DE2648772A1

DE2648772A1 - Verfahren und vorrichtung zum optischen vergleichen der raumkoordinaten von oberflaechenpunkten mehrerer dreidimensionaler koerper

Info

Publication number: DE2648772A1
Application number: DE19762648772
Authority: DE
Inventors: Pierre Couderc; Jacques Guinet; Hermite Alain L; Dimitri Paraskevas
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1977-07-14
Also published as: SU677683A3; JPS5283247A; FR2337329B1; DD127764A5; FR2337329A1

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN
DIPL-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

WIDENMAYERSTBASSE 6 D-80OO MÜNCHEN 22 TEL. (089) 22 25 30 - 29 51 92

27. Oktober 1976

A 25476 Mü/De

Firma CENTRE TECHNIQUE DES INDUSTRIES MECANIQUES, 2 Avenue Felix Louat, 60304 SenliS/ Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zum optischen Vergleichen der Raumkoordinaten von Oberflächenpunkten mehrerer dreidimensionaler Körper.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Vergleichen der Raumkoordinaten von Oberflächenpunkten eines zu untersuchenden dreidimensionalen Körpers mit denjenigen eines Bezugskörpers. Das Verfahren besteht darin, daß auf dem zu untersuchenden Körper gleichzeitig durch ein erstes und ein zweites optisches System hindurch von einem ersten und einem zweiten Lichtbündel gebildete Abbildungen eines ersten und eines zweiten Rastermusters abgebildet werden, wobei die beiden optischen Systeme eine feste Stellung bezüglich eines Bezugspunktes aufweisen, der zur Definition der Stellung des Bezugskörpers dient, und deren optische Achsen gegen den Bezugskörper hin konvergieren, und wobei das zweite Rastermuster eine durch das zweite optische System hindurchgehende Abbildung der Abbildung des ersten Rastermusters, abgebildet auf dem Bezugskörper durch das erste optische System hindurch, ist.

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Bankhaus Merck," Finck & Co München Nr 25464 I Bankhaus H Aufhäuser. München. Nr 26!3OO Postscheck München 20904 SOO

Te if>g ram mad ress«; Patentsen'or

Es sind auf diese Weise arbeitende optische Systeme bekannt, welche einen Vergleich der Formen eines oder mehrerer dreidimensionaler Körper mit einem Bezugskörper ähnlicher Gestalt und Dimension ermöglichen oder das Zurückdrängen eines Körpers in eine Bezugsstellung. Bei einem dieser bekannten VErfahren wird als erstes Rastermuster ein von lichtundurchlässigen Parallelstreifen durchzogenes lichtdurchlässiges Material verwendet, während als zweites Rastermuster ein Positiväbdruck des Bezugskörpers durch das zweite optische System hindurch dient, und zwar im Positivabdruck des vom zweiten optischen System durch das erste Rastermuster hindurch beleuchteten Bezugskörpers. Die Abstände zwischen den Raumkoordinaten der verschiedenen Punkte auf der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers und des Bezugskörpers ergeben einen Verschiebungseffekt auf der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers, der direkt sichtbar ist. Diese Technik, die als additive Musterverschiebung bezeichnet wird, weist zwei wesentliche Nachteile auf. Zum einen sind die Verschiebungsmuster wenig kontrastreich, was insbesondere dann ein deutlicher Nachteil ist, wenn die zu untersuchenden Körper eine matte Oberfläche besitzen. Andererseits ist es im allgemeinen unmöglich, wenn der in Erscheinung tretende Abstand zwischen den Raumkoordinaten von Punkten bestimmter Oberflächenzonen der zu vergleichenden Körper einen Verschiebungseffekt erbringt, festzustellen, ob dieser Abstand positiv oder negativ bezüglich irgendeiner bestimmten Richtung ist; beispielsweise kann nicht gesagt werden, ob der zu untersuchende Körper bezüglich des Bezugskörpers konkav oder konvex ist, d.h. ob sich die Punkte des zu untersuchenden Körpers in einem bestimmten Richtungssinn vor oder hinter den entsprechenden Punkten des Bezugskörpers befinden. Eine andere be-

