WO2007065704A1 - Vorrichtung und verfahren zur vermessung der oberfläche eines körpers - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur vermessung der oberfläche eines körpers Download PDF

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WO2007065704A1
WO2007065704A1 PCT/EP2006/011848 EP2006011848W WO2007065704A1 WO 2007065704 A1 WO2007065704 A1 WO 2007065704A1 EP 2006011848 W EP2006011848 W EP 2006011848W WO 2007065704 A1 WO2007065704 A1 WO 2007065704A1
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light
camera
light section
measurement
measuring device
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PCT/EP2006/011848
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Peter Schmitt
Günther KOSTKA
Oliver Scholz
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V:
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2509—Color coding
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/245—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers

Definitions

  • the present invention is concerned with the contactless measurement of 3-dimensional bodies, in particular with optical light section methods.
  • the surface or shape of a body is to be measured without contact.
  • the shape of the wing is measured according to individual production steps in order to determine any deviations in the actual shape from a desired shape.
  • Another application is, for example, the contactless measurement of the surface of cast or pressed parts in order to be able to separate out incorrectly produced parts.
  • the optical measurement of 3-dimensional bodies is used for the contactless measurement, the light section method in particular being often used.
  • a light line is projected onto an object to be tested.
  • the course of the light line on the surface of the object is recorded at an angle to the projection direction with a camera. This course therefore reflects the topography of the surface and can therefore be used for 3-dimensional measurement of the surface if the object to be measured is moved under the arrangement of the laser and camera.
  • the 5 shows a laser 2, a camera 4 as the light projector and, as an example, a simple ches geometric object, namely a cuboid 6.
  • the laser 2 generates a fanned out beam by means of suitable laser optics, which is projected onto the surface of the cuboid 6 at the measuring position 8.
  • the camera 4 observes the light line at the measurement position 8. Since the projection direction of the laser 2 and the observation direction of the camera 4 form an angle, the measurement beam is emitted by the camera 4 when the surface of the cuboid 6 changes, for example when it increases the surface, detected elsewhere on the light sensor of the camera 6 (for example a CCD).
  • the topographical information about the surface of the parallelepiped 6 at the measuring position 8 can be obtained. If the cuboid is now passed under the measuring position 8 in the direction of a scanning direction 10, a 3-dimensional surface profile of the cuboid to be measured can be created. In the example shown in FIG. 5, it is in principle only possible to measure a single surface of the cuboid 6, namely that on which the light projection of the laser 2 is visible at the measuring position 8. In the general case of 3-dimensional measurement of bodies, there is the problem that only a part of the entire surface is captured by the light line and the camera, and thus a rest of the surface is not illuminated. If the entire surface of a body is to be measured, several light lines and one or more cameras must be used.
  • FIG. 6 illustrates this using the 3-dimensional measurement of a cuboid 20 which is illuminated by a first laser 22 and a second laser 24, only one camera 26 being shown in FIG. 6 for the sake of simplicity.
  • the laser 1 illuminates the left side and part of the surface of the cuboid 20, where against the second laser 24 illuminates the right side and part of the surface of the cuboid.
  • FIG. 7 This is illustrated with reference to FIG. 7, in which a laser 40, a camera 42 and an object 44 to be measured are shown schematically.
  • the feed direction 46 (scan direction) is symbolized by an arrow.
  • the object 44 to be measured has an elevation 48 so that an area 50 cannot be measured with the arrangement due to the given geometry and the linear light propagation. In the area 50, it is impossible to project a measurement light beam since this is shadowed by the elevation 48.
  • this problem can be solved, for example, by using two cameras which are arranged symmetrically to the direction of projection of the light line. For example, if the laser illuminates the object vertically from above and the cameras record the position of the light line from two different directions. Obviously, shadowing effects can be avoided because the light beam itself cannot be shadowed and at least one of the cameras can observe the light beam.
  • the extremely disadvantageous aspect of this approach is the greatly increased cost, which is caused by the use of a A second, complex camera is created. Since the position of the laser and camera is basically interchangeable, it is also possible to combine a camera and two lasers to avoid shadowing. However, due to the problem of indistinguishability of the laser lines described above, this is impossible in the prior art methods.
  • the projected laser lines are only observed in the light section method, ie the method is based on the fact that the laser light is diffusely scattered at the point of impact with the object, so that the camera can observe the line of the laser on the object without interference.
  • the conventional light section method there may be additional problems if the surface of objects to be measured is partially reflective, so that reflections occur which, in the worst case, are reflected in the optics of the camera, which falsifies the image of the camera. In such a case, further bright spots appear in a part of the camera image in which only the light line should be visible, which make the evaluation difficult or impossible.
  • the object of the present invention is to provide an apparatus and a method by means of which the light section method can be used more efficiently for the exact measurement of three-dimensional bodies. This object is achieved by a device according to claim 1 and by a method according to claim 9.
  • the present invention is based on the finding that an improved measurement, in particular of three-dimensional bodies, is possible if a device is provided, with the aid of which a first and a second measurement light projection on a surface of an object to be measured are clearly from a first or second light projector can be identified.
  • a support device is provided according to the invention, which preferably operates a camera and / or the measuring light projectors in such a way that either the first or only the second measuring light projection is visible to the camera for each light section recording of the camera.
  • the problem of identifying overlapping light lines is solved in that light lines are not projected onto the object sequentially, but sequentially, that is to say in different phases of the measurement process.
  • the camera provided for the detection of the respective light line is also clocked in such a way that it is only sensitive if only one light line to be recorded is active at a time.
  • a complete picture of an object is broken down into several phases, in which only light lines and cameras are active, which do not have mutually overlapping areas. This effectively prevents a camera from seeing two different lines of light per shot.
  • This standard special light intersection cameras can be used which high Messfre ⁇ the position frequency of a light line independently determine to efficiently and cost several parallel Lichtpro ⁇ injections for the evaluation to be used at the same time maintaining the high evaluation of the light section cameras.
  • shading can be avoided in an advantageous manner if, for example, the camera detects the object vertically from above and two lasers are arranged symmetrically to the vertical to project a light line, which are sequentially switched on and off.
  • the measured values of the two (or possibly several) acquisition phases are combined so that there is a valid measured value for each measuring section (or measuring point, ie at every point of the feed in the scanning direction).
  • the measuring points are finally combined to form a complete 3D image of the surface, with hardly any shadowing.
  • the effective measuring rate is reduced by the sequential activation of light lines and cameras, but special light section sensors allow such high measuring rates that this reduction of the effective measuring rate has no negative effects on a light section measuring device according to the invention and its measuring speed or its measuring precision.
  • the unique identification of a first and a second measurement light projection is made possible by using laser light of different wavelengths for the first and the second measurement light projection. Doing so equip the desired camera for the detection of the light line with a corresponding optical filter, so that light lines that should not be detected are sufficiently suppressed.
  • a light filter of an individual camera can be changed variably in time by a support device, so that several laser beams can be clearly differentiated by means of only one camera. In an extension, if two different wavelengths are not sufficient to avoid overlaps, in principle any number of additional wavelengths can be added.
  • the use of differently colored lasers has the great advantage that the detection of all light lines can take place in parallel. In this way, the maximum measuring frequency of the measuring camera can be used.
