WO2012051982A2 - Laser-doppler-linien-distanzsensor zur dreidimensionalen formvermessung bewegter festkörper - Google Patents

Laser-doppler-linien-distanzsensor zur dreidimensionalen formvermessung bewegter festkörper Download PDF

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WO2012051982A2
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Thorsten Pfister
Lars Buettner
Juergen Czarske
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Technische Universität Dresden
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    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a laser Doppler line distance sensor for three-dimensional shape measurement of moving solids, in which on the surface of the moving solid einstrahlbare light waves of at least one light source for illuminating the surface are performed, and wherein at least one detection unit is present, the The light scattered the surface registered, wherein an evaluation of the registered scattered light signals of the surface by means of a Detektionsein eit downstream evaluation takes place, said position and Tangentialgeschwindigkett the surface and thus determines a resulting 2D shape for each measurement spot at least on the principle of a laser Doppler distance sensor be formed, wherein the laser Doppler distance sensor in a projected on the surface measurement volume two superimposed, at least one of them fan-shapedsammlunggewettet interference fringes, wherein the two interference fringe systems physis ch distinguishable and for each of the interference fringe systems a Doppierfrequenz from the scattered light of at least one of the measuring volume traversing surface can be determined.
  • two superimposed fan-shaped interference fringes 18, 19, which are physically distinguishable, are provided, wherein two laser light sources 51, 52 are provided to a combined transmission optics, which linearly spaced on their optical axis 9 is one of the two superimposed Interfer- renzstMailsystemen 18, 19 existing measuring volume 1 is assigned in which one or more receiving optics from the respective scattered light 8 a point of the reflective surface 2 by means of an evaluation unit 34 for signal processing of scattered light signal pairs an axis position z and a position-related lateral velocity component v x of the point of the surface 2 can be determined, and wherein the two interference fringe systems 18, 19 in a predetermined xyz- coordinate system to a cutting measuring area, which forms the measuring volume 1, superimposed, wherein an ode a plurality of receiving optics in the space around the cutting measuring range / measuring volume are arranged, to which the transmitting optics associated evaluation unit 34 is assigned, and wherein the evaluation unit 34 is formed with signal processing
  • the operating principle of the laser Doppler distance sensor 7 shown in FIG. 1 is based on the generation of two interference fringe systems 18, 19 superimposed in a common measuring volume 1, of which at least one is fan-shaped. Ideally, both interference fringe systems 18, 19 are fan-shaped with opposing orientations in FIGS. 2 and 3:
  • a convergent interference fringe system 18 shown in FIG. 2, in which the fringe spacing dj (z) continuously decreases along the z-axis (optical axis), and second, a divergent interference fringe system 19 in FIG. 3, in which the interference fringe spacing d 2 (z) increases correspondingly continuously.
  • both the axial position z and the lateral velocity v x (x-component) of the surface 2 can be determined.
  • the interference fringe systems 18, 19 shown in FIGS. 2 and 3 are described by a fringe spacing function di (z), d 2 (z), respectively.
  • the convergence of the interference fringes or the divergence of the interference fringes is achieved by utilizing the wavefront curvature of laser beams 16, 17 of the lasers 51, 52.
  • the beam waist of the Gaussian beam is placed in front of the measurement volume 1 in order to generate a divergent interference fringe system 19.
  • the adjustment of the beam waist behind the measuring volume 1 results in a convergent interference contact system 18.
  • the two interference fringe systems 18, 19 must be physically distinguishable, which may be achieved by the use of multipiex methods, e.g. is achieved by different laser wavelengths (wavelength division multiplexing), carrier frequencies (frequency multiplexing) and so on.
  • the scattered light 8 can be separated from and assigned to the two strip systems 18, 19 so that the two Doppler frequencies fi and h can be determined.
  • the current strip spacing can then be determined.
  • FIG. 4 summarizes the principle of operation of laser-Doppler-Distartzsensors 7 schematically together and shows how frequencies from the measured Dopplerfre- fi and f 2 the lateral in Fig. let determine.
  • the two-dimensional shape in the xz plane
  • the two-dimensional shape can thus move and in particular rotate the solid during at least one pass or one rotation of the test object be absolutely determined.
  • the determination of the three-dimensional object shape is possible, as in the publication P. Günther, T. Pfister, L Büttner, J. Czarske: Absolute shape measurement rotating solid with a phase laser Doppler distance sensor, DGaO-Proceedings 2008, ISSN 1614-8436.
  • the disadvantage is that the necessary traversal of the sensor or the object to be measured is technically and time-consuming, so that an instantaneous 3D shape measurement, in particular of fast moving objects with high time resolution, is not possible.
  • the basically limited repeat accuracy of the mechanical traversal of the sensor or of the measurement object leads to unknown systematic measurement deviations in the 3D form, which can not be corrected or eliminated by a suitable calibration or signal processing.
  • the essential features of the laser Doppler distance sensor 7 are: The speed measurement is based on the evaluation of the Doppler frequency shift fo of the light 8 scattered by a point of the surface 2 (as in the conventional LDV),
  • the scattered light detection is carried out with one or two individual photodiodes (according to Muftiplexart, similar to the conventional LDV),
  • the position z along the optical axis can be determined.
  • the 2D shape rotating solid body can be absolutely determined z (t) and v x (t) from the measured zettaufrichen sizes. See also document DE 10 2004 025801 A1.
  • the spatial resolution in the z-direction depends on the accuracy of the position determination and thus on the slope of the calibration function q (z) and the
  • the document DE 698 19 158 T2 describes a method and a device for copying keys, wherein the key-guiding profile of the original key is measured by means of line-shaped triangulation and the measurement result is used as a control signal for the production (shaping) of a key copy from a key Preform is used, wherein the original key illuminated with a laser line focus and reflected on the surface of the key light is observed with an area camera and from the observed with the camera deformation of the laser line, the key guidance profile is determined.
  • the device and the method of triangular triangulation can not be transferred to a linear measuring laser Doppler distance sensor, since the underlying measuring principle is completely different:
  • crosstalk of the detector pixels can occur in two dimensions.
  • the triangulation method is basically not suitable for the measurement of fast moving objects, since its distance measurement uncertainty, in contrast to the laser Doppier distance sensor with increasing object movement speed due to the decreasing Mittetungszeit continuously increases.
  • triangulation only detects the distance, but not the object speed, so that no additional shape measurement of moving objects is possible without additional information about the speed (of additional sensors).
  • the known method of confocal optical imaging can be extended from a punctiform distance measurement to a linear distance measurement, as described in the publication DE 196 08 468 C2.
  • a transmission unit consisting of a plurality of point-like light sources arranged along a line is imaged linearly onto the surface of the measurement object.
  • the resulting rectilinear series of sample points on the object surface are in turn mapped onto a plurality of line-like point-like receivers of equal number, which are arranged confocally in the image plane.
  • the height values (distance values) for the individual sampling points can be determined from the object surface. Also, this fin-shaped extension of the confocal method can not be transferred to a linear measured laser Doppler distance sensor for the following reasons:
  • the invention has for its object to provide a laser Doppler line distance sensor for three-dimensional shape measurement of moving solids, which is designed such that tangential velocity and position of a moving solid surface can be detected simultaneously at several measurement spots along a line, so that an instantaneous measurement of the Three-dimensional solid state shape is possible.
  • the features, in particular the speed-independent position measurement uncertainty of the known laser Doppler distance sensor which, however, has the disadvantage that it allows only a quasi-point-like measurement, be combined with an imaging multi-point measurement to the 3D shape quickly moving or rotating
  • the object is solved by the features of claims 1 and 24.
  • the laser Doppler line distance sensor for three-dimensional measuring of the shape of moving solids
  • light waves which can be injected onto the surface of the moving solid are guided by at least one light source to illuminate the surface, at least one detection unit being present which registers the light scattered by the surface an evaluation of the registered scattered light signals of the surface takes place by means of an evaluation unit connected downstream of the detection unit, the position and tangential velocity of the surface and thus the resulting 2D surface shape being determined for each measurement spot along the measurement line at least according to the principle of a laser Doppler distance sensor
  • the laser Doppler distance sensor in a measurement volume on the surface forms two superimposed interference fringes, wherein at least one of the two fringe systems is formed fan-shaped, wherein the two interference fringes are physically distinguishable and for each of the interference fringes a Doppler frequency fi, f 2 from the scattered light the surface passing through the measuring volume can be determined, according to the characterizing part of patent claim 1
  • the surface of the solid to be imaged is limited to a measurement line formed by the interference fringe systems, so that the scattered light of the measurement line is imaged onto the detection unit via the downstream imaging optics, wherein the detection unit used contains a plurality of line-shaped or line-shaped combined individual elements which represent the imaged measurement line register as sub-scatter images and with the evaluation unit for determination the 3D shape of the solid is related, wherein the 3D shape is determined by a stapeiförmige fusion of the determined 2D sections for the individual measuring spots, and wherein the individual 2D sections from the axial position z (y, t) and the Velocity v x (y, z, t) of the individual measuring pieces of the measuring line are determined, wherein
  • the image repetition rate of the detection unit (s) relative to the acquired partial spreading images including the signal processing hardware may be at least large enough to sample the two doubling frequencies f i, the amplitude modulated scattered light signals according to the Nyquist-Shannon sampling theorem, and reducing the necessary sampling rate by optical Mixing the scattered light signals to lower frequencies Mitteis heterodyne technique is achievable.
  • the frame rate may undercut the Nyquist frequency and undersampling is done as long as the resulting mirrored frequencies are uniquely assignable to the real frequencies.
  • the measurement line on the surface is formed by a longitudinal extension of the interference fringe systems in the y-direction, which is formed by optical means or by the use of light sources with a linear beam profile.
  • the optical means can be at least one cylindrical lens and the light sources can be broad-band laser diodes.
  • a detection unit with a plurality of individual elements may be a Zeiienacre, a matrix camera or a photodiode array, wherein the individual elements may be groups of combined pixels.
  • the line-shaped individual elements may be formed overall as a receiving column.
  • the photodiode array may be fiber-coupled.
  • the detection unit can be integrated in the transmission optics, so that a detection of the scattered light in the reverse direction takes place.
  • the physical distinctness of the two interference fringe systems can be given by time division multiplexing, frequency division multiplexing, wavelength division multiplexing or polarization multiplexing.
  • the light sources may be continuous wave lasers for cw operation, short pulse lasers for pulse mode for time division multiplexing or multi-line lasers for wavelength division multiplexing or wide strip laser diodes for long line lengths with uniform illumination.
  • two lasers may be used having different wavelengths, whose beams are combined by means of a beam splitter and guided to a beam dividing element through which the SteahlenbündeJ each jn s two TeiJstrahlenbündel réellespal- th are, and by a downstream optical system, the two partial beams be superimposed in the measurement volume on the surface of the solid to form a measurement line consisting of several measurement spots, the scattered light is guided either at least on a color camera or through a wavelength-selective beam splitter on two separately arranged Detetechnischsetn- units that are connected to the evaluation.
  • the associated beam splitter can be designed as a beam splitter cube, dichroic mirror or as a fiber coupler.
  • the beam splitting element may be a prism or a diffraction grating.
  • the optics can be embodied as telescopes by means of lenses or completely or partially fiber-optically.
  • a spectral filter can be arranged in each case before the detection units.
  • a pulsed laser can be used as the laser, which generates the two interference-fringe systems with fiber-optical delay coils.
  • the laser Doppler line distance sensor may be included when performing the time division multiplex method
  • the pulse laser for emitting at least two light pulses emitted in succession
  • a beam splitter for generating two optical paths, each having a delay coil, wherein the first path for generating the first interference fringe pattern and the second path for generating the second interference strip pattern, the one path to the other path or vice versa having an optical delay path .
  • a cylindrical lens arranged downstream of the beam splitter to form a measuring line
  • a camera with cell-shaped individual elements on the receiving surface for detecting the partial scatter images imaged on the receiving surface - an evaluation unit, which is in communication with the camera and evaluates the partial scattering patterns on the individual elements
  • control unit belonging to the evaluation unit, which communicates with the camera and the light source and adjusts the pulse rate of the light source to the image rate of the camera in unison.
  • the first optical path downstream of the beam splitter may consist of a fiber-optic delay coil and an input coupler and an output coupler as well as of a first optic arranged between the output coupler and the beam splitter.
  • the second optical path downstream of the beam splitter may consist of a longer optical fiber delay coil having an optical delay path with respect to the fiber optic delay coil and a coupler and an output coupler and a second optic arranged between the output coupler and the beam splitter.
  • a light modulator can be arranged as Pulspicker for adjusting the pulse rate of the pulse laser to the frame rate of the camera.
  • the first path instead of the downstream fiber optics, may have a first pulse picker in the form of a first path light modulator and the second path instead of the fiber optic having the delay path a second pulse picker in the form of a second path light modulator, the pulse pickers having the control unit for the mutual pulse picker Voting are connected.
  • the two Pulspicker can be installed immediately after the beam splitter and be individually switchable at least by means of the control unit.
  • the evaluation unit can contain at least the following modules:
  • a fusion unit in which the individual data obtained from the individual functional subunits are led to a fusion, from which the SD form of the surface of the moving solid is determined
  • each case in each case contain a first decision unit with an input vatidation to be confirmed, whether an output signal of the detection unit is present at all relative to the respective pixel group, and
  • a first functional subunit which is in each case nachgeschattet a decision unit, wherein in the first functional subunit on the Doppler frequency determination fi, f 2 by means of a calibration function q (y, z) and by means of stripe distance functions di (y, z), d2 (y, z) a calculation the velocity v x (y, z, t) and the position z (y, t) for the respective measuring spot associated with the pixel group is carried out on the measuring line, and
  • a second decision unit which is sequenced to the first functional subunit and which decides for each individual measuring time whether physically expedient data has been determined, wherein non-useful data points can either be omitted or interpolated by means of adjacent data points, and
  • a second functional sub-unit which is connected downstream of the second decision unit and which determines the 2D shape in the xz-plane from the determined time-resolved measured data z (y, t) and v " ⁇ y t z, t).
  • At least one light source for illuminating the surface are guided on the surface of the moving solid at least one detection unit is present which registers the light scattered by the surface, wherein an evaluation of the registered scattered light signals of the surface by means of a the evaluation unit is followed by an evaluation unit, whereby the position and tangentate velocity of the surface and thus the resulting 2D surface form for each measurement spot are determined at least on the principle of a laser Doppler distance sensor.
  • the laser Doppler distance sensor in a measurement volume on the surface forms two superposed interference fringe systems, wherein at least one of the two interference fringe systems is formed fan-shaped, wherein the two interference fringes are physically distinguishable and for each of the interference fringes a Doppler frequency f 1 f h from the scattered light the surface passing through the measuring volume can be determined, according to the characterizing part of patent claim 24
  • the surface of the solid to be imaged is delimited on a measuring line formed by the interference fringes systems, so that the scattered light of the measuring line is imaged on the detection unit via the downstream imaging optics
  • the detection unit used contains a plurality of individual elements arranged in a line or in line form Register measuring line as Sectionstreubiider and with the evaluation unit for determining the 3D shape of the solid in conjunction, the 3D shape is determined by a stapeiförmige fusion of the determined 2D sections for the individual measuring spots, and wherein the individual 2D sections of the axial position z (A) and the velocity xiy.zJ) of the individual measuring spots of the measuring line are determined, wherein
  • the image repetition rate of the detection unit (s) relative to the recorded partial scattering images can be selected to be at least large enough to sample the two Doppler frequencies f 1 ( f 2 of the amplitude modulated scattered light signals according to the Nyquist-Shannon sampling theorem and a reduction of the necessary Sample rate or image repetition rate is achieved by optical mixing of the scattered light signals to lower frequencies by means of heterodyne technology.
  • the image rewriting rate may be less than the Nyquist frequency, and thus subsampling is performed as long as the resulting mirrored frequencies are unambiguously assigned to the real frequencies.
  • the measuring line can be formed on the surface by a longitudinal extension of the interference fringe systems in the y direction.
  • multiplexing techniques can be used.
  • two lasers with different wavelengths can be used, the beams of which are merged by a beam splitter and guided onto a beam-dividing element, by which the beam bundles are each split into two partial beams, and by a downstream optics the two partial beam bundles in JWessvokimen on the Obe / ⁇ äcb ⁇ s solid body zw brought to formation of a measurement line consisting of several measurement spots, the scattered light is guided either at least on a color camera or by a wavelength-selective beam splitter on two separately arranged detection units.
  • the beam of a pulse laser with a sufficiently high pulse repetition rate is split with a beam splitter into two substantially equally intense partial beams and the partial beams are coupled into two single-mode optical fibers in the form of fiber optic delay coils, one delay spool being longer in a defined distance than the other delay coil, whereby the one delay coil has an optical delay path, the difference in the lengths of the two delay coils being such that the time delay caused by the additional coil length is approximately equal to half the pulse-to-pulse duration of the laser such that it alternates from the fiber ends laser pulses emerge at the same time interval, whereby each partial For this purpose, the partial beams originating from the delay coils are first collimated with an optical system and then collinearly superposed with a beam splitter, the partial beams thus superimposed being then directed onto a transmission diffraction grating, which is used for beam splitting serves, wherein the +1 (ptus first) diffraction order and -
  • the formation of the fan shape of the interference fringe systems can be achieved by adjusting the optics which are arranged after the delay coils in the individual paths.
