DE4416108C2 - Vorrichtung zum berührungsfreien Vermessen einer Objektoberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungsfreien Vermessen einer Objektoberfläche.

Aus der DE 42 06 836 A1 ist eine als Handsonde ausgestaltete Vorrichtung bekannt, bei der eine Projektionsvorrichtung vorge­ sehen ist, mit der mit mehreren ringförmig und fest zueinander angeordneten, vorzugsweise als Lichtleitfasern ausgebildeten Projektionsstrahlführungsvorrichtungen entlang räumlich verschie­ den ausgerichteter Projektionsachsen in einem Phasenverschiebe­ verfahren sich überlappende Streifenmuster auf die Oberfläche von als Zähne oder Zahngruppen ausgebildeten Objekten projizierbar sind. Zu den Projektionsachsen paralleler Einfallsgeraden schnei­ den sich in einem Referenzpunkt und schließen mit einer durch den Referenzpunkt verlaufenden Referenzgeraden jeweils einen von null verschiedenen Projektionswinkel ein. Dabei sind Zwi­ schenwinkel zwischen Einfallsebenen, die von durch die Einfall­ geraden verlaufenden und rechtwinklig zu der Objektoberfläche stehenden Ebenen gebildet sind, von null verschieden und bei Abtragen der Zwischenwinkel einen Kreis um den Referenzpunkt ist wenigstens einer der Zwischenwinkel kleiner als 180 Grad.

Die Detektionsvorrichtung verfügt über vorzugsweise als Licht­ leitfasern ausgebildete Beobachtungsstrahlführungsvorrichtungen, mit denen die auf der Objektoberfläche abgebildeten Streifen­ muster auf eine Anzahl von Detektorelementen zeitlich oder räum­ lich getrennt abbildbar ist. Dabei ist jeder Projektionsstrahlfüh­ rungsvorrichtung eine Beobachtungsstrahlführungsvorrichtung zugeordnet, wobei die zugeordneten Strahlführungsvorrichtungen unter einem Paralaxewinkel zueinander angeordnet sind.

Nach Aufnahme der Streifenmuster mit überlappender Projektion mehrerer parallel zueinander verschobener Einzelstreifenmuster aus verschiedenen Richtungen in einer Rundumaufnahme ist ein verbesserter Datensatz der Konturen des Objektes verfügbar und in einer Auswertevorrichtung auf der Grundlage von einem Phasen Wert für jede Projektionsrichtung, den Relativkoordinaten der Detektorelemente sowie Kenntnis der die Projektionsvorrichtungen und Beobachtungsvorrichtungen kennzeichnenden Parameter zur Bestimmung der Oberflächenkontur des Objektes gewinnbar.

Mit dieser optischen Mundsonde sind zwar Zähne in der Mund­ höhle eines Patienten dreidimensional vermessbar, allerdings ist zur genauen Bestimmung der Oberflächenkontur eine genaue Kenntnis der die Projektionsvorrichtung und die Beobachtungsvor­ richtung kennzeichnenden geometrischen und optischen Parameter notwendig. Gerade dies ist jedoch nur mit einem sehr hohen Aufwand wie beispielsweise einer exakten Einzelvermessung der optischen Projektions- und Beobachtungsverhältnisse der Vor­ richtung durchführbar.

Aus der DE 41 42 676 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum be­ rührungsfreien Vermessen von Zahnrädern mittels projizierter Streifenmuster bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist jeweils ein Streifenmuster auf eine Zahnflanke eines Zahnrades projizierbar, so daß gleichzeitig eine Vermessung der beiden Zahnflanken eines Zahnes möglich ist. Zum Vermessen der einzelnen Zähne ist das Zahnrad drehbar gelagert. Dabei ist jedoch die genaue Kenntnis der die Projektionsvorrichtung und die Detektionsvorrichtung kenn zeichnenden Parameter notwendig.

Aus der US-A-4,657,394 ist eine weitere Vorrichtung zum berüh­ rungsfreien Vermessen einer Objektoberfläche bekannt, bei der ein mittels einer Projektionsvorrichtung mit einem verschiebbaren Streifenmuster bestrahltes dreidimensionales Objekt drehbar ist, wobei mittels einer Detektorelemente aufweisenden Detektions­ vorrichtung die Streifenmuster bei unterschiedlichen Stellungen des Objektes detektierbar sind. Bei dieser Vorrichtung sind Linien­ profile des Objektes berechenbar, allerdings müssen hierfür auch die Projektions- und Detektionsparameter bekannt sein.