  • the effective measurement frequency with sequential methods can be increased by shortening the exposure times, which, however, requires an increase in the laser power used in order to be able to reproduce the measurement line per single exposure. Since lasers with high power are much more expensive than lasers with lower power, the use of differently colored laser radiation also has a significant cost advantage.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a clock cycle diagram for operating the light section measuring device from FIG. 1;
  • 3a shows a light section measuring device for the complete measurement of a 3-dimensional surface
  • 3b shows a cycle cycle diagram for operating the light section measuring device from FIG. 3a;
  • 3c shows a further exemplary embodiment of a light section measuring device for the complete measurement of a 3-dimensional surface
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a light section measuring device 100 according to the invention, the first
  • Light projector 102 a second light projector 104, one
  • Camera 106 and a support device 108.
  • the light section measuring device 100 is used for three-dimensional measurement of the shape of an object 110 which is moved under the light section measuring device 100 in the scanning direction 112.
  • the support device 108 which is connected both to the first light projector 102, the second light projector 104 and the camera 106.
  • the support device 108 operates the camera 106 and the light projectors 102 and 104 in a clocked manner such that for successive images of the camera 106 either a light projection 114 on a surface of the object 110 from the 1, or by the second light projector 104.
  • An example of a clock scheme with which the switching is carried out by the support device 108 is shown in FIG. 2.
  • the mode of operation of the light section measuring device 100 is explained below with reference to FIG. 2.
  • Fig. 2 shows the time in arbitrary units on a common x-axis, while the switching states, i.e. the on-state and the off-state for the first light projector are shown in a clock cycle display 130, for the second light projector 104 in a clock cycle display 132 and for the camera 106 in a clock cycle display 134.
  • the support device 108 controls the light projectors 102 and 104 or the camera 106 in a first phase 140 such that the first light projector 102 generates the projection of the light beam on the object 110, the camera 106 being active and recording the projected light beam.
  • first phase 140 the first light projector 102 is switched inactive, while the second light projector 104 generates the measurement light projection on the object 110, which is recorded by the camera 106 in the second phase 142.
  • 3a shows a further preferred exemplary embodiment of the present invention, in which a cuboid 3- Dimensionally completely recorded, whereby complete recording is to be understood to mean that a supporting surface of the cuboid is assumed to be flat and thus assumed to be known, so that only three remaining sides of the cuboid are to be determined by a light section measuring device according to the invention.
  • FIG. 3a shows a cuboid 150 to be measured, which is moved in a scanning direction 152, a first camera 154, a second camera 156, a third camera 158, and a first laser 160 and a second laser 162 being used for the complete measurement of the cuboid 150 will.
  • the clock signals for controlling the cameras and the lasers are plotted against the time in arbitrary units in FIG. 3b, with a signal 170 the first laser 160, a signal 172 the second laser 162, a signal 174 the first camera 154 Signal 176 control the second camera 156 and signal 178 the third camera 158.
  • the mode of operation of the light section measuring device according to the invention from FIG. 3a will be briefly explained below with reference to FIGS. 3a and 3b.
  • the first laser 160 illuminates the left side of the cuboid 150 in a first measurement phase 180, the second laser 162 being switched off.
  • the position of the associated light line is recorded in the measurement phase 180 by the first camera 154 and by the third camera 158.
  • the oblique projection of the light line illuminates the entire left side of the cuboid 150 and part of the upper surface of the cuboid 150.
  • 3-dimensional positions of the left surface are therefore captured by the third camera 158 and 3-dimensional positions of parts of the upper surface of the cuboid 150 by the first camera 154.
  • the movement of the cuboid 150 in the scanning direction 152 successively determines 3D data for the parts of the cuboid just described.
  • the first laser 160 is switched off, the second laser 162 illuminates the right surface and part of the upper surface of the cuboid 150.
  • the measurement data are now recorded with the first camera 154 and with the second camera 156.
  • the light lines of the first Laser 160 and the second laser 162 do not come to lie on top of each other, since the cuboid 150 is completely captured during the scanning process, and the measurement data can be correctly compiled in a post-processing on a computer to produce the complete 3-dimensional image of the cuboid 150 to create.
  • the clocked operation according to the invention, which is controlled by a support device, prevents the first laser 160 and the second laser 162 from being operated simultaneously.
  • 3c shows a further exemplary embodiment of a light section measuring device according to the invention.
  • mirrors 195a to 195f are shown, which together form an optical system which enables the object to be recorded from different perspectives by means of only a single camera 190.
  • part of the solid angle recorded by the camera is detected by means of mirrors 195b and 195c and the beam path is deflected via mirrors 195a and 195e or via mirrors 195d and 195f in such a way that the camera 190 and a sensor installed in the camera 190, the object 194 is simultaneously illuminated from different perspectives.
  • the six mirrors form an optical system of a camera support device, which enables a light section image to be generated from different perspectives by means of only one camera 190.
  • the arrangement shown in FIG. 3c can be operated in a clocked manner, similarly as was explained with reference to FIG. 3b in the preceding paragraphs.
  • the optics of the support device can be designed in such a way that the entire sensor surface is available for recording from every single perspective, which ensures the maximum possible spatial resolution. This can be achieved, for example, by means of mirrors that fold into the beam path.
  • semitransparent mirrors can also be used, so that several measurement light strips can be observed simultaneously by means of the camera 190.
  • the techniques already discussed in the previous examples can be used to distinguish between the individual measurement light strips.
  • additional rotating color fields can be attached in front of the camera 190 if lasers 191 to 193 of different wavelengths are used.
  • the exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 3c has the great advantage that the entire object can be measured in three dimensions using only a single camera 190. This can be achieved by using comparatively inexpensive passive optical components, such as the mirrors 195a to 195f shown in FIG. 3c.
  • a camera support device shown in FIG. 3c which uses suitable optics, can in principle enable any number of perspective recordings using only a single camera. If an optical system is used which can exclusively direct different beam paths to the camera 190, and if this is possible, for example, by means of tilting mirrors, even the triggering capacity is advantageously not impaired.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the present invention, in which the surface of an object is measured by means of second light beams and two cameras.
  • FIG. 4 shows an object 200 to be measured, a first measuring light projector 202, a second measuring light projector 204, a first camera 212 and a second camera 214.
  • the first measurement light projector 202 projects a first measurement light strip 222 in a first color, in which the light thus comprises a first wavelength range.
  • the second measuring light projector 204 generates a second measuring light strip 224, the second measuring light strip 224 having a different color than the first measuring light strip 222.
  • a first wavelength filter 232 is attached in front of the first camera 212 , whose filter characteristic is selected such that the first camera 212 only the first measuring light strip 222 of the first color.
  • a second filter 234 in front of the second camera 214, which has a filter characteristic; which only allows light to pass in the wavelength range of the second measuring light strip 224, so that the second camera 214 sees only the second measuring light strip 224.
  • the high measurement rate of specialized light section cameras can be used to the full extent if the concept according to the invention is implemented as it can be seen in FIG. 4.
  • measurement lines of different wavelengths are used, only a single camera being used for the observation.
  • a device is then provided which arranges changing color filters in front of the camera so that only one clearly assignable measurement line can be observed on each picture.
  • This can be done, for example, by means of a filter wheel, which has different filter foils in individual segments of a circle, wherein individual filter foils can be brought in front of the camera lens in a time-controlled manner by rotating the filter wheel.
