WO2008080385A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung der dreidimensionalen oberfläche eines objekts, insbesondere eines fahrzeugreifens - Google Patents

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WO2008080385A1
WO2008080385A1 PCT/DE2007/002282 DE2007002282W WO2008080385A1 WO 2008080385 A1 WO2008080385 A1 WO 2008080385A1 DE 2007002282 W DE2007002282 W DE 2007002282W WO 2008080385 A1 WO2008080385 A1 WO 2008080385A1
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light beam
prism
parallel
reflected
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PCT/DE2007/002282
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Inventor
Wolfgang Pogade
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Chronos Vision Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M17/00—Testing of vehicles
    • G01M17/007—Wheeled or endless-tracked vehicles
    • G01M17/02—Tyres
    • G01M17/027—Tyres using light, e.g. infrared, ultraviolet or holographic techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/108—Scanning systems having one or more prisms as scanning elements

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting the three-dimensional surface of an object according to the preamble of patent claim 1, and to a device for detecting the three-dimensional surface of an object according to the preamble of patent claim 10.
  • Capturing object surfaces is important in various applications. For example, in traffic engineering there is a need to control the condition of tire surfaces and to measure the tread depth of motor vehicle tires. In traffic monitoring or traffic engineering, traffic safety can be considerably increased by rapid measurement of the tread depths of motor vehicle tires. It is desirable if the measurement can be made for example on the moving vehicle. By measuring the tread depth of motor vehicle tires in flowing traffic, it would be possible to identify vehicles with insufficient tire tread, which could better enforce compliance with legal requirements.
  • the registration of the surface is important, for example to perform quality controls, or to manufacture products in automated processes.
  • three-dimensional surfaces are detected or measured, for example, by means of the light-section triangulation method.
  • a surface is obliquely illuminated with a light beam or a lighting line and the light beam reflected back from the object surface is detected. From the displacement of the reflected beam of light, which is dependent on the position of the j efug reflection point on the object surface, the surface structure is determined.
  • the document DE19705047A1 shows, for example, a method and a device for measuring the tread depth of a motor vehicle tire, in which the tire tread is exposed to laser light and the light reflected from the tire tread is detected by an image-resolving sensor.
  • the image-resolving sensor observes the shape of the light spot and generates output data in accordance with the profile depth.
  • the motor vehicle tire is rotated in order to be able to carry out the measurement at several points of the tire profile.
  • the measurement is performed, for example, on a brake tester in which the tire rotates while being exposed to the laser light.
  • the documents WO96 / 37754 and DE4316984A1 respectively show methods and devices for determining the tread depth of vehicle tires in which the light-section triangulation method is performed, wherein the measuring device is moved relative to the object or tire surface to detect the surface.
  • the document DE10141363A1 generally describes a scanning device wherein a scanning beam is projected onto a scene to be examined by a rotating transmitted-light prism.
  • the method and the arrangement shown there are not suitable for triangulation, since the scanning beam and the reflection beam lie in one plane.
  • the tread depth of motor vehicle tires in flowing traffic should be measured.
  • a light beam is emitted from a light source and projected obliquely onto a surface of the object to be detected, and the light beam reflected from the surface is detected by an optical sensor to extract image data from the optical Sensor are generated to determine the surface of the object, wherein the projected onto the surface of the object light beam is moved by means of a rotating prism in parallel to its beam axis, so that it covers the surface of the object to be detected at a constant angle of inclination ⁇ .
  • the light beam can be guided over the object surface at a particularly high speed, so that the area of the surface detected by the light beam can be measured with the light-section triangulation method.
  • a partial area of the surface of a motor vehicle tire can be detected in such a short time that the measurement of the tread depth in flowing traffic is possible.
  • the light beam is shaped as a two-dimensional illumination line which extends transversely to the beam axis, wherein the illumination line projected onto the surface to be detected is displaced in parallel during the measurement.
  • the parallel moving illumination line is swept by the parallel moving illumination line.
  • a vehicle tire is used as the object, for example, wherein the profile depth of the vehicle tire is determined from the image data.
  • the object is illuminated through a slit, the illumination line extending in the longitudinal direction of the slit and sweeping the width of the slit during the measurement.
  • the illumination line extending in the longitudinal direction of the slit and sweeping the width of the slit during the measurement.
  • tire tread depth measurement for example when the gap is arranged in the roadway surface.
  • the tire to be measured presents itself to the light beam as it rolls over the gap.
  • the tire surface located on the gap is at rest relative to the measuring device.
  • the tire surface resting on the gap can be detected with the method according to the invention and its tread depth can be measured.
  • the emitted light beam is directed after passing through the rotating primate by means of an adjustable mirror device on the object.
  • the parallel moving light beam is directed in the direction of the object surface, wherein the beam direction in space, that is, the parallel displacement of the light beam is maintained.
  • the emitted light beam passes through the rotating prism, being displaced in parallel, and then the light beam reflected from the object passes through the rotating prism a second time to cancel the parallel displacement caused by the first pass after reflection on the object.
  • the reflection beam resulting from the measurement object for example the motor vehicle tire, traverses the rotating prism a second time on the way to the optical sensor, but through a surface pair other than the emitted or primary light beam. This resulting reflection beam is therefore displaced in parallel during the second passage through the prism so that the parallel displacement that occurs during the first pass is canceled out again.
  • the reflection beam moves, For example, which is present as a profile line, not relative to the optical sensor, although the illumination line or the primary light beam is displaced parallel during the rotation of the prism, for example, while sweeping the entire width of the observation slit.
  • the light beam transmitted to the object is aligned by means of the mirror device in such a way that it runs parallel to the light beam reflected by the object. Due to the fact that the light beam transmitted to the object and the light beam reflected by the object run parallel to each other in wide ranges, the dimensions of the measuring device can be kept particularly low. Furthermore, the mutual distance of the two parallel light beams can be adjusted or changed according to the desired application, so that the scope of the scanning is extremely flexible.
  • the light beam is deflected before hitting the object by means of auxiliary mirrors so that it obliquely incident on the surface of the object.
  • an apparatus for detecting the three-dimensional surface of an object comprising an optical sensor, a light source emitting a light beam, an optical device for projecting the emitted light beam inclined to a surface of the object to be detected. which detects the light beam reflected from the surface and generates image data, and an evaluation unit which determines from the image data of the optical sensor, the surface of the object, wherein a rotatable prism is provided which shifts the light beam projected onto the surface parallel to its beam axis, so he sweeps over the surface of the object to be detected at a constant inclination angle ⁇ .
  • the light source is designed such that the light beam is formed as a line of illumination extending transversely to the beam direction, wherein the axis of rotation of the prism lies in the plane of the illumination line.
  • the illumination line is moved parallel as it passes through the rotating prism, so that a portion of the surface is swept by the parallel moving illumination line.
  • the object is a vehicle tire
  • the evaluation device is designed to determine the tread depth of the vehicle tire from the image data.
  • the rotatable prism has, for example, an even number of surfaces.
  • the rotatable prism has in each case opposite, parallel aligned prism surfaces through which the emitted light beam is guided.
  • the device comprises a wall in which a gap is formed, through which the object is illuminated, wherein the gap extends parallel to the illumination line, that is, in the longitudinal direction thereof.
  • the wall may be integrated into a roadway surface so that the tires of vehicles moving on the roadway roll on the nip and thus briefly present themselves to the light beam or line of illumination.
  • the illumination line can be moved parallel across the gap width, so that the entire surface area of the object or vehicle tire, which rests on the gap, can be measured.
  • the dimensions of the prism can be selected such that the parallel displacement of the illumination line projected onto the surface to be detected essentially corresponds to the width of the gap.
  • the optical device has at least one mirror pair with mutually inclined mirrors in order to direct the light beam onto the object, while being moved in parallel.
  • the parallel displacement caused by the rotating prism is maintained even after reflection on the pair of mirrors.
  • the pair of mirrors displaceable in the beam direction and the angle between the two mirrors is adjustable, for example.
