WO2015014652A1 - Anordnung zur dreidimensionalen erfassung eines länglichen innenraumes - Google Patents

Anordnung zur dreidimensionalen erfassung eines länglichen innenraumes Download PDF

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WO2015014652A1
WO2015014652A1 PCT/EP2014/065623 EP2014065623W WO2015014652A1 WO 2015014652 A1 WO2015014652 A1 WO 2015014652A1 EP 2014065623 W EP2014065623 W EP 2014065623W WO 2015014652 A1 WO2015014652 A1 WO 2015014652A1
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arrangement
unit
interior
shaping unit
light
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PCT/EP2014/065623
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Martin KÖRDEL
Anton Schick
Wolfgang Heine
Patrick Wissmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/954—Inspecting the inner surface of hollow bodies, e.g. bores

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the three-dimensional detection of an elongated interior with a longitudinal axis by means of active triangulation.
  • Optical triangulation methods are used in many ways to surfaces or all of the geometrical shape of dreidi ⁇ dimensional objects without contact to be measured.
  • laser triangulation for example, is used to project a previously generated laser line onto the three-dimensional object to be measured. The reflection of the laser ⁇ line is then recorded with a camera at a fixed angle, the triangulation angle. From the geo ⁇ metric arrangement then the three-dimensional shape of the measurement object can be determined by trigonometric relationships.
  • passive and active triangulation methods are used in many ways to surfaces or all of the geometrical shape of dreidi ⁇ dimensional objects without contact to be measured.
  • laser triangulation for example, is used to project a previously generated laser line onto the three-dimensional object to be measured. The reflection of the laser ⁇ line is then recorded with a camera at a fixed angle, the triangulation angle. From the geo
  • the groove between the Steeples allows only a very limited access to the inner surfaces or to the space to be surveyed. According to the state of Technology can therefore be carried out their non-contact measurement only by means of endoscopic systems or 3D scanners.
  • a disadvantage of the systems mentioned, however, is that their measuring field has only a low optical transmission power due to its design.
  • the entire inner contour of the groove or the gap is never detected by the systems mentioned. Due to the insufficient expansion of the measurement field, the measurement deviations increase, since several individual measurements must be used for an overall measurement of the gap or the groove. In particular, in endoscopic systems thereby increase the measurement errors usually.
  • tactile measurements can also be carried out, which, however, only allow punctual measurements.
  • Object of the present invention is to provide an arrangement with a lighting unit, a detection unit and a beam forming unit, which avoids the disadvantages mentioned.
  • the object is achieved by an arrangement having the features of the independent claim 1. With regard to the method, the object is achieved by the claim 12.
  • advantageous refinements and developments of the invention are given.
  • the arrangement according to the invention for the three-dimensional detection of an elongated interior space with a longitudinal axis comprises a lighting unit for producing a structured illumination, a detection unit for recording or for acquiring an image and a beam-shaping unit.
  • Beam shaping unit is configured for converting an outgoing from the BL LEVEL ⁇ processing unit light in a fan-like light ⁇ surface. Furthermore, an image of reflected light of the light on the interior surface is returned to the detection unit by the beam shaping ⁇ unit.
  • the interior may be in particular an elongated column or groove, which is a few inches wide and for example, has a depth to width ratio that is greater than or equal to one.
  • the beam shaping unit is located inside the interior. It is particularly advantageous that through the fan-shaped sheet of light emanating from the beam shaping unit, a substantially entire inner contour of the inner space with a line of light be ⁇ is illuminated.
  • the inner contour extends in a Ebe ⁇ ne perpendicular to the longitudinal axis of the interior. It is thus projected a light line on the entire inner contour of the interior.
  • a Tiefenpro ⁇ fil the inner contour by triangulation (laser line triangulation) can be determined.
  • the merging of partial images into an image (stitching) of the entire interior contour can thus be avoided so that measurement deviations are reduced.
  • the un ⁇ dependent arrangement of the illumination unit and the detection unit in the interior is made possible by the erfindungsge ⁇ Permitted design of the beam shaping unit.
  • the beam shaping unit is formed independently of the arrangement of the illumination unit and of the detection unit for the projection of a light line and for the return of the light line reflected from the interior.
  • the beam shaping unit may comprise mirrors, prisms, lenses and / or generally diffractive optical articles.