  • This avoids the additional expense for a second camera, but the effective measurement rate is reduced by a factor of 2. In the case of preventing shadowing effects by using two lasers, however, this is acceptable, since in this case the effective measuring rate is only reduced if one of the laser beams is actually shadowed.
  • the problem of reflections that may occur can be eliminated in an advantageous manner if camera images with reflection components can be rejected, since these can be replaced by a redundant camera image in a second measurement phase. This is possible because the unambiguous assignment of a measuring light strip to a laser is made possible according to the invention.
  • the present invention makes it possible to reconstruct a 3D detection of a body during exactly one scanning process on the basis of the light section method with a sufficiently smooth surface.
  • the support device according to the invention which enables a clear identification of a first or a second measurement light projection in a light section image, based on two examples, namely the clocked operation of a light section measurement device and the Providing wavelength filters to distinguish different colored measurement light projections has been described, any other embodiments are also possible.
  • the support device can be designed in such a way that the light that is modulated (amplitude- or phase-modulated) to generate a measurement light projection, so that an evaluation device can unambiguously assign a measurement light projection to a projector based on the modulation of the signal.
  • the intensity of the measurement light beam can also be changed, so that the individual measurement light projections can be distinguished on the basis of the different intensities that the camera perceives.
  • the support device which allows a unique identification of a first or a second measurement light projection, to change the geometric shape of a measurement light projection.
  • the width of a light strip can be varied so that, for example, a widened one can be easily distinguished from a normal measuring light strip.
  • the geometric shape of a strip can be used in any way to encode the information about the origin of the strip. For example, a strip that is interrupted at certain intervals is conceivable, the sequence of interruptions in the light strip containing the code.
  • a pattern of short light strips which are arranged perpendicular to the course of the actual measuring light strip, can define a code sequence that can be used for differentiation.
  • control system can also dynamically change the order of the phases if, for example, an incorrect evaluation requires this.
  • the method according to the invention for 3-dimensional measurement of the shape of an object can be implemented in hardware or in software.
  • the implementation can take place on a digital storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system in such a way that the method according to the invention for 3-dimensional measurement of the shape of an object is carried out.
  • the invention thus also consists in a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus be implemented as a computer program with a program code for carrying out the method if the computer program runs on a computer.

Abstract

Bei einem Lichtschnittverfahren kann eine erste (114) und eine zweite Messlichtprojektion auf einer Oberfläche eines zu vermessenden Objektes (110) von einer Kamera (106) eindeutig als erste (114) oder zweite Messlichtprojektion identifiziert werden, wenn eine Unterstützungseinrichtung (108) existiert, welche die Kamera (102) und/oder die Messlichtprojektoren (102; 104) so betreibt, dass bei jeder Lichtschnittaufnahme der Kamera (106) entweder die erste (114) oder die zweite Messlichtprojektion für die Kamera (106) sichtbar ist. Die Möglichkeit der eindeutigen Identifizierung erlaubt es, mehrere räumlich überlappende und nicht exakt aufeinander ausgerichtete Messlichtprojektionen mittels einer Kamera (106) auszuwerten.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR VERMESSUNG DER OBERFLÄCHE EINES
KÖRPERS
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der berührungslosen Vermessung 3-dimensionaler Körper, insbesondere mit optischen Lichtschnittverfahren.
Anwendungen, in denen berührungslos die Oberfläche bzw. die Gestalt eines Körpers vermessen werden soll, sind vielfältig. Beispielsweise wird bei der Produktion von Flugzeugtragflächen bei einigen Flugzeugtypen die Form der Tragflä- che nach einzelnen Produktionsschritten vermessen, um etwaige Abweichungen der tatsächlichen Form von einer Sollform festzustellen. Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist beispielsweise die kontaktlose Vermessung der Oberfläche von Guss- oder Pressteilen, um fehlerhaft produzierte Teile aussondern zu können.
Häufig wird dabei zur berührungslosen Vermessung auf die optische Vermessung 3-dimensionaler Körper zurückgegriffen, wobei insbesondere das Lichtschnittverfahren oft verwendet wird.
Beim Lichtschnittverfahren, wie es in Fig. 5 schematisch dargestellt ist, wird eine Lichtlinie auf ein zu prüfendes Objekt projiziert. Der Verlauf der Lichtlinie auf der Ober- fläche des Objekts wird unter einem Winkel zur Projektionsrichtung mit einer Kamera aufgezeichnet. Dieser Verlauf spiegelt mithin die Topographie der Oberfläche wieder und kann daher zur 3-dimensionalen Vermessung der Oberfläche benutzt werden, wenn das zu vermessende Objekt unter der Anordnung von Laser und Kamera bewegt wird.
Fig. 5 zeigt als Lichtprojektor einen Laser 2, eine Kamera 4 und als zu vermessendes Objekt beispielhaft eine einfa- ches geometrisches Objekt, nämlich einen Quader 6. Der Laser 2 erzeugt mittels einer geeigneten Laseroptik einen aufgefächerten Strahl, der an der Messposition 8 auf die Oberfläche des Quaders 6 projiziert wird. Die Kamera 4 beo- bachtet die Lichtlinie an der Messposition 8. Da die Projektionsrichtung des Lasers 2 und die Beobachtungsrichtung der Kamera 4 einen Winkel bilden, wird von der Kamera 4 der Messstrahl bei einer Veränderung der Oberfläche des Quaders 6, beispielsweise bei einer Erhöhung auf der Oberfläche, an anderer Stelle auf dem Lichtsensor der Kamera 6 (beispielsweise einer CCD) nachgewiesen. Aus der Kenntnis des Winkels zwischen Laser 2 und Kamera 4 sowie der Kenntnis der Nachweisposition des Lichtstrahls im Kamerasensor, lässt sich die topographische Information über die Oberfläche des Qua- ders 6 an der Messposition 8 gewinnen. Wird nun der Quader in Richtung einer Scanrichtung 10 unter der Messposition 8 hindurchgeführt, so lässt sich ein 3-dimensionales Oberflächenprofil des zu vermessende Quaders erstellen. In dem Beispiel, das in Fig. 5 gezeigt ist, ist es prinzipiell nur möglich, eine einzige Oberfläche des Quaders 6 zu vermessen, nämlich jene auf der an der Messposition 8 die Lichtprojektion des Lasers 2 sichtbar ist. Im allgemeinen Fall der 3-dimensionalen Vermessung von Körpern besteht das Problem, dass nur ein Teil der gesamten Oberfläche von der Lichtlinie und der Kamera erfasst wird und somit ein Rest der Oberfläche nicht beleuchtet wird. Soll die gesamte O- berfläche eines Körpers vermessen werden, müssen daher mehrere Lichtlinien und ein oder mehrere Kameras verwendet werden.
Fig. 6 veranschaulicht dies anhand der 3-dimensionalen Vermessung eines Quaders 20, der von einem ersten Laser 22 und von einem zweiten Laser 24 beleuchtet wird, wobei in Fig. 6 der Einfachheit halber nur eine Kamera 26 gezeigt ist. Wie es in Fig. 6 zu sehen ist, beleuchtet der Laser 1 die linke Seite und einen Teil der Oberfläche des Quaders 20, wohin- gegen der zweite Laser 24 die rechte Seite und einen Teil der Oberfläche des Quaders beleuchtet.