  • the converging interference fringe system and the diverging interference fringe system at the location of the measuring volume can alternately be generated from the laser pulses.
  • a pulse picker in the form of an acousto-optic modulator or an electro-optic modulator can be installed, which passes only pulses at selected times, wherein for operation laser, detection unit , Control unit and pulse picker are synchronized to each other.
  • the Doppler signals of the laser Doppler distance sensor are scanned directly with fast detection units
  • a measurement is carried out simultaneously on a plurality of measuring spots on the surface, which are arranged along a measuring line, by implementing a parallel processing for the recorded partial scattering images of the measuring line which are produced at the individual pixel groups, the 3D shape of the moving solid is determined as it passes through the measuring volume in the region of the measuring line,
  • the measuring volume and the interference fringe systems are elongated by optical means or by the use of light sources with approximately linear beam profile in direction, so that a measuring line is produced,
  • the amplitude modulation of the scattered light signals which occurs in the case of the laser Doppler distance sensor, is temporally and spatially resolved at different measuring points along a measuring line on the solid surface by means of a sufficiently fast detector array (camera)
  • the surface velocity and the surface position can be determined from these double signals for each individual measuring point.
  • the invention enables contactless, instantaneous and absolute 3D shape measurement of rapidly moving and, in particular, rotating solids with micrometer precision and without mechanical scanning processes.
  • the invention represents a significant extension of the sensor described in DE 10 2004 025 801 A1 to 3D shape measurement.
  • the laser Doppler distance sensor is extended so that the interference fringe system is lengthened by means of a special illumination optical system Is drawn and not a single-point detector, but a multipoint detector array (camera) is used for the detection of scattered light.
  • a special illumination optical system Is drawn and not a single-point detector, but a multipoint detector array (camera) is used for the detection of scattered light.
  • the Doppler frequencies of the laser Doppler distance sensor for the first time be scanned directly with a sufficiently fast array detector (camera).
  • the measurement volume or the interference interference systems are stretched in the y-direction, so that the largest possible part of the solid-state surface can be detected with one measurement.
  • double signals are detected simultaneously for several measurement points along a line on the solid surface, from which the respective surface velocities and surface positions can be determined locally with local and time resolution.
  • the three-dimensional solid state shape can thus be determined instantly and without a scanning process.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser Doppler distance sensor according to the prior art
  • 2 shows a convergent interference fringe system
  • 3 shows a divergent interference fringe system
  • Fig. 4 is a functional diagram of the known laser Doppler distance sensor for the simultaneous determination of the speed v x and the position z by means of the measured Doppler frequencies fi and h with a calibration function q (z) and strip pitch curves d (z) in dependence on the axial position 5 shows a schematic representation of a laser Doppler line distance sensor with a pulse laser as a time multiplexing light source,
  • FIG. 6 shows a schematic partial representation of the laser Doppler-Unien distance sensor, in which, for reasons of clarity, only a parallel interference fringe system is shown, and in which by a fast scanning of the scattered light with a camera (line camera) the Doppiersignal measured in a spatially resolved
  • Fig. 7b output signal for a single element (Einzelpixei or pixel group) of
  • Fig. 8 is a schematic representation of a laser Doppler line distance sensor according to the invention, wherein
  • Fig. 8a shows the structure in WelleniDeutschenmuliplex technique and wide-band laser diodes for uniform illumination of a long
  • FIG. 8b show an enlarged section of the measurement line on the solid
  • 9 shows a schematic overview of the image processing and evaluation of the output signals of a camera in an evaluation unit.
  • Fig. 5 and Fig. 6 are considered together.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a laser Doppler line distance sensor 30 for the three-dimensional measurement of moving solids 43 in which light waves 16, 17 of a light source 5 for illuminating the surface can be irradiated onto the surface 2 of the moving solid 43 2, and wherein at least one Oetekt nshim 4 is present, which registers the scattered light from the surface 2 8, wherein an evaluation of the registered scattered light signals of the surface 2 for determining the 3D shape of the surface 2 by means of a detection unit 4 downstream evaluation 34, whereby the position and tangential velocity of the surface 2 and thus the resulting 2D shape of the surface 2 for each measuring spot are determined at least on the principle of a laser Doppler distance sensor 7,
  • the laser ooppler distance sensor 7 in a measurement volume 1 on the surface 2 forms two superimposed fan-shaped expanded interference fringes 18, 19, wherein the two interference fringes 18, 19 are physically distinguishable and for each of the interference fringe systems 18, 19 a Doppler frequency f ,, f 2 from the scattered light 8 of the measuring volume 1 traversing surface 2 can be determined.
  • the surface 2 of the solid to be imaged is limited to a measurement line, the interference fringe systems 18, 19 being elongated in the y direction by optical means 56, so that the scattered light 8 of the measurement line 32 is transmitted to the detection unit 4 via the downstream imaging optics 3 and for a plurality of measuring spots 29, 31 or 401, 410, 414, which are lined up in the y-direction, along the measuring line 32
  • the axial position z (y, t) and the speed Vx (y, z, t) of the individual measuring spots are determined by - the axial position z (y, t) of the scattered light 8 from the ratio of the two measured Doppler frequencies f if ⁇ % and a calibration function q (y, z), which is the quotient of the stripe distance functions di ⁇ y, z), daiy ⁇ ) is formed, determined, as well as
  • the velocity Vx ⁇ y, z, t) of the individual measurement spots is determined from the determined axial position z (y, t) and the stripe distance functions di (y, z), d 2 (y, z),
  • the inserted detection unit 4 includes a plurality of cell-shaped arranged or cell-shaped combined individual elements 401, 410, 414, which register the imaged measuring line 32 ats Teiistreuproof 29, 31 and communicate with the evaluation unit 34, wherein
  • the frame rate of the detection unit 4 based on the received Teiistreuopathic 29, 31 including the signal processing hardware is at least so large that the two Doppierfrequenzen f if the amplitude modulated scattered light signals are sampled according to the Nyquist-Shannon sampling, and
  • the refresh rate can fall below the Nyquist frequency or a sub-sampling can be made if the resulting mirrored frequencies can be clearly assigned to the real frequencies.
  • the detection unit 4 with the plurality of Einzetiatan 401, 410, 414 may be a line scan camera, a matrix camera or a photodiode array. In this case, the individual elements 401, 410, 414 can represent groups of evaluation-related combined pixels.
  • the laser 5 in Fig. 5 may be a pulse laser, the mitteis fiber optic delay coils, the two interference fringes 18, 19 produced in ZeitmuttipJex.
  • the detection unit 4 can be integrated in the transmitting optics, so that detection of the scattered light in the reverse direction can take place.
  • a detection unit 4 As a detection unit 4, a color camera and anstelte a laser 5 for the line distance sensor 30, two lasers with different wavelengths for the generation of the two interference fringe systems (wave length multiplex) 18, 19 be used.
  • the detection unit 4 (camera, photodiode array) may be fiber-coupled.
  • a grating 23 arranged downstream of the beam splitter 22, for generating beam bundles 16, 17 with +1 (first-order) diffraction order 25 and -1. (minus first) order of distraction 26,
  • Kepler telescope 24 for intersecting the radiation beams 16, 17 to superimposed interference fringe systems 18, 19,
  • an evaluation unit 34 which is in communication with the line scan camera 4 and evaluates the partial scattering images 29, 31 on the individual elements 401, 410, 414,
  • control unit 35 belonging to the evaluation unit 34 which is in communication with the line scan camera 4 and the puts laser 5 and which matches the pulse rate of the pulse laser 5 to the frame rate of the line scan camera 4 in unison
  • the laser-ouppler-distance measuring sensor 30 is described in which a line scan camera 4 and a pulse laser 5 are used for the functionally time-multiplexing method.
  • the beam 10 of the pulse laser 5 with a sufficiently high pulse repetition rate is split with the radiation element 11 into two largely energy-intensive partial beams and these are coupled into two single-mode optical waveguides (glass fibers) 12, 13.
  • the fiber 13 is a defined length longer than the other fiber 12, whereby the fiber 13 acts as an optical delay line.
  • the difference in the lengths ⁇ 1 of the two fibers 12, 13 is so determined that the time delay caused by the additional fiber length AI is approximately equal to half the pulse-to-pulse duration (the reciprocal of the pulse repetition rate) of the laser 5.
  • This causes the laser fibers to emerge alternately from the fiber ends 14, 15 in approximately the same spacing interval (time division multiplexing).
  • Each partial beam pair 16, 17 of the fibers 12, 13 now produces exactly one interference fringe system 18, 19.
  • the partial beam fringes 16, 17 emerging from the fibers 12, 13 are firstly collimated with an optic 20, 21 and then, for example, with collinearly superimposed on the beam director 22 -
  • the sub-beams 16, 17 superimposed in this way are now directed onto the transmission diffraction grating 23, which serves for beam splitting.
  • the +1, ⁇ plus first) order 25 and -1. (minus first) diffraction order 26 are parallelled with the Kepler-Te telescope 24 and brought to overlap, while other diffraction orders are hidden.
  • the transmission diffraction grating 23 Before the transmission diffraction grating 23 is a Zylinderiinse 56 is located, "which is a line-shaped Measuring volume 1 with respect to the superimposed interference fringe systems 18, 19 as a measuring line 32 forms.
  • the formation of the fan shape of the interference fringe systems 18, 19 is achieved by individual adjustment of the beam waist waists, for example by adjusting the collimating lenses 20, 21 behind the fibers 12, 13, in the individual paths 27, 28.
  • the converging interference fringe system 18, as shown in Fig. 2 and the diverging interference fringe system 19, as shown in Fig. 3, at the same place alternately from the laser pulses , the measuring volume 1, generated (Zeü uüipiex).
  • the linear measurement volume 1 is aligned with the surface 2 of the moving solid 43, and the scattered light 8 of the measurement line 32 is imaged onto the camera 4 as partial scatter images 29, 3 by means of imaging optics 3.
  • the camera 4 can be incorporated into the structure of the laser Doppler distance sensor 7, so that a DetektJon of the partial scattering images 29, 31 in the reverse direction is feasible, which offers the advantage of only one optical access to the experiment
  • the first optical path 27 downstream of the beam divider 11 can consist of a fiber line 14 and an input coupler and an output coupler as well as a first optical system 20 arranged between the output coupler and the beam splitter 22.
  • the second optical path 28 arranged downstream of the beam divider 11 can consist of a longer fiber line 15 having an optical delay line ⁇ with respect to the fiber line 14 and a coupler and an output coupler, and a second optic 21 arranged between the coupler and the beam coupler 22.
  • a light modulator 6 can be arranged as a pulse picker for adapting the pulse rate of the laser 5 to the frame rate of the camera 4. If the pulse rate of the laser 5 is significantly greater than the frame rate of the camera 4, then such a pulse picker in the form of an acousto-optic modulator 6 or an electro-optical modulator can be installed behind the laser 5, which transmits only pulses at selected times ("down-clocking"). It is expedient to synchronize for the operation of laser 5, camera 4, control unit 35 and Pulspicker 6 to each other.
  • the first path 27, instead of the downstream fiber optics 12, may have a first pulse picker in the form of a Uchtmodulator and the second path 28 instead of the delay line having fiber optics 13 a second Pulspicker also in the form of a Uch modulator, the Pulspicker can be connected to the control unit 35.
  • the two Incpicker can be installed immediately behind the beam splitter 11 and individually switched at least by means of the control unit 35. As a result, it is possible to dispense with the optical delay path and greater flexibility with respect to the camera 4 and the choice of the laser 5 is obtained.
  • the laser Doppler distance sensor 7 on which the laser Doppler line distance sensor 30 is based is an extension of conventional laser Doppler velocimeters, although two superimposed interference fringe systems are used, of which at least one is fan-shaped. Ideally, they are both fan-shaped but opposite in their orientation.
  • FIG. 6 shows a schematic partial representation of the laser Doppler line distance sensor 30 (only one parallel interference fringe system is indicated for reasons of clarity).
  • the rapid scanning of the scattered light 8 from the measuring spots 101, 110, 114 (representative of all single-line elements), which form the measuring line 32, by means of the imaging optics 3 and finally with the line camera 4 with the individual elements 401, 410, 414, the Doppler signal measured in a spatially resolved manner.
  • Each measuring spot 101, 10, 14 is assigned a single element 401, 10, 414.
  • Cameras 4 used in principle do not provide continuous output signals, but snapshots at specific times. As a result, only time-discrete signals are present as individual elements for the individual pixel groups, as shown in FIG. 7b
  • FIG. 7 a shows the burst signal of a continuously operating photodetector as a single-element in conventional laser Doppler velocimeters and FIG. 7 b shows a temporally equidistantly sampled burst signal for a camera pixel group in the laser Doppler-limen distance sensor 30 according to the invention.
  • the camera 4 should be sufficiently fast to resolve the Doppler frequency fi, h of the modulated scattering signals of the laser Doppler-Distartzsensors 7, ie, so that the sampling theorem according to Shannon and Nyquist remains satisfied
  • D is the maximum strip spacing that occurs in the measuring volume 1
  • f D max is the maximum measurable Doppler frequency
  • f B is the frame rate of the line scan camera 4.
  • the factor! results from the sampling theorem according to Shannon and Nyquist.
  • the camera 4 can be replaced by a fast photodiode array which provides time-continuous signals.
  • the sampling rate here is orders of magnitude higher.
  • the frame rate of the camera 4 is to be replaced by the sampling rate of the analog / digital converter. If a pulse laser is used as the laser 5 in the laser double distance sensor 7, then in this case the bi-rate of the camera 4 in the above formula is to be replaced by the pulse repetition rate of the laser 5.
  • subsampling can be permitted here, as long as the measured frequencies can be unambiguously assigned to the real frequencies, e.g. if only one frequency is present in the signal and the approximate size of the signal frequency is known.
  • the laser Doppler line distance sensor 60 shown in FIG. 8 a for carrying out a wavelength division multiplexing method has two lasers - two wide-band laser diodes 61, 62 - with different wavelengths, whose beam bundles are brought together by a beam splitter 1 and guided onto a beam-splitting element 23 are by which the beams are split into two partial beams 16, 17, and are brought by a subordinate optics 24, the two partial beam bundles in the measuring volume 1 on the surface 2 of the solid 43 to overlap to form a in an enlarged view in Fig.
  • the scattered light 8 either at least on a color camera or by a wavelength-selective beam splitter 221 on two separately arranged detection units 63, 64 is performed with the Evaluation unit 34 are connected.
  • the beam splitter 11 can be designed as a beam splitter cube, dichroic mirror or fiber coupler.
  • the beam splitting element 23 may be a prism or a diffraction grating.
  • the optics 24 can be designed by means of lenses as a telescope or completely or partially fiber optic.
  • a spectral filter Before the detection units 63, 64, a spectral filter can be arranged in each case.
  • the wide-maturity laser diodes 61, 62 emit approximately cylinder worlds, resulting in the near field, a linear Strahiprofil.
  • a wide-band laser diode 61, 62 emits a light wave with an approximately single-mode Gaussian intensity profile, while several transverse modes oscillate in the long direction, resulting in a rectangular intensity profile.
  • Extremely long interference fringe systems 18, 19 can thus be produced, which are also homogeneously illuminated in the y-direction (along the height) or along the interference fringes (in contrast to the use of a cylindrical lens 56).
  • the scattered light 8 is transmitted from different heights to different elements 401, 410, 414 of a line detector 63, 64 (eg a line scan camera).
  • the 3D shape of the moving solid 43 within the height of the interference fringe systems 18, 19 can be determined absolutely and instantly without scanning, and this with a rotating solid 43 during only one revolution. Due to the high aspect ratio of the wide-band laser diodes 61, 62 of approximately 1: 100, a length of the measuring line 32 of a few centimeters can be achieved without difficulty.
  • wavelength division multiplexing As a multiplexing method in this embodiment, wavelength division multiplexing (WDM) is used with two wide-band laser diodes 61, 62 of different wavelengths.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • FIGS. 8a, 8b the advantage of the exemplary embodiment in FIGS. 8a, 8b lies in the relatively simple and inexpensive construction of the transmission optics 65, 66.
  • two multipoint detectors (line scan cameras) 63, 64 are required here.
  • Table 1 lists the possible components that can be used in the laser Doppler line distance sensors 30 or 60 according to the invention. NEN to achieve a three-dimensional shape measurement of a moving solid 43.
  • FIG. 9 shows a schematic overview of the processing and evaluation of the output signals of a camera 4 in the evaluation unit 34.
  • the output signal of the detection unit 4 arriving at the input 36 is processed in individual function subunits 361, 362, 36N per cell-grouped pixel group (measuring spot).
  • the resulting NEN 2D sections are guided in a fusion unit 37 to a stack-shaped fusion. From this, the 3D shape of the solid 43 is determined, which can be output via an output unit 38 for information.
