DE19743811C2

DE19743811C2 - Meßverfahren und Meßvorrichtung zur Formbestimmung von Objekten mit drehbar gelagertem Gitterträger

Info

Publication number: DE19743811C2
Application number: DE1997143811
Authority: DE
Inventors: Henning Wolf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-04
Filing date: 1997-10-04
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2017-10-05
Also published as: DE19743811A1

Abstract

Für die Gewinnung von 3-D-Informationen mit strukturierter Beleuchtung werden gitterförmige Linienstrukturen auf das zu messende Objekt projiziert. Erfindungsgemäß sind die zu projizierenden Strukturen auf einem drehbaren Gitterträger angeordnet (Fig. 1). Der Gitterträger enthält spiralige Gitter, die bei der Drehung des Gitterträgers eine radiale Verschiebung der projizierten Linien auf dem Objekt bewirken. Diese Verschiebung wird zur Durchführung des Phasenhiftverfahrens und/oder des codierten Lichtansatzes genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2, wie aus der US 4871 256 bekannt.

Andere bekannte 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.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die genannten Verfahren und Vorrichtungen zu verbessern.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach den Patentansprüchen 1 und 2. Dabei lassen sich mit den spiraligen Linienstrukturen stetige Verschiebungen der projizierten Strukturen auf dem Objekt erzeugen. Damit kann das Phasenshiftverfahren mit beliebig einstellbaren Winkelinkrementen optimal an die Meßaufgabe angepaßt werden.

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. Die projizierten gitterartigen Strukturen sind auf einem drehbaren Gitterträger angeordnet. Der Gitterträger enthält erfindungsgemäß spiralige Linienstrukturen. Durch die Drehung des Gitterträgers erzeugen spiralige Linienstrukturen eine radiale Verschiebung der projizierten spiraligen Linien auf dem Objekt. Diese Verschiebung wird für die Durchführung des Phasenshiftverfahrens genutzt. Aus möglichen zusätzlichen tangentialen Gittern läßt sich bei der Drehung des Gitterträgers eine Projektionssequenz aus in sich statischen Bildern z. B. für das Phasenshiftverfahren erzeugen.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer Einzelheiten. Die Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung der Geometrie von Objektoberflächen nach Fig. 1 besteht aus mindestens einem Lichtprojektor 1 mit einem drehbar gelagerten Gitterträger 2, mindestens einer (Video-) Kamera 3, die 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.

Der Lichtprojektor 1 enthält einen vorzugsweise scheibenförmigen Gitterträger 2 mit mehreren gitterartigen Linienstrukturen 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 spiralige, bogenartige Linienstruktur auf. 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 nach Fig. 2 erfolgt beispielsweise durch die Beleuchtung einer parallel verschiebbaren Kalibrierebene 14 mit dem 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 spiralig gekrümmten Projektionslinien einsetzen läßt.

Ausführungsbeispiel (Fig. 3): drehbarer Gitterträger 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 die spiralige Gitterstruktur 6. Gitterträger mit Kontrollstruktur 17 zur Erfassung der Winkelposition 9.

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

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 (Fig. 5.): Paar von drehbaren Gittern zur Projektion nahezu orthogonaler Linienstrukturen. 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 tangentiale Strukturen der einzelnen Gitterträger im Projektionsfenster gegenseitig orthogonal, die dargestellten spiraligen Strukturen 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.

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, bei dem eine oder mehrere gitterartige Linienstrukturen mit Hilfe eines in einem Lichtprojektor drehbar gelagerten Gitterträgers auf das Prüfobjekt projiziert werden und die durch die Objektgeometrie erzeugte Deformation der projizierten Linienstrukturen auf der Objektoberfläche mit mindestens einer Kamera nach dem stereoskopischen Prinzip erfaß und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterartigen Linienstrukturen spiralig sind und mit einem modifizierten Verfahren des Codierten Lichtansatzes und/oder mit einem modifizierten Phasenshiftverfahren ausgewertet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit

1. mindestens einem Lichtprojektor,
2. mindestens einer Kamera und
3. mindestens einem an die Kamera angeschlossenen Computer mit einer Software zur Auswertung der Kamerabilder,

bei der der Lichtprojektor mindestens einen Gitterträger enthält, der eine oder mehrere gitterartige Linien strukturen trägt und der drehbar gelagert ist, so daß durch die Drehung unterschiedliche Bereiche des Gitter trägers in das Projektionsfenster gebracht, dort mit dem Beleuchtungsstrahlenbündel ausgeleuchtet und die dort auf dem Gitterträger befindlichen Linienstrukturen auf das Prüfobjekt projizjert werden, und bei der der Computer die aus der Kameraperspektive sichtbare Deformation der projizierten Strukturen durch die Objektgeometrie auswertet und allen oder einem Teil der Kamerabildpunkte Koodinatenwerte des zugeord neten Objektoberflächenpunktes zuordnet, dadurch gekennzeichnet, daß die gitterartigen Linienstrukturen spiralig sind und der Computer mit einem modifizierten Verfahren des Codierten Lichtansatzes und/oder mit einem modifizierten Phasenshiftverfahren auswertet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger zusätzlich zu den spiraligen Linienstrukturen eine oder mehrere Linienstrukturen trägt, die in tangentialer Richtung orientiert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in tangentialer Richtung orientierten Linienstrukturen auf dem Gitterträger als Kreisbögen ausgeführt sind und der Mittelpunkt der Kreisbögen mit der Drehachse zusammenfällt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gitterträger unterschiedliche Strukturen in mehreren fensterartigen Bereichen aufgebracht sind und daß die fensterartigen Bereiche gleich groß wie das Projektionsfenster sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gitterträger unterschiedliche Strukturen in mehreren fensterartigen Bereichen aufgebracht sind und daß die fensterartigen Bereiche 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.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor mehrere Gitterträger enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterträger paarweise so angeordnet sind, daß ihre strukturtragenden 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.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterträger so angeordnet sind, daß ihre strukturtragenden 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 abbilden und sie sich somit gemeinsam in einer Fokalebene für das abbildende Objektiv befinden, so daß beide Strukturen gleichzeitig scharf abbildbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 7, 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 den √2-fachen Abstand des Projektionsfensters von der Drehachse beträgt, so daß sich im Projektionsfeld die tangentialen Strukturen aus beiden Gitterträgern senkrecht schneiden.

11. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelposition des Gitterträgers erfaßt wird, und zur Steuerung oder Regelung des Antriebes für die Drehwegung herangezogen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Hell-Dunkelkante in einem weiteren Bild projiziert wird, um eine eindeutige absolute Referenzkante für die Winkelposition im Bild zu erzeugen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger mindestens eine Kontrollstruktur aufweist, mit deren Hilfe die Winkelposition erfaßt werden kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollstrukturen optisch abtastbar sind und ähnlich zu optischen inkrementalen oder absoluten Linearmaßstäben gestaltet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der optischen Strahlen, die durch die Linienstrukturen 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.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstrukturen auf dem Gitterträger eine binäre Grauwertverteilung aufweisen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsverteilung der Strukturen in einer Richtung sprunghafte Helligkeitsunterschiede bzw. Transmissionsunterschiede aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Linienstrukturen auf dem Gitterträger mehrere unterschiedliche Grauwerte aufweisen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsverteilung der Linienstrukturen in einer Richtung einen stetigen, vorzugsweise sinusförmigen Helligkeitsverlauf aufweist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Linienstrukturen auf dem Gitterträger derart unterschiedlich eng beieinander liegen, daß sie von der Projektionsoptik oder der Kamera nicht mehr aufgelöst werden und in den engeren Bereichen ein dunkler und in den weniger engen Bereichen ein hellerer Grauwerteindruck im Bild entsteht.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Linenstrukturen mit metallischen oder nichtmetallischen Schichten auf einer transparenten Platte (z. B. Glas, Quarz etc.) gebildet sind, die Schichten das Licht reflektieren und/oder absorbieren und in Transmission die Linienstrukturen auf die Bildebene abgebildet werden.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger gleitend gelagert ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger an einer Welle befestigt wird, die ihrerseits in mindestens einem Drehlager geführt wird.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterträger direkt an oder auf der Welle eines Motors befestigt ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Schwingelemente die Antriebskraft für die Drehbewegung ausüben.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß als spiralige Linienstrukturen auf dem oder den Gitterträgern Amplitudenhologramme und/oder Phasenhologramme aufgebracht sind.