DE202018104911U1

DE202018104911U1 - Apparatus for optically scanning specular surfaces

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Publication number: DE202018104911U1
Application number: DE202018104911.9U
Authority: DE
Original assignee: SmartRay GmbH
Current assignee: SmartRay GmbH
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2018-10-02
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: DE102019122803A1

Abstract

Vorrichtung mit einem Prüfkopf (6) zum optischen, berührungslosen Abtasten einer spiegelnden Oberfläche (2) eines Objektes (1) mit
- einer Lichtquelle (14), die einen Lichtfächer (3") in einer Aufstrahlrichtung (17) auf die spiegelnde Oberfläche (2) aufstrahlt und dort ein Lichtband (3) erzeugt,
- einer Detektoreinheit (6) mit einem flächigen optischen Sensor (12), deren auf das Lichtband (3) gerichtete Abtastrichtung (5) bei Betrachtung in Verlaufsrichtung (3') des Lichtbandes (3) in einem Triangulationswinkel (a) zur Aufstrahlrichtung (17) des Lichtfächers (3") steht
gekennzeichnet durch
- einen in dem Strahlengang des Prüfkopfes (6) angeordneten, für das Licht der Lichtquelle (14) durchlässigen, optischen Diffusor (10).

Device with a test head (6) for the optical, non-contact scanning of a reflecting surface (2) of an object (1) with
a light source (14) which irradiates a light fan (3 ") in a direction of irradiation (17) onto the reflecting surface (2) and produces a light band (3) there,
- A detector unit (6) with a planar optical sensor (12) whose directed onto the light band (3) scanning direction (5) when viewed in the direction (3 ') of the light band (3) in a triangulation angle (a) to the Aufstrahlrichtung (17 ) of the light fan (3 ") is
marked by
- One in the beam path of the test head (6) arranged for the light of the light source (14) permeable, optical diffuser (10).

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft das optische berührungslose Abtasten von Oberflächen, um die dreidimensionale Kontur einer Oberfläche zu ermitteln.The invention relates to the optical contactless scanning of surfaces in order to determine the three-dimensional contour of a surface.

II. Technischer HintergrundII. Technical background

In der Industrie muss häufig die Maßhaltigkeit von Oberflächen-Konturen überprüft werden. Dabei werden häufig optische, berührungslose Abtast-Verfahren benutzt, um jede Gefahr der Beschädigung der Oberfläche zu vermeiden.In industry, the dimensional accuracy of surface contours must often be checked. Optical, non-contact scanning techniques are often used to avoid any risk of damage to the surface.

Ein gängiges Verfahren ist das sogenannte Lichtschnitt-Triangulationsverfahren, bei dem mittels Laser und einem davon erzeugten fächerförmigen Lichtstrahl ein Lichtband auf die abzutastende Oberfläche aufgestrahlt wird und aus einer Abtastrichtung, die verschieden ist von der Aufstrahlrichtung des Lasers, mittels eines optischen Sensors wie etwa eines CCD-Sensors, das von der Oberfläche i.d.R. diffus in verschiedene Richtungen, und damit auch in Richtung des Sensors, reflektierte Laserlicht aufgenommen wird.A common method is the so-called light-slit triangulation method in which a band of light is irradiated to the surface to be scanned by laser and a fan-shaped light beam generated therefrom and from a scanning direction different from the irradiation direction of the laser by means of an optical sensor such as a CCD Sensors, that of the surface usually Diffused in different directions, and thus also in the direction of the sensor, reflected laser light is recorded.

Aus der Form und dem Verlauf des Lichtband-Abbildes des Lichtbandes auf dem flächigen optischen Sensor kann in Kenntnis des Winkelversatzes zwischen aufgestrahltem Fächer aus Laserlicht, also der auf Strahlrichtung und Betrachtungsrichtung des CCD-Sensors, also der Abtastrichtung, die tatsächliche Kontur der Werkstückoberfläche an der Stelle des aufgestrahlten Lichtbandes berechnet werden.From the shape and the course of the light band image of the light band on the planar optical sensor, the actual contour of the workpiece surface on the. In knowledge of the angular offset between radiated fan of laser light, so on the beam direction and viewing direction of the CCD sensor, ie the scanning direction Position of the radiated light band can be calculated.

Durch Relativbewegung des Lichtbandes quer zu ihrem Verlauf über die Oberfläche und wiederholte Konturbestimmung an der jeweiligen Stelle des aufgestrahlten Lichtbandes kann auf diese Art und Weise die gesamte Oberfläche abgetastet und vermessen werden.By relative movement of the light band transversely to its course over the surface and repeated contour determination at the respective location of the radiated light band, the entire surface can be scanned and measured in this way.

Eine stark spiegelnde Oberfläche reflektiert den aufgestrahlten Lichtfächer jedoch nicht diffus in verschiedene Richtungen, sondern reflektiert den Lichtfächer fast ausschließlich in eine einzige Reflektionsrichtung gemäß der optischen Bedingung Einfall-Winkel = Ausfall-Winkel, die nun für den aufgestrahlten Lichtfächer einerseits und den reflektierten Lichtfächer andererseits gilt, wobei beide Winkel relativ zur Lotrechten auf die Oberfläche zu verstehen sind. Der Sensor muss sich deshalb genau in dieser Reflektionsrichtung befinden.However, a highly reflective surface does not diffuse the reflected light fan diffusely in different directions, but reflects the light fan almost exclusively in a single reflection direction according to the optical condition angle of incidence = angle of failure, which now applies to the incident light fan on the one hand and the reflected light fan on the other hand where both angles are to be understood relative to the perpendicular to the surface. The sensor must therefore be exactly in this direction of reflection.

