DE4431922A1 - Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren und Vorrichtung zur on-line-Vermessung von bewegten Profilen - Google Patents
Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren und Vorrichtung zur on-line-Vermessung von bewegten ProfilenInfo
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- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
Description
Die Erfindung betrifft ein Lichtschnitt-Triangulations-Verfah
ren zur on-line-Vermessung von bewegten Profilen, bei denen
Laserlicht auf ein Profil gelenkt und die aus dem Lichtschnitt
reflektierte Strahlung mittels einer unter einem Winkel von
vorzugsweise 45° zur Einstrahlungsrichtung angeordneten CCD-
Kamera aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens mit einem Lichtschnitt-Triangulations-Aufbau,
bei dem ein über eine Scanner-Linse erzeugtes Laserstrahlenbün
del mittels einer CCD-Kamera aufgenommen wird.
Das eingangs genannte Verfahren gehört zu den sogenannten
berührungslosen Meßverfahren; es wird beispielsweise in der
Gummi- und Reifenindustrie manuellen Probenentnahmen und son
stigen Testverfahren vorgezogen, weil es in automatischen Her
stellungs- oder Verarbeitungsprozessen bei hohen Vorschubge
schwindigkeiten der Profile einsetzbar ist. Das Lichtschnitt-
Triangulations-Verfahren beruht darauf, daß aus der Position
des in die Kamera (oder sonstigen Sensor) reflektierten Antei
les des Laserlichtes der Abstand zwischen der Kamera (bzw. dem
Sensor) und dem Objekt an der Schnittlinie des Laserlichtstrah
lenbündels und des Objektes nach einfacher Triangulationsrech
nung ermittelt werden kann.
Bei den nach dem Stand der Technik bisher bekannten Verfahren
wird das von einer Laserquelle ausgesandte Licht durch eine
geeignete Optik derart dispergiert, daß das Laserstrahlenbündel
auf dem Objekt, wie z. B. dem Profil, linienförmig abgebildet
und reflektiert wird. Um die Profilmessung über die
gesamte Breite des Profilstreifens durchführen zu können,
besitzt das Laserstrahlenbündel eine entsprechende
(Spur-)Breite. Dieses Verfahren hat den Nachteil einer geringen
Auflösungsgenauigkeit, deren Grenzen durch die relative Bewe
gung des zu vermessenden Profiles während der Belichtungszeit
bestimmt sind. Die Relativbewegung kann sowohl durch die Vor
schubgeschwindigkeit des zu vermessenden Objektes als auch
durch Querbewegungen dieses Objektes zusammengesetzt sein, die
durch mangelnde Führung, insbesondere bei weichen Materialien
auftreten können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs
genannte Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren und die hierzu
benötigte Vorrichtung hinsichtlich der Meßgenauigkeit, nämlich
der Auflösung, zu verbessern.
Dieser Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Lichtschnitt in mehrere
auf einer Linie liegende Punkte aufgeteilt ist, die nacheinan
der zum Zweck jeweiliger Reflexionsmessungen von einem fokus
sierten und unter verschiedenen Winkeln abgelenkten Lichtstrahl
abgetastet werden. Dieses Verfahren hat folgende Vorteile.
Dadurch, daß der Lichtstrahl punkt- bzw. spotförmig, also auf
einer kleineren Fläche des Objektes (Profiles) als bisher abge
bildet wird, ergibt sich am Objektort sowie bei den von dort
reflektierten Strahlen eine entsprechend höhere Lichtintensi
tät, die zu einer Verkürzung der Belichtungszeit führt, die für
die Abbildung dieses Punktes (Spots) erforderlich ist. Hier
durch ergibt sich eine größere Schärfe des abgebildeten Objek
tes, da während der kürzeren Belichtungszeit durch Relativbewe
gungen des Objektes hervorgerufene Bewegungsunschärfen in ent
sprechendem Maße minimiert werden. Das gesamte Profil wird
zusammengesetzt aus mehreren jeweils schärfer abgebildeten
Bildpunkten, die in einer Aneinanderreihung eine Spur ergeben,
die (im wesentlichen) quer zur Vorschubrichtung des zu vermes
senden Profiles liegt.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
in den Unteransprüchen 2 bis 15 beschrieben.