  • the mirror pair can be precisely adjusted in order to align the light or measuring beam exactly on the measuring surface.
  • the rotatable prism is arranged in the beam path such that both the emitted light beam and the light beam reflected by the object pass through the same prism, so that the two parallel displacements of the light beam cancel each other when passing through the prism.
  • the light beam reflected by the object or the profile line reflected by the object always strikes the optical sensor at the same point, which is, for example, a camera or part of a camera. That is, the resulting due to the parallel displacement on the object surface temporal change of the profile line is detected by the optical sensor and can then be evaluated.
  • the optical device is designed such that the light beam transmitted to the object runs substantially parallel to the light beam reflected by the object.
  • the optical device may comprise auxiliary mirrors which are arranged adjacent to the object and deflect the light beam directed onto the object in such a way that it obliquely strikes the surface of the object.
  • the light-section triangulation method can also be carried out with an essentially parallel beam path.
  • the device preferably comprises a housing which has windows with self-cleaning surfaces, through which the emitted and / or the light beam reflected by the object is guided.
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of the device according to the invention in a sectional view in principle
  • Fig. 2 shows a perspective view of the device according to the invention during the measurement of the profile of a vehicle tire as an object
  • Fig. 3a-d show the timing of the measurement of a tire profile schematically
  • Fig. 4 shows a device according to a second preferred embodiment of the invention in a schematic sectional view, wherein the beam path is designed parallel;
  • Figures 5a and 5b illustrate the light-section triangulation method using the example of measuring a smooth surface
  • Figures 6a and 6b illustrate the light-section triangulation method using the example of an uneven surface
  • Fig. 7 shows an example of a measurement image that was created with the device according to the invention and the method according to the invention. Advantages and features which are described in connection with the device according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa.
  • FIG. 1 shows a measuring device 10, which represents a first preferred embodiment of the invention and is designed to detect the three-dimensional surface of an object.
  • the measuring device 10 has a light source 11 in the form of a laser, which emits a light beam 12a, as well as a rotatable prism 13 and a mirror device 14, which are successively arranged in the beam path.
  • the measuring device 10 comprises an optical sensor 15, which is configured for example as a camera and detects the light beam 12b reflected by an object 16 to be measured.
  • an evaluation unit 17 is provided which receives image data generated by the optical sensor 15 and determines the course of the surface of the object 16 from the image data.
  • the laser 11 is designed so that it emits a light line 12a as an illumination line which extends transversely to the beam direction, that is, in the figure 1 perpendicular to the plane of the drawing.
  • the rotatable prism 13 has an axis of rotation 18 which is directed perpendicular to the beam direction, so that the light beam 12a coming from the laser impinges successively on the different surfaces 13a, 13b, 13c, etc. of the prism 13 and passes through the prism 13.
  • the light beam 12a leaves the primate.
  • the pairs of surfaces through which the light beam 12a enters and exits are each directed parallel to one another, so that the light beam 12a is continuously displaced in a direction parallel to the rotation axis of the prism 13 about the axis of rotation 18.
  • the parallel displacement is caused by the optical effect of the plane-parallel plate, which is formed in the present case by the respective opposite parallel prism surfaces 13a, 13e.
  • the mirror device 14 is arranged in the beam path behind the prism 13 and consists of a first surface mirror 14a and a second surface mirror 14b.
  • the surface mirrors 14a, 14b are inclined relative to each other, so that the light beam 12a successively impinges on the two mirror surfaces and is directed in the direction of the object 16.
  • the two mirrors 14a, 14b are connected to each other by a connecting hinge 19.
  • the connecting hinge 19 By means of the connecting hinge 19, the second mirror 14b can be tilted in a tilting direction K relative to the first mirror 14a.
  • the entire mirror device 14 is displaceable in a direction L 1 which is equal to the direction of the beam axis of the light beam 12 a.
  • the tilting K of the mirror 14b and the displacement L of the entire mirror device 14 are effected by drive units not shown in the figure.
  • the light beam 12a is displaced parallel to the beam axis, while striking the surface 16a of the object 16.
  • the angle of inclination ⁇ at which the light beam 12a impinges on the object surface remains constant, while the light beam 12a, which displaces in parallel, sweeps over the object surface.
  • the mirror device 14 and the prism 13 are arranged such that the light beam 12b reflected by the object 16 also passes through the prism 13, in turn entering and exiting through a pair of opposing prism surfaces.
  • the light beam 12a emitted by the laser 11 and the light beam 12b reflected by the object 16 pass through the prism 13 perpendicularly to one another, that is, the axis of rotation 18 of the prism and the two light beams 12a and 12b passing through the prism 13 are oriented orthogonal to one another.
  • the light beam 12b emerging from the prism 13 always remains at the same position and with the beam direction unchanged. That is, the parallel shift of the light beam 12 a in the first pass through the prism 13 is canceled by the parallel displacement of the light beam 12 b in the second pass through the prism 13.
  • the camera or optical sensor 15 and the entire measuring device 10 with the rotating prism 13 relative to the surface 16a of the object 16 remain at rest, while the surface 16a is swept by the light beam 12a or the illumination line.
  • FIG. 2 shows the measuring device 10 in a perspective schematic representation in the measurement of a tire profile. Elements and components of the measuring device 10 which have already been described with reference to FIG. 1 are identified by the same reference numerals as in FIG.
  • the measuring device 10 shown in Figure 2 additionally comprises a housing 21 in which the parts of the measuring device, as already described in Figure 1, are arranged.
  • the housing 21 has a protective function.
  • the prism 13 is driven by a prism motor 22, which causes the rotation of the prism 13 about the axis of rotation 18.
  • the prism 13 is surrounded by a reflex protection device 28.
  • a tilting mechanism 23 is arranged, which tilts the mirror 14b for the purpose of adjustment.
  • the tilting device 23 is configured as a rotary spindle in order to set the angle between the first mirror 14a and the second mirror 14b exactly.
  • an exit window 24 is arranged, through which the light beam 12a emitted to the object 16 leaves the interior of the housing 21, and an entrance window 25 through which the light beam 12b reflected by the object 16 again enters the interior of the housing 21 a second time through the prism 13 and then to hit the camera or the optical sensor 15.
  • the windows 24 and 25 of the housing 21 have surfaces, which have the well-known lotus effect for self-cleaning, so that the windows 24, 25 can be automatically cleaned when contaminated with a water spray.
  • the object 16 is a vehicle tire whose tread depth is determined by means of the measuring device 10 in the form of a 3-D tire scanner.
  • the light beam 12a that is sent to the object 16 and the light beam 12b reflected by the object 16 are in their full length on their way from the mirror 12b to the object 16 and from the object 16 to the rotatable prism 13, respectively inclined against each other.
  • the light beam 12a is formed as a line of illumination which extends transversely to the beam direction and is projected onto the object 16 as a light line.
  • the light line is imaged through a gap 26, which is arranged in a wall 27, on the object 16, which here is a vehicle tire.
  • the longitudinal direction of the gap 26 extends along the line of illumination formed by the light beam 12a.
  • the width of the observation gap 26 is dimensioned such that the light beam 12a or the illumination line strikes the surface of the tire 16 during the entire parallel displacement. That is, the illumination line is adjusted so that it is parallel to the observation gap and fills the length thereof.
  • the dimensions of the prism 13 are selected so that the displacement of the illumination line by rotation of the prism 13 covers exactly the width of the gap 26.
  • the arrangement of the surfaces of the prism 13 ensures that a change of the scanning plane takes place when due to the rotation of the prism 13 results in a change in the beam path of the illumination line side surface or prism surface.
  • the illumination line Due to the inclination of the illumination line or the light beam 12a against the imaginary vertical of the object surface, the illumination line is changed by the surface structure of the reflection on the surface of the object 16 into a profile line which forms the reflected light beam 12b.
  • the profile depth of the tire can be determined by means of triangulation and the surface structure can be measured.
  • the imaginary vertical of the observation surface is shown in Figure 2 by the arrow U.
  • FIGS. 3a to 3b show a tire profile measurement as a special embodiment of the method according to the invention for detecting object surfaces.
