EP2984444A1 - Vorrichtung zur generierung von lichtmustern mit einer eindimensional fokussierten beleuchtungseinrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur generierung von lichtmustern mit einer eindimensional fokussierten beleuchtungseinrichtung

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EP2984444A1
EP2984444A1 EP14722983.5A EP14722983A EP2984444A1 EP 2984444 A1 EP2984444 A1 EP 2984444A1 EP 14722983 A EP14722983 A EP 14722983A EP 2984444 A1 EP2984444 A1 EP 2984444A1
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EP
European Patent Office
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light
patterns
light patterns
illumination device
lenses
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14722983.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Erik Lilienblum
Bernd Michaelis
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Chromasens GmbH
Original Assignee
Chromasens GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2984444A1 publication Critical patent/EP2984444A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
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    • G02B19/0061—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a LED
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    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
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    • G02B27/0955—Lenses
    • G02B27/0966—Cylindrical lenses

Definitions

  • the invention relates to a device for generating light patterns with a one-dimensionally focused illumination device.
  • stripe patterns are needed in short-range photorammetry in order to find unique correspondences with homogeneous surface texture.
  • a high light intensity is a prerequisite for short integration and measurement times.
  • the switching times between different patterns must be correspondingly short in order to limit the measuring time accordingly over several steps.
  • the generated light patterns should also cover a corresponding area without losing intensity. The prerequisite for this is that a scaling of the pattern generation also requires a
  • laser light has the disadvantage that it causes speckle effects and at high intensity appropriate safety standards must be met.
  • laser light section methods are often used.
  • the methods are also relatively robust in industrial use, but the measurement times are often even longer than when using projectors.
  • Another possibility for generating patterns of light is the use of individual light spots.
  • the technical task can be solved in terms of light intensity, scalability and switching speed, but the generated light patterns are relatively coarse structured and not one-dimensional, i. not strip-shaped.
  • the object of the present invention is to provide a device by means of which the aforementioned disadvantages can be overcome.
  • a device for generating light patterns wherein the homogeneous light generated by a one-dimensionally focused illumination device is bundled over a field of juxtaposed lenses orthogonal to the illumination device such that parallel light strips can be imaged and specific one-dimensional light patterns can be generated.
  • the light patterns are different
  • the device allows the generation of light patterns with high intensity.
  • line illumination with very high light intensity is known from the field of line-based image acquisition systems.
  • line lighting is designed to bundle the light in one dimension in parallel.
  • the device comprises a field of parallel arranged lenses, preferably cylindrical lenses, which is brought into the beam path of a line illumination with LED's or fiber optics.
  • the cylindrical lenses focus the homogeneous light from each individual illuminant, such as LED or optical fiber at the exit to small areas in the row direction.
  • the light bundled in parallel by the reflector of the line illumination widens the areas focused by the cylindrical lenses into strips in the y direction.
  • any types of lenses can be used in the device according to the invention for generating light patterns, such as, for example
  • the lens attachment produces exactly one light strip for each lamp in combination with each cylindrical lens of the lens attachment.
  • the stripe pattern corresponds to a one-dimensional brightness distribution, which essentially depends on the following variables:
  • the generated stripe patterns are in principle suitable for stereoscopic evaluation with photogrammetric 3D measuring methods. Essentially, the device offers two distinct advantages over known measurement systems with projectors.
  • the system can be expanded in any dimension in one dimension without any restrictions of the light intensity.
  • the measurement area can be increased without the light intensity decreasing proportionally.
  • the device is designed such that the resulting light patterns are suitable for photogrammetric 3D surface reconstruction by means of single or multiple camera systems in a predetermined measurement volume.
  • Photogrammetric surface reconstruction is the main field of application for the device.
  • the improvements over other pattern projections can result in higher measurement speeds, higher measurement accuracy and robustness against vibration and other external influences when 3D surveying large surfaces.
  • they allow the use of line scan cameras.
  • this will create new opportunities for quality assurance based on 3D surface reconstructions in the industrial environment.
  • a further embodiment of the invention provides that the light patterns differ significantly from one another at different heights and with variation of the spatial distribution of the light sources in the illumination.
  • the generation of different light patterns is a basic requirement for the application of multi-step 3D measuring methods.
  • By choosing a suitable spatial distribution it is also possible to generate suitable light patterns.