  • the function subunits 361, 362, 36N each contain a first decision unit 39 with an input validation to be confirmed as to whether an output signal of the camera 4 is actually present with respect to the associated pixel group.
  • a decision unit 39 of the function subunits 361, 362, 36N is followed by an associated function subunit 47, wherein in this function subunit 47 via the Doppler frequency determination fi, f 2 by means of a calibration functions q (y, z) and the strip pitch curves di (y, z), d 2 (y, z) a calculation of the speed vjy, z, t) and the position z (y, t) for the respective measuring spot on the essünie 32 is performed.
  • one functional subunit 47 is provided with a second decision unit 49, which decides for each individual time of measurement whether physically expedient data has been determined t, whereby non-useful data points can either be omitted or interpolated by means of adjacent data points,
  • the second decision unit 49 is followed by a further functional sub-unit 48, which from the determined time-resolved measurement data z (y, t) and v x (y, z, t) the 2D shape in the xz plane after the in the document DE 10 2004 025 801 A1.
  • the measuring volume 1 and the interference fringe systems 18, 19 are drawn in the y direction in the length to a measuring line 32, so that as large a part of the solid surface 2 as possible can be detected with a measuring unit m,
  • the z-coordinate (which coincides with the optical axis 9) is determined by the method of the laser Doppler distance sensor 7 (ie by a Evaluation of two Doppterfrequenzen, f2, by two superposed, oppositely fan-shaped InterfernzstSubsysteme 18, 19 arising).
  • Typical spatial resolutions are in the micrometer range,
  • the velocity component v x is determined according to the principle of the laser Doppler distance sensor 7 (ie by an evaluation of the Doppler frequencies). Uncertainties of up to 0.01% are possible here.
  • U 30 shape of a moving body element 43 is measured contactless, instantaneously, absolutely and with micrometer precision on passing through the measuring volume 1 in the region of the measuring line 32, without mechanical scanning processes being necessary.
  • the present invention represents an extension of the laser Doppler distance sensor 7 in that, for the detection of the stray light 8, there is no single-point detection unit, but a detection unit formed with cell-shaped individual elements, e.g. a camera is used.
  • the Doppler frequencies f ⁇ and 1z of the laser Doppler distance sensor 7 are to be scanned directly for the first time with a sufficiently fast camera 4.
  • the measurement volume 1 or the interference fringe systems 18, 19 are pulled in the y-direction in the length, so that a measurement of the largest possible part of the solid surface 2 can be detected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laser-Doppier-Linien-Distanzsensor {30, 60) zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper (43), bei dem auf die Oberfläche (2) des bewegten Festkörpers (43) einstrahlbare Lichtwellen (16, 17) mindestens einer Lichtquelle (5) zur Beleuchtung der Oberfläche (2) geführt sind, und wobei zumindest eine Detektionseinheit (4) vorhanden ist, die das von der Oberfläche (2) gestreute Licht (8) registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der Oberfläche (2) mittels einer der Detektionseinheit (4) nachgeschalteten Auswerteeinheit (34) erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkeit der Oberfläche (2) und somit die resultierende 2D-Oberflächenform für jeden Messfieck (101, 110, 114) entlang der Messlinie (32) zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Distanzsensors (7) bestimmt werden, wobei der Laser-Doppler-Distanzsensor (7) in einem Messvolumen (1) auf der Oberfläche (2) zwei überlagerte Interferenzstreifensysteme (18, 19) ausbildet, wobei mindestens eines der beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) fächerförmig aufgeweitet ausgebildet ist, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme (18, 19) eine Dopplerfrequenz (f1, f2) aus dem Streulicht (8) der das Messvolumen (1) durchquerenden Oberfläche (2) bestimmbar ist. Dabei ist die abzubildende Oberfläche (2) des Festkörpers auf eine von den Interferenzstreifensystemen (18, 19) gebildete Messlinie (32) begrenzt, so dass das Streuficht (8) der Messlinie (32) über die nachgeordnete Abbildungsoptik (3) auf die Detektionseinheit (4) abgebildet wird, wobei die eingesetzte Detektionseinheit (4) mehrere zellenförmig ausgebildete oder zellenförmig zusammengefasste Einzelelemente (401, 410, 414) enthält, die die abgebildete Messlinie (32) als Teilstreubilder (29, 31) registrieren und mit der Auswerteinhett (34) zur Ermittlung der 3D-Form des Festkörpers (43) in Verbindung steht, wobei die 3D-Form durch eine stapeiförmige Fusion der ermittelten 2D-Schnitte für die einzelnen Messflecke (101, 110, 114) bestimmt wird, und wobei die einzelnen 2D-Schnitte aus der axialen Position (z(y,t)) und der Geschwindigkeit (vx(y,z,t)) der einzelnen Messflecke (101, 110, 114) der Messlinie (32) ermittelt werden, wobei - die axiale Position (z(y,t)) aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen (f1, f2) und einer Kalibrierungsfunktion (q(y,z)), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen (d1(y,z), d2(y,z)) gebildet wird, bestimmt wird, und - die Geschwindigkeit {Vxiy.z.t)) an den einzelnen Messflecken (101, 110, 114) der Messlinie (32) aus der ermittelten axialen Position (z(y,t)) und den Streifenabstandsfunktionen (d1(y,z), d2(y,z)) bestimmt wird.

Description

Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor
zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper, bei dem auf die Oberfläche des bewegten Festkörpers einstrahlbare Lichtwellen mindestens einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Oberfläche geführt sind, und wobei zumindest eine Detektion- seinheit vorhanden ist, die das von der Oberfläche gestreute Licht registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der Oberfläche mittels einer der Detektionsein eit nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialgeschwindigkett der Oberfläche und somit eine resultierende 2D-Form für jeden Messfleck zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler- Distanzsensors bestimmt werden, wobei der Laser-Doppler-Distanzsensor in einem auf die Oberfläche projizierten Messvolumen zwei überlagerte, zumindest eines davon fächerförmig aufgewettete Interferenzstreifensysteme ausbildet, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme eine Doppierfrequenz aus dem Streulicht mindestens einer das Messvolumen durchquerenden Oberfläche bestimmbar ist. Ein solcher Laser-Doppler-Distanzsensor zur absoluten Formvermessung von rotierenden Festkörpern ist in der Druckschrift DE 10 2004 025 801 A1 beschrieben, wobei der in Fig. 1 gezeigte Laser-Doppler-Distanzsensor 7 zwei Laser 51 , 52 mit unterschiedlichen Wellenlängen ^ λ2 vorhanden sind.
In dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Laser-Doppler-Distanzsensor 7 sind jeweils zwei überlagerte, fächerförmige Interferenzstreifensysteme 18, 19, die physikalisch unterscheidbar sind, vorhanden, wobei zwei Laserlichtquellen 51, 52 zu einer zusammengefassten Sendeoptiken vorgesehen sind, denen linear beabstandet auf ihrer optischen Achse 9 ein aus den zwei überlagerten Interfe- renzstreifensystemen 18, 19 bestehendes Messvolumen 1 zugeordnet ist, in dem über eine oder mehrere Empfangsoptiken aus dem jeweiligen Streulicht 8 eines Punktes der reflektierenden Oberfläche 2 mittels einer Auswerteeinheit 34 zur Signalverarbeitung von Streuiichtsignalpaaren eine Achsenposition z und eine positionszugehörige Lateralgeschwindigkeitskomponente vx des Punktes der Oberfläche 2 ermittelbar sind, und wobei die beiden Interferenzstreifensystemen 18, 19 in einem vorgegebenen xyz- oordinatensystem zu einem Schnittmessbereich, der das Messvolumen 1 bildet, überlagert sind, wobei eine oder mehrere Empfangsoptiken im Raum um den Schnittmessbereich/Messvolumen angeordnet sind, denen die den Sendeoptiken zugeordnete Auswerteeinheit 34 nachge- ordnet ist, und wobei die Auswerteeinheit 34 mit Signalverarbeitungseinheiten derart ausgebildet ist, dass sowohl die Objektoberflächenposition z als auch die laterale Geschwindigkeitskomponente vx der Oberfläche 2 zeit- bzw. winkelaufgelöst bestimmbar sind, woraus die zweidimensionale Objektform in der xz-Ebene ermittelt werden kann.
Das Funktionsprinzip des in Fig. 1 dargesteilten Laser-Doppler-Distanzssensors 7 beruht auf der Erzeugung der zwei in einem gemeinsamen Messvolumen 1 überlagerten Interferenzstreifensysteme 18, 19, von denen mindestens eines fächerförmig ausgebildet ist. Ideaferweise sind beide interferenzstreifensysteme 18, 19 fächerförmig mit in Fig. 2 und Fig. 3 entgegengesetzten Ausrichtungen:
Erstens ein in Fig. 2 gezeigtes konvergentes Interferenzstreifensystem 18, bei dem der Interferenzstreifenabstand dj(z) entlang der z-Achse (optische Achse) kontinuierlich abnimmt, und zweitens ein in Fig. 3 divergentes Interferenzstreifensystem 19, bei dem der Interferenzstreifenabstand d2(z) entsprechend kontinuierlich ansteigt.
Dabei werden die beiden Interferenzstreifensysteme 18, 19 unterschiedlicher Lichtwellenlängen in dem Messvolumen 1 überlagert. Durch die Messung von resultierenden zwei Doppier-Frequenzen fi und kann sowohl die axiale Position z als auch die laterale Geschwindigkeit vx (x-Komponente) der Oberfläche 2 bestimmt werden.
Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Interferenzstreifensysteme 18, 19 werden durch jeweils eine Streifenabstandsfunktion di(z), d2(z) beschrieben. Die Konvergenz der Interferenzstreifen oder die Divergenz der Interferenzstreifen wird durch die Ausnutzung der Wellenfrontkrümmung von Laserstrahlenbündeln 16, 17 der Laser 51, 52 erreicht. Dazu wird die Strahltaille des Gaußschen Strahls vor das Messvolumen 1 platziert, um ein divergentes Interferenzstreifensystem 19 zu erzeugen. Umgekehrt resultiert aus der Justage der Strahltaille hinter dem Messvo- lumen 1 ein konvergentes Interferenzstreffensystem 18.
Die beiden Interferenzstreifensysteme 18, 19 müssen physikalisch unterscheidbar sei , was durch den Einsatz von Multipiexverfahren, z.B. durch unterschiedliche LaserwellenJängen (Wellenlängenmultiplex), Trägerfrequenzen (Frequenz- multiplex) usw. erreicht wird.
Durchquert die Oberfläche 2 das Messvolumen 1 , so kann das Streulicht 8 von beiden Streifensystemen 18, 19 getrennt und diesen zugeordnet werden, so dass sich die zwei Dopplerfrequenzen fi und h ermitteln lassen. Der Quotient der beiden Dopplerfrequenzen fi und ergibt sich nach Gleichung
Figure imgf000005_0001
und hängt nicht mehr von der Streuobjektgeschwindigkeit v* ab und kann somit, wie in Fig. 4 gezeigt als Kalibrierfunktion q(z) zur Bestimmung der axialen Positi- on z eines Punktes der Oberfläche 2 innerhalb des Messvolumens 1 verwendet werden. Mit Hilfe der bekannten Durchtrittsposition z des Punktes der Oberfläche 2 durch das MessvoJumen 1 hindurch können dann die aktuellen Streifenabstän- de di(z) und dz{z) aus den durch die vorherige Sensorkalibrierung bekannten Streifenabstandsverläufen d = d(z) ermittelt werden. Zusammen mit den beiden Dopplerfrequenzen und f2 ergibt sich dann die laterale Streuobjektgeschwindigkeit vx nach folgender Gleichung zu v„ (z) = /, (v K , z) d, (z) = f2 , z) d2 (z) (IV)
Die Fig. 4 fasst das Funktionsprinzip des Laser-Doppler-Distartzsensors 7 schematisch zusammen und zeigt auf, wie sich aus den gemessenen Dopplerfre- quenzen fi und f2 die laterale in Fig. 4 dargestellte Geschwindigkeitskomponente vx(z) und die axiale Position z bestimmen lassen.
Da der Laser-Doppler-Distanzsensor 7 gleichzeitig die Position der Oberfläche 2 und deren Tangentialgeschwindigkeit zeitaufgelöst erfassen kann, kann somit die zweidimensionale Form (in der xz-Ebene) bewegter und insbesondere rotieren- der Festkörper während mindestens einem Durchgang bzw. einer Umdrehung des Messobjektes absolut bestimmt werden. Durch Traversieren des Sensors in y-Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung bzw. entlang der Rotationsachse des Messobjektes wird die Bestimmung der dreidimensionalen Objektform möglich, wie dies in der Druckschrift P. Günther, T. Pfister, L Büttner, J. Czarske: Absolute Formvermessung rotierender Festkörper mit einem Phasen-Laser- Doppler-Distanzsensor, DGaO-Proceedings 2008, ISSN 1614-8436 beschrieben ist. Nachteilig ist, dass die hierfür notwendige Traversierung des Sensors oder des Messobjektes technisch und zeitlich sehr aufwändig ist, so dass eine instan- tane 3D-Formvermessung insbesondere von schnell bewegten Objekten mit ho- her Zeitauflösung nicht möglich ist. Darüber hinaus führt die grundsätzlich begrenzte Wiederholgenauigkeit der mechanischen Traversierung des Sensors bzw. des Messobjektes zu unbekannten systematischen Messabweichungen in der 3D-Form, die nicht durch eine geeignete Kalibrierung oder Signalverarbeitung korrigiert bzw. eliminiert werden können,
Die wesentlichen Merkmale des Laser-Doppler-Distanzsensors 7 sind: - Die Geschwindigkeitsmessung basiert auf der Auswertung der Dopplerfre- quenzverschiebung fo des von einem Punkt der Oberfläche 2 gestreuten Lichts 8 (wie beim konventionellen LDV),
- Die Streulichtdetektion erfolgt mit einer oder zwei einzelnen Photodioden (jö nach Muftiplexart, ähnlich wie beim konventionellen LDV),
- Es wird die Geschwindigkeitskomponente vx(z) erfasst, die senkrecht zur optischen Achse in der von den Teilstrahlenbündeln 16, 17 aufgespannten Ebene liegt (wie beim konventionellen LDV).
- Zusätzlich kann die Position z entlang der optischen Achse bestimmt werden. - Mit der zusätzlichen Kenntnis der Rotationsfrequenz, die auch aus den Streulichtsignalen selbst ermittelt werden kann, kann aus den gemessenen zettaufgelösten Größen z(t) und vx(t) die 2D-Form rotierender Festkörper absolut bestimmt werden. Siehe dazu auch Druckschrift DE 10 2004 025801 A1.
- Die Ortsauflösung in z-Richtung hängt von der Genauigkeit der Ortsbestim- mung und damit wiederum von der Steigung der Kaiibrierfunktion q(z) und der
Unsicherheit der Frequenzschätzung ab. Sie liegt typischerweise im Mikrometerbereich.
- Die Unsicherheit der Geschwindigkeit hängt, im Gegensatz zum konventionellen LDV, nur noch von der Frequenzschätzung und nicht mehr von der Kon- stanz oder Variation des Streifenabstandes di(z) und d2(z) ab. Sie beträgt bis zu 0,01%.
- Die Positionsmessunsicherheit ist im Gegensatz zu konventionellen Distanzsensoren unabhängig von der Objektgeschwindigkeit, so dass präzise Messungen auch an schnell bewegten Festkörpern möglich sind.
- Eine instantane 3D-Formvermessung von schnell bewegten Objekten mit hoher Zeitauflösung ist aufgrund der notwendigen mechanischen Traversierung des Sensors oder des Messobjektes nicht möglich
Von anderen optischen Distanzmessverfahren ist bekannt, dass eine Erweiterung der punktförmigen Messung zu einer ünienförmigen Messung möglich ist. So kann bei der Triangulation anstelle einer punktförmigen Beleuchtung des Messobjektes eine Laserlinie auf die Objektoberfläche eingestrahlt werden, so dass gleichzeitig mehrere Distanzmesswerte entlang einer Linie ermittelt werden kön- nen. In der Druckschrift DE 698 19 158 T2 wird beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kopieren von Schlüsseln beschrieben, wobei das Schlüs- selführungsprofil des Originalschlüssels mittels linienförmiger Triangulation gemessen wird und das Messergebnis als Steuersignal für die Herstellung (For- mung) einer Schlüsselkopie aus einer Vorform verwendet wird, wobei der Originalschlüssel mit einem Laserlinienfokus beleuchtet und das auf der Oberfläche des Schlüssels deflektierte Licht mit einer Flächenkamera beobachtet wird und aus der mit der Kamera beobachteten Verformung der Laserlinie das Schlüsselführungsprofil bestimmt wird. Allerdings lassen sich die Vorrichtung und das Ver- fahren der linienförmigen Triangulation nicht auf einen linienförmig messenden Laser-Doppler-Distanzsensor übertragen, da das zugrunde liegende Messprinzip komplett unterschiedlich ist:
- Bei einer linienförmigen Triangulation muss lediglich eine Laserlinie auf das Messobjekt projiziert werden. Beim Laser-Doppler-Distanzsensor sind hinge- gen zwei überlagerte Laserlinien notwendig, die darüber hinaus jeweils eine streifenförmige Feinstruktur aufweisen müssen {Interferenzstreifen, siehe oben). Daher sind eine komplett unterschiedliche Vorrichtung sowie ein komplett anderes Verfahren der Beleuchtung notwendig.
