DE3854348T2

DE3854348T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Form einer dreidimensional gekrümmten Oberfläche.

Info

Publication number: DE3854348T2
Application number: DE3854348T
Authority: DE
Inventors: Masaichi Inomata; Isamu Komine; Mitsuaki Uesugi
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-10-14
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2008-10-15
Also published as: EP0335035A2; CA1313040C; US5102223A; EP0335035B1; DE3854348D1; EP0335035A3

Description

HINTERGRUND DER DARSTELLUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer dreidimensional gekrümmten Flächenform in berührungsfreier Weise.
Die Messung von dreidimensional gekrümmten Flächenformen ist auf einem breiten Anwendungsgebiet zweckmäßig, wie eine dreidimensionale rechnergestützte Fertigung (CAD input), automatische Bildsteuerung (robot vision), Körperkonturmessung für medizinische und Bekleidungszwecke, und es wurden in der Vergangenheit verschiedene Techniken vorgeschlagen.
Insbesondere eine solche Technik ist bekannt als Lichtschnittverfahren oder optisches Schnittverfahren (lightsection method oder optical cutting method) und ist beispielsweise auf den Seiten 398 und 399 des "Handbook for Image Processing" (Shokodo Co., Ltd.) und in JP-A-60253806 beschrieben. Wie in Fig. 1 der Zeichnung beschrieben, tritt bei diesem Verfahren ein Phänomen auf, daß beim Projizieren eines Spaltlichtes 53 auf einer spaltförmigen Lichtquelle 52 auf ein zu messendes Objekt 51 ein auf der Oberfläche des Objekts erzeugtes Lichtbündelmuster der Querschnittsform des Gegenstandes 51 an der Spaltlichtprojektionsstelle entspricht, wenn das Lichtbündelmuster aus einer von der Projektionsrichtung verschiedenen Richtung beobachtet wird, und das Verfahren ist infolge seiner Einfachheit, Berührungsfreiheit und quantitativen Eigenschaft verbreitet angewendet werden.
Wenn die Form einer dreidimensional gekrümmten Fläche durch dieses optische Schnittverfahren gemessen wird, während sich das Spaltlicht 53 in den Richtungen eines Pfeiles 54 bewegt, wird das erhaltene Lichtbündelmuster von einer Fernsehkamera (55) beobachtet, und das so erzeugte Videosignal wird von Zeitpunkt zu Zeitpunkt verarbeitet, wodurch die Bündelschnittlinien (die Formen der Lichtbündelmuster) innerhalb des Bildes extrahiert (56) und die Schnittlinien zum Aufbau der gekrümmten Flächenform rekonstruiert (57) werden.
Es ist zwar ein Verfahren bekannt, bei welchem der Aufbau eines optischen Systems einen Lichtpunktabtaster als Lichtquelle statt der Spaltlichtquelle 52 umfaßt, und eine hochleistungsfähige Lichtpunkt-Lageerfassungseinrichtung, die als PSD-(position sensitive detector) Sensor bekannt ist, wird beispielsweise statt der Fernsehkamera 55 verwendet, doch ist das Grundprinzip das gleiche, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Das oben erwähnte optische Schnittverfahren hat zwar verschiedene Nachteile beim Erfassen und Präzisieren der jeweiligen Punkte eines zu messenden Objekts, das Verfahren zum Extrahieren der Bündelschnittlinien innerhalb jedes Bildes ist jedoch wesentlich, und dies ruft die folgenden Probleme bezüglich der Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit hervor.
(1) Verschlechterung der Meßgenauigkeit und räumlichen Auflösung in Abhängigkeit von der Form des zu messenden Objekts.
Wenn bei dem in Fig. 2(a) gezeigten optischen Schnittverfahren die Oberfläche des zu messenden Objekts 51 eine unter einem Winkel geneigte Fläche ist, der nahe an einem rechten Winkel bezüglich der optischen Achse des Spaltlichtes 53 liegt, so ist die Breite w eines Lichtbündelmusters an der Objektfläche schmal und es ist möglich, eine sehr genaue Messung durchzuführen. Wenn jedoch die Fläche eines zu messenden Objekts eine unter einem Winkel geneigte Fläche ist, der annähernd parallel zur optischen Achse des Spaltlichtes 53 ist, wie in Fig. 2(b) gezeigt, wird die Breite w eines Lichtbündelmusters an der Objektfläche vergrößert, so daß nicht nur die Unsicherheit der Lage während des Bündelschnittliniendurchgangs vergrößert wird, wobei sich eine verschlechterte Genauigkeit ergibt, sondern es wird auch die Größe der Bewegung des Lichtbündelmusters auf der Objektfläche infolge der Bewegung der Spaltlichtquelle 53 vergrößert, woraus sich gleichzeitig eine Verschlechterung der räumlichen Meßauflösung ergibt.
(2) Verschlechterung der Messungszuverlässigkeit infolge des Oberflächenreflexionsvermögens eines zu messenden Gegenstandes:
Bei dem optischen Schnittverfahren wird vorausgesetzt, daß während des Verfahrens zum Extrahieren der Bündelschnittlinien in einem Bild das Lichtbündelmuster ausreichend hell ist im Vergleich zur Umgebungshelligkeit, so daß z. B. bei beträchtlicher Ungleichförmigkeit im Reflexionsvermögen der Objektfläche oder, wenn statt dessen der Winkel der geneigten Fläche der Objektfläche nahe an der optischen Achse des Spaltlichtes liegt, wodurch die von ihr reflektierte Lichtintensität abnimmt, häufig Fälle vorkommen, bei welchen während des Extrahierens der Bündelschnittlinien oft das Auftreten diskreter Punkte hervorgerufen wird oder gänzlich falsche Punkte erfaßt werden, indem sie fälschlicherweise für die Bündelschnittlinien gehalten werden. Eine solche Erscheinung wird in Fällen hervorgerufen, in denen irgendein vom Spaltlicht unterschiedliches Hintergrundlicht während der Messung vorhanden ist, und jede solche Erscheinung bewirkt eine Verschlechterung der Messungszuverlässigkeit oder schränkt die Messungsumgebung von zu messenden Gegenständen ein.
Infolgedessen ist wegen einiger Meßprobleme, die sich beim Extraktionsverfahren der Bündelschnittlinie ergeben, das optische Schnittverfahren vielen Einschränkungen bei der Anwendung unterworfen, z. B. sind die Formen, die Oberflächenkonturen und die Umgebungen der zu messenden Gegenstände und ihre Anwendungen im Hinblick auf ihre Vorteile einschließlich der Einfachheit, Berührungsfreiheit, quantitativen Merkmale usw., eingeschränkt. Daher wurde zu diesem Verfahren bisher kein Allzweckgerät zum Messen von dreidimensional gekrümmten Flächenformen entwickelt und weithin praktisch angewendet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen dreidimensional gekrümmter Flächenformen auf der Basis eines neuen Meßprinzips zu schaffen, welches zwar ein optisches System ähnlich dem beim optischen Schnittverfahren angewendeten verwendet, jedoch ein neues System für die Verwendung eines Spaltlichtes einführt, das sich mit konstanter Geschwindigkeit als Medium bewegt oder dreht, um die Oberfläche eines zu messenden Objekts mit Information bezüglich des Spaltlichtes zu kodieren, wodurch die Notwendigkeit für das Bündelschnittlinien-Extraktionsverfahren vollständig entfällt.
