DE19721688B4

DE19721688B4 - Oberflächenerfassungseinrichtung und Verfahren zur Oberflächenerfassung

Info

Publication number: DE19721688B4
Application number: DE19721688A
Authority: DE
Inventors: Stephan Holzner; Gerhard Weber; Ernst Rothe
Original assignee: Institut Straumann AG
Current assignee: Institut Straumann AG
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2017-05-24
Also published as: DE19721688A1

Abstract

Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Triangulationsprinzip zur 3D-Datengewinnung, mit Bestrahlungseinrichtungen zum Bestrahlen zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche und Beobachtungseinrichtungen zum Abbilden wenigstens eines Ausschnittes des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche auf Sensoreinrichtungen zum Detektieren, wobei für den Detektionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrichtungen gilt

Description

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Oberflächenerfassung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 26. Bei einer solchen Oberflächenerfassungseinrichtung bzw. einem solchen Verfahren zur Oberflächenerfassung wird zur Gewinnung dreidimensionaler Daten einer Objektoberfläche das Triangulationsprinzip angewandt.
In einer Zeit zunehmender Genauigkeitsanforderungen und wachsender Automatisierung von industriellen Fertigungsvorgängen ist es von großem Interesse, Meßverfahren zu entwickeln, die eine exakte Erfassung von Gegenständen sowie eine bevorzugt automatische Kontrolle dieser Gegenstände und von Produktionsabläufen ermöglichen. Im Mittelpunkt steht dabei vor allem die Forderung, Produkte genauestens erfassen zu können, aber auch u. a. unterschiedliche Produkte erkennen und sortieren zu können, was z. B. insbesondere am Fließband wünschenswert sein kann. Diese Aufgabe fällt in den Bereich der Objekterkennung. Hierfür ist es entscheidend, daß eine schnelle und genaue Datenaufnahme und -verarbeitung erfolgt, um z. B. aussagekräftige Informationen über eine Objektoberfläche zu erhalten und beispielsweise auch den Produktionsprozeß nicht zu behindern.
In jüngster Zeit wurden sowohl für die Objektvermessung und -erkennung als auch für die Qualitätssicherung verstärkt optische 3D-Sensoren eingesetzt. Die bisher größtenteils verwendeten taktilen Meßverfahren haben gegenüber optischen Lösungen neben einer beschränkten Genauigkeit die Nachteile einer zu geringen Anpassungsfähigkeit, einer schwerfälligen Handhabung und einer langwierigen Messung. Bei optischen 3D-Sensoren erfolgt der Meßvorgang im Vergleich zu taktilen Meßapparaturen trotz höherer Genauigkeit wesentlich schneller und vor allem berührungslos. Zudem erlaubt die Optik eine parallele Verarbeitung gewonnener Informationen, so daß durch geeignete Konstruktion des abbildenden Systems eine Vorverarbeitung der Bilddaten möglich wird. Die Geschwindigkeit für die optische Objekterkennung läßt sich gegenüber taktilen Meßverfahren um ein Vielfaches steigern.
Optische 3D-Sensoren werden, wie bereits eingangs dargelegt wurde, beispielsweise in der Industrie, aber auch z. B. in der Medizin mit Erfolg verwendet, wo die Einsatzgebiete von der Höhenvermessung chirurgisch abgetragenen Gewebes bis hin zur Erstellung von Keramik-Inlays aus den Daten der 3D-Aufnahme eines präparierten Zahns reichen. Allgemein werden optische Meßverfahren zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung in der Qualitätskontrolle, bei der CAD/CAM-Herstellung von Werkstücken, in der Meßtechnik usw. eingesetzt.
Berücksichtigt man die Vorteile und Anwendungsgebiete optischer Meßapparaturen zur Oberflächenerfassung, so ist es kein Wunder, daß die Verbesserung von 3D-Sensoren und ihre Optimierung für spezielle Einsatzgebiete ein hochaktuelles Thema ist. Dabei ist es wichtig, dreidimensionale Objektdaten mit möglichst großem Informationsgehalt zu gewinnen.
Die DE 44 39 307 A1 betrifft ein optisches 3D-Oberflächenmeßgerät mit hoher Genauigkeit, das nach dem Prinzip der Triangulation arbeitet und aus einer Beleuchtungsoptik, oder allgemein Bestrahlungseinrichtungen, zum Bestrahlen zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche, und einer unter dem Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ ungleich Null angeordneten Beobachtungsoptik, die als Beobachtungseinrichtungen verallgemeinert werden kann, zum Abbilden wenigstens eines Ausschnittes des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche auf Sensoreinrichtungen zum Detektieren besteht.
Aus diesem Stand der Technik ist weiter bekannt, daß die Beleuchtungsoptik eine Lichtlinie von mindestens 2 mm auf eine zu vermessenden Objektoberfläche projiziert, daß die Beobachtungsoptik aus einer optischen Anordnung besteht, bei der zwei Linsen oder Linsensysteme mit den Brennweiten f₁ und f₂ im Abstand f₁ + f₂ (±10%) angebracht sind und sich im Abstand f₁ (±10%) von der ersten Linse bzw. dem ersten Linsensystem und im Abstand f₂ (±10%) von der zweiten Linse bzw. dem zweiten Linsensystem eine Blende befindet, die den Strahlengang begrenzt, und daß die Hauptachse dieser Beobachtungsoptik, die mit der Objektebene den Winkel Θ einschließt, mit der Bildebene den Betrag des Winkels Θ' (±10%) entsprechend der Beziehung tanΘ' = f₁/f₂·tanΘ; einschließt.
Bei diesem vorbeschriebenen Aufbau wird die Beleuchtungsoptik, die Lichtquellen, Linsen etc. enthält, zum Erzeugen und Projizieren eines Lichtpunktes aus einer bestimmten Richtung auf eine zu erfassende Objektoberfläche verwendet. Dieser Lichtpunkt wird aus einer anderen Richtung, die mit dem Beleuchtungsstrahl den sog. Beobachtungs- oder Triangulationswinkel einschließt, mittels der Beobachtungsoptik betrachtet. Durch den Unterschied zwischen der Beleuchtungsrichtung und der Beobachtungsrichtung werden Höhenunterschiede auf der Objektoberfläche in der Beobachtungsebene in lateral versetzte Positionen umgesetzt. Zur Beobachtung werden neben Punktsensoren, bei denen nur ein Punkt auf die Objektoberfläche projiziert wird, auch Liniensensoren eingesetzt, bei denen eine oder gleich mehrere Linien auf die Objektoberfläche projiziert werden. Letzteres hat den Vorteil, daß mehrere Oberflächenpunkte auf einmal vermessen werden können (Zeitschrift ”Applied Optics”, Jahrgang 1988, Heft 27, Seiten 5165 bis 5169). Allgemein liefert die Verwendung des Triangulationsprinzips im Vergleich zu anderen Meßtechniken sehr hohe Meßgenauigkeiten bei vergleichsweise kurzen Meßzeiten.
Zur Erzielung eines großen Höhenmeßbereiches wird beim hier behandelten Stand der Technik auch unter Hinweis auf die DE 33 37 251 A3 die Scheimpflugbedingung realisiert, d. h., daß gilt tanΘ' = 1/βtanΘ; wobei, wie weiter oben bereits angegeben wurde, Θ' der Detektionswinkel zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrichtungen sowie Θ der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen und β der für jeden Punkt der Objektoberfläche konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen sind.
Wird die Bildebene entsprechend dieser Bedingung eingestellt, so wird jeder Punkt auf der Objektoberfläche scharf abgebildet. Die Punkte auf der Objektoberfläche können unterschiedliche Abstände von den Beobachtungseinrichtungen, wie z. B. den Linsen haben, was zu unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben und damit die Meßgenauigkeit ungünstig beeinflussenden Verzerrungen führt. Um dies zu vermeiden, wird bei dem Meßgerät, das in der DE 44 39 307 A1 beschrieben ist, eine sog. doppelt telezentrische Beobachtungsoptik eingesetzt, bei der, wie weiter oben schon angegeben wurde, der Abbildungsmaßstab β für jeden Punkt der Objektoberfläche konstant ist, wobei β gemäß der doppelten Telezentrie durch f₂/f₁ bestimmt ist. Auf Grund des gegenüber der Scheimpflugbedingung für jeden Punkt der Objektoberfläche konstanten Abbildungsmaßstabes wird die Schärfeforderung erfüllt, die den gewünschten Höhenmeßbereich sicherstellt.
Die in der DE 44 39 307 A1 beschriebene Triangulationsanordnung erlaubt es wegen der doppelt telezentrischen Beobachtungsoptik in Kombination mit der Lichtlinienprojektion, bei im Vergleich zur reinen Scheimpflugbedingung vergrößertem Höhenmessbereich auf der Objektoberfläche eine lineare, d. h. verzerrungsfreie Kalibrierung vorzunehmen. Gleichzeitig ist der optische Aufbau so konstruiert, dass sich die Seidelschen Bildfehler im Vergleich zur reinen Scheimpflugbedingung weniger stark auswirken. Daher wird eine im Ergebnis hohe Messgenauigkeit erreicht.
Mit dem aus der DE 44 39 307 A1 bekannten 3D-Oberflächenmeßgerät können somit Oberflächendaten eines gegebenen Körpers schnell und genau gewonnen werden.
Dazu ist es jedoch notwendig, dass die Bedingung tanΘ' = f₁/f₂·tanΘ; gemäß dem Stand der Technik, oder allgemeiner bei für jeden Punkt der Objektoberfläche konstantem Abbildungsmaßstab β der Beobachtungseinrichtungen tanΘ' = 1/βtanΘ; möglichst genau erfüllt ist.
Wenn ferner z. B. Hinterschneidungen erfasst werden sollen oder Abschattungen auftreten, die bei gegebenen Körpern vorkommen können, und der Körper nicht selbst in anderen Lagen justiert werden kann, in denen die Hinterschneidungen ausreichend von den Bestrahlungseinrichtungen bestrahlt werden können, ist eine Anpassung des Winkels O erforderlich, was die oben genannte Bedingung beeinflusst. Auch kann es sein, dass Veränderungen an den Beobachtungseinrichtungen vorgenommen werden müssen, wie beispielsweise zur Anpassung an geometrische Charakteristika der zu erfassenden Objektoberfläche oder deren Reflexionsvermögen, was zu Änderungen des Abbildungsmaßstabes β führt, wodurch die oben genannte Bedingung beeinflusst wird.
Der DE 44 39 307 A1 ist jedoch nicht zu entnehmen, wie die Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ apparativ insbesondere bei wechselnden Messbedingungen auf einfache und exakte Weise zu realisieren ist.
In US 4,895,434 wird eine dreidimensionale Messvorrichtung beschrieben, wobei der Projektor einen holographischen Abbildungsmechanismus und einen Strahlrichtungskompensator umfasst. Der holographische Abbildungsmechanismus ist als eine drehbare Scheibe ausgebildet, auf deren Umfang Segmente von Gittermustern angeordnet sind. Der Strahl wird durch Drehung der holographischen Scheibe abgebildet, wobei jedes Gittermustersegment eine bestimmte Strahlablenkung erzeugt.
In DE 195 04 126 A1 wird ein berührungsloses Vermessen dreidimensionaler Objekte mittels optischer Triangulation beschrieben. Die von einer Strahlungsquelle ausgesendete, gebündelte Strahlung tastet die Oberfläche des Objekts ab und die von der Oberfläche reflektierte Strahlung wird mittels Strahlungsdetektoren erfasst. Die Strahlungsquelle und die Strahlungsdetektoren sind in einem in z-Richtung linear bewegbaren sowie verschwenkbaren Abtastkopf angeordnet. Das dreidimensionale Vermessen erfolgt dadurch, dass das auf einem Drehtisch befindliche Objekt auf einer ringähnlichen Umfangslinie punktweise abgetastet wird. Nach jeder Umdrehung des Drehtischs wird der Abtastkopf in z-Richtung um einen vorgegebenen Schritt weitertransportiert. Anschließend erfolgt das Abtasten eines nächsten Rings. Die Abtastung kann mit verschiedenen Winkelstellungen des Abtastkopfes durchgeführt werden. Durch das Schwenken der Blickrichtung des Abtastkopfes um die Vertikalachse um einen bestimmten vorwählbaren Winkel können unterschiedliche Blickrichtungen auf das Objekt eingestellt werden und somit auch verdeckte Oberflächenteile erkannt werden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine nach dem Triangulationsprinzip aufgebaute Oberflächenerfassungseinrichtung anzugeben, die einfach und exakt einzujustieren und einzusetzen ist.
Dieses Ziel wird mit einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Anspruch 1 erreicht.
Erfindungsgemäß enthält eine Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Triangulationsprinzip zur 3D-Datengewinnung Bestrahlungseinrichtungen zum Bestrahlen zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche und Beobachtungseinrichtungen zum Abbilden wenigstens eines Ausschnittes des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche auf Sensoreinrichtungen zum Detektieren, wobei für den Detektionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrichtungen gilt tanΘ' = 1/βtanΘ; worin β der für jeden Punkt der Objektoberfläche konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen und Θ der Beobachtungswinkel zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen sind. Zur Erfüllung der vorstehenden Bedingung ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass zumindest eine die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist.
Durch diese technische Lehre wird die Voraussetzung geschaffen, die aus der DE 44 39 307 A1 bekannte optische 3D-Oberflächenmeßeinrichtung in der Praxis schnell und zuverlässig messend einsetzen zu können. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist es möglich, genaue Kalibrierungen der Oberflächenerfassungseinrichtung durchzuführen und eventuell vorgegebene rechnerische Werte für den Detektionswinkel Θ' an die tatsächlichen apparativen Gegebenheiten anzupassen.
Z. B. mittels eines Kalibriermaßes kann direkt anhand der Ausgabe der Sensoreinrichtungen festgestellt werden, ob die durch die Scheimpflugbedingung und die doppelte Telezentrie vorgegebene Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ erfüllt ist. Dadurch, dass zumindest eine die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist, kann, wenn die Bedingung nicht in ausreichender Weise erfüllt ist, während des Verstellens der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen um die wenigstens annähernd in der durch die strahlungssensitive Oberfläche bestimmten Bildebene liegende Achse in vorteilhafter Weise beobachtet werden, wie sich die genannte Bedingung einstellt.
Durch die Erfindung wird somit der Vorteil geschaffen, dass die Sensoreinrichtungen selbst zu ihrer Justierung herangezogen werden und die Genauigkeit einer Kalibrierung, von der die spätere Messgenauigkeit der Oberflächenerfassungseinrichtung im praktischen Einsatz abhängt, direkt durch den Messaufbau selbst optimiert und überprüft werden kann. Dabei kann weiterhin vorteilhaft die Ausgabe der Sensoreinrichtungen als Regelsignal für eine halb- oder vollautomatische Justierung verwendet werden.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Einstellmöglichkeit hat gegenüber anderen Justagemöglichkeiten weitere Vorteile. Es ist bei allen Überlegungen hinsichtlich Einstellungen zur Erfüllung der Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ zu beachten, dass hier in der Praxis sehr kleine Veränderungen der Parameter erforderlich sind und große Auswirkungen zeigen.
Wird beispielsweise statt der Drehung der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen um eine zumindest annähernd darin liegende Achse in konstruktiv und apparativ einfacherer Weise um eine außerhalb der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen liegende Achse gedreht, so können die Auswirkungen der Drehung beim Kalibrieren nicht direkt mittels der Sensoreinrichtungen festgestellt werden. Im letzteren Fall sind dann zudem Linearverstellmöglichkeiten erforderlich, um die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen wieder richtig im Strahlengang der Beobachtungseinrichtungen zu positionieren. Neben den Unzulänglichkeiten beim Einjustieren der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen und dem zusätzlichen apparativen Aufwand durch die Linearverstellmöglichkeiten ist bei dieser Methode der Kalibrierung aber außerdem nachteilig, dass Einstellungen der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen nur schwer reproduzierbar und gezielt zur Anpassung an andere Bedingungen von Bestrahlungseinrichtungen, Objektoberfläche und Beobachtungseinrichtungen anpassbar sind.
Um die Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ zu erfüllen, könnte auch der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ verändert werden. Diese Anpassungs- oder Einstellmöglichkeit erscheint einerseits schon deshalb naheliegend, da wegen der größeren Weglängen im Bestrahlungs- und Beobachtungsstrahlengang feinere Winkeleinstellungen möglich erscheinen. Dadurch würden aber andererseits gleichzeitig die Bestrahlungsbedingungen auf der zu erfassenden Objektoberfläche verändert und eine Optimierung des Bestrahlungswinkels in Abhängigkeit von der zu erfassenden Objektoberfläche und deren Reflexionsvermögen im Hinblick auf die Informationsgewinnung durch die Sensoreinrichtungen zumindest erschwert, wenn nicht sogar ausgeschlossen. Außerdem wäre es in apparativ äußerst aufwendiger Weise erforderlich, die Bestrahlungseinrichtungen und die Beobachtungseinrichtungen synchron zu verstellen, damit den Sensoreinrichtungen bzw. deren strahlungssensitiver Oberfläche zuverlässig verwertbare optische Signale zugeführt werden.
Als weitere Alternative bliebe eine Veränderung des Abbildungsmaßstabes β der Beobachtungseinrichtungen, wie etwa durch Zoomverstellungen enthaltener optischer Einrichtungen. Da aber dieser Abbildungsmaßstab β gerade den Bedingungen der zu erfassenden Objektoberfläche angepasst sein soll, würde seine Änderung zur Erfüllung der Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ die optische Abbildung der gewünschten Oberflächeninformationen nachteilig beeinflussen und daher zu einer Verschlechterung der erzielbaren Messergebnisse führen.