- Bei der Triangulation wird die Distanz jedes Messpunktes aus der Position des entsprechenden deflektierten Lichtflecks in der Detektorebene bestimmt, weshalb für eine linienförmige Triangulationsmessung unbedingt eine 2D- Flächenkamera notwendig ist. Dagegen wird beim Laser-Doppler- Distanzsensor eine zeitliche Amplitudenmodulation der Streulichtsignale ausgewertet, so dass für eine linienhafte Messung ein 1D- Liniendetektor ausrei- chend ist. Daraus resultieren ferner komplett unterschiedliche Methoden zur Signalauswertung.
- Außerdem kann bei einem linienförmig messenden Triangulationssensor im Gegensatz zu einem Linien-Laser-Doppler-Distanzsensor Übersprechen der Detektorpixel in zwei Dimensionen auftreten.
- Darüber hinaus kann es bei der linienförmigen Triangulation bei bestimmten Objektgeometrien zu Abschattung und Mehrdeutigkeiten bei der Interpretation der Kamerabilder kommen, was beim Laser-Doppler-Distanzsensor nicht auftritt. - Darüber hinaus ist das Triangulationsverfahren grundsätzlich nicht für die Vermessung schnell bewegter Objekte geeignet, da dessen Distanzmessunsicherheit im Gegensatz zum Laser-Doppier-Distanzsensor mit steigender Objektbewegungsgeschwindigkeit aufgrund der sinkenden Mittetungszeit kon- tinuierlich ansteigt.
- Außerdem wird mit der Triangulation nur die Distanz, nicht aber die Objektgeschwindigkeit erfasst, so dass ohne Zusatzinformationen über die Geschwindigkeit (von zusätzlichen Sensoren) keine eindeutige Formvermessung bewegter Objekte möglich ist.
Auch das bekannte Verfahren der konfokalen optischen Abbildung kann von einer punktförmigen Distanzmessung zu einer linienförmigen Distanzmessung erweitert werden, wie dies in der Druckschrift DE 196 08 468 C2 beschrieben ist. Hierbei wird eine Sendeeinheit bestehend aus mehreren punktförmigen entlang einer Linie angeordneten Lichtquellen linienförmig auf die Oberfläche des Messobjektes abgebildet. Die resultierende geradlinige Reihe von Abtastpunkten auf der Objektoberfläche wird wiederum auf mehrere linienförmig angeordnete punktförmige Empfänger gleicher Anzahl abgebildet, die konfokal in der Bildebene angeordnet sind. Durch periodische mechanische Variation der optischen Wegstre- cke zwischen der Abbildungsoptik und der Empfangseinheit und Messung der maximalen Leuchtdichte an den einzelnen Empfängern in Abhängigkeit der optischen Wegstrecke können die Höhenwerte (Distanzwerte) für die einzelnen Abtastpunkte aus der Objektoberfläche bestimmt werden. Auch diese finienförmige Erweiterung des Konfokalverfahrens lässt sich nicht auf einen linienförmig mes- senden Laser-Doppler-Distanzsensor übertragen aus folgenden Gründen:
- Bei der linienförmigen konfokalen Distanzmessung werden mehreren punktförmigen entlang einer Linie angeordneten Lichtquellen auf die Objektoberfläche abgebildet, so dass eine geradlinige Reihe von Lichtpunkten auf der Objektoberfläche entsteht. Beim Laser-Doppler-Distanzsensor sind hingegen an jedem Messpunkt zwei überlagerte streifenförmig strukturierte (Interferenz- Streifen, siehe oben) Lichtfeldverteilungen notwendig. Daher sind eine komplett andere Vorrichtung sowie ein komplett anderes Verfahren der Beleuchtung notwendig. - Als Folge der komplett unterschiedlichen Beleuchtung, Detektion und Signalauswertung ergeben sich weiterhin auch komplett unterschiedliche Mechanismen des Übersprechens der Signale benachbarter Linienpunkte, dem durch unterschiedliche speziell entwickelte Anpassungen der Messvorrichtung und der Signalauswertung Rechnung getragen werden muss.
- Weiterhin ist bei dem in der Druckschrift DE 196 08 468 C2 beschriebenen Verfahren immer noch eine mechanische Traversierung notwendig, und zwar zur Variation der optischen Wegstrecke zwischen der Abbiidungsoptik und der Empfangseinheit. Dies soll bei der hier beschriebenen Erfindung aufgrund des technischen und zeitlichen Aufwandes und der aus der Traversierung potentiell resultierenden Messabweichungen umgangen werden. Insbesondere ist die Traversiergeschwindigkeit aufgrund der Trägheit des Systems grundsätzlich limitiert, so dass das in der Druckschrift DE 196 08468 C2 beschriebenen Verfahren nicht für die Vermessung schnell bewegter Objekte geeignet ist. - Außerdem kann mit dem in der Druckschrift DE 196 08468 C2 beschriebenen Verfahren nur die Distanz, nicht aber die Objektgeschwindigkeit erfasst werden, so dass im Gegensatz zum Verfahren des Laser-Doppler-Distanzsensors ohne Zusatzinformationen über die Geschwindigkeit (von zusätzlichen Sensoren) keine eindeutige Formvermessung bewegter Objekte möglich ist.
Insgesamt ist festzuhalten, dass für bestimmte optische Distanzmessverfahren bereits Möglichkeiten einer Erweiterung der punktförmigen Messung zu einer li- nienförmigen Messung bekannt sind, dass sich diese Vorrichtungen und Verfahren jedoch nicht auf den Laser-Doppier-Distanzsensor übertragen lassen, da die zugrunde liegenden Messprinzipien und Messgegebenheiten grundsätzlich verschieden sind, so dass auch verschiedene Herangehensweisen und Methoden für eine Linienabtastung erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser-Doppler-Linien- Distanzsensor zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper anzugeben, der derart ausgebildet ist, dass Tangentialgeschwindigkeit und Position einer bewegten Festkörperoberfläche gleichzeitig an mehreren Messflecken entlang einer Linie erfasst werden können, so dass eine instantane Messung der dreidimensionalen Festkörperform möglich wird. Dabei sollen die Merkmale insbesondere der geschwindigkeitsunabhängigen Positionsmessunsicherheit des bekannten Laser-Doppler-Distanzsensors, der jedoch den Nachteil hat, dass er nur eine quasi-punktförmige Messung erlaubt, mit einer bildgebenden Mehr- punktmessung kombiniert werden, um die 3D-Form schnell bewegter oder rotierender Festkörper ohne mechanische Abtastprozesse (Scannprozesse) instanten sowie mikrometergenau und gleichzeitig mit hoher Zeitauflösung ermitteln zu können. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 24 gelöst.
Bei dem Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper sind auf die Oberfläche des bewegten Festkörpers einstrahlbare Lichtwellen von mindestens einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Oberfläche geführt, wobei zumindest eine Detektionseinheit vorhanden ist, die das von der Oberfläche gestreute Licht registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der Oberfläche mittels einer der Detektionseinheit nachgeschalteten Auswerteeinheit erfolgt, wobei Position und Tangentialge- schwindigkeit der Oberfläche und somit die resultierende 2D-Oberflächenform für jeden Messfleck entlang der Messlinie zumindest nach dem Prinzip eines Laser- Doppler-Distanzsensors bestimmt werden,
wobei der Laser-Doppler-Distanzsensor in einem Messvolumen auf der Oberfläche zwei überlagerte Interferenzstreifensysteme ausbildet, wobei mindestens eines der beiden Interferenzstreifensysteme fächerförmig aufgeweitet ausgebildet ist, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme eine Dopplerfrequenz fi, f2 aus dem Streulicht der das Messvolumen durchquerenden Oberfläche bestimmbar ist, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
die abzubildende Oberfläche des Festkörpers auf eine von den Interferenzstreifensystemen gebildete Messlinie begrenzt ist, so dass das Streulicht der Messli- nie über die nachgeordnete Abbildungsoptik auf die Detektionseinheit abgebildet wird, wobei die eingesetzte Detektionseinheit mehrere zeilenförmig angeordnete oder zeilenförmig zusammengefasste Einzelelemente enthält, die die abgebildete Messlinie als Teilstreubilder registrieren und mit der Auswerteinheit zur Ermittlung der 3D-Form des Festkörpers in Verbindung steht, wobei die 3D-Form durch eine stapeiförmige Fusion der ermittelten 2D-Schnitte für die einzelnen Messflecke bestimmt wird, und wobei die einzelnen 2D-Schnitte aus der axialen Position z(y,t) und der Geschwindigkeit vx(y,z,t) der einzelnen Messfiecke der Messlinie ermittelt werden, wobei
- die axiale Position z(y,t) aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Doppler- frequenzen fi, f2 und einer Kalibrierungsfunktion q(y,z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen di(y,z), dziy.z) gebildet wird, bestimmt wird, und
- die Geschwindigkeit vx(y,z,t) an den einzelnen Messflecken 101 , 110, 114 der Messlinie aus der ermittelten axialen Position z(y,t) und den Streifenabstandsfunktionen di(y,z), dziy.z) bestimmt wird.
Die Bildwiederholrate der Detektionseinheit/en bezogen auf die aufgenommenen Teilstreubilder einschließlich der Signalverarbeitungshardware kann mindestens so groß sein, dass die beiden Doppierfrequenzen fi, der amplitudenmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und dass eine Reduzierung der notwendigen Abtastrate bzw. Bildwiederholrate durch optisches Mischen der Streulichtsignale zu niedrigeren Fre- quenzen mitteis Heterodyntechnik erreichbar ist.
Die Bildwiederholrate kann die Nyquist-Frequenz unterscheiteen und es wird eine Unterabtastung vorgenommen, sofern die resultierenden gespiegelten Frequenzen eindeutig den realen Frequenzen zuordenbar sind.
Die Messlinie auf der Oberfläche ist durch eine Längenausdehnung der Interferenzstreifensysteme in y-Richtung ausgebildet, die durch optische Mittel oder durch einen Einsatz von Lichtquellen mit linienformigem Strahlprofil ausgebildet ist.
Dabei können die optischen Mittel mindestens eine Zylinderlinse und die Lichtquellen Breitstreifen-Laserdioden sein. Eine Detektionseinheit mit mehreren Einzelelementen kann eine Zeiienkamera, eine Matrixkamera oder ein Photodioden-Array sein, wobei die Einzelelemente Gruppen von zusammengefassten Pixeln sein können. Die zeilenförmig ausgebildeten Einzelelemente können insgesamt als eine Aufnahmespalte ausgebildet sein.
Dabei kann das Photodioden-Array fasergekoppelt sein.
Die Detektionseinheit kann in die Sendeoptik integriert sein, so dass eine Detek- tion des Streulichts in Rückwärtsrichtung erfolgt.
Die physikalische Unterscheidbarkeit der beiden Interferenzstreifensysteme kann durch Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex, Wellenlängenmultiplex oder Polarisati- onsmultiplex gegeben sein.
Die Lichtquellen können Dauerstrichlaser für cw-Betrieb, Kurzpulslaser für einen Pulsbetrieb für Zeitmultiplexverfahren oder Mehrlinienlaser für Wellenlängenmul- tiplexverfahren oder Breitstreifen-Laserdioden für lange Linienlängen mit gleichmäßiger Ausleuchtung sein.
Für die Durchführung eines Wellenlängenmulttplexverfahrens können zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt sein, deren Strahlenbündel mittels eines Strahlteilers zusammengeführt und auf ein strahlteilendes Element geführt sind, durch das die SteahlenbündeJ jeweils jn szwei TeiJstrahlenbündel aufgespal- ten werden, und durch eine nachgeordnete Optik die beiden Teilstrahlenbündel im Messvolumen auf der Oberfläche des Festkörpers zur Überlagerung gebracht werden unter Ausbildung einer Messlinie bestehend aus mehreren Messflecken, wobei das Streulicht entweder zumindest auf eine Farbkamera oder durch einen wellenlängenselektiven Strahlteiler auf zwei separat angeordnete Detektionsetn- heiten geführt wird, die mit der Auswerteeinheit verbunden sind.
Der zugehörige Strahlteiler kann als Strahlteilerwürfel, dichroitischer Spiegel oder als Faserkoppler ausgeführt sein. Das strahlteilende Element kann ein Prisma oder ein Beugungsgitter sein.
Die Optik kann als mittels Linsen als Teleskop oder ganz oder teilweise faserop- tisch ausgeführt sein.
Vor den Detektionseinheiten kann jeweils ein Spektralfilter angeordnet sein.
Für ein Zeitmultiplexverfahren kann als Laser ein Pulslaser eingesetzt sein, der mit faseroptischen Verzögerungsspulen die beiden Interferenzsteifensysteme erzeugt.
Der Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor kann bei Durchführung des Zeitmultip- lexverfahrens enthalten
- den Pulslaser zur Aussendung von mindestens jeweils zwei hintereinander ausgesendeten Lichtpulsen,
- einen Strahlteiler zur Erzeugung von zwei optischen Pfaden mit jeweils einer Verzögerungsspule, wobei der erste Pfad zur Erzeugung des ersten Interferenzstreifenmusters und der zweite Pfad zur Erzeugung des zweiten Interfe- renzstreifenmusters dient, wobei der eine Pfad gegenüber dem anderen Pfad oder umgekehrt eine optische Verzögerungsstrecke aufweist,
- einen Strahlteiler zur Zusammenführung der beiden optischen Pfade,
- ein dem Strahlteiler nachgeordnetes Gitter zur Erzeugung eines ersten Strahlenbündels mit einer +1. -Beugungsordnung und eines zweiten Strahlenbün- dels mit einer -1.-Beugungsordnung,
- ein Kepler-Teleskop zur Überschneidung der StraWenbündei zu sich überlagerten Interferenzstreifensystemen,
- eine dem Strahlteiler nachgeordnete Zylinderlinse zur Ausbildung einer Messlinie,
- eine Abbildungsoptik zur Erzeugung von Teifstreubildern der Messlinie,
- eine Kamera mit zellenförmig angeordneten Einzelefementen auf der Aufnahmefläche zur Detektion der auf die Aufnahmefläche abgebildeten Teilstreubilder, - eine Auswerteeinheit, die mit der Kamera in Verbindung steht und die Teilstreubilder auf den Einzeletementen auswertet, und
- eine zur Auswerteeinheit gehörende Steuereinheit, die mit der Kamera und der Lichtquelle in Verbindung steht und die Pulsrate der Lichtquelle der Bildra- te der Kamera übereinstimmend zueinander anpasst.
Der dem Strahiteiler nachgeordnete erste optische Pfad kann aus einer faseroptischen Verzögerungsspule und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie aus einer ersten zwischen dem Auskoppler und dem Strahiteiler angeordneten Optik bestehen.
Der dem Strahlteiler nachgeordnete zweite optische Pfad kann aus einer längeren, eine optische Verzögerungsstrecke gegenüber der faseroptischen Verzögerungsspule aufweisende faseroptische Verzögerungsspule und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie aus einer zweiten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteiler angeordneten Optik bestehen.
Nach dem Pulslaser kann ein Lichtmodulator als Pulspicker zur Anpassung der Pulsrate des Pulslasers an die Bildrate der Kamera angeordnet sein.
Der erste Pfad kann anstelle der nachgeordneten Faseroptik einen ersten Pulspicker in Form eines ersten Pfad-Lichtmodulators und der zweite Pfad anstelle der die Verzögerungsstrecke aufweisenden Faseroptik einen zweiten Pulspicker in Form eines zweiten Pfad-Lichtmodulators aufweisen, wobei die Pulspicker mit der Steuereinheit zur gegenseitigen Pulspicker-Abstimmung verbunden sind.