  • the measuring device is shown schematically with the laser 11, the rotating prism 13, the mirror device 14 and the camera 15 as an optical sensor.
  • an object 16 a vehicle tire rolls on a road surface 31, in which the observation gap 26 is arranged. While the tire 16 rolls over the gap 26, as shown in different phases in FIGS. 3a, 3b, 3c and 3d, an area of the vehicle tire 16 presents itself as a resting surface above the observation gap 26.
  • the direction of travel is indicated by the arrow F and the rotation of the rolling tire represented by the arrow R.
  • the measuring light beam 12 a is offset parallel after passing through the prism 13 so that it hits the tire surface at the right edge of the gap 26 and is reflected therefrom.
  • the illumination line on the tire surface which extends in the figure perpendicular to the drawing surface, forms a profile line after the reflection.
  • the reflected light beam 12b which forms the profile line, in turn passes through the prism 13 and is also offset in parallel before it hits the camera 15.
  • the light beam emitted by the laser 11 passes vertically through the prism surfaces, so that no parallel offset takes place.
  • the light beam 12a After being deflected by the mirror device 14, the light beam 12a strikes the surface of the tire 16 as a line of illumination through the gap 26. From there it is reflected as a profile line in the direction of the prism 13, the reflected light beam 12b perpendicular to the emitted light beam 12a, the prism 13 goes through. In this case, due to the parallel priming surface when passing through the prism 13 also no parallel offset of the light beam 12b takes place. The reflected light beam 12b, which is a profile line, reaches the camera 15 which detects the profile line.
  • the prism 13 continues to rotate, so that the light beam 12a shaped as a line of illumination shifts further parallel in the widthwise direction of the gap 26 until it reaches the left edge reaches the gap 26 ( Figure 3d).
  • the reflected light beam 12b By passing through the prism 13 twice, the reflected light beam 12b always remains in a constant position at the location of the optical sensor 15, while the light beam 12a transmitted to the object passes over the object surface.
  • the tire surface disengages from the nip 26 by further rolling.
  • FIG. 4 schematically shows a further preferred embodiment of the invention, in which the light beam 12a guided to the object surface and the light beam 12b reflected by the object surface run for the most part parallel to one another.
  • the measuring device 40 shown in FIG. 4 has a pair of auxiliary mirrors 41, 42, which are arranged relatively close to the object 16 to be detected.
  • Elements and components of the measuring device 40 which are essentially functionally identical or identical to those of the measuring device 10, are identified in FIG. 4 by the same reference numerals as in FIGS. 1-3 and have already been described there.
  • the rotatable prism 13 or rotary prism and the mirror device 14 are arranged in the beam path such that the light beam 12b reflected by the object extends parallel to this in a region P of the transmitted light beam 12a.
  • the two light beams 12a and 12b pass through the prism 13 at an angle to each other, which is equal to the angle formed by the respective prism surfaces to each other, through which the two light beams 12a and 12b extend.
  • the two auxiliary mirrors 41 and 42 deflect the light beam 12a, which runs in the region P parallel to the reflected light beam 12b, before hitting the surface of the object 16 in such a way that the light beam 12a obliquely or obliquely impinges on the surface and thus the prerequisites to perform the light - cut triangulation method.
  • the distance between the measuring unit 40 and the object 16 can vary within a very wide range.
  • the mirrors 14a and 14b of the mirror device 14 are adjusted in this embodiment so that the beam 12a extends in the region P parallel to the reflected beam 12b at a distance Z to the latter.
  • the auxiliary mirrors 41 and 42 With the two auxiliary mirrors 41 and 42, the correct scanning angle is ensured when hitting the object 16.
  • the auxiliary mirrors 41, 42 are accommodated in a separate device part Y of the measuring device 40.
  • the remaining parts of the measuring device 40 are housed in the device part X, which is spatially separated from the device part Y. Due to the parallel beam path, the two device parts X and Y can have a variable within wide limits distance from each other, which can be significantly expand the scope of this scanner.
  • FIGS. 5a and 5b serve first.
  • the light - section triangulation method is that of a Light source A1 projected onto an object to be examined E1 measuring line C1 from the lens of a camera B1 on the sensor surface of the camera B1. If the surface of the object E1 is flat, the measurement line C1 appears as a line D1 on the optical sensor of the camera B1. In order to obtain the structure of the entire surface, the measurement object E1 is displaced along a movement line F1, so that the measurement line C1 sweeps over the surface of the object E1 during the measurement process. During the measuring process, the sensor of the camera B1 records the image of the measuring line at short intervals and stores it. By comparing the measurement images, the surface of the measurement object, that is to say of the object E1 to be detected, can be calculated.
  • FIGS. 6a and 6b now show by way of illustration the measurement of the structured surface of an object E2 to be measured.
  • the measuring line C2 projected by the light source A2 onto the object E2 is imaged by the lens of the camera B2 onto the sensor surface of the camera B2.
  • the surface of the object E2 is not flat, so that the measurement line C2 appears as a profile line D2 on the sensor of the camera B2.
  • the object E2 is displaced along the movement line F2, so that the measurement line C2 as illumination line sweeps over the entire surface of the object E2 during the measurement process.
  • the sensor of the camera B2 records the image of the measuring line or profile line D2 at short intervals and stores it. By comparing the measurement images, the surface of the object E2 can be calculated.
  • FIG. 7 shows, as an example, the measurement image of a Lego® game module that was created using the device according to the invention.
  • the conversion for determining the tread depth is effected by the evaluation unit 17 shown in FIG. 1, which comprises a processor unit and is controlled by suitable program steps for evaluating the data according to the light-slit triangulation method.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts, das zum Beispiel ein Fahrzeugreifen ist, wird von einer Lichtquelle (11) ein Lichtstrahl (12a) ausgesendet und geneigt auf die zu erfassende Oberfläche (16a) des Objektes (16) projiziert. Der von der Oberfläche (16a) reflektierte Lichtstrahl (12b) wird von einem optischen Sensor (15) erfasst, und aus den Bilddaten wird die Oberfläche (16a) des Objekts (16) bestimmt. Der auf die Oberfläche (16a) des Objekts (16) projizierte Lichtstrahl (12a) wird mittels eines rotierenden Prismas (13) parallel zu seiner Strahlachse verschoben, so dass er die zu erfassende Oberfläche (16a) des Objekts (16) unter einem konstanten Neigungswinkel (α) überstreicht. Insbesondere werden Reifenprofile von Kraftfahrzeugreifen vermessen. Die Messeinrichtung (10) weist einen Laser (11), ein rotierbares Prisma (12) und eine Spiegeleinrichtung (14) auf.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts, insbesondere eines Fahrzeugreifens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , sowie eine Vorrichtung zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Die Erfassung von Objektoberflächen ist in verschiedenen Anwendungen von Bedeutung. Beispielsweise besteht in der Verkehrstechnik das Bedürfnis, den Zustand von Reifenoberflächen zu kontrollieren und die Profiltiefe von Kraftfahrzeugreifen zu messen. In der Verkehrsüberwachung bzw. Verkehrstechnik kann durch schnelle Messung der Profiltiefen von Kraftfahrzeugreifen die Verkehrssicherheit erheblich erhöht werden. Dabei ist es wünschenswert, wenn die Messung zum Beispiel auch am bewegten Fahrzeug vorgenommen werden kann. Durch Messung der Profiltiefe von Kraftfahrzeugreifen im fließenden Verkehr wäre es möglich, Fahrzeuge mit unzureichendem Reifenprofil zu identifizieren, wodurch die Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften besser durchgesetzt werden könnte.
Aber auch in der industriellen Fertigung von Produkten ist die Erfassung der Oberfläche wichtig, beispielsweise um Qualitätskontrollen durchzuführen, oder um Produkte in automatisierten Prozessen zu fertigen.