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kannte Technik, die als multiplikative Musterverschiebung öder auch als differentielle MusterverSchiebung bezeichnet wird, erlaubt zwar die Beobachtung sehr kontrastreicher MusterverSchiebungen, jedoch sind die Abbildungen dimensionsmäßig bezüglich den zu untersuchenden Körpern verkleinert was die Beobachtung wiederum erschwert, Eine Feststellung, ob die Abweichungen positiv oder negativ gerichtet sind, ist auch mit dieser zweiten Methode nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung 1st deshalb die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit deren Hilfe nicht nur die Musterverschiebung wesentlich kontrastreicher wird sondern es möglich ist, durch direkte Beobachtung das Vorzeichen der Abweichung bezüglich der Form oder der Lage des zu untersuchenden Körpers vom Bezugskörper festzustellen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst, daß das erste Rastermuster durch lichtündurchlässige Zonen gebildet wird, welche bezüglich zweier sich schneidender Achsen regelmäßig in Art eines Schachbrettmusters verteilt sind, und daß zwei Lichtbündel unterschiedlicher Farbe verwendet werden.

Vorzugsweise weist die Fröquenzverteilung der Energiestrahlung der beiden Lichtbündel nur ein einziges Maximum auf, derart, daß die Lichtbündel als monochromatisch betrachtet werden können.

Das erste Rastermuster kann beispielsweise durch ein Schachbrettmuster mit einzelnen Quadraten oder Dreiecken gebildet sein.

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Das zweite Rastermuster kann dadurch erzeugt werden, daß man durch das zweite optische System hindurch die Abbildung des ersten Rastermusters, welches auf der Oberfläche des Bezugskörpers durch das erste optische System hindurch gebildet wird, abfotografiert, oder aber auch dadurch, daß eine entsprechende Platte mittels einer Vorrichtung hergestellt wird, welche auf der Grundlage der geometrischen Gegebenheiten des ersten Lichtbündels, der Eigenschaften des zweiten optischen Systems und der mathematischen Gleichung der Oberfläche des Bezugskörpers gesteuert wird.

Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1a Schemaskizzen zur Erläuterung der Vorrichtung nach [der und 1b:

Erfindung,

Fig. 2a, Beispiele von Rastermustern der Vorrichtung nach Fig. 1,

2b und

2c: und

Fig. 3, Beispiele von auf den zu untersuchenden Körper beobacht-

und 3c: baren Abbildungen.

Fig. 1a bezieht sich auf die erste Phase des Verfahrens, und zwar für den Fall eines reellen Körpers. Auf einem Bezugskörper 1, dessen Lage in einem Bezugs-Koordinatensystem 2 (x,y,z), beispielsweise einem mit einem Labortisch übereinstimmenden Bezugssystem, bekannt ist, wird mit Hilfe einer ersten Lichtquelle 3 und eines ersten optischen Systems 4 die Abbildung eines ersten Rastermusters 5 abgebildet.

Dieses erste Rastermuster 5 besteht aus lichtundurchlässigen Zonen,

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welche bezüglich zweier sich schneidender Achsen regelmäßig verteilt sind, wobei diese Zonen die Form von Quadraten, REchtecken oder Dreiecken haben können, wie dies in den Fig. 2a, 2b und 2c gezeigt ist. Die durch ein zweites optisches System 6 hindurch erhaltene Abbildung des Bezugskörpers, beleuchtet durch die Abbildung des ersten Rastermusters, wird auf einer ebenen Platte 7 fixiert, beispielsweise durch Photographie. Die optischen Achsen der Systeme 4 und 6 konvergieren gegen den Bezugskörper 1. Die Lichtquelle 3, die Systeme 4 und 6, das Rastermuster 5 und die Platte 7 befinden sich in einer festen Position, wobei die entsprechenden Positionen im Koordinatensystem 2 bekannt sind.