Erfindungsgemäß nimmt eine Fernsehkamera die Art auf, in der das lineare reflektierte Muster eines Spaltlichtes über die Oberfläche eines zu messenden Objekts bewegt wird, so daß jedesmal, wenn das Spaltlicht durch die Stelle auf der Oberfläche des Gegenstandes geht, welche jedem der Bildelemente innerhalb des Bildes entspricht, die auf das Spaltlicht bezogene Information, z. B. die Lage, Zeit oder der Lichtprojektionswinkel oder ein entsprechender Wert, als Wert des Bildelements verwendet wird und dadurch ein zusammengesetztes Bild erzeugt wird. Dann wird beispielsweise dieses zusammengesetzte Bild mit einem anderen zusammengesetzten Bild verglichen, das in gleicher Weise bezüglich der Bezugsebene unter Ausschluß des zu messenden Objekts erzeugt wurde, um die Differenz des Wertes zwischen jedem Paar von entsprechenden Bildelementen und den beiden zusammengesetzten Bildern zu bestimmen und dadurch die dreidimensional gekrümmte Flächenform des Gegenstandes zu messen.
So wird zwar erfindungsgemäß das gleiche optische System wie dasjenige des optischen Schnittverfahrens verwendet, jedoch wird auch im Fall eines zu messenden Objekts z. B. mit einer geneigten Flächenform unter einem Winkel nahe dem Projektionswinkel des Spaltlichts das zusammengesetzte Bild des zu messenden Gegenstandes mit dem zusammengesetzten Bild der Bezugsebene verglichen, um die Differenz des Wertes zwischen jedem Paar von entsprechenden Bildelementen des Bildes zu erfassen und dadurch die dreidimensionale Form zu messen. Daher kann die Messung einer solchen geneigten Fläche mit etwa der gleichen Meßgenauigkeit und räumlichen Auflösung wie die Bündelbreite oder der Abtastschritt des Spaltlichtes durchgeführt werden, wodurch es möglich wird, die Form irgendeines zu messenden Objekts unabhängig von seiner Form zu messen.
Ferner wird zwar erfindungsgemäß das linear reflektierte Muster des Spaltlichtes über die Oberfläche des zu messenden Objekts von der Fernsehkamera aufgenommen, um ein Bildzusammensetzverfahren derart durchzuführen, daß der Wert jedes der Bildelemente innerhalb des Bildes z. B. der Lage des Spaltlichtes in dem Zeitpunkt entspricht, in dem das Spaltlicht durch die Stelle auf der Objektfläche geht, welche diesem Bildelement entspricht, die einzig erforderliche Bedingung für das Durchführen des Bildzusammensetzverfahrens und die genaue Erfassung der Forminformation besteht jedoch darin, daß jede Stelle des zu messenden Objekts, welche einem der Bildelemente entspricht, eine Helligkeit besitzt, die in dem Zeitpunkt maximal wird, in dem das Spaltlicht durch diese Stelle geht.
Infolgedessen haben nicht nur Änderungen des Flächenreflexionsvermögens eines zu messenden Objekts keine Wirkung auf die Messung, sondern auch die Helligkeit jeder der Lagen auf der Objektfläche wird in dem Zeitpunkt maximal, in welchem das Spaltlicht durch diese Stelle geht, auch wenn ein Hintergrundlicht vorhanden ist, sofern dessen Lichtmenge zeitlich konstant ist und die Helligkeit derart ist, daß das Signal von der Fernsehkamera nicht gesättigt wird, wodurch sichergestellt wird, daß die Messung nicht den Auswirkungen des Oberflächenreflexionsvermögens des zu messenden Objekts und des Hintergrundlichtes unterworfen wird. Auch wenn die Zeit als Wert jedes Bildelements aufgezeichnet wird, ist kein Lagedetektor erforderlich, und die Synchronisiersignale der Fernsehkamera können als erforderliche Zeitsignale verwendet werden.
Ferner wird erfindungsgemäß zusätzlich zu dem zusammengesetzten Bild der Oberfläche des zu messenden Objekts und dem zusammengesetzten Bild der Bezugsebene ein zusammengesetztes Bild einer zweiten Bezugsebene erzeugt, und die dreidimensional gekrümmte Flächenform des Objekts wird auf der Basis dieser zusammengesetzten Bilder gemessen. Auf diese Weise ist es bei Durchführung der Messung mit Hilfe von zwei Bezugsebenen möglich, die Messung vom Projektionswinkel und von der Abtastgeschwindigkeit des Spaltlichtes unabhängig zu machen und dadurch die Meßgenauigkeit zu verbessern.
Außerdem werden erfindungsgemäß die zusammengesetzten Bilder der ersten und zweiten Bezugsebene nicht im Zeitpunkt jeder Messung erzeugt, sondern sie werden vorher gemessen und durch Berechnung erzeugt und gespeichert, so daß sie bei Durchführung der Messung gelesen und verwendet werden. Beim Erzeugen solcher zusammengesetzter Bilder, die vorher durch Berechnung erzeugt werden, werden die Vorgänge während der Messung vereinfacht.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Lichtschnittverfahrens oder optischen Schnittverfahrens;
Fig. 2(a) und (b) schematische Darstellungen der Art, in der die Meßgenauigkeit des bekannten optischen Schnittverfahrens sich in Abhängigkeit von den Winkeln geneigter Flächen ändert;
Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen zur Erläuterung der Meßprinzipien gemäß einer ersten und zweiten' Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4A bis 4C schematische Darstellungen, welche den Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Systems zeigen;
Fig. 5 ein Blockschaltbild, welches den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Form darstellt;
Fig. 6 ein Beispiel für die Messung einer geneigten Flächenform;
Fig. 7 ein Blockschaltbild, welches im einzelnen die Bildverarbeitungsschaltung gemäß Fig. 5 darstellt;
Fig. 8 ein Blockschaltbild, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel der Formverarbeitungsschaltung darstellt;
Fig. 9 ein Blockschaltbild, welches den Aufbau der Vorrichtung zur dreidimensionalen Formmessung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 10 ein Blockschaltbild, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel der Formverarbeitungsschaltung darstellt;
Fig. 11 eine schematische Darstellung, welche das Meßprinzip einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild, welches den Aufbau der Vorrichtung zur dreidimensionalen Formmessung gemäß der dritten Ausführungsform darstellt;
Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel zur Messung einer geneigten Flächenform; und
Fig. 14 ein Blockschaltbild, welches ein weiteres Ausführungsbeispiel der Formverarbeitungsschaltung darstellt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevor eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben wird, wird ihr Prinzip zunächst grundsätzlich mit Bezugnahme auf die Fig. 3A und 3B beschrieben.
Wie in Fig. 3A gezeigt, wird ein Spaltlicht 3a, das sich vertikal zur Zeichenebene ausbreitet, schräg von oben auf die Fläche eines zu messenden Objekts 2 projiziert, das auf einer Bezugsebene 1 angeordnet ist, und sodann wird das Objekt 2 durch eine Fernsehkamera 8 von beispielsweise direkt oberhalb des Objekts 2 aufgenommen, während sich das Spaltlicht 3a quer zur Zeichenebene bewegt. In diesem Zeitpunkt wird die Art, in der sich das an der Objektfläche linear reflektierte Muster des Spaltlichtes 3a quer über die Bildebene bewegt wird, auf einem Fernsehmonitor 8a beobachtet, der mit der Fernsehkamera 8 verbunden ist.
Wie oben erwähnt, gibt die lineare Form des reflektierten Musters des Spaltlichtes 3a die Unregelmäßigkeitsinformation der Objektfläche wieder, und das bekannte optische Schnittverfahren ist so ausgebildet, daß die lineare Form des reflektierten Musters von Zeitpunkt zu Zeitpunkt abgetastet wird und rekonstruiert wird, um dadurch die dreidimensionale Form des zu messenden Objekts zu erfassen.
