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Die
Erfindung betrifft einen Scanner gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Auf
verschiedenen Gebieten der Technik benötigt man zuverlässige Kenntnis
der Gestalt eines Objekts, vor allem wenn es nicht leicht zugänglich oder
von komplexer Außenform
ist, die man deshalb abtasten muß. Zum berührungsfreien Vermessen der Objektoberfläche wurde
in
DE 44 16 108 A1 eine
Vorrichtung vorgeschlagen, mit der drei winklig zueinander ausgerichtete
Streifen- oder Gittermuster gleichzeitig oder nacheinander auf die
Oberfläche
projiziert werden, die man an Meßpunkten detektiert, um deren
räumliche
Koordinaten anhand der Muster-Phasenlagen zu bestimmen. Bei einer
Bauform sind auf einem virtuellen Kreis drei geneigte Projektionsspiegel
winkelversetzt angeordnet; über
einen Ablenkspiegel nimmt eine Kamera den Musterverlauf an der Oberfläche auf.
Er kann über
eine Datenleitung rechnerisch (d.h. in einem PC) ausgewertet und
z.B. an einem Bildschirm dargestellt werden.
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Zur
Erfassung der unregelmäßigen Formen von
Zähnen
ist in
US 5 604 817
A vorgesehen, ein auf einen Zahn projiziertes Bildmuster
und gegebenenfalls eine Markierung von zwei verschiedenen räumlichen
Positionen aus optisch abzutasten und aus einer so gewonnenen Matrix
die 3D-Koordinaten der Zahnoberfläche zu errechnen.
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Eine
in
CA 2 278 108 A1 beschriebene
bewegliche Abtastvorrichtung benutzt z.B. drei Projektoren, um auf
einer Objektoberfläche
Linien oder Linienscharen abzubilden, die von einer im Abstand zu den
Projektoren auf einer Halterung befestigten Kamera registriert werden.
Deren zweidimensionale Abtastbilder werden an Meßpunkten erfaßt und rechnerisch
zu räumlichen
Koordinaten kombiniert, vorzugsweise entlang Abtastprofilen.
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Gemäß
DE 103 07 209 A1 wird
ein mittig auf einem waagrechten Drehtisch befindliches Objekt durch
einen schräg
dazu angeordneten Laser-Streifenprojektor bestrahlt; das Abbild
wird durch eine bevorzugt in der Drehachse angeordnete CMOS-Kamera
mit Sensorarray von oben abgetastet. Aus unterschiedlichen Winkelpositionen
werden je zwei Meßbilder
vor und nach einer Verschiebung des Objekts aufgenommen; aus diesen
Teildatensätzen
wird digitalelektronisch ein Gesamtkörper-Datensatz errechnet.
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Dem
zitierten Stand der Technik ist gemeinsam, daß die Anordnung der notwendigen
Geräte
neben- und übereinander
zu räumlich
beengten oder wenig definierten Verhältnissen führen kann. Herkömmliche
Scanner können
daher unübersichtlich oder
nicht eben gut zu handhaben sein. Wegen zu gedrängter Bauweise sind auch Justierungen
nicht immer genau genug durchführbar
oder gar nicht möglich.
Oberflächenteile
des Objekts, die von seiner Außenkontur
einwärts
zurücktreten,
werden unter Umständen
schlecht oder nicht erfaßt.
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Es
ist Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik mit
möglichst
wirtschaftlichen Mitteln zu überwinden
und einen verbesserten Scanner zu schaffen, der kostengünstig herstell-
und montierbar ist, bei kompaktem Aufbau eine übersichtliche Anwendung gestattet
und leicht zu bedienen ist.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind in den Ansprüchen
1, 11 und 28 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis
10, 12 bis 27 sowie 29 und 30.
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Bei
einem Scanner zum berührungsfreien Erfassen
von Objektoberflächen
insbesondere in der zahnmedizinischen Technik, mit einem Tragarm,
an dem ein Projektions-Laser
und wenigstens zwei Abtastkameras so angebracht sind, daß sie zu
einem durch einen Drehteller abgestützten Objektträger hin ausrichtbar
sind, ist laut Anspruch 1 erfindungsgemäß vorgesehen, daß sich unterhalb
des Objektträgers
eine ortsfeste, nach oben orientierte Unterkamera befindet, die
eine mit dem Objektträger
bewegungsverbundene, codierte Verschiebefläche abtastet.