Der positive oder negative Abzug, der durch die Fixierung der Abbildung des vom ersten Rastermuster beleuchteten Bezugsgegenstandes entsteht, wird dann in der zweiten Verfahrensstufe als zweites Rastermuster 8 verwendet, wie aus Fig. 1b hervorgeht. In dieser zweiten Verfahrensstufe wird der Bezugskörper 1 durch einen zu untersuchenden Körper 9 ersetzt, das Rastermuster 8 wird an die Stelle der Platte 7 gesetzt,und eine zweite Lichtquelle 10 wirft auf den zu untersuchenden Körper 9 durch das zweite optische System 6 hindurch das Bild des zweiten Rastermusters 8. Zugleich bildet die erste Lichtquelle 3 auf dem zu untersuchenden Körper 9 durch das erste optische System 4 hindurch das Bild des ersten Rastermusters 5 ab. Wenn das zweite Rastermuster 8 ein positiver Abzug ist, dann behält das erste Rastermuster die Position, die es vorher während der ersten Verfahrensstufe hatte. Wenn dagegen das zweite Rastermuster ein negativer Abzug ist, dann soll das erste Rastermuster verschoben oder, wenn es in seiner Ebene bleibt, umgedreht werden, derart, daß die während der ersten Verfahrensstufe

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von den lichtdurchlässigen Zonen besetzten Stellen während der
zweiten Verfahrensstufe von den undurchlässigen Zonen besetzt
werden, und umgekehrt, wodurch eine identische Form und Verteilung der lichtundurchlässigen und der lichtdurchlässigen Zonen erreicht wird. Die Farbfilter 11 und 12 sind in den Strahlenweg des ersten
Lichtbündels 13 bzw. des zweiten Lichtbündels 14 eingesetzt, wobei die Farben der beiden Filter unterschiedlich sind. Vorzugsweise weist das Frequenzspektrum der beiden Strahlenbündel jeweils nur
eine begrenzte Anzahl an Komponenten auf.

Der sich auf der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers erhebende optische Effekt ist besonders gut zu beobachten, weil sich die Farben der beiden Lichtbündel 13 und 14 nicht nur untereinander sondern auch von der eigentlichen Farbe des Körpers unterscheiden.

Die Struktur dieses optischen Effekts ist in den Fig. 3a, 3b und
3c für den Fall dargestellt, daß das erste Rastermuster 5 ein
Schachbrettmuster mit rechteckigen Feldern ist und daß der Abstand zwischen den Raumkoordinaten der Schnitte b oder c des zu untersuchenden Körpers von denjenigen des Schnittes a durch den Bezugskörper kleiner ist als die Strecke h, die auf Fig. 3 dargestellt
ist; diese Fig. 3 stellt schematisch die Struktur der Strahlenbündel 13 und 14 nach einer Spurebene T die im wesentlichen senkrecht

dar.

zur Oberfläche des zu untersuchenden Körpers steht_; Wenn die Raumkoordinaten im Koordinatensystem 2 der Oberfläche des Körpers 9
genau in Einklang sind mit denjenigen der Oberfläche des Bezugskörpers 1, dann werden die hellen und die ausgelöschten Zonen des
Strahlenbündels sich auf der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers 9 genau den entsprechenden Zonen des Strahlenbündels 13 über-

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lagert, derart, daß helle uberlagerungszonen 15 entstehen, deren Farbe bei einem weißen Körper 9 ein Gemisch aus den Farben der beiden Strahlenbündel 13 und 14 ist, und dunkle Zonen 16; dies ist in Fig. 3a dargestellt.

Wenn dagegen die Oberfläche des zu untersuchenden Körpers, wie die Schnittlinie b, konkav ist oder bezüglich der Oberfläche des Bezugskörpers 1 nach hinten versetzt ist, so ergibt sich keine Übereinstimmung mehr zwischen den hellen und den dunklen Zonen der beiden Lichtbündel 13 und 14, vielmehr wird das zweite Lichtbündel 14, beispielsweise das rechts vom Lichtbündel 13, auf der rechten Seite den entsprechenden dunklen Bereich 16 des ersten Lichtbündels 13 erhellen, während das Lichtbündel 13 auf der linken Seite die entsprechende dunkle Zone 16 des zweiten Lichtbündels 14 erhält. Dies setzt sich auf der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers fort, wodurch Übergangszonen 13' und 14' entstehen, deren Farbe jeweils der Farbe des Lichtbündels 13 bzw. 14 entspricht, wobei diese Übergangszonen zwischen den Lichtüberlagerungszonen 15 und den völlig dunklen Zonen 16 auftreten, wie dies aus Fig. 3b hervorgeht.

