DE19810495A1 - Optischer 3D-Sensor mit allerhöchsten Ansprüchen an Meßgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit - Google Patents

Optischer 3D-Sensor mit allerhöchsten Ansprüchen an Meßgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit

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Abstract

Die vorliegende Erfindung erlaubt eine berührungslose 3D-Vermessung von Werkstücken mit sehr großer Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit ohne die Verwendung von mechanischen Scannern (Polygon Spiegel). DOLLAR A Erfindungsgemäß werden dazu sehr schnell N Binärbilder mit einem neuartigen optischen Schalter (DMD = Digital Mirror Device) auf das zu vermessende Werkstück projiziert. Durch die Verwendung zweier Aufnahmeeinheiten (Bild 1) entstehen nur geringe Abschattungen. DOLLAR A Bei einer geforderten Genauigkeit von 2 Mikrometern, einer Linienauflösung von 256 = 2**8 (N = 8), einer Bildfolgefrequenz von 100 KHz, 1000 Bildpunkten pro Linie und einer Verfahrensgeschwindigkeit von 100 mm/s erhält man eine Datenrate von 25,6 Mega 3D-Daten/s. DOLLAR A Jedes Binärbild wird dabei um jeweils eine weitere Linie verschoben projiziert, um die Verschiebung durch den verfahrenen Weg zu kompensieren.

Description

Stand der Technik
Zur berührungslosen 3D Vermessung von Oberflächen und Werkstücken sind zahlreiche Verfahren vorgeschlagen worden. Bekannte Verfahren sind: optische Triangulation, Moire, Interferometrie, strukturiertes Licht, Video-Autofokus, Stereo, "Shape from Shading". Wenn es darum geht 3D Daten mit sehr großer Geschwindigkeit und sehr großer Ge­ nauigkeit zu ermitteln kommen nur Triangulationsverfähren und/oder strukturiertes Licht in Verbindung mit schnellem Scannen in Frage.
Bekannte Verfahren, die diese Techniken nutzen sind:
  • 1. Video rate 3D Laser Scanner, CFT Beltech, Philips Hrijon, Kooijman, Bemelmans.
  • 2. Laser speeds digitizing of finest details, University of Surrey Eureka transfer technology, Mai 1996, S. 36-37.
  • 3. Schneller 3D Scanner für automatische optische Lötstellen-Inspektionssysteme
    Schneider, Schick, Köllensperger, Ninomiya
    DGaO-Tagung 21.-24. 5. 1997, Kloster Banz, S. 20.
  • 4. Method and system for triangulation-based, 3D-imaging utilizing an angled scanning beam of radiant energy
    View engineering, US-Patent: PCT/US 96/05285,
    International publication Nr.: WO 96/34253.
  • 5. Weitere Verfahren in 4.
Alle diese Verfahren arbeiten mit einem mechanischen Scanner (Polygon Spiegel) oder aber erlauben keine sehr hohe Vermessungsgeschwindigkeit (< 1 Mega-3D-Daten/s).
Erfindungsgemäße Aufgabenstellung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es berührungslos (optisch) 3D-Daten mit höchst möglicher Geschwindigkeit und höchstmöglicher Auflösung zu erheben ohne dabei die Nachteile eines mechanischen Scanners in Kauf zu nehmen.
Erfindungsgemäße Lösung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung durch ein System nach Bild 1 gelöst. Dabei werden nacheinander sehr schnell n Binarbilder über einen neuartigen, optischen 2D-Schalter (DMD = digital mirror device [HORN98]) auf das zu vermessende Werkstück projiziert. Die projizierten Bilder werden über zwei Mikroobjektive auf zwei Hochgeschwindigkeitskameras abgebildet. Durch die Verwendung von zwei Aufnahmeeinheiten (Objektiv und Kamera) entstehen nur geringe Abschaftungen. Durch die verwendeten optischen Schalter läßt sich eine sehr hohe Bildfolgefrequenz von 100 khz erreichen. Mit n Binärbildern lassen sich 2 ** n Linien auflösen. Das Verfahren mit n Binärbildern ist in [WAH86] beschrieben. Um eine entsprechende Bildaufnahmefrequenz zu erreichen enthält jede Hochgeschwindig­ keitskamera ein System aus CMOS Kamera-Chips und optischen 2D Schaltern. Damit ist man in der Lage mit möglichst wenig Lichtleistung auszukommen.
Um möglichst keine Beschränkungen bei der Anordnung der Kameras und optischen 2D-Schalter zur Gewährleistung gleicher optischer Wege für alle CMOS Kamera-Chips zu erreichen, wird Mikrooptik mit unendlich-Strahlengang eingesetzt.
Da CMOS Kameras z.Zt. erlauben bis zu etwa 1 0000 Bilder/s aufzunehmen, dauert ein Meßvorgang bei n = 8 Bildern ca. 200 Mikrosekunden.
Wenn größere Flächen vermessen werden sollen, kann dieser Sensor kontinuierlich verfahren werden. Bei angestrebten Genauigkeiten von 1 bis 2 Mikrometer und gegebenen Aufnahmezeiten von 100 Mikrosekunden kann die Verfahrgeschwindigkeit z. B. 100 mm/s betragen. Jedes aufprojizierte Binärbild wird dann um eine Linie versetzt, um die Ver­ schiebung durch das mechanische Verfahren zu kompensieren.
Man kann somit bei n = 8 und einer Auflösung in Zeilenrichtung (d. h. orthogonal zur mechanischen Verfährrichtung) von 1000 Bildpunkten eine 3D-Datenrate von 256 × 1000 × 100 (wenn die 256 Linien 1 mm entsprechen) = 25. 6 Mega-3D-Daten/s erreichen.
[HORN89] Hornbeck, L.J.: Deformable-mirror spatial light modulators,
Proceedings SPIE, 6-11 Aug. 1989, San Diego, CA
[WAH86] Wahl, F.M.: A coded light approach for depth map aquisition, 8. DAGM-Symposium, Paderborn, Sept./Okt. 1986, S. 12-17.
Bezugszeichenliste Beschreibung Bild 1
1
Lichtquelle (Weißlicht, kontinuierlich oder gepulst).
2
DMD.
3
Höchstgeschwindigkeitskamera.
4
Werkstückoberfläche.