Aus der US-A-4,511,252 ist eine weitere Vorrichtung zum berüh­ rungsfreien Vermessen einer Objektoberfläche bekannt, bei der auf ein Objekt mehrere, das Objekt in verschiedene Bereiche unter­ teilende Muster projizierbar sind. Mittels mehrerer Bildaufnahme­ vorrichtung, die das gesamte Objekt in ihrem Sichtbereich haben, ist das Objekt mit jedem projizierten Muster aufnehmbar. Die einzelnen zusammengefügten Bilder der Bildaufnahmevorrichtun­ gen ergeben ein Bild der Objektoberfläche, wobei zur Bestimmung der dreidimensionalen Koordinaten die Objektdaten mit zuvor an einem Referenzobjekt aufgenommenen Bildern korreliert sind.

Weitere Vorrichtungen zum berührungsfreien Vermessen von Objekten sind aus der EP 0 445 618 A2 und der EP 0 451 474 A2 bekannt. Bei der Vorrichtung gemäß der EP 0 445 618 A2 weist die Projektionsvorrichtung in einem Ausführungsbeispiel drei in einer Gitterebene angeordnete, jeweils von einer Projektionslampe ausgeleuchtete Projektionsgitter mit zueinander parallel ausgerich­ teten Gitterlinien auf. Mit einer als Detektionsvorrichtung dienen­ den Kamera sind die nacheinander im Zeitmultiplexbetrieb auf die Objektoberfläche projizierten Streifenmuster detektierbar und in eine Auswerteeinheit einspeisbar. Die Projektionsgitter liegen in der Gitterebene auf einer Geraden und die von den Projektions­ lampen über die Projektionsgitter zu der Objektoberfläche ver­ laufenden Projektionsachsen schließen mit der Beobachtungsachse der Kamera verschiedene Winkel ein, wobei die Projektionsachsen durch zwei Projektionsgitter einen verhältnismäßig großen Winkel von etwa 30 Grad zueinander aufweisen und die Projektionsach­ sen durch zwei dicht nebeneinander angeordneten Projektions­ gitter einen verhältnismäßig kleinen Winkel von 0,5 Grad einschlie­ ßen.

Durch diese Anordnung sind zwei Sätze von Ebenen konstanter Phasendifferenz definiert, wobei die beiden Sätze unterschiedlich effektive Wellenlängen in Projektionsrichtung zugeordnet werden können. Die effektiven Wellenlängen sind durch die Gitterkon­ stante der Projektionsgitter und die Winkel zwischen den Projektionsachsen der jeweiligen Projektoren bestimmt und hängen bei gleichen Gitterkonstanten der Projektionsgitter nur von den Winkeln zwischen den Projektionsachsen ab. Durch Auswerten von Schwebungsfrequenzen beziehungsweise von Phasendifferen­ zen an den Meßpunkten sind der Abstand sowie die Lateralkoor­ dinaten von Meßpunkten auf der Objektoberfläche unter Berück­ sichtigung der Anordnung der Beobachtungslinse und der geo­ metrischen Abmessungen der Kamera bestimmbar.

Mit den letztgenannten Vorrichtungen ist zwar eine eindeutige, ab­ solute Abstandmessung im gesamten Meßbereich gewährleistet, allerdings gehen in die Berechnung der Meßpunktkoordinaten Abbildungsfehler der Projektionsvorrichtung sowie der Detektions­ vorrichtung und prinzipiell stark fehlerbehaftete Subtraktionen von etwa gleich großen Meßgrößen ein, so daß bei ungünstigen Meß­ bedingungen die Meßpunktkoordinaten verhältnismäßig fehler­ behaftet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch präzise Meß­ ergebnisse auch bei nur unzureichender Kenntnis insbesondere der die Projektionsvorrichtung kennzeichnenden Parameter auszeich­ net.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrich­ tung zum berührungsfreien Vermessen einer Objektoberfläche mit