Im Stand der Technik werden dreidimensionale Oberflächen zum Beispiel mit Hilfe des Lichtschnitt - Triangulationsverfahrens erfasst bzw. vermessen. Dabei wird eine Oberfläche mit einem Lichtstrahl oder einer Beleuchtungslinie schräg beleuchtet und der von der Objektoberfläche zurückreflektierte Lichtstrahl wird erfasst. Aus der Verschiebung des reflektierten Lichtstahls, die von der Lage des jeweiligen Reflexionspunktes an der Objektoberfläche abhängig ist, wird die Oberflächenstruktur ermittelt. Die Druckschrift DE19705047A1 zeigt beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Profiltiefe eines Kraftfahrzeugreifens, bei dem das Reifenprofil mit Laserlicht beaufschlagt wird und das vom Reifenprofil reflektierte Licht durch einen bildauflösenden Sensor erfasst wird. Der bildauflösende Sensor beobachtet die Form des Lichtflecks und erzeugt Ausgangsdaten nach Maßgabe der Profiltiefe. Während der Messung wird der Kraftfahrzeugreifen rotiert, um die Messung an mehreren Stellen des Reifenprofils durchführen zu können. Die Messung wird zum Beispiel an einem Bremsprüfstand durchgeführt, in dem sich der Reifen dreht, während er vom Laserlicht beaufschlagt wird.
Die Druckschriften WO96/37754 und DE4316984A1 zeigen jeweils Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Profiltiefe von Fahrzeugreifen, bei denen das Lichtschnitt - Triangulationsverfahren durchgeführt wird, wobei die Messeinrichtung relativ zur Objekt- bzw. Reifenoberfläche bewegt wird, um die Oberfläche zu erfassen.
Verfahren zur Reifenprofilmessung im fließenden Verkehr sind beispielsweise in den Druckschriften DE-OS1809459 und EP0469948A1 offenbart. Dabei werden zum Beispiel stationäre Messeinrichtungen aus einer Grube heraus benutzt, die eine einzelne Messlinie auf das Objekt projizieren, um daraus eine auswertbare Profillinie zu erhalten. Um eine erhöhte Auswertungssicherheit zu erhalten, sind mehrere solche Anlagen hintereinander vorgesehen.
Die Druckschrift DE10141363A1 beschreibt allgemein eine Abtastvorrichtung, wobei ein Abtaststrahl durch ein sich drehendes Durchlichtprisma auf eine zu untersuchende Szene projiziert wird. Das dort gezeigte Verfahren und die Anordnung sind jedoch nicht zur Triangulation geeignet, da der Abtaststrahl und der Reflektionsstrahl in einer Ebene liegen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen eine ruhende Objektoberfläche mit Hilfe des Lichtschnitt - Triangulationsverfahrens in sehr kurzer Zeit und mit hoher Geschwindigkeit automatisch vermessen werden kann. Insbesondere soll die Profiltiefe von Kraftfahrzeugreifen im fließenden Verkehr vermessen werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts gemäß Patentanspruch 1, sowie durch die Vorrichtung zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts gemäß Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Bei dem erfindungsgemäßen verfahren zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts wird von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl ausgesendet und geneigt auf eine zu erfassende Oberfläche des Objektes projiziert, und der von der Oberfläche reflektierte Lichtstrahl wird von einem optischen Sensor erfasst, um aus Bilddaten, die vom optischen Sensor erzeugt werden, die Oberfläche des Objekts zu bestimmen, wobei der auf die Oberfläche des Objekts projizierte Lichtstrahl mittels eines rotierenden Prismas parallel zu seiner Strahlachse verschoben wird, sodass er die zu erfassende Oberfläche des Objekts unter einem Konstanten Neigungswinkel α überstreicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Lichtstrahl mit besonders hoher Geschwindigkeit über die Objektoberfläche geführt werden, sodass mit dem Lichtschnitt - Triangulationsverfahren der vom Lichtstrahl erfasste Bereich der Oberfläche vermessen werden kann. Insbesondere kann mit dem Verfahren ein Teilbereich der Oberfläche eines Kraftfahrzeugreifens in so kurzer Zeit erfasst werden, dass die Vermessung der Profiltiefe im fließenden Verkehr möglich ist.
Vorteilhafterweise ist der Lichtstrahl als zweidimensionale Beleuchtungslinie geformt, die sich quer zur Strahlachse erstreckt, wobei die auf die zu erfassende Oberfläche projizierte Beleuchtungslinie während der Messung parallel verschoben wird. Dadurch kann ein gesamter Bereich der Oberfläche erfasst werden, der durch die sich parallel verschiebende Beleuchtungslinie überstrichen wird. -A -
Insbesondere wird als Objekt zum Beispiel ein Fahrzeugreifen verwendet, wobei aus den Bilddaten die Profiltiefe des Fahrzeugreifens ermittelt wird.
Vorteilhafterweise wird das Objekt durch einen Spalt hindurch beleuchtet, wobei sich die Beleuchtungslinie in Längsrichtung des Spalts erstreckt und während der Messung die Breite des Spalts überstreicht. Dies ist insbesondere im Fall der Reifenprofiltiefenmessung von Vorteil, wenn beispielsweise der Spalt in der Fahrbahnoberfläche angeordnet ist. Dabei präsentiert sich für kurze Zeit der zu vermessende Reifen dem Lichtstrahl während er über dem Spalt abrollt. Während des Abrollvorgangs ist die auf dem Spalt befindliche Reifenoberfläche relativ zur Messvorrichtung im Ruhezustand. In dieser Zeit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die auf dem Spalt ruhende Reifenoberfläche erfasst und deren Profiltiefe gemessen werden.
Vorteilhafterweise wird der ausgesendete Lichtstrahl nach Durchlaufen des rotierenden Primas mittels einer justierbaren Spiegeleinrichtung auf das Objekt gelenkt. Dadurch wird der sich parallel verschiebende Lichtstrahl in Richtung auf die Objektoberfläche gelenkt, wobei die Strahlrichtung im Raum, das heißt die parallele Verschiebung des Lichtstrahls, erhalten bleibt.
Bevorzugt durchläuft der ausgesendete Lichtstrahl das rotierende Prisma, wobei er parallel verschoben wird, und anschließend durchläuft der vom Objekt reflektierte Lichtstrahl das rotierende Prisma ein zweites Mal, um die beim ersten Durchlauf verursachte Parallelverschiebung nach der Reflektion am Objekt wieder aufzuheben. Das heißt, der vom Messobjekt, beispielsweise dem Kraftfahrzeugreifen, resultierende Reflektionsstrahl durchläuft auf dem Weg zum optischen Sensor ein zweites Mal das sich drehende Prisma, jedoch durch ein anderes Flächenpaar als der ausgesendete bzw. primäre Lichtstrahl. Dieser resultierende Reflektionsstrahl wird daher beim zweiten Durchgang durch das Prisma derart parallel verschoben, dass sich die beim ersten Durchgang erfolgte Parallelverschiebung wieder aufhebt. Dadurch bewegt sich der Reflektionsstrahl, der zum Beispiel als Profillinie vorliegt, relativ zum optischen Sensor nicht, obwohl die Beleuchtungslinie bzw. der primäre Lichtstrahl während der Drehung des Prismas parallel verschoben wird und dabei zum Beispiel die gesamte Breite des Beobachtungsspaltes überstreicht.
Vorteilhafterweise wird der zum Objekt gesendete Lichtstrahl mittels der Spiegeleinrichtung derart ausgerichtet, dass er parallel zu dem vom Objekt reflektierten Lichtstrahl verläuft. Dadurch, dass der zum Objekt gesendete Lichtstrahl und der vom Objekt reflektierte Lichtstrahl in weiten Bereichen parallel zueinander verlaufen, können die Abmessungen der Messvorrichtung besonders gering gehalten werden. Weiterhin kann der gegenseitige Abstand der beiden parallelen Lichtstrahlen je nach der gewünschten Anwendung eingestellt bzw. entsprechend verändert werden, sodass der Anwendungsbereich der Abtastvorrichtung äußerst flexibel ist.
