DE4439307C2 - Beobachtungsoptik für ein 3D-Oberflächenmeßgerät mit hoher Genauigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf dreidimensionale optische Oberflächenmeßverfahren.

Optische Meßverfahren werden z. B. neben Längen- und Wegmessungen auch zur dreidi­ mensionalen Oberflächenvermessung in der Qualitätskontrolle, bei der CAD/CAM-Herstellung von Werkstoffen, in der Meßtechnik, in der Automobilindustrie etc. eingesetzt. Bei den Triangulationsverfahren wird ein Lichtspot aus einer bestimmten Richtung auf die Objekt­ oberfläche projiziert. Der hierzu notwendige Aufbau mit Lichtquelle(n), Linse(n) etc. wird als Beleuchtungsanteil bezeichnet. Der Lichtspot wird aus einer anderen Richtung, die mit dem Beleuchtungsstrahl den sog. Triangulationswinkel bildet und als Beobachtungsteil bezeichnet wird, betrachtet. Durch die geänderte Beobachtungsrichtung werden Höhenunterschiede des Objektes in lateral unterschiedliche Positionen in der Beobachtungsebene umgesetzt. Neben den Punktsensoren, bei denen nur ein Punkt auf das Objekt projiziert wird, gibt es auch Liniensensoren, bei denen eine oder gleich mehrere Linien auf die Objektoberfläche projiziert werden. Der Vorteil ist, daß mehrere Oberflächenpunkte auf einmal vermessen werden können (Zeitschrift "Applied Optics", Jahrgang 1988, Heft 27, Seiten 5165-5169). Allgemein liefern Triangulationssensoren im Vergleich zu anderen Meßtechniken sehr hohe Meßgenauigkeiten bei vergleichsweise kurzen Meßzeiten.

Zur Erzielung eines ausreichenden Höhenmeßbereiches sollte der optische Aufbau eine große Schärfentiefe ermöglichen. Derzeit wird dieses Problem auf der Beobachtungsseite durch die Implementierung der Scheimpflugbedingung gelöst (DE 33 37 251 A1, DE 34 13 605 A1). Dies hat allerdings den Nachteil, daß die Kalibrierung große Probleme bereitet und sehr aufwendig ist, da der Abbildungsmaßstab bei der Scheimpflugbedingung von der Höhe abhängt und es damit zu erheblichen Abbildungsverzerrungen kommt. Die Kalibrierkörper sind schwierig herzustellen und sehr teuer. Auch die erforderliche Kalibriersoftware ist aufwendig und bei der Auswertung der Profilschnitte sind rechenintensive Prozesse durchzuführen, die zu einer deutlichen Erhöhung der Meßzeit führen können. Zusätzlich wirken sich die Verzerrungen auch negativ auf die Meßgenauigkeit aus. In der Offenlegungsschrift DE 34 43 175 A1 wird zwar eine Linsenanordnung beschrieben, bei der zwei Linsen im Abstand der Summe ihrer Brennweiten angeordnet sind. Die gesamte Anordnung erlaubt jedoch keinen ausreichenden Höhenmeßbereich, wie er für den Einsatz von 3D-Oberflächenmeßsystemen wünschenswert wäre.

Gerade für die Vermessung von Freiformoberflächen und stark strukturierter Objekte mit 3D- Meßsystemen, die nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens arbeiten, möchte man über den gesamten Höhenmeßbereich eine gleichbleibend hohe Genauigkeit erzielen, was mit den herkömmlichen Schleimpfluganordnungen nicht möglich ist. Voraussetzung dafür ist eine absolut verzerrungsfreie Abbildung, wobei auch der Kalibrierungsprozeß präzis und einfach durchführbar sein sollte. Diese Aufgabe wird durch die mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen beschriebene Beobachtungsoptik gelöst.

Bei dieser Erfindung handelt es sich um eine Beobachtungsoptik, die es erlaubt, in Kombination mit dem Lichtschnittverfahren bei im Vergleich zur Scheimpflugbedingung sogar vergrößerten Höhenmeßbereich eine lineare, d. h. verzerrungsfreie Kalibrierung vorzunehmen. Dies bedeutet, daß der ganze Oberflächenmeßbereich eindeutig kalibriert ist, wenn drei in ihrer Lage zueinander feste Punkte mit bekannten Abständen vermessen werden. Dafür eignet sich z. B. jedes normale Kalibrierendmaß. Die Kosten und der Aufwand für die Vermessung reduzieren sich dadurch erheblich. Gleichzeitig ist der optische Aufbau so konstruiert, daß sich die Seidelschen Bildfehler im Vergleich zur Scheimpflugbedingung weniger stark auswirken. Das Ergebnis ist eine bessere Meßgenauigkeit. Die Einsatzfähigkeit von 3D-Oberflächensensoren kann zusätzlich für alle möglichen industriellen Zwecke (Qualitätssicherung, Virtual Reality, CAD/CAM-Steuerung etc.) weiter ausgedehnt werden. Gleichzeitig ist eine einfache Handhabung gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Rechtecke (1) und (2) kennzeichnen die Beleuchtungs- (1) bzw. Beobachtungsoptik (2). Durch die Beleuchtungsoptik wird eine Lichtlinie (3) auf das zu vermessende Objekt projiziert. Die Beleuchtungsoptik zur Erzeugung einer Lichtlinie kann zum Beispiel realisiert werden durch die Abbildung eines Laserspots mit Hilfe eines konventionellen Kollimatoraufbaus gefolgt von einer Zylinderlinse. Als Beleuchtungsrichtung wird die Richtung definiert, die zwischen dem letzten Bauelement der Beleuchtungsoptik und der Objektoberfläche durch denjenigen Lichtstrahl (im Sinne der geometrischen Optik) gebildet wird, der den Mittelpunkt der Lichtlinie darstellt.