• - Mitteln, mit denen in Richtung von wenigstens drei bezüglich eines Koordinationssystems der Objektoberfläche räumlich verschieden ausgerichteten Projektionsachsen sich überlappen­ de Streifenmuster so auf die Objektoberfläche eines Objekts projizierbar sind, daß sich zu den Projektionsachsen parallele Einfallsgeraden in einem Referenzpunkt auf der Objektober­ fläche schneiden sowie mit einer durch den Referenzpunkt verlaufenden Referenzgeraden jeweils einen von Null verschie­ denen Projektionswinkel einschließen und daß Zwischenwinkel (43, 44, 45) zwischen Einfallsebenen, die von durch die Einfallsgeraden verlaufenden und rechtwinklig zu der Objekt­ oberfläche stehenden Ebenen gebildet sind, von Null verschie­ den sind sowie bei Abtragen der Zwischenwinkel in einem Kreis um den Referenzpunkt wenigstens einer der Zwischenwinkel kleiner als 180 Grad ist,
• - einer Detektionsvorrichtung, mit der Linien aller paarweise von Null verschiedene Streifenwinkel einschließenden Streifenmu­ ster aus einer Beobachtungsrichtung im Koordinationssystem der Objektoberfläche erfaßbar sind, und
• - einer Auswertevorrichtung, mit der die Phasenlagen aller proji­ zierten Streifenmuster an den Meßpunkten in bezug auf den Referenzpunkt bestimmbar sind und allein mit den vorgegebe­ nen Projektionswinkeln, Zwischenwinkeln und Ortsfrequenzen der Streifenmuster mit einer Recheneinheit der Auswertevor­ richtung die aufgrund der Projektionsgeometrie linear vonein­ ander unabhängigen Phasenlagen der Streifenmuster an den Meßpunkten in bezug auf den Referenzpunkt in Meßpunktkoor­ dinaten umrechenbar sind.

Dadurch, daß Linien von verschiedenen paarweise von null ver­ schiedene Streifenwinkel einschließenden Streifenmustern mit der gleichen, starr mit dem Objekt koppelbaren Detektionsvorrichtung erfaßbar sind und die Bestimmung der Phasenlage aller projizierten Streifenmuster in bezug auf den sich auf der Objektoberfläche befindlichen Referenzpunkt sowie die Umrechnung der Phasen­ lagen der Streifenmuster an den Meßpunkten in bezug auf den Referenzpunkt in Meßpunktkoordinaten allein anhand der vor­ gegebenen Projektionswinkel, Zwischenwinkel und Ortsfrequenzen der Streifenmuster erfolgt, ist die Vorgabe weiterer, die optischen Verhältnisse kennzeichnender Parameter überflüssig, da die wink­ lig zueinander ausgerichteten Streifenmuster linear voneinander unabhängige Phasenwerte liefern, aus denen die Meßpunktkoor­ dinaten ableitbar sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Gitterlinien eines einzelnen Projektionsgitters als Streifenmuster in einem aus einer Beleuchtungsvorrichtung der Projektionsvorrichtung aus­ tretenden Projektionslichtbündel über drei auf einem Kreisumfang angeordnete Projektionsspiegel auf die Objektoberfläche projizier­ bar, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Referenzgerade durch den Mittelpunkt des Kreises verläuft und sich die Projek­ tionsachsen in dem Referenzpunkt schneiden. Mit einem dreh­ baren Umlenkspiegel sind die Projektionsspiegel nacheinander mit dem Projektionslichtbündel beaufschlagbar. Die Streifenwinkel, Pro­ jektionswinkel und Zwischenwinkel weisen jeweils gleiche Werte auf, so daß diese Vorrichtung zum Vermessen von Objektober­ flächen mit vollkommen unregelmäßigen Konturen besonders geeignet ist, da bei der Projektion der Streifenmuster keine Raum­ richtung bevorzugt ist. Insbesondere wird durch eine derartige Geometrie der Anordnung erreicht, daß sich nicht vermeidbare Fehler bei der Messung der Phasenlagenwerte minimal auf die Ge­ nauigkeit der Koordinatenbestimmung auswirken.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Objekt mit der zu vermessenden Objekt­ oberfläche zentrisch auf einem Drehtisch angebracht. Die Projektionsvorrichtung und der Drehtisch sind starr miteinander verbunden, so daß in allen Stellungen des Drehtisches jeweils gleiche Meßpunkte auf der Objekt­ oberfläche an gleiche Orte der Detektionsvorrichtung abgebildet sind. Die Beobachtungsrichtung der Detektionsvorrichtung fällt in diesem Ausführungsbei­ spiel mit der Drehachse des Drehtisches zusammen. Mit der Projektionsvorrichtung sind die Gitterlinien eines einzigen Projektionsgitters unter einem Projektions­ winkel auf die Objektoberfläche projizierbar, wobei durch Verdrehen des Drehtisches bezüglich des Ko­ ordinatensystems des Meßraumes verschiedene Zwischen­ winkel und Streifenwinkel einstellbar sind.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen einer Objektoberfläche mit einer sequentiellen Projektion von Streifenmustern über drei Projektionsspiegel,

Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung die Anordnung der Projektionsspiegel gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine weitere Vorrichtung zum berührungslosen Vermessen einer Objektoberfläche, bei der die Objektoberfläche gegenüber der Projektionsvor­ richtung drehbar ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zum be­ rührungsfreien Vermessen einer Objektoberfläche weist eine Projektionsvorrichtung 1 eine Weißlichtquelle 2 auf, deren Ausgangslicht 3 über Kondensorlinsen 4, 5 ein Projektionsgitter 6 mit äquidistanten, parallel zuein­ ander angeordneten Gitterlinien 7 beaufschlagt. Nach Durchtritt durch das Projektionsgitter 6 fällt das Ausgangslicht 3 durch eine lichtdurchlässige, plan­ parallele Phasenschieberplatte 8, die um eine parallel zu den Gitterlinien verlaufende Achse mit einem in Fig. 1 nicht dargestellten Schrittmotor drehbar ist. Nach Durchtritt durch die Phasenschieberplatte 8 durchläuft das durch die Gitterlinien 7 intensitätsmodulierte Ausgangslicht 3 zwei Projektionslinsen 9, 10 eines telezentrischen Abbildungssystemes, mit denen ein Projektionslichtbündel 11 gebildet ist, das aus der durch die Lichtquelle 1, den Linsen 3, 4, 9, 10 sowie dem Projektionsgitter 7 und der Phasenschieberplatte 8 gebildeten Beleuchtungsvorrichtung 12 austritt.

Das Projektionslichtbündel 11 ist nach Austritt aus der Beleuchtungsvorrichtung 12 in Richtung eines Verteiler­ spiegels 13 einer Umlenkvorrichtung 14 gerichtet. Der Verteilerspiegel 13 ist drehbar, wobei in einer ersten, aus der Strahlachse 15 des Projektionslichtbündels 11 gedrehten Stellung das Projektionslichtbündel 11 auf einen ersten Projektionsspiegel 16 fällt und in zwei weiteren Stellungen des Verteilerspiegels 13 das Pro­ jektionslichtbündel 11 auf einen zweiten Projektions­ spiegel 17 sowie einen dritten Projektionsspiegel 18 gelenkt ist.

Die Projektionsspiegel 16, 17, 18 lenken das Projektionslichtbündel 11 auf eine zu vermessende Objektoberfläche 19 eines sich in dem Meßraum befind­ lichen Objektes 20. Auf der Objektoberfläche 19 sind somit durch Drehen des Verteilerspiegels 13 nacheinander ein erstes Streifenmuster 21, ein zweites Streifenmuster 22 und ein drittes Streifenmuster 23 mit einer großen Tiefenschärfe projizierbar. In der Darstellung gemäß Fig. 1 sind die Streifenmuster 21, 22, 23 zusammen dargestellt, um die weiter unten genauer erläuterte winklige Ausrichtung der Streifenmuster 21, 22, 23 zu zeigen. Durch die Anordnung der Projektionsspiegel 16, 17, 18 beispielsweise auf einem Kreisumfang um den Verteilerspiegel 13 mit vorzugsweise jeweils gleichen Zwischenwinkeln fallen die Streifenmuster 21, 22, 23 winklig zueinander ausgerichtet auf die Objektoberfläche 19.

Über einen Ablenkspiegel 24 ist mit einer ortsauf­ lösenden Kamera 25 der Verlauf der Streifenmuster 21, 22, 23 auf der Objektoberfläche 19 detektierbar. Die Kamera 25 ist vorzugsweise eine sogenannte "charged coupled device"- (CCD-) Kamera. Das Ausgangssignal der Kamera 25 ist über eine Datenleitung 26 einer als Aus­ wertevorrichtung dienenden Auswerteeinheit 27 mit einer Eingabetastatur 28 und einem Bildschirm 29 einspeisbar.