  • In a limited height range it is also possible to generate classical phase shift patterns. Due to the dependence in the z-direction, the measurement volume can be decisively extended since the pattern generation then does not depend on a limited depth-of-focus range. It also enables multi-step measurement with just one camera.
  • the LEDs used in the illumination device are switched on and off, that for a given measurement volume different light patterns can be generated, which are suitable for photogrammetric 3D surface reconstruction with multi-step process in single or multi-camera systems.
  • Multistep photogrammetric measuring methods have a higher latrereal resolution compared to single-step measuring methods and are more robust in use against systematic measuring errors.
  • a further embodiment of the invention provides that optical fibers are used instead of the LEDs whose primary light sources can be quickly switched on and off.
  • optical fiber is a commonly used tool to construct line lighting. Each individual fiber is a small light source at its output. If adjacent light guides are fed by different primary light sources, it is also possible, when using light guides, to produce different patterns equivalent to the embodiment with LEDs.
  • Light guides have the advantage compared to LED's to have a much smaller emission area and be used as cold light. Therefore, there are applications in which the advantages of the device can only be used in conjunction with optical fibers
  • an assembly which comprises a plurality or at least two devices of the aforementioned type, wherein the devices are arranged parallel to one another and a stripe pattern can be expanded orthogonal to a row.
  • the device can be used not only in conjunction with line scan camera systems but also with matrix camera systems. Since matrix camera systems are characterized by areal image acquisition, the extension of the stripe patterns orthogonal to line is necessary. By virtue of the already mentioned advantages of the device, it is thus also possible to decisively improve matrix camera systems for 3D measurement.
  • manufacture of such a device can take place, for example, in the following steps:
  • a commercial line lighting with a reflector or a cylindrical lens can be used.
  • An array of cylindrical lenses can be made by injection molding.
  • the cylindrical lens array is mounted so that it lies in the beam path of the line illumination and generates a striped pattern when the line illumination is switched on.
  • Fig. 2 the schematic structure of the device as a row illumination with LED line in the front view
  • Fig. 3 schematically a line illumination with cylindrical lenses in the beam path and
  • FIG. 1 schematically shows the construction principle of a row illumination in a side view.
  • a luminous means 1 light beams 3 are focused or parallelized via a one-dimensional reflector 2 in one direction, for example in the z-direction, to form a line light 3 '.
  • FIG. 2 diagrammatically shows an LED line 1 ', comprising a plurality of luminous means 1 and a reflector 2, in the front view.
  • the high light intensity of such a line illumination is due to the fact that the light is emitted along a line over a large number of light sources 1, such as light guides or LEDs. Since the light beams 3 are not focused or parallelized in the line direction, the resulting line light 3 'is generally very homogeneous, which is also required for most applications. Due to the decentralized structure of the lighting means 1, a scaling in the row direction x without loss of light intensity is possible.
  • FIG. 3 schematically shows a device for generating light patterns in the form of strips 6.
  • luminous means 1 which form a row of luminous means, for example an LED row 1 ', a reflector 2 and a cylindrical lens array 5' are provided, the cylindrical lens array 5 'in the beam path of the line light 3' spaced from the light emitting means 1 'is arranged at a distance B and a field of parallel cylindrical lenses 5 comprises.
  • the cylindrical lenses 5 focus the line light 3 'emitted by each individual illuminant 1, in each case on small regions in the row direction x.
  • the areas focused by the cylindrical lenses 5 are imaged as strips 6 in the y-direction on an imaginary and schematically represented measuring surface 4.
  • the resulting strips 6 are located at a distance O from the cylindrical lens array 5 '.
  • FIG. 4 schematically shows a system for generating one-dimensional brightness distributions 11.
  • Distance of the lenses to the target surface can be interpreted as inputs 9 of a system 10 whose output provides a one-dimensional light pattern or the one-dimensional brightness distribution 1 1.
  • the two last variables ie the distance B of the lenses 5 to the illuminant 1 or to the imaginary object surface 4 are scalar
  • the other inputs are vectors, ie for each illuminant 1 of the line illumination there is a position Lx1, Lx2 to Lxn and a Width Lb1, Lb2 to Lbn
  • the amount of input makes the system relatively complex.
  • the inputs can be selected so that the resulting stripe patterns provide the best possible results for the photogrammetric method to be used. Because of the complexity of the system, multi-dimensional optimization techniques should be used.