Erfindungsgemäß wird aus dem Videosignal, das durch die Fernsehkamera 8 erzeugt wird, das die Art aufnimmt, in der das linear reflektierte Muster des Spaltlichtes 3a über die Fläche des Objekts 2 bewegt wird, ein zusammengesetztes Bild erzeugt, in welchem jedes der Bildelemente innerhalb des Bildes einen Wert besitzt, der der Lage der Spaltlichtquelle in dem Zeitpunkt entspricht, in welchem das Spaltlicht 3a durch die Stelle auf der Objektfläche geht, welche diesem Bildelement entspricht, oder in dem Zeitpunkt, in welchem die Helligkeit dieser Objektflächenstelle maximal wird.
Bei dem so erzeugten zusammengesetzten Bild stellen die Werte seiner jeweiligen Bildelemente ein Höhenprofil der Objektfläche auf der Basis einer Ebene A (nachfolgend als virtuelle Bezugsebene bezeichnet) dar, die durch die strichpunktierte Linie in Fig. 3A wiedergegeben ist. Auf diese Weise wird das Höhenprofil der Objektfläche auf der Basis der virtuellen Bezugsebene A gemessen.
Grundsätzlich muß jedoch die dreidimensionale Formmessung eines Objekts das Profil auf der Basis der Stellen auf der Ebene messen, auf der das zu messende Objekt 2 angeordnet ist (die Bezugsebene der Fig. 3A, welche nachfolgend als Bezugsebene bezeichnet wird) und nicht das Profil der virtuellen Bezugsebene A in Fig. 3A.
Um dieses Erfordernis zu erfüllen, ist es notwendig, daß nach Durchführung der oben erwähnten Messung bezüglich der Objektfläche, wodurch ihr Höhenprofil auf der Basis der virtuellen Bezugsebene A gemessen und sodann das Objekt weggenommen wurde, die gleiche Messung bezüglich der Bezugsebene 1 durchgeführt wird, wodurch ein Höhenprofil auf der Basis der virtuellen Bezugsebene A gemessen, und sodann wird, wie in Fig. 3B gezeigt, die Differenz der Werte zwischen jedem Paar von entsprechenden Bildelementen der zwei Höhenprofilbilder, d. h. dem zusammengesetzten Bild der Objektfläche und dem zusammengesetzten Bild der Bezugsebene, berechnet. Als Ergebnis dieser Verarbeitung wird ein Höhenprofilbild auf der
Basis der Bezugsebene 1 erzeugt, und der Wert jedes Bildele-
ments dieses Höhenprofilbildes ist proportional zur Höhe der entsprechenden Stelle auf der Fläche des zu messenden Objekts, das auf der Bezugsebene 1 basiert.
Fig. 4A bis 4C zeigen das erfindungsgemäße optische System, und das zu messende Objekt 2 mit einer Objektebene z = f(x,y) ist auf einer x-y-Ebene oder der Bezugsebene 1 angebracht. Mit einer z-Achse als optische Achse beobachtet die Fernsehkamera 8 die Objektebene unter einem vorbestimmten Winkel, z. B. direkt von oben. Das sich in der Richtung der y-Achse ausbreitende Spaltlicht 3a wird unter einem Winkel e bezüglich der x-Achse von der Spaltlichtquelle 3 projiziert und wird in der x-Achsen-Richtung abgetastet. In diesem Zeitpunkt wird die Lage der Spaltlichtquelle 3 als Lage x = x&sub0; definiert, in der das Spaltlicht 3a auf die Bezugsebene 1 auftrifft (die folgende Erläuterung gilt auch, wenn die Lage der Spaltlichtquelle 3 auf irgendeiner Ebene definiert wird, vorausgesetzt, daß es eine Ebene parallel zur x-y-Ebene ist. Hier wird die Lage der Spaltlichtquelle zur Vereinfachung auf der x-y-Ebene festgelegt), und daher sind die Objektfläche und die Ebene des Spaltlichtbündels jeweils durch die folgenden Ausdrücke definiert:
Objektfläche: z = f(x,y) (1)
Ebene des Lichtbündels: z = {x - x&sub0;}·tg Θ ( 2)
Da die Ausdrücke (1) und (2) sich gleichzeitig auf die Linie beziehen, in der das Lichtbündel auf die Objektfläche auftrifft, gilt die Beziehung der folgenden Gleichung:
Der Wert u(x,y) des zusammengesetzten Bildes, welcher den Koordinaten (x,y) entspricht, wird durch die sodann laufende Stellung x&sub0; der Projektion des Lichtbündels auf die Bezugsebene 1 gegeben, so daß bei Gleichsetzen von u(x,y) und xo sich die folgende Gleichung ergibt:
Wenn andererseits u&sub0;(x,y) das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene (x-y-Ebene) darstellt, von welcher das zu messende Objekt 2 abgenommen worden ist, ergibt sich die folgende Gleichung durch Einsetzen von f(x,y) = 0 in die Gleichung (4):
u&sub0;(x,y) = x (5)
Daher kann das Objektprofil f(x,y) in Form des folgenden Ausdrucks aus den Gleichungen (4) und (5) erhalten werden:
f(x,y) = {u&sub0;(x,y) - u(x,y)}·tg Θ (6)
Es wird bemerkt, daß die folgenden Methoden leicht als Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Meßprinzips aufzufinden sind. Die erste beispielhafte Anwendung ist zunächst ein Verfahren, welches zwei Bezugsebenen errichtet. Insbesondere ist zusätzlich zu der vorher erwähnten Bezugsebene eine zweite Bezugsebene vorgesehen, die parallel zu der ersteren und um einen Abstand d getrennt von dieser verläuft (wobei die zur Fernsehkamera weisende Seite und die von derselben wegweisende Seite jeweils als + und - bezeichnet sind) und ein zusammengesetztes Bild wird in gleicher Weise in Bezug auf diese Bezugsebene berechnet. Wenn das zusammengesetzte Bild bezüglich der zweiten Bezugsebene als u&sub1;(x,y) bezeichnet wird, wobei in der Gleichung (4) f(x,y) = d gesetzt wird, erhalten wir
u&sub1; (x, y) = x - d/Tg Θ (7)
Daher kann die Objektfläche f(x,y) aus den Gleichungen (4), (5) und (7) folgendermaßen erhalten werden:
Als zweite beispielhafte Anwendung wird ein Verfahren angegeben, das so ausgebildet ist, daß statt der Annahme einer physischen Bezugsebene ein zusammengesetztes Bild von u&sub0;(x,y) bezüglich einer virtuellen Bezugsebene durch Berechnung aus der Gleichung (5) erhalten und sodann in die Gleichung (6) eingesetzt wird, wodurch eine Objektfläche f(x,y) bestimmt wird. Wenn jedoch in diesem Fall die horizontale Achse (die Rasterrichtung) des Fernsehkamerabildes einen Winkel Φ der Abtastrichtung der Spaltlichtquelle bildet, ist es erforderlich, das durch die Gleichung (5) gegebene Bild um den Winkel Φ zu drehen und sodann das erhaltene Bild zu benutzen, das durch die folgende Gleichung gegeben ist:
u&sub0;(x,y) = x cos Φ + y sin Φ (9)
Als nächstes wird eine erste Ausführungsform der Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 7 beschrieben.
Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur Messung einer dreidimensionalen Form gemäß einer ersten Ausführungsform. Ein zu messendes Objekt 2 ist auf einer Bezugsebene 1 angebracht, die als Meßbasis dient. Eine Spaltlichtquelle 3 ist auf einem linearen Tisch angebracht, um ein Spaltlicht 3a unter einem Projektionswinkel e auf die Bezugsebene 1 und das zu messende Objekt 2 zu projizieren. Mit der darauf befestigten Spaltlichtquelle 3 wird der lineare Tisch 4 durch einen Motor 6 angetrieben, welcher durch einen Motorregler 5 gesteuert wird, und so wird die Spaltlichtquelle 3 mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer Richtung parallel zur Bezugsebene 1 verschoben.
In diesem Zeitpunkt wird die Lage der Spaltlichtquelle 3 durch einen Lagesensor 7 gemessen, der im linearen Tisch 4 eingebaut ist, wodurch eine Lagesteuerung durch den Motorregler 5 ermöglicht wird.
Die Bezugsebene 1 und das zu messende Objekt 2 werden von einer Fernsehkamera 8 aufgenommen, welche derart angeordnet ist, daß ihre optische Achse die Bezugsebene 1 rechtwinklig schneidet, und das sich ergebende Videosignal wird auf eine Formmeßvorrichtung 9 gegeben.