Die beiden Pulspicker können unmittelbar nach dem Strahlteiler installiert und zumindest mittels der Steuereinheit individuell schaltbar sein. Die Auswerteeinheit kann zumindest folgende Baugruppen enthalten:
- eine Reihe von einzelnen Funktionsteileinheiten pro Pixelgruppe zur Verarbeitung des am Eingang eintreffenden Ausgangssignals der Detektionseinheit, - eine Fusionseinheit, in der die aus den einzelnen Funktionsteileinheiten gewonnenen Einzeldaten zu einer Fusion geführt werden, aus denen die SD- Form der Oberfläche des bewegten Festkörpers bestimmt wird,
- eine Ausgabeeinheit, die die 3D-Form zur Ausgabe bereitstellt,
wobei die den Pixelgruppen zugehörigen Funktionsteileinheiten
- jeweils eine erste Entscheidungseinheit mit einer zu bestätigenden Eingangs- vatidierung enthalten, ob überhaupt ein Ausgangssignal der Detektionseinheit bezogen auf die jeweilige Pixelgruppe anliegt, und
eine erste Funktionsteiluntereinheit, die jeweils einer Entscheidungseinheit nachgeschattet ist, wobei in der ersten Funktionsteiluntereinheit über die Dopplerfrequenzbestimmung fi, f2 mittels einer Kalibrierfunktion q(y,z) sowie mittels Streifenabstandsfunktionen di(y,z), d2(y,z) eine Berechnung der Geschwindigkeit vx(y,z,t) und der Position z(y,t) für den jeweiligen der Pixelgruppe zugeordneten Messfleck auf der Messlinie durchgeführt wird, und
- jeweils eine zweite Entscheidungseinheit, die der ersten Funktionsteiluntereinheit nachgeschaitet ist und die für jeden einzelnen Messzeitpunkt entscheidet, ob physikalisch zweckmäßige Daten ermittelt worden sind, wobei nicht zweckmäßige Datenpunkte entweder weggelassen oder mittels benachbarter Datenpunkte interpoliert werden können, und
- eine zweite Funktionsteiluntereinheit, die der zweiten Entscheidungseinheit nachgeschaltet ist und die aus den ermittelten zeitaufgelösten Messdaten z(y,t) und v„{ytz,t) die 2D-Form in der xz-Ebene bestimmt.
In dem Verfahren zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper werden auf die Oberfläche des bewegten Festkörpers einstrahlbare Lichtwelien mindestens einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Oberfläche geführt wobei zumindest eine Detektionseinheit vorhanden ist die das von der Oberfläche gestreute Licht registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der Oberfläche mittels einer der Detektionseinheit nachgeschalteten Auswerte- einhett erfolgt, wobei Position und Tangentiatgeschwindigkeit der Oberfläche und somit die resultierende 2D-Oberflächenform für jeden Messfleck zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Distanzsensors bestimmt werden, wobei der Laser-Doppler-Distanzsensor in einem Messvolumen auf der Oberfläche zwei überlagerte Interferenzstreifensysteme ausbildet, wobei mindestens eines der beiden Interferenzstreifensysteme fächerförmig aufgeweitet ausgebildet ist, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme eine Dopplerfrequenz f1 f h aus dem Streulicht der das Messvolumen durchquerenden Oberfläche bestimmbar ist, wobei gemäß dem Kennzeichenteii des Patentanspruchs 24
die abzubildende Oberfläche des Festkörpers auf eine von den I terferenzstreifensystemen gebildete Messlinie begrenzt wird, so dass das Streulicht der Mess- linie über die nachgeordnete Abbildungsoptik auf die Detektionseinheit abgebildet wird, wobei die eingesetzte Detektionseinheit mehrere zeilenförmig angeordnete oder zeilenförmig zusammengefasste Einzelelemente enthält, die die abgebildete Messlinie als Teilstreubiider registrieren und mit der Auswerteinheit zur Ermittlung der 3D-Form des Festkörpers in Verbindung steht, wobei die 3D-Form durch eine stapeiförmige Fusion der ermittelten 2D-Schnitte für die einzelnen Messflecke bestimmt wird, und wobei die einzelnen 2D-Schnitte aus der axialen Position z( A) und der Geschwindigkeit xiy.zJ) der einzelnen Messflecke der Messlinie ermittelt werden, wobei
- die axiale Position z{y,t) aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Doppler- frequenzen , f2 und einer Kalibrierungsfunktion q(y,z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen di(y,z), d2(y,z) gebildet wird, bestimmt wird, und
- die Geschwindigkeit vx(y,z,t) an den einzelnen Messflecken der Messlinie aus der ermittelten axialen Position z(y,t) und den Streifenabstandsfunktionen d}(y,z), d2(y,z) bestimmt wird.
Die Bildwiederhoirate der Detektionseinheit/en bezogen auf die aufgenommenen Teilstreubilder einschließlich der Signalverarbeitungshardware kann mindestens so groß gewählt werden, dass die beiden Dopplerfrequenzen f1 ( f2 der amplitu- denmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und dass eine Reduzierung der notwendigen Abtastrate bzw. Bildwiederhoirate durch optisches Mischen der Streulichtsignale zu niedrigeren Frequenzen mittels Heterodyntechnik erreicht wird. Die Bildwiedemolrate kann die Nyquist-Frequenz unterschreiten und es wird somit eine Unterabtastung vorgenommen, sofern die resultierenden gespiegelten Frequenzen eindeutig den realen Frequenzen zugeordnet werden.
Die Messlinie kann auf der Oberfläche durch eine Längenausdehnung der Interferenzstreifensysteme in y-Richtung ausgebildet werden.
Für die physikalische Unterscheidbarkeit können Multiplextechniken eingesetzt werden.
Für die Durchfuhrung eines Wellenlängenmultiplexverfahrens können zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt werden, deren Strahlenbündef mitteis eines Strahlteilers zusammengeführt und auf ein strahlteilendes Element geführt werden, durch das die Strahlenbündel jeweils in zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten werden, und durch eine nachgeordnete Optik die beiden Teiistrah- lenbündel im JWessvokimen auf der Obe/Ääcb© d©s Festkörpers zw Überlagerung gebracht werden unter Ausbildung einer Messlinie bestehend aus mehreren Messflecken, wobei das Streulicht entweder zumindest auf eine Farbkamera oder durch einen wellenlängenselektiven Strahlteiler auf zwei separat angeordnete Detektionseinheiten geführt wird.
Für die Durchführung eines Zeitmultiplexverfahrens werden das Strahlenbündel eines Pulslasers mit ausreichend hoher Pulswiederholrate mit einem Strahlteiler in zwei weitgehend gleichintensive Teilstrahlenbündeln aufgespaltet und die Teilstrahlenbündel in zwei einmodige Lichtwellenleiter in Form faseroptischer Verzögerungsspulen eingekoppelt, wobei eine VerzögerungsspuJe um in definiertes Stück länger als die andere Verzögerungsspule ist, wodurch die eine Verzögerungsspule eine optische Verzögerungsstrecke aufweist, wobei der Unterschied der Längen der beiden Verzögerungsspulen so bemessen wird, dass die durch die zusätzliche Spulenlänge bewirkte Zeitverzögerung ungefähr gleich der halben Puls-zu-Puls-Dauer des Lasers derart entspricht, dass aus den Faserenden abwechselnd im ca. gleichen Zeitabstand Laserpulse austreten, wobei jedes Teil- Strahlenbündel aus den Verzögerungsspulen jeweils ein Interferenzstreifensystem erzeugt, wobei dazu die aus den Verzögerungsspuien austretenden Teilstrahlenbündel zunächst mit einer Optik kollimiert und anschließend mit einem Strahlteiler kollinear überlagert werden, wobei die derart überlagerten Teiistrah- lenbündel danach auf ein Transmissions-Beugungsgitter gelenkt werden, welches zur Strahlteilung dient, wobei die +1.(ptus erste)- Beugungsordnung und - 1. {minus erste)-Beugungsordnung mit einem Kepler-Teleskop paralleiisiert und in dem Wiessvolumen zur Überschneidung gebracht werden und wobei im Überschneidungsbereich der Teilstrahlenbündel sich die überlagerten fächerförmigen Interferenzstreifensysteme bilden, wobei die Messlinie durch eine dem Strahlteiler nachgeordnete Zylinderlinse in ihrer Länge ausgebildet wird.
Die Ausbildung der Fächerform der Interferenzstreifensysteme kann durch Justa- ge der Optiken, die nach den Verzögerungsspulen in den einzelnen Pfaden an- geordnet sind, erreicht werden.
Für die Durchführung des Zeitmultiplexverfahrens können aus den Laserpulsen abwechselnd das konvergierende Interferenzstreifensystem und das divergierende Interferenzstreifensystem am Ort des Messvolumens, erzeugt werden.
Im Falle, dass die Pulsrate des Lasers deutlich größer als die Bildrate der Kamera ist, kann nach dem Laser ein Pulspicker in Form eines akustooptischen Modulators oder eines elektrooptischen Modulators installiert werden, der nur Pulse zu ausgewählten Zeiten durchiässt, wobei für den Betrieb Laser, Detektionseinheit, Steuereinheit und Pulspicker aufeinander synchronisiert werden.
In dem Verfahren können
- die Dopplersignale des Laser-Doppler-Distanzsensors direkt mit schnellen Detektionseinheiten abgetastet werden,
- eine Messung simultan an mehreren Messflecken auf der Oberfläche, die entlang einer Messlinie angeordnet sind, vorgenommen wird, indem eine Pa- ralielverarbeitung für die aufgenommenen Teilstreubilder der Messlinie, die an den einzelnen Pixelgruppen entstehen, implementiert wird, - die 3D-Form des bewegten Festkörpers beim Durchtritt durch das Messvolumen im Bereich der Messlinie ermittelt wird,
- das Messvolumen und die Interferenzstreifensysteme durch optische Mittel oder durch den Einsatz von Lichtquellen mit näherungsweise linienförmigem Strahlprofil in y- ichtung in die Länge gezogen werden, so dass eine Messline entsteht,
- die Detektion des Streulichts in Seitwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erfolgt,
- wobei in Rückwärtsrichtung mit nur einem optischen Zugang zum Festkörper dessen 3D-Form bestimmt wird.
Erstmals werden an verschiedenen Messpunkten, die entlang eine Messlinie auf der Festkörperoberfläche angeordnet sind, mittels eines hinreichend schnellen Detektorarrays (Kamera) simultan die durch den Dopplereffekt hervorgerufene Amplitudenmodulation der Streulichtsignale, die beim Laser-Doppler- Distanzsensor auftreten, zeitlich und örtlich derart aufgelöst, dass zeitgleich für jeden einzelnen Messpunkt aus diesen Dopptersignalen die Oberflächengeschwindigkeit und die Oberflächenposition ermittelt werden können. Durch die Anwendung der dem Laser-Doppler-Distanzsensor zugrunde liegenden Signal- auswertung kann somit die dreidimensionale Festkörperform instanten und ohne Scannprozess bestimmt werden.
Die Erfindung ermöglicht erstmals eine berührungslose, instantane und absolute 3D-Formvermessung schnell bewegter und insbesondere rotierender Festkörper mit Mikrometerpräzision und ohne mechanische Scannprozesse.
Die Erfindung stellt eine wesentliche Erweiterung des in der Druckschrift DE 10 2004 025 801 A1 beschriebenen Sensors auf die 3D-Formvermessung dar. Dabei wird der Laser-Doppler-Distanzsensor dahingehend erweitert, dass das Inter- ferenzstreifensystem mittels einer speziellen Beleuchtungsoptik in die Länge zu einer Messlinie gezogen wird und für die Detektion des Streulichts kein Einzei- punktdetektor, sondern ein Mehrpunkt-Detektorarray (Kamera) verwendet wird. Dabei sollen die Dopplerfrequenzen des Laser-Doppler-Distanzsensor erstmals direkt mit einem ausreichend schnellen Array-Detektor (Kamera) abgetastet werden.
Außerdem werden das Messvolumen bzw. die Interferenzstretfensysteme in y- Richtung in die Länge gezogen, so dass mit einer Messung ein möglichst großer Teil der Festkörperoberfiäche erfasst werden kann.
Hierzu können entweder spezielle Optiken - Zylinderlinsen - oder spezieile Lichtquellen mit linienförmigem Strahlprofil - Breitstreifen-Laserdioden - eingesetzt werden.
Somit werden zeitgleich für mehrere Messpunkte entlang einer Linie auf der Festkörperoberfläche Doppiersignale delektiert, aus denen die jeweiligen Oberflächengeschwindigkeiten und Oberflächenpositionen lokal orts- und zeitaufgelöst ermittelt werden können.
Durch die Anwendung des in DE 10 2004 025 801 A1 beschriebenen Signalaus- wertungsverfahrens auf jeden einzelnen Messpunkt oder Messkanal und durch Fusion dieser Messdaten kann somit die dreidimensionale Festkörperform instanten und ohne Scannprozess bestimmt werden.
Durch die Erfindung werden beispielsweise eine schnelle in-situ-Prozesskontrolle bei Werkzeugmaschinen und Turbomaschinen sowie die Vermessung von Eisenbahnrädern oder Schienen während der Fahrt eines Zuges mit Reisegeschwindigkeit ermöglicht.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Un- teransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels zweier Ausführungsbeispiele anhand mehrerer Zeichnungen näher erläutert
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Laser-Doppler-Distanzsensors nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein konvergentes Interferenzstreifensystem, Fig. 3 ein divergentes Interferenzstreifensystem,
Fig. 4 ein Funktionsschema des bekannten Laser-Doppler-Distanzsensors für die gleichzeitige Bestimmung der Geschwindigkeit vx und der Position z mittels der gemessenen Dopplerfrequenzen fi und h mit einer Kalibrierungsfunktion q(z) und Streifenabstandskurven d(z) in Abhängigkeit von der axialen Position, Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Laser-Doppler-Linien-Distanzsen- sors mit einem Pulslaser als Lichtquelle für das Zeitmultiplexverfahren,
Fig. 6 eine schematische Teil-Darstellung des Laser-Doppler-Unien-Distanz- sensors, in der aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein paralleles In- terferenzstreifensystem dargestellt ist und in der durch eine schnelle Abtastung des Streulichts mit einer Kamera (Zeilenkamera) das Doppiersignal ortsaufgelöst vermessen wird,
Fig. 7a Ausgangssignal eines kontinuierlich arbeitenden Photodetektors nach dem Stand der Technik,
Fig. 7b Ausgangssignal für ein Einzelelement (Einzelpixei oder Pixelgruppe) der
Kamera als Schnappschüsse zu bestimmten Zeitpunkten, wobei das Streulichtsignal nur als zeitdiskretes, zeitlich äquidistant abgetastetes Signal bei dem Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor vorhanden is
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laser-Doppler- Linien-Distanzsensors, wobei
Fig. 8a den Aufbau in Welleniängenmuliplex-Technik und mit Breitstrei- fen-Laserdioden zur gleichmäßigen Ausleuchtung einer langen
Messlinie und
Fig. 8b einen vergrößerten Ausschnitt der Messlinie am Festkörper zeigen, Fig. 9 einen schematischen Überblick über die Bildverarbeitung und Auswertung der Ausgangssignale einer Kamera in einer Auswerteeinheit. Im Folgenden werden die Fig. 5 und die Fig. 6 gemeinsam betrachtet.
In Fig. 5 ist in einer schematischen Darstellung ein Laser-Doppler-Linien- Distanzsensor 30 zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper 43 angegeben, bei dem auf die Oberfläche 2 des bewegten Festkörpers 43 einstrahlbare Lichtwellen 16, 17 einer Lichtquelle 5 zur Beleuchtung der Oberflä- che 2 geführt sind, und wobei zumindest eine Oetekt nseinheit 4 vorhanden ist, die das von der Oberfläche 2 gestreute Licht 8 registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der Oberfläche 2 zur Ermittlung des 3D-Form der Oberfläche 2 mittels einer der Detektionseinheit 4 nachgeschalteten Auswerteeinheit 34 erfolgt, wobei Position und Tangentiaigeschwindigkeit der Oberfläche 2 und somit die resultierende 2D-Form der Oberfläche 2 für jeden Messfleck zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Distanzsensors 7 bestimmt werden,
wobei der Laser-Ooppler-Distanzsensor 7 in einem Messvolumen 1 auf der Oberfläche 2 zwei überlagerte, fächerförmig aufgeweitete Interferenzstreifensysteme 18, 19 ausbildet, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme 18, 19 physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme 18, 19 eine Dopplerfrequenz f,, f2 aus dem Streulicht 8 der das Messvolumen 1 durchquerenden Oberfläche 2 bestimmbar ist. Erfindungsgemäß ist die abzubildende Oberfläche 2 des Festkörpers auf eine Messlinie begrenzt, wobei die Interferenzstreifensysteme 18, 19 durch optische Mittel 56 in y-Richtung in die Länge gezogen werden, so dass das Streulicht 8 der Messlinie 32 über die nachgeordnete Abbildungsoptik 3 auf die Detektionseinheit 4 abgebildet wird, und für mehrere in y-Richtung aneinandergereihte Messflecke 29, 31 bzw. 401 , 410, 414 entlang der Messlinie 32
- die axiale Position z(y,t) und die Geschwindigkeit Vx(y,z,t) der der einzelnen Messflecke bestimmt werden, indem - die axiale Position z(y,t) des Streulichts 8 aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen fif \% und einer Kalibrierungsfunktion q(y,z), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen di{y,z), daiy^) gebildet wird, bestimmt wird, sowie
- die Geschwindigkeit Vx{y,z,t) der einzelnen Messflecke aus der ermittelten axialen Position z(y,t) und den Streifenabstandsfunktionen di(y,z), d2(y,z) bestimmt wird,
wobei die eingesetzte Detektionseinheit 4 mehrere zellenförmig angeordnete oder zellenförmig zusammengefasste Einzelelemente 401, 410, 414 enthält, die die abgebildete Messlinie 32 ats Teiistreubilder 29, 31 registrieren und mit der Auswerteinheit 34 in Verbindung stehen, wobei
- die Bildwiederholrate der Detektionseinheit 4 bezogen auf die aufgenommenen Teiistreubilder 29, 31 einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß ist, dass die beiden Doppierfrequenzen fif der amplitu- denmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und
- wobei eine Reduzierung der notwendigen Abtastrate oder Bildwiederholrate durch optisches Mischen der Streulichtsignale zu niedrigeren Frequenzen mittels Heterodyntechnik erreicht werden kann, oder
- die Bildwiederholrate die Nyquist-Frequenz unterschreiten kann bzw. eine Unterabtastung vorgenommen werden kann, sofern die resultierenden gespiegelten Frequenzen eindeutig den realen Frequenzen zugeordnet werden können. Die Detektionseinheit 4 mit den mehreren Einzetelementen 401, 410, 414 kann eine Zeilenkamera, eine Matrixkamera oder ein Photodioden-Array sein. Dabei können die Einzelelemente 401, 410, 414 Gruppen von auswertebezogenen zu- sammengefassten Pixeln darstellen. Der Laser 5 in Fig. 5 kann ein Pulslaser sein, der mitteis faseroptischen Verzögerungsspulen die beiden Interferenzsteifensysteme 18, 19 im ZeitmuttipJex erzeugt. Die Detektionseinheit 4 kann in die Sendeoptik integriert sein, so dass eine De- tektion des Streulichts in Rückwärtsrichtung erfolgen kann.
