Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung einer 3D-Topographie
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung einer dreidimensionalen Topographie eines Messobjekts mittels einer 2D-Kamera.
Zur Gewinnung von dreidimensionalen Topographien von Messobjekten werden im Stand der
Technik tiefenscannende Streifenprojektionen oder andere dreidimensionale Verfahren verwendet. Beispielsweise ist aus der DE 100 56 073 Al ein optisches Verfahren zur Gewinnung einer 3D-Punkt- Wolke bekannt, bei dem eine 3D-Kamera verwendet wird, welche mitsamt einem Beleuchtungssystem in senkrechter Richtung zum Messobjekt verfahren wird und dabei eine Serie von Bildern aufnimmt. Bei diesem bekannten Verfahren ist der apparative
Aufbau jedoch sehr groß und aufwendig. Die bekannten Verfahren haben ferner den Nachteil, dass bei ungünstigen Flächenverhältnissen, wie beispielsweise bei runden Bauteilen, z.B. Schrauben o.Ä., Schwierigkeiten bestehen, eine dreidimensionale Topographie zu bestimmen.
Vorteile der Erfindung
Die erfmdungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung einer dreidimensionalen Topographie eines Messobjekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine einfach aufgebaute und kostengünstige Lösung bereitgestellt wird, welche auch schwierige dreidimensionale Topographien, insbesondere an runden Bauteilen, erfassen kann.
Erfindungsgemäß wird hierbei basierend auf der Verwendung von strukturiertem Licht eine dreidimensionale Topographie erhalten werden. Erfindungsgemäß wird dabei eine Projektion des strukturierten Lichts mit geringerer Tiefenschärfe verwendet, so dass bei einem Aufnahmebereich einer 2D-Kamera der Aufnahmebereich größer als ein Fokus der Projektion des strukturierten Lichts ist. Ferner wird gleichzeitig auch eine Position des Messobjekts verändert, so dass bei mit mehreren Abbildungen nach erfolgter Bewegung des Messobjekts die
Punkte des Messobjekts den fokussierten Bereich sowie die am Rand befindlichen defokussierten Bereiche durchlaufen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung eine 2D-Kamera, ein Beleuchtungssystem mit einer Lichtquelle, ein Stukturerzeugungselement zur Erzeugung von strukturiertem Licht sowie eine Optik bzw. ein Objektiv, eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Messobjekts und eine Recheneinheit umfasst. Das Beleuchtungssystem ist dabei in einem Winkel zu einer Aufnahmerichtung der 2D-Kamera angeordnet. Das Beleuchtungssystem erzeugt dabei eine Schärfenebene der Struktur, z.B. eines Gitters, des Strukturerzeugungselements in einem vorbestimmten Bereich, welcher kleiner ist als ein Aufnahmebereich der 2D-Kamera. Das Gitter ist dabei vorzugsweise quer zur Bewegungsrichtung ausgerichtet. Die 2D-Kamera macht dann eine Vielzahl von
Bildern des Messobjekts, welches mittels der Bewegungseinrichtung unter der Kamera bewegt wird. Eine Recheneinheit berechnet dann aus der Vielzahl der Bilder der 2D-Kamera eine dreidimensionale Topographie. Dadurch ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr einfach und kann kostengünstig bereitgestellt werden. Dabei können auch bei ungünstigen Flächenverhältnissen dreidimensionale Topographien von Bauteilen bestimmt werden, wie beispielsweise bei runden Bauteilen. Da das Beleuchtungssystem zur Kamera und zum Messobjekt in einem vorbestimmten Winkel geneigt ist, ist im Bildfeld der 2D-Kamera im Wesentlichen die Bildmitte der Projektion der Streifen scharf abgebildet. Zu den Bildrändern hin ist die Abbildung der Projektion unscharf. Durch die Aufnahme einer Vielzahl von Bildern des Messobjekts ist von Bild zu Bild nur eine kleine Verschiebung vorhanden, so dass ein Punkt auf dem Messobjekt auf vielen aufgenommenen Bildern zu finden ist. Dadurch können die vielen Bilder wiederum einander zugeordnet werden. Insbesondere können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kontinuierlich Daten aufgenommen werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung .
Vorzugsweise ist die Bewegungseinrichtung eine Rotationseinrichtung, um das Messobjekt um eine Achse zu rotieren. Die Rotationsachse ist dabei vorzugsweise senkrecht zur Aufnahmerichtung der 2D-Kamera. Gemäß einer anderen bevorzugten Alternative ist die 2D-
Kamera radial oder in einem Winkel zwischen 0 und 90° zur Rotationsachse angeordnet. Alternativ ist die Bewegungseinrichtung eine Verschiebeeinrichtung zum lateralen linearen Bewegen des Messobjekts entlang einer Achse. Die Verschiebeeinrichtung kann beispielsweise ein bewegbarer Tisch oder Schlitten sein, auf welchem das Messobjekt angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist die Bewegungseinrichtung derart ausgebildet, dass das Messobjekt kontinuierlich bewegbar ist. Hierdurch kann insbesondere eine Endlosverarbeitung ermöglicht werden, so dass problemlos beispielsweise runde Bauteile oder auch endloses Bandmaterial o.Ä. als Messobjekte verwendet werden können.
Weiter bevorzugt ist das Strukturerzeugungselement ein Streifengitter, um ein strukturiertes Licht auf dem Messobjekt zu erzeugen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Winkel zwischen der Aufnahmerichtung der 2D-Kamera und dem Beleuchtungssystem zwischen 30 und 50°, insbesondere 45°.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung einer dreidimensionalen Topographie eines Messobjekts wird in einem ersten Schritt das Messobjekt unter der 2D- Kamera auf einer Bewegungseinrichtung angeordnet. Anschließend wird strukturiertes Licht auf das Messobjekt mittels eines Beleuchtungssystems erzeugt, wobei das Beleuchtungssystem in einem Winkel zu einer Aufnahmerichtung der 2D-Kamera angeordnet ist. Das strukturierte Licht ist vorzugsweise eine Gitterprojektion derart, dass eine Schärfenebene des Gitters nur in einem Teilbereich des Aufnahmebereichs der 2D-Kamera liegt und in den Nachbarbereichen defokussiert ist. Anschließend wird ein erstes Bild des Messobjekts mit den darauf projizierten
Strukturen in einer ersten Position aufgenommen und dann wird das Messobjekt mittels der Bewegungseinrichtung in eine zweite Position bewegt und ein zweites Bild aufgenommen. Die Schritte des Aufnehmens eines Bildes sowie des Bewegens des Messobjekts mittels der Bewegungseinrichtung werden dann so oft wiederholt, bis eine vorbestimmte Anzahl von Aufnahmen des Messobjekts in unterschiedlichen Relativpositionen zur 2D-Kamera erhalten wurde. Dann wird die dreidimensionale Topologie basierend auf den aufgenommenen Aufnahmen berechnet.
Weiter bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Messobjekt kontinuierlich bewegt. Dadurch ist es möglich, dass Endlosdaten aufgenommen werden können, wie es beispielsweise bei runden Bauteilen oder endlosem Bandmaterial notwendig ist. Alternativ wird das Messobjekt schrittweise bewegt, wobei eine Aufnahme mittels der 2D-Kamera während eines Zeitpunkts des Stillstands der Bewegungseinrichtung gemacht wird. Die Schritte sind dabei möglichst klein, vorzugsweise wenige Mikrometer.
- A -
Besonders bevorzugt wird die dreidimensionale Topographie mittels Algorithmen der tiefenscannenden Streifenprojektion, bzw. der Weißlichtinterferometrie berechnet. Mittels dieser Algorithmen wird genau der Punkt der höchsten Modulation gefunden und aus diesem Punkt kann dann die dreidimensionale Topographie des Messobjekts berechnet werden. Durch Triggerung und Korrelationsmethoden kann hierbei die am besten übereinstimmende
Überlagerung der Einzelaufnahmen sichergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders bevorzugt zur Überprüfung von sogenannten Beißkanten verwendet. Derartige Beißkanten werden beispielsweise beim Fügen von zwei metallischen Bauteilen verwendet, wobei sich die Beißkante an dem ersten Bauteil in das
Material des zweiten Bauteils hineinbeißt. Dabei muss die Beißkante über ihre gesamte Länge kontinuierlich exakt ausgebildet sein, was beispielsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überprüft werden kann.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Gewinnung einer dreidimensionalen Topographie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Bewegung des Messobjekts und der Aufnahme mehrerer Bilder gemäß dem Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine Vorrichtung 1 sowie ein