Doch selbst wenn diese Bedingung eingehalten wird, also die Abtastrichtung, die Blickrichtung des Sensors, mit der Reflektionsrichtung des zentralen, mittigen Lichtstrahles des aufgestrahlten Lichtfächers übereinstimmt, besteht das Problem darin, dass dennoch sehr wenig Licht auf dem Sensor auftrifft, da alle abseits des zentralen Lichtstrahles welches schräg zu diesem zentralen Lichtstrahl verlaufenden Lichtstrahlen an der spiegelnden Oberfläche ebenfalls nur in einer bestimmten Richtung zur Seite reflektiert werden und nur ein sehr schmaler Winkelbereich des Lichts welcher das symmetrisch um den Zentralstrahl herum nach Reflektion an der Oberfläche den Sensor erreicht.However, even if this condition is met, ie the scanning direction, the viewing direction of the sensor, coincides with the direction of reflection of the central, central light beam of the illuminated fan of light, the problem is that nevertheless very little light impinges on the sensor, since all away from the central Light beam which obliquely to this central light beam extending light rays at the reflecting surface are also reflected only in a certain direction to the side and only a very narrow angular range of light which symmetrically around the central beam around after reflection at the surface reaches the sensor.

III. Darstellung der ErfindungIII. Presentation of the invention

Technische AufgabeTechnical task

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der auch stark spiegelnde Oberflächen optisch berührungslos, auch mittels des Lichtschnitt-Triangulationsverfahrens, gut abgetastet werden können.It is therefore the object of the invention to provide a method and an apparatus with which even highly reflective surfaces can be scanned optically without contact, even by means of the light-cut triangulation method.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.

Der Grundgedanke der Vorgehensweise gemäß der Erfindung besteht darin, durch Anordnung eines für das aufgestrahlte Licht durchlässigen optischen Diffusors im Strahlengang der optischen Messvorrichtung zu bewirken, dass die einzelnen Lichtstrahlen des Lichtfächers, in dem sich der Diffusor befindet, zum Teil so umgelenkt werden, dass auch solche Lichtstrahlen, die ohne Diffusor von der Oberfläche nicht in Richtung Sensor reflektiert würden, teilweise den Sensor erreichen. Eine solche Umlenkung soll vorzugsweise oder ausschließlich innerhalb der Fächer-Ebene des aufgestrahlten Lichtfächers oder des reflektierten Lichtfächers, je nachdem, in welchem sich der Diffusor befindet, stattfinden.The basic idea of the procedure according to the invention consists in causing, by arranging an optical diffuser transparent to the radiated light in the beam path of the optical measuring device, that the individual light beams of the light fan in which the diffuser is located be partially deflected such that such light rays, which would not be reflected from the surface in the direction of the sensor without a diffuser, partially reach the sensor. Such a deflection should take place preferably or exclusively within the fan level of the light fan or reflected light fan, depending on the location of the diffuser.

Als optischer Diffusor kann dabei eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, lichtdurchlässiger stabförmiger Stab-Linsen verwendet werden, die insbesondere einen halbkugelförmigen oder halblinsen-förmigen Querschnitt aufweisen können, und zu einer gemeinsam handhabbaren Einheit miteinander verbunden sind, beispielsweise indem sie auf einem ebenfalls für das aufgestrahlte Licht durchlässigen Trägerkörper angeordnet werden, der vorzugsweise auch den gleichen optischen Brechungs-Index besitzen sollte wie die Stab-Linsen.As an optical diffuser can be used a plurality of juxtaposed, translucent rod-shaped rod lenses, which may in particular have a hemispherical or half-lens-shaped cross-section, and are connected to a jointly manageable unit with each other, for example by acting on a likewise for the radiated light permeable carrier body are arranged, which should preferably also have the same optical refractive index as the rod lenses.

Ein solcher Diffusor wird im Strahlengang des Prüfkopfes so angeordnet, dass entweder die auf das Objekt aufgestrahlten Lichtstrahlen und/oder die reflektierten Lichtstrahlen durch den Diffusor hindurch verlaufen.Such a diffuser is arranged in the beam path of the probe so that either the light beams radiated onto the object and / or the reflected light rays pass through the diffuser.

Wird ein Prüfkopf verwendet, der nur eine Detektoreinheit aufweist, so wird der Prüfkopf mit der Winkelhalbierenden - betrachtet in der Verlaufsrichtung des aufgestrahlten Lichtbandes - zwischen der Aufstrahlrichtung und der Abtastrichtung lotrecht zur Oberfläche eingestellt.If a test head is used which has only one detector unit, then the test head with the bisecting line - as viewed in the direction of progression of the illuminated light band - is set perpendicular to the surface between the irradiation direction and the scanning direction.

Mit welchem Verfahren die Diffusor-Linsen hergestellt werden, ist unwesentlich.The process by which the diffuser lenses are made is immaterial.

Statt einer mechanischen Herstellung ist auch das Aufbringen einer Flüssigkeit auf dem lichtdurchlässigen Trägerkörper in Linien möglich, wodurch einzelne, eng benachbarte Wulste mit einem halbkugelförmigen oder halblinsenförmigen Querschnitt auf dem Trägerkörper gebildet werden, die bevorzugt anschließend in dieser Form erstarren.Instead of a mechanical production and the application of a liquid on the translucent carrier body in lines is possible, whereby individual, closely spaced beads are formed with a hemispherical or half-lenticular cross-section on the carrier body, which then preferably solidify in this form.

Eine Vorrichtung zum optischen, berührungslosen Abtasten einer Oberfläche eines Objekts nach dem Lichtschnitt-Triangulationsverfahren umfasst außer einem gattungsgemäßen Prüfkopf, mit einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser, zum Aufstrahlen eines fächerförmigen Lichtstrahls auf dem Objekt wenigstens eine Detektor-Einheit mit einem flächigen optischen Sensor, auf dem das von der Oberfläche des Objekts reflektierte Licht auftrifft, wobei Aufstrahlrichtung und Abtastrichtung, also die Blickrichtung des Sensors, nicht identisch sein dürfen, wenn das Lichtschnitt-Triangulationsverfahren angewandt wird. Eine elektronische Verarbeitungseinheit ermittelt aus den Helligkeitswerten der Pixel auf dem optischen Sensor die Ergebnisdaten, welche die Oberflächen-Kontur wiedergebenA device for optically non-contact scanning of a surface of an object according to the light-sliced triangulation method comprises, in addition to a generic test head, with a light source, in particular a laser, for irradiating a fan-shaped light beam on the object at least one detector unit with a two-dimensional optical sensor the incident light from the surface of the object is incident, the direction of radiation and scanning direction, that is, the viewing direction of the sensor, may not be identical when the light-section triangulation method is applied. An electronic processing unit determines the result data representing the surface contour from the brightness values of the pixels on the optical sensor

Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung erfindungsgemäß einen in dem Strahlengang des Prüfkopfes angeordneten, für das zum Abtasten verwendete Licht durchlässigen, optischen Diffusor, der vorzugsweise am Prüfkopf befestigt ist oder vorzugsweise Bestandteil des Prüfkopfes ist.Moreover, the device according to the invention comprises a arranged in the beam path of the probe, for the light used for scanning light-transmitting, optical diffuser, which is preferably attached to the probe or preferably part of the probe is.

Der optische Diffusor ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass er die aufgestrahlten und/oder von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen so umgelenkt, dass wenigstens ein so großer Teil des aufgestrahlten Lichts den flächigen optischen Sensor erreicht, dass dadurch trotz einer spiegelnden Oberfläche auf dem Sensor ein Lichtband-Abbild erzielt werden kann, welches ausgewertet werden kann.The optical diffuser is designed and arranged so that it deflects the radiated and / or reflected from the surface light rays so that at least as much of the radiated light reaches the planar optical sensor, thereby characterized despite a reflective surface on the sensor Light band image can be achieved, which can be evaluated.

Der Diffusor besitzt insbesondere eine Vielzahl von parallel nebeneinander angeordneten lichtdurchlässigen Stablinsen, die entlang ihrer Erstreckung einen konstanten Querschnitt, beispielsweise einen halbkugel-förmigen oder halblinsenförmigen Querschnitt, besitzen und vorzugsweise eine lineare Verlaufsrichtung aufweisen.In particular, the diffuser has a multiplicity of translucent rod lenses arranged parallel to one another and having along their extent a constant cross section, for example a hemispherical or half-lens-shaped cross section, and preferably having a linear course direction.

Vorzugsweise sind die Stablinsen entlang einer Diffusor-Ebene angeordnet, die quer, vorzugsweise lotrecht, zur Fächerebene desjenigen Lichtfächers, der sie durchdringt, angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Stablinsen ohne Abstand nebeneinander angeordnet, damit kein Lichtstrahl zwischen den Diffusor-Linsen hindurchtreten kann.The rod lenses are preferably arranged along a diffuser plane which is arranged transversely, preferably perpendicular, to the fan plane of the light fan which penetrates it. Preferably, the rod lenses are arranged next to each other without spacing, so that no light beam can pass between the diffuser lenses.

Der Diffusor ist so angeordnet, dass die Verlaufsrichtung der Stablinsen quer, insbesondere lotrecht. Zur Fächerebene desjenigen Lichtfächers, der sie durchdringt, verläuft.The diffuser is arranged so that the course direction of the rod lenses transversely, in particular perpendicular. To the fan level of the light fan that penetrates them, runs.

Die Stablinsen können auf einem Trägerkörper angeordnet sein, der ebenfalls lichtdurchlässig für das zum Abtasten verwendete Licht ist und vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Stablinsen besteht, insbesondere mit diesen zusammen einstückig ausgebildet ist, wodurch die Herstellung erleichtert wird.The rod lenses can be arranged on a carrier body, which is also translucent for the light used for scanning and preferably consists of the same material as the rod lenses, in particular integrally formed with these together, whereby the production is facilitated.

Um das Messergebnis möglichst wenig zu verfälschen, sind die Querschnitte der Stablinsen in der Aufsicht betrachtet möglichst klein, insbesondere besitzen die Stablinsen eine Breite von unter 100 µm, insbesondere unter 30 µm, insbesondere unter 10 µm.In order to falsify the measurement result as little as possible, the cross sections of the rod lenses viewed in the plan view are as small as possible, in particular the rod lenses have a width of less than 100 .mu.m, in particular less than 30 .mu.m, in particular less than 10 microns.

Die Breite der Stablinsen sollte wesentlich geringer sein als die kleinste mögliche Auflösung, mit der der Messkopf abtasten können soll, insbesondere höchstens 1/5, besser höchstens 1/10 dieser Auflösung betragen. Wenn also Oberflächen-konturen mit einer bestimmten Genauigkeit, von z.B. 50µ, abtastbar sein sollen, darf die in der Aufsicht betrachtete Breite der Stablinsen, also maximal 10 µm, besser maximal 5 µm betragen.The width of the rod lenses should be much lower than the smallest possible resolution with which the measuring head should be able to scan, in particular at most 1/5, better than 1/10 of this resolution. Thus, if surface contours with a certain accuracy, e.g. 50μ, should be palpable, may be considered in the supervision width of the rod lenses, ie a maximum of 10 microns, better than 5 microns maximum.

Das optische, berührungslose Abtasten einer spiegelnden Oberfläche eines Objektes erfolgt, indem

- wenigstens ein fächerförmiger Lichtstrahl in einer Aufstrahlrichtung auf die Oberfläche gerichtet wird,
- das auf der Oberfläche dadurch erzeugte Lichtband von einer Detektoreinheit, die einen flächigen optischen Sensor umfasst, als Lichtband-Abbild aufgenommen wird,
- wobei die Abtastrichtung der Detektoreinheit in einem Triangulationswinkel zur Aufstrahlrichtung des Lichtstrahles steht,

dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtstrahlen des aufgestrahlten oder des reflektierten Lichtfächers so umgelenkt werden, dass wenigstens ein Teil der aufgestrahlten Lichtstrahlen den flächigen optischen Sensor erreicht,
insbesondere
dadurch gekennzeichnet, dass
das Umlenken mittels eines optischen Diffusors bewirkt wird, der Stab-Linsen enthält, und der von dem aufgestrahlten oder dem reflektierten Lichtfächer durchstrahlt wird,
insbesondere
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stab-Linsen durch Aufbringen und Aushärten einer Flüssigkeit oder pastösen Masse in einer linearen Richtung auf einem Trägerkörper hergestellt sind,
insbesondere
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Prüfkopf mit nur einer Detektoreinheit der Prüfkopf bei Betrachtung in Verlaufsrichtung des Lichtbandes mit der Winkelhalbierenden zwischen der Aufstrahlrichtung und der Abtastrichtung lotrecht zur Oberfläche eingestellt wird. The optical, non-contact scanning of a specular surface of an object takes place by