  • Beam shaping unit within the interior in particular in a column or groove, can avoid undercuts and shading in interiors with a complex inner contour, especially in interiors with a Christmas tree profile (disc steeples), during projection and / or when recording the image. As a result, measurement deviations can be prevented. Due to the arrangement of the beam-shaping unit within an interior, an adaptation of the beam-shaping unit and thus of the triangulation to the space conditions of the interior space is also made possible. An advantage of the relocation of Beam forming unit in the interior is that there are no restrictions on the size and quality of lighting unit and detection unit.
  • the resolution of the illumination unit which is, for example, a camera, or the illuminance of the illumination unit can be optimally matched to the requirements resulting from the required accuracy of the measured values.
  • electronic components such as the camera and Lichtquel- lenelektronik, are located outside the interior, which is particularly advantageous in high temperature fluctuations of the interior and / or contamination.
  • the method allows the three-dimensional measurement ei ⁇ nes elongated interior with a longitudinal axis, in particular a column or groove by means of active triangulation.
  • the beam-shaping unit which advantageously ⁇ example located within the interior space, a line of light on an inner contour of the inner space by means of one of the projected
  • Beam shaping unit outgoing fan-shaped light surface. Furthermore, the beam forming unit performs an image of the per ⁇ ji formen light line for detecting or recording the detection unit. From the image of the projected light line, a depth profile and thus the three-dimensional structure of the inner contour is then created.
  • the beam shaping unit allows a triangulation angle in the range of 0 ° to 90 °.
  • the Strahlformungs- unit is located within the interior, in particular within ei ⁇ ner column or groove. This makes triangulation in the angular range from 0 ° to 90 ° can be achieved without modifying the Be ⁇ illumination unit and / or detection unit. The triangulation geometry can thereby be shifted into the interior, ie to the location of the measurement.
  • the arrangement comprises means for changing the triangulation angle.
  • the beam shaping unit can be adapted optimally and substantially independently of the lighting unit and the detection unit to the conditions of the interior space.
  • the beam shaping unit is designed to form a homogeneously illuminated fan-shaped light surface.
  • the inner contour of the inner space in particular the inner contour of a gap or a groove, is illuminated substantially homogeneously. This reduces the measurement errors.
  • the arrangement in particular the inner contour of a gap or a groove, is illuminated substantially homogeneously. This reduces the measurement errors.
  • the beam shaping unit comprises an optical freeform surface.
  • the free-form surface based on refraction, diffraction (DOEs), phase grating and / or mixing forms light beams of the fan-shaped light surface appropriately adjust.
  • Is the Er chargedsein ⁇ integrated as a camera it may be advantageously supported by a free-form surface, the number of per surface element of the interior or the inner contour of the available camera pixel substantially constant or increasing at selected locations and / or reduced. This significantly reduces measurement errors.
  • the free-form surface is designed to form a deep-focused image of the fan-shaped light surface reflected on the interior. This advantageously follows the focus of the detection unit of the inner contour, so that substantially the entire inner contour of the interior is shown in focus. Deviations are thereby significantly reduced.
  • the beam shaping unit comprises a field lens.
  • a field lens such as the last example ⁇ obj ekt Crue lens of a telecentric lens is disposed as close as possible in general to ver messenger- the object surface.
  • the beam shaping unit can be arranged within the interior, in particular within a gap or groove, so that an arrangement as close to the object as possible to the inner contour is made possible.
  • the optical path between the field lens and the other components of the beam-shaping unit can be diverted several times, so that a compact construction can be reali ⁇ Siert.
  • the advantages of macroscopic optics such as, for example, those of telecentric objectives, can be used for the three-dimensional measurement of an interior space.
  • the beam shaping unit comprises a rectangular field lens.
  • the field lens is adapted to the elongated shape of the interior.
  • the illumination unit is designed as a structured laser light source.
  • a laser allows the projection of a narrow, homogeneous and high-intensity laser line on the inner contour of the interior.
  • the lighting unit can identify additional beam-shaping components.
  • the detection unit is a camera whose number of pixels is greater than or equal to
  • the camera is arranged outside the interior. This allows the camera a
  • the interior space is an elongated gap or groove, along which the longitudinal axis is moved. This one image and thus a low profile of the inner ⁇ contour is obtained for each position along the traverse.
  • the partially extracted depth profiles are assembled to form a complete image of the réellerau ⁇ mes.