So wird vorzugsweise der Brennpunkt eines Laserstrahles mit
konstantem Fokusdurchmesser und konstanter Geschwindigkeit quer
zur Vorschubrichtung des Profiles über das Profil abgelenkt und
die gesamte Spur des Laserstrahles auf dem Profil auf eine ein
zige CCD-Kamera abgebildet, die in einem Winkel zur Einfalls
ebene des Laserstrahles derart angeordnet ist, daß zu jedem
Zeitpunkt dem momentanen Aufpunkt des Laserstrahles auf den
Profil ein entsprechender Bildpunkt auf dem CCD-Kamerabild ent
spricht, wobei die von den einzelnen Bildpunkten erzeugten Bil
der vorzugsweise gespeichert bleiben und weiterhin vorzugsweise
erst zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden. Der Punkt- oder
Fokusdurchmesser des Laserstrahles im Auftreffpunkt auf
dem Meßobjekt, dem Profil, beträgt 60 µm ± 10 µm. Das Verhält
nis der Linienlänge (des Lichtschnittes) oder, anders ausge
drückt, der Spurlänge des abgelenkten Laserstrahles zum Fokus
durchmesser ist vorzugsweise größer als 5000.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Licht
schnittlinie, die sich aus den aneinandergereihten einzelnen
Abbildungspunkten ergibt, mindestens 500 mm breit. Da eine
mechanische Führung des Lasers quer zur Vorschubrichtung des zu
vermessenden Profiles ebenso aufwendig wie bezogen auf die
geforderte Meßgenauigkeit inexakt ist, wird der Laserstrahl
vorzugsweise durch einen schwenkbaren Spiegel abgelenkt. Der
Spiegel verharrt so lange in einer momentanen Schwenkposition
wie dies zur Ausleuchtung und Belichtung des Objektpunktes
erforderlich ist. Anschließend wird der Spiegel (oder ein ent
sprechendes optisches System) so weiter bewegt, daß der näch
ste, auf der Spur liegende Objektpunkt angestrahlt wird. Bevor
zugt wird der Laserstrahl durch eine Scanner-Linse fokussiert,
die prinzipiell nach dem Stand der Technik bekannt ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Laserstrahl mit einer
Abtastgeschwindigkeit entlang der Lichtschnittlinie zu bewegen,
die 25 m/s liegt, um auch bei Objekten mit geringer Reflek
tivität einwandfreie Meßergebnisse zu erzielen, wobei bereits
die Geschwindigkeit von 25 m/s für Objekte aus Kautschuk geeig
net ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Abtastgeschwin
digkeit, mit der der Laserstrahl entlang der Lichtschnittlinie
bewegt wird, mindestens 30mal größer, vorzugsweise 50mal größer
als die Profilvorschubgeschwindigkeit. Setzt man eine Laserab
tastgeschwindigkeit von 25 m/s voraus, bedeutet dies, daß bei
einer 50mal größeren Profilvorschubgeschwindigkeit das Profil
mit einer Geschwindigkeit von 30 m/min (0,5 m/s) vorwärts
bewegt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung-wird die Aus
wertung nach dem sogenannten Time- and Delay-Integrationsver
fahren durchgeführt, wonach jede auf oder in der Kamera abge
bildete Spur als Zeile kontinuierlich oder diskontinuierlich
ausgelesen wird, so daß während des Lesevorganges einer Spur
bereits eine zweite und/oder dritte Spur abgebildet und/oder
gespeichert werden kann. Durch diese Maßnahme wird eine ebenso
variable wie schnelle Meßwertverarbeitung gewährleistet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Laser
strahl so hell-dunkel getastet, daß ein Lichtgitter entsteht.
Dieses Lichtgitter kann zur Erhöhung der Meßgenauigkeit mittels
eines Subpixel-Algorithmus vermessen werden, vorzugsweise mit
einer Auflösung in horizontaler Richtung von 0,25 mm und in
dazu senkrechter Richtung von 0,1 mm.
Das Verhältnis Breite/Höhe des angestrahlten Objektfeldes auf
dem bewegten Profil wird dem Breite/Höhe-Verhältnis der
CCD-Matrix-Kamera angepaßt. Bevorzugt wird ein Breite/Höhe-Ver
hältnis des Objektfeldes größer 10 : 1 bei Verwendung einer
CCD-Kamera mit 2048 × 96 Bildpunkten.
Die Aufgabe wird ferner durch die im Anspruch 16 beschriebene
Vorrichtung gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet
ist, daß das Laserstrahlenbündel über einen schwenkbaren Spie
gel auf die Scanner-Linse so lenkbar ist, daß die sukzessive
erzeugten Laserlichtpunkte auf einer quer zum Profil verlaufen
den Lichtschnittlinie (Laserspur) liegen.
Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 17 bis
19 beschrieben, deren Vorteile sich, wie oben erwähnt, in
entsprechender Weise ergeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 und 2 schematische Ansichten der erfindungsgemäßen
Meßanordnung,
Fig. 3, 4 jeweils einen gemessenen Profilverlauf quer zum
Profil.