- At least a fan-shaped light beam is directed in a Aufstrahlrichtung on the surface,
the light band generated thereby on the surface is recorded as a light band image by a detector unit which comprises a planar optical sensor,
wherein the scanning direction of the detector unit is at a triangulation angle to the direction of irradiation of the light beam,

characterized in that
the light beams of the radiated or the reflected light fan are deflected so that at least a portion of the radiated light beams reaches the planar optical sensor,
especially
characterized in that
the deflection is effected by means of an optical diffuser which contains rod lenses and which is irradiated by the reflected or reflected light fan,
especially
characterized in that
the rod lenses are made by applying and curing a liquid or pasty mass in a linear direction on a carrier body,
especially
characterized in that
in the case of a test head with only one detector unit, the test head is set perpendicular to the surface when viewed in the direction of the light band with the bisecting line between the irradiation direction and the scanning direction.

Ausführungsbeispiele:EXAMPLES

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:

1: einen Prüfkopf zur Anwendung des Lichtschnitt-Triangulationsverfahrens mit einem optischen Sensor nach dem Stand der Technik in der Seitenansicht,
2a: die Detektoreinheit der 1 in der Frontansicht,
2b: eine Aufsicht auf die Oberfläche des Objektes,
3a: ein Lichtband-Abbild auf dem flächigen Sensor,,
3b: eine Detailvergrößerung aus 3a,
4a, b: den Strahlengang bei einer spiegelnden Oberfläche ohne bzw. mit dem erfindungsgemäßen Diffusor,
4b1: den Strahlengang vergrößert im Bereich des Diffusors,
5: den Diffusor in der Aufsicht sowie in Stirnansicht.

Embodiments according to the invention are described in more detail below by way of example. Show it:

1 : a test head for applying the light-section triangulation method with a prior art optical sensor in side view,
2a : the detector unit of 1 in the front view,
2 B : a view of the surface of the object,
3a : a light band image on the planar sensor ,,
3b : a detail enlargement 3a .
4a, b : the beam path in the case of a reflecting surface without or with the diffuser according to the invention,
4b1 : the beam path increases in the area of the diffuser,
5 : the diffuser in the top view as well as in front view.

1 zeigt einen Prüfkopf 6 in der Seitenansicht, die auch erkennen lässt, wie das bekannte Lichtschnitt-Triangulationsverfahren prinzipiell funktioniert, welches im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden soll bevorzugt vor anderen optischen, berührungslosen Prüfverfahren, die auf der Reflektion von Licht an der zu überprüfenden Oberfläche basieren: 1 shows a probe 6 in the side view, which also shows how the known light-slit triangulation method works in principle, which is to be used in the invention, preferably in front of other optical, non-contact test methods based on the reflection of light on the surface to be checked:

Dabei wird ein Lichtfächer 3", in der Regel bewirkt durch einen Laser als Lichtquelle 14, auf die Oberfläche 22 eines Objektes 1 gerichtet und erzeugt dort ein Lichtband 3, welches aufgrund der Fächerform - wie in 2b ersichtlich - streifenförmig ausgebildet ist mit einer Lichtbandlänge 18, wie aus 2a ersichtlich.This is a light fan 3 ' , usually caused by a laser as a light source 14 , on the surface 22 an object 1 directed and produced there a light band 3 , which due to the fan shape - as in 2 B visible - is formed strip-shaped with a light band length 18 , like out 2a seen.

Der von der Oberfläche 22 des Objektes 1 reflektierte Lichtfächer 3.5" erzeugt im Prüfkopf 6 auf dem flächigen, optischen Sensor 12 der Detektoreinheit 6a ein Lichtband-Abbild 4 und in einer damit verbundenen elektronischen Verarbeitungseinheit 11 zum Verarbeiten der von dem Sensor 12 aufgenommenen Bilddaten werden die Ergebnisdaten berechnet, die die Oberflächenkontur der Oberfläche 22 entlang des Lichtbandes 3 wiedergeben.The one from the surface 22 of the object 1 reflected light fans 3.5 " generated in the test head 6 on the flat, optical sensor 12 the detector unit 6a a light band image 4 and in an associated electronic processing unit 11 for processing the from the sensor 12 recorded image data, the result data are calculated, the surface contour of the surface 22 along the light band 3 play.

Obwohl der Lichtfächer 3" eine - wenn auch sehr geringe - Dicke besitzt und ebenso das Lichtband 3 eine Breite besitzt, wird aufgrund dieser sehr geringen Ausdehnungen für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung der Lichtfächer 3" gleichgesetzt mit der geometrischen Lichtfächer-Ebene 3", in der er liegt, beispielsweise indem die Lichtfächer-Ebene 3" in der Mitte der Dicke des Lichtfächer 3" liegen soll.Although the fan of light 3 ' has a - albeit very small - thickness and also the light band 3 has a width becomes due to these very small dimensions for the purposes of the present application of the light fans 3 ' equated with the geometric light fan level 3 ' in which he lies, for example, by the light fan level 3 ' in the middle of the thickness of the fan of light 3 ' should lie.