Verfahren zur Gewinnung einer dreidimensionalen Topographie eines Messobjekts 2 im Detail beschrieben.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorrichtung 1 zur Gewinnung einer dreidimensionalen Topographie eines Messobjekts 2 eine 2D-Kamera 3, ein
Beleuchtungssystem, umfassend eine Lichtquelle 4, ein Gitter 5 und eine Optik 6, eine Recheneinheit 7 sowie eine Bewegungseinrichtung 8. Das Messobjekt 2 ist auf der Bewegungseinrichtung 8 angeordnet. Die Bewegungseinrichtung 8 kann sich in Richtung einer Achse A, z.B. in Figur 1 nach links, bewegen. Eine Mittelachse B des Beleuchtungssystems ist, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, gegenüber einer Aufnahmerichtung Z der 2D-Kamera 3 in einem
Winkel α von ca. 45° angeordnet. Durch diese Anordnung des Beleuchtungssystems im Winkel OC zur Aufnahmerichtung Z ergibt sich eine Fokusebene 9, welche schematisch in Figur 1 angedeutet ist. Auf dem Messobjekt 10 ergibt sich dadurch ein fokussierter Bereich 10 sowie ein erster defokussierter Bereich 11 und ein zweiter defokussierter Bereich 12 im Gesamtaufnahmebereich 13 der 2D-Kamera. Der erste und zweite defokussierte Bereich 11, 12 ist dabei jeweils benachbart zum fokussierten Bereich 10 angeordnet. Durch das Gitter 5 ergibt sich somit im fokussierten Bereich 10 eine scharfe Abbildung des Gitters auf dem Messobjekt 2, so dass ungefähr in der Bildmitte des Aufnahmebereichs 13 der fokussierte Bereich 10 liegt. Zu den Bildrändern hin wird die Abbildung des Gitters im ersten und zweiten defokussierten Bereich 11 und 12 unscharf.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Gewinnung einer dreidimensionalen Topographie eines Messobjekts 2 ist dabei wie folgt. Nach der Anordnung des Messobjekts 2 auf der Bewegungseinrichtung 8 wird das Beleuchtungssystem eingeschaltet, so dass ein strukturiertes Licht in Form eines Streifengitters, entsprechend dem Gitter 5, auf dem
Messobjekt 2 abgebildet wird. Das Gitter ist dabei im fokussierten Bereich 10 scharf und im ersten und zweiten defokussierten Bereich 11, 12 unscharf. Dann wird mittels der 2D-Kamera 3 eine erste Abbildung 201 gemacht. Anschließend erfolgt eine seitliche Bewegung mittels der Bewegungseinrichtung 8, so dass das Messobjekt 2 um einen vorbestimmten Wert in Richtung des Pfeils C in Figur 1 bewegt wird. Dadurch wird ein erhabener Bereich 2a des Messobjekts 2, wie in Figur 2 angedeutet, etwas nach links verschoben, so dass er aus der Fokusebene 9 herausbewegt wird. Dafür kommt der an den erhabenen Bereich 2a des Messobjekts sich anschließende Bereich 2b in die Fokusebene 9. Dann wird ein zweites Bild 202 mittels der 2D- Kamera erstellt. In Figur 2 ist schematisch das Aufnehmen der Bilder 201 bis 205 dargestellt, wobei das Messobjekt 2 langsam von rechts nach links bewegt wird. Somit ergibt sich von
Aufnahme zu Aufnahme nur eine kleine Verschiebung, wodurch ein Punkt auf dem Messobjekt 2 in vielen der Aufnahmen 201 bis 205 zu finden ist. Hierdurch können die gleichen Punkte wiederum einander zugeordnet werden. Die Aufnahmen werden in einem Speicher gespeichert und anschließend rücksortiert, so dass ein Punkt an der Oberfläche des Messobjekts 2 so sortiert
werden kann, dass die Durchstimmung des Fokus sichtbar wird. Diese Sequenz eines Punktes kann nun verwendet werden, um beispielsweise mit Algorithmen der tiefenscannenden Streifenprojektion, bzw. der Weißlichtinterferometrie genau den Punkt der höchsten bzw. stärksten Modulation zu finden. Aus der Vielzahl dieser berechneten Modulationspunkte lässt sich dann die dreidimensionale Topographie mittels der Recheneinheit 7 berechnen. Hierbei kann durch Triggerung und Korrelationsmethoden die am besten übereinstimmende Überlagerung der einzelnen Aufnahmen 201 bis 205 sichergestellt werden.
Somit ist es bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen möglich, dass Endlosdaten aufgenommen werden, wie sie beispielsweise bei runden Bauteilen, z.B. Schrauben o.Ä., vorkommen.
Erfindungsgemäß wird somit ausgenutzt, dass bei einer Triangulationsanordnung einer Gitterstreifenprojektion mit geringer Tiefenschärfe sich sowohl der Fokus der Streifen als auch gleichzeitig eine laterale Position des Messobjekts 2 verändern. Dies wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der 2D-Kamera, das im Winkel zur 2D-Kamera angeordnete Beleuchtungssystem und die Bewegungseinrichtung 8 für das Messobjekt 2 erreicht.