt und zur Erzeugung strukturierter Licht
muster bezüglich seines Querschnitts bereichs
weise in seiner Intensität moduliert wird, wobei
der modulierte Lichtstrahl auf die Oberfläche
der Gegenstände projiziert und Bilder der Ober
fläche des Gegenstandes aufgezeichnet werden und
aus diesen Bildern mittels räumlicher Triangu
lation die Entfernungen und/oder räumlichen Ko
ordinaten und/oder deren zeitliche Änderung be
stimmt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung der strukturierten Lichtmuster
der Lichtstrahl bezüglich seines Querschnitts
bereichsweise in unterschiedliche vorbestimmte
Richtungen reflektiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß strukturierte Lichtmuster (6) un
terschiedlicher Periode, Form, Grauwertvertei
lung und/oder Farbe nacheinander erzeugt und auf
die Oberfläche des Gegenstandes projiziert wer
den, die Schnittlinienbilder der Lichtmuster mit
der Oberfläche des Gegenstandes aufgezeichnet
werden und aus den Schnittlinienbildern die
räumlichen Koordinaten bestimmt werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
und 7, dadurch gekennzeichnet, daß additive
Kreuzgitter als strukturierte Lichtmuster (6)
erzeugt werden und die räumlichen Koordinaten
mit dem Verfahren der Streifenprojektion und/
oder mittels der Photogrammetrie bestimmt wer
den.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Rechteckgit
ter unterschiedlicher Periode als strukturierte
Lichtmuster erzeugt werden und die räumlichen
Koordinaten mit dem Gray-Code-Verfahren bestimmt
werden.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sinusförmige
Gitter mit unterschiedlicher Periode als struk
turierte Lichtmuster erzeugt werden und die
räumlichen Koordinaten mit dem Mehr-Wellenlän
gen-Verfahren bestimmt werden.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
und 7, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander
strukturierte Lichtmuster mit zueinander jeweils
phasenverschobener sinusförmiger Intensitätsver
teilung erzeugt und auf die Oberfläche des Ge
genstandes projiziert werden.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in zeitlicher
Abfolge Lichtmuster aus Rechteckgittern und/oder
phasenverschobenen sinusförmigen Gittern erzeugt
und auf die Oberfläche des Gegenstandes proji
ziert werden.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtmuster
mit stochastischer Struktur erzeugt und auf die
Oberfläche des Gegenstandes projiziert werden
und daß die räumlichen Koordinaten nach dem Ver
fahren der Photogrammetrie über ein Korrela
tionsverfahren bestimmt werden.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander
Lichtmuster mit Licht unterschiedlicher Wellen
längen erzeugt werden.
15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtmu
ster farbkodierte Lichtmuster erzeugt werden.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmu
ster durch eine Kombination aus codiertem Licht
ansatz und Phaseshiftverfahren codiert werden.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6
bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch drei
Anordnungen (3) einzeln ansteuerbarer und kipp
barer Spiegel (4) gleichzeitig drei Lichtmuster
unterschiedlicher Farben erzeugt und auf die
Oberfläche des Gegenstandes projiziert werden.
Priority Applications (1)
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ID=7803225
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