Die Erfindung ermöglicht somit gegenüber allen alternativen Bauarten eine schnellere und exaktere Einstellung der oder Anpassung an die Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ und damit eine schnelle und exakte Kalibrierung sowie eine zuverlässige und genaue Messung.
Im Rahmen der Erfindung wurde ferner in vorteilhafter Weise erkannt, dass es ausreichend ist, wenn die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist. Es ist also nicht erforderlich, die gesamten Sensoreinrichtungen oder mehrere i. d. R. größere Teile davon zu verstellen, was sich günstig auf die möglichst geringe Baugröße der gesamten Oberflächenerfassungseinrichtung sowie die erforderlichen Einstellkräfte und Stabilität eingestellter Positionen der Sensoreinrichtungen auswirkt.
In bevorzugter Fortbildung der erfindungsgemäßen Oberflächenerfassungseinrichtung enthalten die Sensoreinrichtungen zur Umwandlung von optischen Informationen in elektrische Signale eine CCD-Vorrichtung, die insbesondere eine Flächenanordnung von einzelnen CCD-Elementen enthält und die zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine Achse verstellbar angeordnet ist, die wenigstens annähernd in der die Bildebene bestimmenden strahlungssensitiven Oberfläche der CCD-Vorrichtung liegt. CCD-Vorrichtungen selbst mit hoher Auflösung sind günstig zu erhalten. Beispielsweise in Kombination mit einem Laser als Strahlungsquelle der Bestrahlungseinrichtungen kann ein äußerst rationeller und gleichzeitig genau arbeitender Aufbau realisiert werden. Die CCD-Vorrichtung enthält üblicherweise einen CCD-Chip, der eine insbesondere zweidimensionale Sensorfläche aufweist, und es ist, wie vorstehend erläutert ausreichend, wenn dieser CCD-Chip mit seiner strahlungssensitiven Oberfläche drehbar angeordnet ist. Die weiteren Komponenten der CCD-Vorrichtung müssen nicht zusammen mit dem CCD-Chip entsprechend drehbar, sondern können einfach durch elektrische Leitungen mit letzterem verbunden ortsfest angeordnet sein. Damit wird als weiterer Vorteil eine besonders kleinbauende und daher platzsparende Konstruktion erreicht.
Vorzugsweise wird bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung eine Drehscheibe verwendet, die den Sensoreinrichtungen zugeordnet sowie um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' drehbar ist und bezüglich der die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen so fixiert ist, daß die strahlungssensitive Oberfläche zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine zumindest im wesentlichen in ihr verlaufende Achse zusammen mit der Drehscheibe verstellbar ist. Durch eine solche Drehscheibe wird eine besonders stabile Halterung der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen erreicht. Außerdem kann die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen auf einfache Weise bezüglich der Drehachse der Drehscheibe und stabil z. B. auf der Drehscheibe montiert und justiert werden, so daß sichergestellt ist, daß die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist. Ferner bietet die Drehscheibe eine besonders sichere und fein einstellbare Verstellmöglichkeit für den Beobachtungswinkel Θ', so daß die geforderte Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ genau und zuverlässig eingestellt werden kann und die Einstellung auch über den Betrieb der Oberflächenerfassungseinrichtung gewährleistet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, daß die Sensoreinrichtungen eine um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' drehbare Buchse enthalten, innerhalb der die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen so fixiert ist, daß die strahlungssensitive Oberfläche zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine zumindest im wesentlichen in ihr verlaufende Achse zusammen mit der Buchse verstellbar ist, und daß die Buchse eine Buchsenöffnung zum Durchlassen der mittels der Beobachtungseinrichtungen von der zu erfassenden Objektoberfläche kommenden Strahlung enthält, wobei die Buchsenöffnung in der Drehrichtung um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' solche Abmessungen aufweist, daß die mittels der Beobachtungseinrichtungen von der zu erfassenden Objektoberfläche kommende Strahlung bei verschiedenen Detektionswinkeln Θ' auf die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen trifft. Damit kann eine besonders stabile Lagerung und Führung für die Drehbewegung der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen erreicht werden. Eine Buchse bietet ferner eine mechanische und strahlungsmäßige Abschirmung für die empfindliche strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen.
In Fortbildung der beiden vorstehenden erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Oberflächenerfassungseinrichtung kann ferner vorgesehen sein, daß die Drehscheibe oder die Buchse um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' in einem Gehäuse, und insbesondere in einer Aufnahmeöffnung des Gehäuses drehbar angeordnet ist, das eine Gehäuseöffnung zum Durchlassen der mittels der Beobachtungseinrichtungen von der zu erfassenden Objektoberfläche kommenden Strahlung enthält. Ein solches Gehäuse bietet eine besonders gute Möglichkeit zur Realisierung der Lagerung und Führung für die Drehbewegung der Drehscheibe oder der Buchse mit der strahlungssensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtungen und schützt letztere vor mechanischen Belastungen sowie weitgehend vor Fremdstrahlung. Bei dieser Ausführung der Erfindung kann ferner vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Gehäuseöffnung direkt an die Beobachtungseinrichtungen angeschlossen ist und/oder einen Teil der Beobachtungseinrichtungen aufnimmt. Dadurch wird die Kompaktheit und Stabilität der Anordnung weiter verbessert. Als Gehäuse im Sinne der Erfindung, in dessen Aufnahmeöffnung die Drehscheibe oder die Buchse angeordnet ist, ist auch eine solche Struktur zu verstehen, über die die strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen und/oder ggf. die Buchse in Richtung der Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' hinaussteht.
Die bereits angesprochene Strahlungsabschirmung vor Streu- oder Störstrahlung kann dadurch optimiert werden, dass die Buchse und/oder ggf. das Gehäuse mit Drehscheibe oder Buchse mit Ausnahme der Buchsenöffnung bzw. der Gehäuseöffnung zumindest im wesentlichen strahlungsdicht abgeschlossen sind/ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Oberflächenerfassungseinrichtung ist es ferner bevorzugt, dass der Detektionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen und der Beobachtungswinkel Θ zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen in einer Ebene liegen.
Gemäß einer weiteren mit Vorzug eingesetzten Variante der Oberflächenerfassungseinrichtung nach der Erfindung verläuft die Achse, um die die Sensoreinrichtungen zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' verstellbar sind, zumindest im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Oberflächenerfassungseinrichtung vorgesehen, dass zumindest die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und/oder in einer die Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Beobachtungseinrichtungen auf die Bildebene projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen wenigstens annähernd äquidistant bezüglich des Schnittpunktes der Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen zur Einstellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung verschwenkbar sein. Von den vorgenannten Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche sind vorzugsweise wenigstens zwei gekoppelt.
Weitere Einstellmöglichkeiten für die Oberflächenerfassungseinrichtung nach der Erfindung können dadurch realisiert sein, daß zumindest ein Teil der Beobachtungseinrichtungen wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und/oder in einer die Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Beobachtungseinrichtungen auf die Bildebene projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist. Dies kann ergänzt oder ersetzt werden dadurch, daß zumindest ein Teil der Beobachtungseinrichtungen zumindest annähernd äquidistant bezüglich des Schnittpunktes der Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen zur Einstellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung verschwenkbar ist, so daß der Beobachtungswinkel Θ vorzugsweise im Bereich von 10° bis 40° variabel ist. Auch bei diesen Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten nunmehr der Beobachtungseinrichtungen sind vorzugsweise wenigstens zwei gekoppelt. Außerdem können mindestens eine der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrichtungen mit einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche gekoppelt sein. Diese Ausgestaltungen sind bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Oberflächenerfassungseinrichtung auch für sich alleine, d. h. auch ohne die vorstehend behandelte Erfindung, von eigenständiger erfinderischer Bedeutung.
Auch bei Bestrahlungseinrichtungen der Oberflächenerfassungseinrichtung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Bestrahlungseinrichtungen wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen und/oder in einer die Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Bestrahlungseinrichtungen auf die Objektoberfläche projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist. Wiederum in Kombination oder alternativ dazu kann zumindest ein Teil der Bestrahlungseinrichtungen wenigstens annähernd äquidistant bezüglich des Schnittpunktes der Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen zur Einstellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung verschwenkbar sein. Als Kopplungsmöglichkeiten sind hierbei vorgesehen, dass wenigstens zwei der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Bestrahlungseinrichtungen gekoppelt sind und/oder dass mindestens eine der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Bestrahlungseinrichtungen mit ggf. einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrichtungen oder einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche gekoppelt ist. Bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik weisen diese Ausbildungen auch ohne einen Zusammenhang mit den übrigen Merkmalen der Erfindung einen selbständigen erfinderischen Gehalt auf.
Die Einsatzmöglichkeiten der Oberflächenerfassungseinrichtung können ferner dadurch erweitert werden, dass die Beobachtungseinrichtungen zur Beeinflussung ihres Abbildungsmaßstabes β und/oder ihrer Auflösung auswechselbar sind oder auswechselbare optische Glieder enthalten. Diese Modulbauweise kann ebenfalls bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik auch ohne die dem weiter oben angegebenen Ziel dienenden Merkmale als Erfindung angesehen werden.
Zur Optimierung der optischen Informationen, die von der zu erfassenden Objektoberfläche gewonnen werden können, d. h., zur möglichst guten Abbildung der geometrischen Oberflächeneigenschaften enthalten die Beobachtungseinrichtungen der Oberflächenerfassungseinrichtung wenigstens zwei und bevorzugt drei getrennte optische Glieder, die jeweils zumindest eine Linse und insbesondere jeweils insgesamt positive Brechkraft aufweisen, und/oder wenigstens eine Blende. Dabei ist eine Ausführung mit drei getrennten optischen Gliedern besonders bevorzugt, wobei insbesondere das mittlere optische Glied nahe der Blende und/oder die äußeren optischen Glieder in der Nähe der zu erfassenden Objektoberfläche bzw. der Bildebene angeordnet ist/sind, wobei vorzugsweise die Abstände der äußeren optischen Glieder von der Blende größer als von der zu erfassenden Objektoberfläche bzw. der Bildebene sind. Diese Varianten sind bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik insbesondere auch dann von eigenständiger erfinderischer Bedeutung, wenn sie die Merkmale von vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen oder der allgemeinsten Angabe der Erfindung nicht aufweisen.
Als vorteilhaft wird es ferner erachtet, daß die Bestrahlungseinrichtungen bei der Oberflächenerfassungseinrichtung zum Bestrahlen eines linienförmigen Teils der zu erfassenden Objektoberfläche ausgelegt sind und insbesondere Einrichtungen enthalten, die auf die Strahlung eine Zylinderlinsen- oder Hyperbelprismenwirkung oder die Wirkung eines Dreh- oder Schwingspiegels ausüben. Dabei ist die Version mit einer Zylinderlinse oder einem Hyperbelprisma gegenüber einem Dreh- oder Schwingspiegel bevorzugt, da mit letzterem Vibrationen einher gehen können, die die gesamte Oberflächenerfassungseinrichtung nachteilig beeinflussen kann. Die Formulierung hinsichtlich der Wirkung von Zylinderlinse, Hyperbelprisma oder Drehspiegel auf die verwendete Strahlung soll deutlich machen, daß nicht zwingend im herkömmlichen Sinn als optische Strahlung bezeichnete Strahlung verwendet werden muß. Im Rahmen der Erfindung liegen insbesondere auch Wellenlängenbereiche außerhalb des Wellenlängenbereiches des sichtbaren Lichts und selbst der infraroten und ultravioletten Strahlung. Die besonders bevorzugte Art der Linienerzeugung mittels einer Zylinderlinse oder einem Hyperbelprisma stellt in Verbindung mit einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik eine eigene, von anderen Merkmalskombinationen unabhängige erfinderische Leistung dar.
In Abhängigkeit von der verwendeten Strahlung wird bevorzugt eine Strahlungsquelle, wie insbesondere eine Laservorrichtung und bevorzugt eine Laserdiode als Bestandteil der Bestrahlungseinrichtungen verwendet. Laser haben neben der abgegebenen kohärenten Strahlung den Vorteil, daß ihr Lichtstrahl stark gebündelt ist und daher eine exakte Beleuchtungsspur auf der zu erfassenden Objektoberfläche gewährleisten kann. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, daß die Strahlungsquelle dimmbar ist, wobei vorzugsweise eine insbesondere automatische Regeleinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, die von der dimmbaren Strahlungsquelle abgegebene Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der von den Sensoreinrichtungen detektierten Signalintensität einzustellen. Die Anpassung der Laserleistung an das Reflexionsvermögen der Objektoberfläche und die Sensoreinrichtungen ist auch unabhängig von anderen erfindungsgemäßen Merkmalen eine eigenständige Erfindung, wenn sie bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik eingesetzt wird.
Zur weitestgehenden Vermeidung von mechanischen Bewegungen an der diesbezüglich empfindlichen z. B. Optik der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen sowie der Sensoreinrichtungen der erfindungsgemäßen Oberflächenerfassungseinrichtung ist vorzugsweise eine Objekthalterung vorgesehen, die insbesondere in einer Ebene quer zur Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen vorzugsweise motorisch und insbesondere bevorzugt gesteuert verstellbar ist. Die Verstellung der Objekthalterung in einer Ebene quer zur Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen ermöglicht das Abtasten der zu erfassenden Objektoberfläche in kleinen Teilen, die schließlich zusammengesetzt ein Abbild der gesamten erfaßten Objektoberfläche ergeben. Diese Verstellung z. B. längs oder parallel kartesischer Koordinatenachsen erfolgt bevorzugt motorisch angetrieben und gesteuert, um die Abtastung zu automatisieren und ihre Genauigkeit möglichst hoch zu halten. Weitere Verstellmöglichkeiten zum Kippen und/oder Drehen des Objektes, dessen Oberfläche erfaßt werden soll, erleichtern insbesondere dann, wenn sie motorisch und gesteuert erfolgen die Erfassung von Hinterschneidungen in der und Abschattungen der zu erfassenden Objektoberfläche sowie von Seitenflächen und Unterseiten des entsprechenden Objektes. Der Einsatz einer solchen Objekthalterung bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik ist auch getrennt von anderen vorstehenden Merkmalen der Erfindung als selbständige Erfindung anzusehen.
Für die Steuerungen der möglichen Freiheitsgrade und Auswertungen der Ausgaben der Sensoreinrichtungen ist es bevorzugt, daß insbesondere eine Computersteckkarte enthaltende Auswerteeinrichtungen zum daten- und/oder bildmäßigen Aufbereiten und insbesondere Anzeigen der Ausgaben der Sensoreinrichtungen vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtungen vorzugsweise ferner zur betriebsmäßigen Versorgung und insbesondere Steuerung von Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung, wie bevorzugt der Sensoreinrichtungen, der Strahlungsquelle, ggf. der Regeleinrichtung für die Strahlungsintensität, ggf. von Einrichtungen zum Verstellen oder Verschwenken der Bildebene der Sensoreinrichtungen, zumindest von Teilen der Bestrahlungseinrichtungen, zumindest von Teilen der Beobachtungseinrichtungen und/oder der Objekthalterung ausgelegt sind. Die Verwendung einer Computersteckkarte ermöglicht es, durch den Einsatz handelsüblicher Computer spezielle Aufwendungen für die Auswerteeinrichtungen gering zu halten und dennoch eine ausreichende Prozessor- und Speicherleistung zu Verfügung zu haben. Auch in diesen Ausführungsvarianten ist eine eigene Erfindung zu sehen, die bei einer beliebigen Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit Vorteil anwendbar ist.