Es ist anzumerken, dass zur vollständigen Vermessung des Quaders 20 mehrere Kameras von Nöten sind, die zusätzlich notwendigen Kameras sind jedoch nicht gezeigt, da sie für das Verständnis des Verfahrens nicht erforderlich sind. Um die Oberfläche des Quaders 20 mittels Kamera 1 vollständig vermessen zu können, müssen diejenigen Anteile der Lichtli- nien des Lasers 22 und des Lasers 24, welche eine Linie auf die Oberfläche des Quaders 20 projizieren, einen räumlichen Überlapp aufweisen, um die vollständige Erfassung der Oberfläche zu ermöglichen. Weisen die Linien keinen Überlapp auf, müssten Anfangs- und Endpunkte der verschiedenen Lichtlinien exakt aufeinanderliegen. Da die Linien jedoch in der Regel mit einem Punktlaser mit einer speziellen Linienoptik erzeugt werden, hängt die Länge der auf dem Objekt erzeugten Lichtlinie vom Abstand des Lasers zum Objekt ab. Bei 3-dimensionalen Körpern ändert sich jedoch der Ab- stand der Oberfläche von den verschiedenen Lasern von Messort zu Messort (d.h. entlang einer Scanrichtung 30) . Daher ist es unmöglich, Anfangs- und Endpunkte der Laser 22 und 24 aufeinander auszurichten. Spezielle Lichtschnittsensoren in der Kamera 26 bestimmen die Position einer Lichtlinie bereits auf dem Sensor selbst, da dadurch eine möglichst hohe Messrate erreicht werden kann, die bei aktuell verfügbaren Sensoren bis zu 20.000 ausgewerteten Lichtlinien pro Sekunde beträgt.
Bei der Verwendung mehrerer Lichtlinien von verschiedenen Lasern, wie es in Fig. 6 auf der Oberfläche des Quaders 20 dargestellt ist, sind solche Sensoren jedoch nicht in der Lage zu entscheiden, welche der Lichtlinien zur korrekten Vermessung heranzuziehen ist. Um dieses Problem und damit einher gehende Fehlauswertungen zu umgehen, müssten die projizierten Lichtlinien nahtlos ineinander übergehen. Dies kann prinzipiell dadurch erreicht werden, dass die Lichtli- nien zunächst parallel zueinander ausgerichtet und danach so lange parallel verschoben werden, bis sie exakt auf einander liegen. Obwohl dies prinzipiell möglich ist, ist dieses Vorgehen mit einem sehr hohen Justageaufwand verbunden. Ein zusätzliches Problem ist dabei, dass aufgrund von äußeren Einflüsse, wie z. B. durch sich verändernde Temperatur oder durch auftretende mechanische Spannungen, diese Justa- ge zeitlich nicht stabil ist. Ein weiteres Problem des Lichtschnittverfahrens besteht darin, dass erhabene Teile auf der Oberfläche des Objekts bei Einsatz einer Kamera und eines Lasers zu Abschattungen führen können, d.h. Teile der Oberfläche können dann nicht erfasst werden.
Dies ist anhand von Fig. 7 veranschaulicht, in der schematisch ein Laser 40, eine Kamera 42 und ein zu vermessendes Objekt 44 gezeigt ist. Die Vorschubrichtung 46 (Scanrichtung) ist anhand eines Pfeils symbolisiert.
Das zu vermessende Objekt 44 weist eine Erhöhung 48 auf, so dass mit der Anordnung aufgrund der gegebenen Geometrie und der geradlinigen Lichtausbreitung ein Bereich 50 nicht vermessen werden kann. In dem Bereich 50 ist das Projizieren eines Messlichtstrahls unmöglich, da dieser von der Erhöhung 48 abgeschattet wird.
Prinzipiell kann dieses Problem beispielsweise durch den Einsatz von zwei Kameras, die symmetrisch zur Projektions- richtung der Lichtlinie angeordnet sind, gelöst werden. Wenn der Laser das Objekt beispielsweise senkrecht von oben beleuchtet und die Kameras die Position der Lichtlinie aus zwei unterschiedlichen Richtungen aufzeichnen. Offensichtlich können Abschattungseffekte somit vermieden werden, da der Lichtstrahl selbst nicht abgeschattet werden kann und zumindest eine der Kameras jeweils den Lichtstrahl beobachten kann. Äußerst nachteilhaft an diesem Ansatz ist jedoch der stark erhöhte Kostenaufwand, der durch den Einsatz ei- ner zweiten, komplexen Kamera entsteht. Da die Position von Laser und Kamera prinzipiell austauschbar ist, ist es auch möglich, eine Kamera und zwei Laser zu kombinieren, um Abschattungen zu vermeiden. Aufgrund des oben beschriebenen Problems der Ununterscheidbarkeit der Laserlinien ist dies jedoch in den dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren unmöglich.
Allgemein werden beim Lichtschnittverfahren die projizier- ten Laserlinien lediglich beobachtet, d.h. das Verfahren basiert darauf, dass das Laserlicht am Ort des Auftreffens auf das Objektes diffus gestreut wird, so dass die Kamera die Linie des Lasers auf dem Objekt ohne Störungen beobachten kann. Beim herkömmlichen Lichtschnittverfahren kann es jedoch zu zusätzlichen Problemen kommen, wenn die Oberfläche von zu vermessenden Objekten teilweise reflektierend ist, so dass Reflexionen entstehen, die im ungünstigsten Fall in die Optik der Kamera reflektiert werden, wodurch das Bild der Kamera verfälscht wird. In einem solchen Fall treten in einem Teil des Kamerabildes, in dem nur die Lichtlinie zu sehen sein sollte, weitere helle Stellen auf, welche die Auswertung erschweren oder unmöglich machen. Werden beispielsweise diffus streuende Autoreifen auf reflektierenden Aluminiumfelgen vermessen, kann dieses Prob- lern auftreten, wenn der Teil der Lichtlinie, der auf das Aluminium trifft, in dem Kamerabereich reflektiert wird. Mit dem Stand der Technik entsprechenden Lichtschnittverfahren kann der Reifen dann nicht mehr erfasst werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, durch die eine effizientere Anwendung des Lichtschnittverfahrens zum exakten Vermessen dreidimensionaler Körper möglich wird. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass eine verbesserte Vermessung insbesondere dreidimensionaler Körper möglich ist, wenn eine Einrichtung vorgesehen wird, mit deren Hilfe eine erste und eine zweite Messlichtprojektion auf einer Oberfläche eines zu vermessenden Objektes eindeutig als von einem ersten oder zweiten Lichtprojektor stammend identifiziert werden kann. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß eine Unterstützungseinrichtung vorgesehen, welche eine Kamera und/oder die Messlicht- projektoren vorzugsweise so betreibt, dass bei jeder Lichtschnittaufnahme der Kamera entweder nur die erste oder nur die zweite Messlichtprojektion für die Kamera sichtbar ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Problem der Identifizierung überlappender Lichtlinien dadurch gelöst, dass Lichtlinien nicht gleichzeitig, sondern sequentiell, also in verschiedenen Phasen des Messvorgangs aufeinanderfolgend auf das Objekt projiziert werden. Mittels der Unterstützungseinrichtung wird die für die Erfassung der jeweiligen Lichtlinie vorgesehene Kamera ebenfalls so getaktet, dass diese nur dann empfindlich ist, wenn jeweils nur eine aufzuzeichnende Lichtlinie aktiv ist. Eine vollständige Aufnahme eines Objektes wird also in mehrere Phasen zerlegt, bei der jeweils nur Lichtlinien und Kameras aktiv sind, welche keine wechselseitig überlappenden Bereiche aufweisen. Somit wird effizient verhindert, dass eine Kamera zwei unterschiedliche Lichtlinien je Auf- nähme sieht. Dadurch können standardmäßige spezielle Lichtschnittkameras verwendet werden, welche mit hoher Messfre¬ quenz die Position einer Lichtlinie selbständig bestimmen, um effizient und kostengünstig mehrere parallele Lichtpro¬ jektionen zur Auswertung zu verwenden, wobei gleichzeitig die hohe Auswertegeschwindigkeit der Lichtschnittkameras erhalten bleibt. Somit können auf vorteilhafte Art und Weise unter anderem Abschattungen vermieden werden, wenn beispielsweise die Kamera das Objekt senkrecht von oben erfasst und symmetrisch zur Vertikalen zwei Laser zur Projektion einer Lichtlinie angeordnet werden, welche sequentiell ein- und ausgeschaltet werden. Die Messwerte der beiden (oder ggf. mehreren) Aufnahemphasen werden zusammengefasst, so dass für jeden Messabschnitt (bzw. Messpunkt, d.h. an jeder Stelle des Vorschubs in Scanrichtung) ein gültiger Messwert vorliegt. Durch Abscannen des Objektes werden die Messpunkte schließlich zu einem lückenlosen 3D-BiId der Oberfläche zusammengesetzt, wobei kaum Abschattungen mehr auftreten können. Die effektive Messrate wird durch das sequentielle Zuschalten von Lichtlinien und Kameras zwar reduziert, jedoch er- lauben spezielle Lichtschnittsensoren so hohe Messraten, dass diese Reduktion der effektiven Messrate keine negativen Auswirkungen auf eine erfindungsgemäße Lichtschnitt- messeinrichtung und deren Messgeschwindigkeit bzw. deren Messpräzision hat.
