DE19743811A1

DE19743811A1 - Meßverfahren und Meßvorrichtung mit drehbar gelagertem Gitterträger

Info

Publication number: DE19743811A1
Application number: DE1997143811
Authority: DE
Inventors: Henning Dr Wolf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-04
Filing date: 1997-10-04
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2017-10-05
Also published as: DE19743811C2

Description

Für die Gewinnung von 3D-Informationen mit strukturierter Beleuchtung nach dem Lichtschnittverfahren, dem Projektionsmoiréverfahren, dem codierten Lichtansatz etc. werden mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere Strukturen aus vorzugsweise parallelen Linien auf das zu untersuchende Objekt projiziert. Die an dem Objekt deformierten Linien werden nach dem stereoskopischen Prinzip mit einer oder mehreren Kameras die seitlich vom Projektor abgesetzt sind, beobachtet und mit einem Bildverarbeitungssystem ausgewertet.

Erfindungsgemäß sind die projizierten gitterartigen Strukturen auf einem drehbaren Gitterträger angeordnet. Der Gitterträger enthält vorzugsweise tangentiale und/oder spiralige Gitter. Durch die Drehung des Gitterträgers erzeugen spiralige Gitterstrukturen eine radiale Verschiebung der projizierten spiraligen Linien auf dem Objekt. Diese Verschiebung wird für die Durchführung des Phasenshiftverfahrens genutzt. Aus den tangentialen Gittern läßt sich bei der Drehung des Gitterträgers eine Projektionssequenz aus in sich statischen Bildern z. B. für das Phasenshiftverfahren erzeugen.

Beschreibung der Vorrichtung

Die Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung der Geometrie von Objektoberflächen (Fig. 1) besteht aus mindestens einem Lichtprojektor (1) mit einem drehbar gelagerten Gitterträger (2), mindestens einer (Video-) Kamera (3), die vorzugsweise mit einem Computer (4) verbunden ist, der mit einer Software zur Berechnung der Koordinaten der von der Kamera erfaßten und vom Projektor beleuchteten Objektpunkte (5) ausgestattet ist.

Erfindungsgemäß enthält der Lichtprojektor (1) einen vorzugsweise scheibenförmigen Gitterträger (2) mit mehreren gitterartigen Strukturen (6). Durch die Drehung des Gitterträgers um eine Drehachse (7), werden unterschiedliche Strukturen (6) des Gitterträgers in das Projektionsfenster (8) gebracht. Damit können die verschiedene Gitterstrukturen je nach Wahl des Drehwinkels (9) projiziert werden. Erfindungsgemäß weist mindestens eines der Gitter (6) eine bogenartige Struktur auf. Vorzugsweise werden Kreisbogen mit dem Bogenmittelpunkt in oder nahe bei der Drehachse oder Strukturen aus spiraligen Bögen vorgesehen. Der Projektor projiziert diese Strukturen auf das Meßobjekt (10).

Die Kamera ist seitlich nach dem Stereoprinzip versetzt zum Projektor (1) angeordnet und so ausgerichtet, daß sie das Meßobjekt (10) mit den darauf projizierten Strukturen (11) erfaßt. Vorzugsweise wird eine elektronische Kamera verwendet und deren Ausgangssignal mit einer geeigneten elektronischen Anschlußschaltung in einen Computer (4) geführt. Zur Messung wird eine Sequenz von Projektionen entsprechend dem Code des codierten Lichtansatzes, des einfachen Phasenshiftverfahrens oder des Mehrwellenlängen Phasenshiftverfahrens durchgeführt und die von den Bildelementen (13) der Kamera erfaßten Helligkeitswerte vorzugsweise nach dem Verfahren des Codierten Lichtansatzes und/oder dem Phasenshift ausgewertet und zu Tiefenbildern verarbeitet. Diese werden elektronisch gespeichert oder sofort von anderen Programmen weiterverarbeitet.

Die Kalibrierung der Meßanordnung (Fig. 2) erfolgt beispielsweise durch die Beleuchtung einer parallel verschiebbaren Kalibrierebene (14) mit dem erfindungsgemäßen Projektor (1) und durch die Zuordnung der mit einem geeichten Längenmaß gemessenen Entfernung (15) der Kalibrierebene von der Projektor-Kameraeinheit (16) und der Speicherung der den einzelnen Bildelementen zugeordneten Projektionsperiode und gegebenenfalls zusätzlich die mit dem Phasenshiftverfahren interpolierte Zwischenposition innerhalb dieser Periode im Computer (4). Diese Prozedur wird für mehrere unterschiedliche Entfernungen (15) der Kalibrierebene durchgeführt.