Die vorstehende Ausgestaltung kann dadurch weitergebildet werden, dass die Auswerteeinrichtungen über Speichereinrichtungen verfügen und ferner dazu ausgelegt sind, die in den Speichereinrichtungen abgelegten Daten von unterschiedlichen Teilbereichen oder unterschiedlichen Ansichten eines Teilbereichs der zu erfassenden Objektoberfläche zu einem Gesamtdatensatz und/oder einem Gesamtbild zu kombinieren und ggf. vorzugsweise die Objekthalterung so zu steuern, dass die zu erfassende Objektoberfläche in aufeinanderfolgenden, sich insbesondere teilweise überdeckenden Bahnen bestrahlt wird. Dies kann beispielsweise mittels eines sogenannten Matching-Verfahrens erreicht werden, durch das Einzelbilder selbst aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen, d. h. bei verschiedenen Bestrahlungsrichtungen, durch Auswertung von identischen, sich deckenden Teilbereichen einzelner Ansichten, zu einem Gesamtobjekt zusammengesetzt werden können.
Alternativ oder zusätzlich zur vorstehend geschilderten Ausgestaltung ist es möglich, dass die Auswerteeinrichtungen zum Anzeigen eines zweidimensionalen Abbildes der zu erfassenden Objektoberfläche insbesondere wahlweise gleichzeitig oder alternativ zur Anzeige von dreidimensionalen Werten oder Graphiken der zu erfassenden Objektoberfläche ausgelegt sind, wobei vorzugsweise die Bestrahlungseinrichtungen für eine Gesamtbestrahlung einstellbar oder eine zusätzliche bevorzugt dimmbare Gesamtbestrahlungsquelle vorgesehen ist. Damit kann das gewonnene dreidimensionale Abbild des Objektes zumindest in einer Lage des realen Objektes mit einem zweidimensionalen Abbild überlagert werden, so dass ein Betrachter oder sogar eine Verarbeitungsautomatik, wie der evtl. ohnehin bereits zur Auswertung und Steuerung verwendete Computer mit einer geeigneten Software oder entsprechenden Hardwaremitteln einen Vergleich des dreidimensionalen Abbildes und der zweidimensionalen Wiedergabe dahingehend durchführen, daß alle Oberflächenformationen zutreffend erfaßt wurden.
Die Auswerteeinrichtungen können ferner zur halbautomatischen oder vollautomatischen Erkennung von fehlenden Informationen über die zu erfassende Objektoberfläche und zur Beschaffung der fehlenden Informationen durch Steuerung von Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung, insbesondere die Objekthalterung und vorzugsweise deren Lage und/oder eines Verschiebeweges davon, in Abhängigkeit von den Ausgaben der Sensoreinrichtungen ausgelegt sein. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, daß reale Objekte vollständig und automatisch erfaßt werden, ohne daß Lücken oder Fehler enthalten sind. Diese Automatisierung stellt außerdem eine eigene Erfindung dar, wenn sie bei einer Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik auch ohne andere, vorstehend behandelte Merkmale angewandt wird.
Um Störstrahlung, wie z. B. Hintergrundbeleuchtung, Reflexe u. a. von den Sensoreinrichtungen und insbesondere deren strahlungssensitiver Oberfläche fern zu halten, ist gemäß einer anderen bevorzugten Version der Erfindung vorgesehen, daß die Beobachtungseinrichtungen zumindest eine Filtervorrichtung zum Ausfiltern von Störstrahlung insbesondere unmittelbar vor der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen und bevorzugt wahlweise in den Strahlengang einbringbar enthalten. In Verbindung mit den weiter oben erläuterten Ausgestaltungsmöglichkeiten mit einem Gehäuse oder einer Buchse kann die zumindest eine Filtervorrichtung der Hülse oder der Buchse und insbesondere der Hülsenöffnung bzw. der Buchsenöffnung zugeordnet sein. Damit wird vor allem im Zusammenhang mit einer strahlungsdichten Bauart des Gehäuses oder der Buchse zuverlässig verhindert, daß Störstrahlung ins Innere des Gehäuses oder der Buchse gelangen kann. In weiterer Ausgestaltung der vorstehend angegebenen Varianten ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine Filtervorrichtung ein Wellenlängenfilter zum Durchlassen oder Aus filtern wenigstens einer konkreten Wellenlänge, ein Polarisationsfilter oder ein Interferenzfilter ist. Eine Anpassung an die tatsächlichen Gegebenheiten in der Oberflächenerfassungseinrichtung kann somit ohne weiteres vorgenommen werden, um die Bedingungen für die durchzuführenden Messungen zu optimieren. Diese Vorteile lassen sich mit den genannten Merkmalen auch bei einer im übrigen nicht erfindungsgemäßen Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit Vorteil anwenden und stellen daher insoweit eine selbständige Erfindung dar.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung enthalten die Oberflächenerfassungseinrichtung ein schwingungs- und verwindungsstabiles Portal zur Aufnahme der Bestrahlungseinrichtungen, der Beobachtungseinrichtungen und/oder der Sensoreinrichtungen, wobei dem Portal insbesondere ferner Antriebseinrichtungen zur Verstellung einer Objekthalterung zugeordnet sind. Die genannte Portalbauweise kann auch als unabhängige Erfindung bei anderen Oberflächenerfassungseinrichtungen nach dem Stand der Technik mit Vorteil eingesetzt werden.
Zur Erleichterung der maßgenauen Justierung der Oberflächenerfassungseinrichtung können für Kalibrierkörper Justiervorrichtungen vorgesehen sein, die zur Aufnahme vorzugsweise einer Kreuzplatte und/oder eines Stufenendmaßes, insbesondere eines Mehrstufenendmaßes, als Kalibrierkörper ausgelegt sind, worin auch eine eigenständige Erfindung für beliebige Oberflächenerfassungseinrichtungen nach dem Stand der Technik zu sehen ist.
Als praxisrelevante Weiterbildung der Oberflächenerfassungseinrichtung nach der Erfindung wird ferner angesehen, dass Formgebungseinrichtungen zur insbesondere wählbar automatischen Erstellung dreidimensionaler Kopien von Objekten oder deren Oberflächen system- und steuerungsmäßig integriert sind, wobei die Formgebungseinrichtungen nicht notwendigerweise mit der Oberflächenerfassungseinrichtung eine physikalische Einheit bilden müssen. Diese Kombination der Oberflächenerfassung einerseits mit direkt angekoppelter Formbildung stellt in Kombination mit einer beliebigen Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Stand der Technik auch eine eigenständige Erfindung dar.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein nach dem Triangulationsprinzip funktionierendes Verfahren zur Oberflächenerfassung anzugeben, das einfach und exakt einzujustieren und einzusetzen ist.
Dieses Ziel wird mit einem Verfahren zur Oberflächenerfassung nach dem Anspruch 26 erreicht.
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Oberflächenerfassung nach dem Triangulationsprinzip zur 3D-Datengewinnung mit Bestrahlungseinrichtungen zumindest ein Teil der zu erfassenden Objektoberfläche bestrahlt und wenigstens ein Ausschnitt des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche mittels Beobachtungseinrichtungen zum Detektieren unter der Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ; auf Sensoreinrichtungen abgebildet, wobei Θ' der Detektionswinkel zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrichtungen, β der für jeden Punkt der Objektoberfläche konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen und Θ der Beobachtungswinkel zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen sind. Weiterhin wird zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' zumindest eine die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche der Sensoreinrichtungen um eine in der Bildebene liegende Achse verstellt.
Zumindest vor einer ersten Durchführung des Verfahrens zur Oberflächenerfassung nach der Erfindung wird in einer vorzugsweisen Weiterbildung eine Kalibrierung mittels wenigstens eines Kalibrierkörpers, vorzugsweise einer Kreuzplatte und/oder eines Stufenendmaßes, insbesondere eines Mehrstufenendmaßes, durchgeführt, wobei vor einer Kalibrierung bevorzugt ggf. eine Kreuzplatte zumindest annähernd parallel zur Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen und insbesondere wenigstens ungefähr senkrecht zur durch die Winkel Θ' und Θ aufgespannten Ebene einjustiert wird. Die Kalibrierung kann auf diese Weise schnell und exakt durchgeführt werden.
Weiterhin kann erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen sein, dass auf eine zu erfassende Objektoberfläche vor ihrer Erfassung eine diffus reflektierende Schicht, vorzugsweise in Spray- oder Pulverform aufgebracht wird. Damit kann eine zu erfassende Objektoberfläche optimal auf die Vermessung in einer optischen Oberflächenerfassungseinrichtung, die nach dem Triangulationsprinzip arbeitet, vorbereitet werden, so dass während der Oberflächenerfassung verwertbare Messergebnisse erhalten werden können, auch wenn die Objektoberfläche selbst nicht diffus reflektierend ist. Es ist darauf zu achten, dass die aufgetragene Schicht derart ist, dass sie bei der Oberflächenerfassung vernachlässigbar ist.
Eine andere Fortbildung der Erfindung betrifft die Optimierung der Messempfindlichkeit der Sensoreinrichtungen. Dazu wird gemäß der Erfindung die Intensität der von den Bestrahlungseinrichtungen abgegebenen Strahlung insbesondere automatisch in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit der Sensoreinrichtungen und dem Reflexionsverhalten der zu erfassenden Objektoberfläche eingestellt. Unabhängig von anderen Erfindungsmerkmalen, wie sie bisher angegeben wurden, bilden diese Varianten auch einen eigenen Erfindungskomplex.
Wenn, wie vorzugsweise ferner vorgesehen ist, mittels der Bestrahlungseinrichtungen auf der zu erfassenden Objektoberfläche eine Bestrahlungslinie erzeugt und die Objektoberfläche zumindest im wesentlichen senkrecht zu der Bestrahlungslinie verstellt wird, kann auf besonders rationelle und schnelle Weise die gesamte Oberfläche des Objektes oder ein gewünschter Teil davon erfaßt werden.
Das stückweise Abtasten entsprechend der vorstehend angegebenen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und auch ein Abtasten mehrerer Seiten des Objektes kann in vorteilhafter Weise zum Erhalten des Gesamtobjektes in Form seiner dreidimensionalen Daten und deren Darstellung verwendet werden, indem, wie vorausgesetzt, eine zu erfassende Objektoberfläche in Teilen erfaßt wird, die mittels mit Speichereinrichtungen zum Ablegen erfaßter Teile der zu erfassenden Objektoberfläche versehenen Auswerteeinrichtungen vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch daten- und/oder bildmäßig zusammengesetzt werden. Hierin ist auch eine von den übrigen Erfindungsausführungen unabhängige Gestaltung zu sehen.
Gerade für das Zusammensetzen von verschiedenen Seiten des zu erfassenden Objektes oder von verschiedenen Ansichten derselben Objektseite zur Erfassung von Hinterschneidungen und Abschattungen auf der Objektoberfläche ist es von Vorteil, wenn von einer zu erfassenden Objektoberfläche unter verschiedenen Bestrahlungswinkeln Erfassungen durchgeführt werden, die mittels mit Speichereinrichtungen zum Ablegen durchgeführter Erfassungen der zu erfassenden Objektoberfläche versehenen Auswerteeinrichtungen vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch daten- und/oder bildmäßig zusammengesetzt werden, was auch eine eigenständige Erfindung darstellt, die ohne weitere Merkmale der vorstehend beschriebenen Verfahren mit Vorteil anwendbar ist.
Es ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorteilhafterweise möglich, daß mittels der Auswerteeinrichtungen bestimmt wird, ob eine Erfassung zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche vollständig war, und daß, wenn vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch eine nicht vollständige Erfassung zumindest des Teils der zu erfassenden Objektoberfläche festgestellt wird, eine Objekthalterung eingestellt und/oder vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch von den Auswerteeinrichtungen so zum Verschieben, Drehen und/oder Kippen gesteuert wird, daß die Erfassung wenigstens des Teils der zu erfassenden Objektoberfläche komplettiert wird. Damit ist ferner auch eine eigene Erfindung gegeben, die nicht zwingend weitere Merkmale benötigt, soweit sie bisher im Rahmen der Erfindung angegeben wurden.
Bei einer weiteren Version der Erfindung wird nach der Erfassung der gesamten gewünschten Objektoberfläche oder des gesamten Objektes mittels der erhaltenen Informationen über die Objektoberfläche oder das Objekt insbesondere wählbar automatisch mit einem formgebenden Verfahren eine dreidimensionale Kopie der Objektoberfläche oder des Objekts erstellt, was ebenfalls eine eigenständige erfinderische Bedeutung hat.
Weitere vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und deren Kombinationen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in der:
1 eine Prinzipskizze einer optisch arbeitenden Oberflächenerfassungseinrichtung zeigt,
2 eine Prinzipskizze der Geometrie zur Triangulation ist,
3 eine Prinzipskizze zur Scheimpflug-Bedingung ist,
4 eine schematische Darstellung des doppelt telezentrischen Aufbaus bei einer optisch arbeitenden Oberflächenerfassungseinrichtung zeigt,
5a, 5b und 5c Aufnahmen eines Kreuzgitters a) ohne daß die Scheimpflugbedingung erfüllt ist und doppelte Telezentrie angewandt wird, b) bei erfüllter Scheimpflugbedingung, aber ohne Anwendung doppelter Telezentrie, und c) bei erfüllter Scheimpflugbedingung und mit doppelter Telezentrie sind,
6 eine schematische Draufsichtdarstellung einer ersten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung zeigt,
7 eine gegenüber der 6 vergrößerte schematische Draufsichtdarstellung eines gegenüber der ersten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung bei einer zweiten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung verschiedenen Teils der letzteren zeigt,
8 eine schematischen perspektivische Illustration einer dritten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung ist,
9a und 9b Schemazeichnungen einer Anordnung der Beobachtungseinrichtungen einer vierten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung sind,
10 eine Schemazeichnung einer Anordnung der Beobachtungseinrichtungen einer fünften Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung ist,
11 eine Anordnungsskizze der Bestrahlungseinrichtungen einer sechsten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung zeigt,
12 eine Prinzipdarstellung einiger Freiheitsgrade der Oberflächenerfassungseinrichtung ist,
13a, 13b, 13c jeweils I) eine Vorderansicht, II) eine Seitenansicht und III) eine Draufsicht von drei verschiedenen Ausführungen einer Halterung der Oberflächenerfassungseinrichtung sind,
14a, 14b, 14c jeweils eine Ausführungsvariante einer Linearverstellung für die Sensoreinrichtungen der Oberflächenerfassungseinrichtung darstellt,
15a, 15b, 15c jeweils eine Realisierungsmöglichkeit einer Linearverstellung für die Kombination aus den Sensoreinrichtungen mit den Beobachtungseinrichtungen der Oberflächenerfassungseinrichtung zeigt,
16 in einer Vorderansicht I) und einer Seitenansicht II) eine weitere Ausführung von Winkeleinstellmöglichkeiten der Sensoreinrichtungen der Oberflächenerfassungseinrichtung illustrieren,
17a, 17b, 17c Verstellvarianten für die Bestrahlungseinrichtungen der Oberflächenerfassungseinrichtung aufzeigen,
18 eine gegenüber der in der 11 gezeigten Ausführung andere Variante der Bestrahlungseinrichtungen einer siebenten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung zeigt,
19a I) ein Stufenendmaß und II) ein davon mit der Oberflächenerfassungseinrichtung gewonnenes Bild darstellt,
19b I) ein Mehrstufenendmaß und II) ein davon mit der Oberflächenerfassungseinrichtung gewonnenes Bild zeigt,
20 eine Wiedergabe einer Kreuzgitterplatte zum Kalibrieren der Oberflächenerfassungseinrichtung ist,
21a eine Prinzipskizze der Freiheitsgrade der Kreuzgitterplatte beim Kalibrieren der Oberflächenerfassungseinrichtung verdeutlicht,
21b eine Justiervariante für die Kreuzgitterplatte zum Kalibrieren der Oberflächenerfassungseinrichtung veranschaulicht,
21c eine Darstellung zur Verdeutlichung der Fehlerrechnung beim Kalibrieren der Oberflächenerfassungseinrichtung ist,
21d I) eine Seitenansicht, II) eine Vorderansicht und III) eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Kalibrieren der Oberflächenerfassungseinrichtung mit einer Kreuzgitterplatte sind,
22a und 22b jeweils unterschiedliche perspektivische Ansichten einer Objekthalterung der Oberflächenerfassungseinrichtung darstellen,
23 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Erfassung einer Objektoberfläche zeigt, und