Das Prinzip der Triangulation ist grundsätzlich bekannt. Hier
bei wird Licht einer Lichtquelle auf ein Meßobjekt ausgesandt,
das von einer in einem Winkel zur Einfallsebene des ausgesand
ten Lichtstrahlenbündels angeordneten Kamera (oder sonstigem
Target) beobachtet wird. Bestehende Profilhöhenunterschiede
werden an unterschiedlichen Orten der Kamera abgebildet, wobei
sich unter Berücksichtigung des Betrachtungswinkels und des
Abbildungsmaßstabes das Höhenprofil ermitteln läßt.
Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung ist in einem
gemeinsamen Gehäuse 10 ein Laser 11 angeordnet, dessen ausge
sandtes Licht über einen schwenkbaren Spiegel 12 und eine Scan
ner-Linse 13 auf ein zu vermessendes Profil 20 abgebildet wird.
Zur jeweiligen Drehwinkeleinstellung des Umlenkspiegels 12
dient ein Scanner 14. Das an dem Profil 20 reflektierte Licht
wird mittels einer CCD-Kamera 15 aufgenommen. Je nach
Drehwinkel des Scanner-Spiegels kann das Laserstrahlenbündel 16
den durch den Doppelpfeil überstrichenen Bereich 17 abtasten.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann hierbei das Profil (das ist
das Profil quer zur Transportrichtung 18) ermittelt werden.
Betreffende Konturverläufe sind in Fig. 4 - und in vergrößerter
Teilbereichs-Darstellung in Fig. 3 - zu entnehmen, in der ins
besondere eine Referenzmarke 19 besonders gekennzeichnet ist,
um eine örtliche Zuordnung treffen zu können.
In einem konkreten Anwendungsfall wird ein kollimierter Strahl
einer Laserdiode über einen drehbaren Ablenkspiegel 12, der von
einem Galvanometer-Scanner 14 angetrieben wird, auf eine Scan
ner-Optik 13 abgelenkt. Diese fokussiert den Laserstrahl 16 auf
den Laufstreifen 20, wobei die gewählte spezielle Optik für
eine konstante Laserspot-Geschwindigkeit über den gesamten
Ablenkbereich, der größer als 500 mm sein kann, sorgt. Nahezu
unabhängig vom Ablenkwinkel bleibt der gewählte Spotdurchmesser
von 50 µm über den gesamten Ablenkbereich unverändert. Aufgrund
des Breite/Höhe-Verhältnisses des Objektfeldes von 500 durch 25
(20 : 1) wird eine CCD-Kamera mit 2048 x 96 Bildpunkten einge
setzt, auf die die Lichtschnittfigur abgebildet wird. Hierdurch
kann eine komplette Lichtschnittfigur auf ein einziges CCD-Chip
abgebildet werden, so daß aufgrund der Anpassung des Kamera-
Bildfeldes die auszuwertende Datenmenge auf ein Minimalmaß
begrenzt ist. Die Belichtungszeit für die Aufnahme einer Licht
schnittfigur, d. h., einer Spur 17, beträgt 20 ms bei einer
Abtastbreite von 500 mm.
Die vorliegende Erfindung kann auch dergestalt angewendet wer
den, daß bei einem Laufstreifen sowohl die Ober- als auch
Unterseite vermessen werden, wozu zwei Meßanordnungen gemäß
Fig. 1 und 2 verwendet werden, die in spiegelsymmetrischem Auf
bau zum Laufstreifen oberhalb und unterhalb dieses Laufstrei
fens 14 angeordnet sind. Durch punktweise Abstandsmessung mit
zwei Triangulations-Vorrichtungen kann dann die Profildicke aus
der Differenz der beiden Abstandswerte zusätzlich zu dem Pro
filverlauf ermittelt werden.
Mit dem beschriebenen System kann eine Auflösung in vertikaler
Richtung von zunächst 460 µm erreicht werden. Wird der auf den
Laufstreifen geschrieben Spot nicht auf ein Pixel abgebildet,
sondern über mehrere Pixel "verwaschen", kann mit Hilfe eines
Subpixel-Algorithmus die Meßgenauigkeit auf 0,1 mm gesteigert
werden. Die Auflösung in horizontaler Richtung beträgt 0,25 mm.
Eine weitere Steigerung der geometrischen Auflösung des Profil
meßsystemes kann erreicht werden, wenn das Kamera-Bildfeld ver
kleinert wird, d. h., der Kameraabstand reduziert wird. Hierbei
ist es allerdings notwendig, daß eine vertikale Nachführung der
Kamera erforderlich wird.
