DE4210075A1

DE4210075A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Kontrolle der Geometrie spiegelnder Objekte

Info

Publication number: DE4210075A1
Application number: DE19924210075
Authority: DE
Inventors: Henning Dipl Ing Dr Ing Wolf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-29
Filing date: 1992-03-29
Publication date: 1993-09-30

Description

Stand der Technik

Bekannt sind für die absolute räumliche Vermessung optisch matter Objekte sogenannte strukturierte Beleuchtungs-Verfahren wie: Triangulationsverfahren, Lichtschnittverfahren, Phasenshiftverfahren, Moir´-Technik und der "Codierte Lichtansatz", eine Weiterentwicklung des "Lichtschnittverfahrens". Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß auf das zu vermessende Objekt Lichtmuster, meist parallele Linien projiziert werden.

Den "Codieren Lichtansatz" kann man als räumlich parallele, zeitlich serielle Variation des "Lichtschnittverfahrens" auffassen. Hier werden n Streifen auf die Objektoberfläche projiziert. Diese Streifen werden in mehreren Aufnahmen zeitlich hintereinander individuell hell oder dunkel geschaltet. Die Hell- Dunkel-Folge codiert eineindeutig jeden dieser Projektionsstreifen. Die diffuse Reflexion dieser Linien an der matten Objektoberfläche wird in einer Kamera erfaßt. Damit kann auf jedem sichtbaren Objektpunkt der ihm zugeordnete Streifen erkannt werden. Bei bekannter geometrischer Anordnung von Projektor und Kamera werden hiermit die Koordinaten der Oberflächenpunkte des Objektes absolut errechnet.

Bei den "Strukturierte Beleuchtungs-Verfahren" muß man eine zumindest teilweise diffus reflektierende Objektoberfläche voraussetzen. Stark spiegelnde Oberflächen lassen sich nicht vermessen.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfassung spiegelnder Objektoberflächen wird erfindungsgemäß mit Hilfe Lichtquellen erzielt. Diese Lichtquellen spiegeln sich in der glänzenden Objektoberfläche. Das Spiegelbild hängt unter anderem in charakteristischer Weise von der Objektgeometrie ab. Das Spiegelbild wird von einer oder mehreren Kameras aufgenommen. Damit die Lichtquellen sich an allen Objekt punkten spiegeln können, haben sie einen so großen Öffnungswinkel, daß jede die ihr zugewandte Objektseite vollständig ausleuchten kann. Aus der Kenntnis der geometrischen Anordnung von Kamera und Lichtquellen, kann man die Orientierung der Objektoberfläche an den spiegelnden Punkten erfassen.

In einer Ausführung werden die Lichtquellen statisch betrieben, d. h. sie bleiben während des ganzen Meßvorganges eingeschaltet. In einer anderen Ausführung werden die Lichtquellen dynamisch betrieben d. h. sie können bei den einzelnen Zwischenaufnahmen ein- oder ausgeschaltet sein oder aber mit einstellbaren Zwischenstufen der Helligkeit leuchten. Wenn man z. B. in aufeinanderfolgenden Aufnahmen die Lichtquellen invers betreibt, d. h. Hell- mit Dunkelschaltung vertauscht, kann man durch eine Differenzbildung der aufgenommenen Bilder z. B. in einem Bildverarbeitungs system mit hoher Zuverlässigkeit die konstante Umgebungshelligkeit unter drücken und die von den geschalteten Lichtquellen erzeugten Reflexe herausheben.

Andererseits kann man wie bei dem "Codierten Lichtansatz" mit einer Sequenz von Aufnahmen pro Meßvorgang die Lichtquellen in eineindeutigem zugeordneten Code ein- und ausschalten. Somit kann man in dem Spiegelbild eindeutig zu jedem Objektpunkt die zugeordnete Lichtquelle identifizieren.

In einer Ausführung sind die Lichtquellen dinglich als jeweils eigene Lampe ausgebildet. In einer anderen Ausführung sind sie in einzeln oder in Gruppen aus einer oder mehreren Lampen durch elektrisch oder mechanisch schaltbare optische Blenden hergestellt. In einer weiteren Ausführung dienen projizierte Punkte oder Linien als Lichtquellen. Hier kann man solche Projektoren verwenden, wie sie für den "Codierten Lichtansatz" bereits vorhanden sind. Die Projektionswand weist eine hinreichend starke diffuse Reflexion auf, damit die auf sie projizierten Muster sich auf dem gesamten Objekt spiegeln können.