24 eine siebte Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung schematisch angibt.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche oder gleich oder ähnlich wirkende Teile und Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen. Aus den Darstellungen sind insbesondere in der vergleichenden Betrachtung verschiedener Abbildungen ferner auch ohne zugeordnete Bezugszeichen oder nähere Angaben in der folgenden Beschreibung Komponenten und Teile sowie deren Funktionen und Wirkungsweisen ohne weiteres erkennbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen näher erläutert, die jedoch nur exemplarisch angegeben sind und den Gesamtgehalt der Erfindung nicht darauf beschränken. Die Möglichkeiten, die die Erfindung zur Ausgestaltung der Oberflächenerfassungseinrichtung sowie des Verfahrens zur Erfassung einer Objektoberfläche beinhaltet, bestimmen sich nach dem, was in den Ansprüchen und in dem voranstehenden einleitenden Teil dieser Beschreibung angegeben ist. Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele dient einerseits lediglich der Verdeutlichung der Erfindung und bildet aber auch eine Grundlage für weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten im Rahmen der Erfindung bezüglich aller Merkmale und deren Verallgemeinerungen, die ein Fachmann ohne weiteres oder unter Zuhilfenahme seines Fachwissens daraus erhalten kann.
Zunächst werden einige der Erfindung zu Grunde liegende Prinzipien erläutert.
In der 1 ist eine Prinzipskizze einer optisch arbeitenden Oberflächenerfassungseinrichtung 1 gezeigt. Dabei wird auf einem Objekt 2 mittels Bestrahlungseinrichtungen 3, von denen hier nur eine Anordnung 4 zur Erzeugung einer Lichtlinie 5 und der Strahlengang 6 angedeutet sind, die Lichtlinie 5 auf der Oberfläche 7 des Objekts 2 erzeugt, das eine Ausgestaltung 8 mit einer Höhe h aufweist. Der Betrachter dieser Abbildung sieht diese in Richtung der Hauptachse von hier nicht dargestellten Beobachtungseinrichtungen, und es ist zu erkennen, dass die Lichtlinie 5 auf dem Teil der Oberfläche 7, der durch die Ausgestaltung 8 gebildet wird, gegenüber den anderen Anteilen der Lichtlinie 5 auf der übrigen Oberfläche 7 des Objekts 2 versetzt ist. Dies ist das Grundprinzip der Triangulation und der beobachtete Versatz ist ein Maß für die Höhe h der Ausgestaltung 8 gegenüber der benachbarten Oberfläche 7 des Objekts 2.
Eine derartige Oberflächenerfassungseinrichtung 1, die nach dem Prinzip der Triangulation arbeitet, kann auch als Lichtschnittsensor bezeichnet werden. Allgemein wird dabei über die Bestrahlungseinrichtungen 3, die z. B. eine Beleuchtungsoptik enthalten können eine möglichst punktförmige Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine Lichtquelle in Form eines Lasers, auf das zu erfassende Objekt 2 abgebildet. Ein in den Strahlengang eingebauter Schwingspiegel erzeugt aus dem projizierten Lichtpunkt eine Lichtlinie 5. Dieser Schwingspiegel stellt somit eine Ausführung einer Anordnung 4 zur Erzeugung einer Lichtlinie 5 dar. Diese Lichtlinie 5 wird dann unter dem Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ mit Hilfe von Beobachtungseinrichtungen 9 (siehe z. B. 2), die beispielsweise eine Kameraoptik (in der 1 nicht dargestellt) enthalten können, auf die Sensoreinrichtungen 10 (siehe z. B. 2) abgebildet. Die Sensoreinrichtungen 10 enthalten beispielsweise einen CCD-Chip 11 (siehe z. B. 2), der eine strahlungssensitive Oberfläche 12 (siehe z. B. 2) bildet, auf die die Lichtlinie 5 von der Oberfläche 7 des Objekts 2 durch die Beobachtungseinrichtungen 9 abgebildet wird.
Durch den Unterschied zwischen der Bestrahlungsrichtung längs der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 und der Beobachtungsrichtung längs der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9, d. h., den Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ werden Höhenunterschiede auf der Oberfläche 7 des Objekts in seitliche Verschiebungen der Lichtlinie 5 auf der strahlungssensitiven Oberfläche 12 des CCD-Chips 11 detektierbar. Wird nun die gesamte Oberfläche 7 des Objekts 2 mit der Lichtlinie 5 abgetastet, z. B. indem das Objekt 2 unter der Lichtlinie 5 in einer oder erforderlichenfalls, wenn die Lichtlinie 5 eine Dimension der Oberfläche 7 des Objekts 2 nicht völlig abdeckt, in zwei bevorzugt zueinander senkrechten Richtungen verfahren wird, so kann die Oberfläche 7 des Objekts 2 dadurch vollständig erfaßt werden. Das Grundkonzept sieht somit eine 3D-Datengewinnung von einer Objektoberfläche oder allgemein einem Objekt insbesondere nach dem Triangulationslichtschnittverfahren vor.
Die genaue Geometrie zur Triangulation ist in der 2 dargestellt. In dieser Prinzipskizze sind die Anordnungen von Bestrahlungseinrichtungen 3, Objekt 2, Beobachtungseinrichtungen 9 und Sensoreinrichtungen 10 mit einem CCD-Chip 11 und der darauf gebildeten strahlungssensitiven Oberfläche 12 gezeigt. Der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ zwischen den beiden Hauptachsen 13 und 14 ist eingezeichnet. Weiterhin ist der Darstellung die Projektion A eines einzelnen Pixels 11' des CCD-Chips 11 zu entnehmen.
Zur Verbesserung der erzielbaren Messergebnisse wird die die Bildebene der Beobachtungseinrichtungen 9 bildende strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 gemäß der Scheimpflug-Bedingung eingestellt, wie in der 3 veranschaulicht ist. Dies bedeutet, dass die strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 mit der Bildebene gegenüber der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen um den Winkel Θ', der hier auch Detektionswinkel genannt wird, gekippt ist. Wird z. B. der CCD-Chip 11 gemäß der Scheimpflug-Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ eingestellt, wobei β der Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen 9 ist, so wird jeder Punkt auf der Oberfläche 7 des Objekts 2 scharf auf die Bildebene abgebildet. Weiterhin erlaubt die Scheimpflug-Bedingung die Verwendung größerer Beobachtungsaperturen, womit die Messgenauigkeit weiter gesteigert werden kann.
Da sich über die Höhenausdehnung der Oberfläche 7 des Objekts 2 der Abbildungsmaßstab β ändert, kann die Scheimpflug-Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ jedoch nur annähernd für alle Höhenwerte der Oberfläche 7 des Objekts 2 erfüllt werden. Daher wird eine in der 4 exemplarisch und schematisch gezeigte Anordnung verwendet, die wegen der objektseitigen und gleichzeitig bildseitigen Telezentrie als doppelte Telezentrie bezeichnet wird. Dadurch wird gewährleistet, dass der Abbildungsmaßstab β unabhängig von der Lage der Punkte auf Oberfläche 7 des Objekts 2 immer konstant bleibt. Gleichzeitig wird jeder Punkt auf Oberfläche 7 des Objekts 2 scharf in die Bildebene projiziert. Hierzu enthalten die Beobachtungseinrichtungen 9 bei dem gezeigten Beispiel zwei optische Glieder 15 und 16 sowie eine Blende 17. Bei den optischen Gliedern 15 und 16 handelt es sich um Linsen oder Linsensysteme mit Brennweiten f1 für das optische Glied 15 und f2 für das optische Glied 16. Für diese Parameter gilt bei der doppelten Telezentrie somit β = f₂/f₁ = konstant. Wenn die Objektebene, d. h. die Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3, um den Triangulationswinkel Θ gegenüber der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9, d. h. im bisher behandelten rein optischen Fall gegenüber der optischen Achse der Beobachtungseinrichtungen 9, geneigt ist lässt sich zeigen, dass unter der Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ alle Punkte auf Oberfläche 7 des Objekts 2 scharf auf die Bildebene, d. h. auf die strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10, projiziert werden. Dieser Zusammenhang ist analog der Scheimpflug-Bedingung, jedoch mit dem Unterschied, dass auf Grund des konstanten Abbildungsmaßstabes β die Schärfeforderung exakt erfüllt ist. Weiterhin beeinflussen unterschiedliche Gegenstandsweiten nicht den Neigungswinkel der Bildebene. Dies hat den weiteren Vorteil, dass eine nachträgliche Änderung des Objektabstandes von einem festen Aufbau der Beobachtungseinrichtungen 9 und den Sensoreinrichtungen 10 möglich ist.
Die Auswirkungen der Scheimpflug-Bedingung und der doppelten Telezentrie lassen sich in den 5a, 5b und 5c deutlich erkennen, in denen jeweils ein Bild eines Kreuzgitters (siehe z. B. 20) gezeigt ist, wie es mittels der Sensoreinrichtungen 10 erhalten wird. Die 5a zeigt eine Aufnahme des Kreuzgitters, bei der die strahlungssensitive Oberfläche 12 beispielsweise eines CCD-Chips 11 senkrecht zur optischen Achse der Beobachtungseinrichtungen 9, d. h. zu deren Hauptachse 14 steht. Dies entspricht der gewöhnlichen Anordnung. Es sind deutlich Mängel bei der Schärfe der abgebildeten Kreuze zu erkennen. Die Aufnahme des Kreuzgitters unter Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung ist in der 5b dargestellt. Die Abbildung ist gegenüber der in der 5a gezeigten deutlich schärfer. Es lässt sich jedoch klar eine Verzerrung erkennen. Die Änderung d β des Abbildungsmaßstabes β beträgt bei dem gezeigten Beispiel für einen Höhenunterschied von 2 cm auf der Oberfläche 7 des Objekts 2 etwa 0,0375. Dies bedeutet, dass Strecken und Längen innerhalb eines Höhenbereichs von 2 cm ihren Wert um ca. 10% ändern. Damit wären eine Kalibrierung schwierig und ein hoher Auswerteaufwand zum Ausgleich dieser Verzerrungen nötig. Durch den Einsatz der doppelten Telezentrie zusätzlich zur Erfüllung der Scheimpflug-Bedingung werden die bei bloßem Einsatz der Scheimpflug-Bedingung auftretenden Probleme behoben, wie die 5c zeigt, in der eine Aufnahme des Kreuzgitters unter Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung und gleichzeitigen Anwendung der doppelten Telezentrie dargestellt ist. Da Telezentrie nichts anderes als gleichbleibender Abbildungsmaßstab bedeutet, wird damit eine scharfe und unverzerrte Abbildung erreicht. Lediglich der Vollständigkeit halber wird noch angegeben, daß der Abstand der Kreuze des für alle drei Aufnahmen verwendeten Kreuzgitters 2,6 mm und der Triangulationswinkel 20° waren.
Hinsichtlich weiterer Einzelheiten und Möglichkeiten einer Oberflächenerfassungseinrichtung und eines Verfahrens zur Erfassung einer Objektoberfläche im Sinne der Erfindung wird auf die Diplomarbeit von Herrn Albert Mehl vom März 1992 mit dem Thema ”Methoden der 3D-Informationsgewinnung mit dem Lichtschnittsensor” am Lehrstuhl für angewandte Optik des Physikalischen Instituts der Universität Erlangen-Nürnberg Bezug genommen und der Inhalt dieser Veröffentlichung dadurch hiermit ausdrücklich vollumfänglich in die vorliegenden Unterlagen aufgenommen.
Bevor nach den bisher behandelten Prinzipien, die der Erfindung zu Grunde liegen, mit der Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung fortgefahren wird, wird noch angegeben, welcher Umfang unter einigen in diesen Unterlagen verwendeten Bezeichnungen zu verstehen ist und welche Ausführungsmöglichkeiten hierunter fallen.
Durch die Wahl des Begriffs Bestrahlungseinrichtungen soll zum Ausdruck kommen, daß nicht nur Licht im herkömmlichen Sinn, d. h. insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich, für die Beleuchtung der Objektoberfläche verwendet werden kann. Grundsätzlich ist jegliche Art von Strahlung einsetzbar, wobei jedoch auf die Struktur der zu erfassenden Objekte Rücksicht zu nehmen ist und die Beobachtungseinrichtungen mit ihren Wirkungen und die Sensoreinrichtungen auf die verwendete Strahlung abzustimmen sind.
Beispielsweise können die Bestrahlungs- oder Beleuchtungseinrichtungen eine Laserdiode und eine Strahlformungsoptik enthalten, die den Strahl auf das Objekt fokussiert. Um eine Lichtlinie zu erhalten, kann eine Zylinderlinse, ein Hyperpelprisma oder ein Schwing- oder Drehspiegel in den Stahlengang gebracht werden. Ein solcher Schwing- oder Drehspiegel muß jedoch mit einer z. B. als Sensoreinrichtungen verwendeten CCD-Kamera synchronisiert werden, da die CCD-Kamera einen Bildwechsel mit 50 Hz ausführt und die einzelnen Bildelemente oder CCD-Pixel des CCD-Chips als Integrator arbeiten. Verfahrensmäßig kann der Lichtstahl, oder allgemein die Strahlung, während eines Bildes genau zweimal über das zu vermessende Objekt geführt werden.
Bei der Entfernungsmessung durch die Triangulation wird, wie weiter oben bereits geschildert wurde, das Objekt unter einem Winkel Θ zur Sichtrichtung beleuchtet oder allgemein bestrahlt. Aufgrund der geometrischen Anordnung läßt sich dadurch die Höhe eines Objektpunktes messen. Die Bestrahlung, wie z. B. Beleuchtung, kann statt mit einer Lichtlinie auch punktweise erfolgen. Zur Ortsauflösung wird ein eindimensionaler Detektor, wie z. B. eine CCD-Zeilenkamera, benötigt. Für die zeilenweise Höhenmessung mit einer Strahlungs- oder Lichtlinie ist ein zweidimensionaler Detektor notwendig, der beispielsweise eine CCD-Matrixkamera sein kann.
Eine besondere Variante von Sensoren, die nach dem Prinzip der Triangulation arbeiten, stellt der Lichtschnittsensor dar. Bei ihm wird über eine besondere Beleuchtungsoptik eine Lichtlinie auf das zu vermessende Objekt abgebildet. Diese Lichtlinie wird dann unter dem Triangulationswinkel Θ mit Hilfe z. B. einer Kameraoptik auf den CCD-Chip abgebildet. Durch die veränderte Beobachtungsrichtung werden Höhenunterschiede des Objekts, oder anders ausgedrückt auf der Oberfläche des Objekts, in seitliche Verschiebungen der Lichtlinie auf z. B. dem Kameratarget umgewandelt. Der geometrische Versatz beinhaltet also die Information über die Höhe. Die Höhenauflösung bzw. -genauigkeit wird daher um so besser, je größer man den Triangulationswinkel Θ wählt. Der Triangulationswinkel Θ, der auch als Beobachtungswinkel bezeichnet ist, ist ein wichtiger Faktor für die Genauigkeit der Messungen.
Der Vorteil des Lichtschnitts gegenüber der gewöhnlichen Punkttriangulation besteht darin, daß mit einer einzigen Aufnahme z. B. mittels einer Kamera die Informationen über einen vollständigen Profilschnitt vorliegen. Um diesen Zeitvorteil nicht durch eine langwierige Verarbeitung des Videobildes wieder zunichte zu machen, kann bei dem Triangulationslichtschnittsensor die Auswertung in Echtzeit erfolgen. Dazu kann eine elektronische Hardware implementiert werden, die in jeder Zeile die Daten über die Intensität des Maximums- und der beiden Nachbarpixel zusammen mit ihren Spaltenpositionen innerhalb eines Videozyklus extrahiert und an einen Rechner weitergibt. Mit diesen drei Intensitätswerten erfolgt anschließend eine Gaußinterpalation. Für jede Zeile ist am Ende das Maximum des Lichtschnitts ermittelt. Der Profilschnitt der Objektoberfläche ist ausgewertet.
Mit mehreren Profilschnitten kann die gesamte Objektoberfläche vermessen werden. Dazu wird das Objekt beispielsweise mit einem Motorschlitten in y-Richtung verfahren. Die Abstände der einzelnen Profilschnitte sind z. B. über eine Software-Steuerung frei wählbar. Eine spezielle 3D-Software kann mehrere Datensätze von einem Objekt, z. B. betreffend verschiedene Seiten des Objektes, zu einem komplette Bild zusammenfügen. Auch können damit Informationslücken, die beim Triangulationsverfahren mehr oder weniger häufig durch Abschattungen je nach dem Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ und dem Winkel zwischen der Bestrahlung und der Objektoberfläche auftreten können, durch Kombination mehrerer Aufnahmen geschlossen werden, bei denen die vorgenannten Winkel unterschiedlich eingestellt sind, was sich beispielsweise durch Verstellen der Bestrahlungseinrichtungen oder der Beobachtungseinrichtungen in Kombination mit den Sensoreinrichtungen bzw. des Objekts realisieren lässt.
Eine CCD-Kamera erlaubt nur eine pixelquantisierte Auswertung des von der Objektoberfläche erhaltenen Signals. Um eine bessere Genauigkeit zu erhalten, kann die Lage des Spot- bzw. Linienmaximums bezogen auf die Intensität durch Subpixel-Interpolation ermittelt werden. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Intensitätsverteilung durch eine Gaußkurve anzunähern. Durch diese Vorgehensweise kann mit dem Triangulationssensor eine bis zu 20-fache Subpixelauflösung in z-Richtung (vertikaler Richtung) erreicht werden.
Des weiteren ist die Realisierung der Scheimpflugbedingung unerlässlich für den professionellen Einsatz eines Triangulationsverfahrens. Wird beispielsweise der CCD-Chip als Bestandteil der Sensoreinrichtungen entsprechend dieser weiter oben genau angegebenen Bedingung eingestellt, so wird jeder Punkt der Objektebene scharf abgebildet. Der sich jedoch ändernde Abbildungsmaßstab bei der Scheimpflug-Bedingung bringt einige Nachteile mit sich. Es können entweder nur kleine Abstände von der optischen Achse auf dem CCD-Chip ausgewertet werden, oder jeder Punkt in der Bildebene muss korrigiert werden. Dieses Problem wird mit der insbesondere doppelten Telezentrie gelöst. Um die obige Forderung für den Triangulationssensor zu erfüllen, wird vorzugsweise die bildseitige und die objektseitige Telezentrie kombiniert. Durch den Verlauf des Hauptstrahls wird das Maximum des Bildpunkts immer im gleichen Abstand zur optischen Achse liegen. Eine Veränderung der Lage der Bildebene wird damit keinen Einfluss auf die Lage des Bildpunktes ausüben. Weiterhin werden die Objektpunkte bei einer Verschiebung in Richtung der optischen Achse immer an die gleiche Stelle der Bildebene abgebildet. Hierin sind die entscheidenden Vorteile für die Kalibrierung des Sensors zu sehen, da die Linearität der Abbildung gewährleistet ist.
Als Meßobjekte kommen z. B. Zähne in Frage, die eine maximale Größe von etwa 2 × 2 × 2 ccm haben, wobei es mit der Oberflächenerfassungseinrichtung und dem Verfahren zum Erfassen einer Objektoberfläche auch möglich ist, größere Objekte zu vermessen, für die hier lediglich exemplarisch Kiefermodell aus Gips angegeben werden, wobei damit jedoch nicht die Obergrenze der erfassbaren Objekte eingegrenzt sein soll.

