DE3938714A1 - Optical determination of object shapes, shape variations - using structured coloured light projected onto objects for high resolution, dynamic measurement - Google Patents

Optical determination of object shapes, shape variations - using structured coloured light projected onto objects for high resolution, dynamic measurement

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DE3938714A1 DE19893938714 DE3938714A DE3938714A1 DE 3938714 A1 DE3938714 A1 DE 3938714A1 DE 19893938714 DE19893938714 DE 19893938714 DE 3938714 A DE3938714 A DE 3938714A DE 3938714 A1 DE3938714 A1 DE 3938714A1
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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical means
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2509Color coding

Abstract

The method of optically determining the shapes of objects involves detecting and evaluating structured light information from the illuminated object. Structured colour information is used. The measurement object is briefly illuminated with structured coloured light. The coloured structured light is projected by a video projector or a holographic optical element. Several colored patterns differing in colour and/or spatial distribution are projected onto the object simultaneously and/or successively. USE/ADVANTAGE - For measuring the shape, shape variations etc. of objects. Has very high resolution and is suitable for measuring dynamic processes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur meßtechnischen Erfassung der Form, Formänderung und dergleichen von Objekten, wobei strukturierte Lichtinformation des bestrahlten Objekts erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß strukturierte Farbin formation verwendet wird. The invention relates to a method for the metrological detection of the shape, change in shape and the like of objects, said structured light information from the irradiated object is detected and evaluated, characterized in that structured Farbin formation is used.

Zur meßtechnischen Erfassung von Form, Formtreue, Verformung von Objekten werden heute unterschiedliche Verfahren eingesetzt, die auf der Aufbringung bzw. Projektion von strukturiertem Licht auf das Meßobjekt beruhen. For the metrological detection of the shape, dimensional stability, deformation of objects, different methods are used today, which are based on the application or projection of structured light onto the object.

Entsprechende Verfahren sind: Laser-Triangulation, Lichtschnitt verfahren, Rasterverfahren, Moire-Techniken. Corresponding processes are: laser triangulation process light section, scanning method, Moire techniques.

Ausgewertet wird dabei die räumliche Lage bzw. Lageänderung der von einem Sensorsystem erfaßten Lichtstruktur, wobei die Helligkeits verteilung, gezielt ausgewertet wird. is evaluated here the spatial position or position change of the light structure detected by a sensor system, the brightness distribution is evaluated specifically. Zur Erhöhung der Auflösung werden zeitlich nacheinander Lichtstrukturen mit unterschiedlichen Mustern und/oder Helligkeitsverteilungen verwendet. sequentially light structures with different patterns and / or brightness distributions are used to increase the time resolution.

Aus der DE 37 21 749 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Objekt mit einem Streifenmuster bestrahlt wird. From DE 37 21 749 A1 a method of the type mentioned above is known, in which the object is irradiated with a stripe pattern. Für eine Messung erfolgen drei Aufnahmen mit jeweils phasen verschobener Projektionsstrahlung. For a measurement three pictures are taken with each phase-shifted projection radiation. Ein derartiges Verfahren eignet sich jedoch nicht zur Vermessung von dynamischen Vorgängen an Objekten. However, such a method is not suitable for the measurement of dynamic processes to objects.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein gangs genannten Art zu schaffen, welches über eine möglichst hohe Meßauflösung verfügt, und zur Erfassung dynamischer Vorgänge ge eignet ist. The invention has the object to provide a method of the type mentioned one which has a very high measurement resolution, and is suitable for detecting ge dynamic processes.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 gekenn zeichneten Merkmal gelöst. The task is inventively solved with the labeled in claim 1 in recorded feature.