In einer Ausführungsform sind die Lichtquellen vorzugsweise linienförmig insbesonders gerade. Sie sind in bekannter Weise z. B. parallel zueinander angeordnet. In einer Ausführung können sich die linienförmigen Lichtquellen überkreuzen. Die ist besonders bei projizierten Lichtquellen leicht realisierbar.

In einer Ausführung werden die Lichtquellen in einem Raster vorzugsweise als paralleles Gitter angeordnet und das Spiegelbild dieses Rasters durch ein zweites Gitter hindurch betrachtet. Bei nahezu gleicher Gitterkonstante des Sende- und Empfangsgitters kommt es dann zu Moir´-Erscheinungen in dem entstehenden Bild. Diese Moir´-Erscheinung soll hier "Glanzmoir´" genannt werden im Vergleich zu den bekannten Moir´-Techniken wie Projektions-, Schatten- und Verdrehmoir´.

Bei unterschiedlich geneigten Objektteilen werden die reflektierten Linien unterschiedliche Richtungen und Abstände im Bild aufweisen. Man kann nun ein erstes Bild aufnehmen und mit einer veränderten Gitterkonstante der Lichtquellen oder mit einem veränderten Objekt ein zweites Bild. Subtrahiert man diese Bilder voneinander, ergeben sich wiederum Moir´strukturen in dem Differenzbild, die Rückschlüsse auf die Geometrie des/der Objekte erlauben.

In einer anderen Anordnung wird das Bild der an einem Referenzobjekt reflektierten Lichtquellen photographisch aufgenommen. Diese Photographie wird als durchscheinendes Dia entwickelt und in die Bildebene gebracht. Hier dient es dann für nachfolgenden Aufnahmen als Analysegitter. Unmittelbar dahinter wird die lichtempfindliche Photoschicht oder ein opto-elektrischer Bildgeber (z. B. CCD-Array) gebracht.

In einer anderen Anordnung wird der Strahlengang zwischen Referenzaufnahme und den späteren Messungen umgedreht. Für die Referenzaufnahme wird ein Gitter in den späteren Empfangsstrahlengang gebracht. In einer ersten Aufnahme wird es auf das spiegelnde Objekt projiziert und das reflektierte Licht auf eine photographische Schicht gebracht. Diese Projektion kann auch durch punktweise Rasterung z. B. mit einem Laserstrahl erfolgen. Das entstehenden Muster auf der photographischen Schicht dient nach der Entwicklung dann als Lichtquelle dadurch, daß sie hell beleuchtet werden. Das Gitter verbleibt an seinem Ort und die Aufnahmeoptik ist so ausgelegt, daß das Gitter in den Schärfebereich der Abbildung der Lichtquellen zu liegen kommt. Somit dient das Gitter für die folgenden Aufnahmen als Analysegitter. Unmittelbar dahinter wird die lichtempfindliche Photoschicht oder ein opto elektrischer Bildgeber (z. B. CCD-Array) gebracht. In einer weiteren Anordnung wird das Gitter samt Zwischenbild der Lichtwellen mittels einer weiteren Optik auf die Photoschicht bzw. den opto elektrischen Bildgeber abgebildet.

In weiteren Anordnungen sind mehrere gleiche oder verschiedene der oben beschriebenen Anordnungen gleichzeitig vorgesehen, so daß unterschiedliche oder überlappende Objektbereiche erfaßt werden oder gleiche Objektbereiche nach unterschiedlichen Kriterien untersucht werden können.

Claims

1. Optisches Verfahren zur Kontrolle der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit von glänzenden Objekten dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Lichtquellen mit bekannter Geometrie jeweils die ganze Szene oder große Teile der Szene ausleuchten und die mehr oder weniger gekrümmten Oberflächen der Objekte in der Szene als Spiegel wirken und das Spiegelbild der Lichtquellen mit einer oder mehreren optischen Kameras aufgenommen wird und mit dem Spiegelbild eines Referenzobjektes verglichen wird.