Damit keine Verwechslungen bezüglich der einzelnen Richtungen auftreten, wird hier eine tabellarische Zusammenstellung gegeben:

Objektraum		Bildraum (Sensoreinrichtungen)
	^Richtung		Richtung
x-Richtung	lateral (z. B. Richtung des Lichtlinienverlaufs)	x'-Richtung	Spaltenrichtung
y-Richtung	horizontal (z. B. Objektverschiebung insbesondere senkrecht zum Lichtlinienverlauf)		(Zeitachse gemäß zeitlichem Verlauf einer Messung)
z-Richtung	vertikal	y'-Richtung	Zeilenrichtung

Nunmehr wird auf ein erstes Ausführungsbeispiel der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 unter Bezugnahme auf die 6 näher eingegangen.
Von den Bestrahlungseinrichtungen 3, die durch ein Lasermodul mit einer Strahlaufweitungsoptik gebildet ist, wird ein Lichtstrahl 6 zur Bildung einer Lichtlinie (nicht sichtbar) in Richtung der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 auf die Oberfläche 7 eines Objekts 2 projiziert. Diese Lichtlinie wird mittels Beobachtungseinrichtungen 9 unter der Beobachtungsrichtung längs deren Hauptachse 14 auf eine strahlungssensitive oder lichtempfindliche Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 als Bildebene zur Detektion abgebildet.
Die Sensoreinrichtungen 10 enthalten einen CCD-Chip 11, der auf einer Drehscheibe 18 so angeordnet ist, daß sie zusammen mit dem CCD-Chip 11 so drehbar ist, daß die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist. Zwar sind aus Gründen der Klarheit der hier behandelten Darstellung darin die Winkel Θ und Θ' nicht eingezeichnet, sie ergeben sich jedoch ohne weiteres aus den vorher behandelten Abbildungen. Der Vollständigkeit halber werden die Definition der und der Zusammenhang zwischen den Winkel(n) Θ und Θ' hier nochmals angegeben: der Beobachtungswinkel Θ ist der Winkel zwischen den Hauptachsen 13 und 14 der Bestrahlungseinrichtungen 3 und der Beobachtungseinrichtungen 9, der Detektionswinkel Θ' ist der Winkel zwischen der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9 und der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen 10, und es gilt tanΘ' = 1/βtanΘ, wobei β der für jeden Punkt der Objektoberfläche 7 konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen 9 ist.
Zum Zwecke der Verstellung der Drehscheibe 18 ist diese in einem Gehäuse 19 geeignet drehbar gelagert, das zum Einbringen der Drehscheibe 18 eine Aufnahmeöffnung 20 aufweist. Ein in der 6 nicht dargestellter Deckel ist zum Verschließen der Aufnahmeöffnung 20 des Gehäuses 19 vorgesehen, so daß letzteres im wesentlichen lichtdicht ist. Das Gehäuse 19 enthält dann als einzige verbliebene Öffnung eine Gehäuseöffnung 21 zum Durchlassen der mittels der Beobachtungseinrichtungen 9 von der zu erfassenden Objektoberfläche 7 kommenden Strahlung 22 zur strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10. Unter der Angabe ”lichtdicht” oder allgemeiner ”strahlungsdicht” ist daher zu verstehen, daß zwar von der zu erfassenden Objektoberfläche 7 kommende Strahlung 22 durch die Gehäuseöffnung 21 in das Gehäuse 19 eindringen kann, was auch erforderlich ist, damit sie von der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 detektiert werden kann, aber aus anderen Richtungen auf die strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 hin gerichtete Strahlung, bei der es sich dann jeweils um Störstrahlung z. B. durch unerwünschte Reflexe innerhalb der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 oder durch Fremdlicht innerhalb oder von außerhalb der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 handelt, zumindest weitgehend abgeschirmt wird.
Die Anordnung des CCD-Chips 11 mit der strahlungssensitiven Oberfläche 12 auf der Drehscheibe 18 ermöglicht eine einerseits genaue Justierung des CCD-Chips 11, so die Drehachse der Drehscheibe 18 möglichst genau in der strahlungssensitiven Oberfläche 12 des CCD-Chips 11 liegt, wie es vorgesehen ist. Andererseits ist die Lagerung des CCD-Chips 11 auf der Drehscheibe von Vorteil, da letztere insbesondere in oder mit dem Gehäuse 19 lagemäßig im Raum einfach und exakt justiert werden kann und ihre Lage im Raum auch bei einer Drehverstellung sehr gut beibehält. Damit ist sichergestellt, daß der Detektionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9 und der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen 10 genau eingestellt werden kann und seine Einstellung auch zuverlässig beibehält.
Weiter sind in der 6 Beobachtungseinrichtungen 9 gezeigt, die zwei optische Glieder 15 und 16 in Form von Linsen oder Linsensystemen sowie eine Blende 17 enthalten. Für die Linsen oder Linsensysteme der beiden optischen Glieder 15 und 16, die die Brennweiten f₁ bzw. f₂ haben, gilt, daß die zwei Linsen oder Linsensysteme im Abstand f₁ + f₂ (±10%) angebracht sind und sich die Blende 17, die den Strahlengang der Strahlung 22 begrenzt, im Abstand f₁ (±10%) von der ersten Linse bzw. dem ersten Linsensystem und im Abstand f₂ (±10%) von der zweiten Linse bzw. dem zweiten Linsensystem befindet, und daß die Hauptachse 14 der im vorliegenden Fall eine Beobachtungsoptik darstellenden Beobachtungseinrichtungen 9, die mit der die Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 enthaltenden Objektebene den Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ einschließt, mit der auf der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 bestimmten oder darin liegenden Bildebene den Betrag des Detektionswinkels Θ' (±10%) entsprechend der Beziehung: tanΘ' = f₁/f₂·tanΘ einschließt.
Entsprechend der Darstellung in der 6 liegt das zweite optische Glied 16, das zwischen der Blende 17 und den Sensoreinrichtungen 10 angeordnet ist, in der Gehäuseöffnung 21 des Gehäuses 19 und verschließt diese Gehäuseöffnung 21 weitgehend. Gegenüber dieser Anordnung ist bei dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Beobachtungseinrichtungen 9 eine Halterung 23 enthalten, mittels der sie durch eine flanschartige Ausgestaltung der Halterung 23 so an dem Gehäuse 19 der Sensoreinrichtungen 10 angebracht sind, dass die Gehäuseöffnung 21 damit vollständig verschlossen ist. Da die Halterung 23, die auch als Objektivgehäuse der Beobachtungseinrichtungen 9 ausgebildet sein kann, ferner wenigstens über eine vorgebbare Strecke rohrartig in Richtung der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9 von dem Gehäuse 19 weg verläuft, wird dadurch das Eindringen von Störstrahlung in das im übrigen vollständig abgeschlossene Gehäuse 19 und somit das Auftreffen von Störstrahlung auf die strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 zuverlässig verhindert. Im übrigen stimmt die Ausführungsvariante nach der 7 mit der in der 6 gezeigten überein, so dass sich eine Beschreibung der übrigen Komponenten und Anordnungen hier erübrigt.
In der 7 ist ferner durch den Doppelpfeil B die Drehverstellmöglichkeit der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 angedeutet. Die Achse dieser Drehverstellmöglichkeit verläuft senkrecht zur Blattoberfläche durch den Schnittpunkt der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9 mit der Hilfslinie C, wobei dieser Schnittpunkt identisch mit dem Mittelpunkt der Drehscheibe 18 ist. Diese besagte Achse verläuft somit senkrecht zur Hauptachse oder optischen Achse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9.
Deutlich ist in der 7 auch die strahlungssensitive Oberfläche oder lichtempfindliche Ebene 12 der Sensoreinrichtungen 9 dargestellt, die in dem entsprechenden CCD-Chip 11, der ein Flächensensor ist, ausgebildet ist.
Eine schematisch perspektivische Illustration einer dritten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 ist in der 8 veranschaulicht. Diese Ausführung stimmt dem Prinzip nach mit der Ausnahme, daß der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ und der Detektionswinkel Θ' nicht in derselben Ebene liegen, mit der Ausführung gemäß 6 überein, so daß eine Beschreibung von den genannten Unterschied nicht betreffenden anderen Einzelheiten hier weggelassen wird.
Dadurch, daß der Beobachtungs- oder Triangulationswinkel Θ und der Detektionswinkel Θ' nicht in derselben Ebene liegen (müssen), kann eine platzoptimierte Anordnung gewählt werden, ohne daß die Meßergebnisse und die Meßgenauigkeit darunter leiden.
Bei der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungen der Beobachtungseinrichtungen 9 nach 8 enthalten die Beobachtungseinrichtungen 9 eine allgemein auch als Objektiv zu bezeichnende optische Anordnung, die aus den (mindestens) zwei räumlich voneinander getrennten optischen Gliedern 15 und 16 besteht, zwischen denen die Telezenter-Blende 17 so angeordnet ist, daß der Strahlengang der Strahlung 22 sowohl objektseitig, als auch bildseitig telezentrisch ist. Die optische Anordnung hat ferner für eine außerhalb der optischen Anordnung befindliche reelle Objektposition eine auf der anderen Seite der optischen Anordnung befindliche reelle Bildposition, so daß sich ein Abbildungsmaßstab β für senkrecht zur optischen Achse (Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9) liegende Objekte und Bilder ergibt.
Als Weiterbildung der bisher verwendeten Bestrahlungseinrichtungen 3 kann bei jeder der hier behandelten Ausführungen ein dimmbares Lasermodul als Strahlungsquelle verwendet werden, wie es beispielsweise in der 8 angedeutet sein soll.
Die 9a und 9b betreffen die Beobachtungseinrichtungen 9 eines vierten Ausführungsbeispiels der Oberflächenerfassungseinrichtung 1, wobei deren übrige Komponenten und deren Anordnungen entsprechend jeder anderen Ausführung gewählt sein können und daher hier aus Vereinfachungs- und Klarheitsgründen nicht dargestellt sind.
Die Beobachtungseinrichtungen 9 des vierten Ausführungsbeispiels der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 enthalten in Weiterbildung insbesondere der dritten Ausführung gemäß 8 neben der Blende 17 drei räumlich voneinander getrennte optische Glieder 15, 16 und 24, die jeweils positive Brechkraft haben. Die 9a zeigt die Anordnung, wie sie in der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 eingestellt ist, und die 9b ist eine reine Prinzipdarstellung. Der angegebene Maßstab gilt für beide Figuren.
Das mittlere optische Glied 24 steht in der Nähe der Blende 17 und trägt im wesentlichen zur reellen Abbildung des Objektes 2, oder genauer dessen Oberfläche 7, auf die strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 bei. Die äußeren optischen Glieder 15 und 16 stehen in der Nähe des Objektes 2/dessen Oberfläche 7 bzw. des Bildes/der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 und bilden die Blende 17 jeweils nach unendlich ab. Damit sorgen die äußeren optischen Glieder 15 und 16 der Beobachtungseinrichtungen 9 für die Telezentrie, wobei der Abstand des ersten objektseitigen optischen Gliedes 15 von der Blende 17 größer als der Abstand dieses ersten optischen Gliedes 15 vom Objekt 2 oder genauer dessen Oberfläche 7 ist, und der Abstand des letzten bildseitigen optischen Gliedes 16 von der Blende 17 größer als der Abstand dieses letzten optischen Gliedes 16 vom Bild, d. h. von der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 ist.
Die einzelnen Brennweiten bei der gezeigten Ausführung sind: f' = 172 für das erste objektseitige optische Glied 15, f' = 86 für das zweite blendennahe optische Glied 24 und f' = 47,5 für das dritte oder letzte bildnahe optische Glied 16. Bezogen auf die Darstellung der 9b sind bei dem Ausführungsbeispiel folgende Abstände eingestellt: 80 mm von der Oberfläche 7 des Objekts 2 zum ersten objektseitigen optischen Glied 15, 161 mm vom ersten objektseitigen optischen Glied 15 zum zweiten blendennahen optischen Glied 24, 52 mm vom zweiten blendennahen optischen Glied 24 zum dritten und letzten bildnahen optischen Glied 16, und 25 mm vom dritten bildnahen optischen Glied 16 zur strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen.
Die 10 stellt eine Schemazeichnung einer Anordnung der Beobachtungseinrichtungen 9 einer fünften Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 dar. Dabei handelt es sich um eine weitere Alternative hinsichtlich der Ausgestaltung der Beobachtungseinrichtungen 9, und alle übrigen Komponenten und deren Anordnungen können im Rahmen der Erfindung jede beliebige Gestaltung haben, so dass sie hier nicht beschrieben werden.
Wie in der 10 zu sehen ist, enthalten diese Beobachtungseinrichtungen 9 außer der Blende 17 noch vier räumlich voneinander getrennte optische Glieder 15, 16, 24 und 25, die jeweils wieder aus Linsen oder Linsensystemen bestehen können.
In der 11 ist eine Anordnungsskizze der Bestrahlungseinrichtungen 3 einer sechsten Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 gezeigt. Diese Bestrahlungseinrichtungen 3 enthalten ein Lasermodul 26 mit einer Laserdiode 27 als Strahlungsquelle 28, eine Kollimatoroptik 29 und eine Zylinderlinse 30 zur Lichtlinienerzeugung.
Diese Strahlungsquelle 28 ist, wie auch das im Zusammenhang mit der 8 exemplarisch angegebene Lasermodul dimmbar, damit sie auf die strahlungssensitive Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 9 in Abhängigkeit von den Reflexionsbedingungen auf der Oberfläche 7 des Objekts 2 auf den Arbeitsbereich des z. B. vorgesehenen CCD-Chips eingestellt werden kann. Beispielsweise kann dies auch durch einen Regelkreis (nicht dargestellt) geschehen, mit dem die Strahlungsquellenleistung automatisch in Abhängigkeit von der seitens der Sensoreinrichtungen 9 gewonnenen maximalen Signalintensität eingestellt wird, was optimalerweise, aber nicht zwingend vor jedem Erfassungsdurchgang durchgeführt werden kann. Ferner wird lediglich beispielhaft bei dieser Ausführung auf eine Einstellmöglichkeit des Fokus der Optik der Bestrahlungseinrichtungen 3 hingewiesen, indem im vorliegenden Fall das Lasermodul 26 gegenüber der Kollimatoroptik 29 längs der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 verstellbar ist. Weiterhin ist die Kombination aus der Strahlungsquelle 28 und den Optikteilen Kollimatoroptik 29 und Zylinderlinse 30, d. h. die komplette Einheit der Bestrahlungseinrichtungen 3 längs der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3 bezüglich der Objektoberfläche 7 verstellbar.
Einige der Freiheitsgrade in der Oberflächenerfassungseinrichtung 1 sind in der 12 durch sich selbst erklärende Doppelpfeile dargestellt und werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 14 bis 17 im einzelnen näher behandelt, wobei auch im Zusammenhang mit bereits oben erläuterten Ausführungen Einstellmöglichkeiten für solche Freiheitsgrade angegeben sind. Die Beobachtungseinrichtungen 9 sind in der 12 lediglich zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen worden.
Wie bereits weiter oben allgemein beschrieben wurde, erfordert das Triangulationslichtschnittverfahren eine Relativbewegung zwischen Objekt 2 und Kamera- bzw. Beleuchtungseinheit, d. h.
Bestrahlungs- und Beobachtungseinrichtungen 3 und 9. Wegen der Schwingungsempfindlichkeit der Optiken wird diese Tanslationsbewegung, die auch als Motor-Shift bezeichnet werden kann, vorteilhafterweise auf das zu vermessende Objekt 2 verlagert.
Folgende Kriterien sollten bevorzugt bei der Translationsbewegung berücksichtigt werden:

• rechnergesteuertes Übernehmen der Motor-Shift-Koordinaten
• schnelles Positionieren auf kurze Strecken
• schwingungsfrei
• geringerer Steuerungsaufwand
• kostengünstig

Mit diesen Maßgabe stehen folgende Systeme zur Auswahl:

1. Schrittmotor mit offenem Regelkreis
2. Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis
3. Servomotor mit geschlossenem Regelkreis

Servomotoren weisen den höchsten Regelaufwand auf und die Positionierungsvorgänge sind in den Bereichen von ca. 6,25 μm–30 μm langsamer als Schrittmotoren.
Bei den verwirklichten Ausführungen wurde eine Linearverfahreinheit mit einer Verfahrweite von 350 mm und einer Spindelsteigung von 2,5 mm verwendet. Der Schrittmotor besitzt 400 Schritte pro Umdrehung, woraus sich eine Auflösung von 6,25 μm ergibt. Diese Schrittweite ist für die meisten Anwendungen ausreichend, da die Auswertung der CCD-Kamera bei den verwendeten Linsenkombinationen keine höhere Auflösung erreicht. Dieser Schrittmotor besitzt einen offenen Regelkreis, d. h. es erfolgt keine Rückmeldung über die genaue Position des Schlittens. In der Praxis wurden mehrere solcher Lineareinheiten eingesetzt, die über eine begrenzte Anzahl von Schritten (ca. 1000–2000) keine Fehler aufwiesen.
Für die Montage der Komponenten Bestrahlungseinrichtungen 3, Objekt 2 und Beobachtungseinrichtungen 9 ist ein Portalaufbau 31 bevorzugt, der optimalerweise folgende Kriterien erfüllt:

• schwingungsstabil
• Baukastensystem
• evtl. leicht modifizierbar
• zur Aufnahme verschiedener Einheiten geeignet
• Realisierung von verschiedenen horizontalen und vertikalen Bewegungen