Wenn dagegen die Oberfläche des zu untersuchenden Körpers 9, wie etwa die Schnittlinie c, bezüglich der Oberfläche des Bezugskörpers weiter nach vorne liegt, dann ist die Lage der uberlagerungszonen 13¹ und 14" bezüglich der Lichtzonen 15 und der Dunkelzonen 16 gerade umgekehrt, gegeben durch die relative Stellung der Strahlenbündel 13 und 14; dies ist in Fig. 3c dargestellt.

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_ cw _

AA

Weiterhin ergibt sich eine einfache Beziehung zwischen der Oberfläche der Zone 13' und 14' zu der Entfernung, welche die Schnittlinien b und c von der Schnittlinie a trennt. Der Ort und die Oberfläche der Zonen 13' und 14' zu den Überlagerungszonen 15 gestattet deshalb,durch direkte Beobachtung die Größe und das Vorzeichen der Abweichung zwischen den Raumkoordinaten der Oberflächenpunkte des zu untersuchenden Körpers und derjenigen der entsprechenden Oberflächenpunkte des Bezugskörpers festzustellen.

Ist das Ergebnis örtlich begrenzt^dann ist es möglich, trotzdem eine falsche Gesamtneigung des Körpers festzustellen, etwa daß beispielsweise der obere Teil eine Abweichung nach hinten und der untere Teil eine solche nach vorne hat. In diesem Fall ergeben sich im Gegensatz zu den Darstellungen der Fig. 3b und 3c, welche einer einfachen Verschiebung des zu untersuchenden Körpers entsprechen, in senkrechter Richtung Unterschiede in den Oberflächen der Übergangszonen 13' und 14'.

Wenn die Abweichung zwischen der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers und derjenigen des Bezugskörpers die in Fig. 3 dargestellte Strecke h überschreitet, dann zeigen sich auf dem Bezugskörper optische Überlagerungserscheinungen bzw. Interfer-enzen. Die Zahl dieser Überlagerungen ist umso größer, je größer die Abweichung istj und die Beobachtung dieser Überlagerungen und Abweichungslinien gestattet es, selbst einen stark verschobenen Körper wiede_r in die richtige Position zurückzubringen.

Die Struktur des ersten Rastermusters 5 kann entsprechend der Form des zu untersuchenden Körpers gewählt werden. Ein Muster aus quadratischen Feldern bevorzugt keine Richtung, ein Muster aus

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-> Al

rechteckigen Feldern gestatte^ die horizontale oder die vertikale Richtung zu bevorzugen und ein Muster aus dreieckigen Feldern schließlich ermöglicht die Bevorzugung einer Richtung bestimmter Neigung.

Wenn es nicht möglich ist, einen Bezugskörper anzuordnen, kann das zweite Rastermuster 8 Punkt für Punkt berechnet werden, und zwar aufgrund der Gegebenheiten der Struktur des ersten Rastermusters 5, der optischen Systeme 4 und 6 und der mathematischen Formel für die Oberfläche des gedachten Bezugskörpers 1, und zwar mittels der bekannten Regeln der geometrischen Optik.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können auch dann Anwendung finden, wenn die zu vergleichenden Körper periodische Bewegungen ausführen, beispielsweise sinusförmige Bewegungen. In diesem Fall wird die Abbildung des Bezugskörpers durch irgendein stro loskopisches Verfahren erhalten, und zwar für eine Stellung des Bezugskörpers 1 im Koordinatensystem 2, welche durch einen bestimmten Phasenwinkel 0 bezüglich einer Mittelstellung des Gegenstandes definiert ist. Auch die Erzeugung der Abbildung des zweiten Rastermusters 8 auf den zu untersuchenden Körper 9 wird dann stroboskopisch durchgeführt und soll erfolgen, wenn der zu untersuchende Körper 9 sich in einer Stellung befindet, die durch denselben Phasenwinkel 0 bezüglich seiner Mittelstellung definiert ist.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können etwa die beiden Lichtbündel 13 und 14 unterschiedlicher Farbe auch durch zwei Laser-