Die Formmeßvorrichtung 9 enthält hauptsächlich eine Formverarbeitungsschaltung 10, die als Bildverarbeitungseinrichtung für die Durchführung einer Bildverarbeitung durch Bildzusammensetzung dient, sowie eine Sequenzsteuereinrichtung 11 zum Aufgeben eines Befehls an den Motorregler 5 und Durchführung einer Verarbeitungszeitsteuerung für die Formverarbeitungsschaltung 10.
Während der Formmessung steuert die Formmeßvorrichtung 9 den linearen Tisch 4 durch den Sequenzregler in Abhängigkeit von einem von außen eingegebenen Startsignal, und die Spaltlichtquelle 3 wird in ihre Ausgangsstellung eingestellt. Sodann wird das Abtasten der Spaltlichtquelle 3 gestartet.
Die Formverarbeitungsschaltung 10 enthält in ihrem Eingangsabschnitt eine Bildzusammensetzungsschaltung 12, die weiter unten beschrieben wird, so daß gleichzeitig mit dem Beginn der Abtastung durch die Spaltlichtquelle 3 das von der Videokamera 8 aufgegebene Videosignal von Zeitpunkt zu Zeitpunkt verarbeitet und ein Bildzusammensetzungsvorgang derart durchgeführt wird, daß der Wert jedes der Bildelemente innerhalb des Bildes durch ein Tischlagesignal dargestellt wird, welches in dem Zeitpunkt erzeugt wird, in welchem das Bild des Spaltlichtes durch dieses Bildelement läuft. Bei Beendigung einer Abtastung der Spaltlichtquelle 3 wird sodann ihr Ergebnis u(x,y) auf einen Speicher 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche übertragen.
Nach dem Wegnehmen des Objekts 2 von der Bezugsebene 1 bringt sodann der Sequenzregler 11 die Spaltlichtquelle 3 in die Ausgangsstellung zurück, und die Abtastung durch die Spaltlichtquelle 3 wird wiederum gestartet. Die Bildzusammensetzungsschaltung 12 führt den gleichen Bildzusammensetzungsvorgang durch, wie er mit Bezug auf das Objekt 2 für die Bezugsebene 1 durchgeführt worden ist, so daß bei Beendigung des Abtastens durch die Spaltlichtquelle dessen Ergebnis u&sub0;(x,y) auf einen Speicher 14 für das zusammengesetzte Bild einer Bezugsebene übertragen wird.
Nach Beendigung dieser Bildzusammensetzungsvorgänge berechnet in Abhängigkeit von den Befehlen aus dem Sequenzregler 11 die Formverarbeitungsschaltung 10 durch eine Differenzbildverarbeitungsschaltung 15 ein Bild, das der Differenz des Wertes zwischen jedem Paar von entsprechenden Bildelementen der Bilder entspricht, die jeweils im Speicher 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche und im Speicher 14 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene in Form von
{u&sub0;(x,y) - u(x,y)}
gespeichert sind, wobei dieser Ausdruck im Höhenprofil durch die Verwendung einer Höhenkorrekturschaltung 16 kalibriert und korrigiert wird, und die so erhaltenen Höhenprofildaten
{u&sub0;(x,y) - u(x,y)}·tg Θ
wird in einem Speicher 17 für die dreidimensionale Form gespeichert. In Abhängigkeit von einem Befehl aus einem höherrangigen Computer oder CAD-System werden die Höhenprofildaten, welche im Speicher 17 für die dreidimensionale Form gespeichert sind, in geeigneter Weise auf den Computer oder das CAD-System übertragen.
Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise das Objekt 2 eine geneigte Fläche mit einem nahe an dem Projektionswinkel des Spaltlichtes liegenden Winkel gemessen wird, wie in Fig. 6 gezeigt, wird infolge der Neigung der geneigten Fläche nahe am Projektionswinkel des Spaltlichtes beim Erreichen der mit "1" in Fig. 6 bezeichneten Stelle durch das Spaltlicht die ganze geneigte Fläche gleichförmig erhellt und die gespeicherten Inhalte des Speichers 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche werden so ausgebildet, wie es durch das Bezugszeichen 13a dargestellt ist. Die gespeicherten Inhalte des Speichers für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene werden so, wie es durch das Bezugszeichen 14a dargestellt ist. Daher werden diese Bilddaten durch die Differenzbildverarbeitungsschaltung 15 und die Höhenkorrekturschaltung 16 derart verarbeitet, daß die im Speicher 17 für die dreidimensionale Form gespeicherten erhaltenen Daten so werden, wie es durch das Bezugszeichen 17a dargestellt ist. Es ist daher ersichtlich, daß eine zufriedenstellend hohe Auflösung auch im Fall einer deartigen Form mit einer Oberfläche nahe am Winkel des Spaltlichtes sichergestellt wird.
Es war in der Vergangenheit schwierig, die Bündelschnittlinien vom Bild 13a zu extrahieren, und die Anwendung des optischen Schnittverfahrens auf eine solche geneigte Fläche kann nicht die erforderliche Meßgenauigkeit und räumliche Auflösung ergeben. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann selbst im Fall einer solchen geneigten Fläche die Messung mit einer Meßgenauigkeit und räumlichen Auflösung in der Größenordnung der Bündelbreite oder des Abtastschrittes des Spaltlichtes durchgeführt werden, und allgemein kann die erforderliche Formmessung unabhängig von der Form des zu messenden Objekts durchgeführt werden.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild, welches ein Beispiel für die einen wesentlichen Teil der Formmeßvorrichtung 9 bildenden Bildverarbeitungsschaltung 12 zeigt.
Die Bildzusammensetzungsschaltung 12 weist eine Bildverarbeitungseinheit 18 für maximale Helligkeit zum Verarbeiten des von der Fernsehkamera 8 aufgegebenen Videosignals auf, um die Helligkeit jedes Bildelements in dem Zeitpunkt zu berechnen, in dem es seine maximale Helligkeit erreicht, sowie eine Verarbeitungseinheit 19 für das zusammengesetzte Bild zum Durchführen eines Bildzusammensetzungsvorgangs derart, daß der Wert jedes Bildelements dem Zeitpunkt entspricht, in welchem die Helligkeit jedes Bildelements maximal wird, sowie ferner eine Synchronisierschaltung 20, eine Speicheradressgeneratorschaltung 21 und eine Ausgangssteuerschaltung 22 zum Zweck der Steuerung der ersteren.
Die Verarbeitungseinheit 18 für maximale Bildhelligkeit enthält hauptsächlich einen Speicher 23 für maximale Bildhelligkeit, der aus einem Pufferspeicher zum Zweck der Bildverarbeitung maximaler Helligkeit sowie einer A/D-Konverterschaltung 24, die auf das von der Synchronisierschaltung 20 erzeugte Taktsignal anspricht, um das Videosignal durch A/D-Umwandlung zu digitalisieren, einem Speicher 25 für maximale Bildhelligkeit zum Steuern des Lesens und Schreibens von Daten in die Adressen des Speichers für maximale Helligkeit, die von der Speicheradressenerzeugerschaltung 21 bestimmt werden, einer Komparatorschaltung 26 zum Vergleichen der Werte jedes Paares von entsprechenden Bildelementen des von der Fernsehkamera eingegebenen Bildes und des Bildes im Speicher für Bilder maximaler Helligkeit, um den größeren dieser beiden Werte auszuwählen und abzugeben, sowie einer Umschaltanordnung 27 besteht.
Andererseits enthält die Verarbeitungseinheit 19 für das zusammengesetzte Bild hauptsächlich einen Speicher 28 für das zusammengesetzte Bild zum Speichern des Ergebnisses der zusammengesetzten Bildverarbeitung sowie eine Speichersteuerschaltung 29 für das zusammengesetzte Bild, welche die Funktion hat, auf das Ausgangssignal aus der Komparatorschaltung 26 der Verarbeitungseinheit 18 für die Bilder maximaler Helligkeit anzusprechen, so daß, wenn der Eingangssignalwert aus der Fernsehkamera größer ist als der Wert des Bildelements an der entsprechenden Adresse des Speichers 23 für das Bild maximaler Helligkeit, das Tischlagesignal in den Speicher 28 für das zusammengesetzte Bild geschrieben wird.