Dazu wurden verschiedene Realisierungen eingesetzt.
Ein Portalaufbau 31 mit zwei vertikalen Profilträgern 32 für die Befestigung eines horizontalen Aufnahmeträgers 33 ist in Darstellungen I), II), und III) der 13a in einer Vorderansicht, einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht gezeigt. Dieser Portalaufbau 31 hat die Vorteile eines einfachen Aufbaus und einer günstigen Modifizierbarkeit.
In der 13b ist eine komplette Säulenführung 34 mit Höhenverstellung 35 in Darstellungen I), II), und III) in einer Vorderansicht, einer Seitenansicht bzw. einer Draufsicht gezeigt. Dabei wird ein Montage- oder Aufnahmeträger 33 an der Höhenverstellung 35 montiert. Die Säule 34 wird auf eine separate Platte (nicht gezeigt) oder an den Schrittmotor 36' montiert. Diese Ausführung hat den wesentlichen Vorteil, daß eine Höhenverstellung eingebaut ist.
Als weitere Alternative gibt es z. B. einen Portalaufbau 31 mit einem vertikalen Profilträger 32. Eine Vorderansicht, eine Seitenansicht und eine Draufsicht sind in den Darstellungen I), II), bzw. III) der 13c gezeigt. Der Aufbau ist weitgehend identisch mit dem der in der 13a gezeigten Ausführung, wobei aber statt zwei vertikalen Profilträgern 32 nur ein solcher Profilträger 32 vorhanden ist. Zu den bereits im Zusammenhang mit der Ausführung nach 13a ergibt sich hier als weiterer Vorteil eine noch einfachere und kostengünstigere Herstellung, so daß diese Bauart besonders bevorzugt ist.
Soll ein größeres Objekt vermessen werden, so kann der Querträger mittels entsprechender Klemmteile (nicht dargestellt) vertikal verstellt oder erweitert werden.
Die 14 befassen sich mit linearen Verstellmöglichkeiten der Sensoreinrichtungen 10 zur Feineinstellung des Abstandes der letzteren von den Beobachtungseinrichtungen 9, die zusammen mit den Sensoreinrichtungen 10 linear gegenüber der Objektoberfläche 7 verstellbar sind. Diese Verstellmöglichkeiten sind in Richtung der Hauptachse 14 der Beobachtungseinrichtungen 9 ausgelegt. Die Kombination aus den Beobachtungseinrichtungen 9 und den Sensoreinrichtungen 10 wird nachfolgend als Optikeinheit 36 bezeichnet. Die Sensoreinrichtungen 10 müssen dabei nicht vollumfänglich der Optikeinheit 36 zugerechnet sein, sondern es genügt, wenn z. B. von einer zu den Sensoreinrichtungen 10 gehörenden CCD-Kamera 37 (siehe 16) der abgesetzte Kopf 38 Teil der Optikeinheit 36 ist. Der abgesetzte Kamerakopf 38 der CCD-Kamera enthält den eigentlichen CCD-Chip 11, der gemäß einer Ausführungsform in einem CCD- oder Kopfgehäuse 39 untergebracht ist.
Um eine gute Abbildungsqualität bzw. die genaue Gegenstandsweite des Lichtschnittes auf der strahlungssensitiven Oberfläche 12 des CCD-Chips 11 zu erreichen, muß der komplette Linsenaufbau der Beobachtungseinrichtungen 9 in Richtung deren optischer Achse (Hauptachse 14) beweglich gestaltet werden. Um nach dem Drehen des CCD-Chips 11 um den Triangulationswinkel Θ' noch ein scharfes Bild zu erhalten, wird eine Einstellmöglichkeit für die Bildebene auf der strahlungssensitiven Oberfläche 12 auf der angebracht. Da der Abbildungsfaktor β für die meisten Anwendungsfälle kleiner als 1 ist, ist es sinnvoll, die Verstellmöglichkeit in eine Grobverstellung für die Objektebene (Pfeil D) und eine Feinverstellung für die Bildebene (Pfeil E) einzuteilen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn für andere Linsenkombinationen noch eine Anpassungsmöglichkeit besteht.
Als vorteilhaft erwiesen haben sich für die Feinverstellung ±7 mm mit einer Genauigkeit von ca. 2–3 μm und für die für die Grobverstellung ±50 mm mit einer Genauigkeit ca. 2–3 mm.
Verschiedene Prinziplösungen sind in den 14 und 15 dargestellt.
Für die Feinverstellung ist z. B. ein in der 14a gezeigter Keilvorschub verwendbar. Dabei ergibt sich je nach Winkel des Keiles 40 eine entsprechende Untersetzung, mittels der eine hohe Genauigkeit und Feinfühligkeit der Einstellbarkeit erhalten werden können.
Eine weitere Möglichkeit für die Feinverstellung bietet eine Exzenterverstellung, wie sie in der 14b schematisch dargestellt ist. Das CCD-Gehäuse 39 wird mit einer Exzenterscheibe 41, die drehbar gelagert ist, verstellt. Bei dieser Ausführung wird insbesondere eine schnelle Verstellung und ein großer Verstellweg erreicht.
Als weitere Möglichkeit zur Realisierung der Feinverstellung ist in der 14c ein Lineartisch 42 mit einem Schraubengetriebe 43 gezeigt. Die hiermit erzielbaren Vorteile sind ein großer Verstellbereich, eine gute Führung und eine feinfühlige Einstellmöglichkeit.
Bei den in der 15 behandelten Grobverstellungen ist jeweils die Feinverstellung nach der 14c in die Optikeinheit 36 integriert.
Eine erste Variante ist ein Zahnstangenantrieb 44, der bei der Version nach der 15a vorgesehen ist. Dabei ist die komplette Optikeinheit 36 mit dem Lineartisch 42 und der Optik der Beobachtungseinrichtungen 9 in der Richtung der optischen Achse (Hauptachse 14) mittels des Zahnstangenantriebes 44 beweglich gestaltet, um die Objektebene einstellen zu können (Pfeil D). Der wesentliche Vorteil dieser Bauform ist der erzielbare großer Verstellweg.
Bei der Variante nach der 15c wird ein Zahnriemenantrieb 45 verwendet. Die Optikeinheit 36 wird in Richtung der optischen Achse (Hauptachse 14) mittels des Zahnriemenantriebes 45 verschoben. Die Umlenkrollen 46 für den Zahnriemen 47 und der Zahnriemen 47 sind Standardteile. Die Verstellung erfolgt durch Drehen einer der beiden Umlenkrollen 46. Als Vorteile ergeben sich ein großer Verstellbereich und geringe Kosten.
Eine weitere Möglichkeit für die Grobverstellung besteht in einem Schraubentrieb 48. Dabei wird mit einer Spindel 49 und einer Mutter 50, die an einem Linearschlitten 51 angebracht ist, die Längsverstellung vorgenommen. Ein großer Verstellbereich und eine durch die Spindelsteigung variable Übersetzung sind die wesentlichen Vorteile dieser Ausführung.
Ein Dreheinrichtung mit innerer zentrischer Klemmung 52 für die Drehverstellung der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10, so daß die die Bildebene bestimmende strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist, ist in der 16 in der Darstellung I) in einer Vorderansicht und in der Darstellung II) in einer Seitenansicht gezeigt. Bei dieser Lösung wird das CCD-Gehäuse 39 auf eine Dreheinrichtung 53 mit einer Drehscheibe 18 montiert. Dabei ist die Mitte des CCD-Chips genau im Drehpunkt. Vorteilhaft ist an dieser Ausführung eine feinfühlige Einstellmöglichkeit und eine genaue Justierung. Wesentlich bei allen Lösungen für die Einstellung des Detektionswinkels Θ' ist, daß die Drehung der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 in der Ebene der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 und bevorzugt in der Mitte der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 erfolgt, da sonst eine völlige Neujustierung der optischen Achse (Hauptachsen 14 und 13) nötig wäre.
Einer der wichtigsten Parameter bei dem Messverfahren ist der Triangulationswinkel Θ selbst. Er bestimmt unter anderem die Höhenauflösung und somit die Genauigkeit der Messungen. Der Triangulationswinkel Θ soll von 10 DEG bis 40 DEG variabel einstellbar sein. Bei einem Abbildungsmassstab von minimal ca. 0.5 und einem Triangulationswinkel Θ von 10° bis 40° erhält man nach der Gleichung tanΘ' = 1/βtanΘ eine maximale Neigung der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 um einen Winkel Θ' von 19°. Diese starke Neigung muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden.
Eine drehbar gelagerte Montageplatte 54, auf der das optische System der Bestrahlungseinrichtungen 3 montiert ist, ist in der 17a gezeigt und kann gedreht werden. Nach einer Drehung muss diese Platte 54 noch waagrecht verschoben werden, damit der Schnittpunkt der optischen Achsen (Hauptachsen 14 und 13) in der projizierten Linie 5 übereinstimmt. Diese Version zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus.
Eine alternative Einstellmöglichkeit für den Triangulationswinkel Θ enthält ein bewegliches Gestänge 55, wie in der 17b gezeigt ist. Dabei wird mittels des drehbar gelagerten Gestänges 55 die Winkeländerung des Triangulationswinkels Θ vorgenommen. Der wesentliche Vorteil dieser Bauform liegt darin, dass der Drehpunkt zuverlässig im Schnittpunkt der optischen Achsen (Hauptachsen 14 und 13) der Bestrahlungseinrichtungen 3 und der Beleuchtungseinrichtungen 9 mit Sensoreinrichtungen 10 liegt.
Eine besonders stabile und genaue Variante der Einstellmöglichkeit für den Triangulationswinkel Θ enthält eine Montageplatte 56 mit teilkreisförmigen Führungs- und Montageschlitzen 57' zur Anbringung und geführten Verschiebung der Beleuchtungseinrichtungen 9 mit Sensoreinrichtungen 10 längs der Bogenform der teilkreisförmigen Führungs- und Montageschlitze 57'. Zur Herstellung wird in eine Montageplatte 56 eine Teilkreisbahn oder zwei konzentrische Teilkreisbahnen gefräst. Die Bahn(en) ermöglicht/-en die Drehung der Beleuchtungseinrichtungen 9 mit Sensoreinrichtungen 10 um den Schnittpunkt deren Hauptachse 14 mit der Hauptachse 13 der Bestrahlungseinrichtungen 3. Diese bevorzugte Ausführung weist eine einfache und genaue Verstellmöglichkeit und eine hohe Flexibilität auf.
Nachfolgend wird nochmals auf die Erzeugung einer Lichtlinie 5 auf der Objektoberfläche 7 eingegangen.
Viele Laseranwendungen wie Barcodescanner, die eine Lichtlinie benötigen, erzeugen diese durch einen z. B. in den 1 und in der 18 gezeigten Schwingspiegel 57 oder einen Drehspiegel, der in den Strahlformungsgang eingebracht wird. Der Hauptvorteil eines Schwing- oder Drehspiegels 57 liegt in der Homogenität der erzeugten Linie. Ist der Drehwinkel eines Schwingspiegels 57 oder der Segmentwinkel eines Drehspiegels hinreichend klein, so wird der fokussierte Lichtstrahl immer die gleiche Dicke und Intensitätsverteilung entlang der projizierten Linie besitzen.
Alternativ kann z. B. eine Zylinderlinse 30 (siehe 11) zur Linienerzeugung eingesetzt werden. Da ein Laserstrahl mit rundem Querschnitt auf die Zylinderlinse trifft, ist an den Enden der Lichtlinie die Intensität geringer. Diese Einschränkung ist aber für die Oberflächenerfassungseinrichtung 1 unerheblich, da immer das Maximum des Strichs ausgewertet wird, und die Maxima an der gleichen Stelle bleiben, ungeachtet ob der Strahl dick oder dünn ist.
Die Beleuchtungseinrichtungen 3 können z. B. eine Laserdiode 27 mit beispielsweise 680 nm, ein Linsensystem 58 und einen synchronisierten Schwingspiegel 57 mit 50 Hz enthalten. Als Linsensystem kann beispielsweise eine Kolimatorlinse 30 mit 60 mm Brennweite, eine Blende 59 mit einer Öffnung von 1,5 mm und eine Fokussierungslinse 60 mit 250 mm Brennweite verwendet werden, wie in der 18 gezeigt ist. Die numerische Apertur dieses Systems beträgt 0,006. Die Breite des Strahls auf dem Objekt 2 ist entscheidend für die Auflösung des Sensors. Ist die Lichtlinie z. B. 40 μm breit, können kleinere Strukturen nicht mehr erfasst werden. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Beleuchtungseinrichtungen 3 in Modulbauweise konzipiert sind, d. h. verschiedene Komponenten wie Blende 59, Fokussierungslinse 60 etc. ausgetauscht und verändert werden können. Die Anordnung nach 18 enthält ferner einen Umlenkspiegel 61.
Mit dem Triangulationslichtschnittsensor lassen sich sowohl in vertikaler als auch in lateraler Richtung Genauigkeiten bis in den Mikrometerbereich hinein erzielen. So liegt z. B. die Reproduzierbarkeit der Messungen bei unter 2 μm. Über den absoluter Wert dieser Strecken konnte allerdings bis jetzt keine Aussagen gemacht werden. Gerade dies ist aber Voraussetzung für den praktischen Einsatz eines Sensors, der für Messaufgaben konzipiert ist. Schließlich will man aus den aufgenommen Daten passgenaue Stücke fräsen, Werkstücke nach ihrer Größe sortieren, Objekte vergleichen etc. Für jede Aufgabe des Sensors bedarf es daher einer sorgfältigen Kalibrierung, um die entsprechenden Bestimmungsstrecken eindeutig vermessen zu können. Durch das Prinzip des Lasertriangulationslichtschnittsensors können alle abgetasteten Punkte nur in einer einzigen Ebene liegen, die wiederum auf die Ebene des CCD-Chips projiziert wird. Die Kalibrierung des Sensors reduziert sich damit zu einem zweidimensionalen Problem. Bedingt durch Aberrationen werden Verzerrungen und Verzeichnungen auftreten, die die Kalibrierung beträchtlich erschweren. Im folgenden sollen Möglichkeiten zur Kalibrierung angegeben werden, die den unterschiedlichen Anforderungen an Genauigkeit genügen.
Bei einer einfachen Kalibrierung werden die Punkte einer eindeutig festgelegten Objektebene durch das Abbildungssystem der Beobachtungseinrichtungen 9 in die Bildebene auf der strahlungssensitiven Oberfläche 12 der Sensoreinrichtungen 10 projiziert. Für eine einfache Messgenauigkeit ist es ausreichend ein Stufenendmaß 62 mit einem Lichtschnitt zu scannen, wie dies in der 19a verdeutlicht ist.
Diese einfach Methode bringt jedoch nur für die Y' bzw. Z-Richtung eine hohe Genauigkeit, da in der Zeilenrichtung, jedoch nicht in der Spaltenrichtung, des CCD-Chips 11 eine Subpixel-Interpolation durchgeführt werden kann. Die Pixelabstände bei einer exemplarischen Anordnung betragen 11 μm, was bei einem Abbildungsmaßstab β von 0.4 im Objektraum fast ±28 μm bedeutet. Diese Ungenauigkeit kann durch einen Mittelwert von mehreren Schnitten verringert werden.
Eine genauere Kalibrierung gestattet die Verwendung eines Mehrstufenendmaßes 63, wie es in der 19b veranschaulicht ist. Um eine höhere Genauigkeit auch in der lateralen Richtung zu erzielen wurde ein Mehrstufenendmaß 63 konstruiert, welches mehrere Treppenstufen aufweist, deren Kantenpositionen 64 die Werte (X', Y') liefern.
Durch Mittelwertbildung der einzelnen Stufenabstände wird eine wesentlich höhere Genauigkeit als mit einem Stufenendmaß 62 erzielt, wie es in der 19a gezeigt ist. Des weiteren kann die Tiefenschärfe der Beleuchtungsoptik 58 der Bestrahlungseinrichtungen 3 und der Beobachtungsoptik der Beobachtungseinrichtungen 9 auf die mittlere Stufe justiert werden. Bei Verwendung einer geeigneten Software stehen Tools zu Verfügung, die die Justierung eines optimalen Arbeitspunktes erlauben.
Eine hochpräzise Kalibrierung wird nur durchführbar sein, wenn alle Messpunkte mit einer einzigen (Kamera-) Aufnahme erfasst werden können. Dazu ist es notwendig, die einzelnen Punkte in festen Abständen in einer Ebene anzuordnen. Dies geschieht am Besten mit einer sogenannten ”High-Resolution-Plate”. Mit ihr lassen sich feine Strukturen mit sehr hoher Präzision herstellen.
Durch Belichtungsverfahren lassen sich Genauigkeiten von bis zu 1 μm erzielen. Die ”High-Resolution-Plate” besteht aus einer Kreuzgitter- oder Kreuzplatte 65, wie sie beispielsweise in der 20 gezeigt ist, mit einer auf einer Glasscheibe aufgebrachten Metallschicht. Durch ein Ätzverfahren werden Kreuze in diese Metallschicht eingebracht. Wird diese Glasscheibe nun fremdbeleuchtet (siehe Lampe 66 in der 21a), kann mit einer Kamera oder allgemein den Sensoreinrichtungen 10 eine Aufnahme gemacht werden. Voraussetzung ist jedoch die genaue Justierung der Platte 65 in der Ebene der Beleuchtungs- oder Bestrahlungseinrichtungen 3, da diese Ebene auf den CCD-Chip 11, oder genauer dessen strahlungssensitive Oberfläche 12 kalibriert werden soll. Mit einer einzigen Aufnahme ermittelt dann eine Software von jedem Kreuz den Mittelpunkt und errechnet den Kalibrierungsfaktor in der lateralen und vertikalen Richtung auf wenige μm genau.
Es stehen 6 Freiheitsgerade für die Einjustierung der Platte 65 zur Verfügung, wie in der 21a dargestellt ist. Dabei müssen nicht alle Freiheitsgeraden mit der gleichen Genauigkeit eingeschränkt werden. Für eine Präzisionsmessung muß jedoch die Glasplatte an den X, Y, und Z-Achsen ausgerichtet sein. Um den Justagevorgang effizient zu gestalten ist man gezwungen, die Freiheitsgrade nacheinander einzuschränken, ohne dabei einen anderen Freiheitsgrad dabei wieder zu verstellen.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren für den Justagevorgang wird die untere Kante der Kreuzplatte 65 (X-Richtung) waagerecht (Drehung um Y-Achse) ausgerichtet und die Z-Achse der Platte 65 muß leicht gegen den Laserstrahl (analog Hauptachse 13) geneigt sein. Mit dem Schrittmotor 36 wird jetzt die Mitte der unteren Kante an den Laserstrahl herangefahren bis diese Kante den Laserstrahl halbiert (21b).
Durch Drehung um die Z-Achse wird die untere rechte Kante der Glasplatte 65 mit der X-Achse zur Deckung gebracht. Die Platte 65 wird solange durch Drehung um die X-Achse aufgestellt, bis der Laserstrahl halb oben und halb an der unteren Kante sichtbar wird (21c). Nun ist der Justagevorgang beendet und es kann die Softwareauswertung folgen. Damit ist es möglich, relativ diese Kreuzplatte 65 einfach und genau im Strahlengang der Bestrahlungseinrichtungen 3 zu justieren.
Eine Vorrichtung 67 zum Durchführen der vorbeschriebenen Justierung der Kreuzplatte 65 ist in den Darstellungen I), II) und III) der 21d in einer Seitenansicht, einer Vorderansicht bzw. einer Draufsicht gezeigt. Die notwendigen Einstellmöglichkeiten sind durch Doppelpfeile F, G und H verdeutlicht.
Die Genauigkeit des Kalibriervorgangs beruht eigentlich auf der Teilung des Laserstrahles, der nur eine Breite von ca. 28–40 μm aufweist. Die Platte 65 kann maximal eine Laserstrichbreite von der Ebene der Beleuchtungseinrichtung abweichen. Bei einer Länge von ca. 35 mm wäre diese eine maximale Winkelabweichung von α = 3'55''.
In der 21c ist:

X1: der Abstand von optischer Achse (Hauptachse 13) und senkrechter Platte 65,
X2: der Abstand von optischer Achse (Hauptachse 13) und geneigter Platte 65, und
α: der Neigungswinkel der Platte 65.

Daraus folgt: relativer Fehler ≡ x1 – x2 / x1 x1 = a·sinΘ x2 = a·sin(Θ + α) relativer Fehler ≡ a·sinΘ – a·sin(Θ + α) / a·sinΘ = sinΘ – sin(Θ + α) / sinΘ = 1 – sin(Θ + α) / sinΘ
Bei Θ = 40° und α = 3'55'' erhält man einen maximalen Fehler von 0,136%. Im ungünstigsten Fall bedeutet dies einen Fehler von 3,4 μm auf 2,5 mm, wenn die Kreuze diesen Abstand aufweisen.
Für einfache Zwecke reicht es, wie bereits dargelegt, aus, nur ein Endmaß 62 zu scannen. Dieses Endmaß 62 erlaubt jedoch nur eine genaue Kalibrierung in der vertikalen Richtung. Durch die Pixelquantisierung entsteht in der lateralen Richtung immer die Ungenauigkeit von ±1 Pixel.
Ein Mehrstufenendmaß 63 ist sicherlich dem normalen Endmaß 62 überlegen. Es erfüllt außer der genaueren lateralen Eichung auch noch die Einstellung des Arbeitspunktes des Scanners. In Verbindung mit der Kalibrierkreuzplatte kann eine vollständige und hochpräzise Kalibrierung durchgeführt werden.
Für die Oberflächenerfassungseinrichtung kann auch ein Gehäuse vorgesehen sein, das beispielsweise aus drei Hauptkomponenten besteht: einer Blechummantelung, einer Boden- und einer Deckelplatte. Die Öffnung zum Einlegen von Prüf- oder Messobjekten kann mit dunklen Plexiglasscheiben verschlossen werden. Bei einer Ausführung der Oberflächenerfassungseinrichtung wurden die Boden- und Deckelplatte aus einer Aluminiumlegierung gefertigt und enthalten jeweils Nuten für die Aufnahme des Blechmantels. In die Bodenplatte sind Aussparungen für einen Portalaufbau eingebracht.
In den 22a und 22b ist ein Objekthalter 68 in zwei verschiedenen perspektivischen Darstellungen schematisch gezeigt. Der Proben- oder Objekthalter enthält eine Linearverfahreinheit 69, die es ermöglicht, das Objekt (nicht dargestellt) in lateraler Richtung zu verschieben, und den Objekthaltertisch 70, der über ein Kugelgelenk 71 beweglich mit der Linearverfahreinheit 69 verbunden ist. Auf dem Objekthaltertisch 70 sind drei Spannbolzen 72 vorhanden, die das Objekt halten. Diese Spannbolzen 72 können in radialer Richtung verstellt werden, zwei davon durch Drehen im bzw. gegen Uhrzeigersinn und der dritte mittels Spannen einer Spindel 73. Dadurch ergibt sich optimale Flexibilität zum Spannen von verschiedensten Objekten. Die Einheit mit dem Kugelgelenk 71 ist ebenfalls noch drehbar gelagert und hat bei 180° eine Kugelraste (nicht sichtbar) zum präzisen Drehen der Objekte, falls eine Abschattung auftreten sollte und ein weiterer Scanvorgang in einer neuen Objektstellung notwendig ist.
Für die Auswertung der mittels einer CCD-Kamera gewonnen Daten kann z. B. eine Framegrabberkarte mit (nicht gezeigt) peripherer Elektronik (nicht gezeigt) verwendet werden. Die Karte kann derart ausgelegt sein, daß sie in einen freien ISA-Slot eines Computers paßt. Bei der verwendeten Framegrabberkarte handelt es sich um ein sogenanntes Overlayboard, d. h., daß das VGA-Signal des Computers über das Board geht. Auf diese Weise wird der Monitor an die Overlaykarte angeschlossen. Diese Technik ermöglicht das digitale Mischen des Videosignals mit dem des normalen Bildschirms. Auf dem Bildschirm erscheint der normale Aufbau des Computerbildes, jedoch mit einem ca. 10 × 10 qcm großen Ausschnitt, der das Videosignal live einblendet. Somit kann der Kontrollmonitor für die Kamera entfallen. Neben dem Anschluß des VGA-Monitors ist noch eine BNC-Buchse vorhanden, die das Signal der Kamera einspeist. Die Kameraversorgung beträgt 12 V. Um die Verkabelung zu verringern wird die Spannung dem Computernetzteil entzogen. Die Stromversorgung eines Laserdiodennetzteils erfolgt ebenfalls über den Computer, dadurch werden zwei Netzteile eingespart.
Der CCD-Chip wird in Zeilenrichtung ausgelesen. Die Pixelinformationen werden mittels eines Videosignals nach CCIR-Norm übertragen. Die Intensitätsinformation einer Zeile des CCD-Chips wird somit während 52 μs übertragen. Eine Framegrabberkarte digitalisiert daraus 512 Werte mit einer Auflösung von 8 Bit bzw. 256 Graustufen. In 40 ms wird ein komplettes Bild erzeugt.
Für eine Auswertung des Lichtschnittes mit Subpixelgenauigkeit benötigt man genau drei Graustufenwerte. Die Framgrabberkarte ermöglicht die Auswertung des Maximums sowie des linken und rechten Nachbarwertes mit dem auf der Karte vorhandenen Signalprozessor. Mit der Position des Maximums ergibt dies bei einem quadratischen Bild von 512 mal 512 Pixel eine Datenmenge von 2 Kilobyte pro Lichtschnitt. Würde die Auswertung des Bildes vollständig mit dem computereigenen Prozessor erfolgen, müßte eine Datenmenge von 256 KByte pro Lichtschnitt übertragen werden. Durch den Einsatz der Framgrabberkarte konnte die Zeitdauer für einen 512 Bilder umfassenden Abtastvorgang von 5:30 Minuten auf bestenfalls 40 Sekunden verkürzt werden.
Bei der Framegrabberkarte handelt es sich um ein sogenanntes Overlayboard, bei dem der VGA-Anschluß des Monitors auf dem Board durchgeschleift wird. Dies ermöglicht ein direktes Kontrollbild auf dem VGA-Monitor und der Videokontrollschirm kann entfallen, wie bereit weiter oben erläutert wurde.
In der 23 ist das Ablaufschema des Scanverfahrens dargestellt, das programmgesteuert durchgeführt werden kann.
Die Aktivierung aller Hardwarekomponenten steht zu Beginn einer Messung an. Man sollte darauf achten, daß neben Kamera und Laser auch die Steuerungseinheit für den Schrittmotor eingeschaltet ist. Der Laser darf erst nach dem Computer eingeschaltet und muß vor dem Computer ausgeschaltet werden. Die Softstartfunktion des Lasernetzteils wird sonst unwirksam. Nach dem Start des Pragramms und der fehlerfreien Überprüfung der Overlay-Karte erscheint das Hauptmenü mit dem Live-Kamerabild. Sollte hier nur ein diagonales Graustufenbild zu sehen sein, dann empfängt die Overlay-Karte kein Kamerasignal.
Nun sollte ein ebenes Objekt so auf der Scanplattform plaziert werden, dass es möglichst vollständig auf dem Bildschirm zu sehen ist. Bevor ein Objekt gescant wird, ist eine Justierung und Kalibrierung des Systems notwendig. Die Vorgehensweise hierzu ist:

1. Mehrstufenendmaß einspannen
2. Intensität des Lasers ungefähr mit Laserbreitenmessung einstellen
3. Treppenstufen-Eichung durchführen
4. Intensität des Lasers nachstellen
5. Evtl. Nr. 3 noch mal durchführen
6. Für hochgenaue Messungen ”Kalibrierung mit Kreuzplatte durchführen”.