  • An important fixed edge size here is the measurement volume or the maximum height of the object surface to be measured.
  • the fringe pattern 1 1 changes with the object height or with the distance O.
  • the device is thus already complete, since time-invariant light patterns are usually used here.
  • the system can be easily scaled, at least in the line direction, without losing its light intensity.
  • Orthogonal to the line a plurality of identical lighting can be arranged and operated in parallel, whereby a scaling is possible here as well. With identical patterns, the strips then merge.
  • a maximum light intensity is achieved in the proposed device not least by the fact that the light patterns are not caused by occlusion or shading, as in projection, but by bundling of light.
  • a Loss of loss is recorded only on lenses and reflector. This power loss is relatively low.
  • time-variant patterns are needed. However, a time variance of the system can only be achieved by changing the input variables. If no mechanical effort is to be operated, only the distribution of the light source can be changed, which can be realized by switching on and off individual lamps. When using LEDs, this can be implemented by appropriate electronics. When using optical fibers, correspondingly different primary light sources are to be used, which can be switched on and off independently of each other.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern, umfassend zumindest eine eindimensional fokussierte Beleuchtungseinrichtung, mit zumindest einem Leuchtmittel und einem Reflektor, wobei das von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte homogene Licht über ein Feld von nebeneinander angeordneten Linsen orthogonal zur Beleuchtungseinrichtung derart gebündelt vorliegt, dass parallel verlaufende Lichtstreifen abbildbar und spezifische eindimensionale Lichtmuster erzeugbar sind.

Description

Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern mit einer eindimensional fokussierten Beleuchtungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern mit einer eindimensional fokussierten Beleuchtungseinrichtung.
Sogenannte Streifenmuster werden in der Nahbereichsphotorammetrie benötigt, um bei homogener Oberflächentextur eindeutige Korrespondenzen zu finden. Eine hohe Lichtintensität ist Voraussetzung für kurze Integrations- und Messzeiten. Für die Anwendung mehrschrittiger Messverfahren müssen zudem auch
unterschiedliche Streifenmuster generiert werden können.
Die Umschaltzeiten zwischen verschiedenen Mustern müssen entsprechend kurz sein, um die Messzeit über mehrere Schritte entsprechend einzuschränken. Bei großen Messfeldern sollten auch die generierten Lichtmuster eine entsprechende Fläche überdecken ohne dabei aber an Intensität zu verlieren. Voraussetzung hierfür ist es, dass bei einer Skalierung der Mustergenerierung auch eine
Skalierung der Beleuchtungsstärke möglich ist.
Im Allgemeinen kommen bei der Nahbereichsphotogrammetrie mit aktiver Beleuchtung Dia- oder Videoprojektoren, sogenannte Beamer zum Einsatz. Die Ergebnisse, die hier insbesondere mit mehrschrittigen Verfahren, z.B. Phasenshift oder Zeitkorrelation erzielt werden, sind für viele praktische Anwendungen ausrei- chend. Die Verfahrensgrundlagen werden z.B. beschrieben in Wiora, G.: Optical 3D-Metrology : Precise Shape Measurement with an extended Fringe Projection Method, University Heidelberg, Dissertation, 2001 .
Derzeit werden Messsysteme mit ein oder zwei Kameras und einem Beamer von vielen Unternehmen kommerziell angeboten. Zur Lösung messtechnischer Probleme in industriellen Anwendungen stoßen Projektoren bezüglich ihrer maximalen Lichtintensität schnell an ihre Grenzen. Aus der geringen Lichtintensität resultieren verhältnismäßig lange Integrationszeiten zur Bildaufnahme, was zu langen Messzeiten und geringerer Messgenauigkeit, z.B. bei Schwingungen, führt. Wegen der konstanten Maximalleistung eines Projektors kann das Messfeld nur auf Kosten einer geringeren Lichtintensität vergrößert werden.
Der gleichzeitige Einsatz mehrerer Projektoren ist im Allgemeinen aus messtech- nischen Gründen nicht möglich, da die Lichtmuster sich zwischen den Projektoren überlagern.
Eine Vorrichtung zur Lösung der oben genannten technischen Aufgabe mit Projektoren ist nicht bekannt. Eine Hauptursache hierfür liegt darin begründet, dass das projizierte Licht in einem einzelnen Objektiv gebündelt und auch nur von einer einzelnen Lichtquelle erzeugt wird.