Die Anordnung von zwei Lasern symmetrisch zur Blickrichtung einer Kamera hat einen geringen Kostenmehraufwand zur Folge, um einen zweiten Laser zu installieren. Jedoch ist, bei geringer Laserleistung, der zusätzliche Kostenaufwand we- sentlich geringer als bei Einsatz einer zweiten Kamera, wie es im Stand der Technik oftmals der Fall ist. Insgesamt ergibt sich somit der große Vorteil, dass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Konzeptes durch mit geringem Kostenmehraufwand das Auftreten von Abschattungen verhindert werden kann. Ebenso kann so eine vollständige Oberfläche eines Objektes mittels mehrerer nicht exakt aufeinander ausgerichteter Lichtstreifen vermessen werden kann.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er- findung wird die eindeutige Identifikation einer ersten und einer zweiten Messlichtprojektion dadurch ermöglicht, dass für die erste und die zweite Messlichtprojektion Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird. Dabei wird die jeweils gewünschte Kamera zur Erfassung der Lichtlinie mit einem entsprechenden optischen Filter ausgestattet, so dass Lichtlinien, die nicht erfasst werden sollen, hinreichend unterdrückt werden. Darüber hinaus kann von einer Un- terstützungseinrichtung ein Lichtfilter einer einzelnen Kamera zeitlich variabel gewechselt werden, so dass auch mittels nur einer Kamera mehrere Laserstrahlen eindeutig unterschieden werden können. In einer Erweiterung können, sollten zwei unterschiedliche Wellenlängen nicht zur Ver- meidung von Überlappungen ausreichen, prinzipiell beliebig viele weitere Wellenlängen hinzugenommen werden.
Das Verwenden unterschiedlich farbiger Laser hat den großen Vorteil, dass die Erfassung aller Lichtlinien parallel er- folgen kann. Dadurch kann die maximale Messfrequenz der Messkamera ausgenutzt werden. Die effektive Messfrequenz bei sequentiellen Methoden kann prinzipiell dadurch erhöht werden, dass die Belichtungszeiten verkürzt werden, was jedoch eine Erhöhung der eingesetzten Laserleistung voraus- setzt, um pro einzelner Aufnahme die Messlinie noch reproduzieren zu können. Da Laser mit hoher Leistung wesentlich teuerer sind als Laser geringerer Leistung, birgt die Verwendung unterschiedlich farbiger Laserstrahlung zusätzlich einen signifikanten Kostenvorteil.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Nachfolgenden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Lichtschnittmesseinrichtung;
Fig. 2 ein Taktzyklusdiagramm zum Betrieb der Licht- schnittmesseinrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3a eine Lichtschnittmesseinrichtung zur vollständigen Vermessung einer 3-dimensionalen Oberfläche; Fig. 3b ein TaktZyklusdiagramm zum Betrieb der Licht- schnittmesseinrichtung von Fig. 3a;
Fig. 3c ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Licht- Schnittmesseinrichtung zur vollständigen Vermessung einer 3-dimensionalen Oberfläche;
Fig. 4 ein Lichtschnittverfahren mit Lasern unterschiedlicher Wellenlänge;
Fig. 5 eine prinzipielle Funktionsweise des Licht- schnittmessverfahrens ;
Fig. 6 eine Vermessung einer Oberfläche mittels mehrerer
Lichtschnitte; und
Fig. 7 Abschattungseffekte beim Lichtschnittverfahren.
Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen Lichtschnittmesseinrichtung 100, die einen ersten
Lichtprojektor 102, einen zweiten Lichtprojektor 104, eine
Kamera 106 und eine Unterstützungseinrichtung 108 aufweist.
Die Lichtschnittmesseinrichtung 100 dient dem 3- dimensionalen Vermessen der Form eines Objektes 110, das unter der Lichtschnittmesseinrichtung 100 in der Scanrichtung 112 hindurchbewegt wird.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorlie- genden Erfindung wird die Unterscheidbarkeit von zwei Messlichtstrahlen durch die Unterstützungseinrichtung 108 sichergestellt, die sowohl mit dem ersten Lichtprojektor 102, dem zweiten Lichtprojektor 104 als auch mit der Kamera 106 verbunden ist. Die Unterstützungseinrichtung 108 betreibt dabei die Kamera 106 und die Lichtprojektoren 102 und 104 in einer getakteten Art und Weise derart, dass für aufeinanderfolgende Bilder der Kamera 106 entweder eine Lichtprojektion 114 auf einer Oberfläche des Objekts 110 von dem ersten Lichtprojektor 102 erzeugt wird, wie es in Fig. 1 zu sehen ist, oder von dem zweiten Lichtprojektor 104. Ein Beispiel für ein Taktschema, mit dem das Umschalten durch die Unterstützungseinrichtung 108 erfolgt, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Funktionsweise der Lichtschnittmessein- richtung 100 wird im Folgenden bezug nehmend auf Fig. 2 erläutert.
Fig. 2 zeigt auf einer gemeinsamen x-Achse die Zeit in be- liebigen Einheiten, während die Schaltzustände, d.h. der Ein-Zustand und der Aus-Zustand für den ersten Lichtprojektor in einer Taktzyklusdarstellung 130, für den zweiten Lichtprojektor 104 in einer Taktzyklusdarstellung 132 und für die Kamera 106 in einer Taktzyklusdarstellung 134 ge- zeigt sind.