Das Hauptmenü der Programmsteuerung (siehe 23) bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten an. Neben direkter Manipulation der Scanparameter, lassen sich auch Kalibrier- und Justierverfahren durchführen. Unter diesem Hauptmenü erscheinen im oberen Abschnitt TASTENFUNKTIONEN folgende Felder zur Auswahl:
”<- ->” Mit den Cursortasten bewegt man die Probe zur Ausgangsposition für den ersten Lichtschnitt.
”F1” Hiermit kann man den Bereich abfahren, der abgetastet werden soll. An der Endposition angekommen, hält der Schrittmotor an und fährt die Probe erst auf Tastendruck wieder zurück. Änderungen am Scanbereich lassen sich im unteren Abschnitt EINGABE machen (siehe später).
F2 Diese Funktion dient der genauen Justierung der Lichtlinie. Man sollte sie mit einem waagrecht und ebenen justierten Objekt unter der Kamera aufrufen. Es werden einige Schnitte durch die Linie durchgeführt und die jeweilige senkrechte Abweichung wird unter dem Kamerabild am Monitor angezeigt. Eine aufsteigende bzw. abfallende Zahlenreihe weist auf eine Schräglage der Laserlinie hin. Im angestrebten Idealfall erhält man eine Reihe mit Nullen.
F3 Diese erste Kalibriervariante erfordert ein kalibriertes Kreuzgitter, das stehend auf der Scanplattform (siehe 21d) montiert ist. Anhand der Lichtkreuze, deren Abstand bekannt ist, kann das Programm die genaue Größe der Abbilder auf dem CCD-Chip berechnen und als Kalibrierwerte speichern. (Vorgehensweise siehe Abschnitt Untermenü: Justierung XY-Skalierung).
F4 Die zweite Kalibriervariante erfordert eine kalibrierte Treppe, die auf der Plattform (siehe 21d) steht. Da diese Methode nur die Höhenkoordinate kalibriert und ungenauer ist, wird das Ergebnis nur angezeigt, nicht aber als Berechnungsgrundlage verwendet. Zusätzlich wird allerdings die Breite der Lichtlinie auf den einzelnen Stufen angegeben. Dadurch lässt sich die Tiefenschärfe der Kamera gut justieren. (Vorgehensweise siehe Abschnitt Untermenü: Justierung Treppe)
F5 Die Laserbreitenmessung bietet die Möglichkeit, die Helligkeitsverteilung im Querschnittsdiagramm zu betrachten. Nach dem Aufruf erscheint im Live-Bild ein farbiger Rahmen, in welchen man den interessanten Ausschnitt plaziert, um nach Tastendruck den Graphen dieses Bereichs zu erhalten. (Vorgehensweise siehe Abschnitt Untermenü: Laserbreitenmessung)
F10 Start des Scanvorgangs: Es wird zunächst eine Abtastung des Objekts mit einer Speicherung auf Pixelgenauigkeit durchgeführt. Nach dem vollständigen Lauf wird durch Interpolation bzw. Approximation ein Höhenbild mit Subpixel-Genauigkeit erzeugt. Am Ende oder bei einem Abbruch durch die ESC-Taste fährt das Objekt in die Ausgangslage zurück.
Alt-X Hiermit beendet man das Programm.
Im unteren Abschnitt EINGABE des Hauptmenüs lassen sich die Scanparameter editieren:
Pos1 Nach Betätigen dieser Taste erhält man die Eingabemöglichkeit für die Schrittweite der Scanplattform bei Benutzung der Positionierungstasten. Dieser Wert ist voreingestellt und sollte nur geändert werden, wenn man den Schrittmotor eine ganz genau definierte Strecke abfahren lassen will.
F6 Die Anzahl der (Licht-)Schnitte entspricht den Objektpositionen, die analysiert werden sollen, und somit der Breite der Bildes.
F7 Der Abstand der Schnitte wird in Motorschritten angegeben und bestimmt die Strecke, die zwischen zwei Lichtschnitten liegt. Der Abstand multipliziert mit der Anzahl der Schnitte ergibt die Strecke, die abgetastet wird und die bei Tastenfunktion F1 abgefahren wird. Ein Schritt des Motors entspricht bei einer bevorzugten Ausführungsform 6,25 Mikrometern. Der Abstand zwischen zwei Lichtschnitten ist standardmäßig so gewählt, daß die laterale und Motorshift-Auflösung ungefähr den gleichen Wert haben.
F8 Die ersten sechs Buchstaben des Export-Dateinamens können hier geändert werden. Beim Speichern eines Bildes wird zusätzlich eine laufende Nummer angehängt, um zu verhindern, daß alte Daten überschrieben werden.
F9 Möchte man mehrmals das selbe Objekt scannen, um die Reproduziergenauigkeit zu messen, dann kann man hiermit die Meßdurchgangsanzahl erhöhen.
Der letzte Abschnitt FESTE PARAMETER des Hauptmenüs gibt Aufschluß darüber, nach welchem Algorithmus die Subpixelinterpolation erfolgt. Änderungen der Verfahrens müssen in eine Initalisierungsdatei eingetragen werden.
Untermenü: Justierung XY-Skalierung
Die Kamera sollte ein kontrastreiches Bild des Kreuzgitters zeigen. Der Laser dient hierbei nur der Einjustierung der Kreuzplatte in die Kalibrierebene und nicht der direkten Messung. Beim Justagevorgang sollte die Positionierungsweite des Schrittmotors auf den Wert 1 gestellt werden, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erzielen.
Zuerst wird die untere Kante der Kreuzplatte in den Laserstrahl gebracht und die Z-Achse der Platte muss leicht gegen den Laserstrahl geneigt sein. Mit dem Schrittmotor wird jetzt die Mitte der untere Kante (Markierung am Drehgelenk) an den Laserstrahl herangefahren bis diese den Laserstrahl halbiert.
Durch Drehung um die Z-Achse wird die untere rechte Kante der Glasplatte mit der X-Achse zur Deckung gebracht. Die Platte wird solange aufgestellt (durch Drehung um die X-Achse) bis der Laserstrahl halb oben und halb an der unteren Kante sichtbar wird. Nun ist der Justagevorgang beendet und es kann eine Softwareauswertung folgen.
Über die Cursortasten muss man nun zwei Messlinien am Bildschirm auf den Kreuzarmen positionieren. Die Linien sollten möglichst viele Arme kreuzen.
Durch Drücken der ENTER-Taste aktiviert man die Messung, deren Ergebnis rechts neben und unter dem Kamerabild angezeigt wird. Die senkrechten und waagrechten Abstände der Kreuze werden in Subpixeln angegeben und es wird eine Mittelung über alle Werte (bis auf die beiden Randwerte) geliefert. Werden keine oder zu wenige Zahlen angezeigt, dann ist entweder der Kontrast zu schwach oder die Messlinien liegen nicht exakt genug auf den Kreuzen. Hat man ein sinnvolles Ergebnis erzielt, dann lässt sich dieses mit F8 speichern und wird bei künftigen Messungen als Kalibriergrundlage verwendet. Mit der ESC-Taste beendet man den Kalibriervorgang.
Untermenü: Justierung Treppe
Das Mehrstufenendmaß wird waagerecht auf die Scanplattform aufgespannt. Die Lichtlinie soll, durch die Treppenstufen versetzt gebrochen, auf dem Bildschirm zu sehen sein. Dabei ist es vorteilhaft, die mittlere Linie von 5 Linien in die Bildschirmmitte zu bringen. Durch jedes Linienteilstück muß eine waagrechte Meßlinien laufen, um ein korrektes Ergebnis zu liefern. Über die rechte und linke Cursortaste kann man die Meßlinienweite ändern, um sie dann genau zu positionieren.
Messungen werden alle zwei Sekunden neu durchgeführt und angezeigt. Wie bei der XY-Skalierung werden die Abstände der Stufen unter dem Kamerabild geliefert und sollten bei einer gleichmäßigen Treppe und einer intakten Optik kaum voneinander abweichen. Rechts vom Bild wird die Lichtlinienbreite auf den einzelnen Stufen angegeben, und durch die aktualisierende Anzeige kann man so die Tiefenschärfe der Kamera sehr gut justieren. Dabei sollte der mittlere Wert der niedrigste in der Spalte sein, und nach oben bzw. nach unten gleichmäßig ansteigen. Korrekturen können an den Stellschrauben des Lasers bzw. der Kameralinearfeinverstellung vorgenommen werden. Die Fokussierung auf die mittlere Treppe des Mehrstufenendmaßes sollte zuerst mit dem Laser geschehen, da dieser die größere Apertur besitzt und sich deshalb die Tiefenschärfe schneller ändert. Wird danach die Kamera fokussiert, ist evtl. noch eine Nachjustierung des Lasers notwendig. Sind die Werte auf dem Monitor gleichmäßig, kann die Einstellung mit ESC beendet werden.
Das Optiksystem ist jetzt auf den Schnittpunkt der optischen Achse mit dem Laserstrahl justiert.
Untermenü: Laserbreitenmessung
In einem farbigen Kasten wird die Intensitätsverteilung der Lichtlinie vergrößert dargestellt. Angezeigt wird nur ein Standbild. Sollten am Intensitätsregler des Lasers Veränderungen erfolgen, muß die Taste F4 zum Aktualisieren gedrückt werden. Bei schon erfolgter Treppeneichung wird keine Änderung des Tiefenschärfereglers notwendig. Es muß lediglich das Maximum der Helligkeitskurve mit dem Intensitätsregler auf ca. 90% der möglichen Anzeige eingestellt werden. Ziel ist eine möglichst schlanke Gaußverteilung. Eine Übersteuerung der Optik führt zu schlechteren Meßergebnissen.
Bei der Oberflächenerfassungseinrichtung sowie dem Verfahren zum Erfassen einer Objektoberfläche wird eine auf des Objekt projizierte Lichtlinie unter einem Winkel z. B. mit einer Videokamera aufgenommen und mit einer speziellen Software ausgewertet. Ein 3D-Matching-Programm kann danach beliebig im Raum liegende Aufnahmen bzw. Objekte miteinander vergleichen, kombinieren und Messungen durchführen. Mit der Oberflächenerfassungseinrichtung gelang es die Genauigkeit nach dem 3D-Matching von 15 μm auf 10 μm zu verbessern. Die Reproduziergenauigkeit wurde von 3 μm auf 1 μm erhöht. Des weiteren konnte die Meßzeit von über 5 Minuten auf unter 30 Sekunden gesenkt werden. Die Genauigkeit von 10 μm bezieht sich auf die Standardabweichung einer gemessen Flächen, ist aber kein Indiz für das Auflösungsvermögen.
Interessant ist der Einsatz von Laserdioden mit möglichst kurzer Wellenlänge, da davon indirekt proportional der Spotdurchmesser abhängt, und dadurch das Auflösungsvermögen steigt. Des weiteren ist der Einsatz von zwei Kameras gleichzeitig eine Möglichkeit, Abschattungen zu verringern, und auch die Meßzeit noch zu verkürzen.
Stoffe die stark von einem homogenen Oberflächenstreuer abweichen, können beim Scanvorgang Probleme bereiten. Metalle verursachen zum Beispiel ein starkes Specklerauschen, was sich in statistisch verteilten starken Helligkeitsunterschiede auf beispielsweise dem CCD-Chip bemerkbar macht und dadurch eine Auswertung gar nicht oder nur unvollständig ermöglicht.
Die 24 zeigt eine bevorzugte Kombination der weiter oben im einzelnen beschriebenen Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung.
In diesen Unterlagen ist eine Oberflächenerfassungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen einer Objektoberfläche offenbart. Dabei sind Neuerungen und Verbesserungen einiger Komponenten angegeben, die bezüglich der ursprünglichen unabhängigen Ansprüche auch von eigenständiger erfinderischer Bedeutung sind und von denen die wesentlichsten nachfolgend zum teil anhand konkreter Ausführungsformen nochmals kurz aufgelistet sind.
Die erfindungsgemäße Oberflächenerfassungseinrichtung kann mit Beobachtungseinrichtungen mit einem korrigierenden Optiksystem mit drei oder mehr Linsen oder Linsensystemen ausgestattet sein. Ein besonderer Anwendungsfall für dieses korrigierende Optiksystem ist die Triangulationsmessung mittels einer Laserlinie.
Die Chiphalterung kann derart ausgeführt sein, daß Wechselobjektive, die insbesondere mit einem korrigierenden Optiksystem ausgestattet sind, angebracht werden können. Beim Wechsel des Objektivs werden der Abbildungsmaßstab und die Auflösung verändert. Dadurch lassen sich verschieden große Objekte mit unterschiedlichen Auflösungen vermessen, wie z. B. größere Objekte mit kleineren Auflösungen.
Die strahlungssensitive Oberfläche z. B. eines Kamerachips als Teil von Sensoreinrichtungen kann derart angeordnet sein, daß eine gedachte Gerade auf der lichtempfindlichen Ebene des Chips als Drehachse liegt.
Die Beleuchtungsintensität der Lichtlinie (z. B. Laserlicht) ist dimmbar ausgelegt, so daß sie in Abhängigkeit vom individuellen Reflexionsverhalten einer zu vermessenden Oberfläche an die Empfindlichkeit des Chips angepaßt werden kann. Dabei kann weiterhin die Einstellung der Intensität der dimmbaren Lichtquelle durch einen automatischen Regelkreis erfolgen. Als Ist-Werte werden die am Chip meßbaren Intensitäten gewählt, die mit gespeicherten Sollwerten verglichen werden. Beispielsweise ein Stellmotor justiert ein Potentiometer zur Intensitätsregelung der Lichtquelle. Der Soll/Istwert-Vergleich kann analog oder durch eine Prozessorsteuerung durchgeführt werden.
Beispielsweise können eine Laserdiode mit 635 nm, ein Linsensystem zur Scharfstellung und eine Zylinderlinse als Bestrahlungseinrichtungen verwendet werden.
Ein Kamerachip als Teil von Sensoreinrichtungen kann auf einer Justagehalterung angeordnet sein, die parallel und senkrecht zur optischen Achse verschiebbar sowie derart schwenkbar ausgeführt ist, daß ein Teil der vom Laserlichtstrahlfächer aufgespannten Ebene auf die lichtempfindliche Ebene des Chips insbesondere gemäß den optischen Gesetzmäßigkeiten des vorstehend angegebenen korrigierenden Optiksystems scharf abgebildet werden kann.
Chiphalterung sowie Beleuchtungseinheit können jeweils auf Linearführungen angebracht sein, die das Verschieben der optischen Elemente in Richtung ihrer optischen Achsen erlauben, um z. B. scharfzustellen oder die richtige Objektdistanz für ein bereits weiter oben angegebenes Wechselobjektiv einzustellen.
Meßobjekte, die breiter als das optische Meßfeld sind oder Hinterschneidungen aufweisen, können flächensegmentweise abgetastet werden. Eine Matching-Software erlaubt das Zusammensetzen von Teilflächen.
Die Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung sind in einem lichtdicht verschließbaren Gehäuse aufgebaut. Zur Vorpossitionierung des Meßobjekts in der darin gebildeten Kammer kann dieses Meßobjekt mittels des Kamerachips betrachtet werden. Eine zusätzliche dimmbare Lichtquelle dient zur Erzeugung der Helligkeit, die für diese Betrachtung notwendig ist.
Alternativ zu der Version der Oberflächenerfassungseinrichtung mit einem lichtdichten Gehäuse könnte die Oberflächenerfassungseinrichtung auch ohne Gehäuse betrieben werden. Dabei oder überhaupt zum Abhalten von Störlicht vom Kamerachip während der Messung kann in den Strahlengang der Beobachtungsoptik ein Filter eingebaut werden, der nur zum Durchlassen der Wellenlänge des Laserlichts (z. B. 635 nm) ausgelegt ist. Eine solche Filtervorrichtung kann Farbfilter entsprechend der Lichtquellenfarbe zum Ausfiltern von Störstrahlung anderer Wellenlänge und/oder Polfilter zum Ausfiltern oder Dämpfen von Störreflexionen enthalten. Weiterhin können auch Interferenzfilter mit Vorteil eingesetzt werden.
Die Oberflächenerfassungseinrichtung kann mit einem oder mehreren Computer(n) verbunden sein, der/die zur Erfassung, Auswertung und Weiterverarbeitung der dreidimensionalen Oberflächendaten dient/dienen.
Die Oberflächenerfassungseinrichtung oder eine entsprechende Scanvorrichtung kann in Verbindung mit einem formgebenden Verfahren, wie z. B. einer mehrachsigen Fräsmaschine, als dreidimensionale Kopiermaschine ausgeführt werden. Dabei werden die gemessenen Daten von z. B. der Fräsmaschine abgearbeitet. Die Daten können direkt verarbeitet oder zwischengespeichert werden. Die Scanvorrichtung und die Fräsvorrichtung können in einem gemeinsamen Gehäuse oder aber räumlich getrennt ausgeführt sein.
Zur Positionierung der Messobjekte in verschiedenen Lagen im dreidimensionalen Raum (z. B. zum Abtasten von Hinterschneidungen) wird eine spezielle Einspannvorrichtung verwendet. Ein Einspanntisch mit Spannbacken ist auf einer oder mehreren hintereinandergeschalteten Kugelvorrichtung(en) mit arretierbarer Kugelpfanne angebracht. Alternativ können z. B. mehrachsige Linearführungsanordnungen in Kombination mit Dreh- oder Schwenkeinrichtungen verwendet werden.
Zur Kalibrierung des Systems kann eine mit einem definierten Raster versehene Kalibrierplatte in die Messebene (Ebene des Laserlichtfächers) gestellt. Vorzugsweise ist diese Platte aus einem beschichteten transparenten Material ausgeführt. Die Rastermarkierungen können z. B. durch die rastergemäße Entfernung der Beschichtung erzeugt werden, so dass die Platte an den Stellen des Rasters transparent ist. Das Raster wird rückseitig mittels einer diffusen Lichtquelle beleuchtet, so dass ein homogen leuchtendes Rasterfeld auf den Kamerachip abgebildet werden kann. In Kombination damit ist es ferner von Vorteil, wenn die Lichtquelle dimmbar ausgeführt ist, so dass für ggf. verschiedene vorhandene Wechseloptiken verschiedene Intensitäten zur Kalibrierung eingestellt werden können. Da die geometrischen Gegebenheiten des Rasters bekannt sind, kann anhand der Abbildung eine Kalibierung berechnet werden. Die Korrekturwerte für einzelne Pixel sowie die Faktoren zur Größenskalierung werden gespeichert und bei späteren Messungen verwendet.
Das Messverfahren ist besonders geeignet zur Vermessung diffus reflektierender Oberflächen. Zur Vermessung spiegelnder, wie z. B. metallischer Oberflächen kann eine diffus reflektierende Schicht beispielsweise mittels eines Sprays oder Pulvers auf das Messobjekt aufgebracht werden. Die Dicke der Schicht kann je nach Messaufgabe vernachlässigt oder rechnerisch abgezogen werden.
Die Oberflächenerfassungseinrichtung kann ein schwingungs- und verwindungsstabiles Portal zur Aufnahme der Sensoreinrichtungen, Beobachtungseinrichtungen und/oder Bestrahlungseinrichtungen insbesondere inklusive eines Schrittmotors zum Verfahren der Messobjekte enthalten.
Die Beleuchtungs- oder Bestrahlungseinrichtungen können vorzugsweise mit einer Linienoptik, wie insbesondere z. B. einer Zylinderlinse, einem Hyperbelprisma o. a., ausgestattet sein.
Es können Justiermöglichkeiten linear in Richtung der optischen Achsen mit einer Genauigkeit von bevorzugt ca. 2–3 μm vorgesehen sein.
Der Triangulationswinkel kann in einem Bereich von 10°–40° variabel eingestellt werden.
Es wird eine Oberflächenerfassungseinrichtung geschaffen bei der vorzugsweise möglichst alle Parameter des Triangulationslichtschnittverfahrens einstellbar und vor allem reproduzierbar sind. Die Oberflächenerfassungseinrichtung kann für unterschiedliche Messprobleme bei optimal hoher Genauigkeit 3D-Daten liefern, mit denen eine Weiterverarbeitung z. B. für CAM/CNC-Maschinen möglich ist.
Sämtliche Verstellmöglichkeiten, die im Rahmen dieser Unterlagen beschrieben sind, können einzeln oder kombiniert insbesondere halbautomatisch oder vollautomatisch verstellt oder in Abhängigkeit von Messungen eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Oberflächenerfassungseinrichtung
2: Objekt
3: Bestrahlungseinrichtungen
4: Anordnung zur Erzeugung einer Lichtlinie
5: Lichtlinie
6: Strahlengang
7: Oberfläche
8: Ausgestaltung
9: Beobachtungseinrichtungen
10: Sensoreinrichtungen
11: CCD-Chip
11': Pixel des CCD-Chips
12: strahlungssensitive Oberfläche
13: Hauptachse der Bestrahlungseinrichtungen
14: Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen
15: optisches Glied
16: optisches Glied
17: Blende
18: Drehscheibe
19: Gehäuse
20: Aufnahmeöffnung
21: Gehäuseöffnung
22: Strahlung
23: Halterung
24: optisches Glied
25: optisches Glied
26: Lasermodul
27: Laserdiode
28: Strahlungsquelle
29: Kollimatoroptik
30: Zylinderlinse
31: Portalaufbau
32: vertikale Profilträger
33: horizontaler Aufnahmeträger
34: Säulenführung, Säule
35: Höhenverstellung
36: Optikeinheit
36': Schrittmotor
37: CCD-Kamera 37
38: Kamerakopf
39: CCD- oder Kopfgehäuse
40: Keil
41: Exzenterscheibe
42: Lineartisch
43: Schraubengetriebe
44: Zahnstangenantrieb
45: Zahnriemenantrieb
46: Umlenkrollen
47: Zahnriemen
48: Schraubentrieb
49: Spindel
50: Mutter
51: Linearschlitten
52: zentrische Klemmung
53: Dreheinrichtung
54: Montageplatte
55: Gestänge
56: Montageplatte
57: Schwingspiegel
57': teilkreisförmige Führungs- und Montageschlitze
58: Linsensystem
59: Blende
60: Fokussierungslinse
61: Umlenkspiegel
62: Stufenendmaß
63: Mehrstufenendmaß
64: Kantenpositionen
65: Kreuzgitter- oder Kreuzplatte
66: Lampe
67: Vorrichtung zum Durchführen der Justierung der Kreuzplatte
68: Objekthalter
69: Linearverfahreinheit
70: Objekthaltertisch
71: Kugelgelenk
72: Spannbolzen
73: Spindel
A: Projektion eines einzelnen Pixels des CCD-Chips
B: Doppelpfeil
C: Hilfslinie
D: Pfeil
E: Pfeil
F: Doppelpfeil
G: Doppelpfeil
H: Doppelpfeil
f₁: Brennweite für das optische Glied 15
f₂: Brennweite für das optische Glied 16
h: Höhe
Θ: Beobachtungs- oder Triangulationswinkel
Θ': Detektionswinkel
β: Abbildungsmaßstab