Diese Schaltung arbeitet so, daß im Zeitpunkt des Beginns der Verarbeitung der Speicher 23 für das Bild maximaler Helligkeit und der Speicher 28 für das zusammengesetzte Bild auf Null zurückgesetzt werden, während das von der Fernsehkamera eingegebene Videosignal durch Verwendung der A/D-Konverterschaltung 24 digitalisiert wird, wobei der Wert jedes Bildelements des Videosignals mit dem Wert desjenigen Bildelements im Speicher 23 für das Bild maximaler Helligkeit, welches der Lage des vorangehenden Bildelements entspricht, derart verglichen wird, daß nur, wenn der Wert des Videosignals größer ist, der Wert des Bildelements im Speicher 13 für das Bild maximaler Helligkeit durch den Wert des Videosignals vorgeschrieben wird und gleichzeitig das Tischlagesignal in das entsprechende Bildelement des zusammengesetzten Bildes geschrieben wird.
Auf diese Weise wird während der Zeit, die durch das von außen aufgegebene Verarbeitungssteuersignal gesteuert wird, die oben erwähnte Verarbeitung derart durchgeführt, daß das vorher erwähnte gewünschte Bild im Speicher 28 für das zusammengesetzte Bild bei Beendigung der Verarbeitung erzeugt wird. Das so erzeugte zusammengesetzte Bild wird auf die folgende Verarbeitungsschaltung durch die Ausgangssteuerschaltung 22 übertragen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird zwar das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene 1 während der Messung erzeugt, es ist jedoch erforderlich, das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene 1 nur einmal zu erzeugen, und daher kann das anfänglich erzeugte zusammengesetzte Bild der Bezugsebene 1 als solches auch während der zweiten und nachfolgender Messungen verwendet werden. Zusätzlich ist das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene 1 so einfach aufgebaut, daß die Formverarbeitungsschaltung 10 mit einer zusätzlichen Verarbeitungsfunktion derart versehen werden kann, daß eine virtuelle Bezugsebene durch Errechnung aus der Gleichung (5) erhalten wird, um ihr zusammengesetztes Bild zu erzeugen und im Speicher 14 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene zu speichern.
Während ferner in der oben beschriebenen Ausführungsform eine einzige Bezugsebene vorgesehen wird, kann eine zweite Bezugsebene zusätzlich zur Bezugsebene 1 vorgesehen werden. Die zweite Bezugsebene (nicht gezeigt) ist zwischen der Bezugsebene 1 und der Spaltlichtquelle 3 und in einem Abstand d von der Bezugsebene 1 angeordnet.
In diesen Fall wird, wie in Fig. 8 gezeigt, ein zusammengesetztes Bild u&sub1;(x,y) entsprechend der zweiten Bezugsebene in der gleichen Weise, wie oben erwähnt, durch die Bildzusammensetzungsschaltung 12 erzeugt, und ein Speicher 14A für das zusammengesetzte Bild zum Speichern dieses zusammengesetzten Bildes ist zusätzlich zum Speicher 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche und zum Speicher 14 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene vorgesehen. Außerdem wird die Differenzbildverarbeitungsschaltung 15 und die Höhenkorrekturschaltung 16 durch eine Verarbeitungsschaltung 30 zur Durchführung der Berechnung der oben erwähnten Gleichung (8) ersetzt.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr beschrieben. Während in der ersten Ausführungsform die Lage der Spaltlichtquelle 3 in dem Augenblick, in welchem das Spaltlicht durch jedes Bildelement geht, als der Wert dieses Bildelements kodiert wird, wird gemäß der zweiten Ausführungsform die Zeit in diesem Augenblick kodiert, und ihr Meßprinzip ist grundsätzlich das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. In den Fig. 4A bis 4C projiziert die Spaltlichtquelle 3 unter dem Winkel e das Spaltlicht 3a, das sich in Richtung der y-Achse ausbreitet, um mit einer konstanten Geschwindigkeit v in der x-Richtung abzutasten. Infolgedessen werden diese den Gleichungen (2) bis (7) in der ersten Ausführungsform entsprechenden Ausdrücke ebenso jeweils durch die gleichen Vorgänge in der zweiten Ausführungsform in Form der folgenden Gleichungen (2a) bis (7a) erhalten:
Bündelebene:z = {x-(x&sub0; + vt)}·tg Θ x(2a)
Es wird bemerkt, daß die Gleichungen (1), (8) und (9) der ersten Ausführungsform direkt auch in der zweiten Ausführungsform verwendet werden können.
Fig. 9 ist ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Form gemäß der zweiten Ausführungsform, welche so aufgebaut ist, daß die Taktsignale für eine Bildzusammensetzungsschaltung 12 erzeugt werden, indem die vertikalen Synchronisiersignale des von einer Fernsehkamera 8 aufgegebenen Videosignals durch eine Synchrontrennschaltung 121 abgetrennt und die abgetrennten Signale durch eine Zählerschaltung 122 gezählt werden, wobei im gleichen Zeitpunkt begonnen wird, in welchem die Abtastung durch eine Spaltlichtquelle 3 begonnen wird.
Die Formverarbeitungsschaltung 10 enthält eine Bildzusammensetzungsschaltung 12 im Eingangsabschnitt, wodurch ein Bildzusammensetzungsvorgang derart durchgeführt wird, daß gleichzeitig mit dem Beginn der Abtastung der Spaltlichtquelle 3 das von der Fernsehkamera 8 eingegebene Videosignal von Zeitpunkt zu Zeitpunkt verarbeitet wird, um den Wert jedes Bildelements im Bild durch den Zeitpunkt darzustellen, in welchem das Bild des Spaltlichtes durch dieses Bildelement läuft, und bei Beendigung jeder Abtastung der Spaltlichtquelle 3 wird das Verarbeitungsresultat u(x,y) auf einen Speicher 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche übertragen.
Nachdem dann das zu messende Objekt 2 von einer Bezugsebene 1 weggenommen worden ist, bringt eine Sequenzsteuerschaltung 11 die Spaltlichtquelle 3 in die Ausgangsstellung zurück, und die Abtastung durch die Spaltlichtquelle 3 beginnt wiederum. Die Bildzusammensetzungsschaltung 12 führt an einer Bezugsebene das gleiche Bildzusammensetzungsverfahren durch, wie es am Gegenstand 2 durchgeführt wurde, so daß bei Beendigung der Abtastung durch die Spaltlichtquelle 3 das Verarbeitungsresultat u&sub0;(x,y) auf einen Speicher 4 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene übertragen wird.
Nach Beendigung dieser Bildzusammensetzungsverarbeitungen folgt die Formverarbeitungsschaltung 10 dem Befehl aus der Sequenzsteuereinrichtung 11, um durch eine Differenzbildverarbeitungsschaltung 15 ein Bild
{u&sub0;(x,y) - u(x,y)}
zu berechnen, welches der Differenz der Werte der entsprechenden Bildelemente des Bildes im Speicher 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche und dem Bild im Speicher 14 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene entspricht, und sodann wird das Höhenprofil mittels einer Höhenkorrekturschaltung 16 korrigiert, wodurch die resultierenden Höhenprofildaten
{u&sub0;(x,y) - u(x,y)·v·tg Θ
in einem Speicher 17 für die dreidimensionale Form gespeichert werden.
In Abhängigkeit von dem Befehl aus einem höherrangigen Computer oder einem CAD-System werden die im Speicher 17 für die dreidimensionale Form gespeicherten Höhenprofildaten in geeigneter Weise auf den Computer oder das CAD-System übertragen.