Das aufgestrahlte Lichtband 3 wird ebenfalls primär charakterisiert durch seine Verlaufsrichtung 3'.The illuminated strip of light 3 is also primarily characterized by its course direction 3. ' ,

Damit sich auf dem optischen Sensor 12 ein Lichtband-Abbild 4 abzeichnet, welches Rückschlüsse auf die tatsächliche Kontur der Oberfläche 2 zulässt, dürfen die - in Richtung der Verlaufsrichtung 3' des Lichtbandes 3 betrachtete - Aufstrahlrichtung 17 des Lichtfächers 3" und die Abtastrichtung 5 der Detektoreinheit 6a nicht zusammenfallen, sondern müssen sich durch einen Triangulationswinkel α unterscheiden.So that on the optical sensor 12 a light band image 4 indicates what conclusions on the actual contour of the surface 2 allows, the - in the direction of the direction 3. ' of the light band 3 considered - Aufstrahlrichtung 17 of the fan of light 3 ' and the scanning direction 5 the detector unit 6a do not coincide, but have to go through a triangulation angle α differ.

Vorliegend ist der Prüfkopf 6 so angeordnet, dass die Winkelhalbierende 13 zwischen der Aufstrahlrichtung 17 des Lichtfächers 3" und der Abtastrichtung 5 der Detektoreinheit eine lotrechte 21 zur Oberfläche 22 bildet, also diese beiden Richtungen also zu der Winkelhalbierenden 13 jeweils einen Zwischenwinkel α₁ = α₂ einnehmen, die in Summe den Triangulationswinkel α bilden.The present is the test head 6 arranged so that the bisector 13 between the direction of irradiation 17 of the fan of light 3 ' and the scanning direction 5 the detector unit is a vertical 21 to the surface 22 forms, so these two directions so to the bisector 13 each take an intermediate angle α ₁ = α ₂ , the sum of the triangulation angle α form.

Eine Unebenheit, beispielsweise eine Erhebung 2a, wie in 2a dargestellt, im Auftreffbereich des darauf aufgestrahlten Lichtfächers 3", wird als Lichtband 3 auf der Oberfläche 22 und damit als Lichtband-Abbild 4 auf dem Sensor 12 keine gerades Lichtband 4, sondern ein Lichtband 4 mit einer Aufwölbung 4a darin ergeben, wie in 3b dargestellt, wobei diese Aufwölbung 4a des Lichtband-Abbildes 4 abhängig von dem Triangulationswinkel α und der Lage der Winkelhalbierenden 13 zur Oberfläche 22 des Objektes 1 sich von der tatsächlichen Form der Aufwölbung 2a, geschnitten entlang der Lotrechten 21, unterscheidet.A bump, for example a bump 2a , as in 2a shown in the impact area of the illuminated fan on it 3 ' , is called a light band 3 on the surface 22 and thus as a light band image 4 on the sensor 12 no straight band of light 4 but a band of light 4 with a bulge 4a in it, as in 3b shown, with this bulge 4a of the light band image 4 depending on the triangulation angle α and the location of the bisectors 13 to the surface 22 of the object 1 different from the actual shape of the bulge 2a , cut along the verticals 21 differentiates.

Gemäß 1 wird bei einer Struktur der Oberfläche 22, die auftreffendes Licht diffus streut, das im Bereich des Lichtbandes 3 mit seiner Verlaufsrichtung 3' auftreffende Licht diffus in alle Richtungen gestreut, und ein Teil davon wird in Richtung der Detektoreinheit 6a, also des Durchlasses 23b im Gehäuse 16 des Prüfkopfes 6, reflektiert werden. According to 1 becomes at a structure of the surface 22 , which scatters incident light diffusely, that in the area of the light band 3 with its course direction 3. ' incident light is scattered diffusely in all directions, and part of it is directed towards the detector unit 6a , so the passage 23b in the case 16 of the test head 6 to be reflected.

Je stärker die Oberfläche 22 spiegelt, umso weniger wird das auftretende Licht diffus gestreut, sondern nur in einer bestimmten Richtung reflektiert. Nur wenn diese Reflexionsrichtung der Abtastrichtung 5 der Detektoreinheit 6a entspricht, ist auf dem Sensor 12 ein Lichtband-Abbild 4 zu erzielen.The stronger the surface 22 reflects, the less the diffused light is scattered diffusely, but reflected only in a certain direction. Only if this direction of reflection of the scanning direction 5 the detector unit 6a corresponds, is on the sensor 12 a light band image 4 to achieve.

Wegen der bekannten Lage des Prüfkopfes 6 sowie seines Triangulationswinkels α sowie der Fokussierung des Prüfkopfes 6 auf die Oberfläche kann aus den Abmessungen des Lichtband-Abbildes 4 auf die tatsächlichen Abmessungen der Aufwölbung 2a auf der Oberfläche 22 rechnerisch geschlossen werden.Because of the known position of the probe 6 as well as its triangulation angle α as well as the focusing of the test head 6 on the surface can from the dimensions of the light band image 4 on the actual dimensions of the bulge 2a on the surface 22 be closed mathematically.

Wie 1 zeigt, ist der Prüfkopf 6 von den Abmessungen in seiner Hauptebene 20 sehr kompakt aufgebaut, wobei die Lichtquelle 14, in der Regel eine Laserpatrone, nahe des für den Lichtstrahl vorgesehenen Durchlasses 23a im Gehäuse 16 angeordnet ist und der optische Sensor 12 nahe des anderen Durchlasses 23b, die sich beide in einer der Schmalseiten des Gehäuses 16 befinden, wobei zwischen diesem Durchlass 23b und dem optischen Sensor 12 häufig eine Umlenkung des in der Abtastrichtung 5 eintreffenden Lichtfächers 3.5" über einen Spiegel 19 in eine Richtung etwa parallel zu der Außenkante, in der sich die Durchlässe 23a, b befinden, erfolgt.As 1 shows is the test head 6 from the dimensions in its main plane 20 very compact, with the light source 14 , usually a laser cartridge, near the passageway provided for the light beam 23a in the case 16 is arranged and the optical sensor 12 near the other passage 23b , which are both in one of the narrow sides of the case 16 being between this passage 23b and the optical sensor 12 often a deflection of the in the scanning direction 5 incoming light fan 3.5 " over a mirror 19 in a direction approximately parallel to the outer edge, in which the passages 23a . b take place.