Bevorzugt wird der Lichtstrahl vor dem Auftreffen auf das Objekt mittels Hilfsspiegeln so umgelenkt, dass er schräg auf die Oberfläche des Objekts einfällt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts geschaffen, mit einer Lichtquelle, die einen Lichtstrahl aussendet, einer optischen Einrichtung, um den ausgesendeten Lichtstrahl geneigt auf eine zu erfassende Oberfläche des Objekts zu projizieren, einen optischen Sensor, der den von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahl erfasst und Bilddaten erzeugt, und einer Auswerteeinheit, die aus den Bilddaten des optischen Sensors die Oberfläche des Objekts bestimmt, wobei ein rotierbares Prisma vorgesehen ist, das den auf die Oberfläche projizierten Lichtstrahl parallel zu seiner Strahlachse verschiebt, sodass er die zu erfassende Oberfläche des Objekts unter einem konstanten Neigungswinkel α überstreicht.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Vorteilhafterweise ist die Lichtquelle derart ausgestaltet, dass der Lichtstrahl als Beleuchtungslinie geformt ist, die sich quer zur Strahlrichtung erstreckt, wobei die Drehachse des Prismas in der Ebene der Beleuchtungslinie liegt. Dadurch wird die Beleuchtungslinie beim Durchlaufen des rotierenden Prismas parallel verschoben, sodass ein Bereich der Oberfläche durch die sich parallel verschiebende Beleuchtungslinie überstrichen wird.
Vorteilhafterweise ist das Objekt ein Fahrzeugreifen, und die Auswerteeinrichtung ist zur Bestimmung der Profiltiefe des Fahrzeugreifens aus den Bilddaten ausgestaltet.
Insbesondere hat das rotierbare Prisma zum Beispiel eine geradzahlige Anzahl von Flächen. Dabei hat das rotierbare Prisma sich jeweils gegenüberliegende, parallel zueinander ausgerichtete Prismenflächen, durch die der ausgesendete Lichtstrahl geführt wird.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Wand, in der ein Spalt ausgebildet ist, durch den das Objekt beleuchtet wird, wobei sich der Spalt parallel zur Beleuchtungslinie, das heißt in dessen Längsrichtung, erstreckt. Dabei kann die Wand zum Beispiel in eine Fahrbahnoberfläche integriert sein, sodass die Reifen von Fahrzeugen, die sich auf der Fahrbahn bewegen, auf dem Spalt abrollen und sich auf diese Weise kurzzeitig dem Lichtstrahl bzw. der Beleuchtungslinie präsentieren. In dieser Zeit kann die Beleuchtungslinie parallel über die Spaltbreit verschoben werden, sodass der gesamte Flächenbereich des Objekts oder Fahrzeugreifens, der auf dem Spalt aufliegt, vermessen werden kann.
Insbesondere können die Abmessungen des Prismas derart gewählt sein, dass die Parallelverschiebung der auf die zu erfassende Oberfläche projizierten Beleuchtungslinie im Wesentlichen der Breite des Spaltes entspricht.
Bevorzugt hat die optische Einrichtung mindestens ein Spiegelpaar mit gegeneinander geneigten Spiegeln, um den Lichtstrahl auf das Objekt zu lenken, während er parallel verschoben wird. Dadurch bleibt die Parallelverschiebung, die durch das rotierende Prisma bewirkt wird, auch nach der Reflektion an dem Spiegelpaar erhalten.
Bevorzugt ist : das Spiegelpaar in Strahlrichtung verschiebbar und der Winkel zwischen den beiden Spiegeln ist zum Beispiel einstellbar. Dadurch kann das Spiegelpaar genau justiert werden, um den Licht- bzw. Messstrahl exakt auf die Messoberfläche auszurichten.
Vorteilhafterweise ist das rotierbare Prisma derart im Strahlengang angeordnet, dass sowohl der ausgesendete Lichtstrahl als auch der vom Objekt reflektierte Lichtstrahl dasselbe Prisma durchläuft, sodass sich die beiden Parallelverschiebungen des Lichtstrahls beim jeweiligen Durchlaufen des Prismas gegenseitig aufheben. Dadurch trifft der vom Objekt reflektierte Lichtstrahl bzw. die vom Objekt reflektierte Profillinie stets an derselben Stelle auf den optischen Sensor, der zum Beispiel eine Kamera oder Teil einer Kamera ist. Das heißt, die sich aufgrund der Parallelverschiebung auf der Objektoberfläche ergebende zeitliche Veränderung der Profillinie wird durch den optischen Sensor erfasst und kann anschließend ausgewertet werden.
Vorteilhafterweise ist die optische Einrichtung derart ausgestaltet, dass der zum Objekt gesendete Lichtstrahl im Wesentlichen parallel zu dem vom Objekt reflektierten Lichtstrahl verläuft.
Insbesondere kann die optische Einrichtung Hilfsspiegel umfassen, die angrenzend an das Objekt angeordnet sind und den auf das Objekt gerichteten Lichtstrahl derart umlenken, dass er schräg auf die Oberfläche des Objekts trifft. Dadurch kann das Lichtschnitt - Triangulationsverfahren auch bei im Wesentlichen parallelen Strahlengang durchgeführt werden. -o -
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse, das Fenster mit selbstreinigenden Oberflächen aufweist, durch die der ausgesendete und/oder der vom Objekt reflektierte Lichtstrahl geführt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittansicht prinzipiell zeigt;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung während der Vermessung des Profils eines Fahrzeugreifens als Objekt zeigt;
Fig. 3a-d den zeitlichen Ablauf der Vermessung eines Reifenprofils schematisch darstellen;
Fig. 4 eine Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht zeigt, wobei der Strahlengang parallel gestaltet ist;
Fig. 5a und 5b das Lichtschnitt - Triangulationsverfahren am Beispiel der Vermessung einer glatten Oberfläche darstellen;
Fig. 6a und 6b das Lichtschnitt - Triangulationsverfahren am Beispiel einer unebenen Oberfläche darstellen; und
Fig. 7 ein Beispiel eines Messbildes zeigt, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren erstellt wurde. Vorteile und Merkmale, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden, gelten auch für das erfindungsgemäße verfahren und umgekehrt.
Figur 1 zeigt eine Messeinrichtung 10, die eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt und zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts ausgestaltet ist. Die Messeinrichtung 10 hat eine Lichtquelle 11 in Form eines Lasers, die einen Lichtstrahl 12a aussendet, sowie ein rotierbares Prisma 13 und eine Spiegeleinrichtung 14, die nacheinander im Strahlengang angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Messeinrichtung 10 einen optischen Sensor 15, der zum Beispiel als Kamera ausgestaltet ist und den von einem zu vermessenden Objekt 16 reflektierten Lichtstrahl 12b erfasst. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit 17 vorgesehen, die vom optischen Sensor 15 erzeugte Bilddaten empfängt und aus den Bilddaten den Verlauf der Oberfläche des Objekts 16 bestimmt.
Im vorliegenden Beispiel ist der Laser 11 so ausgestaltet, dass er als Lichtstrahl 12a eine Beleuchtungslinie aussendet, die sich quer zur Strahlrichtung erstreckt, das heißt in der Figur 1 senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft. Das rotierbare Prisma 13 hat eine Drehachse 18, die senkrecht zur Strahlrichtung gerichtet ist, sodass der vom Laser kommende Lichtstrahl 12a nacheinander auf die verschiedenen Flächen 13a, 13b, 13c usw. des Prismas 13 auftrifft und das Prisma 13 durchläuft. An einer Fläche 13e, die der Fläche 13a durch die der Lichtstrahl 12a eintritt, gegenüberliegt, verlässt der Lichtstrahl 12a das Primas. Dabei sind die Flächenpaare, durch die der Lichtstrahl 12a ein- und austritt, jeweils parallel zueinander gerichtet, sodass der Lichtstrahl 12a bei einer Drehung des Prismas 13 um die Drehachse 18 kontinuierlich in einer Richtung parallel verschoben wird. Die Parallelverschiebung wird durch den optischen Effekt der planparallelen Platte verursacht, die im vorliegenden Fall von den sich jeweils gegenüberliegenden parallelen Prismenflächen 13a, 13e gebildet wird. Sobald aufgrund der Drehung des Prismas 13 der Eintritt und Austritt des Lichtstrahls 12a durch das nächste Paar von Prismenflächen erfolgt, kehrt der aus dem Prisma 13 austretende Lichtstrahl in seine Ursprungsposition zurück und beginnt eine erneute Parallelverschiebung. Die Spiegeleinrichtung 14 ist im Strahlengang hinter dem Prisma 13 angeordnet und besteht aus einem ersten Oberflächenspiegel 14a und einem zweiten Oberflächenspiegel 14b. Die Oberflächenspiegel 14a, 14b sind gegeneinander geneigt, sodass der Lichtstrahl 12a nacheinander auf die beiden Spiegeloberflächen auftrifft und in Richtung zum Objekt 16 gelenkt wird. Die beiden Spiegel 14a, 14b sind durch ein Verbindungsscharnier 19 miteinander verbunden. Durch das Verbindungsscharnier 19 kann der zweite Spiegel 14b gegenüber dem ersten Spiegel 14a in einer Kipprichtung K verkippt werden.