Fig. 2 zeigt in einer gegenüber Fig. 1 vergrößerten Darstellung die Anordnung der mit den Bildern der Gitterlinien 7 beaufschlagten Projektionsspiegel 16, 17, 18, wobei in Fig. 2 aus Gründen der besseren Übersicht­ lichkeit der Verteilerspiegel 13 und der Ablenkspiegel 24 nicht dargestellt sind. In Fig. 2 ist ein Ko­ ordinatensystem mit zwei in einer Ebene durch einen Referenzpunktes 30 liegenden Koordinatenachsen 31, 32 als x-Achse beziehungsweise y-Achse sowie einer sich durch den Referenzpunkt 30 erstreckenden Referenzgeraden 33 als zu der durch die Koordinatenachsen 31, 32 aufge­ spannten Ebene rechtwinklig stehenden z-Achse eines bezüglich dem Objekt 20 festen Koordinatensystems in dem Meßraum dargestellt.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Projektionsspiegel 16, 17, 18 auf einem Kreisumfang angeordnet, wobei die Referenzgerade 33 rechtwinklig zu der Kreisfläche durch den Mittelpunkt des Kreises ver­ läuft. Die sich zwischen dem ersten Projektionsspiegel 16 und dem Referenzpunkt 30 erstreckende erste Pro­ jektionsachse 34, die sich zwischen dem zweiten Pro­ jektionsspiegel 17 und dem Referenzpunkt 30 erstreckende zweite Projektionsachse 35 sowie die sich zwischen dem dritten Projektionsspiegel 18 und dem Referenzpunkt 30 erstreckende dritte Projektionsachse 36 schneiden sich als Einfallsgeraden in dem Referenzpunkt 30 und schließen mit der Referenzgeraden 33 jeweils einen ersten Projektionswinkel 37, einen zweiten Projektions­ winkel 38 und einen dritten Projektionswinkel 39 ein. Jede der Projektionsachsen 34, 35, 36 liegt außerhalb einer durch die beiden anderen Projektionsachsen 34, 35, 36 aufgespannten Projektionsachsenebene, wobei bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Re­ ferenzgerade 33 innerhalb des durch die Projektions­ achsen 34, 35, 36 begrenzten Pyramidenvolumens verläuft. Der in Fig. 2 nicht dargestellte Ablenkspiegel 24 ist vorteilhafterweise in Richtung der Referenzgeraden 33 angeordnet.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Projektionswinkel 37, 38, 39 einen gleichen Wert von etwa 35 Grad auf. Bei diesem Winkel wirken sich Fehler der Phasenlagenmeßwerte minimal auf die Genauig­ keit der Koordinatenbestimmung aus. Bei stark kontu­ rierten Objektoberflächen 19 ist eine Veränderung der Projektionswinkel 37, 38, 39 zweckmäßig, wobei die Werte vorteilhafterweise zwischen 20 Grad und 70 Grad liegen.

Zwischen den Projektionsachsen 34, 35, 36 und der Referenzgeraden 33 sind jeweils eine erste Projektions­ ebene 40, eine zweite Projektionsebene 41 und eine dritte Projektionsebene 42 aufgespannt. Ein erster Zwischenwinkel 43 zwischen der ersten Projektionsebene 40 und der zweiten Projektionsebene 41, ein zweiter Zwischenwinkel 44 zwischen der zweiten Projektionsebene 41 und der dritten Projektionsebene 42 sowie ein dritter Zwischenwinkel 45 zwischen der dritten Projektionsebene 42 und der ersten Projektionsebene 40 sind jeweils von Null verschieden und weisen in diesem Ausführungsbei­ spiel in der durch Pfeile gekennzeichneten Umlauf­ richtung auf einem Kreis jeweils einen Wert von 120 Grad auf. Gleiche Werte für die Zwischenwinkel 43, 44, 45 sind für eine hohe Genauigkeit der Koordinatenbestimmung in allen drei Raumrichtungen vorteilhaft. Um Einflüsse der Objektoberfläche 19, wie beispielsweise Glanz­ lichter, auf die Genauigkeit der Phasenlagenmeßwerte und damit der Koordinatenbestimmung zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, die Zwischenwinkel 43, 44, 45 mit einem von 120 Grad verschiedenen Wert vorzusehen, wobei jedoch bei gleichsinniger Abtragung wenigstens ein Zwischen­ winkel 43, 44, 45 kleiner als 180 Grad ist und jeweils die beiden anderen Zwischenwinkel 43, 44, 45 vorzugs­ weise wenigstens einen Wert von 45 Grad aufweisen.