Nach erfolgter Kalibrierung wird für die Messung zunächst wiederum für jedes Bildelement die Projektionsperiode und die Phase innerhalb dieser Periode ermittelt und damit zwischen den benachbarten kalibrierten Entfernungen interpoliert und dies als Tiefenbild ausgegeben. Dieses ist ein Beispiel für ein einfaches Kalibrierverfahren, das sich sowohl für gerade Projektionslinien als auch für die erfindungsgemäßen gekrümmten Projektionslinien einsetzen läßt.

Ausführungsbeispiel: drehbarer Gitterträger (Fig. 3) für Codierten Lichtansatz und einfachen Phasenshift /1/. Der Gitterträger (2) für den Codierten Lichtansatz mit Phasenshift enthält sowohl tangentiale Linienbögen (20) für den Codierten Lichtansatz als auch eine spiralige Gitterstruktur (6). Gitterträger mit Kontrollstruktur (17) zur Erfassung der Winkelposition (9).

Ausführungsbeispiel: drehbarer Gitterträger für Mehrwellenlängen-Phasenshift mit geringer Differenz der Periodenlänge der Einzelgitter (Fig. 4).

Der Gitterträger (2) für den Mehrwellenlängen-Phasenshift enthält mehrere spiralige Gitterstrukturen (6) mit unterschiedlicher Periode. Es wird mit mehreren Gitterstrukturen je eine Phasenmessung durchgeführt. Durch jede zusätzliche Phasenmessung erhöht sich der Eindeutigkeitsbereich der Gesamt-Phasenbestimmung nach dem Noniusprinzip. Hier können die einzelnen Gitter im Vergleich zum hierarchischen Phasenshift nur wenig unterschiedliche Periodenlängen aufweisen.

Ausführungsbeispiel: Paar von drehbaren Gittern zur Projektion nahezu orthogonaler Linienstrukturen (Fig. 5). Zwei scheibenförmige Gitterträger (2) werden so angeordnet, daß die beiden parallelen Drehachsen den √2-fachen Abstand (19) des Projektionsfensters (8) von den Drehachsen (7) aufweisen. Dadurch schneiden sich die tangentialen Strukturen der einzelnen Gitterträger im Projektionsfenster gegenseitig nahezu orthogonal. Dies ist z. B. hilfreich, wenn mehrere Kameras um den Projektor herum angeordnet werden. Hierzu hat jeder Gitterträger mindestens einen homogen transparenten Bereich (18), damit die Gitterstrukturen des jeweils anderen Gitterträgers ohne Störungen projizierbar sind.

Stand der Technik

Die bekannten Vorrichtungen für das Verfahren des Codierten Lichtansatzes und das Phasenshiftverfahren arbeiten mit geradlinigen Projektionsgittern.

Die Firma ABW /1/ stellt spezielle Linienprojektoren mit LCD-Shuttern her, die in der Transmission schaltbare Gitterstrukturen aus gerade Linien enthalten. Mit Hilfe mindestens eines dieser Projektoren und mindestens einer Videokamera werden die auf das Objekt projizierten Strukturen beobachtet. Hierbei ist die Kamera nach dem stereoskopischen Prinzip seitlich vom Projektor abgesetzt.

Nach Malz /2/ wird ein Gitterträger mit mehreren in einer Reihe angeordneten geraden Linienmustern verwendet. Die Linienmuster werden durch Verschieben des Gitterträgers nacheinander durch eine Schlitz- Apertur beleuchtet und mittels einer anamorphotischen Optik auf das Objekt projiziert und mit der Kamera abgetastet. Die Gitter sind nach speziellen Hybridcodes codiert.

Die Firma Massen GmbH nutzt das Verfahren "hierarchischen Phasenshift" /4/.

Der Gitterträger für den hierarchischen Phasenshift enthält mehrere Gitterstrukturen (6) mit unterschiedlicher Periode. Mehrere feinen Periodenlängen ergeben die nächst breitere Periodenlänge. Es wird zunächst mit der breitesten Gitterstruktur eine Phasenmessung durchgeführt. Mit dem Ergebnis wird ermittelt, innerhalb welcher der nächst feineren Periode der Meßwert liegt.

Bei einem Verfahren der Firma Steinbichler /5/ wird ein optisches Gitter mit geraden Linien gedreht. Es wir die Abhängigkeit der Linienverschiebung von der Drehachse und der Gitterstellung ausgewertet.

Alle diese Vorrichtungen weisen entweder eine mechanisch aufwendige Linearführung auf oder benötigen eine hohe Genauigkeit für die Winkelposition eines Drehgitters.

