DE19821059A1 - Determining shape deviations of objects, especially objects with diffusely reflecting surfaces - Google Patents

Determining shape deviations of objects, especially objects with diffusely reflecting surfaces

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Abstract

The method involves projecting a series of sinusoidal strips, displaced in gray scale distribution on a screen, which is inclined to the object surface and photographing the intensity distribution of the image series. The image is evaluated using interferometry and phase reconstruction. The method involves projecting a series of sinusoidal strips, displaced in gray scale distribution, on a screen (2), which is aligned at the object surface (4) such, that the object surface normals lie at least approximately on an angle bisecting line between a straight line connecting the object and the screen and a straight line connecting the object and a camera (3). The camera photographs the occurring intensity distribution of the image series and an evaluation unit (6), using interferometry and phase reconstruction, produces an image of surface inclination or surface curvature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten, insbesondere an Objekten mit diffus reflektierenden Oberflächen.The invention relates to a method for detecting shape deviations Objects, especially on objects with diffusely reflecting surfaces.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines sol­ chen Verfahrens.The invention further relates to a device for performing a sol Chen procedure.

Zur schnellen, feldweisen Geometrieerfassung im Rahmen einer Qualitätsprüfung werden in zunehmendem Maße optische Verfahren eingesetzt (Laseroptische Meß- und Prüfverfahren für die Produktion und Umweltmeßtechnik, VDI Technologiezen­ trum, Düsseldorf, 1997).For quick, field-by-field geometry detection as part of a quality inspection Optical methods are increasingly being used (laser optical Measurement and test methods for production and environmental measurement technology, VDI technology centers trum, Düsseldorf, 1997).

Sind technische Objekte mit vornehmlich rauhen Oberflächen zu prüfen, ist es be­ kannt, mit dem sogenannten Streifenprojektionsverfahren zu arbeiten (Breuckmann, B.: Bildverarbeitung und optische Meßtechnik, Franzis-Verlag GmbH, München, 1993). Hierbei wird ein Streifenmuster oder eine Folge von Mu­ stern direkt auf die Objektoberfläche projiziert und das entstehende Bild mit einer Kamera unter einem vorgegebenen Winkel zur Projektionsrichtung aufgezeichnet und ausgewertet. Genutzt wird dabei die Tatsache, daß sich die auf die Objekt­ oberfläche projizierten Muster infolge von Höhenvariationen deformieren und sich aus diesen Verzerrungen die vorliegende Objektform rekonstruieren läßt. Mit Hilfe leistungsfähiger Projektionssysteme (Frankowski, G.: The ODS 800 - a new pro­ jection unit of optical metrology, in W. Jüptner, W. Osten (Eds) Fringe '97, Akade­ mie Verlag Berlin, 1997, Seiten 533-539) und hochentwickelter Auswertealgorith­ men (Huntley, J.M.; Saldner, H.O.: Shape Measurment of Discontinuos Objects Using a Spatial Light Modulator and Temporal Phase Unwrapping, in W. Jüptner, W. Osten (Eds) Fringe '97, Akademie Verlag Berlin, 1997, Seiten 156-163) wird eine vertikale Auflösung von 1/50 000 der horizontalen Objektausdehnung angestrebt.If technical objects with mainly rough surfaces are to be checked, it is be knows to work with the so-called stripe projection method (Breuckmann, B .: Image processing and optical measurement technology, Franzis-Verlag GmbH, Munich, 1993). A stripe pattern or a sequence of mu projected directly onto the object surface and the resulting image with a Camera recorded at a predetermined angle to the projection direction and evaluated. This takes advantage of the fact that they relate to the object Surface projected patterns deform and themselves due to height variations allows the present object shape to be reconstructed from these distortions. With help powerful projection systems (Frankowski, G .: The ODS 800 - a new pro jection unit of optical metrology, in W. Jüptner, W. Osten (Eds) Fringe '97, Akade mie Verlag Berlin, 1997, pages 533-539) and highly developed evaluation algorithm men (Huntley, J.M .; Saldner, H.O .: Shape Measurment of Discontinuos Objects Using a Spatial Light Modulator and Temporal Phase Unwrapping, in W. Jüptner,  W. Osten (Eds) Fringe '97, Akademie Verlag Berlin, 1997, pages 156-163) becomes one vertical resolution of 1/50 000 of the horizontal object extension is aimed for.

