DE19821059C2

DE19821059C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten

Info

Publication number: DE19821059C2
Application number: DE1998121059
Authority: DE
Inventors: Petra Aswendt; Roland Hoefling
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-05-11
Filing date: 1998-05-11
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2018-05-12
Also published as: DE19821059A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten mit diffus reflektierenden Oberflächen. Bei diesem Verfahren wird eine Serie von versetzten, in der Grauwertverteilung sinusförmigen Streifenmustern auf einen Schirm projiziert, die zu untersuchende Objektoberfläche derart ausgerichtet, daß die Objektoberflächennormale zumindest näherungsweise auf der Winkelhalbierenden zwischen einer Verbindungsgeraden zwischen Objekt und Schirm einerseits sowie einer Verbindungsgeraden zwischen dem Objekt und einer Kamera andererseits liegt, und mit der Kamera die auf der Objektoberfläche auftretenden Intensitätsverteilungen der Bildserie aufgenommen und zur Weiterverarbeitung einer Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt, wo unter Verwendung des aus der Interferometrie bekannten Verfahrens der Phasenrekonstruktion ein Bild der Oberflächenneigung oder Oberflächenkrümmung erzeugt wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten mit diffus reflektierenden Oberflächen.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines sol chen Verfahrens.

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).

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 1/50000 der horizontalen Objektausdehnung angestrebt.

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 1/500000 ist mit den vorge nannten Streifenprojektionsmethoden derzeit jedoch noch nicht realisierbar.

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.

Eine Vorrichtung zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten ist auch aus Xianzhu Zhang, Walter North: Retroreflective grating generation and analysis for surface measurement, in: Applied Optics, Vol. 37, 1. Mai 1998, S. 2624-2627, bekannt. Allerdings wird auch hier von einer gut reflektierenden Objektoberfläche ausgegangen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich tung anzugeben, mit dem bzw. mit der es gelingt, an Objekten mit diffus reflektie renden Oberflächen Formabweichungen mit einer vertikalen Auflösung von wenig stens 1/500000 der horizontalen Objektausdehnung zu erkennen bzw. zu erfassen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, wie es im Anspruch 1 definiert ist, und mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 3 erfindungsgemäß gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist Gegenstand des Unteranspruchs 2.

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 Oberflächennormale näherungsweise auf der Winkelhalbierenden zwischen der Kameraachse und einer Verbindungsge raden zum Schirm liegt. Gleichzeitig wird das Objekt von zusätzlichem Umge bungslicht abgeschirmt.

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.

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.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zu gehörigen Zeichnung näher erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erfassung von Formabweichungen an einem Objekt.

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 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 Oberflächennormale etwa auf der Winkelhalbierenden zwischen der Verbindungsgeraden Objekt 4 - Schirm 2 einerseits und der Verbindungsgeraden Objekt 4 - Kamera 3 andererseits liegt.

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.

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.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten mit diffus reflektierenden Oberflächen, bei dem eine Serie von versetzten, in der Grauwertverteilung sinusförmigen Streifenmustern auf einen Schirm projiziert wird, die zu untersuchende Objektoberfläche derart ausgerichtet wird, daß die Objektoberflächennormale zumindest näherungsweise auf der Winkelhalbierenden zwischen einer Verbindungsgeraden zwischen Objekt und Schirm einerseits sowie einer Verbindungsgeraden zwischen dem Objekt und einer Kamera andererseits liegt, und mit der Kamera die auf der Objektoberfläche auftretenden Intensitätsverteilungen der Bildserie aufgenommen und zur Weiterverarbeitung einer Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt werden, wo unter Verwendung des aus der Interferometrie bekannten Verfahrens der Phasenrekonstruktion ein Bild der Oberflächenneigung oder Oberflächenkrümmung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt von zusätzlichem Umgebungslicht abgeschirmt wird.

3. Vorrichtung zur Erfassung von Formabweichungen 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 aus einem textilen Stoff bestehenden Schirm (2) und mit einer an eine Auswerteeinheit (6) angeschlossenen Kamera (3) zur Aufnahme der auf der Objektoberfläche (4) auftretenden Intensitätsverteilungen der Bildserie, wobei die Objektoberfläche (4) so ausgerichtet ist, daß die Oberflächennormale (5) der Objektoberfläche (4) zumindest näherungsweise auf der Winkelhalbierenden zwischen der Verbindungsgeraden von Objektoberfläche (4) und Schirm (2) einerseits sowie Objektoberfläche (4) und Kamera (3) andererseits liegt.