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Die
Koordinaten-Zuordnung der Oberflächen-Kenndaten
erfolgt mithin von unten, was sowohl für den konstruktiven Aufbau
als auch für
die Bedienung der Vorrichtung große Vorteile bietet. Mit den
neuartigen Scannern, die sich durch robustes, kompaktes Design und
bequeme Handhabung auszeichnen, sind digitale Oberflächen-Kenndaten
gerade auch von Objekten unregelmäßiger Gestalt bzw. Oberfläche einfach,
schnell und genau erfaßbar.
Man kann die Kenndaten abzutastender Teile, Modelle, Formen, Abdrücke usw.
sehr rasch und reproduzierbar aufnehmen, speichern sowie visuell
darstellen.
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Eine
vorteilhafte Scanner-Bauform weist einen Standrahmen auf, in dem
bodenseitig der Drehteller zur vorzugsweise mittigen Lagerung eines
Objekts auf dem Objektträger
angeordnet ist. An oder in Seitenteilen des Rahmens ist der Arm
schwenkbar gelagert, dessen Neigungswinkel relativ zu dem Drehteller
einstellbar ist. Schräg
zur Drehachse des Drehtellers sind an dem Arm – zum Objekt hin ausrichtbar – der Projektions-Laser
und wenigstens zwei Abtastkameras zum Erfassen von an der Objektoberfläche aufnehmbarer
Bildinformation angeordnet.
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Damit
man die Bestrahlung der Objektoberfläche in jeweils günstigster
Richtung bewirken kann, ist der auf dem Arm zwischen den wenigstens
zwei Abtastkameras, deren Ausrichtung sich auf das Objekt eingabeln
läßt, angeordnete
Projektions-Laser in wenigstens einer Dimension justierbar. Er kann
insbesondere um seine Achse sowie relativ zu dem Schwenkarm so verstellt
werden, daß ein
von ihm abgestrahltes Linienmuster genau auf die mit den Kameras
abzutastende Meßfläche trifft.
Mit Vorteil sind der Projektions-Laser und/oder die Abtastkameras auf
dem Arm drehbar so gelagert, daß sie
vor ihm eine Beobachtungsebene aufspannen und das Objekt eingabeln.
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Zentrisch
oberhalb des Drehtellers ist eine Einstellhilfe vorhanden, bevorzugt
eine Justierkamera, der eine Beleuchtungseinrichtung zugeordnet
ist und die eine Beobachtung der Position des Objekts auf dem Objektträger und
dessen Lage auf dem Drehteller erlaubt. Letzterer kann von Hand
oder motorisch antreibbar sein, z.B. mit einem Schrittmotor oder
kontinuierlich, indem ein seitlicher Getriebemotor über einen
Riementrieb zentrisch an einem Drehteller-Sockelteil angreift. Günstig ist
es, den Projektions-Laser und/oder die wenigstens zwei Abtastkameras
und/oder die Einstellhilfe rückseitig
mit elektrischen Anschlüssen
zu versehen, die für
die bidirektionale Steuer- und/oder Datenübertragung und zur störungsfreien
Verbindung mit einem Steuersystem dienen, z.B. mit einem Rechnersystem.
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Das
abzutastende Objekt ist auf dem Objektträger in gewünschter Position in bzw. mit
einer Halterung fixierbar, um zu verhindern, daß während eines Meßvorgangs
eine ungewollte Lageänderung stattfindet.
Die Halterung ist in ihrem Winkel auf bzw. zu dem Drehteller verstellbar.
Ihre Höhe
kann durch unterschiedliche Sockelteile festgelegt werden, doch kann
z.B. ein abzutastendes Modell mit einem Sockelteil auch einstückig sein.
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Konstruktiv
ist es von Vorteil, wenn der Arm als U-förmiger Balken ausgebildet ist,
dessen Endteile jeweils innerhalb einer zu den Seitenteilen des Rahmens
parallelen Ebene nach oben abgewinkelt sind, so daß schon
eine relativ geringe Aufwärtsschwenkung
genügt,
um eine ausreichend steile Neigung des Lasers und der Abtastkameras
zu erzielen. Zumindest eines der in den Seitenteilen des Rahmens
sitzenden Schwenklager für
den Arm bzw. die Balken-Endteile ist zweckmäßig mit Einstellmitteln verbunden.
Diese können
z.B. außen
sitzende Handräder
und zugleich Feststellmittel aufweisen. Bevorzugt ist an einem Schwenklager
ein Riementrieb angebracht, der an dem Tragarm angreift, wobei dessen
Neigungsbewegung motorisch gesteuert wird.