Für die z. B. in der Automobilindustrie zu detektierenden Fehler in Blechteilen der PKW-Außenhaut sind Höhen von 5 bis 10 µm typisch bei Bauteilabmessungen im Meterbereich. Die dafür erforderliche Auflösung von 1/500 000 ist mit den vorge­ nannten Streifenprojektionsmethoden derzeit jedoch noch nicht realisierbar.For the z. B. in the automotive industry to detect defects in sheet metal parts Car outer skin are heights of 5 to 10 µm typical for component dimensions in Meter range. The required resolution of 1/500 000 is with the pre called stripe projection methods currently not yet feasible.

Andererseits ist es zur Prüfung der Formtreue hochglänzender Bauteile bekannt, das Rasterreflexionsverfahren anzuwenden (Marguerre, H.: Dreidimensionale opti­ sche Formerfassung von Oberflächen zur Qualitätsprüfung, Feinwerktechnik & Meßtechnik 91 (1993) 2, Seiten 67-70). Hierbei wird die zu prüfende Oberfläche als Spiegel in den optischen Strahlengang einbezogen. Geringe Variationen der Ober­ flächenneigung führen zur Verzerrung des Spiegelbildes, woraus letztlich wie­ derum auf die Bauteilform bzw. Formabweichungen geschlossen werden kann. In neueren Arbeiten wurden binäre Streifenbilder variabler Breite ausgewertet (Pérard, D.; Beyerer, J.: Three-dimensional measurement of free-form surfaces with a structured-lighting reflection technique, Proc. SPIE Vol. 3204 (1997), Seiten 74-­ 80), wobei eine vergleichsweise große Auflösung erreicht werden konnte. Aller­ dings ist diese auf Intensitätskodierung beruhende Methode auf die Untersuchung von Objekten mit sehr gut spiegelnde Oberflächen begrenzt und somit z. B. für die Prüfung umgeformter, unlackierter Bleche nicht geeignet.On the other hand, it is known for checking the shape accuracy of high-gloss components, apply the raster reflection method (Marguerre, H .: three-dimensional opti shape detection of surfaces for quality inspection, precision engineering & Messtechnik 91 (1993) 2, pages 67-70). Here, the surface to be tested is called Mirror included in the optical beam path. Slight variations of the upper surface inclination lead to distortion of the mirror image, from which ultimately how therefore the component shape or shape deviations can be concluded. In Binary stripe images of variable width were evaluated in recent works (Pérard, D .; Beyerer, J .: Three-dimensional measurement of free-form surfaces with a structured-lighting reflection technique, Proc. SPIE Vol. 3204 (1997), pages 74- 80), whereby a comparatively large resolution could be achieved. Everything However, this method of examining is based on intensity coding limited by objects with very well reflecting surfaces and thus z. B. for the Testing of formed, unpainted sheets is not suitable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung anzugeben, mit dem bzw. mit der es gelingt, insbesondere auch an Objekten mit diffus reflektierenden Oberflächen Formabweichungen mit einer vertikalen Auflösung von wenigstens 1/500 000 der horizontalen Objektausdehnung zu erkennen bzw. zu erfassen.The object of the invention is therefore a method and a device specify with which it succeeds, in particular also on objects with diffusely reflecting surfaces shape deviations with a vertical Resolution of at least 1/500 000 of the horizontal object extent recognize or record.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, wie es im Anspruch 1 definiert ist, und mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 3 erfindungsgemäß gelöst.This object is achieved with a method as defined in claim 1 and solved according to the invention with a device according to claim 3.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist Gegenstand des Unteranspruchs 2, vorzugsweise Ausbildungsformen der Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprü­ che 4 bis 7. An advantageous development of the method is the subject of the subclaim 2, preferably embodiments of the device are the subject of the claims che 4 to 7.  