Die gesamte Spiegeleinrichtung 14 ist in einer Richtung L1 die gleich der Richtung der Strahlachse des Lichtstrahls 12a ist, verschiebbar. Die Verkippung K des Spiegels 14b und die Verschiebung L der gesamten Spiegeleinrichtung 14 werden durch in der Figur nicht dargestellten Antriebseinheiten bewirkt.
Durch die Spiegeleinrichtung 14 und das rotierende Prisma 13, das eine gerade Anzahl von Prismenflächen aufweist, wird der Lichtstrahl 12a parallel zur Strahlachse verschoben, während er auf die Oberfläche 16a des Objekts 16 trifft. Dadurch bleibt der Neigungswinkel α, unter dem der Lichtstrahl 12a auf die Objektoberfläche trifft, konstant, während der sich parallel verschiebende Lichtstrahl 12a die Objektoberfläche überstreicht.
Die Spiegeleinrichtung 14 und das Prisma 13 sind so angeordnet, dass auch der vom Objekt 16 reflektierte Lichtstrahl 12b das Prisma 13 durchläuft, wobei er wiederum durch ein Paar von sich gegenüberliegenden Prismenflächen ein und austritt. Im vorliegenden Fall durchlaufen der vom Laser 11 ausgesendete Lichtstrahl 12a und der vom Objekt 16 reflektierte Lichtstrahl 12b das Prisma 13 senkrecht zueinander, das heißt, die Drehachse 18 des Prismas sowie die beiden das Prisma 13 durchlaufende Lichtstrahlen 12a und 12b sind orthogonal zueinander gerichtet. - -
Durch die geometrische Ausgestaltung des Prismas 13 und der Spiegeleinrichtung 14 mit dem sich daraus ergebenden Strahlverlauf bleibt der aus dem Prisma 13 austretende Lichtstrahl 12b stets an derselben Position und mit unveränderter Strahlrichtung. Das heißt, die Parallelverschiebung des Lichtstrahls 12a beim ersten Durchlauf durch das Prisma 13 wird durch die Parallelverschiebung des Lichtstrahls 12b beim zweiten Durchlauf durch das Prisma 13 wieder aufgehoben. Somit bleibt die Kamera oder optische Sensor 15 und die gesamte Messeinrichtung 10 mit dem rotierenden Prisma 13 relativ zur Oberfläche 16a des Objekts 16 im Ruhezustand, während die Oberfläche 16a vom Lichtstrahl 12a oder der Beleuchtungslinie überstrichen wird.
Figur 2 zeigt die Messeinrichtung 10 in perspektivischer schematischer Darstellung bei der Vermessung eines Reifenprofils. Dabei sind Elemente und Bauteile der Messeinrichtung 10, die unter Bezugnahme auf Figur 1 bereits beschrieben wurden, mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 1 gekennzeichnet.
Die in Figur 2 gezeigte Messeinrichtung 10 umfasst zusätzlich ein Gehäuse 21, in dem die Teile der Messeinrichtung, wie sie in Figur 1 bereits beschrieben wurden, angeordnet sind. Das Gehäuse 21 hat eine Schutzfunktion. Dabei wird das Prisma 13 von einem Prismenmotor 22 angetrieben, der die Drehung des Prismas 13 um die Drehachse 18 bewirkt. Das Prisma 13 ist von einer Reflexschutzeinrichtung 28 umgeben. An der Spiegeleinrichtung 14 ist eine Kippmechanik 23 angeordnet, die den Spiegel 14b zum Zweck der Justage verkippt. Im vorliegenden Fall ist die Kippvorrichtung 23 als Drehspindel ausgestaltet, um den Winkel zwischen dem ersten Spiegel 14a und dem zweiten Spiegel 14b exakt einzustellen.
In dem Gehäuse 21 ist ein Austrittsfenster 24 angeordnet, durch das der zum Objekt 16 gesendete Lichtstrahl 12a den Innenraum des Gehäuses 21 verlässt, sowie ein Eintrittsfenster 25, durch das der vom Objekt 16 reflektierte Lichtstrahl 12b wieder in den Innenraum des Gehäuses 21 eintritt, um ein zweites Mal das Prisma 13 zu durchlaufen und anschließend auf die Kamera bzw. den optischen Sensor 15 zu treffen. Die Fenster 24 und 25 des Gehäuses 21 haben Oberflächen, die den bekannten Lotuseffekt zur Selbstreinigung aufweisen, sodass die Fenster 24, 25 bei einer Verschmutzung mit einem Wassersprühstrahl automatisch gereinigt werden können.
Das Objekt 16 ist in dem hier gezeigten Beispiel ein Fahrzeugreifen, dessen Profiltiefe mittels der Messeinrichtung 10 in Form eines 3-D Reifenscanners bestimmt wird. Bei dem hier dargestellten Verfahren und der gezeigten Anordnung sind der Lichtstrahl 12a, der zum Objekt 16 gesendet wird, und der vom Objekt 16 reflektierte Lichtstrahl 12b auf ihrem Weg vom Spiegel 12b zum Objekt 16 bzw. vom Objekt 16 zum rotierbaren Prisma 13 in voller Länge gegeneinander geneigt.
Auch in dem hier gezeigten Beispiel ist der Lichtstrahl 12a als Beleuchtungslinie geformt, die sich quer zur Strahlrichtung erstreckt und als Lichtlinie auf das Objekt 16 projiziert wird.
Dabei wird die Lichtlinie durch einen Spalt 26, der in einer Wand 27 angeordnet ist, auf das Objekt 16, das hier ein Fahrzeugreifen ist, abgebildet. Dabei erstreckt sich die Längsrichtung des Spalts 26 entlang der Beleuchtungslinie, die durch den Lichtstrahl 12a gebildet wird. Die Breite des Beobachtungsspalts 26 ist so bemessen, dass der Lichtstrahl 12a oder die Beleuchtungslinie während der gesamten Parallelverschiebung auf die Oberfläche des Reifens 16 trifft. Das heißt, die Beleuchtungslinie wird so eingestellt, dass sie parallel zum Beobachtungsspalt liegt und dessen Länge ausfüllt. Die Maße des Prismas 13 sind so gewählt, dass die Verschiebung der Beleuchtungslinie durch Drehung des Prismas 13 genau die Breite des Spalts 26 überstreicht.
Die Anordnung der Flächen des Prismas 13 sorgt dafür, dass ein Wechsel der Abtastebene dann erfolgt, wenn sich aufgrund der Rotation des Prismas 13 ein Wechsel der im Strahlengang der Beleuchtungslinie liegenden Seitenfläche oder Prismenfläche ergibt. - -
Durch die Neigung der Beleuchtungslinie bzw. des Lichtstrahls 12a gegen die gedachte Senkrechte der Objektoberfläche wird die Beleuchtungslinie bei der Reflektion an der Oberfläche des Objekts 16 durch dessen Oberflächenstruktur in eine Profillinie verändert, die den reflektierten Lichtstrahl 12b bildet. Dadurch kann mittels Triangulation die Profiltiefe des Reifens bestimmt und die Oberflächenstruktur vermessen werden. Die gedachte Senkrechte der Beobachtungsfläche ist in der Figur 2 durch den Pfeil U dargestellt.