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Der
Objektträger
hat in spezieller Weiterbildung der Erfindung – wofür mit Anspruch 11 selbständiger Schutz
geltend gemacht wird – eine
Verschiebefläche,
der mit vorgebbarem Muster codierte Zellen zugeordnet sind, namentlich
eine Codescheibe unterhalb der Objekthalterung. Die Zellen sind
z.B. kreis-, rauten- oder wabenförmig
ausgebildet und/oder angeordnet, was eine hohe Informationsdichte
ergibt. Weil der Code jeder einzelnen Zelle vorbekannt ist, erreicht
man bei hoher Auswertegeschwindigkeit eine überaus exakte Lagebestimmung des
Objekts. Im Unterschied zum Stand der Technik muß man also kein "pattern matching" durchführen, um
einzelne 3D-Datensätze
zusammenzufügen;
zudem wird Zeit und höhere
Sicherheit der Auswertung gewonnen.
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Unterhalb
des Objektträgers
befindet sich vorteilhaft neben der Unterkamera eine Beleuchtungseinrichtung,
mit der die Verschiebefläche
oder ein Zellenbereich direkt oder indirekt beleuchtbar ist. Dazu
kann ein die Unterkamera umschließender Lichtleiterkonus vorgesehen
sein, der von bodenseitigen Leuchtdioden bestrahlt wird. Optimale
visuelle Einstellung und/oder Beobachtung erzielt man durch Ausrichten
der Unterkamera sowie der Beleuchtungseinrichtung parallel zur Achse
des Drehtellers.
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Eine
wichtige Weiterbildung besteht gemäß dem unabhängigen Anspruch 28 darin, daß der Projektions-Laser
im Impulsbetrieb triggerbar ist. Man benötigt daher keine kontinuierliche
Bestrahlung. Sehr vorteilhaft ist eine Synchronsteuerung von Laser
und Abtastkameras zur gleichzeitigen Erfassung der bestrahlten Objektoberfläche, wodurch
Meß- und Auswertefehler
minimiert werden. So ist es möglich, mit
mehreren Meßkameras
gleichzeitig, d.h. in Zeitfenstern im μs-Bereich, alle Bildpunkte des
bestrahlten Oberflächenabschnitts
aufzunehmen. Daher gibt es keine Bewegungsunschärfe; vielmehr ist eine fixe Korrelation
zwischen Raumposition und Bild gewährleistet. Durch Mittel zur
Steuerung von Strahlungsleistung, Frequenz und Dauer der Laserimpulse
kann man die pro Impuls auf das Objekt abgestrahlte Lichtmenge vorgeben,
was eine sehr einfache Anpassung an Eigenschaften des abzutastenden
Objekts ermöglicht,
z.B. an seinen Reflexionsgrad oder seine Farbe.
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Indem
die Richtung der Abtastkameras bzw. des Tragarms und/oder der Bereich
der Abtast-Aufnahmen an die jeweilige Geometrie des Objekts angepaßt werden,
sind an ihm auch Hinterschnitte, Kavitäten u.dgl. gut erfaßbar.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 eine
schematisierte Schrägansicht von
Hauptbestandteilen eines Scanners,
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2 eine
Draufsicht auf einen Scanner-Tragarm,
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3 eine
Axialschnittansicht eines Scanner-Unterteils mit Drehteller und
Objektträger,
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4 eine
Schrägansicht
eines Drehtellers mit einem Aufsatz und
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5 eine
Schrägansicht
eines Scanners in einem Standrahmen.
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Man
entnimmt den 1 und 2, daß ein insgesamt
mit 10 bezeichneter Scanner einen Tragarm 12 aufweist,
auf dessen Oberseite ein Projektions-Laser 14 und zwei
Abtastkameras 15, 16 bzw. L, R drehbar gelagert
sind, die rückseitig
mit Anschlüssen 25 für elektrische
Verbindungen zu einer (nicht gezeichneten) Steuerung versehen sind.
Der Arm 12 hat die Form eines U-Bügels mit Endteilen 22,
die nach oben abgewinkelt sind und Schwenklager 32 aufweisen,
welche in einer Verbindungslinie B fluchten. Der Tragarm 12 ist
um diese Kippachse B schwenkbar. Eines der Schwenklager 32 (links
in 1) kann mit einer Riemenscheibe 36 für einen Riementrieb 35 verbunden
sein, der durch einen Getriebemotor 37 antreibbar ist.