Die Unterstützungseinrichtung 108 steuert die Lichtprojektoren 102 und 104 bzw. die Kamera 106 in einer ersten Phase 140 derart, dass der erste Lichtprojektor 102 die Projekti- on des Lichtstrahls auf dem Objekt 110 erzeugt, wobei die Kamera 106 aktiv ist und den projizierten Lichtstrahl aufnimmt. In einer darauffolgenden, zweiten Phase 142 wird hingegen der erste Lichtprojektor 102 inaktiv geschaltet, während der zweite Lichtprojektor 104 die Messlichtprojek- tion auf dem Objekt 110 erzeugt, welche mittels der Kamera 106 in der zweiten Phase 142 aufgezeichnet wird.
Wie es in den Figuren 1 und 2 zu sehen ist, ist es somit erfindungsgemäß möglich, die Quellen der Messlichtprojekti- on eindeutig einzelnen Kameraaufnahmen zuzuordnen.
Besonders vorteilhaft an dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, dass es in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung der Komponenten kaum zu Abschattungseffekten kommen kann.
Fig. 3a zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Quader 3- dimensional vollständig erfasst wird, wobei unter vollständiger Erfassung zu verstehen ist, dass eine Auflagefläche des Quaders als eben angenommen und somit als bekannt vorausgesetzt wird, so dass lediglich drei verbleibende Seiten des Quaders durch eine erfindungsgemäße Lichtschnittmess- einrichtung zu bestimmen sind.
Fig. 3a zeigt einen zu vermessenden Quader 150, der in einer Scanrichtung 152 bewegt wird, wobei zur vollständigen Vermessung des Quaders 150 eine erste Kamera 154, eine zweite Kamera 156, eine dritte Kamera 158 sowie ein erster Laser 160 und ein zweiter Laser 162 verwendet werden. Die Taktsignale zur Ansteuerung der Kameras und der Laser sind in Fig. 3b gegen die Zeit in willkürlichen Einheiten aufge- tragen, wobei ein Signal 170 den ersten Laser 160, ein Signal 172 den zweiten Laser 162, ein Signal 174 die erste Kamera 154, ein Signal 176 die zweite Kamera 156 und ein Signal 178 die dritte Kamera 158 steuern. Anhand der Figuren 3a und 3b soll im Folgenden kurz die Funktionsweise der er- findungsgemäßen Lichtschnittmesseinrichtung von Fig. 3a erläutert werden.
Der erste Laser 160 beleuchtet in einer ersten Messphase 180 die linke Seite des Quaders 150, wobei der zweite Laser 162 ausgeschaltet ist. Die Position der zugehörigen Lichtlinie wird in der Messphase 180 von der ersten Kamera 154 und von der dritten Kamera 158 erfasst. Durch die Schrägprojektion der Lichtlinie wird die komplette linke Seite des Quaders 150 und ein Teil der oberen Fläche des Quaders 150 beleuchtet. In der Messphase 180 werden daher von der dritten Kamera 158 3-dimensionale Positionen der linken O- berfläche und von der ersten Kamera 154 3-dimensionale Positionen von Teilen der oberen Oberfläche des Quaders 150 erfasst.
Durch die Bewegung des Quaders 150 in Scanrichtung 152 werden nacheinander 3D-Daten für die eben beschriebenen Teile des Quaders ermittelt. In einer zweiten Messphase 182 wird der erste Laser 160 ausgeschaltet, der zweite Laser 162 beleuchtet die rechte Oberfläche und einen Teil der oberen Oberfläche des Quaders 150. Die Erfassung der Messdaten erfolgt nun mit der ersten Kamera 154 und mit der zweiten Ka- mera 156. Erfindungsgemäß müssen die Lichtlinien des ersten Lasers 160 und des zweiten Lasers 162 nicht aufeinander zu liegen kommen, da der Quader 150 während des Scanvorgangs vollständig erfasst wird, wobei die Messdaten in einem Post-Processing auf einem Rechner korrekt zusammengesetzt werden können, um das vollständige 3-dimensionales Bild des Quaders 150 zu erzeugen. Durch das erfindungsgemäße getaktete Betreiben, das von einer Unterstützungseinrichtung gesteuert wird, wird also verhindert, dass der erste Laser 160 und der zweite Laser 162 zeitgleich betrieben werden.
Die Fig. 3c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen LichtSchnittmesseinrichtung.
Gezeigt ist eine Kamera 190, ein erster Laser 191, ein zweiter Laser 192 und ein dritter Laser 193, die ein zu vermessendes Objekt 194 von allen Seiten beleuchten, so dass die komplette geschlossene Kontur des Objekts 194 auf dessen Oberfläche von Messlichtstreifen bzw. Messlichtprojektionen erfasst wird.
Ferner sind sechs Spiegel 195a bis 195f gezeigt, die zusammen eine Optik bilden, die mittels nur einer einzigen Kamera 190 die Aufnahme des Objekts aus unterschiedlichen Perspektiven ermöglicht. Dazu wird im Fig. 3c gezeigten Fall mittels der Spiegel 195b und 195c ein Teil des von der Kamera aufgenommenen Raumwinkels erfasst und der Strahlengang wird über Spiegel 195a und 195e bzw. über Spiegel 195d und 195f derart umgelenkt, dass von der Kamera 190 bzw. von einem in der Kamera 190 verbauten Sensor das Objekt 194 gleichzeitig aus unterschiedlichen Perspektiven beleuchtet wird. Die sechs Spiegel bilden eine Optik einer Kameraunterstützungseinrichtung, die ein Erzeugen einer Lichtschnittaufnahme aus unterschiedlichen Perspektiven mittels nur einer Kamera 190 ermöglicht.
Für eine erfindungsgemäße Unterstützungseinrichtung kommen verschiedene Optiken in Frage. Zum einen besteht die Möglichkeit, eine Optik derart zu gestalten, dass die unterschiedlichen Perspektiven des Objekts 194 gleichzeitig auf verschiedenen Bereichen des in der Kamera 190 verbauten Sensors abgebildet werden. Bei Kenntnis der einzelnen Bereiche könnten dabei sogar die Laser 191, 192 und 193 gleichzeitig betrieben werden, sofern die Optik sicherstellt, dass jeweils nur geometrisch voneinander trennbare Sensorbereiche von den Einzellasern belichtet werden.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die in Fig. 3c gezeigte Anordnung getaktet betrieben werden, ähnlich wie es anhand von Fig. 3b in den vorhergehenden Absätzen erläutert wurde. Dabei kann insbesondere die Optik der Unterstützungseinrichtung derart gestaltet sein, dass die gesamte Sensorfläche für die Aufnahme aus jeder einzelnen Perspektive zur Verfügung steht, was die maximal mögliche Ortsauflösung gewährleistet. Dies kann beispielsweise mit- tels in den Strahlengang klappender Spiegel erzielt werden.
Es können beispielsweise auch halbdurchlässige Spiegel verwendet werden, so dass mehrere Messlichtstreifen gleichzeitig mittels der Kamera 190 beobachtet werden können.
Für die Unterscheidungen der Einzelmesslichtstreifen kommen prinzipiell die bereits in der vorhergehenden Beispielen diskutierten Techniken in Frage. So können beispielsweise zusätzlich rotierende Farbfelder vor der Kamera 190 ange- bracht werden, falls Laser 191 bis 193 unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden. Das in Fig. 3c gezeigte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat den großen Vorteil, dass mittels nur einer einzigen Kamera 190 das gesamte Objekt in drei Dimensionen vermessen werden kann. Dies kann erreicht werden, in- dem vergleichsweise günstige passive optische Bauelemente, wie beispielsweise die in Fig. 3c gezeigten Spiegel 195a bis 195f verwendet werden.