Die Figuren 3a bis 3b zeigen eine Reifenprofilmessung als besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Objektoberflächen. Dabei ist jeweils die Messeinrichtung schematisch mit dem Laser 11, dem rotierenden Prisma 13, der Spiegeleinrichtung 14 und der Kamera 15 als optischen Sensor dargestellt. Als Objekt 16 rollt ein Fahrzeugreifen auf einer Fahrbahnoberfläche 31 ab, in der der Beobachtungsspalt 26 angeordnet ist. Während der Reifen 16 über dem Spalt 26 abrollt, wie es in den Figuren 3a, 3b, 3c und 3d in verschiedenen Phasen dargestellt ist, präsentiert sich ein Bereich des Fahrzeugreifens 16 als ruhende Fläche über dem Beobachtungsspalt 26. Die Fahrtrichtung ist durch den Pfeil F und die Drehung des abrollenden Reifens durch den Pfeil R dargestellt.
Während die Reifenoberfläche beim Abrollen über dem Spalt 26 ruht, dreht sich das Prisma 13 um seine Drehachse 18 und nimmt die verschiedenen Positionen ein, die in den Figuren 3a - 3d gezeigt sind.
Zu Beginn der Messung (Figur 3a) ist der Messlichtstrahl 12a nach Durchlaufen des Prismas 13 parallel versetzt, sodass er am rechten Rand des Spalts 26 auf die Reifenoberfläche trifft, und von dort reflektiert wird. Die Beleuchtungslinie auf der Reifenoberfläche, die sich in der Figur senkrecht zur Zeichenoberfläche erstreckt, bildet nach der Reflektion eine Profillinie. Der reflektierte Lichtstrahl 12b, der die Profillinie bildet, durchläuft wiederum das Prisma 13 und wird dabei ebenfalls parallel versetzt, bevor er auf die Kamera 15 trifft. In der zweiten Phase des Abrollvorgangs (Figur 3b) durchläuft der vom Laser 11 ausgesendete Lichtstrahl senkrecht die Prismenflächen, sodass kein paralleler Versatz erfolgt. Nach dem Umlenken durch die Spiegeleinrichtung 14 trifft der Lichtstrahl 12a als Beleuchtungslinie durch den Spalt 26 auf die Oberfläche des Reifens 16. Von dort wird er als Profillinie in Richtung auf das Prisma 13 reflektiert, wobei der reflektierte Lichtstrahl 12b senkrecht zum ausgesendeten Lichtstrahl 12a das Prisma 13 durchläuft. Dabei findet aufgrund der parallelen Primenfläche beim Durchlaufen des Prismas 13 ebenfalls kein paralleler Versatz des Lichtstrahls 12b statt. Der reflektierte Lichtstrahl 12b, der eine Profillinie ist, erreicht die Kamera 15, welche die Profillinie erfasst.
In den beiden nächsten Phasen des Messvorgangs, die in den Figuren 3c und 3d gezeigt sind, rotiert das Prisma 13 weiter, sodass der als Beleuchtungslinie geformte Lichtstrahl 12a sich weiter parallel in Richtung der Breite des Spalts 26 nach links verschiebt, bis er den linken Rand des Spalts 26 erreicht (Figur 3d). Durch das zweimalige Durchlaufen des Prismas 13 bleibt der reflektierte Lichtstrahl 12b am Ort des optischen Sensors 15 stets in einer konstanten Position, während der zum Objekt gesendete Lichtstrahl 12a die Objektoberfläche überstreicht. Nachdem der Lichtstrahl über die Spaltbreite parallel verschoben wurde und den sich präsentierende Bereich der Reifenoberfläche erfasst hat, löst sich die Reifenoberfläche durch weiteres Abrollen von dem Spalt 26.
Figur 4 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der der zur Objektoberfläche geführte Lichtstrahl 12a und der von der Objektoberfläche reflektierte Lichtstrahl 12b größtenteils parallel zueinander verlaufen. Dazu weist die in Figur 4 gezeigte Messeinrichtung 40 ein Paar von Hilfsspiegeln 41 , 42 auf, die relativ nahe an dem zu erfassenden Objekt 16 angeordnet sind. Elemente und Bauteile der Messeinrichtung 40, die im Wesentlichen funktionsgleich oder baugleich mit denjenigen der Messeinrichtung 10 sind, sind in Figur 4 mit denselben Bezugszeichen wie in den Figuren 1 - 3 gekennzeichnet und wurden dort bereits beschrieben. Bei der Messeinrichtung 40 sind das rotierbare Prisma 13 oder Drehprisma und die Spiegeleinrichtung 14 so im Strahlengang angeordnet, dass der vom Objekt reflektierte Lichtstrahl 12b in einem Bereich P des gesendeten Lichtstrahls 12a parallel zu diesem verläuft. Dabei durchlaufen die beiden Lichtstrahlen 12a und 12b das Prisma 13 in einem Winkel zueinander, der gleich dem Winkel ist, den die jeweiligen Prismenflächen zueinander bilden, durch welche die beiden Lichtstrahlen 12a und 12b verlaufen.
Die beiden Hilfsspiegel 41 und 42 lenken den Lichtstrahl 12a, der im Bereich P parallel zum reflektierten Lichtstrahl 12b verläuft, vor dem Auftreffen auf die Oberfläche des Objekts 16 derart um, dass der Lichtstrahl 12a schräg bzw. geneigt auf die Oberfläche auftrifft und somit die Vorraussetzungen zur Durchführung des Lichtschnitt - Triangulationsverfahrens erfüllt.
Dadurch kann der Abstand zwischen Messeinheit 40 und dem Objekt 16 in sehr weitem Rahmen variieren. Eine Justage des zum Objekt 16 gesendeten Lichtstrahls 12a, der den Abtaststrahl darstellt, muss nun nicht mehr zwingend durch die Justage des Spiegels 14b der Spiegeleinrichtung 14 erfolgen. Die Spiegel 14a und 14b der Spiegeleinrichtung 14 werden bei dieser Ausführungsform so eingestellt, dass der Strahl 12a im Bereich P parallel zum reflektierten Strahl 12b in einem Abstand Z zu diesem verläuft. Mit den beiden Hilfsspiegeln 41 und 42 wird der richtige Abtastwinkel beim Auftreffen auf das Objekt 16 gewährleistet. Die Hilfsspiegel 41, 42 sind in einem separaten Geräteteil Y der Messeinrichtung 40 untergebracht. Die restlichen Teile der Messeinrichtung 40 sind im Geräteteil X untergebracht, der räumlich vom Geräteteil Y getrennt ist. Durch den parallelen Strahlverlauf können die beiden Geräteteile X und Y einen in weiten Grenzen veränderbaren Abstand voneinander haben, wodurch sich die Anwendungsbereiche dieser Abtastvorrichtung erheblich erweitern lassen.
Zur Erläuterung des Lichtschnitt - Triangulationsverfahrens, das in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, dienen zunächst die Figuren 5a und 5b. Bei dem Lichtschnitt - Triangulationsverfahren wird die von einer Lichtquelle A1 auf ein Untersuchungsobjekt E1 projizierte Messlinie C1 vom Objektiv einer Kamera B1 auf die Sensorfläche der Kamera B1 abgebildet. Ist die Oberfläche des Objektes E1 eben, so erscheint die Messlinie C1 als Linie D1 auf dem optischen Sensor der Kamera B1. Um die Struktur der Gesamtoberfläche zu erhalten, wird das Messobjekt E1 entlang einer Bewegungslinie F1 verschoben, sodass die Messlinie C1 während des Messvorgangs über die Oberfläche des Objekts E1 streicht. Während des Messvorgangs zeichnet der Sensor der Kamera B1 in kurzen Zeitabständen das Bild der Messlinie auf und speichert es ab. Durch Vergleichen der Messbilder kann die Oberfläche des Messobjekts, das heißt des zu erfassenden Objekts E1 , errechnet werden.
