DE19633686C2 - Device and method for measuring distances and / or spatial coordinates of objects and / or their change over time - Google Patents
Device and method for measuring distances and / or spatial coordinates of objects and / or their change over timeInfo
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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 5.The invention relates to a device and a Ver drive to measure distances and / or space coordinates of objects and / or their change over time according to the generic terms of the An sayings 1 and 5.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren werden insbe sondere im Maschinenbau, Automobilbau, Keramikindu strie, Schuhindustrie, Schmuckindustrie, Dentaltech nik und Humanmedizin (Orthopädie) und weiteren Berei chen verwendet.Such devices and methods are esp especially in mechanical engineering, automobile construction, ceramic indu strie, shoe industry, jewelry industry, dental tech nics and human medicine (orthopedics) and other areas chen used.
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 Moiré-Ver fahren, das holografische und Speckle-Contouring so wie die Fotogrammetrie.The increasing demands for a largely complete quality control in the running product tion process and after digitization of the room prototypes take up the surface Chentopographies on an increasingly frequently asked Measurement task. The task arises, the Koor Dinates individual points on the surface of the ver to determine measuring objects in a short time. It are different approaches, both the time and also the probing problem due to the use of optical Solve measuring method. The advantage of optical measuring driving lies in the contactless and thus back ineffective measurement and that the informa ions about the object in pictorial form and thus are easy to understand. To these optical The strip projection technique belongs to measuring methods including the Gray code technique, the Moiré Ver drive, the holographic and speckle contouring like that like photogrammetry.
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 Moirés, 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 unabängigen Phasenmeßwerten und/oder Bild- bzw. Pixelkoordinaten die Koordinaten der Meßpunkte auf der Oberfläche des Gegenstandes in einem Sensorkoor dinatensystem durch Triangulation berechnen. It is characteristic of these processes that the Measured variables of interest, the spatial coordinates of the Surface of objects, indirectly from phase measurement evaluate in cut line images of light patterns, at for example stripe patterns that per object be extracted from phase measurements in Moirés Coordinates of the observation points of Obach tion beams through the receiver plane and / or out Parameters that determine the geometry of the Measuring arrangement, d. H. the light sources, optical construction elements and the image recording device cha characterize. Are the geometry parameters of the meas known arrangement, you can linearly from three other independent phase measurements and / or image or Pixel coordinates the coordinates of the measuring points the surface of the object in a sensor bog Calculate the dinate system by triangulation.
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.Different are used to generate the light patterns Projection techniques used, for example pro grammable LCD projectors, sliding glass stripes with different lattice structures in one Projector, a combination of an electric switch bar and a mechanical shift direction or the projection of individual grids on the basis of glass supports.
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 auflös 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.DE 42 38 581 A1 describes a method for generating line patterns using one of rivers sig crystal cells constructed gradient mesh knows. This grid is between the light source and the object to be measured, ge brings so that the object with the desired Gradient grid is illuminated. A disadvantage of derar term LCD projectors is that the width of the resolution baren individual structures is generally <50 microns and there is therefore a relatively large construction. Wei furthermore, switching times are when using LCD grids of <200 ms between two different projects tion structures due to the relatively slow Um orientation of the individual liquid crystals hardly rea lisable. For the same reason, when switching between Relaxa interfering with different light patterns to observe symptoms.
Die DE 43 38 390 A1 offenbart einen Szenensimulator zur Erzeugung von Bildinformationen in Echtzeit für den Test von bildauflösenden Sensoren, insbesondere zum Testen von Infrarot-Sensoren in Zielsuchköpfen. Dieser enthält ein mikromechanisches Spiegelarray aus einer gleichmäßig ausgeleuchteten zweidimensionalen Anordnung von Spiegelelementen, welche in zwei Schaltstellungen bewegbar sind. In der ersten Schalt stellung eines Spiegelelements wird das von diesem reflektierte Licht an einem zu testenden Sensor vor beigeleitet und in der zweiten Schaltstellung wird dieses in den Strahlengang des Sensors reflektiert. Die Spiegelelemente werden so angesteuert, daß der zu testende Sensor eine simulierte Objektszene beobach tet.DE 43 38 390 A1 discloses a scene simulator to generate image information in real time for the test of image resolution sensors, in particular for testing infrared sensors in homing heads. This contains a micromechanical mirror array a uniformly illuminated two-dimensional Arrangement of mirror elements, which in two Switch positions are movable. In the first switching the position of a mirror element is this of this reflected light in front of a sensor to be tested is supplied and in the second switching position this is reflected in the beam path of the sensor. The mirror elements are controlled so that the testing sensor observe a simulated object scene tet.