Eine in Fig. 3c gezeigte Kameraunterstützungseinrichtung, die sich einer geeigneten Optik bedient, kann prinzipiell beliebig viele perspektivische Aufnahmen mittels nur einer einzigen Kamera ermöglichen. Wenn eine Optik verwendet wird, die jeweils exklusiv unterschiedliche Strahlengänge auf die Kamera 190 lenken kann, sowie dies beispielsweise mittels verkippender Spiegel möglich ist, ist auf vorteilhafte Art und Weise nicht einmal das Auslösungsvermögen beeinträchtigt.
Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung, bei dem die Oberfläche eines Objektes mittels zweiter Lichtstrahlen und zweier Kameras vermessen wird.
Die Fig. 4 zeigt dabei ein zu vermessendes Objekt 200, ei- nen ersten Messlichtprojektor 202, einen zweiten Messlichtprojektor 204, eine erste Kamera 212 und eine zweite Kamera 214. Auf der rechten Seite und auf einem Teil der Oberfläche des Objektes 200 wird von dem ersten Messlichtprojektor 202 ein erster Messlichtstreifen 222 in einer erste Farbe projiziert, bei dem das Licht also einen ersten Wellenlängenbereich umfasst. Auf der linken Seite und einem zweiten Teil der Oberfläche des Objektes 200 wird vom zweiten Messlichtprojektor 204 ein zweiter Messlichtstreifen 224 erzeugt, wobei der zweite Messlichtstreifen 224 eine andere Farbe hat als der erste Messlichtstreifen 222. Vor der ersten Kamera 212 ist ein erster Wellenlängenfilter 232 angebracht, dessen Filtercharakteristik so ausgewählt ist, dass die erste Kamera 212 nur den ersten Messlichtstreifen 222 der ersten Farbe beobachten kann. Äquivalent dazu befindet sich vor der zweiten Kamera 214 ein zweiter Filter 234, der eine Filtercharakteristik; aufweist, die lediglich Licht im Wellenlängenbereich des zweiten Messlichtstreifens 224 pas- sieren lässt, so dass die zweite Kamera 214 nur den zweiten Messlichtstreifen 224 sieht.
Auf diese Art und Weise kann erreicht werden, dass die Messung kontinuierlich erfolgen kann, d.h. dass keiner der Messlichtprojektoren zeitweise stillgelegt oder abgeschattet werden muss, was zu einer Reduzierung der effektiven Messrate einer Kamera um einen Faktor 2 führen würde. Daher kann erfindungsgemäß die hohe Messrate spezialisierter Lichtschnittkameras in vollem Umfang genutzt werden, wenn das erfindungsgemäße Konzept so implementiert wird, wie es in Fig. 4 zu sehen ist.
In einer alternativen Ausführungsform des in Fig. 4 gezeigten Konzeptes werden Messlinien unterschiedlicher Wellen- längen verwendet, wobei nur eine einzelne Kamera zur Beobachtung verwendet wird. Zusätzlich ist dann eine Einrichtung vorgesehen, die wechselnde Farbfilter vor der Kamera anordnet, so dass auf jeder Aufnahme nur eine eindeutig zu- ordenbare Messlinie beobachtet werden kann. Dies kann bei- spielsweise mittels eines Filterrades geschehen, das verschiedene Filterfolien in einzelnen Segmenten eines Kreises aufweist, wobei durch Rotation des Filterrades zeitlich präzise gesteuert einzelne Filterfolien vor das Objektiv der Kamera gebracht werden können. So wird der zusätzliche Kostenaufwand für eine zweite Kamera vermieden, jedoch wird die effektive Messrate um den Faktor 2 verringert. Im Fall der Verhinderung von Abschattungseffekten durch das Einsetzen zweier Laser ist dies jedoch akzeptabel, da in diesem Fall die effektive Messrate nur dann reduziert wird, wenn einer der Laserstrahlen tatsächlich abgeschattet ist.
Obwohl anhand der vorhergehenden Beispiele das erfindungsgemäße Konzept anhand der Steuerung bzw. des Einsatzes von zwei Lasern beschrieben wurde, wird es im allgemeinen bei komplexeren 3D-Oberflächen erforderlich sein, eine größere Anzahl von Lasern und Kameras einzusetzen, um Abschattungs- effekte zu vermeiden und um die vollständige Oberfläche er- fassen zu können. Dementsprechend kann es erforderlich werden, mehr als zwei Aufnahmephasen zu definieren, in denen mehrere Gruppen von Lasern und Kameras zu unterschiedlichen Zeiten aktiv sind, um die Messdaten der Oberfläche zu generieren. Dies ist auf vorteilhafte Weise mittels des erfin- dungsgemäßen Konzepts realisierbar, bei dem die Anzahl der unterschiedlichen Messphasen prinzipiell nicht limitiert ist. Darüber hinaus kann selbstverständlich auch eine beliebige Anzahl unterschiedlich farbiger Laser zum Einsatz kommen, um das erfindungsgemäße Konzept mittels einer be- liebigen Anzahl von unterschiedlich farbigen Lasern und Kameras mit Farbfiltern umzusetzen.
Durch das erfindungsgemäße Verwenden mehrerer Laser kann dabei auf vorteilhafte Art und Weise auch das Problem von eventuell auftretenden Reflexionen beseitigt werden, wenn Kamerabilder mit Reflexionsanteilen verworfen werden können, da diese in einer zweiten Messphase durch ein redundantes Kamerabild ersetzt werden können. Dies ist möglich, da die eindeutige Zuordnung eines Messlichtstreifens zu ei- nem Laser erfindungsgemäß ermöglicht wird.
Zusammengefasst ermöglicht es die vorliegende Erfindung also bei hinreichend glatter Oberfläche eine 3D-Erfassung eines Körpers während genau eines Scanvorganges auf Basis des Lichtschnittverfahrens zu rekonstruieren.
Obwohl in den in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die erfindungsgemäße Unterstützungseinrichtung, die eine eindeutige Identifikation einer ersten oder einer zweiten Messlichtprojektion in einer Lichtschnittaufnahme ermöglicht, anhand von zwei Beispielen, nämlich dem getakteten Betreiben einer Lichtschnittmesseinrichtung und dem Bereitstellen von Wellenlängenfiltern zum Unterscheiden verschiedenfarbiger Messlichtprojektionen beschrieben wurde, sind auch beliebige andere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise kann die Unterstützungseinrichtung so be- schaffen sein, dass das Licht, das zum Erzeugen einer Messlichtprojektion moduliert (amplituden- oder phasenmoduliert) ist, so dass durch eine Auswertevorrichtung ein eindeutige Zuordnung einer Messlichtprojektion zu einem Projektor aufgrund der Modulation des Signales erfolgen kann.
Als einfaches Beispiel der Amplitudenmodulation kann dabei insbesondere auch die Intensität des Messlichtstrahles verändert werden, so dass die einzelnen Messlichtprojektionen aufgrund der unterschiedlichen Intensitäten, die die Kamera wahrnimmt, unterschieden werden können.