In der Darstellung der Fig. 2 sind entsprechend zu Fig. 1 das erste Streifenmuster 21, das zweite Streifenmuster 22 und das dritte Streifenmuster 23 miteinander über­ lagert dargestellt. In einer Ebene schließen die parallelen Linien des ersten Streifenmusters 21 mit den parallelen Linien des zweiten Streifenmusters 22 einen ersten Streifenwinkel 46, die parallelen Linien des zweiten Streifenmusters 22 mit den parallelen Linien des dritten Streifenmusters 23 einen zweiten Streifenwinkel 47 und die parallelen Linien des dritten Streifenmusters 23 mit den parallelen Linien des ersten Streifenmusters 21 einen dritten Streifenwinkel 48 ein, so daß zur Bestimmung der Phasenlagen der Meßpunkte für die drei Koordinaten Streifenmuster 21, 22, 23 mit sich in drei Richtungen erstreckenden Linien vorhanden sind.

Mit der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Vorrichtung sind die Koordinaten von Meßpunkten auf die Objektober­ fläche 19 in Bezug auf den Referenzpunkt 30 bei vor­ gegebenen Projektionswinkeln 37, 38, 39, Zwischenwinkeln 43, 44, 45 sowie der durch die räumliche Periodizität der Streifenmuster 21, 22, 23 festgelegten Orts­ frequenzen der Streifenmuster bestimmbar, wobei zur Bestimmung der Meßpunktkoordinaten nach einer weiter unten beschriebenen Messung der Phasenlage der Streifen­ muster 21, 22, 23 an den Meßpunkten für die Meßpunkt­ koordinaten folgendes Gleichungssystem bei einer tele­ zentrischen Projektionsvorrichtung 1 mit einer Rechen­ einheit der Auswerteeinheit 27 lösbar ist:

ΔΦ_i= 2π/Λ [(x cos Θ_i + y sin Θ_i)cos α_i + z sin α_i],

wobei ΔΦ_i der Phasenlage des i-ten Streifenmusters 21, 22 oder 23, 2π/Λ der Ortsfrequenz der in diesem Aus­ führungsbeispiel mit gleicher Periodizität versehenen Streifenmuster 21, 22, 23, Θ_i dem i-ten Zwischenwinkel 43, 44 oder 45, wobei die Θ_i jeweils den Winkeln zwischen Projektionen von zwei Projektionsachsen 34, 35, 36 auf die durch die Koordinatenachsen 31, 32 aufge­ spannten Ebene entsprechen, und α_i dem i-ten Pro­ jektionswinkel 37, 38 oder 39 mit i = 1, 2, 3 entspricht sowie x, y, z die Meßpunktkoordinaten in dem durch die Koordinatenachsen 31, 32 sowie der Referenzgeraden 33 gebildeten objektfesten Koordinatensystem repräsen­ tieren. Bei einer telezentrischen Projektionsvorrichtung 1 sind die Ortsfrequenzen 2π/Λ ortsunabhängig und somit die Lösung des Gleichungssystemes besonders einfach. Bei einer nicht telezentrischen Projektionsvorrichtung 1 erfolgt die Koordinatenbestimmung in ähnlicher Weise, wobei sich jedoch das Gleichungssystem durch die orts­ abhängigen Ortsfrequenzen 2π/Λ ändert.