Vorteil der Erfindung

Es ist allgemein bekannt, daß rotierende Bewegungen technisch mit geringerem Aufwand als Linearführungen realisiert werden können und trotzdem präzise sind. Ein Projektor mit rotierendem Gitter läßt sich klein und robust realisieren, da kein aufwendiges Linearlager samt Antrieb benötigt wird.

Es lassen sich Antriebe für Rotationsbewegungen verwenden, die in größten Stückzahlen industriell verwendet werden und kompakt und preiswert sind.

Die Winkelposition des Gitterträgers braucht nur mit im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen geringer
Genauigkeit eingestellt werden, da die Gitterstrukturen entweder tangential oder mit geringer Neigung zur Tangentenrichtung verlaufen.

Es lassen sich mit den spiraligen Gitterstrukturen stetige Verschiebungen der Gitterstrukturen auf dem Objekt erzeugen. Damit kann das Phasenshiftverfahren mit beliebig einstellbaren Winkelinkrementen optimal an die Meßaufgabe angepaßt werden.

Literaturhinweise

/1/ Firmenschrift ABW GmbH, Frickenhausen: "Kurzbeschreibung zum Codierten Lichtansatz und Phasenshiftverfahren mit LCD-Projektoren"
/2/ Malz, R. "Codierte Lichtstrukturen für 3-D-Meßtechnik und Inspektion", Diss. UNI Stuttgart, Januar. 1992, ISBN 3-923560-13-3
/3/ Schröder, G.: "Technische Optik: Grundlagen und Anwendungen", 7. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1990.
/4/ Massen GmbH, Konstanz: Firmenschriften "Hierarchisches Phasenshiftverfahren"
/5/ Steinbichler GmbH, Neubeuern: Firmenschriften "Comet"

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Form von Objekten dadurch gekennzeichnet, daß mehrere vorzugsweise tangentiale oder spiralige gitterartige Lichtstrukturen mit Hilfe eines in einem Lichtprojektor drehbar gelagerten Gitterträgers auf den Prüfling projiziert werden und die durch die Objektgeometrie erzeugte Deformation der projizierten Strukturen auf der Objektoberfläche mit mindesten seiner Kamera nach dem stereoskopischen Prinzip erfaßt wird und mit einem modifizierten Verfahren des Codierten Lichtansatzes und/oder mit einem modifizierten Phasenshiftverfahren ausgewertet werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem vorigen Anspruch bestehend aus mindestens einem Projektor, mindestens einer Kamera und mindestens einem an die Kamera angeschlossenen Computer mit einer Software zur Auswertung der Kamerabilder dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens einen Lichtprojektor mit einem Gitterträger enthält und daß dieser Gitterträger vorzugsweise um seinen Mittelpunkt motorisch drehbar gelagert ist so daß durch die Drehung unterschiedliche Bereiche des Gitterträgers in das Projektionsfenster gebracht werden und dort mit dem Beleuchtungsstrahlenbündel ausgeleuchtet werden und die dort auf dem Gitterträger enthaltenen Strukturen auf das Prüfobjekt projiziert werden und die aus der Kamerperspektive sichtbare Deformation der projizierten Strukturen durch die Objektgeometrie vorzugsweise nach dem Verfahren des Codierten Lichtansatzes und/oder dem Phasenshiftverfahren und/oder dem Mehrfrequenz-Phasenshiftverfahren ausgewertet werden und allen oder einem Teil der Kamerapixel x- und/oder y- und/oder z-Koordinatenwerte des zugeordneten Objektoberflächenpunktes zugeordnet werden.

3. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger eine oder mehrere Linienstrukturen enthält, die spiralig orientiert sind.

4. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen auf dem Gitterträger vorzugsweise als Kreisbögen ausgeführt sind und der Mittelpunkt der Kreisbögen vorzugsweise mit der Drehachse zusammenfällt.

5. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß zu den Linienstrukturen auch die hierzu inverse Linienstrukturen aufgebracht sind.

6. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gitterträger die unterschiedliche Strukturen in mehreren fensterartigen Bereichen aufgebracht sind und daß diese fensterartigen Bereiche vorzugsweise gleich groß wie das Projektionsfenster sind.

7. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die fensterartigen Bereiche auf dem Gitterträger vorzugsweise in tangentialer Richtung größer als das Projektionsfenster sind, so daß bei der Drehbewegung stetige virtuelle Verschiebungen der Strukturen im Projektionsfenster und somit auf dem projizierten Bild entstehen.

8. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor mehrere z. B. scheibenartige Gitterträger enthält.

9. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterträger vorzugsweise paarweise so angeordnet sind, daß ihre strukturierten Seiten in Richtung der optischen Achse einen geringen Abstand haben und sie sich somit gemeinsam in einer Fokalebene befinden und beide Strukturen eines Gitterträgerpaares scharf abbildbar sind.

10. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterträger vorzugsweise so angeordnet sind, daß ihre strukturierten Seiten in Richtung der optischen Achse einen größeren Abstand haben und dazwischen abbildende optische Elemente angebracht sind, die das eine Gitter auf das andere Gitter abbildet und sie sich somit gemeinsam in einer Fokalebene für das abbildende Objektiv befinden, so daß beide Strukturen gleichzeitig scharf abbildbar sind.

11. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu einem ersten Gitterträger ein zweiter scheibenartiger Gitterträger enthalten ist und der Abstand senkrecht zur optischen Achse zwischen den beiden Gitterträgern dem √2-fachen Abstand des Projektionsfensters von der Drehachse beträgt, so daß sich im Projektionsfeld die tangentialen Strukturen aus beiden Gitterträgern nahezu senkrecht schneiden.

12. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Hell-Dunkelkante in einem weiteren Bild projiziert wird, um eine eindeutige absolute Referenzkante für die Winkelposition (9) im Bild zu erzeugen.

13. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Drehposition des Gitterträgers erfaßt wird, und zur Steuerung bzw. Regelung des Antriebes für die Drehwegung herangezogen wird.

14. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger mindestens eine Kontrollstruktur aufweist, mit deren Hilfe die Drehwinkelposition erfaßt werden kann.

15. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollstrukturen optisch abtastbar sind und ähnlich zu optischen inkrementalen oder absoluten Linearmaßstäben gestaltet sind.

16. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der optischen Strahlen, die durch die regulären Muster entweder durch Transmission und/oder durch Reflexion innerhalb des Projektors moduliert wurden, auf einen oder mehrere Lichtempfänger innerhalb des Projektors geleitet werden und daß diese Lichtempfänger ortsfest im Projektor angebracht sind, und die Ausgangssignale dieser Lichtempfänger erfaßt und in einer Auswerteelektronik zu einem Positionssignal für die Winkelposition und/oder die Dejustage des Gitterträgers ausgewertet werden. Diese Lichtempfänger können Photodioden, Photo-Differenzdioden, Photo-Quadrantendioden, CCD-Arrays oder positionsempfindliche Photodioden (PSD) sein.

17. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstrukturen auf dem Gitterträger eine binäre Grauwertverteilung aufweisen.

18. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsverteilung der Strukturen in einer Richtung einen sprunghafte Helligkeitsunterschiede bzw. Transmissionsunterschiede aufweist.

19. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstrukturen auf dem Gitterträger mehrere unterschiedliche Grauwerten aufweisen.

20. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsverteilung der Strukturen in einer Richtung einen stetigen, vorzugsweise sinusförmigen Helligkeitsverlauf aufweist.

21. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstrukturen auf dem Gitterträger bereichsweise sehr feine mehr oder weniger eng beieinander liegende Strukturen aufweist, die von der Projektionsoptik bzw. Aufnahmevorrichtung des Bildes nicht mehr aufgelöst werden und in den engeren Bereichen ein dunkler und in den weniger engen Bereichen ein hellerer Grauwerteindruck im Bild entsteht.

22. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die zu projizierenden Strukturen aus metallischen oder nichtmetallischen Schichten auf einer transparenten Platte (z. B. Glas, Quarz etc.) bestehen, die Schichten das Licht reflektieren und /oder absorbieren und in Transmission die Linienstrukturen auf die Bildebene abgebildet werden.

23. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger gleitend gelagert ist.

24. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper mit einem oder mehreren Rollen- und/oder Kugellager drehbar gelagert ist.

25. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger an einer Welle befestigt wird, die ihrerseits in mindestens einem Drehlager geführt wird.

26. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger direkt an oder auf der Welle eines Motors befestigt ist.

27. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Schwingelemente die Antriebskraft für die Drehbewegung ausüben.

28. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß auf dem oder den Gitterträgern Amplituden und/oder Phasenhologramme aufgebracht sind.

29. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß mehrere feste und/oder verschiebbare Gitterträger mit holographischen Mustern an verschiedenen Orten entlang der optischen Achse angeordnet sind, so daß die Hologramme entweder ständig oder nur zu wählbaren Zeiten in den Projektionsstrahlengang gebracht werden.

30. Vorrichtung zur Projektion von Linienstrukturen nach den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme auf photographischem Wege oder rechnerisch außerhalb des Projektors erzeugt wurden.