Sowohl der Sensor 12 als auch der Spiegel 19, die gemeinsam die Detektoreinheit 6a bilden, sind dabei an einem Detektor-Basiskörper befestigt, der seinerseits im Gehäuse 16 fixiert ist.Both the sensor 12 as well as the mirror 19 , which together form the detector unit 6a form, are attached to a detector base body, which in turn in the housing 16 is fixed.

Dadurch verbleibt auf der von der Außenseite mit den Durchlässen 23a, b abgewandten Hälfte des Gehäuses 16 ausreichend viel Platz, um dort eine parallel zur der Hauptebene 20 des Gehäuses 16 liegende Platine 24 anzuordnen, die die gesamte elektronische Verarbeitungseinheit 11 enthält und mit dem Sensor 12 über elektrische Leitungen ebenso in Verbindung steht wie mit der Lichtquelle 14. Die von der Verarbeitungseinheit 11 ermittelten Ergebnisdaten werden über einen Stecker oder Kabelausgang 15 ausgegeben.This leaves on the outside with the passages 23a . b remote half of the housing 16 enough space to have one parallel to the main level 20 of the housing 16 lying board 24 to arrange the whole electronic processing unit 11 contains and with the sensor 12 via electrical lines as well as with the light source 14 , The from the processing unit 11 determined result data are via a plug or cable outlet 15 output.

Die nach dem Lichtschnitt-Triangulationsverfahren hergestellten Einzelaufnahmen, die Scans S1, S2, S3 usw. werden in zeitlich schneller Abfolge wiederholt, um die sich in Bewegungsrichtung 7 relativ zum Prüfkopf 6 bewegende Oberfläche 22 des Objektes 1 durchgängig zu beobachten.The individual images produced by the light-slit triangulation method, the scans S1 . S2 . S3 etc. are repeated in quick succession to the moving direction 7 relative to the test head 6 moving surface 22 of the object 1 consistently observe.

Die 3a, b zeigen ein typisches bandförmiges Lichtband-Abbild 4 des Lichtbandes 3 einschließlich einer Aufwölbung 4a, wie es sich aufgrund einer Erhebung 2 auf der Oberfläche 22 auf einem optischen Sensor 12 darstellt, wenn die Erstreckungsrichtung 3' des Lichtbandes 3 quer zur Verlaufsrichtung 2' der Erhebung 2 liegt:The 3a, b show a typical band-shaped light band image 4 of the light band 3 including a bulge 4a as it is due to a survey 2 on the surface 22 on an optical sensor 12 represents when the extension direction 3. ' of the light band 3 transverse to the direction 2 ' the survey 2 lies:

Da die Fläche des optischen Sensors 12 durch Zeilen Z1, Z2 usw. sowie durch Reihen R1, R2 rasterartig in einzelne Pixel, zum Beispiel P30.17, unterteilt ist, ergibt die Auswertung des optischen Sensors 12, welche dieser Pixel von dem Lichtband-Abbild 4 getroffen sind und einen höheren Helligkeitswert besitzen als die nicht getroffenen Pixel.As the area of the optical sensor 12 through lines Z1 . Z2 etc. as well as through rows R1 . R2 grid-like into individual pixels, for example, P30.17, divided results in the evaluation of the optical sensor 12 which of these pixels from the light band image 4 are met and have a higher brightness value than the non-hit pixels.

Mit Hilfe der hintereinander durchgeführten Aufnahmen, der Scans S1, S2 usw. kann die gesamte dreidimensionale Kontur der zu prüfenden Bereiche der Oberfläche 22 ermittelt werden.With the help of the successive recordings, the scans S1 . S2 etc., the entire three-dimensional contour of the areas of the surface to be tested 22 be determined.

Die Vergrößerung der 3b zeigt, dass das Lichtband-Abbild 4 eine Breite besitzt, die ein Mehrfaches der Erstreckung eines Pixels beträgt.The enlargement of the 3b shows that the light band image 4 has a width which is a multiple of the extension of a pixel.

4a zeigt ein Abtasten einer spiegelnden Oberfläche 22 mit einem Prüfkopf 6 gemäß einem der 1a bis 2b, womit verdeutlicht werden soll, wie gut die Auflösung des optischen Prüfkopfes 6 ist. 4a zeigt, welches Probleme eine stark spiegelnde Oberfläche 22 - außer der Notwendigkeit der Ausrichtung des Prüfkopfes 6 mit der Winkelhalbierenden 13 lotrecht zur abzutastenden Oberfläche 22 - zusätzlich in der Fächer-Ebene 3" mit sich bringt: 4a shows a scanning of a specular surface 22 with a test head 6 according to one of 1a to 2 B , which should clarify how well the resolution of the optical probe 6 is. 4a shows what problems a highly reflective surface 22 - except for the need to align the probe 6 with the bisector 13 perpendicular to the surface to be scanned 22 - additionally in the fan level 3 ' brings with it:

Für die bessere Darstellbarkeit ist dabei der in Wirklichkeit an der Oberfläche 22 reflektierte Lichtfächer 3" um die spiegelnde Oberfläche 22 herum nach unten geklappt, als ob er die Oberfläche 22 durchlaufen würde.For the better representability is in reality on the surface 22 reflected light fans 3 ' around the reflective surface 22 flipped down around as if it were the surface 22 would go through.

Da jeder Lichtstrahl des Lichtfächers 3" auf der spiegelnden Oberfläche 22 nach dem optischen Gesetz Einfallwinkel = Ausfallwinkel in eine einzige Richtung reflektiert und nicht diffus gestreut wird, werden alle im aufgestrahlten Lichtfächer 3.17" abseits des Mittelstrahls 3*, der betrachtet in der Aufsicht auf den Lichtfächer 3" im rechten Winkel auf der Oberfläche 22 auftrifft, an der Oberfläche 22 vom Mittelstrahl 3* weg reflektiertBecause every ray of light of the fan of light 3 ' on the reflective surface 22 according to the optical law angle of incidence = angle of reflection is reflected in a single direction and not diffused, all in the illuminated light fan 3:17 " away from the center jet 3 * looking in the top view on the light fan 3 ' at right angles to the surface 22 hits, on the surface 22 from the center jet 3 * reflected away

In der Folge trifft nur ein sehr geringer Anteil von Lichtstrahlen des reflektierten Lichtfächer 3.5", nämlich die nahe am Mittelstrahl 3* liegen, auf dem optischen Sensor 12 auf, sodass die Helligkeitswerte der Pixel des sich auf dem Sensor 12 darstellenden Lichtbandes 4 so gering sein werden, dass eine sinnvolle Auswertung nicht mehr möglich ist.As a result, only a very small proportion of light rays of the reflected light fan 3.5 " that is, close to the center ray 3 * lie on the optical sensor 12 on, so the brightness values of the pixels of the sensor 12 performing rooflight 4 be so small that a meaningful evaluation is no longer possible.