Die Erfindung zeichnet sich durch einen optischen Aufbau aus, bei dem einerseits ein geeigneter, insbesondere programmierbarer, Projektor vorgegebene Grauwert­ verteilungen auf einen ebenen oder gekrümmten Schirm projiziert und andererseits eine an eine Auswerteeinrichtung, z. B. einen Rechner, angeschlossene Kamera das Bild des Untersuchungsobjektes aufnimmt. Die zu prüfende, diffus reflektierende Oberfläche ist dabei so ausgerichtet, daß die Oberflächen normale näherungsweise auf der Winkelhalbierenden zwischen der Kameraachse und einer Verbindungsge­ raden zum Schirm liegt. Gleichzeitig wird das Objekt von zusätzlichem Umge­ bungslicht abgeschirmt.The invention is characterized by an optical structure in which, on the one hand a suitable, in particular programmable, projector predetermined gray value distributions projected onto a flat or curved screen and on the other one to an evaluation device, e.g. B. a computer, connected camera that Takes a picture of the examination subject. The diffuse reflective to be tested The surface is aligned so that the surfaces are approximately normal on the bisector between the camera axis and a connecting ge straight to the umbrella. At the same time, the object is of additional vice practice light shielded.

Zur Messung wird eine Serie von Streifenmustern mit sinusförmiger Helligkeits- bzw. Grauwertverteilung mit geringer Ortsfrequenz auf den Schirm projiziert. Durch Aufnahme der dabei auf der Objektoberfläche auftretenden Intensitätsverteilungen und deren Auswertung nach den aus der Interferometrie bekannten Verfahren der Phasenrekonstruktion kann ein Bild der Oberflächenneigung, -höhe, oder -krüm­ mung erzeugt werden, in dem sich die Fehler mit hoher vertikaler und horizontaler Auflösung abzeichnen. Im Unterschied zum Rasterreflexionsverfahren an glänzen­ den Oberflächen sind die auf den Schirm projizierten Muster mit der Kamera nicht direkt sichtbar, das ausgeprägte diffuse Streuverhalten der Oberflächen führt zur Verwaschung der Intensitätsverteilungen. Erst die erfindungsgemäße Anwendung der Phasenkodierung trennt das Streulicht-Rauschen vom Signal und führt zu er­ folgreichen Messungen.A series of stripe patterns with sinusoidal brightness or Gray value distribution with low spatial frequency projected onto the screen. By Recording the intensity distributions occurring on the object surface and their evaluation according to the methods known from interferometry Phase reconstruction can be a picture of surface slope, height, or curvature generated in which the errors with high vertical and horizontal Sign resolution. In contrast to the raster reflection process, shine on On the surfaces, the patterns projected on the screen are not with the camera directly visible, the pronounced diffuse scattering behavior of the surfaces leads to Blurring of the intensity distributions. Only the application according to the invention the phase coding separates the stray light noise from the signal and leads to it consequent measurements.

Mit Hilfe der Erfindung wird das Anwendungspotential optischer Formprüfung um ein hochsensitives, praktisch vielseitig einsetzbares Verfahren erweitert. Die be­ grenzte Auflösung konventioneller Streifenprojektionstechnik wird überwunden, indem eine Methode zum Einsatz kommt, die nicht die Höhe, sondern die Neigung der Objektoberfläche mißt. Dies war bisher nur für hochglänzende Oberflächen mit dem Rasterreflexionsverfahren möglich. Die erfindungsgemäße Phasenkodierung mit schwach variierenden Sinusstreifen sowie die Phasenrekonstruktion nach Auf­ nahme einer Reihe von Kamerabildern erlaubt es erstmals, diese neigungssensitive Methode auf diffus reflektierende Objekte zu übertragen. Damit wird z. B. die wich­ tige Gruppe der nicht lackierten Karosseriebauteile dem Prüfverfahren zugänglich. Die erzielbaren Auflösungen entsprechen den Forderungen der Automobilindustrie. With the help of the invention, the application potential of optical shape testing is around extended a highly sensitive, practically versatile process. The be limited resolution of conventional stripe projection technology is overcome, by using a method that is not the height but the slope of the object surface. Until now, this was only possible for high-gloss surfaces the raster reflection process possible. The phase coding according to the invention with slightly varying sinus stripes and phase reconstruction after opening Taking a series of camera images allows for the first time this tilt-sensitive Transfer method to diffusely reflecting objects. So that z. B. the wich group of unpainted body parts accessible to the test procedure. The resolutions that can be achieved meet the requirements of the automotive industry.  