Eine Alternative zur Verwendung von Projektoren bietet der Einsatz von Laserlichtquellen. Laserlicht hat aber den Nachteil, dass es Speckleeffekte verursacht und bei großer Intensität entsprechende Sicherheitsstandards eingehalten werden müssen.
Bei Applikationen werden häufig Laserlichtschnittverfahren eingesetzt. Die Verfahren sind auch im industriellen Einsatz verhältnismäßig robust, die Messzeiten sind aber häufig noch länger als beim Einsatz von Projektoren.
Laserlicht kann aber auch indirekt eingesetzt werden. In Schaffer M, Grosse M, Kowarschik R: High-speed pattern projection for three-dimensional shape meas- urement using laser speckies. Appl Opt. 2010 Jun 20; 49(18):3622-9. doi: 10.1364/AO.49.003622 wird ein System vorgestellt, dass Specklemuster generiert und sie dann über ein Objektiv projiziert, um stochastische Muster zu erzeugen. Mit dem System werden sehr schnelle Umschaltzeiten und große Lichtintensitäten erreicht.
Allerdings wird bei höherer Intensität auch schnell eine hohe Laserschutzklasse notwendig, was für viele Applikationen problematisch ist. Zudem sind die Muster immer zweidimensional stochastisch verteilt. Die Generierung eindimensionaler Muster also Streifenmuster ist mit dieser Technik nicht möglich.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Lichtmustern besteht in der Verwen- dung einzelner Lichtspots. Mit Lichtspots kann die technische Aufgabe bezüglich Lichtintensität, Skalierbarkeit und Umschaltgeschwindigkeit gelöst werden, allerdings sind die generierten Lichtmuster vergleichsweise grob strukturiert und nicht eindimensional, d.h. nicht streifenförmig.
Dies erlaubt eine photogrammetrische Auswertung der Muster nur ein einem sehr eingeschränkten Bereich. Die grob strukturierten Muster können bei ungeeigneten Oberflächen zu systematischen Messfehlern führen.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer die zuvor genannten Nachteile überwunden werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen gemäß der Unteransprüche.
Vorgeschlagen wird ein Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern, wobei das von einer eindimensional fokussierten Beleuchtungseinrichtung erzeugte homogene Licht über ein Feld von nebeneinander angeordneten Linsen orthogonal zur Beleuchtungseinrichtung derart gebündelt vorliegt, dass parallel verlaufende Lichtstreifen abbildbar und spezifische eindimensionale Lichtmuster erzeugbar sind. Die Lichtmuster unterscheiden sich
- in verschiedenen Höhen,
und bei Variation der räumliche Verteilung der Lichtquellen in der Beleuchtung deutlich voneinander.
Zudem erlaubt die Vorrichtung die Erzeugung von Lichtmustern mit hoher Intensität.
Zwar sind aus dem Bereich von zeilenbasierten Bilderfassungssystemen Zeilenbeleuchtungen mit sehr hoher Lichtintensität bekannt. In vielen Applikationen sind Zeilenbeleuchtungen so konstruiert, dass sie das Licht in einer Dimension parallel bündeln.
Die Vorrichtung umfasst ein Feld parallel angeordneter Linsen, vorzugsweise Zylinderlinsen, das in den Strahlengang einer Zeilenbeleuchtung mit LED's oder Faseroptik gebracht wird. Die Zylinderlinsen fokussieren das homogene Licht von jedem einzelnen Leuchtmittel, beispielsweise LED oder Lichtleitfaser am Austritt auf kleine Bereiche in Zeilenrichtung. Das vom Reflektor der Zeilenbeleuchtung parallel gebündelte Licht weitet die von den Zylinderlinsen fokussierten Bereiche in Streifen in y-Richtung auf.
Neben Zylinderlinsen sind jedoch beliebige Arten von Linsen in der erfindungsge- mäßen Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern einsetzbar, wie beispielsweise
sphärische Linsen, konvexer und/oder konkaver Art,
Gradientenlinsen,
asphärische Linsen und ähnliches sowie Kombinationen hieraus.
Durch den Linsenvorsatz wird für jedes Leuchtmittel in Kombination mit jeder Zy- linderlinse des Linsenvorsatzes genau ein Lichtstreifen erzeugt.