4b zeigt, wie durch Einbringen eines Diffusors 10 der auf dem Sensor 12 auftreffende Anteil von Lichtstrahlen des aufgestrahlten Lichtfächers 3.17" vergrößert werden kann: 4b shows how by introducing a diffuser 10 the one on the sensor 12 impinging portion of light rays of the illuminated fan of light 3:17 " can be increased:

Zu diesem Zweck besitzt der Diffusor 10 die Gestalt gemäß 5 und weist mehrere gerade, nebeneinanderliegende Stablinsen 8 mit einer Verlaufsrichtung 8' auf, die insbesondere zusammen mit einem einstückig damit ausgebildeten Trägerkörper lückenlos nebeneinanderliegen.For this purpose, the diffuser has 10 the figure according to 5 and has several straight, adjacent rod lenses 8th with a course direction 8th' on, in particular, together with an integrally formed therewith carrier body next to each other gapless.

Der Diffusor 10 wird in den aufgestrahlten Lichtfächer 3" so eingebracht, dass zum einen der Diffusor 10 mit seiner Diffusor-Ebene 10', welche die höchsten Punkte der Stablinsen 8 miteinander verbindet, quer, insbesondere lotrecht, zur Fächer-Ebene 3" liegt und dabei zusätzlich die Verlaufsrichtung 8' der Stablinsen 8 quer, insbesondere lotrecht, zur Fächer-Ebene 3" verläuft.The diffuser 10 is in the illuminated light fan 3 ' inserted so that, on the one hand, the diffuser 10 with its diffuser level 10 ' , which are the highest points of the rod lenses 8th connects to each other, across, in particular perpendicular, to the fan level 3 ' lies and additionally the course direction 8th' the rod lenses 8th transverse, in particular perpendicular, to the fan level 3 ' runs.

Dadurch werden die auf dem Diffusor 10 auftreffenden Lichtstrahlen so abgelenkt, wie in 4b1 vergrößert für das linke Ende des Diffusors 10 und des aufgestrahlten Lichtfächers 3.17" dargestellt:This will cause the on the diffuser 10 incident light rays as distracted as in 4b1 enlarged for the left end of the diffuser 10 and the illuminated fan of light 3:17 " shown:

In den äußeren Bereichen des Lichtfächers 3" treffen die einzelnen Lichtstrahlen unter der größten Winkelabweichung zur Richtung des Mittelstrahls 3* auf.In the outer areas of the fan of light 3 ' the individual light rays hit the direction of the central ray under the largest angle deviation 3 * on.

Beim Eintritt in den Diffusor 10 in dessen ebene Oberseite werden sie in der Fächer-Ebene 3" ein erstes Mal alle in Richtung der Lotrechten zur Diffusor-Ebene 10" um den Ablenkungswinkel β abgelenkt, da der Diffusor 10 aus einem optisch dichteren Material besteht als die umgebende Luft.When entering the diffuser 10 in the flat top they are in the fan level 3 ' a first time all in the direction of the perpendicular to the diffuser plane 10 " around the deflection angle β distracted, because the diffuser 10 made of a visually denser material than the surrounding air.

Beim Austritt aus der linsenförmigen Unterseite des Diffusors 10 werden die Lichtstrahlen wiederum abgelenkt, aufgrund der Wirkung dieser Sammellinse jedoch jeweils zur optischen Achse 8* der jeweiligen Stablinse 8 hin.When exiting the lenticular bottom of the diffuser 10 The light beams are deflected again, however, due to the effect of this positive lens, however, each to the optical axis 8th* the respective rod lens 8th out.

All diejenigen aus einer Stablinse 8 in Richtung Oberfläche 22 austretenden Lichtstrahlen, die zum Mittelstrahl 3* hin geneigt verlaufen - also in 4b1 die jeweils aus der linken Hälfte jeder Stablinse 8 austretenden Lichtstrahlen -, werden an der Oberfläche 22 in Richtung Mittelstrahl 3* reflektiert, also umgelenkt, und ein Teil dieser Lichtstrahlen, die insbesondere beim Auftreffen auf dem Diffusor 10 bereits seitlich außerhalb des Sensors 12 lagen, wird deshalb nun auf dem Sensor 12 auftreffen.All those from a rod lens 8th towards the surface 22 emerging light rays that are the center beam 3 * inclined towards - so in 4b1 each from the left half of each rod lens 8th emerging rays of light -, become on the surface 22 in the direction of the center ray 3 * reflected, ie deflected, and part of these rays of light, especially when hitting the diffuser 10 already laterally outside the sensor 12 Therefore, is now on the sensor 12 incident.

Dadurch erreichen die von dem Lichtband-Abbild 4 auf dem Sensor 12 betroffenen Pixel so hohe Helligkeitswerte, dass eine Auswertung des Lichtband-Abbildes 4 mit guter Auswertungs-Qualität möglich ist.As a result, they reach the light band image 4 on the sensor 12 affected pixels so high brightness values that an evaluation of the light band image 4 with good evaluation quality is possible.