Aus der US 5 612 736 ist eine Vorrichtung zum Proji zieren eines Farbbildes auf einen Schirm mit Hilfe einer Mikrospiegelanordnung bekannt. In der einen Stellung eines Spiegelelements wird das von diesem reflektierte Licht auf den Schirm und in der anderen Stellung in eine Lichtfalle reflektiert. Jedes Spie gelelement erzeugt ein Pixel auf dem Schirm. Das das Spiegelelement beleuchtende Licht geht durch ein sich drehendes, die drei Grundfarben enthaltendes Farbrad hindurch. Durch entsprechend gesteuerte Drehung des Farbrades und Umschaltung der Positionen des Spiegel elements kann das zugeordnete Pixel jede gewünschte Leuchtintensität und Farbe annehmen.From US 5 612 736 is a device for projection decorate a color image on a screen with the help a micromirror arrangement known. In one The position of a mirror element is from this reflected light on the screen and in the other Position reflected in a light trap. Every game gelelement creates a pixel on the screen. The the Light illuminating the mirror element passes through itself rotating color wheel containing the three basic colors through it. By appropriately controlled rotation of the Color wheel and switching of the positions of the mirror elements, the assigned pixel can be any desired Accept light intensity and color.
In "Malz, R.: Adaptive Light Encoding for 3-D-Sensing with Maximum Measurement Efficiency", Universität Stuttgart, 1994, werden für das maschinelle 3-D-Sehen mit einer Triangulationskamera hybride Codes zur flä chenhaften Objektmarkierung beschrieben. Diese Codes vereinigen die Genauigkeit analoger Markierungsfunk tionen mit der Robustheit digitaler Codes.In "Malz, R .: Adaptive Light Encoding for 3-D-Sensing with Maximum Measurement Efficiency ", University Stuttgart, 1994, for machine 3-D vision with a triangulation camera hybrid codes for like object marking. These codes combine the accuracy of analog marking radio with the robustness of digital codes.
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.The object of the present invention is to provide a to provide direction and a method with any structured light pattern on Ge objects with high spatial resolution and cure zen changing times between different light patterns can be generated.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie das Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5 in Verbindung mit ihren kennzeichnenden Merkmalen gelöst.This task is performed by the device according to the Preamble of claim 1 and the method according to the preamble of claim 5 in conjunction with solved their characteristic features.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch eine An ordnung aus mehreren in einem zweidimensionalen Array angeordneten Spiegeln gekennzeichnet, die einzeln, gegebenenfalls durch eine Steuerschaltung einzeln ansteuerbar, in verschiedene Kippstellungen gebracht werden können. Hierbei sind unter dem Begriff "Spie gel" jegliche reflektiven optischen Bauelemente zu verstehen. Durch die Auswahl der Kippstellungen der einzelnen Spiegel werden die von der Lichtquelle er zeugten Lichtstrahlen in unterschiedliche Richtungen reflektiert. Durch geeignete Ansteuerung der einzel nen Spiegel kann auf dem zu vermessenden Gegenstand ein lediglich durch die Größe und Anzahl der Spiegel in der Auflösung bestimmtes Lichtmuster erzeugt wer den, wobei jeder von einem Spiegel reflektierte und auf den Gegenstand auftreffende Lichtstrahl einen Lichtpunkt bzw. -fleck zu dem Lichtmuster beiträgt. Soll ein reflektierter Lichtstrahl keinen Lichtpunkt erzeugen, so kann der Spiegel so eingestellt werden, daß der reflektierte Lichtstrahl mittels des proji zierenden optischen Systems nicht auf das Objekt ab gebildet wird.The device according to the invention is by an order of several in a two-dimensional array arranged mirrors marked individually, optionally individually by a control circuit controllable, brought into different tilt positions can be. Here are under the term "Spie gel "any reflective optical components understand. By selecting the tilt positions of the individual mirrors are those of the light source created rays of light in different directions reflected. By suitable control of the individual A mirror can be placed on the object to be measured one just by the size and number of mirrors who creates certain light pattern in the resolution the one, each reflecting off a mirror, and a beam of light striking the object Spot or spot contributes to the light pattern. Should a reflected light beam not be a point of light generate, the mirror can be adjusted so that the reflected light beam by means of the proji decorative optical system does not depend on the object is formed.