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zu­ gehörigen Zeichnung näher erläutert werden.The invention is intended to be explained below using an exemplary embodiment and associated drawing will be explained in more detail.

Die Zeichnung zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erfassung von Formabweichungen an einem Objekt.The drawing shows schematically a device for detecting Shape deviations on an object.

Die Vorrichtung verfügt über einen programmierbaren und lichtstarken Projektor 1, einen Schirm 2 und eine Kamera 3, zum Beispiel eine CCD-Kamera. Mittels Projek­ tors 1 werden bezüglich ihres Helligkeits- bzw. Grauwertverlaufes sinusförmige Streifenmuster auf den, z. B. aus einem textilen Stoff bestehenden Schirm 2 proji­ ziert. Die Kamera 3 ist auf ein Objekt 4 gerichtet. Das Objekt 4, dessen Oberflä­ chengestalt erfaßt werden soll, ist dabei bezüglich des Schirmes 2 und der Kamera 3 so ausgerichtet, daß die in der Zeichnung mit 5 bezeichnete Oberflächen normale etwa auf der Winkelhalbierenden zwischen der Verbindungsgeraden Objekt 4 - Schirm 2 einerseits und der Verbindungsgeraden Objekt 4 - Kamera 3 andererseits liegt.The device has a programmable and bright projector 1 , a screen 2 and a camera 3 , for example a CCD camera. By means of projector 1 sinusoidal stripe patterns on the, z. B. from a textile fabric screen 2 projected. The camera 3 is aimed at an object 4 . The object 4 , the surface of which is to be detected, is oriented with respect to the screen 2 and the camera 3 so that the surfaces denoted by 5 in the drawing are normal approximately on the bisector between the connecting line object 4 - screen 2 on the one hand and the connecting line Object 4 - camera 3 on the other hand lies.

Für eine Messung wird eine Serie von versetzten Streifenmustern der vorgenann­ ten Helligkeits- bzw. Grauwertverteilung auf den Schirm 2 projiziert (Phasenkodierung). Verlaufen diese geradlinigen, äquidistanten Streifen auf dem Schirm 2 in horizontaler Richtung, dann mißt die Vorrichtung Oberflächenneigun­ gen in vertikaler Richtung, d. h. den Gradienten dz/dy. Umgekehrt erfaßt die Vorrich­ tung bei vertikaler Streifenrichtung den Gradienten dz/dx. Die Kamera 3 nimmt die resultierenden Intensitätsbilder auf und stellt sie für die digitale Weiterverarbeitung einer Auswerteeinheit, z. B. einem PC, zur Verfügung. Unter Verwendung von den aus der Interferometrie bekannten Verfahren der Phasenrekonstruktion wird das Signal (Reflexionsanteil) vom Rauschen (Streuanteil) getrennt und nachfolgend ein Bild der Oberflächenneigung dz/dx bzw. dz/dy erstellt. Die Größen Höhe z(x, y) bzw. Krümmung d2z/dx2, d2z/dy2 können bei Bedarf direkt durch Integration bzw. Diffe­ rentiation bestimmt werden.For a measurement, a series of offset stripe patterns of the aforementioned brightness or gray value distribution is projected onto the screen 2 (phase coding). If these rectilinear, equidistant strips run on the screen 2 in the horizontal direction, then the device measures surface inclinations in the vertical direction, ie the gradient dz / dy. Conversely, the device detects the gradient dz / dx in the vertical direction of the strip. The camera 3 records the resulting intensity images and presents them for the digital processing of an evaluation unit, e.g. B. a PC available. Using the phase reconstruction methods known from interferometry, the signal (reflection component) is separated from the noise (scatter component) and an image of the surface inclination dz / dx or dz / dy is subsequently created. The sizes height z (x, y) or curvature d 2 z / dx 2 , d 2 z / dy 2 can, if required, be determined directly by integration or differentiation.