4b1 z lässt erkennen, warum sich dies bei dem mittigen Anteil des Lichtfächers 3", der den Sensor 12 auch ohne Diffusor 10 erreichen würde, nicht nachteilig auswirkt: 4b1 z reveals why this is the central part of the fan of light 3 ' that the sensor 12 also without diffuser 10 would not adversely affect:

Diese Lichtstrahlen treffen auf der ebenen Rückseite des Diffusors 10 so gut wie lotrecht auf, sodass sie beim Eintritt in die ebene Rückseite diese im Wesentlichen ohne Ablenkung durchlaufen. Sie werden dann lediglich beim Austritt aus den einzelnen Stablinsen 8 zu deren jeweiliger optischer Achse 8* hin gebündelt, erreichen aber den Sensor 12 ohne Verlust.These rays of light hit the flat back of the diffuser 10 as good as vertical, so that they pass through the entrance to the flat back this essentially without distraction. They are then only at the exit from the individual rod lenses 8th to their respective optical axis 8th* bundled, but reach the sensor 12 without loss.

4b1 lässt ferner erkennen, dass der Diffusor 10 in 4b auch unterhalb der spiegelnden Oberfläche 22, also im Strahlengang zwischen der Oberfläche 22 und dem Sensor 12, angeordnet werden könnte, wiederum mit gleicher Orientierung wie zuvor beschrieben, also mit der ebenen Rückseite dann zur spiegelnden Oberfläche 22 hin und mit der konvex gewölbten Seite zum Sensor 12 hin. 4b1 also indicates that the diffuser 10 in 4b also below the reflective surface 22 , ie in the beam path between the surface 22 and the sensor 12 , could be arranged, again with the same orientation as described above, ie with the flat back then to the specular surface 22 towards and with the convex side to the sensor 12 out.

Allerdings müsste dann der Diffusor 10 in dieser Blickrichtung breiter sein, weshalb die Anordnung zwischen Lichtquelle 14 und spiegelnder Oberfläche 22, insbesondere am Prüfkopf 6, zu bevorzugen ist.However, then would have the diffuser 10 be wider in this line of sight, which is why the arrangement between light source 14 and reflective surface 22 , in particular on the test head 6 , to be preferred.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Objektobject
22: Erhebung, WulstElevation, bead
2'2 ': Verlaufsrichtungrunning direction
33: Lichtbandtrunking
3'3 ': Erstreckungsrichtung, Verlaufsrichtung LichtbandExtension direction, direction of light band
3"3 ': Lichtfächer, FächerebeneLight fan, fan level
3.17"3:17 ": aufgestrahlter Lichtfächerilluminated light fan
3.5"3.5 ": reflektierter Lichtfächerreflected light fan
44: Lichtband-AbbildLight band image
4a4a: Aufwölbungupheaval
4b4b: Vertiefungdeepening
55: Abtastrichtung, Beobachtungsrichtung, reflektierter Lichtstrahl, ReflektionsrichtungScanning direction, observation direction, reflected light beam, reflection direction
66: Prüfkopfprobe
6a6a: Detektoreinheitdetector unit
77: Bewegungsrichtungmovement direction
88th: Stablinserod lens
8'8th': Verlaufsrichtungrunning direction
8*8th*: optische Achseoptical axis
99: Abstanddistance
1010: Diffusordiffuser
10"10 ": Diffusor-EbeneDiffuser plane
1111: elektronische Verarbeitungseinheitelectronic processing unit
1212: optischer Sensoroptical sensor
1313: Winkelhalbierendebisecting
1414: Lichtquellelight source
1515: Stecker, KabelauslassPlug, cable outlet
1616: Gehäusecasing
1717: AufstrahlrichtungAufstrahlrichtung
1818: Beobachtungsbreite, LichtbandlängeObservation width, light band length
1919: Spiegelmirror
2020: Hauptebenemain level
2121: Lotrechtevertical
2222: Oberflächesurface
2323: a, b Durchlassa, b passage
2424: Platine circuit board
Z1Z1: Zeilerow
R1R1: Reiheline
S1, S2S1, S2: Scanscan
αα: Triangulationswinkeltriangulation
α1, α2α1, α2: Zwischenwinkelintermediate angle
ββ: Ablenkungswinkelangle of deflection

Claims

Device having a test head (6) for the optical, non-contact scanning of a specular surface (2) of an object (1) with a light source (14), which has a light fan (3 ") in a direction of irradiation (17) on the specular surface (2 A detector unit (6) with a planar optical sensor (12) whose scanning direction (5) directed towards the light band (3) is viewed when viewed in the direction of travel (3 ') of the light band (3 ) in a triangulation angle (a) to the irradiation direction (17) of the light fan (3 ") is characterized by - in the beam path of the test head (6) arranged for the light of the light source (14) permeable, optical diffuser (10).

Device after Claim 1 , characterized in that the optical diffuser (10) is arranged so that the reflected light fan (3.5 ") or, preferably, the irradiated light fan (3.17 ') passes through the optical diffuser (10).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical diffuser (10) is designed and arranged so that it deflects the light beams of the radiated or the reflected light fan (3 ") so that at least a portion of these light beams the planar optical sensor (12) reached.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the diffuser (10) is formed and arranged so that it causes a deflection of the incident light rays only in the illuminated light fan (3.17 "), or the reflected light fan (3.5") ,

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the diffuser (10) has a plurality of translucent rod lenses (8) arranged next to one another with a convexly curved side and a flat side in particular when viewing the cross section, with rod lenses (8) arranged next to one another. the flat sides are each arranged on the same side and in particular aligned with each other.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the particular straight running direction (8 ') of the rod lenses (8) transversely, in particular perpendicular, to the illuminated light fan (3.17 ") or H reflected light fan (3.5") runs.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the rod lenses (8) at a minimum distance from each other, in particular a distance which is less than their diameter considered in the plan view, in particular without gap to each other, along a diffuser plane ( 10 ") are arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the diffuser (10) is attached to the test head (6) or is part of the test head (6).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the rod lenses (8) are as small as possible, in particular viewed in the plan view a width of less than 100μm, in particular below 30μm, in particular below 10μm own.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the rod lenses (8) viewed in the plan view have a width which is at most 1/5, better at most 1/10 the smallest possible resolution with which the measuring head can scan is.