Wie im Fall der ersten in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform werden auch bei dieser zweiten Ausführungsform die gespeicherten Inhalte des Speichers 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche und des Speichers 14 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene so, wie es durch die Bezugszeichen 13a bzw. 14a dargestellt ist. Infolgedessen werden diese Bilddaten durch die Differenzbildverarbeitungsschaltung 15 und die Höhenkorrekturschaltung 16 derart verarbeitet, daß das bei 17a gezeigte Höhenprofilbild erhalten und im Speicher 17 für die dreidimensionale Form gespeichert wird.
Während bei der Ausführungsform der Fig. 9 eine einzige Bezugsebene vorgesehen ist, kann eine zweite Bezugsebene zusätzlich zur Bezugsebene 1 wie bei der Ausführungsform der Fig. 8 vorgesehen werden. Die zweite (nicht gezeigte) Bezugsebene ist zwischen der Bezugsebene 1 und der Spaltlichtquelle 3 derart angeordnet, daß sie von der Bezugsebene 1 um einen Abstand d getrennt ist.
Wie in Fig. 10 gezeigt, ist in diesem Fall die Formverarbeitungsschaltung 10 so ausgebildet, daß ein zusammengesetztes Bild u&sub1;(x,y) der zweiten Bezugsebene durch die Bildzusammensetzungsschaltung 12 in gleicher Weise, wie oben erwähnt, erzeugt wird, und es wird ein Speicher 14A für das zusammengesetzte Bild zum Speichern desselben zusätzlich zum Speicher 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche und zum Speicher 14 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene vorgesehen. Ferner wird eine Verarbeitungsschaltung 30 zum Durchführen der Berechnung der oben erwähnten Gleichung (8) statt der Differenzbildverarbeitungsschaltung 15 und der Höhenkorrekturschaltung 16 vorgesehen.
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Das Meßprinzip dieser Ausführungsform wird zuerst grundsätzlich mit Bezug auf Fig. 11 erläutert.
Wie in Fig. 11 gezeigt, wird ein Spaltlicht 3a, das sich in vertikaler Richtung zur Zeichenebene ausbreitet, schräg von oben auf die Fläche eines zu messenden Objekts 2 projiziert, das auf einer Bezugsebene 1 angeordnet ist, und die Objektfläche wird durch eine Fernsehkamera 8 beispielsweise gerade von oberhalb des zu messenden Objekts 2 aufgenommen, während das Spaltlicht 3a quer zur Zeichenebene durch Verwendung beispielsweise eines Drehspiegels 4A bewegt wird. In diesem Zeitpunkt wird die Art, in der das linear reflektierte Muster des Spaltlichtes auf der Objektfläche quer im Bild bewegt wird, auf einem Fernsehmonitor 8a beobachtet, der mit der Fernsehkamera 8 verbunden ist.
Wie oben erwähnt, gibt die lineare Form des reflektierten Musters des Spaltlichtes 3a die Unregelmäßigkeitsinformation der Objektfläche wieder, und das bekannte optische Schnittverfahren mißt die dreidimensionale Form des zu messenden Objekts durch Extrahieren der linearen Form des reflektierten Musters von Zeitpunkt zu Zeitpunkt und rekonstruiert die extrahierten linearen Formen.
Erfindungsgemäß wird auf der Basis des Videosignals, das von der Fernsehkamera 8 erzeugt wird, die die Art aufnimmt, in welcher das linear reflektierte Muster des Spaltlichtes 3a über die Objektfläche bewegt wird, ein zusammengesetztes Bild erzeugt, in welchem der Wert jedes Bildelements im Bild dem Spaltlichtprojektionswinkel in dem Zeitpunkt entspricht, in welchem das Spaltlicht durch die Stelle der Objektfläche geht, welche diesem Bildelement entspricht.
Das erhaltene zusammengesetzte Bild ist derart ausgebildet, daß der Wert jedes der Bildelemente dem Höhenwinkel entspricht, der erhalten wird, wenn die Mitte der Spaltlichtdrehung des Drehspiegels 4A von einer Stelle auf der Objektfläche betrachtet wird, welche diesem Bildelement entspricht. Wenn daher das zusammengesetzte Bild als Größe Θ(x,y) durch Verwendung des Koordinatensystems (x,y) der entsprechenden Objektfläche dargestellt wird, kann das Profil f(x,y) der Objektfläche aus der folgenden Gleichung durch einfache geometrische Berechnung auf der Basis der Fig. 11 erhalten werden:
f(x,y) = z&sub0; - (x&sub0; - x)·tg Θ (x,y) (10)
Es wird bemerkt, daß die folgenden Meßverfahren leicht als Anwendungsbeispiele des oben erwähnten Meßprinzips gewählt werden können. Das erste Anwendungsbeispiel ist ein Verfahren, bei welchem die oben erwähnte Messung bezüglich der Bezugsebene 1 durchgeführt und das erhaltene zusammengesetzte Bild verwendet wird, um die Parameter x&sub0; oder z&sub0; zu eliminieren. Mit anderen Worten, durch Einsetzen von f(x,y) = 0 in die Gleichung (10) wird das zusammengesetzte Bild Θ&sub0;(x,y) der Bezugsebene 1 zu folgendem:
Durch Eliminieren der- Parameter z&sub0; oder x&sub0; aus der Gleichung (10) wird daher das Objektflächenprofil f(x,y) durch die Beziehungen der folgenden Gleichungen bestimmt:
Andererseits ist das zweite Anwendungsbeispiel ein Verfahren, bei welchem die oben erwähnte Messung bezüglich der drei Bezugsebenen f(x,y) = 0 und f(x,y) = d durchgeführt und die erhaltenen zusammengesetzten Bilder verwendet werden, um beide Parameter x&sub0; und z&sub0; zu eliminieren. Mit anderen Worten, was das zusammengesetzte Bild Θ&sub1;(x,y) der zweiten Bezugsebene betrifft, wird die folgende Gleichung durch Einsetzen von f(x,y) = d in die Gleichung (10) erhalten:
Durch Substituieren der Beziehungen der Gleichungen (11) und (14) in die Gleichung (10), um die Parameter x&sub0; und z&sub0; zu eliminieren, wird f(x,y) in Form der folgenden Gleichung bestimmt:
Es wird bemerkt, daß zwar erfindungsgemäß die Oberfläche eines zu messenden Objekts in Form von Spaltlichtprojektionswinkeln als Mittel für diesen Zweck kodiert wird, daß aber die Spaltlichtprojektionswinkel stets direkt gemessen werden müssen, und es ist möglich, zeitweise die Oberfläche des zu messenden Objekts durch die äquivalenten Werte, wie die Drehwinkel des Drehspiegels oder die Zeiten nach dem Beginn des Abtastens des Drehspiegels kodiert wird, unter der Bedingung, daß die Drehgeschwindigkeit des Drehspiegels konstant ist, und sodann dieselben durch Verarbeitung in Spaltlichtprojektionswinkel umgewandelt werden.
Ferner ist aus den Gleichungen (10) bis (15) ersichtlich, daß das zusammengesetzte Bild Θ(x,y), das in Form der Spaltlichtprojektionswinkel kodiert ist, allgemein in Form seines Tangens tg Θ(x,y) in allen nachfolgenden Formverarbeitungsvorgängen verwendet wird, und daher kann während der anfänglichen Bildzusammensetzungsperiode das Kodieren direkt in Form der Tangenten der Spaltlichtprojektionswinkel statt der Spaltlichtprojektionswinkel selbst durchgeführt werden.
Nunmehr wird die dritte Ausführungsform der Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig. 12 und 13 beschrieben.
Fig. 12 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zum Messen einer dreidimensionalen Form gemäß der dritten Ausführungsform. Ein zu messender Gegenstand 2 ist auf einer Bezugsebene 1 angeordnet, die als Meßbezug verwendet wird. Das von einer Spaltlichtquelle 3 ausgesandte Spaltlicht wird von einem Drehspiegel 4A reflektiert und auf das Objekt 2 schräg von oben projiziert. Der Drehspiegel 4A wird durch einen Motor 6 angetrieben, welcher durch einen Motorregler 5 derart gesteuert wird, daß das Spaltlicht 3a die ganze Oberfläche des Objekts 2 auf der Bezugsebene 1 abtastet.