Eine weitere Möglichkeit, die Unterstützungseinrichtung zu implementieren, die eine eindeutige Identifikation einer ersten oder einer zweiten Messlichtprojektion gestattet ist, die geometrische Form einer Messlichtprojektion zu verändern. Beispielsweise kann die Breite eines Lichtstreifens variiert werden, so dass beispielsweise ein verbreiterter von einem normalen Messlichtstreifen leicht unterschieden werden kann. Darüber hinaus kann die geometrische Gestalt eines Streifens in beliebiger Art und Weise zur Codierung der Information über den Ursprung des Streifens verwendet werden. Beispielsweise ist ein Streifen, der in bestimmten Abständen unterbrochen ist, vorstellbar, wobei die Sequenz der Unterbrechungen des Lichtstreifens den Code enthält. Darüber hinaus kann auch ein Muster aus kurzen Lichtstreifen, die senkrecht zum Verlauf des eigentlichen Messlichtstreifens angeordnet sind eine Codesequenz definieren, die zur Unterscheidung herangezogen werden kann. Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unterschiedlichen Phasen der Belichtung in abwechselnder Reihenfolge durchlaufen werden ist es e- benso möglich, eine Phase mehrmals hintereinander zu durch- laufen, wenn dies notwendig ist. Insbesondere kann die Steuerung auch dynamisch die Reihenfolge der Phasen verändern, sollte beispielsweise ein Fehlerhafte Auswertung dies erfordern.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum 3-dimensionalen Vermessen der Form eines Objektes in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedi- um, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum 3-dimensionalen Vermessen der Form eines Objektes ausgeführt wird. Allgemein be- steht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm- Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtschnittmesseinrichtung (100) zum 3-dimensionalen Vermessen der Form eines Objektes (110; 150; 194), mit folgenden Merkmalen: einem ersten (102; 160; 191) und einem zweiten Lichtprojektor (104; 162; 192) zum Erzeugen einer ersten (114; 181) und einer zweiten (183) Messlichtprojektion auf einer Oberfläche des Objektes (110; 150; 194); mindestens einer Kamera (106; 154; 190) zum Erzeugen einer Lichtschnittaufnahme einer Oberfläche des Objek- tes (110; 150; 194); und einer Unterstützungseinrichtung (108), die eine eindeutige Identifikation der ersten (114; 181) oder der zweiten (183) Messlichtprojektion in der Lichtschnitt- aufnähme ermöglicht; und einer Kameraunterstützungseinrichtung, um mittels einer Optik (195a ... 195f) ein Erzeugen einer Lichtschnittaufnahme aus unterschiedlichen Perspektiven mittels der Kamera (109) zu ermöglichen.
2. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der die Kameraunterstützungseinrichtung einen Strahlteiler umfasst.
3. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kameraunterstützungseinrichtung ausgebildet ist, um ein Erzeugen einer Lichtschnittaufnahme zu ermöglichen, in der mehr als eine Perspektive des Objekts (194) abgebildet wird.
4. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß Anspruch 3, bei der unterschiedliche Bildbereiche der Lichtschnittaufnahme unterschiedlichen Perspektiven zugeordnet sind.
5. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Unterstützungseinrichtung (108) ausgebildet ist, um zu bewirken, dass auf jeder Lichtschnittaufnahme für die Kamera (106; 154) entweder die erste (114; 181) oder die zweite Messlichtprojektion (183) sichtbar ist.
6. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Unterstützungseinrichtung (108) ausgebildet ist, um den ersten (102; 160; 191) und den zweiten (104; 162; 192) Lichtprojektor sowie die Kamera (106; 154; 190) derart getaktet anzusteuern, dass je Lichtschnittaufnahme entweder die erste (114; 181) oder die zweite (183) Messlichtprojektion auf der Oberfläche des Objektes (110; 150) sichtbar ist.
7. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der erste (102; 160; 191) und der zweite (104; 162; 192) Lichtprojektor unterschiedliche Lichtwellenlängen verwenden; und bei der die Unterstützungseinrichtung (108) einen Wellenlängenfilter für die Kamera (106; 154) mit einem ersten und einem zweiten Wellenlängenbereich aufweist, so dass bei einer Lichtschnittaufnahme im ersten Wellenlängenbereich nur die erste Messlichtprojektion (114; 181) und bei einer Lichtschnittaufnahme im zweiten Wellenlängenbereich nur die zweite (183) Mess- lichtprojektion in der Lichtschnittaufnahme sichtbar ist.
8. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß Anspruch 7, bei der die Unterstützungseinrichtung eine Filtermatrix mit einem ersten Filtermatrixelement als Wellenlängenfilter mit dem ersten Wellenlängenbereich und einem zweiten Filtermatrixelement als Wellenlängenfilter mit dem zweiten Wellenlängenbereich aufweist, welche auf einer Sensorelementmatrix der Kamera so angeordnet sind, dass ein erstes Sensorelement von dem ersten Filtermatrixelement und dass ein zweites Sen- sorelement von dem zweiten Filtermatrixelement bedeckt wird.
9. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein von dem ersten (102; 160; 191) und dem zweiten Lichtprojektor (104; 162; 192) auf der Oberfläche des Objektes (110; 150) erzeugtes geometrisches Muster räumlich überlappt, wobei das erste und das zweite geometrische Muster in einem Überlappbereich unstetig ineinander übergehen.
10. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine optische Achse der Kamera (106; 154) im Wesentlichen senkrecht zu der O- berfläche des Objektes (10; 150) ist.
11. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß Anspruch 10, bei der eine Relativbewegungsrichtung des Objekts (194) und der optischen Achse der Kamera (106; 154;
190) so gewählt ist, dass die optische Achse der Kame- ra (106; 154; 190) bei einer Relativbewegung von Objekt (194) und Kamera (190) parallel zu der Relativbewegungsrichtung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Objekts (194) bleibt.
12. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste (102; 160;
191) und der zweite Lichtprojektor (104; 162; 192) symmetrisch bezüglich der Kamera (106; 154) angeordnet sind.
13. Lichtschnittmesseinrichtung (100) gemäß Anspruch 12, bei der eine durch die Position des ersten (102; 160;
191) und des zweiten Lichtprojektors (104; 162; 192) definierte Achse im Wesentlichen parallel zu einer Re- lativbewegungsrichtung zwischen dem Objekt (194) und einer optischen Achse der Kamera (106; 154; 190) ist.
14. Verfahren zum 3-dimensionalen Vermessen der Form eines Objektes, mit folgenden Schritten:
Erzeugen einer ersten und einer zweiten Messlichtpro- jektion auf einer Oberfläche des Objektes;
Erzeugen einer Lichtschnittaufnahme einer Oberfläche des Objektes, wobei beim Erzeugen der Lichtschnittaufnahme unterschiedliche Perspektiven des Objektes abge- bildet werden; und eindeutiges Identifizieren der ersten oder der zweiten Messlichtprojektion in der Lichtschnittaufnahme.
15. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die erste Messlichtprojektion in einem ersten Wellenlängenbereich und bei dem die zweite Messlichtprojektion in einem zweiten Wellenlängenbereich erzeugt wird, wobei auf der Lichtschnittaufnahme nur der erste Wellenlängenbe- reich sichtbar ist, mit folgenden zusätzlichen Schritten: erzeugen einer zweiten Lichtschnittaufnahme der Oberfläche des Objektes, wobei auf der zweiten Licht- Schnittaufnahme nur der zweite Wellenlängenbereich sichtbar ist.
6. Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
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