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strahlen unterschiedlicher Farbe ersetzt werde^ und die beiden Beleuchtungsquellen 3 und 10 können auch aus einer einzigen Leuchtquelle bestehen, welche mittels geeigneter optischer Geräte zwei Lichtbündel von unterschiedlichen Punkten konvergierend gegen den zu untersuchenden Körper 9 aussendet.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum optischen Vergleichen der Raumkoordinaten von Punkten der Oberfläche eines zu untersuchenden dreidimensionalen Körpers mit denjenigen eines Bezugskörpers, bei welchem auf dem zu untersuchenden Körper gleichzeitig die Abbildungen eines ersten und eines zweiten Rastermusters abgebildet werden, und zwar durch ein erstes und zweites optisches System hindurch mittels eines ersten und zweiten Lichtbündels, wobei die beiden optischen Systeme eine feste Lage zu einem Bezugspunkt besitzen, welcher zur Definition der Lage des Bezugskörpers dient und wobei die optischen Achsen gegen den Bezugskörper hin konvergieren, und bei dem das zweite Rastermuster eine durch das zweite optische System hindurch erzeugte Abbildung des Bildes des ersten Rastermusters, abgebildet auf dem Bezugskörper durch das erste optische System hindurch, ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rastermuster (5) aus lichtundurchlässigen Zonen gebildet wird, die in Richtung zweier sich schneidender Achsen gleichmäßig in Art eines Schachbrettmusters verteilt sind, und daß zwei Lichtbündel (13,14) unterschiedlicher Farbe verwendet werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung des ersten Rastermusters (5) durch das erste optische System (4) hindurch auf den Bezugskörper (1) fotografiert und ein zweites Rastermuster (8) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rastermuster (8) durch Bedrucken einer Platte mittels einer Steuervorrichtung erzeugt wird, welche auf der Grundlage der geometrischen Gegebenheiten des ersten Strahlenbündels (13), des zweiten optischen Systems (6) und der mathematischen Gleichung der Oberfläche des Bezugskörpers (1) arbeitet.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer ersten Beleuchtungsquelle zum Beleuchten eines ersten Rastermusters, mit einem ersten optischen System zum Abbilden des ersten Rastermusters auf dem Bezugskörper, mit einem zweiten optischen System zum Erzeugen eines planenreellen Bildes der Abbildung des ersten Rastermusters auf dem Bezugskörper, durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Abzuges dieses reellen Bildes auf einer fotografischen Platte, mit Elementen zum Ersetzen der fotografischen Platte nach Entwicklung und Herstellung durch ein zweites Rastermuster auf der Grundlage des Abzuges, mit zweiten Beleuchtungsquellen zum Beleuchten des zweiten Rastermusters und zum Abbilden durch das zweite optische System hindurch eines Bildes auf dem Körper welcher mit dem ersetzten Bezugskörper verglichen werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtbündel (13,14) der beiden optischen Systeme (4,6) unterschiedliche Farbe aufweisen und daß das erste Rastermuster durch lichtundurchlässige Zonen in Schachbrettanordnung gebildet ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie der beiden Lichtbündel (13,14) im wesentlichen auf jeweils eine einzige Wellenlänge konzentriert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtbündel (13,14) durch zwei Laserquellen unterschiedlicher Farbe erzeugt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtbündel (13,14) mittels zumindest einer nicht monochromatischen Lichtquelle und mittels zweier unterschiedlicher Farbfilter (11,12) erzeugt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rastermuster aus nicht undurchlässigen Zonen besteht, die in Art eines Schachbretts mit quadratischen Feldern angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rastermuster aus lichtundurchlässigen Zonen gebildet ist, die in Form eines Schachbrettmusters mit rechteckigen Feldern angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rastermuster aus lichtundurchlässigen Zonen besteht, die in Form eines Schachbrettmusters mit dreieckigen Feldern angeordnet sind.

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