Die Lichtlinie, die sich auf der Objektoberfläche ergibt, wird durch eine Beobachtungsoptik (2), dessen Hauptachse (4) einen Winkel θ ungleich 0 mit der Beleuchtungsrichtung einnimmt, auf eine Bildebene (7) abgebildet. Für dieses optische Betrachtungssystem werden zwei Linsen bzw. Linsensysteme (5, 6) mit den Brennweiten f₁ und f₂ im Abstand f₁ + f₂ angeordnet. Die Objektebene (9) wird aufgespannt durch alle Strahlen (im Sinn der geometrischen Optik), die die Lichtlinie erzeugen. Diese Ebene (bzw. die Beleuchtungsrichtung) bildet mit der Hauptachse des Betrachtungssystems den Triangulationswinkel θ. Bei der Bildebene (7) kann es sich um einen CCD-Kamerachip, PSD-Element oder ähnlichem handeln. Eine den Strahlengang begrenzende Blende (8) befindet sich zwischen den beiden Linsen bzw. Linsensystemen (5, 6) im Abstand f₁ von der ersten Linse bzw. Linsensystem und im Abstand f₂ von der zweiten Linse bzw. Linsen­ system. Damit die Abbildung aller Punkte auf der Objektebene (9) scharf auf die Bildebene (7) erfolgt, muß der Winkel θ' folgender Beziehung gehorchen:

Damit die Blende mit dem Radius a wirksam wird, muß bei einem gewünschten Höhenmeßbereich von h der Durchmesser der ersten Linse bzw. Linsensystems mindestens 2 . a + h . sin θ betragen. Für die zweite Linse bzw. Linsensystem gilt entsprechend

Die objektseitige Apertur sin u ist dann durch

gegeben, wobei g die Entfernung des Objektpunktes von der Hauptebene der ersten Linse bzw. Linsensystem (5) ist: g = f₁ + x₁. Für x₁ und x₂ gilt folgende Relation:

Alle oben angegebenen Werte können Abweichungen bis zu 10% aufweisen (z. B. der Abstand der Linsen).

Claims (1)

1. Beobachtungsoptik (2) zur Vereinfachung und Verbesserung der Kalibrierung, zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und zur Vergrößerung des Höhenmeßbereiches von 3D- Oberflächenmeßgeräten, die nach dem Prinzip des Lichtschnittverfahrens arbeiten und aus einer Beleuchtungsoptik (1) und einer unter dem Triangulationswinkel θ ungleich Null angeordneten Beobachtungsoptik (2) bestehen, gekennzeichnet dadurch, daß

• 1. die auf die zu vermessende Objektoberfläche projizierte Lichtlinie (3), erzeugt durch die Beleuchtungsoptik (1), auf eine Bildebene (7), z. B. CCD-Chip, scharf abgebildet wird,
• 2. zwei Linsen (bzw. Linsensysteme) (5, 6) mit den Brennweiten f₁ und f₂ im Abstand f₁ + f₂ (± 10%) angebracht sind und sich zwischen beiden Linsen (bzw. Linsensystemen) eine Blende (8) befindet, die den Strahlengang begrenzt und im Abstand f₁ (± 10%) von der ersten Linse (Linsensystem) und im Abstand f₂ (± 10%) von der zweiten Linse (Linsen­ system) lokalisiert ist,
• 3. die Hauptachse (4) der Beobachtungsoptik (2) mit der Objektebene (9), welche durch die die Lichtlinie (3) erzeugenden Strahlen aus der Beleuchtungsoptik (1) aufgespannt ist, einen Winkel θ ungleich Null einschließt,
• 4. und die Hauptachse (4) mit der zugehörigen Bildebene (7) einen Winkel θ' (± 10%) einschließt, dessen Betrag sich aus der Beziehung
  ergibt.