Claims (7)

1. Optischer 3D-Sensor mit allerhöchsten Ansprüchen an Meßgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß in sehr schneller Folge durch einen neuartigen optischen Schalter eine feste Anzahl binärer Muster auf die zu vermessende Oberfläche projiziert wird.
  • - daß diese Muster jeweils von zwei Optiken auf zwei Höchstgeschwindigkeits- Halbleiterflächenkameras abgebildet werden.
  • - daß diese Optiken symmetrisch in einem optimalen Winkel zur Prüfkörper­ oberfläche angeordnet sind, so daß minimale Abschattungen und maximale Auflösung gewährleistet ist.
2. Optische 3D-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die binären Muster in einem einschrittigen Binärcode projiziert werden, damit Projektions- und Detektionsfehler so klein wie möglich bleiben.
3. Optischer 3D-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbleiterflächenkamera aus einem System von neuartigen optischen Schaltern und schnellen CMOS Kameras besteht, damit die verwendete, Lichtquelle so leistungsarm wie möglich und die Aufnahmezeit pro Binärbild der Höchstgeschwindigkeits-Halbleiterkamera so klein wie möglich wird.
4. Optischer 3D-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unendlich Optiken verwendet werden, damit mehrere CMOS Kameras ohne Einschränkungen zur Erzielung gleicher optischer Wege angeordnet werden können.
5. Optischer 3D-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der symmetrische Aufnahmewinkel je nach Anforderung einstellen läßt.
6. Optischer 3D-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auch größere Flächen mit sehr hoher Datenrate erfassen lassen, wenn die auf­ projizierten Binären Bilder jeweils bei aufeinanderfolgenden Bildern entsprechend der Verfahrgeschwindigkeit in Verfahrrichtung ver­ schoben werden, um die verfahrene Strecke zu kompensieren.
7. Optischer 3D-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gerade soviel (CMOS) Kamerachips verwendet werden, wie es dem Stand der Technik entspricht, wenn eine Aufnahmezeit entsprechend der Spiegelumschaltzeit gefordert wird.
DE1998110495 1998-03-11 1998-03-11 Optischer 3D-Sensor mit allerhöchsten Ansprüchen an Meßgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit Withdrawn DE19810495A1 (de)

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