In Abhängigkeit von der Brennweite der Zylinderlinsen und dem Abstand des Lin- senarrays von der Zeilenbeleuchtung wird ein unterschiedlich breiter Lichtstreifen abgebildet. Die Überlagerung der abgebildeten Lichtstreifen ergibt ein spezifisches Streifenmuster.
Das Streifenmuster entspricht einer eindimensionalen Helligkeitsverteilung, die im Wesentlichen von den folgenden Größen abhängig ist:
1 . Verteilung der Leuchtmittel, d.h. von der Positionen in Zeilenrichtung,
2. Größe der Leuchtmittel, beispielsweise von der Breite in Zeilenrichtung,
3. Verteilung der Linsen, d.h. von der Positionen in Zeilenrichtung,
4. Größe der Linsen, von der Breite in Zeilenrichtung,
5. Brennweite der Linsen,
6. Abstand der Linsen zum Leuchtmittel,
7. Abstand der Linsen zur Messobjektoberfläche.
Die erzeugten Streifenmuster eignen sich prinzipiell zur stereoskopischen Auswertung mit photogrammetrischen 3D-Messverfahren. Die Vorrichtung bietet gegenüber bekannten Messsystemen mit Projektoren im Wesentlichen zwei entscheidene Vorteile.
Es wird eine sehr hohe Lichtintensität erreicht, da die Lichtmuster nicht durch Abschattung oder Ablenkung entstehen und kein zentrales Leuchtmittel existiert. Im Gegensatz zu Projektoren wird die maximale Lichtleistung aller eingesetzten Leuchtmittel prinzipiell nur durch den optischen Verlust an den Zylinderlinsen abgeschwächt.
Das System lässt sich in einer Dimension ohne Einschränkungen der Lichtintensität beliebig räumlich erweitern. Damit kann im Gegensatz zu Projektoren nach dem Stand der Technik die Messfläche vergrößert werden, ohne dass die Lichtintensität proportional abnimmt.
Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die entstehenden Lichtmuster sich zur photogrammetrischen 3D-Oberflächenrekonstruktion mittels Ein- oder Mehrkamerasystemen in einem vorgegebenen Messvolumen eignen.
Die photogrammetrische Oberflächenrekonstruktion ist Hauptanwendungsgebiet für die Vorrichtung. Die Verbesserungen gegenüber anderen Musterprojektionen können bei der 3D-Vermessung von großen Oberflächen zu einer höheren Messgeschwindigkeit, einer höheren Messgenauigkeit und einer besseren Robustheit gegen Schwingungen und andere äußere Einflüsse führen. Insbesondere ermöglichen sie den Einsatz von Zeilenkameras. Unter anderem werden damit im industriellen Umfeld neue Möglichkeiten für Qualitätssicherung auf Basis von 3D- Oberflächenrekonstruktionen geschaffen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass sich die Lichtmuster in verschiedenen Höhen und bei Variation der räumlichen Verteilung der Lichtquellen in der Beleuchtung deutlich voneinander unterscheiden.
Die Generierung unterschiedlicher Lichtmuster ist eine Grundvoraussetzung für die Anwendung mehrschrittiger 3D-Messverfahren. Durch Wahl einer geeigneten räumlichen Verteilung ist es möglich auch geeignete Lichtmuster zu generieren. In einem begrenzten Höhenbereich ist es so auch Möglich klassische Phasenshift- muster zu erzeugen. Durch die Abhängigkeit in z-Richtung kann das Messvolumen entscheidend erweitert, da die Mustererzeugung dann nicht von einem eingeschänkten Tiefenschärfebereich abhängt. Es ermöglicht zudem auch mehrschrittige Messverfahren mit nur einer Kamera.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die in der Beleuchtungseinrichtung eingesetzten LED's so ein- und ausschaltbar sind, dass für ein vorgegebenes Messvolumen verschiedene Lichtmuster erzeugbar sind, die sich zur photogrammetrischen 3D- Oberflächenrekonstruktion mit mehrschrittigen Verfahren bei Ein oder Mehrkamerasystemen eignen.
Mehrschrittige photogrammetrische Messverfahren haben gegenüber einschrittigen Messverfahren eine höhere latrerale Auflösung und sind in der Anwendung robuster gegen systematische Messfehler.
Beim Einsatz von Zeilenkameras, werden aber verschiedene Muster benötigt, die ihre Form mit jeder aufgenommenen Zeile ändern. Damit ist schnelles Umzeitschalten der Muster eine Grundvoraussetzung für zeiteffiziente Messverfahren. Die Muster können bei Verwendung von LED's sehr schnell geändert werden, da LED's als Leuchtmittel sich im Allgemeinen durch sehr kurze Schaltzeiten auszeichnen.