In diesem Zeitpunkt wird angenommen, daß die Lage (x&sub0;, z&sub0;) der Mittelachse - der Drehung des Drehspiegels 4A bezüglich der Bezugsebene 1 genau gemessen wird. Ferner wird der vom Drehspiegel 4A der Bezugsebene 1 gebildete Winkel durch einen Drehwinkelsensor 7 erfaßt, welcher betriebsmäßig auf der Welle des Motors 6 angebracht ist, und auf eine Formmeßvorrichtung 9 über den Motorregler 5 gegeben, wodurch der Spaltlichtprojektionswinkel Θ berechnet wird, der sich von Zeitpunkt zu Zeitpunkt bezüglich des zu messenden Objekts 2 ändert.
Andererseits wird die Oberfläche des Objekts 2 von einer Fernsehkamera 8 aufgenommen, die so angeordnet ist, daß ihre optische Achse die Bezugsebene 1 rechtwinklig schneidet, und das resultierende Videosignal wird auf die Formmeßvorrichtung 9 gegeben.
Die Formmeßvorrichtung 9 enthält hauptsächlich eine Formverarbeitungsschaltung 10, die als Bildverarbeitungseinrichtung zur Durchführung einer Bildverarbeitung durch Bildkombinierung dient, eine Bündelprojektionswinkel-Berechnungsschaltung 33 zum Berechnen eines Spaltlichtbündel-Projektionswinkels Θ aus dem Ausgangssignal des Drehwinkelsensors 7 und zum Aufgeben desselben auf die Formverarbeitungsschaltung 10, sowie eine Sequenzsteuerschaltung 11 zum Aufgeben von Befehlen auf den Motorregler 5 und zur Zeitsteuerung der Verarbeitung der Formverarbeitungsschaltung 10.
Bei Durchführung der Formmessung treibt die Formverarbeitungsvorrichtung 9 den Motor 6 über die Sequenzsteuerschaltung 11 gemäß des von außen aufgegebenen Startsignals an, und der Drehspiegel 4A wird in die Ausgangsstellung eingestellt. Sodann wird die Drehung des Drehspiegels 4A gestartet, und die Abtastung durch die Spaltlichtquelle wird gestartet.
Die Formverarbeitungsschaltung 10 weist eine Bildzusammensetzungsschaltung 12 im Eingangsabschnitt auf, wodurch während jeder Abtastperiode der Spaltlichtquelle 3a eine Bildzusammensetzungsverarbeitung derart durchgeführt wird, daß beim Beginn der Abtastung durch die Spaltlichtquelle 3a das von der Fernsehkamera 8 erhaltene Videosignal von Zeitpunkt zu Zeitpunkt verarbeitet wird, und es wird der Bündelprojektionswinkel in dem Zeitpunkt, in welchem das Spaltlicht durch jedes der Bildelemente im Bild läuft, durch die Bündelprojektionswinkel-Berechnungsschaltung 41 gelesen, um den Wert jedes Bildelements darzustellen.
Nach Beendigung der Verarbeitung des zusammengesetzten Bildes Θ(x,y) entsprechend dem Befehl aus der Sequenzsteuerschaltung 11 berechnet die Formverarbeitungsschaltung 10 ein Höhenprofil f(x,y) mittels einer Höhenverarbeitungsschaltung 4D entsprechend der Gleichung (10), und die erhaltenen Daten werden in einem Speicher 17 für die dreidimensionale Form gespeichert.
Gemäß dem Befehl aus einem höherrangigen Computer oder einem CAD-System werden die im Speicher 17 für die dreidimensionale Form gespeicherten Höhenprofildaten in geeigneter Weise auf den Computer oder das CAD-System übertragen.
Wenn z. B. gemäß dieser dritten Ausführungsform die Messung an dem zu messenden Objekt 2 durchgeführt wird, welches eine geneigte Fläche mit einem nahe am Bündelprojektionswinkel des Spaltlichtes liegenden Winkel aufweist, wie in Fig. 13 gezeigt, liegt die Neigung der geneigten Fläche sehr nahe am Projektionswinkel des Spaltlichtes, so daß, wenn das Spaltlicht die mit "1" in Fig. 13 bezeichnete Stelle erreicht, die gesamte geneigte Fläche gleichförmig erhellt wird. Wenn jedoch das erhaltene winkelkodierte zusammengesetzte Bild gemäß der Gleichung (10) verarbeitet wird, ergeben sich solche Meßergebnisse, wie in Fig. 13 gezeigt. Hieraus ist ersichtlich, daß eine zufriedenstellend hohe Auflösung auch im Fall einer Form mit einer Oberfläche nahe am Winkel des Spaltlichtes sichergestellt werden kann.
Weil es in der Vergangenheit schwierig war, die Bündelschnittlinien aus diesem Bild zu extrahieren, wie oben erläutert, und es unmöglich war, die gewünschte Meßgenauigkeit und räumliche Auflösung durch die Anwendung des optischen Schnittverfahrens auf die Messung einer solchen geneigten Fläche zu erwarten, wird bei dieser Ausführungsform eine Meßgenauigkeit und eine räumliche Auflösung von etwa dem gleichen Grad erreicht, wie sie für die Bündelbreite oder den Abtastschritt des Spaltlichts möglich sind, und allgemein können die gewünschten Formmessungen unabhängig von den Formen der zu messenden Objekte durchgeführt werden.
Während im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Höhenverarbeitungsschaltung 34 die Berechnung der Gleichung (10) durchführt, können die Parameter z&sub0; oder x&sub0; in der Gleichung (10) eliminiert werden, um die Meßgenauigkeit zu verbessern.
In diesem Fall wird ein zusammengesetztes Bild auch bezüglich der Bezugsebene 1 in der gleichen Weise wie beim zu messenden Objekt bestimmt, und es wird durch Θ&sub0;(x,y) wiedergegeben.
Sodann werden, wie in Fig. 14 gezeigt, das zusammengesetzte Bild von Θ&sub0;(x,y) des zu messenden Objekts und das zusammengesetzte Bild Θ&sub0;(x,y) der Bezugsebene zeitweise im Speicher 13 für das zusammengesetzte Bild bzw. im Speicher 14 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene gespeichert, und sodann wird die Berechnung der Gleichung (12) oder (13) durch die Höhenverarbeitungsschaltung 34 durchgeführt, wodurch die dreidimensionale Form bestimmt wird.
Ferner können beide Parameter z&sub0; und x&sub0; in der Gleichung (10) eliminiert werden. In diesem Fall wird eine zweite Bezugsebene (welche parallel zur Bezugsebene 1 liegt und von dieser um einen Abstand d getrennt ist) zusätzlich zur Bezugsebene 1 gewählt, so daß ein zusammengesetztes Bild Θ&sub0; des zu messenden Objekts 2, ein zusammengesetztes Bild Θ&sub0;(x,y) der Bezugsebene 1 und ein zusammengesetztes Bild Θ&sub1;(x,y) der zweiten Bezugsebene in gleicher Weise erzeugt und vorübergehend im Speicher 13 für das zusammengesetzte Bild der Objektfläche, im Speicher 14 für das zusammengesetzte Bild der Bezugsebene und in einem Speicher 14A für das zusammengesetzte Bild der zweiten Bezugsebene gespeichert. Sodann wird die Berechnung der Gleichung (15) durch die Höhenverarbeitungsschaltung 34 durchgeführt, um eine dreidimensionale Form zu bestimmen.
Es wird bemerkt, daß die zusammengesetzten Bilder der Bezugsebene 1 und der zweiten Bezugsebene nicht wiederum erzeugt werden müssen, und daher können die anfänglich erzeugten zusammengesetzten Bilder während der zweiten und nachfolgenden Messungen direkt verwendet werden. Ferner kann infolge der Tatsache, daß die zusammengesetzten Bilder der Bezugsebene 1 und der zweiten Bezugsebene einfach aufgebaut sind, die Formverarbeitungsschaltung 10 mit derartigen Verarbeitungsfunktionen vorgesehen werden, daß virtuelle Bezugsebenen durch Berechnung gemäß den Gleichungen (11) und (14) erhalten werden, um ihre jeweiligen zusammengesetzten Bilder zu erzeugen und dieselben in den Speichern 14 bzw. 14A zu speichern.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer dreidimensional gekrümmten Flächenform, welches die folgenden Schritte umfaßt:

Veranlassen eines linearen Schlitzlichtes, das unter einem von 90º verschiedenen Winkel bezüglich einer Bezugsebene projiziert wird, die ganze Oberfläche eines zu messenden Objekts abzutasten, welches auf der Bezugsebene angebracht ist;

Erzeugen von Videosignalen durch eine Fernsehkamera, die das Bild des Objekts unter einem von der Schlitzlichtprojektion verschiedenen Winkel aufnimmt;

Speichern in einer ersten Speichereinrichtung von Werten, welche der Helligkeit der Videosignale für jedes Bildelement des Bildes entsprechen;

und, vor dem Beginn der Abtastung, Zurücksetzen jedes Speicherelements der ersten Speichereinrichtung auf Null;

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Vergleichen der in der ersten Speichereinrichtung gespeicherten Helligkeitswerte mit den Helligkeitswerten für die entsprechenden Bildelemente, die während des Abtastens von der Fernsehkamera aufgenommen werden;

Ersetzen der in der ersten Speichereinrichtung gespeicherten Helligkeitswerte durch die von der Fernsehkamera aufgenommenen Helligkeitswerte, wenn der letztere Wert für die entsprechenden Bildelemente höher ist als der gespeicherte Wert;

Speichern in einer zweiten Speichereinrichtung von Daten, welche der Lage des Schlitzlichts bezüglich der Bezugsebene entsprechen, um ein zusammengesetztes Bild der Oberfläche des Objekts im Verlauf des Abtastvorgangs zu bilden, immer wenn der in der ersten Speichereinrichtung gespeicherte Helligkeitswert ersetzt wird, wobei die Daten in Form einer Reihe von Werten vorliegen, welche entweder die Lage des Schlitzlichtes, die verstrichene Zeit seit dem Beginn des Abtastens oder den Projektionswinkel des Schlitzlichtes anzeigen, und Messen der dreidimensional gekrümmten Fläche des Objekts entsprechend einer besonderen arithmetischen Verarbeitung des zusammengesetzten Bildes des Objekts.

2. Verfahren zum Messen einer dreidimensional gekrümmten Flächenform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt: Messen der dreidimensional gekrümmten Fläche entsprechend der Differenz zwischen den in der zweiten Speichereinrichtung gespeicherten Daten und den Daten für entsprechende Bildelemente eines vorher bestimmten zusammengesetzten Bildes der Bezugsebene.

3. Verfahren zum Messen einer dreidimensional gekrümmten Flächenform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Veranlassens eines linearen Schlitzlichtes, die ganze Oberfläche des Objekts abzutasten, die folgenden Schritte umfaßt:

Veranlassen des linearen Schlitzlichtes, die Oberfläche des Objekts durch Reflexion von einem Drehspiegel abzutasten, und

Messen der Projektionswinkel des Lichtes;

wodurch auf das Abtasten des Schlitzlichtes bezügliche Daten durch einen Schlitzlichtprojektionswinkel in einem Zeitpunkt repräsentiert werden, in welchem das Schlitzlicht durch einen Meßpunkt geht, welcher einem der Bildelemente entspricht.

4. Vorrichtung zur Messung einer dreidimensional gekrümmten Flächenform, welche aufweist:

eine Schlitzlichtprojektionseinrichtung (3) zum Projizieren eines linearen Schlitzlichtes unter einem Winkel, der bezüglich einer Bezugsebene von 90º verschieden ist;

eine Schlitzlichtabtasteinrichtung zum Veranlassen des linearen Schlitzlichtes, die ganze Oberfläche eines zu messenden Objekts (2) abzutasten, das auf der Bezugsebene angebracht ist;

eine Fernsehkamera (8) zum Aufnehmen des Bildes des Objekts unter einem vom Projektionswinkel der Schlitzlichtprojektionseinrichtung (3) verschiedenen Winkel und zum Erzeugen von Videosignalen für jedes Bildelement des Bildes;

eine erste Speichereinrichtung (23) mit Speicherelementen zum Speichern von Werten, welche der Helligkeit der Videosignale für jedes Bildelement des Bildes entsprechen, sowie

Rücksetzeinrichtungen zum Zurücksetzen jedes Speicherelements der ersten Speichereinrichtung auf Null vor dem Beginn des Abtastens;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner aufweist:

eine zweite Speichereinrichtung (28) mit Speicherelementen zum Speichern von Daten, welche der Lage des Schlitzlichtes bezüglich der Bezugsebene entsprechen, wobei die Daten in Form einer Reihe von Werten vorliegen, welche entweder die Lage des Schlitzlichtes, die seit dem Beginn der Abtastung verstrichene Zeit oder den Projektionswinkel des Schlitzlichtes anzeigen;

eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung (12) zum:

(a) Vergleichen der in der ersten Speichereinrichtung gespeicherten Helligkeitswerte mit den Helligkeitswerten für die entsprechenden Bildelemente, welche von der Fernsehkamera während des Abtastens aufgenommen werden;

(b) Ersetzen des in der ersten Speichereinrichtung gespeicherten Helligkeitswertes durch den von der Fernsehkamera aufgenommenen Helligkeitswert, wenn der von der Fernsehkamera aufgenommene Helligkeitswert höher ist als der gespeicherte Wert für ein entsprechendes Bildelement, und

(c) Bilden eines zusammengesetzten Bildes der Oberfläche des Objekts im Verlauf des Abtastvorgangs durch Speichern in der zweiten Speichereinrichtung der Lagedaten, wenn der in der ersten Speichereinrichtung gespeicherte Helligkeitswert ersetzt wird, sowie eine Bildverarbeitungseinrichtung (15) zum Messen der dreidimensional gekrümmten Oberfläche des Objekts gemäß einer besonderen arithmetischen Verarbeitung des zusammengesetzten Bildes.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildzusammensetzeinrichtung (12) aufweist:

eine erste Speichereinrichtung zum Speichern eines Maximalwertes des Videosignals für jedes der Bildelemente während einer vorbestimmten Zeitperiode;

eine maximale Helligkeit-Bildverarbeitungseinrichtung zum Vergleichen der Werte des Videosignals und des in der ersten Speichereinrichtung gespeicherten Signals für jedes Bildelement desselben und zum Übertragen des Wertes des höheren von beiden in die erste Speichereinrichtung;

wobei die zweite Speichereinrichtung (13) zum Speichern von Daten eines Synchronisiersignals oder eines äußeren Eingabesignals in einem Zeitpunkt dient, wenn der Wert des Videosignals für jedes der Bildelemente während einer vorbestimmten Zeitperiode am höchsten ist;

und

eine zusammengesetzte Bild-Verarbeitungseinrichtung zum Speichern in einer zweiten Speichereinrichtung eines augenblicklichen Synchronisiersignalzählwerts oder äußeren Signalswerts für jedes Bildelement in der ersten Speichereinrichtung, für welches festgestellt wird, daß das Videosignal höher ist als das in der ersten Speichereinrichtung gespeicherte Signal.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzlichtabtasteinrichtung mit dem Schlitzlicht die gesamte Oberfläche des Objekts linear abtastet und daß die Bildverarbeitungseinrichtung eine dreidimensional gekrümmte Flächenform des Objekts entsprechend dem Unterschied zwischen den in der zweiten Speichereinrichtung gespeicherten Daten, welche den Bildelementen des zusammengesetzten Bildes des Objekts entsprechen, und den Daten der entsprechenden Bildelemente eines vorher bestimmten zusammengesetzten Bildes der Bezugsebene (1) mißt.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schlitzlichtwinkel-Meßeinrichtung vorgesehen ist zum Messen eines Projektionswinkels des Schlitz lichtes, wobei die schlitzlicht-Abtasteinrichtung die Schlitzlicht-Projektionseinrichtung innerhalb einer Ebene des Schlitzlichtbündels um eine Drehachse dreht, welche aus einer geraden Linie parallel zu der Bezugsebene besteht, um mit dem Schlitzlicht die gesamte Oberfläche des Objekts abzutasten, und daß die auf das Abtasten mit dem Schlitzlicht bezüglichen Daten ein Schlitzlichtprojektionswinkel oder ein dazu äquivalenter Wert sind.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungseinrichtung (12) eine dreidimensionale Form f(x, y) des Objekts entsprechend den zweidimensionalen Koordinaten x und y wenigstens auf der Basis eines zusammengesetzten Bildes u(x, y) der Objektoberfläche und eines vorläufig bestimmten zusammengesetzten Bildes O&sub0;(x, y) der Bezugsebene bestimmt.