Als Detektionseinheit 4 kann auch eine Farbkamera und anstelte eines Lasers 5 für den Linien-Distanzsensor 30 können zwei Laser mit unterschiedlichen Weilenlängen für die Erzeugung der beiden Interferenzstreifensysteme (Wellentängen- multiplex) 18, 19 eingesetzt sein.
Die Detektionseinheit 4 (Kamera, Photodioden-Array) kann fasergekoppeft sein.
In Fig. 5 enthält der Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor 30 in einer ersten Ausführung
- einen Puislaser 5 zur Aussendung von mindestens jeweils zwei hintereinander ausgesendeten Lichtpulsen,
- einen Strahlteiler 11 zur Erzeugung von zwei optischen Pfaden 27 und 28, wobei der erste Pfad 27 zur Erzeugung des ersten Interferenzstreifenmusters 18 und der zweite Pfad 28 zur Erzeugung des zweiten Interferenzstreifenmusters 19 dient wobei der eine Pfad 28 gegenüber dem anderen Pfad 2 pder umgekehrt eine optische Verzögerung aufweist,
- einen Strahlteiler 22 zur Zusammenführung der beiden optischen Pfade 27, 28,
- ein dem Strahlteiler 22 nachgeordnetes Gitter 23 zur Erzeugung von Strahlenbündeln 16, 17 mit +1.(pfus erste)-Beugungsordnung 25 und -1. (minus erste)-Beugungsordnung 26,
- ein Kepler-Teleskop 24 zur Überschneidung der Strahlenbündel 16, 17 zu sich überlagerten Interferenzstreifensystemen 18, 19,
- eine Zylinderlinse zur Dehnung der Interferenzstreifensysteme 18, 19 in y- Richtung auf die Messlinie 32,
- eine Abbildungsoptik 3 zur Erzeugung von Teifstreubildern 29, 31 der essli- nie 32,
- eine Kamera 4 mit zellenförmig angeordneten Einzelelementen (Pixelgruppen) auf der Aufnahmeftäche zur Detektion der Teilstreubilder 29, 31, - eine Auswerteeinheit 34, die mit der Zeilenkamera 4 in Verbindung steht und die Teilstreubilder 29, 31 auf den Einzelelementen 401, 410, 414 auswertet,
- eine zur Auswerteeinheit 34 gehörende Steuereinheit 35, die mit der Zeilenkamera 4 und dem Putslaser 5 in Verbindung steht und die Pulsrate des Puls- lasers 5 der Bildrate der Zeilenkamera 4 übereinstimmend zueinander an- passt
Im Folgenden wird eine Realisierung des Laser-Ooppler-Unien-Distanzsensors 30 beschrieben, bei der eine Zeilenkamera 4 und ein Pulslaser 5 für die Funkti- onsweise das Zeitmuitiplexverfahren eingesetzt sind.
Die Funktionsweise des Laser-Doppler-Unien-Distanzsensors 30 wird anhand der Fig. 5 erläutert
Das Strahlenbündel 10 des Pulslasers 5 mit ausreichend hoher Pulswiederhofra- te wird mit dem Strahiteiier 11 in zwei weitgehend gieichintensive Teilstrahlenbündeln aufgespaltet und diese werden in zwei einmodige Uchtwellenleiter (Glasfasern) 12, 13 eingekoppelt. Die Faser 13 ist um ein definiertes Stück länger als die andere Faser 12, wodurch die Faser 13 als eine optische Verzögerungsleitung wirkt. Der Unterschied der Längen Δ1 der beiden Fasern 12, 13 ist so be- messen, dass die durch die zusätzliche Faserlänge AI bewirkte Zeitverzögerung ungefähr gleich der halben Puts-zu-Puls-Dauer (das Reziproke der Pulswiederholrate) des Lasers 5 entspricht. Damit ist bewirkt, dass aus den Faserenden 14, 15 abwechselnd im ca. gleichen Zettabstand Laserpulse austreten (Zeitmultiplex). Jedes Teilstrah!enbündel-Paar 16, 17 aus den Fasern 12, 13 erzeugt nun genau ein Interferenzstreifensystem 18, 19. Dazu werden die aus den Fasern 12, 13 austretenden Teilstrahtenbündei 16, 17 zunächst mit einer Optik 20, 21 koliimiert und anschließend z.B. mit dem Strahiteiier 22 kollinear überlagert- Die derart überlagerten Teilstrahlenbündel 16, 17 werden nun auf das Transmissions- Beugungsgitter 23 gelenkt welches zur Strahlteilung dient Die +1,{plus erste)- ßeugungsordnung 25 und -1. (minus erste)-Beugungsordnung 26 werden mit dem Kepler-TeJeskop 24 paral!elisiert und zur Überschneidung gebracht, während andere Beugungsordnungen ausgeblendet werden. Vor dem Transmissions- Beugungsgitter 23 ist eine Zylinderiinse 56 angeordnet« die ein linienförmiges Messvolumen 1 bezüglich der überlagerten Interferenzstreifensysteme 18, 19 als Messlinie 32 ausbildet. Die Ausbildung der Fächerform der Interferenzstreifensysteme 18, 19 wird durch individuelles Justieren der Strahlbündeltaillen, z.B. durch Justage der Kollimationslinsen 20, 21 hinter den Fasern 12, 13, in den einzelnen Pfaden 27, 28 erreicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor 30 zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper 43 wird aus den Laserpulsen abwechselnd das konvergierende Interferenzstreifensystem 18, wie in Fig. 2 gezeigt, und das divergierende Interferenzstreifensystem 19, wie in Fig. 3 gezeigt, am selben Ort, dem Messvolumen 1 , erzeugt (Zeü uüipiex).
Das linienförmige Messvolumen 1 wird auf die Oberflache 2 des bewegten Festkörpers 43 ausgerichtet und das Streulicht 8 der Messlinie 32 wird mittels einer Abbildungsoptik 3 auf die Kamera 4 als Teilstreubilder 29, 3 abgebildet.
Die Kamera 4 kann in den Aufbau des Laser-Doppler-Distanzsensors 7 eingebracht sein, so dass eine DetektJon der Teilstreubilder 29, 31 in Rückwärtsrichtung durchführbar ist, was den Vorteil nur eines optischen Zugangs auf das Experiment bietet
Der dem Strahlteiter 11 nachgeordnete erste optische Pfad 27 kann aus einer Faserfeitung 14 und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie einer ersten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteiler 22 angeordneten Optik 20 bestehen.
Der dem Strahlteiter 11 nachgeordnete zweite optische Pfad 28 kann aus einer längeren, eine optische Verzögerungsstrecke ΔΙ gegenüber der Faserleitung 14 aufweisenden Faserfeitung 15 und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie einer zweiten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteiter 22 angeordneten Optik 21 bestehen.
Hinter dem Laser 5 kann ein Lichtmodulator 6 als Pulspicker zur Anpassung der Pulsrate des Lasers 5 an die Bildrate der Kamera 4 angeordnet sein. Ist die Pulsrate des Lasers 5 deutlich größer als die Bildrate der Kamera 4, so kann hinter dem Laser 5 ein solcher Pulspicker in Form eines akustooptischen Modulators 6 oder eines elektrooptischen Modulators installiert werden, der nur Pulse zu ausgewählten Zeiten durchlässt („Runtertaktung"). Es ist zweckmäßig, für den Betrieb Laser 5, Kamera 4, Steuereinheit 35 und Pulspicker 6 aufeinander zu synchronisieren.
Der erste Pfad 27 kann anstelle der nachgeordneten Faseroptik 12 einen ersten Pulspicker in Form eines Uchtmodulators und der zweite Pfad 28 anstelle der die Verzögerungsleitung aufweisenden Faseroptik 13 einen zweiten Pulspicker auch in Form eines Uchtmodulators aufweisen, wobei die Pulspicker mit der Steuereinheit 35 verbunden sein können.
Die beiden Puispicker können unmittelbar hinter dem Strahlteiler 11 installiert sein und zumindest mittels der Steuereinheit 35 individuell geschaltet werden. Dadurch kann auf die optische Verzögerungsstrecke verzichtet werden und es wird eine größere Flexibilität bezüglich der Kamera 4 und der Wahl des Lasers 5 erhalten.
Der dem Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor 30 zugrunde liegende Laser- Doppler-Distanzsensor 7 ist eine Erweiterung konventioneller Laser-Doppler- Velozimeter, wobei jedoch zwei überlagerte Interferenzstreifensysteme zum Einsatz kommen, von denen mindestens eines fächerförmig ist. Idealerweise sind beide fächerförmig, aber in ihrer Ausrichtung entgegengesetzt. Durch eine Auswertung des Streulichts beider Interferenzstreifensysteme kann neben der latera- len Geschwindigkeitskomponente vx nun auch die axiale Koordinate z jedes einzelnen Messfleckes entlang der Messlinie 32 ausgewertet werden. Dieses kann, wie bereits gezeigt wurde, mit einer Ortsauflösung im Submikrometerbereich geschehen. Dabei wird das von der Messlinie 32 in dem Laser-Doppler-Distanzsensor 7 gestreute, mit der Dopplerfrequenz amplitudenmoduiierte Licht nicht wie bisher mit einer punktförmig arbeitenden Detektionseinheit 4, sondern nun mit einer schnellen Zeilenkamera detektiert wie in Fig. 5 gezeigt ist Die für den Laser-Doppler- Distanzsensor 7 bestehende Forderung nach einer physikalischen Trennbarkeit der Interferenzstreifensysteme 18, 19 mittels einer Multiplextechnik existiert auch hier. In Fig. 6 ist eine schematische Teil-Darstellung des Laser-Doppler-Linien- Distanzsensors 30 (aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein paralleles Interferenzstreifensystem angegeben) dargestellt. Durch die schnelle Abtastung des Streulichts 8 von den Messflecken 101, 110, 114 (stellvertretend für alle Einzeilelemente) aus, die die Messlinie 32 bilden, mittels der Abbildungsoptik 3 und schließlich mit der Zeilenkamera 4 mit den Einzelelementen 401, 410, 414 wird das Dopplersignal ortsaufgelöst vermessen. Dabei ist jedem Messflecken 101, 1 0, 1 4 ein Einzelelement 401, 10, 414 zugeordnet.
Eingesetzte Kameras 4 liefern prinzipbedingt keine kontinuierlichen Ausgangs- Signale, sondern Schnappschüsse zu bestimmten Zeitpunkten. Damit liegen auch für die einzelnen Pixelguppen als Einzeiemente nur zeitdiskrete Signale vor, wie in Fig. 7b gezeigt ist
In Fig. 7a ist das Burstsignaf eines kontinuierlich arbeitenden Photodetektors als ein EinzeJeJement bei konventionellen Laser-Doppler-Velozimetern und in Fig. 7b ein zeitlich äquidistant abgetastetes Burstsignal für eine Kamerapixelgruppe beim erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Limen-Distanzsensor 30 dargestellt.
Bei dem Laser-Doppler-Unien-Distanzsensor 30 soll die Kamera 4 hinreichend schnell sein, um die Dopplerfrequenz fi, h der modulierten Streultchtsignale des Laser-Doppler-Distartzsensors 7 aufzulösen, d.h. so dass nach wie vor das Abtasttheorem nach Shannon und Nyquist erfüllt bleibt Die maximal messbare Geschwindigkeit ist gemäß dem Abtasttheorem durch die Bildrate der Zeilenkamera 4 durch folgenden Zusammenhang gegeben:
Figure imgf000029_0001
it fD,max = fß 2. Dabei kennzeichnen d den maximalen Streifenabstand, der im Messvolumen 1 auftritt, fD,max die maximal messbare Dopplerfrequenz und fB die Bildrate der Zeilenkamera 4. Der Faktor ! resultiert aus dem Abtasttheorem nach Shannon und Nyquist.
Für deutlich größere Geschwindigkeiten kann die Kamera 4 durch ein schnelles Photodioden-Array ersetzt werden, welches zeitkontinuieriiche Signale liefert. Zwar findet auch hier bei der Analog/Digitalwandlung beim Übergang in ein Sig- nalverarbeitungssystem der Auswerteeinheit 34 eine zeitliche Diskretisierung statt, jedoch liegt hier die Abtastrate um Größenordnungen höher. In diesem Fali ist in obiger Formel die Bildrate der Kamera 4 durch die Abtastrate des Ana- log/Digitalwandlers zu ersetzen. Wird als Laser 5 im Laser-Doppier- Distanzsensor 7 ein Pulslaser verwendet, so ist in diesem Fall in obiger Formel die Biidrate der Kamera 4 durch die Pulswiederholrate des Lasers 5 zu ersetzen.
Es gibt allerdings Alternativen, um bei sehr sc nelf bewegten Festkörpern, bei denen hohe Dopplerfrequenzen auftreten, die Notwendigkeit entsprechend schnelle Photodetektoren und A/D-Wandler bzw. Kameras zu umgehen:
- Zum einen kann hier eine Unterabtastung zugelassen werden, sofern die gemessenen Frequenzen den realen Frequenzen eindeutig zugeordnet werden können, z.B. wenn nur eine Frequenz im Signal vorliegt und die ungefähre Größe der Signalfrequenz bekannt ist.
- Ein weiterer Ansatz besteht in der Nutzung einer Heterodyntechnik. In vielen AnwendungsfäJJen ist die Form von Festkörpern zu vermessen, die sich mit konstanter Geschwindigkeit lateral bewegen oder die mit konstanter Drehzahl rotieren und nur kleine relative Radiusänderungen AR/R aufweisen. In diesen Fällen ist die Variation der Dopplerfrequenzen Afi, Af2 klein im Vergleich zu deren Mittelwert f h, so dass die spektrale Brette der Messsignale gering ist. Folglich kann die erforderliche Bandbreite und damit der Aufwand für die Signalerfassung und Auswertung durch optisches Heruntermischen der Dopplerfrequenz zu einer Zwischenfrequenz fr = f,,2 - fe « f1 2 deutlich reduziert werden. Dadurch können Kameras trotz der begrenzten Bildrate auch für Mes- surtgen an schnell bewegten Objekten eingesetzt werden. Realisiert werden kann dies mittels Heterodyntechnik, indem jeweils einer der beiden Teilstrahlen eines Messkanals optisch um die Frequenz fc verschoben wird, so dass sich die Intrferenzstreifensysteme auf der Festkörperoberfläche in bekannter Weise in die gleiche Richtung und mit ähnlicher Geschwindigkeit bewegt wie den Festkörper selbst. In der Praxis ist dadurch eine Reduzierung der zu messenden Frequenzen um einen Faktor von ca. 10 möglich, wodurch sich der Aulwand für die Signalerfassung und Auswertung um denselben Faktor reduziert.
- Eine noch deutlich größere Reduzierung des Aufwandes bzw. der Detektorbandbreite wäre durch die Verwendung von Phasenregeikreisen (PLLs) möglich, indem die Zwischenfrequenz zu f = 0 ausgeregelt wird.
Der in Fig. 8a dargestellte Laser-Doppfer-Linien-Distanzsensors 60 zur Durchfüh- rung eines Wellenlängenrnuitiplexverfahrens hat zwei Laser - zwei Breitstreifen- Laserdioden 61, 62 - mit unterschiedlichen Wellenlängen, deren Strahlenbündel mitteis eines Strahiteilers 1 zusammengeführt und auf ein strahlteilendes Element 23 geführt sind, durch das die Strahlenbündel jeweils in zwei Teilstrahlenbündel 16, 17 aufgespalten werden, und durch eine nachgeordnete Optik 24 die beiden Teilstrahtenbündel im Messvolumen 1 auf der Oberfläche 2 des Festkörpers 43 zur Überlagerung gebracht werden unter Ausbildung einer in einer vergrößerten Darstellung in Fig. 8b und auf den Festkörper 43 ausgebildeten Messlinie 32, bestehend aus mehreren Messfiecken 101, 110, 114, wobei das Streulicht 8 entweder zumindest auf eine Farbkamera oder durch einen wellenlängen- selektiven Strahiteiler 221 auf zwei separat angeordnete Detektionseinheiten 63, 64 geführt wird, die mit der Auswerteeinheit 34 verbunden sind.