2. Optische Vorrichtung zur Kontrolle der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit von glänzenden Objekten dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Lichtquellen mit bekannter Geometrie jeweils die ganze Szene oder große Teile der Szene ausleuchten und die mehr oder weniger gekrümmten Oberflächen der Objekte in der Szene als Spiegel wirken und das Spiegelbild der Lichtquellen mit einer oder mehreren optischen Kameras aufgenommen wird und mit dem Spiegelbild eines Referenzobjektes verglichen wird.

3. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen während des Meßvorgangs mit konstanter Helligkeit betrieben werden.

4. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen während des Meßvorgangs, der aus mehreren Aufnahmen besteht teilweise ein- oder ausgeschaltet werden.

5. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen während des Meßvorgangs, der aus mehreren Aufnahmen besteht teilweise in einstellbaren unterschiedlichen Helligkeitsstufen betrieben werden.

6. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Lichtquelle durch ihre Folge von Ein- und Ausschaltungen unverwechselbar codiert wird.

7. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß in aufeinanderfolgenden Aufnahmen jede Lichtquelle einmal hell- oder dunkel geschaltet wird, und die Differenz der Helligkeit im Spiegelbild ausgewertet wird.

8. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen als jeweils eigene dingliche Lampe realisiert sind.

9. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen aus einer Lampe durch feste oder elektrisch bzw. mechanisch schaltbare Blenden hergestellt sind.

10. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen aus mehreren Lampen durch feste oder elektrisch bzw. mechanisch schaltbare Blenden hergestellt sind.

11. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen nicht gegenständlich sind, sondern mit einem oder mehreren Projektoren auf eine mehr oder weniger diffus reflektierende Wand projiziert werden und das reflektierte Licht als Lichtquelle wirkt.

12. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen punktförmig sind.

13. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen linienförmig sind.

14. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen linienförmig und gerade sind.

15. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmigen Lichtquellen parallel angeordnet sind.

16. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmigen Lichtquellen überkreuzen.

17. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmigen Lichtquellen in einem vorteilhafterweise orthogonalen Kreuzraster angeordnet sind.

18. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aufnahmen mit gleicher optischer Anordnung der Lichtquellen und unterschiedlichen, jedoch ähnlichen Objekten gemacht werden und die Abweichungen der Aufnahmen voneinander entweder durch Menschen oder durch Bildverarbeitungssysteme kontrolliert werden.

19. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelbild der Lichtquellen durch ein oder mehrere optische Gitter (Analysegitter) mit einer oder mehreren Kameras aufgenommen wird (Glanzmoir´).

20. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß ein dem erwarteten Muster der Spiegelbilder angepaßtes Analysegitter verwendet wird z. B. aus der Photographie des Spiegelbildes eines Referenzobjektes.

21. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß angepaßte Lichtquellen verwendet werden. Diese angepaßten Lichtquellen werden folgendermaßen gewonnen; in einem ersten Schritt wird das Analysegitters auf ein glänzendes Referenzobjekt projiziert. Diese Projektion kann z. B. auch durch punkt weises Scannen mit einem Laserstrahl erfolgen. Die Licht-Reflexe treffen auf eine photoempfindliche Wand. Nach der Entwicklung dieser photo empfindlichen Schicht dienen die so gewonnenen Hell-Dunkel-Muster als angepaßte Lichtquelle dadurch, daß sie mit einer oder mehreren Lampen bestrahlt werden.

22. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Ort und die Anordnung der Lichtquellen so gewählt werden, daß ihre erwarteten Spiegelbilder scharf von der Kamera aufgenommen werden kann und/oder die Strukturen im Bild der Kameras Symmetrien aufweisen. Insbesonders können, jedoch müssen die Lichtquellen nicht in einer Ebene angeordnet sein.

23. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Kameras mit photoempfindlichen Filmen oder Platten ausgestattet sind.

24. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Kameras mit optoelektronischen Bildgebern z. B. CCD-Arrays ausgestattet sind.

25. Verfahren und Vorrichtung gemäß den vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzobjekt ein mathematisches Modell verwendet wird und die mit der Kamera gewonnenen Bilder in einem Bildverarbeitungssystem mit den errechneten Reflexionsbildern verglichen wird.