Damit hat die Vorichtung einen weiteren entscheidenen Vorteil gegenüber Projektoren nach dem aktuellen Stand der Technik. Die Möglichkeit, die sich daraus ergibt, mehrschrittige 3D-Messverfahren mit Zeilenkameras umzusetzen, stellt eine wichtige Voraussetzung für viele neue Einsatzgebiete der SD- Messtechnik dar.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass Lichtleitfasern anstelle der LED's verwendet werden, deren Primärlichtquellen schnell an- und abschaltbar sind. Neben LED's sind Lichtleiterfasern ein häufig verwendetes Hilfsmittel, um Linienbeleuchtungen zu konstruieren. Jede einzelne Faser ist an ihrem Ausgang eine kleine Lichtquelle. Werden benachbarte Lichtleiter von unterschiedlichen Primärlichtquellen gespeist, dann ist es auch beim Einsatz von Lichtleitern möglich, un- terschiedliche Muster äquivalent zur Ausführungsform mit LED's zu erzeugen.
Lichtleiter haben im Vergleich zu LED's den Vorteil eine deutlich kleinere Emissionsfläche zu haben und als Kaltlicht eingesetzt zu werden. Daher gibt es Anwendungen bei denen die Vorteile der Vorrichtung nur in Verbindung mit Lichtleitern genutzt werden können
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Baugruppe vorgesehen, die mehrere oder zumindest zwei Vorrichtungen der zuvor genannten Art umfasst, wobei die Vorrichtungen parallel zueinander angeordnet sind und ein Streifenmus- ter orthogonal zu einer Zeile ausdehnbar ist.
Die Vorrichtung kann nicht nur im Zusammenhang mit Zeilenkamerasystemen sondern auch mit Matrixkamerasystemen eingesetzt werden. Da sich Matrixkamerasysteme durch eine Flächenhafte Bilderfassung auszeichnen, ist die Ausdeh- nung der Streifenmuster orthogonal zu Zeile notwendig. Durch die bereits genannten Vorteile der Vorrichtung können damit auch Matrixkamerasysteme zur 3D- vermessung entscheidend verbessert werden.
Die Fertigung einer solchen Vorrichtung kann beispielsweise in folgenden Schrit- ten erfolgen:
- Zur Grundkonstruktion kann eine handelsübliche Zeilenbeleuchtung mit einem Reflektor oder einer Zylinderlinse verwendet werden.
- Ein Array mit Zylinderlinsen kann im Spitzgussverfahren hergestellt werden.
Handelsübliches Rillenglas kann auch verwendet werden.
- Das Zylinderlinsenarray wird so montiert, dass es im Strahlengang der Zeilenbeleuchtung liegt und bei eingeschalteter Zeilenbeleuchtung ein Streifenmuster erzeugt.
- Wenn zwischen verschiedenen Mustern umgeschaltet werden soll, muss eine elektronische Ansteuerung gebaut werden, die es erlaubt, alle verwendeten Leuchtmittel einzeln oder in Gruppen anzusteuern. - Wenn spezielle Muster und Musterabfolgen generiert werden sollen, dann ist die räumliche Anordnung von Leichtmittel und Zylinderlinsen entsprechend zu ändern bzw. zu optimieren. Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 : schematisch das Konstruktionsprinzip einer Zeilenbeleuchtung in der Seitenansicht,
Fig. 2: den schematischen Aufbau der Vorrichtung als Zeilenbeleuchtung mit LED- Zeile in der Frontalansicht, Fig. 3: schematisch eine Zeilenbeleuchtung mit Zylinderlinsen im Strahlengang und
Fig. 4: schematisch ein System zur Generierung eindimensionaler Helligkeitsverteilungen
In Figur 1 ist schematisch das Konstruktionsprinzip einer Zeilenbeleuchtung in Seitenansicht zu sehen. Von einem Leuchtmittel 1 werden Lichtstrahlen 3 über einen eindimensionalen Reflektor 2 in einer Richtung, beispielsweise in z-Richtung, zu einem Zeilenlicht 3' fokussiert bzw. parallelisiert.