Der Strahlteiler 11 kann als Strahlteilerwürfel, dichroitischer Spiegel oder als Fa- serkoppler ausgeführt sein.
Das strahlteilende Element 23 kann ein Prisma oder ein Beugungsgitter darstellen. Die Optik 24 kann mittels Linsen als Teleskop oder ganz oder teilweise faseroptisch ausgeführt sein.
Vor den Detektionseinheiten 63,64 kann jeweils ein Spektralfilter angeordnet sein.
Die Breits reifen-Laserdioden 61, 62 emittieren näherungsweise Zylinderwelten, woraus im Nahfeld ein linienförmiges Strahiprofil resultiert. !n der kurzen Richtung der Facette emittiert eine Breitstreifen-Laserdiode 61, 62 eine Lichtwelle mit ei- nem nöherungsweise singlemodigen gaußförmigen Intensitätsprofil, während in der langen Richtung mehrere transversale Moden anschwingen, was einen rechteckigen Intensitätsverlauf zur Folge hat. Damit können extrem lang gezogene Interferenzstreifensysteme 18, 19 erzeugt werden, die zudem in y-Richtung (entlang der Höhe) bzw. entlang der Interferenzstreifen homogen ausgeleuchtet sind (im Gegensatz zur Verwendung einer Zylinderlinse 56).
Werden diese lang gezogenen Interferenzstreifensysteme 18, 19 gemäß Fig. 8a auf die raue Oberfläche eines bewegten (rotierenden) Festkörpers 43 gerichtet und wird das Streulicht 8 aus verschiedenen Höhen auf unterschiedliche Elemente 401 , 410, 414 eines Liniendetektors 63, 64 (z.B. einer Zeilenkamera) abgebil- det, so kann die 3D-Form des bewegten Festkörpers 43 innerhalb der Höhe der Interferenzstreifensysteme 18, 19 ohne Scanning absolut und instanten bestimmt werden, und das bei einem rotierenden Festkörper 43 während nur einer Umdrehung. Durch das hohe Aspektverhältnis der Breitstreifen-Laserdioden 61, 62 von etwa 1:100 kann problemlos eine Länge der Messlinie 32 von einigen Zentime- tem erreicht werden. Als Multiplexverfahren wird bei diesem Ausführungsbeispiel Wellenlängenmultiplex (WDM) verwendet mit zwei Breitstreifen-Laserdioden 61, 62 unterschiedlicher Wellenlänge. Insgesamt liegt der Vorteil beim Ausführungsbeispiel in den Fig. da, 8b in dem relativ einfachen und kostengünstigen Aufbau der Sendeoptiken 65, 66. Jedoch werden hier zwei Mehrpunktdetektoren (Zeilen- kameras) 63, 64 benötigt.
In Tabelle 1 werden die möglichen Bauteile genannt, die in die erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Linien-Distanzsensoren 30 oder 60 eingesetzt werden kön- nen, um eine dreidimensionale Formvermessung eines bewegten Festkörpers 43 zu erreichen.
Tabelle 1:
Figure imgf000033_0001
In Fig. 9 ist ein schematischer Überblick über die Verarbeitung und Auswertung der Ausgangssignale einer Kamera 4 in der Auswerteeinheit 34 dargestellt. In der Auswerteeinheit 34 wird das am Eingang 36 eintreffende Ausgangssignal der Detektionseinheit 4 in einzelnen Funktionsteileinheiten 361 , 362, 36N pro zellenförmig angeordneter Pixelgruppe (Messfleck) verarbeitet. Die daraus gewönne- nen 2D-Schnitte werden in einer Fusionseinheit 37 zu einer stapeiförmigen Fusion geführt. Daraus wird die 3D-Form des Festkörpers 43 bestimmt, die über eine Ausgabeeinheit 38 zur Information ausgegeben werden kann.
Die Funktionsteileinheiten 361 , 362, 36N enthalten jeweils eine erste Entschei- dungseinheit 39 mit einer zu bestätigenden Eingangsvalidierung, ob überhaupt ein Ausgangssignal der Kamera 4 bezogen auf die zugehörige Pixelgruppe anliegt.
Jeweils einer Entscheidungseinheit 39 der Funktionsteileinheiten 361, 362, 36N nachgeschaltet ist eine zugeordnete Funktionsteiluntereinheit 47, wobei in dieser Funktionsteiluntereinheit 47 über die Dopplerfrequenzbestimmung fi, f2 mittels einer Kalibrierfunktionen q(y,z) sowie der Streifenabstandskurven di(y,z), d2(y,z) eine Berechnung der Geschwindigkeit vjy,z,t) und der Position z(y,t) für den jeweiligen Messfleck auf der essünie 32 durchgeführt wird.
Jeweils einer Funktionsteiluntereinheit 47 ist eine zweite Entscheidungseinheit 49 nachgescbaäet, d für jeder) einzelnen JMesszeitpunkt entscheidet, ob physikalisch zweckmäßige Daten ermittelt worden sindt wobei nicht zweckmäßige Datenpunkte entweder weggelassen oder mittels benachbarter Datenpunkte interpoliert werden können,
Der zweiten Entscheidungseinheit 49 ist eine weitere Funktionsteiluntereinheit 48 nachgeschaltet, die aus den ermittelten zeitaufgelösten Messdaten z(y,t) und vx(y,z,t) die 2D-Form in der xz-Ebene nach dem in der Druckschrift DE 10 2004 025 801 A1 angegebenen Verfahren bestimmt.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind deshalb:
- die Kombination des Laser-Doppler-Distanzsensors mit einer linienförmigen Beleuchtung der Festkörperoberfläche 2 (Messline 32) und mit einem das Streulicht 8 detektierenden Mehrpunktdetektor (Kamera 4) zur Bildgebung,
- Das Messvolumen 1 und die Interferenzstreifensysteme 18, 19 werden in y- Richtung in die Länge zu einer Messlinie 32 gezogen, so dass mit einer Mes- ag &m möglichst großer Teil der Festkörperoberfläche 2 erfasst werden kann,
- die z-Koordinate (die mit der optischen Achse 9 übereinstimmt) wird durch das Verfahren des Laser-Doppler-Distanzsensors 7 bestimmt (d.h. durch eine Auswertung zweier Doppterfrequenzen , f2, die durch zwei überlagerte, entgegengesetzt fächerförmige Interfernzstreifensysteme 18, 19 entstehend). Typische Ortsauflösungen liegen im Mikrometerbereich,
- Die Geschwindigkeitskomponente vx wird nach dem Prinzip des Laser- Doppler-Distanzsensors 7 bestimmt (d.h. durch eine Auswertung der Dopplerfrequenzen). Hier sind Unsicherheiten bis zu 0,01% möglich.
- Durch die Aufnahme von Teilstreubildern 29, 31 kann für die einzelnen Pixelgruppen eine Parallelverarbeitung implementiert werden, so dass gleichzeitig sehr viele Messflecke entlang einer iU!esslinie 32 ausgewertet werden können. - U 30-Form einer bewegten Fes körperaberfiache 43 wird beim Durchtritt durch das Messvolumen 1 im Bereich der Messlinie 32 berührungslos, instanten, absolut und mit Mikrometerpräzision vermessen, ohne dass mechanische Scannprozesse notwendig sind. Die vorliegende Erfindung stelit eine Erweiterung des Laser-Doppler- Distanzsensors 7 dahingehend dar, als dass für die Detektion des Streulichts 8 keine Einzelpunktdetektionseinheit, sondern eine mit zellenförmig ausgebildeten Einzelelementen ausgebildete Detektionseinheit z.B. eine Kamera, verwendet wird. Dabei sollen die Dopplerfrequenzen f< und 1z des Laser-Doppler- Distanzsensors 7 erstmals direkt mit einer ausreichend schnellen Kamera 4 abgetastet werden. Außerdem werden das Messvolumen 1 bzw. die Interferenzstreifensysteme 18, 19 in y-Richtung in die Länge gezogen, so dass mit einer Messung ein möglichst großer Teil der Festkörperoberfläche 2 erfasst werden kann.
Durch die Kombination des dopplerbasierten Verfahrens mit einer linienförmigen Beleuchtung des Festkörpers 43 und mit einer das Streulicht 8 detektierenden Kamera 4 zur Bildgebung wird erstmals eine berührungslose, instantane und absolute 3D-Formvermessung schnell bewegter und insbesondere rotierender Festkörper mit Mikrometerpräzision und ohne mechanische Scannpflszesse ©r- möglicht Bezugszeichenliste
1 Messvolumen
101 Messfleck
110 Messfleck
114 Messfleck
2 Oberfläche eines Festkörpers
3 Optik
4 Detektionseinheit
401 Etnzelelement/Pixelgruppe
410 Einzelelement/Pixelgruppe 414 Einzelelement Pixetgruppe
5 Laser
51 Laser
52 Laser
6 Lichtmodulator
7 Laser-Doppler-Distanzsensor
8 Streulicht
9 optische Achse
10 einfallendes Strahlenbündel 11 Strahlteiler
12 erster Lichtwellenleiter
13 zweiter Lichtwellenleiter
14 Faserende
15 Faserende
16 Strahlenbündef
17 Strahlenbündel
18 erstes Interferenzstreifensystem
19 zweites Interferenzstreifensystem
20 erste Optik
21 zweite Optik
22 Strahlteiler
221 wellenlängenselektiver Strahlteiler
23 Beugungsgitter 24 Optik
25 +1 - Beugungsordnung
26 -1 - Beugungsordnung
27 erster Pfad
28 zweiter Pfad
29 erstes Teilstreubild auf der ersten Pixelgruppe vom ersten Messpunkt
30 erfindungsgemäßer erster Laser-Doppler-Unten-Distanzsensor
31 zweites Teilstreubtld auf der zweiten Pixelgruppe vom zweiten Messpunkt
32 Messlinie
34 Auswerteeinheit
35 Steuereinheit
36 Eingang
361 erste Funktionsteileinheit
362 zweite Funktionsteileinheit
36N N-te Funktionsteileinheit
37 Fusionseinheit
38 Ausgabeeinheit
39 erste Entscheidungseinheit
41 erster Photodetektor
42 zweiter Photodetektor
43 bewegter Festkörper
47 erste Funktionsteiluntereinheit
48 zweite Funktionsteiluntereinheit
49 zweite Entscheidungseinheit
56 Zylindedinse
60 erfindungsgemäßer zweiter Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor
61 erste Breitstreifen-Laserdiode
62 zweite Breitstreifen-Laserdiode
63 Zeilenkamera
64 Zeilenkamera
65 Sendeoptik
66 Sendeoptik

Claims

Patentansprüche
1. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor (30, 60) zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper (43), bei dem auf die Oberfläche (2) des be- wegten Festkörpers (43) einstrahtbare üchtwetlen (16, 17) mindestens einer Lichtquelle (5) zur Beleuchtung der Oberfläche (2) geführt sind, und wobei zumindest eine Detektionseinhett (4) vorhanden ist, die das von der Oberfläche (2) gestreute Licht (8) registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignate der Oberfläche (2) mittels einer der Detektionseinhett (4) nachgeschalteten Auswerteeinheit (34) erfolgt, wobei Position und Tangenti- algeschwindigkeit der Oberfläche (2) und somit die resultierende 20- Oberflächenform für jeden Messfleck (101, 1 0, 14) entlang der Messlinie (32) zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Distanzsensors (7) bestimmt werden,
wobei der Laser-Doppler-Distanzsensor (7) in einem Messvoiumen (1) auf der Oberfläche (2) zwei überlagerte (nterferenzstreifensysteme (18, 19) ausbildet, wobei mindestens eines der beiden Interferenzstreifensysteme (18, 1 ) fächerförmig aufgeweitet ausgebildet ist, wobei die beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interfe- renzstreifensysteme ( 8, 19) eine Dopplerfrequenz (fi, f2) aus dem Streulicht (8) der das Messvolumen (1) durchquerenden Oberfläche (2) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die abzubildende Oberfläche
(2) des Festkörpers auf eine von den Interferenzstreifensystemen (18, 19) gebildete Messlinie (32) begrenzt ist, so dass das Streulicht (8) der Messlinie (32) über die nachgeordnete Abbildungsop k
(3) auf die Detektionseinhett (4) abgebildet wird, wobei die eingesetzte Detektionseinhett (4) mehrere zellenförmig ausgebildete oder zellenförmig zusam- mengefasste Einzelelemente (401, 410, 414) enthält, die die abgebildete Messlinie (32) als Teilstreubilder (29, 31) registrieren und mit der Auswertein- heit (34) zur Ermittlung der 3D-Form des Festkörpers (43) in Verbindung steht, wobei die 3D-Form durch eine stapelförmige Fusion der ermittelten 2D- Schnitte für die einzelnen Messflecke (101, 110, 114) bestimmt wird, und wobei die einzelnen 2D-Schnitte aus der axialen Position (z(y,t)) und der Ge- schwindigkeit (vx(y,z,t)) der einzelnen Messflecke (101 , 110, 114) der Messlinie (32) ermittelt werden, wobei
- die axiale Position (z(y,t)) aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Doppterfrequenzen (f,, f2) und einer Kalibrierungsfunktion (q(y,z)), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen (di(y,z), d2<y,z)) gebildet wird, bestimmt wird, und
- die Geschwindigkeit (v^y.z.t)) an den einzelnen Messflecken (101, 110, 11 ) der Messlinie (32} aus der ermittelten axialen Position (z(y,t)} und den Streifenabstandsfunktionen (di(y.z), dziy.z)) bestimmt wird.
Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Btldwiederholrate der Detektionseinheit(en)
(4) bezogen auf die aufgenommenen Teilstreubilder (29, 31) einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß ist, dass die beiden Dopplerfrequenzen (fi, f2) der amplitudenmodulierten Streulichtsignale gemäß dem Nyquist- Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und dass eine Reduzierung der notwendigen Abtastrate bzw. Bildwiederholrate durch optisches Mischen der Streulichtsignale zu niedrigeren Frequenzen mittels Heterodyn- technik erreichbar ist.
Laser-Doppier-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildwiederholrate die Nyquist-Frequenz unterschreitet bzw. eine Un- terabiastung vorgenommen wird, sofern die resultierenden gespiegelten Frequenzen eindeutig den realen Frequenzen zuordenbar sind.
Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messlinie (32) auf der Oberfläche (2) durch eine Längenausdehnung der Interferenzstreifensysteme (18, 19) in y-Richtung ausgebildet ist, die durch optische Mitte! (56) oder durch einen Einsatz von Lichtquellen mit ünien- förmigem Strahlprofil ausgebildet ist.
5. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optischen Mittel (56) mindestens eine Zylinderlinse und die Lichtquel- len Breitstretfen-Laserdioden (61 , 62) sind.
6. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Detektionseinheit (4) mit mehreren Einzelelementen (401 , 410, 414) eine Zeilenkamera, eine Matrixkamera oder ein Photodioden-Array ist, wobei die Einzelelemente (401 , 410, 414) Gruppen von zusammengefassten Pixeln sein können.
7. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Photodioden-Array fasergekoppelt ist.
8. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach den Ansprüchen 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektionseinheit (4) in die Sendeoptik integriert ist, so dass eine De- tektion des Streulichts (8) in Rückwärtsrichtung erfolgt.
9. Laser-Doppler-Unien-Distanzsensor nach Anspruch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die physikalische Unterscheidbarkeit der beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) durch Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex, Wellenlängenmultipiex oder Polarisationsmultiplex gegeben ist.
10. Laser-Doppler- Linien-Distanzsensor nach Anspruch 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtquellen (5) Dauerstrichlaser für cw-Betrieb, Kurzpulslaser für einen Pulsbetrieb für Zeitmuitiplexverfahren oder Mehrlinienlaser für Weilenlän- genmultiplexverfahren oder Breitstreifen-Laserdioden (61 , 62) für lange Linienlängen mit gleichmäßiger Ausleuchtung sind.
11. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Durchführung eines Wellenlängenmultiplexverfahrens zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt sind, deren Strahlenbündel mittels eines Strahlteilers (11) zusammengeführt und auf ein strahlteilendes Element (23) geführt sind, durch das die Strahlenbündel jeweils in zwei Teil- Strahlenbündel (16, 17) aufgespalten werden, und durch eine nachgeordnete Optik (24) die beiden Teilstrahlenbündel im Messvolumen (1) auf der Oberfläche (2) des Festkörpers (43) zur Überlagerung gebracht werden unter Ausbildung einer Messlinie (32) bestehend aus mehreren Messflecken (101, 110, 114), wobei das Streulicht (8) entweder zumindest auf eine Farbkamera oder durch einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (221) auf zwei separat angeordnete Detektionseinheiten (63, 64) geführt wird, die mit der Auswerteeinheit (34) verbunden sind.
