DE29912606U1

DE29912606U1 - Strukturierte Beleuchtung für optische 3D-Meßsysteme bei denen die Detektoreinrichtung und die strukturierte Beleuchtung im Außenraum die gleiche optische Achse aufweisen

Info

Publication number: DE29912606U1
Application number: DE29912606U
Authority: DE
Original assignee: OPOS OPTISCHE ON LINE SENSOREN
Current assignee: OPOS OPTISCHE ON LINE SENSOREN
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 1999-07-20
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2009-07-21

Description

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Strukturierte Beleuchtung für optische 3D-Meßsvsteme bei denen die Detektoreinrichtung und die strukturierte Beleuchtung im Außenraum die gleiche optische Achse aufweisen

Stand der Technik

Aus PCT/DE94/00898 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur dreidimensionalen Vermessung von Hohlräumen bekannt. Es beruht auf der Beleuchtung des Hohlraums mit strukturiertem Licht, wobei die optischen Achsen der Kamera und der strukturierten Beleuchtung im Außenraum übereinstimmen. Bei diesem Verfahren liegt der für die Messung relevante Abstand ("Triangulationsbasis"), d.h. der Abstand zwischen der objektseitigen Hauptebene des Kameraobjektivs und dem scheinbaren (d.h. vom Hohlraum aus gesehenen) Quellpunkt des beleuchtenden Musters, auf der optischen Achse. Es ist daher komplementär zu den Verfahren bei denen der relevante Abstand senkrecht zur optischen Achse der Kamera ist. Die Meßgenauigkeit ist umso größer, je größer die Öffnungswinkel von Kameraobjektiv und strukturierter Beleuchtung sind. Bei dem Verfahren hängt die Meßgenauigkeit von der Brennweite des Kameraobjektivs, dem Winkel des beleuchtenden Musters zur gemeinsamen optischen Achse und von dem oben genannten relevanten Abstand ab.

Besonders für Anordnungen, wie beispielsweise Endoskope, bei denen eine minimale Baugröße erforderlich ist, ist zum Erreichen einer hohen Meßgenauigkeit sowohl für Beleuchtung, als auch für das Objektiv ein großer Öffnungswinkel unabdingbar. Die in PCT/DE94/00898 beschriebene strukturierte Lichtquelle besteht aus einem Laser, einem Hologramm und einem Strahlteiler ( Strahlteilerwürfel, Strahlteilerplatte Pellicel) zur Umlenkung der strukturierten Beleuchtung auf die optische Achse einer Kamera. Bei den beschriebenen Strahlteilern ist eine Anordnung der Strahlteilerschicht unter 45° zur gemeinsamen optischen Achse optimal, da dann sowohl für Beleuchtung, als auch für das abbildende Objektiv Öffnungswinkel bis etwa 90° möglich sind. Mit derartigen strukturierten Lichtquellen, d.h. strukturierten Beleuchtungen, bei denen die Einspiegelung derart erfolgt, kommt es jedoch zu folgenden Problemen:

• Die Strahlteiler führen zu einer Schwächung der beleuchtenden Strahlung bzw. der mit der Kamera detektierbaren Streustrahlung vom beleuchteten Objekt. Dadurch wird die maximal detektierbare Streustrahlung auf circa 40 % der ohne Strahlteiler detektierbaren Streustrahlung begrenzt.

• Die Öffnungswinkel sind auf etwa 90° beschränkt.

Eine Erweiterung des Bereichs der möglichen Öffnungswinkel ist durch die Verwendung eines gelochten und ggf. gekrümmten Spiegels möglich(s. DE 19520124).

Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine strukturierte Beleuchtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der mindestens 2 Projektoren neben der Kamera angebracht sind. Jeder Einzelprojektor emittiert mindestens einen Streifen z. B. in Form einer geraden Linie, eines Kreisbogens einer Hyperbel oder eines elliptischen Bogens. Erfindungsgemäß werden die

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Projektoren so angeordnet, dass sie jeweils den gleichen Winkel und den gleichen Abstand zur optischen Achse haben. Weiterhin werden sie so ausgerichtet, dass das projizierte Muster achsensymmetrisch zum Abstand zwischen Projektor und optischer Achse liegt. Durch diese Anordnung wirken die Einzelprojektoren zusammen genau wie ein Projektor, wie er in DE 19520124 beschrieben ist. Vom Aussenraum aus gesehen kann bei Projektion eines Streifens kein Unterschied zwischen einer erfindungsgemaessen Anordnung und der in DE 19520124 beschriebenen Anordnung erkannt werden. Eine symmetrische Anordnung erhält man, wenn der Streifen die Ebene senkrecht schneiden, die durch den Abstand der Projektoren und die optische Achse gebildet wird. Diese Symmetrie ist nicht zwingend erforderlich, erleichtert jedoch die Auswertung der Bilder.

Ein erfindungsgemaesser Strukturprojektor bietet gegenüber den Anordnungen gemaess dem Stand der Technik jedoch folgende Vorteile:

• sie ermöglicht grössere Winkel und Abstände zwischen objektseitiger Hauptebene des Kameraobjektivs und dem Quellpunkt des resultierenden Musters auf der optischen Achse und damit eine erhebliche Steigerung der Meßgenauigkeit,

• sie lässt sich so ausbilden, dass sie an vorhandenen Kameras (beispielsweise an Kameras zur Kanalinspektion auf Kanalrobotern, Endoskopen) zusätzlich angebracht werden kann.