Alternativ kann die Fokussierung bzw. Parallelisierung der Lichtstrahlen 3 auch über eine Zylinderlinse anstelle des Reflektors 2 vorgenommen werden. In Figur 2 ist schematisch eine LED Zeile 1 ', umfassend mehrere Leuchtmittel 1 und einen Reflektor 2, in der Vorderansicht dargestellt. Die hohe Lichtintensität einer derartigen Zeilenbeleuchtung liegt darin begründet, dass das Licht entlang einer Zeile über eine große Anzahl von Leuchtmitteln 1 , wie Lichtleiter oder LED's, emittiert wird. Da die Lichtstrahlen 3 in Zeilenrichtung nicht fokussiert bzw. parallelisiert werden, ist das entstehende Zeilenlicht 3' im Allgemeinen sehr homogen, was für die meisten Applikationen auch so benötigt wird. Durch den dezentralen Aufbau der Leuchtmittel 1 ist eine Skalierung in Zeilenrichtung x ohne Verluste der Lichtintensität möglich.
Figur 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern in Form von Streifen 6. Hierbei sind Leuchtmittel 1 , die eine Leuchtmittelzeile, bei- spielsweise eine LED-Zeile 1 ' bilden, ein Reflektor 2 und ein Zylinderlinsenarray 5' vorgesehen, wobei das Zylinderlinsenarray 5' in den Strahlengang des Zeilenlichts 3' beabstandet von dem Leuchtmittel 1 ' in einem Abstand B angeordnet ist und ein Feld parallel angeordneter Zylinderlinsen 5 umfasst. Die Zylinderlinsen 5 fokussieren das von jedem einzelnen Leuchtmittel 1 emittierte Zeilenlicht 3', auf jeweils kleine Bereiche in Zeilenrichtung x. Durch das vom Reflektor 2 der Zeilenbeleuchtung parallelisierte Zeilenlicht 3' werden die von den Zylinderlinsen 5 fokussierten Bereiche als Streifen 6 in y-Richtung auf einer gedachten und schematisch dargestellten Messoberfläche 4 abgebildet. Die entste- henden Streifen 6 befinden sich in einem Abstand O von dem Zylinderlinsenarray 5'.
In Fig. 4 wird schematisch ein System zur Generierung eindimensionaler Helligkeitsverteilungen 1 1 darstellt.
Hierbei sind die sieben Größen
1 . Verteilung der Leuchtmittel, d.h. von der Positionen in Zeilenrichtung,
2. Größe der Leuchtmittel, beispielsweise von der Breite in Zeilenrichtung,
3. Verteilung der Linsen, d.h. von der Positionen in Zeilenrichtung,
4. Größe der Linsen, von der Breite in Zeilenrichtung,
5. Brennweite der Linsen,
6. Abstand der Linsen zum Leuchtmittel,
7. Abstand der Linsen zur Messobjektoberfläche. als Eingänge 9 eines Systems 10 interpretierbar, dessen Ausgang ein eindimensionales Lichtmuster bzw. die eindimensionale Helligkeitsverteilung 1 1 liefert. Nur die beiden letzten Größen, also der Abstand B der Linsen 5 zum Leuchtmittel 1 bzw. zur gedachten Messobjektoberfläche 4 sind skalar, die anderen Eingänge sind Vektoren, d.h., für jedes Leuchtmittel 1 der Zeilenbeleuchtung gibt es eine Position Lx1 , Lx2 bis Lxn sowie eine Breite Lb1 , Lb2 bis Lbn, und für jede Linse 5 gibt es eine Position Zx1 , Zx2 bis Zxn, eine Breite Zb1 , Zb2 bis Zbn und eine Brennweite Zf 1 , Zf2 bis Zfn.
Die Menge an Eingangsgrößen macht das System verhältnismäßig komplex. Die Eingänge können so gewählt werden, dass die entstehenden Streifenmuster für das anzuwendende photogrammetrische Verfahren möglichst gute Ergebnisse liefern. Wegen der Kompliziertheit des Systems sind herfür mehrdimensionale Op- timierungsverfahren zu verwenden. Eine wichtige feste Randgröße ist hierbei das Messvolumen bzw. die maximale Höhe der zu messenden Objektoberfläche.