Die durch die Projektionsgeometrie linear voneinander unabhängigen Phasenlagen ΔΦ_i sind mit der Auswerte­ einheit 27 und dem daran angeschlossenen, in Fig. 1 nicht dargestellten Schrittmotor bei verschiedenen Stellungen der drehbaren Phasenschieberplatte 8 in einem an sich bekannten Phasenschrittverfahren durch schritt­ weises Variieren der Phasenlage und Zählen der Phasen­ sprünge sowie einer Korrelation zwischen der Schrittzahl zum Erreichen des bezüglich der Phasenlage des Meß­ punktes nächsten Phasensprunges und der relativen Phasenlage des Meßpunktes in dem letzten Phaseninterval bestimmbar. Durch die Projektion der Gitterlinien 7 des Projektionsgitters 6 auf die Objektoberfläche 19 aus verschiedenen Richtungen ist einerseits eine schatten­ freie Projektion und andererseits durch die Verwendung von für die Umlenkvorrichtung 14 charakteristischen, genau bestimmbaren geometrischen Winkel und Phasenlagen­ werten eine hohe Genauigkeit sowie insbesondere eine Unabhängigkeit von für die Beleuchtungseinrichtung 12 kennzeichnenden Parametern erreicht.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum berührungsfreien Vermessen einer Objekt­ oberfläche 19, bei der die Auswerteeinheit 27 über die Datenleitung 26 mit der unmittelbar über der zur ver­ messenden Objektoberfläche 19 des Objektes 20 ange­ ordneten Kamera 25 verbunden ist. Die Kamera 25 ist über einen Kameraarm 49 an einem Drehtisch 50 angebracht. Der Drehtisch 50 ist drehbar auf einer Standplatte 51 be­ festigt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Dreh­ achse des Drehtisches 50 mit der Beobachtungsachse 52 der Kamera 25 zusammenfällt. In einem Abstand von der Drehachse des Drehtisches 50 ist an einem an der Stand­ platte 51 angebrachten Projektionsarm 53 ein Streifen­ projektor 54 angebracht, mit dem in dem raumfesten Koordinatensystem der gesamten Vorrichtung ein einziges Streifenmuster auf die Objektoberfläche 19 projizierbar ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung sind in drei unterschiedlichen Stellungen des Drehtisches 50 mit der Kamera 25 drei bezüglich des Koordinatensystems der Objektoberfläche 19 verschieden einfallende Streifen­ muster auf der Objektoberfläche 19 detektierbar und über die Datenleitung 26 der Auswerteeinheit 27 einspeisbar. Bei vorgegebenen Drehwinkeln des Drehtisches 50 sowie dem Winkel zwischen der Beobachtungsachse 52 und der Projektionsachse 55 des Streifenprojektors 54 sind bei bekannter Phasenlage der Meßpunkte in Bezug auf die in unterschiedlichen Ausrichtungen der Objektoberfläche 19 auftreffenden Linien des Streifenmusters gemäß obiger Gleichung die Meßpunktkoordinaten bestimmbar. Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung zeichnet sich durch einen optisch stabilen und mechanisch einfachen Ausbau aus.

In einem gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Vor­ richtung abgewandelten Ausführungsbeispiel ist der Verteilerspiegel 13 durch einen Strahlteiler ersetzt, mit dem die Projektionsspiegel 16, 17, 18 simultan mit dem Projektionsbündel 11 beaufschlagbar sind. In den Strahlengängen zwischen den Projektionsspiegeln 16, 17, 18 und der Objektoberfläche 19 sind Farbfilter mit voneinander separierten Transmissionsbereichen ange­ ordnet, so daß spektral unterschiedliche Streifenmuster auf die Objektoberfläche 19 projiziert sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Detektionsvorrichtung als eine spektral empfindliche, ortsauflösende Kamera ausge­ legt, mit der die verschiedenfarbigen Streifenmuster gegeneinander diskriminierbar sind. Diese Vorrichtung zeichnet sich durch die gleichzeitige Projektion der Gitterlinien 7 des Projektionsgitters 6 auf die Objekt­ oberfläche 19 zusammen mit der spektral sensitiven Detektion durch einen schnellen sowie von mechanischen Ungenauigkeiten durch Verstellen von Spiegeln oder Drehtischen freien Meßvorgang aus.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum berührungsfreien Vermessen einer Objekt­ oberfläche mit