• Werden nach Anspruch 2 jeweils mehrere Streifen projiziert, liegt der Quellpunkt aller Streifen in einer Anordnung nach dem Stand der Technik an der gleichen Stelle. Nach dem Stand der Technik lässt sich der Projektor nur für die Projektion eines Streifens optimieren. Mit einer erfindungsgemässen Anordnung kann für einen Streifen die gleiche Optimierung durchgeführt werden. Zusätzlich kann jedoch das zur Erzeugung des Musters genutzte Element auf dem ersten optimierten Muster beliebig verschoben werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit die Anordnung für mehrere Messbereiche, mit gegenüber dem Stand der Technik jeweils erheblich besserer Messgenauigkeit, zu optimieren.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ist unempfindlich gegenüber kleinen Abweichungen der Lage und Ausrichtung der Einzelprojektoren gegenüber der Ideallage.

Weiterbildungen der Erfindung

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Eine strukturierte Lichtquelle nach Anspruch 3 vereinfacht die Berechnung der kartesischen Koordinaten des Messobjekts. Dazu werden 4 Einzelprojektoren symmetrisch zur optischen Achse und mit einem Winkel von jeweils 90° gegeneinander angeordnet (s. Fig. 1). Die Meßkamera kann so ausgerichtet, dass die Richtung der Streifen parallel zu den Zeilen bzw. Spalten des Bildwandlers ist..

Werden gerade Linien projiziert, die senkrecht zu der Ebene verlaufen, welche durch die optische Achse und den Abstand des jeweiligen Projektors zur optischen Achse definiert ist, ergibt sich insgesamt ein Gittermuster im Aussenraum. Die X- und die Y-Koordinaten des Messobjektes (d.h. die Koordinaten senkrecht zur optischen Achse) können dann unabhängig voneinander ausgewertet werden. Damit wird die Bildauswertung signifikant vereinfacht.

Durch die Wahl anderer Muster kann eine Anpassung an spezielle Objektgeometrien erreicht werden. Dadurch kann eine manuelle oder automatische Regelung der Lage und Ausrichtung einer Sonde in einem Hohlraum gemäß Anspruch 5 bzw. die Detektion und Klassifikation von

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Anomalien oder Schäden in Rohrleitungssystemen gemäß Anspruch.6 erleichtert und verbessert werden..

Eine Speisung mehrerer Einzelprojektoren aus der gleichen Lichtquelle (z. B. einem Laser, dessen Strahlung in mehrere Teilstrahlengänge aufgespalten wird) nach Anspruch 4 kann unter Umständen sinnvoll sein, da damit ggf.:

• eine Minimierung der Anzahl der benötigten (teuren) Bauteile ermöglicht wird ,

• eine Minimierung der Baugröße erfolgen kann,

• die Intensität der Strahlung der Einzelprojektoren gekoppelt ist und daher synchron schwankt bzw. immer das gleiche Verhältnis aufweist.

Darstellung der Erfindung

Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen die Figuren 1 und 2.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Strukturprojektor (5), der von einem Laser (1) gespeist wird. Der Laserstrahl wird durch eine Optik (2) fokussiert bzw. geformt und gemäß Anspruch 4 mittels eines optischen Bauteils (3) in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die auf holografische Gitter 6 gerichtet sind, welche die einzelnen Teilstrahlen mehrfach aufspalten. Mittig zwischen den holografischen Gittern befindet sich eine Aufnahme (4') für eine anbringbare Kamera (4). Die holografischen Gitter sind im gewählten Beispiel so gewählt, dass vier elliptische Bögen (7) projiziert werden. In der Gesamtwirkung entspricht dieser Projektor vier Projektoren nach DE 19520124, die hintereinander angebracht sind und jeweils zwei, symmetrisch zur optischen Achse liegende, elliptische Bögen projizieren.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße strukturierte Beleuchtung, welche gemäß Anspruch 2 aus 4 Einzelprojektoren (8) besteht, welche im gleichen Abstand und gleichem Winkel zur optischen Achse angeordnet und jeweils um 90° gegeneinander verdreht sind. Jeder Einzelprojektor projiziert gerade Linien, so dass in einer Schnittebene senkrecht zur optischen Achse, ein Lichtmuster in Form eines Gitters (9) entsteht.

Claims

1. Strukturierte Beleuchtung für optische 3D-Meßsysteme, bei denen die Detektoreinrichtung und die im Außenraum sichtbare strukturierte Beleuchtung die gleiche optische Achse aufweisen und die aus einer oder mehreren Lichtquellen (Laser oder Lampe), gegebenenfall einem zwischengeschalteten Lichtleiter gegebenenfalls aus optischen Elementen zur Teilung oder Umlenkung der Strahlung besteht, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens 2 Strukturprojektoren symmetrisch zur optischen Achse angeordnet sind, dass jeder Einzelprojektor ein aus einem oder mehreren geraden oder gekrümmten Streifen bestehendes Muster emittiert,
daß die im Aussenraum sichtbare Strahlung so aussieht, als würde sie von einer oder mehreren, auf der optischen Achse liegenden Quellen emittiert, welche ein symmetrisch zur optischen Achse gestaltetes Muster projizieren.

2. Strukturierte Beleuchtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass diese Streifen die Ebene senkrecht schneiden, welche durch die optische Achse und den Abstand zwischen Projektor und optische Achse definiert ist.

3. Strukturierte Beleuchtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass vier Einzelprojektoren symmetrisch zur optischen Achse in einem Winkelabstand von jeweils 90° angebracht sind.

4. Strukturierte Beleuchtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strukturprojektoren aus der gleichen Lichtquelle gespeist werden und jeder Einzelprojektor ein eigenes optisches Element zur Erzeugung und/oder Abbildung des Musters aufweist.