Die besonderen Vorteile der beschriebenen Vorrichtung und des
beschriebenen Verfahrens liegen darin, daß pro Meßvorrichtung
jeweils nur ein optisches Element, nämlich der Spiegel 12,
bewegt werden muß. Das Laufstreifenprofil läßt sich mit nur
einer einzigen Aufnahme komplett darstellen, wobei die Licht
schnittebene räumlich eindeutig definiert ist bzw. zugeordnet
werden kann. Die Schwenkbarkeit des Spiegels 12 ermöglicht eine
variable Einstellung der Spurbreite oder die Auswertung eines
Profil-Teilbereiches.
Claims (19)
1. Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren zur on-line-Ver
messung von bewegten Profilen, bei denen Laserlicht auf
ein Profil gelenkt und die aus dem Lichtschnitt reflek
tierte Strahlung mittels einer unter einem Winkel von vor
zugsweise 45° zur Einfallsrichtung angeordneten CCD-Kamera
aufgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtschnitt in mehrere auf einer Linie liegende
Punkte aufgeteilt ist, die nacheinander zum Zweck jeweili
ger Reflexionsmessungen von einem fokussierten und unter
verschiedenen Winkeln abgelenkten Laserstrahl abgetastet
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Brennpunkt eines Laserstrahles mit konstantem Fokusdurch
messer und konstanter Geschwindigkeit quer zur Vorschub
richtung des Profiles über das Profil abgelenkt wird und
die gesamte Spur des Laserstrahles auf dem Profil auf eine
einzige CCD-Kamera abgebildet wird, die in einem Winkel
zur Einfallsebene des Laserstrahles derart angeordnet ist,
daß zu jedem Zeitpunkt dem momentanen Aufpunkt des Laser
strahles auf dem Profil ein entsprechender Bildpunkt dem
CCD-Kamerabild entspricht, wobei die von den einzelnen
Bildpunkten erzeugten Bilder vorzugsweise gespeichert
bleiben und weiterhin vorzugsweise erst zu einem späteren
Zeitpunkt ausgelesen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Punkt- oder Fokusdurchmesser 60 µm ± 10 µm
beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Linien- oder Spur-
Länge des abgelenkten Laserstrahles zum Fokusdurchmesser
größer als 5000 ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtschnittebene oder -spur min
destens 500 mm breit ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Laserstrahl durch einen schwenkba
ren Spiegel abgelenkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Laserstrahl durch eine Scanner-
Linse fokussiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abtastgeschwindigkeit, mit der der
Laserstrahl entlang der Lichtschnittlinie bewegt wird,
25 m/s beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abtastgeschwindigkeit, mit der der
Laserstrahl entlang der Lichtschnittlinie bewegt wird,
mindestens 30mal größer, vorzugsweise 50mal größer als die
Profilvorschubgeschwindigkeit ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß jede auf oder in der Kamera abgebil
dete Spur als Zeile kontinuierlich oder diskontinuierlich
ausgelesen wird, so daß während eines Lesevorganges einer
Spur bereits eine zweite und/oder dritte Spur abgebildet
und/oder gespeichert werden kann.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Laserstrahl so hell-dunkel geta
stet wird, daß ein Lichtgitter entsteht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das Lichtgitter mittels eines Subpixel-Algorithmus
vermessen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis Breite/Höhe des ange
strahlten Objektfeldes auf dem bewegten Profil dem
Breite/Höhe-Verhältnis der CCD-Matrix-Kamera angepaßt ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Breite/Höhe-Verhältnis des Objekt
feldes größer als 10 : 1 ist und die CCD-Kamera 2048 × 96
Bildpunkte aufweist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeich
net durch eine Auflösung in horizontaler Richtung von
0,25 mm und in dazu senkrechter Richtung von 0,1 mm.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis mit einem Lichtschnitt-Triangulations-
Aufbau, bei dem ein über eine Scanner-Linse (13) erzeugtes
Laserstrahlenbündel (16) mittels einer CCD-Kamera (15)
aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser
strahlenbündel über einen schwenkbaren Spiegel (12) auf
die Scanner-Linse (13) so lenkbar ist, daß die sukzessive
erzeugten Laserlichtpunkte auf einer quer zum Profil (20)
verlaufenden Lichtschnittlinie liegen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die CCD-Kamera (15) eine Matrixkamera ist, deren Matrix
ein Breiten-Höhen-Verhältnis von 10 : 1 oder mehr auf
weist, wobei die Lichtschnittebenenbreite auf dem Objekt
<500 mm bei einem Breiten/Höhen-Verhältnis von mehr als
10 : 1 ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die CCD-Kamera (15) 2048 × 96 Bildpunkte aufweist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abmessungen der CCD-Kamera (15)
dem Verhältnis Breite zu Höhe des zu vermessenden Profi
les (20) entsprechen.
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