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 Moiré-Verfahren sowie die Fotogram metrie sowie Kombinationen dieser Verfahren anzuwen den. It follows from the device according to the invention possible, without mechanical modification light patterns, generally lattice structures, project onto the object to be measured and thus triangulation processes, for example the Fringe projection technology including the gray Code technology, the moiré process and the photo frame metry and combinations of these methods the.
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.The luminous efficacy when generating struktu generated light patterns from that of a light source generated and projected on the arrangement of mirrors graced light is considerably higher than when used of liquid crystal gratings, since it is used to generate the Light patterns not absorbing structures but reflective mirrors used in the beam path will.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wer den in den abhängigen Ansprüchen gegeben.Advantageous further developments of the invention Method and the device according to the invention who given in the dependent claims.
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. The procedures described above using a Triangulation to determine spatial coordina objects can be used with With the help of the method according to the invention partly used and also combined with each other will. The use of microspie arrays gel, so-called micromirror arrays, enables low switching times of less than 10 µs, so that a Pro injection at times faster than real-time video is and also moving objects when using High-speed cameras for data acquisition can be sen. Micromirror arrays, so far exclusively in the field of telecommunications currently have an area fill factor of 95%, d. H. mirrored area to total area of the array, and thus show a better area use as conventional grid-producing elements ment. Furthermore, the micromirrors can be so small be generated that a very high spatial and, due to the short switching times, temporal resolution solution is reached.
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.Particularly short switching times can be achieved when the micromirror is fixed around an axis around one predetermined angle between two positions will. In this case, the arrangement of micro so reflect with respect to the light source and the ver measuring object aligned that in one of the Tilt the incident light from the mic mirror on the object and in the other tilt position the incident light on the object at being reflected. With a suitable control lines and Columns or any other forms of light and Dark areas are generated.
Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungs gemäßen Verfahrens dargestellt.The following are exemplary embodiments the device of the invention and the fiction according to the procedure.
Fig. 1 zeigt den Beleuchtungsteil einer er findungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 1 shows the lighting part of a device according to the invention.
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 bezeichnet. Fig. 1 shows the generation of a cross grating 6 of the light and dark with the illumination part of a device according to the invention. A projector 1 generates a light beam as a light source, which is extended across the surface in a direction transverse to its direction of propagation. This light beam is projected by a condenser lens 2 onto an arrangement 3 of micromirrors 4 . The incident light is reflected on these micromirrors and imaged onto the object to be measured via a further optical system 5 . Each individual micromirror can be tilted around an axis by a predetermined angle ± α. Each mirror can therefore take two tilt positions. Such arrangements are therefore also referred to as digital micromirror arrays.
Die Ansteuerung jedes Mikrospiegels erfolgt unabhän gig vom Nachbarspiegel mit Hilfe einer Schaltelektro nik, die wiederum durch einen Mikroprozessor gesteu ert werden kann.Each micromirror is controlled independently gig from the neighboring mirror with the help of a switching electric nik, which in turn is controlled by a microprocessor can be learned.
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 Lichtflec ken von einzelnen Mikrospiegeln aufgebaute Streifen muster oder Kreuzgitter, generierbar und können auf das zu vermessende Objekt projiziert werden.Depending on the set tilt position of the micromirror, it directs the light striking it into the pupil of the optical imaging system 5 or past it. When reflected into the pupil of the imaging system, the object area illuminated with it appears bright (tilt angle + α), in other cases the corresponding object area appears dark (tilt angle - α). Due to the free addressability of each micromirror, any structured light pattern, for example strip patterns or cross gratings constructed from individual light spots by individual micromirrors, can be generated and can be projected onto the object to be measured.
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.The measured value recording, that is to say the determination of the intensity distribution of the light scattered and / or reflected by the object in a CCD camera, takes place synchronized with the activation of an individual micromirror 4 of the digital micromirror arrangement 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 gezeigte 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.This makes it possible to calculate the object point coordinates using the otherwise known phase shift technique, the Gray code technique, the phase step technique or photogrammetric methods or combinations of these individual techniques and methods. In the example shown in FIG. 1, a cross grid of dark lines is projected onto the object to be measured. Since each individual micromirror can be controlled separately from the other micromirrors, however, any light spot pattern can be generated on the object.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
R011 | All appeals rejected, refused or otherwise settled | ||
R037 | Decision of examining division/fpc revoking patent now final | ||
R107 | Publication of grant of european patent rescinded |
Effective date: 20130814 |