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Die
Abtastkameras 15, 16 bzw. L, R sind mit ihren
optischen Achsen C (2) auf ein (hier weggelassenes)
Objekt ausrichtbar, dessen zu erfassender Oberflächenteil in dem mit O gekennzeichneten Achsenschnittpunkt
liegt. Das Objekt wird auf einem Objektträger 20 gehaltert,
der auf einem Drehteller 18 verschieblich angeordnet ist
(vergl. 3 und 4), der
von Hand oder – wie
in 1 gezeichnet – über einen
Zahnriementrieb 51 durch einen Getriebemotor 52 drehbar
ist. Die Drehachse A des Drehtellers 18 fällt mit
der optischen Achse einer senkrecht über ihm befindlichen Justierkamera 30 zusammen,
neben der nach unten gerichtete Leuchtdioden 28 vorhanden
sind. Diese Einrichtung dient als Einstellhilfe für die Positionierung
des Objekts auf dem Objektträger 20,
der auf dem Drehteller 18 verschieblich ruhen kann.
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Aus 1 und 2 geht
ferner hervor, daß der
Projektions-Laser 14 nicht nur auf einem Fuß 45 drehbar,
sondern in seiner Ausrichtung mittels Stellgliedern 44, 46, 48 mehrdimensional
justierbar ist, damit seine Strahlung genau auf den Objektbereich O
trifft. Für
die Justierung kann ihm ein Exzenter 44 mit einer Platte 46 vorgeordnet
sein, und an wenigstens einer Seite kann ein Stellstück 48 vorhanden sein.
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Rückseitig
sind an dem Projektions-Laser 14, den Abtastkameras 15/16 und
der Justierkamera 30 Anschlüsse 25 für (nicht
dargestellte) Kabel vorgesehen, die an Kabelhalterungen 27 (2)
und 29 (1) festlegbar sind.
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3 zeigt
ein Scanner-Unterteil, das eine Bodenplatte 58 hat, die
mit einem Gehäuse
z.B. direkt mit einer Grundplatte 70 oder mit einem Sockel 72 (5)
verbunden sein kann. Der Boden 58 ist mit einem buchsenartigen
Führungskörper 62 einstückig, der
einen Lichtleiterkonus 54 einschließt, welcher sich nach obenmit
einem Tubus 84 fortsetzt, dort in einem Flansch 76 gehalten
ist und an seinem unteren Ende eine Unterkamera 50 aufnimmt.
Diese stützt
sich unten an der Bodenplatte 58 ab, in der eine Ausnehmung 74 für einen
austauschbar einzusetzenden Chip 60 vorhanden ist und an
der Leuchtdioden 56 angebracht sind. Ein Abdeckglas 55 schützt das
Innere des Unterteils bzw. des Lichtleiter-Tubus 84 vor
dem Eindringen von Verschmutzungen. Zu demselben Zweck sind an dem
Flansch 76 Dichtungen 78 vorgesehen, ferner ein
Dichtungsring 68 zwischen einem äußeren Bodenteil und einem Gehäuse 80,
das mit Wälzlagern 64 – welche
den Führungskörper 62 einfassen – drehbar
gelagert ist.
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Der
Flansch 76 ist dicht in den Drehteller 18 eingepaßt, auf
dessen Oberseite der Objektträger 20 verschieblich
angeordnet ist. Dieser enthält
in einer Höhlung 21 eine
Codescheibe 26, welche ein (nicht dargestelltes) Zellenmuster
aufweist und durch das Glas 55 hindurch von den Beleuchtungsmitteln 54/56 beleuchtet
sowie von der Unterkamera 50 betrachtet und – vorzugsweise
simultan mit Impulsen des Projektions-Lasers 14 – abgetastet wird.
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Man
erkennt in 4, daß die Halterung 40 auf
dem Objektträger 20 kippbar
abgestützt
sein kann, um anderweitig nicht oder schlecht zugängliche
Objektflächen
in Abtastposition zu bringen. Dazu ist bei dieser Bauform ein Kippfuß 86 vorgesehen, namentlich
ein Kugelfuß,
auf dem eine Lochscheibe 24 winkelveränderlich abgestützt ist.