Die Figuren 6a und 6b zeigen nun zur Veranschaulichung die Vermessung der strukturierten Oberfläche eines zu vermessenden Objekts E2. Dabei wird die von der Lichtquelle A2 auf das Objekt E2 projizierte Messlinie C2 vom Objektiv der Kamera B2 auf die Sensorfläche der Kamera B2 abgebildet. In dem hier gezeigten Fall ist die Oberfläche des Objekts E2 nicht eben, sodass die Messlinie C2 als Profillinie D2 auf dem Sensor der Kamera B2 erscheint. Um die Struktur der Gesamtoberfläche des Objekts E2 zu erhalten, wird das Objekt E2 entlang der Bewegungslinie F2 verschoben, sodass die Messlinie C2 als Beleuchtungslinie während des Messvorgangs über die gesamte Oberfläche des Objekts E2 streicht. Während des Messvorgangs zeichnet der Sensor der Kamera B2 in kurzen Zeitabständen das Bild der Messlinie bzw. Profillinie D2 auf und speichert es ab. Durch vergleichen der Messbilder kann die Oberfläche des Objekts E2 errechnet werden.
Figur 7 zeigt als Beispiel das Messbild eines Lego® Spielbausteins, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstellt wurde.
Die Umrechnung zur Bestimmung der Profiltiefe erfolgt durch die in Figur 1 gezeigte Auswerteeinheit 17, die eine Prozessoreinheit umfasst und durch geeignete Programmschritte zur Auswertung der Daten nach dem Lichtschnitt - Triangulationsverfahren gesteuert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts, bei dem von einer Lichtquelle (11) ein Lichtstrahl (12a) ausgesendet und geneigt auf die zu erfassende Oberfläche (16a) des Objektes (16) projiziert wird, und der von der Oberfläche (16a) reflektierte Lichtstrahl (12b) von einem optischen Sensor (15) erfasst wird, um aus Bilddaten, die vom optischen Sensor (15) erzeugt werden, die Oberfläche (16a) des Objekts (16) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Oberfläche (16a) des Objekts (16) projizierte Lichtstrahl
(12a) mittels eines rotierenden Prismas (13) parallel zu seiner
Strahlachse verschoben wird, so dass er die zu erfassende Oberfläche
(16a) des Objekts (16) unter einem konstanten Neigungswinkel (α) überstreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (12) als 2-dimensionale Beleuchtungslinie geformt ist, die sich quer zur Strahlachse erstreckt, und die auf die zu erfassende Oberfläche (16a) projizierte Beleuchtungslinie während der Messung parallel verschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Objekt (16) ein Fahrzeugreifen verwendet wird, und aus den Bilddaten die Profiltiefe des Fahrzeugreifens ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (16) durch einen Spalt (26) beleuchtet wird, wobei sich die Beleuchtungslinie in Längsrichtung des Spalts (26) erstreckt und während der Messung die Breite des Spalts (26) überstreicht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erfassende Oberfläche (16a) relativ zum optischen Sensor (15) im Ruhezustand ist, während der Lichtstrahl (12a) die Oberfläche (16a) überstreicht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgesandte Lichtstrahl (12a) nach Durchlaufen des Prismas (13) mittels einer justierbaren Spiegeleinrichtung (14) auf das Objekt (16) gelenkt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgesendete Lichtstrahl (12a) das rotierende Prisma (13) durchläuft und parallel verschoben wird, und der vom Objekt (16) reflektierte Lichtstrahl (12b) das rotierende Prisma (13) ein zweites mal durchläuft, wobei sich die beim ersten Durchlauf verursachte Parallelverschiebung wieder aufhebt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Objekt (16) gesendete Lichtstrahl (12a) mittels der Spiegeleinrichtung (14) derart ausgerichtet wird, dass er parallel zu dem vom Objekt (16) reflektierten Lichtstrahl (12b) verläuft.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (12a) vor dem Auftreffen auf das Objekt (16) mittels Hilfsspiegeln (41 , 42) so umgelenkt wird, dass er schräg auf die Oberfläche (16a) des Objekts (16) einfällt.
10. Vorrichtung zur Erfassung der dreidimensionalen Oberfläche eines Objekts, umfassend: einer Lichtquelle (11), die einen Lichtstrahl (12a) aussendet; eine Spiegeleinrichtung (14), um den ausgesendeten Lichtstrahl (12a) geneigt auf eine zu erfassende Oberfläche (16a) eines Objektes (16) zu projizieren; einen optischen Sensor (15), der den von der Oberfläche (16a) reflektierten Lichtstrahl (12b) erfasst und Bilddaten erzeugt, eine Auswerteeinheit (17), die aus den Bilddaten des optischen Sensors
(15) die Oberfläche (16a) des Objekts (16) bestimmt, gekennzeichnet durch, ein rotierbares Prisma (13), das den auf die Oberfläche (16a) des Objekts (16) projizierten Lichtstrahl (12a) parallel zu seiner Strahlachse verschiebt, so dass er die zu erfassende Oberfläche (16a) des Objekts
(16) unter einem konstanten Neigungswinkel (α) überstreicht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11) derart gestaltet ist, dass der Lichtstrahl (12a) als Beleuchtungslinie geformt ist, die sich quer zur Strahlrichtung erstreckt, wobei die Drehachse (18) des Prismas (13) in der Ebene der Beleuchtungslinie liegt .
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (16) ein Fahrzeugreifen ist, und die Auswerteeinheit (17) zur Bestimmung der Profiltiefe des Fahrzeugreifens aus den Bilddaten ausgestaltet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierbare Prisma (13) eine geradzahlige Anzahl von Flächen (13a, 13b, 13c, 13d,13e, 13f) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierbare Prisma (13) sich jeweils gegenüber liegende, parallel zueinander ausgerichtete Flächen (13a, 13e) aufweist, durch die der ausgesendete Lichtstrahl (12a) geführt wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Wand (27), in der ein Spalt (26) ausgebildet ist, durch den das Objekt (16) beleuchtet wird, wobei sich der Spalt (26) parallel zur Beleuchtungslinie erstreckt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Prismas (13) derart gewählt sind, dass die Parallelverschiebung der auf die zu erfassende Oberfläche (16a) projizierten Beleuchtungslinie im wesentlichen der Breite des Spaltes (26) entspricht.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeleinrichtung (14) mindestens ein Spiegelpaar mit gegeneinander geneigten Spiegeln (14a, 14b) aufweist, um den Lichtstrahl (12a) auf das Objekt (16) zu lenken, während er parallel verschoben wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelpaar (14a, 14b) in Strahlrichtung verschiebbar ist und der Winkel zwischen den beiden Spiegeln (14a, 14b) einstellbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierbare Prisma (13) derart im Strahlengang angeordnet ist, dass sowohl der ausgesendete Lichtstrahl (12a) als auch der vom Objekt (16) reflektierte Lichtstrahl das Prisma (13) durchläuft, so dass sich die beiden Parallelverschiebungen des Lichtstrahls (12a, 12b) beim jeweiligen Durchlaufen des Prismas (13) gegenseitig aufheben.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeleinrichtung (14) derart ausgestaltet ist, dass der zum Objekt (16) gesendete Lichtstrahl (12a) im wesentlichen parallel zu dem vom Objekt (16) reflektierten Lichtstrahl (12b) verläuft.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeleinrichtung (14) Hilfsspiegel (41, 42) umfasst, die den auf das Objekt (16) gerichteten Lichtstrahl (12a) derart umlenken, dass er schräg auf die Oberfläche (16a) des Objekts (16) trifft.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 21 , gekennzeichnet durch ein Gehäuse (21), das Fenster (24, 25) mit selbstreinigenden Oberflächen aufweist, durch die der ausgesendete und/oder der vom Objekt reflektierte Lichtstrahl (12a, 12b) geführt wird.
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