• 1. Mitteln, mit denen in Richtung von wenigstens drei be­ züglich eines Koordinationssystems der Objektoberfläche (19) räumlich verschieden ausgerichteten Projektions­ achsen (34, 35, 36) sich überlappende Streifenmuster (21, 22, 23) so auf die Objektoberfläche (19) eines Objekts (20) projizierbar sind, daß sich zu den Projektionsachsen (34, 35, 36) parallele Einfallsgeraden in einem Referenzpunkt (30) auf der Objektoberfläche (19) schnei­ den sowie mit einer durch den Referenzpunkt (30) ver­ laufenden Referenzgeraden (33) jeweils einen von Null verschiedenen Projektionswinkel (37, 38, 39) einschließen und daß Zwischenwinkel (43, 44, 45) zwischen Einfallsebenen (40, 41, 42), die von durch die Einfalls­ geraden verlaufenden und rechtwinklig zu der Objektober­ fläche (19) stehenden Ebenen gebildet sind, von Null verschieden sind sowie bei Abtragen der Zwischenwinkel (43, 44, 45) in einem Kreis um den Referenzpunkt (30) wenigstens einer der Zwischenwinkel (43, 44, 45) kleiner als 180 Grad ist,
• 2. einer Detektionsvorrichtung (25), mit der Linien aller paar­ weise von Null verschiedene Streifenwinkel (46, 47, 48) einschließenden Streifenmuster (21, 22, 23) aus einer Beobachtungsrichtung im Koordinationssystem der Objekt­ oberfläche (19) erfaßbar sind, und
• 3. einer Auswertevorrichtung (27), mit der die Phasenlagen aller projizierten Streifenmuster (21, 22, 23) an den Meß­ punkten in bezug auf den Referenzpunkt (30) bestimmbar sind und allein mit den vorgegebenen Projektionswinkeln, Zwischenwinkeln (43, 44, 45) und Ortsfrequenzen der Streifenmuster (21, 22, 23) mit einer Recheneinheit der Auswertevorrichtung (27) die aufgrund der Projektions­ geometrie linear voneinander unabhängigen Phasenlagen der Streifenmuster (21, 22, 23) an den Meßpunkten in bezug auf den Referenzpunkt (30) in Meßpunktkoordinaten umrechenbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich als Einfallsgeraden die Projektionsachsen (34, 35, 36) in dem Referenzpunkt (30) schneiden und die Streifenmuster (21, 22, 23) in Richtung der Referenzgeraden (33) detek­ tierbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung (1) ein Gitter (6) aufweist, dessen Gitterlinien (7) als Streifenmuster (21, 22, 23) auf die Objektoberfläche (19) projizierbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Gitter (6) eine lichtdurch­ lässige, planparallele Platte (8) nachgeordnet ist, die um eine parallel zu den Gitterlinien (7) verlaufende Achse drehbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien (7) des Gitters (6) über einen Verteilerspiegel (13) und Projektionsspiegel (16, 17, 18) auf die Objektoberfläche (19) projizierbar sind, wobei durch Drehen des Verteilerspiegels (13) und Beauf­ schlagen von insgesamt drei Projektionsspiegeln (16, 17, 18) die Gitterlinien (7) als drei winklig zueinander ausgerichtete Streifenmuster (21, 22, 23) projizierbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Strahl­ teiler gleichzeitig drei Projektionsspiegel mit dem Bild von polychromatisch beleuchteten Gitter­ linien (7) beaufschlagbar sind, wobei zwischen der Objektoberfläche (19) und den Projektionsspiegeln Farbfilter mit spektral voneinander vollständig getrennten Transmissionsbereichen angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Objekt (20) mit, der zu vermessenden Objektoberfläche (19) auf einem Drehtisch (50) mittig zu dessen Drehachse ange­ ordnet ist, wobei die Detektionsvorrichtung (25) mit dem Drehtisch (50) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektionsvorrichtung (25) in Richtung der Drehachse des Drehtisches (50) detektiert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit der Detektionsvorrichtung (25) in drei Stellungen des Drehtisches (50) das von einer raumfesten Projektionsvorrichtung (54) auf die Objektoberfläche (19) projizierte Streifenmuster detektierbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Detektionsvorrichtung (25) spektral sensitiv ist, wobei die spektral ver­ schiedenen Streifenmuster mit der Detektions­ vorrichtung (25) voneinander diskriminierbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Projektionswinkel (37, 38, 39) einen Wert zwischen 20 Grad und 70 Grad aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zwischenwinkel (43, 44, 45) jeweils einen Wert von 120 Grad aufweisen.