Claims

Oberflächenerfassungseinrichtung nach dem Triangulationsprinzip zur 3D-Datengewinnung, mit Bestrahlungseinrichtungen zum Bestrahlen zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche und Beobachtungseinrichtungen zum Abbilden wenigstens eines Ausschnittes des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche auf Sensoreinrichtungen zum Detektieren, wobei für den Detektionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrichtungen gilt tanΘ' = 1/βtanΘ; worin β der für jeden Punkt der Objektoberfläche konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen und Θ der Beobachtungswinkel zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine wenigstens annähernd in der Bildebene liegende Achse verstellbar ist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtungen (10) zur Umwandlung von optischen Informationen in elektrische Signale eine CCD-Vorrichtung (11) enthalten, die die strahlungssensitive Oberfläche (12) enthält und zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine Achse verstellbar angeordnet ist, die wenigstens annähernd in der die Bildebene bestimmenden strahlungssensitiven Oberfläche (12) der CCD-Vorrichtung (11) liegt, wobei die CCD-Vorrichtung bevorzugt ein CCD-Chip (11) ist und/oder insbesondere eine zweidimensionalen Sensorfläche aufweist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtungen (10) eine Drehscheibe (18) enthalten, die um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' drehbar ist, und bezüglich der die strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) so fixiert ist, daß die strahlungssensitive Oberfläche (12) zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine zumindest im wesentlichen in ihr verlaufende Achse zusammen mit der Drehscheibe (18) verstellbar ist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtungen (10) eine um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' drehbare Buchse enthalten, innerhalb der die strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) so fixiert ist, daß die strahlungssensitive Oberfläche (12) zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' um eine zumindest im wesentlichen in ihr verlaufende Achse zusammen mit der Buchse verstellbar ist, und daß die Buchse eine Buchsenöffnung zum Durchlassen der mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) von der zu erfassenden Objektoberfläche (7) kommenden Strahlung (22) enthält, wobei die Buchsenöffnung in der Drehrichtung um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' solche Abmessungen aufweist, daß die mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) von der zu erfassenden Objektoberfläche (7) kommende Strahlung (22) bei verschiedenen Detektionswinkeln Θ' auf die strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) trifft.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehscheibe (18) oder die Buchse um die Achse zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' in einem Gehäuse (19), und insbesondere in einer Aufnahmeöffnung (29) des Gehäuses (19) drehbar angeordnet ist, das eine Gehäuseöffnung (21) zum Durchlassen der mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) von der zu erfassenden Objektoberfläche (7) kommenden Strahlung (22) enthält.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseöffnung (21) direkt an die Beobachtungseinrichtungen (9) angeschlossen ist und/oder einen Teil der Beobachtungseinrichtungen (9) aufnimmt.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse und/oder ggf. das Gehäuse (19) mit Drehscheibe (18) oder Buchse mit Ausnahme der Buchsenöffnung bzw. der Gehäuseöffnung (21) zumindest im wesentlichen strahlungsdicht abgeschlossen sind/ist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektionswinkel Θ' zwischen der Hauptachse (14) der Beobachtungseinrichtungen (9) und der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen (10) und der Beobachtungswinkel Θ zwischen den Hauptachsen (13, 14) der Bestrahlungseinrichtungen (3) und der Beobachtungseinrichtungen (9) in einer Ebene liegen.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse, um die die Sensoreinrichtungen (10) zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' verstellbar sind, zumindest im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse (14) der Beobachtungseinrichtungen (9) verläuft.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse (14) der Beobachtungseinrichtungen (9) und/oder in einer die Hauptachse (14) der Beobachtungseinrichtungen (9) mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) auf die Bildebene projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist, und/oder zumindest annähernd äquidistant bezüglich des Schnittpunktes der Hauptachsen (13, 14) der Bestrahlungseinrichtungen (3) und der Beobachtungseinrichtungen (9) zur Einstellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung (57') verschwenkbar ist, wobei vorzugsweise wenigstens zwei der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche (12) gekoppelt sind.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Beobachtungseinrichtungen (9) wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse (14) der Beobachtungseinrichtungen (9) und/oder in einer die Hauptachse (14) der Beobachtungseinrichtungen (9) mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Beobachtungseinrichtungen (9) auf die Bildebene projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist, und/oder zumindest annähernd äquidistant bezüglich des Schnittpunktes der Hauptachsen (13, 14) der Bestrahlungseinrichtungen (3) und der Beobachtungseinrichtungen (9) zur Einstellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung (57') verschwenkbar ist, so daß der Beobachtungswinkel Θ vorzugsweise im Bereich von 10° bis 40° variabel ist, wobei vorzugsweise wenigstens zwei der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrichtungen (9) gekoppelt sind und/oder mindestens eine der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrichtungen (9) mit einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche (12) gekoppelt ist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Bestrahlungseinrichtungen (3) wenigstens annähernd parallel und/oder in einer Ebene zumindest ungefähr senkrecht zur Hauptachse (13) der Bestrahlungseinrichtungen (3) und/oder in einer die Hauptachse (13) der Bestrahlungseinrichtungen (3) mindestens teilweise enthaltenden Ebene insbesondere zum Scharfstellen des mittels der Bestrahlungseinrichtungen (3) auf die Objektoberfläche (7) projizierten Bestrahlungsbildes verstellbar ist, und/oder zumindest annähernd äquidistant bezüglich des Schnittpunktes der Hauptachsen (13, 14) der Bestrahlungseinrichtungen (3) und der Beobachtungseinrichtungen (9) zur Einstellung des Beobachtungswinkels Θ insbesondere durch eine schienenartige Führung (57') verschwenkbar ist, wobei vorzugsweise wenigstens zwei der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Bestrahlungseinrichtungen (3) gekoppelt sind und/oder mindestens eine der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Bestrahlungseinrichtungen (3) mit ggf. einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der Beobachtungseinrichtungen (9) oder einer der Verstell- oder Schwenkmöglichkeiten der strahlungssensitiven Oberfläche (12) gekoppelt ist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungseinrichtungen (9) zur Beeinflussung ihres Abbildungsmaßstabes β und/oder ihrer Auflösung auswechselbar sind oder auswechselbare optische Glieder (15, 16; 15, 16, 24; 15, 16, 24, 25) enthalten.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungseinrichtungen (9) wenigstens zwei und bevorzugt drei getrennte optische Glieder (15, 16; 15, 16, 24; 15, 16, 24, 25) enthalten, die jeweils zumindest eine Linse und insbesondere jeweils insgesamt positive Brechkraft aufweisen, und/oder daß die Beobachtungseinrichtungen (9) wenigstens eine Blende (17) enthalten, wobei insbesondere ggf. das mittlere optische Glied (24) nahe der Blende (17) und/oder die äußeren optischen Glieder (15, 16) in der Nähe der zu erfassenden Objektoberfläche (7) bzw. der Bildebene angeordnet ist/sind, wobei vorzugsweise die Abstände der äußeren optischen Glieder (15, 16) von der Blende (17) größer als von der zu erfassenden Objektoberfläche (7) bzw. der Bildebene sind.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungseinrichtungen (3) zum Bestrahlen eines linienförmigen Teils (5) der zu erfassenden Objektoberfläche (7) ausgelegt sind und insbesondere Einrichtungen (30; 57) enthalten, die auf die Strahlung (6) eine Zylinderlinsen- oder Hyperbelprismenwirkung oder die Wirkung eines Drehspiegels ausüben.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungseinrichtungen (3) eine Strahlungsquelle (28), insbesondere eine Laservorrichtung (26) und bevorzugt eine Laserdiode (27) enthalten, und/oder daß die Strahlungsquelle (28) dimmbar ist, wobei vorzugsweise eine insbesondere automatische Regeleinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, die von der dimmbaren Strahlungsquelle (28) abgegebene Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der von den Sensoreinrichtungen (10) detektierten Signalintensität einzustellen.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Objekthalterung (68) vorgesehen ist, die insbesondere in einer Ebene quer zur Hauptachse (13) der Bestrahlungseinrichtungen (3) vorzugsweise motorisch und insbesondere bevorzugt gesteuert verstellbar ist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise eine Computersteckkarte enthaltende Auswerteeinrichtungen zum daten- und/oder bildmäßigen Aufbereiten und insbesondere Anzeigen der Ausgaben der Sensoreinrichtungen (10) vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtungen vorzugsweise ferner zur betriebsmäßigen Versorgung und insbesondere Steuerung von Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung (1), wie bevorzugt der Sensoreinrichtungen (10), der Strahlungsquelle (28), ggf. der Regeleinrichtung für die Strahlungsintensität, ggf. von Einrichtungen zum Verstellen oder Verschwenken der Bildebene der Sensoreinrichtungen (10), zumindest von Teilen der Bestrahlungseinrichtungen (3), zumindest von Teilen der Beobachtungseinrichtungen (9) und/oder der Objekthalterung (68) ausgelegt sind.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtungen über Speichereinrichtungen verfügen und ferner dazu ausgelegt sind, die in den Speichereinrichtungen abgelegten Daten von unterschiedlichen Teilbereichen oder unterschiedlichen Ansichten eines Teilbereichs der zu erfassenden Objektoberfläche (7) zu einem Gesamtdatensatz und/oder einem Gesamtbild zu kombinieren und ggf. vorzugsweise die Objekthalterung (68) so zu steuern, daß die zu erfassende Objektoberfläche (7) in aufeinanderfolgenden, sich insbesondere teilweise überdeckenden Bahnen bestrahlt wird, und/oder daß die Auswerteeinrichtungen zum Anzeigen eines zweidimensionalen Abbildes der zu erfassenden Objektoberfläche (7) insbesondere wahlweise gleichzeitig oder alternativ zur Anzeige von dreidimensionalen Werten oder Graphiken der zu erfassenden Objektoberfläche (7) ausgelegt sind, wobei vorzugsweise die Bestrahlungseinrichtungen (3) für eine Gesamtbestrahlung einstellbar oder eine zusätzliche bevorzugt dimmbare Gesamtbestrahlungsquelle vorgesehen ist, und/oder daß die Auswerteeinrichtungen zur halbautomatischen oder vollautomatischen Erkennung von fehlenden Informationen über die zu erfassende Objektoberfläche (7) und zur Beschaffung der fehlenden Informationen zur Steuerung von Komponenten der Oberflächenerfassungseinrichtung, insbesondere die Objekthalterung (68) und vorzugsweise deren Lage und/oder eines Verschiebeweges davon, in Abhängigkeit von den Ausgaben der Sensoreinrichtungen (10) ausgelegt sind.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungseinrichtungen (9) zumindest eine Filtervorrichtung zum Ausfiltern von Störstrahlung insbesondere unmittelbar vor der Bildebene auf den Sensoreinrichtungen (10) und bevorzugt wahlweise in den Strahlengang einbringbar enthalten.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 20 und einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Filtervorrichtung dem Gehäuse (19) oder der Buchse und insbesondere der Gehäuseöffnung (21) bzw. der Buchsenöffnung zugeordnet ist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Filtervorrichtung ein Wellenlängenfilter zum Durchlassen oder Ausfiltern wenigstens einer konkreten Wellenlänge, ein Polarisationsfilter oder ein Interferenzfilter ist.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein schwingungs- und verwindungsstabiles Portal (31) zur Aufnahme der Bestrahlungseinrichtungen (3), der Beobachtungseinrichtungen (9) und/oder der Sensoreinrichtungen (10) vorgesehen ist, wobei dem Portal (31) insbesondere ferner Antriebseinrichtungen (36') zur Verstellung einer Objekthalterung (68) zugeordnet sind.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Kalibrierkörper (62; 63; 65) Justiervorrichtungen (67) vorgesehen sind, die zur Aufnahme vorzugsweise einer Kreuzplatte (65) und/oder eines Stufenendmaßes (62; 63), insbesondere eines Mehrstufenendmaßes (63), als Kalibrierkörper ausgelegt sind.
Oberflächenerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Formgebungseinrichtungen zur insbesondere wählbar automatischen Er- stellung dreidimensionaler Kopien von Objekten (2) oder deren Oberflächen (7) angeschlossen sind.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach dem Triangulationsprinzip zur 3D-Datengewinnung, wobei mit Bestrahlungseinrichtungen zumindest ein Teil der zu erfassenden Objektoberfläche bestrahlt wird und wenigstens ein Ausschnitt des bestrahlten Teils der zu erfassenden Objektoberfläche mittels Beobachtungseinrichtungen zum Detektieren unter der Bedingung tanΘ' = 1/βtanΘ; auf Sensoreinrichtungen abgebildet wird, wobei Θ' der Detektionswinkel zwischen der Hauptachse der Beobachtungseinrichtungen und einer Bildebene auf den Sensoreinrichtungen, β der für jeden Punkt der Objektoberfläche konstante Abbildungsmaßstab der Beobachtungseinrichtungen und Θ der Beobachtungswinkel zwischen den Hauptachsen der Bestrahlungseinrichtungen und der Beobachtungseinrichtungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Detektionswinkels Θ' zumindest eine die Bildebene bestimmende strahlungssensitive Oberfläche (12) der Sensoreinrichtungen (10) um eine in der Bildebene liegende Achse verstellt wird.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest vor einer ersten Durchführung des Verfahrens eine Kalibrierung mittels wenigstens eines Kalibrierkörpers (62; 63; 65), vorzugsweise einer Kreuzplatte (65) und/oder eines Stufenendmaßes (62; 63), insbesondere eines Mehrstufenendmaßes (63), durchgeführt wird, und daß bevorzugt vor einer Kalibrierung ggf. eine Kreuzplatte (65) zumindest annähernd parallel zur Hauptachse (13) der Bestrahlungseinrichtungen (3) und insbesondere wenigstens ungefähr senkrecht zur durch die Winkel Θ' und Θ aufgespannten Ebene einjustiert wird.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine zu erfassende Objektoberfläche (7) vor ihrer Erfassung eine diffus reflektierende Schicht vorzugsweise in Spray- oder Pulverform aufgebracht wird.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der von den Bestrahlungseinrichtungen (3) abgegebenen Strahlung (6) insbesondere automatisch in Abhängigkeit von der Empfindlichkeit der Sensoreinrichtungen (10) und dem Reflexionsverhalten der zu erfassenden Objektoberfläche (7) eingestellt wird.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Bestrahlungseinrichtungen (3) auf der zu erfassenden Objektoberfläche (7) eine Bestrahlungslinie (5) erzeugt wird, und dass die Objektoberfläche (7) zumindest im we- sentlichen senkrecht zu der Bestrahlungslinie (5) verstellt wird.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine zu erfassende Objektoberfläche (7) in Teilen erfaßt wird, die mittels mit Speichereinrichtungen zum Ablegen erfasster Teile der zu erfassenden Objektoberfläche (7) versehenen Auswerteeinrichtungen vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch daten- und/oder bildmäßig zusammengesetzt werden.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß von einer zu erfassenden Objektoberfläche (7) unter verschiedenen Bestrahlungswinkeln Erfassungen durchgeführt werden, die mittels mit Speichereinrichtungen zum Ablegen durchgeführter Erfassungen der zu erfassenden Objektoberfläche (7) versehenen Auswerteeinrichtungen vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch daten- und/oder bildmäßig zusammengesetzt werden.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Auswerteeinrichtungen bestimmt wird, ob eine Erfassung zumindest eines Teils der zu erfassenden Objektoberfläche vollständig war, und daß, wenn vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch eine nicht vollständige Erfassung zumindest des Teils der zu erfassenden Objektoberfläche (7) festgestellt wird, eine Objekthalterung (68) eingestellt und/oder vorzugsweise wenigstens halbautomatisch und besonders bevorzugt vollautomatisch von den Auswerteeinrichtungen so zum Verschieben, Drehen und/oder Kippen gesteuert wird, daß die Erfassung wenigstens des Teils der zu erfassenden Objektoberfläche (7) komplettiert wird.
Verfahren zur Oberflächenerfassung nach einem der Ansprüche 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Erfassung der gesamten gewünschten Objektoberfläche (7) oder des gesamten Objektes (2) mittels der erhaltenen Informationen über die Objektoberfläche (7) oder das Objekt (2) insbesondere wählbar automatisch mit einem formgebenden Verfahren eine dreidimensionale Kopie der Objektoberfläche (7) oder des Objekts (2) erstellt wird.