Da der Abstand der Linsen 5 zur Messobjektoberfläche 4, die beispielsweise in Fig. 3 in der x-y-Ebene liegen könnte, eine Eingangsgröße des Systems darstellt, ändert sich das Streifenmuster 1 1 mit der Objekthöhe, bzw. mit dem Abstand O. Für einschrittige Messverfahren ist die Vorrichtung damit bereits vollständig, da hier in der Regel zeitinvariante Lichtmuster genutzt werden.
Durch die deutliche Änderung der Muster in Abhängigkeit von der Höhe eines Messobjektes ergeben sich bessere Möglichkeiten zur photogrammetrischen Auswertung als bei Verwendung von Projektoren.
Durch das Prinzip der Zeilenbeleuchtung lässt sich das System zumindest in Zeilenrichtung problemlos skalieren ohne an Lichtintensität zu verlieren. Orthogonal zur Zeile können mehrere baugleiche Beleuchtungen parallel angeordnet und betrieben werden, wodurch auch hier eine Skalierung möglich ist. Bei identischen Mustern gehen die Streifen dann ineinander über.
Eine maximale Lichtintensität wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung nicht zu- letzt dadurch erzielt, dass die Lichtmuster nicht durch Verdeckung bzw. Abschattung entstehen, wie bei Projektion, sondern durch Bündelung von Licht. Ein Leis- tungsverlust ist lediglich an Linsen und Reflektor zu verzeichnen. Dieser Leistungsverlust ist aber verhältnismäßig gering.
Für photogrammetrische Mehrschrittverfahren werden zeitvariante Muster benö- tigt. Eine Zeitvarianz des Systems lässt sich aber nur durch eine Änderung der Eingangsgrößen erzielen. Sofern kein mechanischer Aufwand betrieben werden soll, lässt sich nur die Verteilung der Leuchtmittel verändern, was durch das ein- und abschalten einzelner Leuchtmittel realisiert werden kann. Beim Einsatz von LED's ist dies durch eine entsprechende Elektronik umsetzbar. Beim Einsatz von Lichtleitern, sind entsprechend unterschiedliche Primärlichtquellen zu verwenden, die sich unabhängig voneinander an- bzw. ausschalten lassen.
Durch die Verwendung von LED's können kurze Umschaltzeiten garantiert wer- den. Damit sind beste Voraussetzungen gegeben, die Vorrichtung auch für mehrschrittige Verfahren einzusetzen.
Die dargestellten Figuren zeigen die Anwendbarkeit der entwickelten Vorrichtung und belegen Möglichkeiten zu deren Herstellung, wobei die Erfindung nicht auf die aufgezeigten Verwendungsmöglichkeiten und Materialien sowie Kombinationen dieser beschränkt ist.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Generierung von Lichtmustern (6), umfassend zumindest eine eindimensional fokussierte Beleuchtungseinrichtung, mit zumindest einem Leuchtmittel (1 ) und einem Reflektor (2), wobei das von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte homogene Licht (3, 3') über ein Feld (5') von nebeneinander angeordneten Linsen (5) orthogonal zur Beleuchtungseinrichtung derart gebündelt vorliegt, dass parallel verlaufende Lichtstreifen abbildbar und spezifische eindimensionale Lichtmuster (6) erzeugbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei mehrere Leuchtmittel (1 ), beispielsweise LED's (1 ) vorgesehen sind und eine Leuchtmittelzeile (1 ') bilden und wobei die Lichtmuster (6) sich in verschiedenen Höhen und bei Variation der räumlichen Verteilung der Leuchtmittel (1 ) in der Beleuchtung deutlich voneinander unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die entstehenden Lichtmuster (6) sich zur photogrammetrischen SD- Oberflächenrekonstruktion mittels Ein- oder Mehrkamerasystemen in einem vorgegebenen Messvolumen eignen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die in der Beleuchtungseinrichtung eingesetzten LED's (1 ) so ein- und ausschaltbar sind, dass für ein vorgegebenes Messvolumen verschiedene Lichtmuster (6) erzeugbar sind, die sich zur photogrammetrischen 3D-Oberflächenrekonstruktion mit mehrschrittigen Verfahren bei Ein oder Mehrkamerasystemen eignen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Leuchtmittel (1 ) Lichtleitfasern verwendet werden, deren Primärlichtquellen schnell an- und abschaltbar sind.
6. Baugruppe, umfassend zumindest zwei Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtungen parallel zueinander angeordnet sind, und ein Streifenmuster (1 1 ) orthogonal zu einer Zeile erweiterbar ist.
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