12. Laser-Doppler-Linien-Dtstanzsensor nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Strahlteiler (11) als Strahlteilerwürfel, dtchroitischer Spiegel oder als Faserkoppler ausgeführt ist.
13. Laser-Doppter-ünien-Distanzsensor nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass das strahlteilende Element (23) ein Prisma oder ein Beugungsgitter ist.
14. Laser-Dopplef-Unien-Distanzsensor nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Optik (24) als mittets Linsen als Teleskop oder ganz oder teilweise faseroptisch ausgeführt ist.
15. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
dass vor den Detektionseinheiten (63, 64} Spektralfilter angeordnet sind.
16. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach den Ansprüchen 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass für ein Zeitmultiplexverfahren als Laser (5) ein Pulslaser eingesetzt ist, der mit faseroptischen Verzögerungsspulen (12, 13) die beiden Interferenzsteifensysteme (18, 9) erzeugt.
17. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass er enthält
o den Pulslaser (5) zur Aussendung von mindestens jeweils zwei hintereinander ausgesendeten Lichtpulsen,
o einen Strahlteiler (11) zur Erzeugung von zwei optischen Pfaden (27, 28) mit jeweils einer Verzögerungsspule, wobei der erste Pfad (27) zur Erzeugung des ersten fnterferenzstreifenmusters
(18) und der zweite Pfad (28) zur Erzeugung des zweiten Interferenzstreifenmusters (19) dient, wobei der eine Pfad (28) gegenüber dem anderen Pfad (27) oder umgekehrt eine optische Verzögerungsstrecke aufweist,
o einen Strahtteiler (22) zur Zusammenführung der beiden optischen Pfade (27, 28),
o ein dem Strahlteiler (22) nachgeordnetes Gitter (23) zur Erzeugung eines ersten Strahlenbündels (16) mit einer +1. -Beugungsordnung (25) und eines zweiten Strahlenbündels (17) mit einer -1.-Beugungsordnung (26),
o ein Kepler-Teteskop (24) zur Überschneidung der Strahlenbündel ( 6, 17) zu sich überlagerten Interferenzstreifensystemen (18, 19) o eine dem Strahlteiler (22) nachgeordnete Zyünderlmse (56) zur Ausbildung einer Messlinie (32),
o eine Abbildungsoptik (3) zur Erzeugung von Teilsireubildern (29, 31) der Messlinie (32), eine Kamera (4) mit zellenförmig angeordneten Einzelelementen auf der Aufnahmefläche zur Detektion der auf die Aufnahmefläche abgebildeten Teilstreubilder (29, 31),
eine Auswerteeinheit (34), die mit der Kamera (4) in Verbindung steht und die Teilstreubilder (29, 31) auf den Einzelelementen (401 , 410, 414) auswertet, und
eine zur Auswerteeinheit (34) gehörende Steuereinheit (35), die mit der Kamera (4) und der Lichtquelle (5) in Verbindung steht und die Pulsrate der Lichtquelle (5) der Bildrate der Kamera (4) übereinstimmend zueinander anpasst. 8. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dem Strahlteiler (11) nachgeordnete erste optische Pfad (27) aus ei- ner faseroptischen Verzögerungsspule (14) und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie aus einer ersten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteiler (22) angeordneten Optik (20) besteht.
19. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass der dem Strahlteiler (11) nachgeordnete zweite optische Pfad (26) aus einer längeren, eine optische Verzögerungsstrecke gegenüber der faseroptischen Verzögerungsspule (14) aufweisende faseroptische Verzögerungsspule (15) und einem Einkoppler und einem Auskoppler sowie aus einer zweiten zwischen dem Auskoppler und dem Strahlteiler (22) angeordneten Optik (21) besteht.
20. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach den Ansprüchen 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Putsiaser (5) ein Lichtmodulator (6) als Pulspicker zur Anpassung der Pulsrate des Pulslasers (5) an die Bildrate der Kamera (4) angeordnet ist.
21. Laser-Doppler-Linien-Distanzsensor nach den Ansprüchen 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Pfad (27) anstelle der nachgeordneten Faseroptik einen ersten Pufspicker in Form eines ersten Pfad-Lichtmodulators und der zweite Pfad (28) anstelle der die Verzögerungsstrecke aufweisenden Faseroptik einen zweiten Putspicker in Form eines zweiten Pfad-Lichtmodutators aufweist, wobei die Pulspicker mit der Steuereinheit (35) zur gegenseitigen Pulspicker- Abstimmung verbunden sind,
22. Laser-Doppier-Linien-Distanzsensor nach Anspruch 21 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Pulspicker unmittelbar nach dem Strahlteiler (11) installiert und zumindest mittels der Steuereinheit (35) individuell schaltbar sind.
23. Laser-Doppler- Linien-Distanzsensor nach Anspruch 1 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswerteeinheit (34) zumindest folgende Baugruppen enthält:
• eine Reihe von einzelnen Funktionsteileinheiten (361, 362, 36N) pro Pixelgruppe (401 , 410, 414) zur Verarbeitung des am Eingang (36) eintreffen- den Ausgangssignals der Detektionseinheit (4),
- eine Fusionseinheit (37), in der die aus den einzelnen Funktionsteileinheiten (361, 362, 36N) gewonnenen Einzeldaten zu einer stapeiförmigen Fusion geführt werden, aus denen die 3D-Form der Oberfläche (2) des bewegten Festkörpers (43) bestimmt wird,
- eine Ausgabeeinheit (38), die die 3D-Form zur Ausgabe bereitstellt, wobei die den Pixelgruppen (401, 410, 414) zugehörigen Funktionsteileinheiten (361, 362, 36N)
- jeweils eine erste Entscheidungseinheit (39) mit einer zu bestätigenden Eingangsvalidierung enthalten, ob Oberhaupt ein Ausgangssignal der De- tektionseinheit (4) bezogen auf die jeweilige Pixelgruppe (401, 410, 414) anliegt, und
eine erste Funktionsteiluntereinheit (47), die jeweils einer Entscheidungseinheit (39) nachgeschaltet ist, wobei in der ersten Funktionsteilunterein- heit (47) über die Dopplerfrequenzbestimmung ( j, mittels einer Kafib- rierfunktion (q(y,z)) sowie mittels Streifenabstandsfunktionen (di(y,z), d2(y,z)) eine Berechnung der Geschwindigkeit (vx(y,z,t)) und der Position (z(y,t)) für den jeweiligen der Pixetgruppe zugeordneten Messfleck (101, 110, 114) auf der Messlinie (32) durchgeführt wird, und
jeweils eine zweite Entscheidungseinheit (49), die der ersten Funktionsteiluntereinheit (47) nachgeschaltet ist und die für jeden einzelnen Messzeitpunkt entscheidet, ob physikalisch zweckmäßige Daten ermittelt worden sind, wobei nicht zweckmäßige Datenpunkte entweder weggelassen oder mittels benachbarter Datenpunkte interpoliert werden können, und eine zweite Funktionsteiluntereinheit (48)r die der zweiten Entscheidungseinheit (49) nachgeschaltet ist und die aus den ermittelten zeitaufgelösten Messdaten (z(yft)), (vx(yfz,t)) die 2D-Form in der xz-Ebene bestimmt.
24. Verfahren zur dreidimensionalen Formvermessung bewegter Festkörper (43), bei dem auf die Oberfläche (2) des bewegten Festkörpers (43) einstrahlbare Lichtwelien (16, 17) mindestens einer Lichtquelle (5) zur Beleuchtung der Oberfläche (2) geführt sind, und wobei zumindest eine Oetektionseinheit (4) vorhanden ist, die das von der Oberfläche (2) gestreute Licht (8) registriert, wobei eine Auswertung der registrierten Streulichtsignale der Oberfläche (2) mittels einer der Detektionsemheit (4) nachgeschalteten Auswerteeinheit (34) erfolgt, wobei Position und Tangentiatgeschwindigkeit der Oberfläche (2) und somit die resultierende 2D-Oberflächenform für jeden Messfleck (101, 110, 114) zumindest nach dem Prinzip eines Laser-Doppler-Distanzsensors (7) bestimmt werden,
wobei der Laser-Doppler-Distanzsensor (7) in einem Messvofumen (1) auf der Oberfläche (2) zwei überlagerte Interferenzstreifen Systeme (18, 19) ausbildet, wobei mindestens eines der beiden Interferenzstreifensysteme (18, 19) fächerförmig aufgeweitet ausgebildet ist, wobei die beiden Interferenzstreifen- Systeme (18, 19) physikalisch unterscheidbar sind und für jedes der Interferenzstreifensysteme (18, 19) eine Dopplerfrequenz (f*, f2) aus dem Streulicht (8) der das Messvolumen (1) durchquerenden Oberfläche (2) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die abzubildende Oberfläche (2) des Festkörpers auf eine von den Interferenzstreifensystemen (18, 19) gebildete Messlinte (32) begrenzt wird, so dass das Streulicht (8) der Messlinte (32) über die nachgeordnete Abbildungsoptik (3) auf die Detektionseinheit (4) abgebildet wird, wobei die einge- setzte Detektionseinheit (4) mehrere zellenförmig angeordnete oder zellenförmig zusammengefasste Einzelelemente (401, 410, 14) enthält, die die abgebildete Messlinie (32) als Tetlstreubilder (29, 31) registrieren und mit der Auswerteinheit (34) zur Ermittlung der 3D-Form des Festkörpers in Verbindung steht, wobei die 3D-Form durch eine stapeiförmige Fusion der ermittel- ten 2D-Schnitte für die einzelnen Messflecke (101, 110, 114) bestimmt wird, und wobei die einzelnen 20-Schnitte aus der axialen Position (z(y,t)) und der Geschwindigkeit (vx{y,z,t)) der einzelnen Messfiecke (101 , 110, 114) der Messlinie (32) ermittelt werden, wobei
- die axiale Position (z(y,t)) aus dem Verhältnis der beiden gemessenen Dopplerfrequenzen (fi, f2) und einer Kalibrierungsfünktion (q(y,z)), die aus dem Quotienten der Streifenabstandsfunktionen (di(y,z), d2(y,z)) gebildet wird, bestimmt wird, und
- die Geschwindigkeit {v^y.z.t)) an den einzelnen Messflecken (101, 110, 114) der Messlinie (32) aus der ermittelten axialen Position (z(y,t)) und den Streifenabstandsfunktionen (di(y,z), d2( ,z)) bestimmt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildwiederholrate der Detektionseinhett(en) (4) bezogen auf die auf- genommenen Tetlstreubilder (29, 31) einschließlich der Signalverarbeitungshardware mindestens so groß gewählt wird, dass die beiden Dopplerfrequenzen (fi, f2) der amplitudenmodulierten Streuiichtsignale gemäß dem Nyquist- Shannonschen Abtasttheorem abgetastet werden, und dass eine Reduzierung der notwendigen Abtastrate bzw. Bildwiederholrate durch optisches Mi- sehen der Streulichtsignale zu niedrigeren Frequenzen mittels Heterodyn- technik erreicht wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildwiederholrate die Nyquist-Frequenz unterschreitet und somit eine Unterabtastung vorgenommen wird, sofern die resultierenden gespiegelten Frequenzen eindeutig den realen Frequenzen zugeordnet werden.
27. Verfahren nach Anspruch 24 bis 26,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messlinie (32) auf der Oberfläche (2) durch eine Längenausdehnung der Interferenzstreifensysteme (18, 19) in y-Richtung ausgebildet wird.
28. Verfahren nach Anspruch 24 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die physikalische Unterscheidbarkeit Multipiextechniken eingesetzt werden.
29. Verfahren nach Anspruch 24 bis 28,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Durchführung eines Wellenlängenmultiplexverfahrens zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt werden, deren Strahlenbünde! mittels eines Strahlteilers (11) zusammengeführt und auf ein strahlteilendes Element (23) gefuhrt werden, durch das die Strahlenbündel jeweils in zwei Teilstrahlenbündel (16r 17) aufgespalten werden, und durch eine nachgeordnete Optik (24) die beiden Teilstrahlenbündel im Messvolumen (1) auf der Oberfläche (2) des Festkörpers (43) zur Überlagerung gebracht werden unter Ausbildung einer Messlinie (2) bestehend aus mehreren Messflecken (101 , 1 10, 114), wobei das Streulicht (8) entweder zumindest auf eine Farbkamera oder durch einen weiten längenselektiven Strahlteiier (221) auf zwei separat angeordnete Detektionseinheiten (63, 64) geführt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 24 bis 28,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Durchführung eines Zeitmultiplexverfahrens das Strahlenbündel (10) eines Pulslasers (5) mit ausreichend hoher Pulswiederholrate mit einem Strahlteiier (11) in zwei weitgehend gleichintensive Teilstrahlenbündeln aufgespaltet und die Teilstrahlenbündel in zwei einmodige Lichtwetlenleiter in Form faseroptischer Verzögerungssputen (12, 13) eingekoppelt wird, wobei eine Verzögerungsspule (13) um ein definiertes Stück länger ais die andere Verzögerungsspule (12) ist, wodurch die eine Verzögerungsspufe (13) eine optische Verzögerungsstrecke aufweist, wobei der Unterschied der Längen der beiden Verzögerungsspulen (12, 13) so bemessen wird, dass die durch die zusätzliche Spulenlänge bewirkte Zeitverzögerung ungefähr gleich der halben Puls-zu-Puls-Dauer des Lasers (5) derart entspricht, dass aus den Fa- serenden (14,15) abwechselnd im ca. gleichen Zeitabstand Laserpulse austreten, wobei jedes Teilstrahienbündel (16, 17) aus den Verzögerungsspulen (12, 3) jeweils ein Interferenzstreifensystem (18, 19) erzeugt, wobei dazu die aus den Verzögerungsspulen (12, 13) austretenden Teilstrahlenbündel (16,17) zunächst mit einer Optik (20, 21 ) koilimiert und anschließend mit ei- nem Strahlteiier (22) kollinear überlagert werden, wobei die derart überlagerten Teilstrahlenbündel (16, 17) danach auf ein Transmissions-Beugungsgitter (23) gelenkt werden, welches zur Strahlteilung dient, wobei die +i .(plus ers- te)-Beugungsordnung (25) und -1.(minus erste)-Beugungsordnung (26) mit einem Kepler-Teleskop (24) paraltelisiert und in dem Messvolumen (1) zur Überschneidung gebracht werden und wobei im Überschneidungsbereich der Teilstrahlenbündel (16, 17) sich die überlagerten fächerförmigen Interferenzstreifensysteme (18, 19) bilden, wobei die Messlinie (32) durch eine dem Strahlteiler (22) nachgeordnete Zylinderlinse (56) in ihrer Länge ausgebildet wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausbildung der Fächerform der Interferenzstreifensysteme (18, 19) durch Justage der Optiken (20, 21), die nach den Verzögerungsspulen (12, 13) in den einzelnen Pfaden (27, 28) angeordnet sind, erreicht wird.
32. Verfahren nach den Ansprüchen 30 und 31 ,
dadurch gekennzeichnet, dass für die Durchführung des Zeitmultiptexverfahrens aus den Laserpulsen abwechselnd das konvergierende Interferenzstreifensystem (18) und das divergierende Interferenzstreifensystem (19) am Ort des Messvolumens (1) erzeugt werden.
33. Verfahren nach den Ansprüchen 30 bis 32,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Falle, dass die Pulsrate des Lasers (5) deutlich größer als die Bildrate der Kamera (4) ist, nach dem Laser (5) ein Pulspicker in Form eines akustooptischen Modulators (6) oder eines elektrooptischen Modulators installiert wird, der nur Pulse zu ausgewählten Zeiten durchlässt, wobei für den Betrieb Laser (5), Detektionseinheit (4), Steuereinheit (35) und Pulspicker (6) aufeinander synchronisiert werden.
34. Verfahren nach den Ansprüchen 24 bis 33,
dadurch gekennzeichnet,
dass
- die Dopplersignale des Laser-Doppler-Distanzsensors (7) direkt mit schnellen Detektionseinheiten (4) abgetastet werden,
- eine Messung simultan an mehreren Messflecken ( 01 , 110, 114) auf der Oberfläche (2), die entlang einer Messlinie (32) angeordnet sind, vorgenommen wird, indem eine Parallelverarbeitung für die aufgenommenen Teilstreubilder (29, 31) der Messlinie (32), die an den einzelnen Pixelgruppen (401 , 410, 414) entstehen, implementiert wird,
- die 3D-Form des bewegten Festkörpers (43) beim Durchtritt durch das Messvolumen (1) im Bereich der Messlinie (32) ermittelt wird,
- das Messvoiumen (1) und die Interferenzstreifensysteme (18, 19) durch optische Mittel (56) oder durch den Einsatz von Lichtquellen mit näherungsweise linienförmigem Strahlprofit (61, 62) in y-Richtung in die Länge gezogen werden, so dass eine Messline (32) entsteht,
die Detektion des Streulichts (8) in Seitwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erfolgt, - wobei in Rückwärtsrichtung mit nur einem optischen Zugang zum Festkörper (43) dessen 3D-Form bestimmt wird.
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