Das Meßprinzip beruht auf der Anbringung bzw. Projektion von farbig strukturierten Mustern auf das Meßobjekt. The measuring principle is based on the attachment or projection of colored structured patterns on the test object. Aus der räumlichen Ver teilung der Muster kann die Form und/oder Formtreue des Meßobjektes, aus der Änderung der räumlichen Verteilung kann eine Verformung bzw. Bewegung des Objektes ermittelt werden. From the spatial Ver the pattern pitch, the shape and / or dimensional accuracy of the measurement object, from the change in the spatial distribution of deformation or movement of the object can be determined.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß nach den bekannten Verfahren die Strukturierung des Lichts allein über dessen Hellig keitsverteilung (Grauwertverteilung) erzeugt wird. The invention is based on the finding that according to the known method, the structuring of light solely through the Hellig speed distribution (gray value distribution) is generated. Im Hellig keitsbereich lassen sich in der Praxis im allgemeinen jedoch nur einige 10 Grauwerte deutlich unterscheiden, wodurch die Auflösung der Verfahren begrenzt wird. However, in Hellig keitsbereich some 10 gray levels can be clearly distinguished in practice generally, whereby the resolution of the method is limited. Sofern zur Erhöhung der Auflösung mit mehreren Lichtstrukturen gearbeitet wird, deren meßtechnische Er fassung zeitlich nacheinander erfolgt, so wird dadurch die Zeit, die insgesamt für die Erfassung der Meßdaten benötigt wird, entsprechend verlängert. Unless worked to increase the resolution with multiple light structures whose metrological He replaced occurs sequentially in time, so characterized, the time required in total for the detection of the measurement data, extended accordingly. Dadurch können dynamische Vorgänge im allgemeinen nicht mehr erfaßt werden. This dynamic processes generally can not be detected. Das Verfahren wird dadurch außerdem empfindlich gegen unerwünschte mechanische und thermische Störungen. The process is characterized also sensitive to undesirable mechanical and thermal disturbances.

Durch die Verwendung von Farbinformationen zur Strukturierung von Licht kann bei vorgegebener Strukturgeometrie eine wesentlich höhere Informationsdichte erzeugt werden. By the use of color information for structuring light a much higher information density can be generated at a predetermined structural geometry. Da die in der Farbcodierung enthaltene Information direkt in Meßdaten umgerechnet werden kann, resultiert eine entsprechend höhere Verfahrens auflösung. Since the information contained in the color coding can be directly converted into measured data, resulting in a correspondingly higher process resolution.

Da sowohl die Beleuchtung als auch die meßtechnische Erfassung der farbig strukturierten Daten gleichzeitig erfolgen kann, ist das Verfahren auch zur Erfassung dynamischer Vorgänge geeignet. Since both the illumination and the metrological detection of the colored structured data can be carried out simultaneously, the process is also suitable for detection of dynamic processes. Für sehr schnell verlaufende Prozesse bzw. bewegte Objekte kann außer dem eine Kurzzeitbelichtung, z. For very fast running processes or moving objects can except the short time exposure such. B. mit Blitzlampen, erfolgen. B. flashlamp done.

Der Einsatz von Videoprojektoren für die Erzeugung des farbig strukturierten Lichtes ermöglicht eine elektronische Generierung der farbcodierten Projektionsmuster. The use of video projectors for producing the colored structured light allows electronic generation of the color-coded projection pattern. Damit läßt sich eine schnelle Anpassung an Gegebenheiten eines spezifischen Prüfaufbaus realisieren. Thus, rapid adaptation to circumstances of a specific test setup can be realized.

Der Einsatz von HOE′s bietet den Vorteil, daß im HOE gleichzeitig das Projektionsobjektiv integriert werden kann, was eine sehr kompakte Bauweise des Projektors ermöglicht. The use of HOE's offers the advantage that the HOE, the projection lens can be integrated simultaneously, which allows for a very compact design of the projector. Ein weiterer Vorteil liegt hier in der Tatsache, daß in einem HOE mehrere Farbmuster gespeichert werden können. A further advantage lies in the fact that in a HOE a plurality of color patterns can be stored.

Die Auswertung von mehreren farbcodierten Lichtstrukturen ermög licht eine weitere Steigerung des Auflösungsvermögens sowie eine Absoluteichung der Meßdaten. The evaluation of several color-coded light structures enables a further increase in the resolving power and an absolute calibration of the measurement data.

Die Erzeugung des strukturierten Farbmusters kann durch Verwendung eines Farbdias oder dergleichen in dem Projektions-Strahlengang erfolgen. The generation of the structured color pattern can be performed by using a color slides or the like in the projection beam path.

Bei ebenen und glatten Objekten kann anstelle des Farbdias ein Farbcode direkt auf das Objekt aufgebracht werden. In plain and flat objects in place of the color slides, a color code can be applied directly to the object. Dazu eignen sich Fotolacke, die entsprechend dem gewünschten Muster auf das Objekt aufgebracht, belichtet und entwickelt werden. These photoresists are applied, exposed and developed according to the desired pattern on the object are suitable.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist, näher erläutert. The invention is illustrated using an exemplary embodiment which is illustrated schematically in the drawing. Das Beispiel demonstriert die Formvermessung eines Prüfobjektes. The example demonstrates the shape measurements of a test object.