Zur Anpassung an die Oberflächengestalt des zu untersuchenden Objektes 4 ist es auch denkbar, mit einem Schirm 2 zu arbeiten, der statt einer ebenen eine ge­ krümmte Oberfläche aufweist.To adapt to the surface shape of the object 4 to be examined, it is also conceivable to work with a screen 2 which has a curved surface instead of a flat one.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten, insbesondere an Objekten mit diffus reflektierenden Oberflächen, bei dem eine Serie von versetzten, in der Grauwertverteilung sinusförmigen Streifen mustern auf einen Schirm projiziert wird, die zu untersuchende Objektoberfläche derart ausgerichtet wird, daß die Objektoberflächennormale zumindest näherungsweise auf der Winkelhalbierenden zwischen einer Verbindungs­ geraden zwischen Objekt und Schirm einerseits sowie einer Verbindungs­ geraden zwischen dem Objekt und einer Kamera andererseits liegt, und mit der Kamera die auf der Objektoberfläche auftretenden Intensitätsverteilun­ gen der Bildserie aufgenommen und zur Weiterverarbeitung einer Auswer­ teeinheit zur Verfügung gestellt werden, wo unter Verwendung des aus der Interferometrie bekannten Verfahrens der Phasenrekonstruktion ein Bild der Oberflächenneigung oder Oberflächenkrümmung erzeugt wird.1. Method for detecting shape deviations on objects, in particular on objects with diffusely reflecting surfaces where a series of staggered, sinusoidal stripes in the gray value distribution a screen is projected, the object surface to be examined in this way is aligned that the object surface normal at least approximately on the bisector between a connection straight between object and screen on the one hand and a connection straight between the object and a camera on the other hand, and with the camera the intensity distribution occurring on the object surface added to the series of images and for further processing of an ejector unit can be made available where using the from the Interferometry known method of phase reconstruction an image of the Surface slope or surface curvature is generated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt von zusätzlichem Umgebungslicht abgeschirmt wird. 2. The method according to claim 1, characterized, that the object is shielded from additional ambient light.   3. Vorrichtung zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten, ins­ besondere an Objekten mit diffus reflektierenden Oberflächen (4), mit einem Projektor (1) zur Projektion einer Serie von versetzten Streifenmustern mit jeweils sinusförmiger Helligkeits- bzw. Grauwertverteilung auf einen Schirm (2) und mit einer an eine Auswerteeinheit (6) angeschlossenen Kamera (3) zur Aufnahme der auf der Objektoberfläche (4) auftretenden Intensitätsver­ teilungen der Bildserie, wobei die Objektoberfläche (4) so ausgerichtet ist, daß die Oberflächen normale (5) der Objektoberfläche (4) zumindest nähe­ rungsweise auf der Winkelhalbierenden zwischen der Verbindungsgeraden von Objektoberfläche (4) und Schirm (2) einerseits sowie Objektoberfläche (4) und Kamera (3) andererseits liegt.3. Device for detecting shape deviations on objects, in particular on objects with diffusely reflecting surfaces ( 4 ), with a projector ( 1 ) for projecting a series of offset stripe patterns, each with a sinusoidal distribution of brightness or gray values on a screen ( 2 ) and with a camera ( 3 ) connected to an evaluation unit ( 6 ) for recording the intensity distributions of the image series occurring on the object surface ( 4 ), the object surface ( 4 ) being oriented such that the surfaces normal ( 5 ) of the object surface ( 4 ) at least approximately on the bisector between the straight line connecting the object surface ( 4 ) and screen ( 2 ) on the one hand and the object surface ( 4 ) and camera ( 3 ) on the other. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektor (1) programmierbar ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the projector ( 1 ) is programmable. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (2) eben ausgebildet ist.5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the screen ( 2 ) is flat. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (2) eine gekrümmte Oberfläche aufweist. 6. The device according to claim 3 or 4, characterized in that the screen ( 2 ) has a curved surface. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (2) aus einem textilen Stoff besteht.7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the screen ( 2 ) consists of a textile material.
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