Höhendistanzringe 82 und
Exzenterhebel 85, 85' ermöglichen es, die mit einem Stellorgan 34 einstellbar
verschiebliche Lochscheiben-Anordnung nach Bedarf an zuheben oder
abzusenken. Auf der Lochscheibe 24 sind Spannklötze 38 in
vorgebbarer Lage festsetzbar, um ein vorzugsweise kantiges Stützteil 41 zu
fixieren, das ein abzutastendes Objekt 42 – hier als
abstrahierter Gebißabdruck
dargestellt – trägt oder
mit ihm einstückig
ist.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 5 ist der Scanner 10 in einem Standrahmen 65 untergebracht, dessen
Seitenteile 66 die Schwenklager 32 des Tragarms 12 aufnehmen.
Eine Grundplatte 70 trägt
den Scanner-Unterteil in Form eines Sockels 72, in dem sich
die Unterkamera 50 befindet, welche die (nicht sichtbare)
Codescheibe 26 scannt. Der Drehteller 18 und der
Objektträger 20 sind
hier schematisiert angedeutet, ebenso wie ein – in seiner Position mittels
der Justierkamera 30 voreinstellbares – Objekt 42, auf das
der Projektions-Laser 14 und die Scannerkameras 15, 16 beim
Abtastvorgang (abweichend von der Darstellung) genau ausgerichtet
sind.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. So können Schrittmotoren
als Stellmittel eingesetzt werden. Beispielsweise ist es ferner
möglich,
das Stützteil 41 und das
Objekt 42 als einen zusammenhängenden Körper auszubilden. Wichtig ist,
daß die
Zuordnung der mit den Kameras 15, 16 erfaßten Oberflächenkenndaten
durch Abtasten des Codemusters der Scheibe 26 von unten
erfolgt, so daß man
auf sehr einfache Weise die Notwendigkeit vermeidet, im Oberteil
des Scanners 10 noch eine weitere Baugruppe unterzubringen.
Durch Synchronisation des Impulsbetriebs des Lasers 14 mit
den Kameras 15, 16, 50 erreicht man eine
besonders hohe Auswertesicherheit.
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Grundsätzlich ist
der neuartige Scanner ferner nicht nur für kleine Objekte wie Zähne oder
Gebißabdrücke geeignet;
in angepaßter
Größe können solche
Scanner zum Abtasten der Gestalt verschiedenster Gegenstände dienen,
darunter auch komplexer Bauteile und mechanischer Elemente etwa
der Fahrzeugtechnik oder der Schmuckindustrie, aber auch von Körpern der
belebten Natur wie z.B. Baumstämme,
Körpernarben
und -höhlen
usw.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile,
einschließlich
konstruktiver Einzelheiten und räumlicher
Anordnungen, können sowohl
für sich
als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich
sein.
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- A
- Drehachse
- B
- Verbindungslinie/Kippachse
- C
- Kameraachse
- O
- Achsenschnittpunkt
- 10
- Scanner
- 12
- (Trag-)Arm
- 14
- Projektions-Laser
- 15,
16
- Abtastkameras
- 18
- Drehteller
- 20
- Objektträger (-Grundplatte)
- 21
- Höhlung
- 22
- Endteile
- 24
- Lochscheibe
- 25
- Anschlüsse
- 26
- Verschiebefläche/Codescheibe
- 27
- Kabelhalterung
- 28
- Beleuchtungseinrichtung
- 29
- Kabelbinder-Öse
- 30
- Einstellhilfe/Justierkamera
- 32
- Schwenklager
- 34
- Stellorgan/Arretierungsdreher
- 35
- Riementrieb
- 36
- Zahnriemenscheibe
- 37
- Getriebemotor
- 38
- Spannklötze
- 40
- Halterung
- 41
- Stützteil
- 42
- Objekt
- 44
- Exzenter
- 45
- Fuß/Justierbefestigung
- 46
- Platte
- 48
- Stellstück/Verdrehsicherung
- 50
- Unterkamera
- 51
- Zahnriementrieb
- 52
- Getriebemotor
- 54
- Lichtleiterkonus
- 55
- (Ab-)Deckglas
- 56
- Leuchtdioden
- 58
- Bodenflansch
- 60
- (Kamera-)Chip
- 62
- Hohlwelle/Führungskörper
- 64
- Wälzlager
- 65
- (Stand-)Rahmen
- 66
- Seitenteile
- 68
- Dichtungsring
- 70
- Grundplatte
- 72
- (Gehäuse-)Sockels
- 74
- Ausnehmung
- 76
- Spannflansch
- 78
- Dichtung(en)
- 80
- (Außen-)Gehäuse
- 82
- Höhendistanzringe
- 84
- Tubus
- 85,
85'
- Exzenterhebel
- 86
- Kipp(kugel)fuß