Auf einem Farbdia 1 sind in einer periodischen Gitterstruktur Farbkeile vorhanden. On a color slide 1 color wedges are present in a periodic lattice structure. Entsprechende Dias können auf photografischem Weg hergestellt werden. Corresponding slides can be produced in photografischem way. Dieses Farbdia 1 wird mit einem Projektor 2 mittels einer Projektionsoptik 3 auf das Prüfobjekt 4 projiziert. This color slide 1 is projected with a projector 2 by means of a projection optical system 3 on the test object. 4 Die auf dem Objekt 4 dadurch sichtbar werdende farbige Gitter struktur wird mit einer Farbkamera 5 unter einem Winkel erfaßt. The becoming visible on the object 4 by colored lattice structure is detected with a color camera 5 at an angle. Die so aufgenommenen Farbbilddaten werden an ein geeignetes Farb bildverarbeitungssystem 6 bekannter Art weitergeleitet. The color image data thus picked up are transferred to a suitable color image processing system 6 of known type. Dort er folgt die Digitalisierung, Speicherung und Auswertung der Meßdaten. He follows the digitization, storage and evaluation of measurement data.

Für die Auswertung der Meßdaten ist entscheidend, daß die auf dem Objekt 4 sichtbare und von der Kamera 5 erfaßte Gitterstruktur bei gegebener Geometrie des Prüfaufbaus in bekannter Weise von der 3D- Kontur des Prüfobjekts bestimmt wird. For the evaluation of the measurement data is critical that the visible on the object 4 and detected by the camera 5 mesh structure is determined in a known manner by the 3D contour of the test object with a given geometry of the test set. Zur Eichung der geo metrischen, optischen und elektronischen Parameter des Prüfstand aufbaus können Messungen an Referenzobjekten (ebene Flächen, Musterobjekte usw.) aufgenommen und ausgewertet werden. To calibrate the geo metric, optical and electronic parameters may construction of the test measurements on reference objects (planar surfaces, pattern objects, etc.) are recorded and evaluated.

Die Ergebnisse stehen nach der Auswertung in digitaler Form zur Verfügung. The results are available after the evaluation in digital form. Sie können auf Datenspeicher abgelegt oder zur Weiter verarbeitung ausgegeben bzw. weitergeleitet werden. They can be stored on data storage or for further processing issued or forwarded.

Claims (9)

  1. 1. Verfahren zur meßtechnischen Erfassung der Form, Formänderung und dergleichen von Objekten, wobei strukturierte Lichtinfor mation des bestrahlten Objekts erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß strukturierte Farbinformation verwendet wird. 1. A process for the metrological detection of the shape, change in shape and the like of objects, structured Lichtinfor is detected mation of the irradiated object and evaluated, characterized in that structured color information is used.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu vermessende Objekt mit farbig strukturiertem Licht beleuchtet wird. 2. The method of claim 1, characterized in that the object to be measured is illuminated with structured light colored.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurzzeitbelichtung erfolgt. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that a short-time exposure is performed.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion des farbig strukturierten Lichtes mittels Videoprojektor erfolgt. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the projection of the colored structured light is effected by means of a video projector.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion des farbig strukturierten Lichtes mittels Holografisch Optischem Element (HOE) erfolgt. 5. The method according to any one of claims 1-3, characterized in that the projection of the colored structured light by means of Holographic Optical Element (HOE) is carried out.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Farbmuster, die sich in Farbe und/oder räumlicher Verteilung unterscheiden, gleichzeitig und/oder nacheinander projeziert werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a plurality of color samples which differ in color and / or spatial distribution, at the same time and / or are projected sequentially.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein strukturierter Farbcode auf das zu vermessende Objekt auf gebracht wird. 7. The method according to claim 1, characterized in that a structured color code on the object to be measured on is placed.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Objekt sichtbare Farbinfor mation mittels eines Farbsensors erfaßt und aus der Verteilung der so gewonnenen Farbinformation die Meßdaten berechnet werden. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the visible on the object detected Farbinfor mation by means of a color sensor and the measurement data are calculated from the distribution of the color information thus obtained.
  9. 9. Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnene Farbinformation rechnergestützt in quantitativer Form ausgewertet wird. 9. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the color information obtained is evaluated with computer assistance in quantitative form.
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