  • a computer support ⁇ tes assembly This results in a substantially complete three-dimensional image of the interior.
  • FIG. 3 shows a cross section perpendicular to the longitudinal axis of the groove
  • Figure 4 shows a first arrangement of the free-form surface within the
  • Figure 5 illustrates a second arrangement of the free-form surface within the groove.
  • Figure 1 shows a three-dimensional representation of the arrangement 1 for detecting or for three-dimensional measurement of an interior space 2.
  • the inner space 2 is a groove which extends along a longitudinal axis 3 and has a curved inner contour 12.
  • the dar ⁇ Asked inner contour 12 is fir-tree-like in the embodiment shown here.
  • Figure 1 includes a La ⁇ ser 4, a camera 6 and a beam shaping unit 8.
  • Laser 4 and / or camera 6 may have further beam shaping components such as lenses, lenses and / or mirrors for beam guidance.
  • the laser 4 and the camera 6 are advantageously located outside the groove 2, so that there are no geometrical restrictions on their shape.
  • the camera 6 can thereby a
  • the beam-shaping unit 8 which converts the emitted by the laser 4 Light 5 in egg ⁇ ne fan-like light surface 10, thereby projecting a light line 11 on the inner contour 12 of the groove 2.
  • Advantageous way of proving to the beam-shaping unit 8 is intra ⁇ half of the groove 2 and is formed prismatic. As a result, the beam-shaping unit 8 allows substantially complete illumination of the inner contour 12 of the groove 2. terhin enables the beam-shaping unit 8, a return- ⁇ tion 14 of the image of the projected laser line 11 for Kame ⁇ ra 6.
  • Figure 1 assembly 1 the beam-shaping unit 8 of the embodiment of the laser 4 and the camera 6 essentially is thus independent.
  • the beam-shaping unit can be optimally adapted to the spatial Optionally ⁇ units within the groove 2 8 without interfering with the laser 4 and / or the camera 6 in their construction.
  • a triangulation angle 24 in the range from 0 ° to 90 ° can be realized.
  • an image of the laser line 11 projected onto the inner contour 12 at one point is detected by the camera 1 by the camera 6. From the recorded images, a depth profile of the inner contour 12 can then be determined or calculated.
  • the mobility of the arrangement 1 along the longitudinal axis 3 of the groove 2 allows for each point along the longitudinal axis 3, the creation of a depth profile. Then the partial Tie ⁇ fenprofile a three-dimensional image of the entire groove 2 can be assembled.
  • FIG. 2 shows a cross-section along the longitudinal axis 3 of the groove 2.
  • the schematic arrangement shown in this exemplary embodiment again comprises the laser 4, the beam-shaping unit 8, the camera 6 and optionally further
  • FIG. 3 shows a cross section perpendicular to the longitudinal axis 3 of the groove 2. Furthermore, FIG. 3 shows the beam shaping unit 8 and its arrangement within the groove 2.
  • this embodiment has a field lens 18.
  • the field lens 18 there is the field lens 18 between the beam-shaping unit 8 and the in ⁇ inner contour 12. This may be rectangular in shape 18, the field lens, as only the area on which the laser line is projected 11 in the laser triangulation be imaged onto the image sensor of the camera 6 got to.
  • the field lens 18 there is the field lens 18 between the beam-shaping unit 8 and the in ⁇ inner contour 12. This may be rectangular in shape 18, the field lens, as only the area on which the laser line is projected 11 in the laser triangulation be imaged onto the image sensor of the camera 6 got to.
  • the field lens 18 there is the field lens 18 between the beam-shaping unit 8 and the in ⁇ inner contour 12. This may be rectangular in shape 18, the field lens, as only the area on which the laser line is projected 11 in the laser triangulation be
  • Field lens 18 adapted to the space within the groove 2. By the field lens 18 undercuts or shadowing in complex inner contours 12 can be additionally avoided, so that reduce errors
  • FIG. 4 illustrates an arrangement of a free-form surface 16 within the groove 2.
  • FIG. 4 includes a field lens 18.
  • Light rays 20 which correspond to the fan-shaped light surface 10 are guided by the free-form surface 16 in such a way that a homogenization of the pixel density per

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Abstract

Es wird eine Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsachse mittels aktiver Triangulation angegeben. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst eine Strahlformungseinheit die im Wesentlichen unabhängig von den Gestaltungen einer Beleuchtungseinheit und einer Erfassungseinheit ist und die Projektion einer Lichtlinie auf eine Innenkontur des Innenraumes ermöglicht. Zudem ermöglicht die Strahlformungseinheit die Rückführung eines Abbildes der projizierten Lichtlinie zur Erfassungseinheit.

Description

Beschreibung
Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsachse mittels aktiver Triangulation. Optische Triangulationsmethoden werden vielseitig eingesetzt um Oberflächen oder die gesamte geometrische Form von dreidi¬ mensionalen Objekten berührungsfrei zu vermessen. Nach dem Stand der Technik wird bei der Lasertriangulation beispielsweise eine vorher erzeugte Laserline auf das zu vermessende dreidimensionale Objekt projiziert. Die Reflektion der Laser¬ linie wird anschließend mit einer Kamera unter einem festen Winkel, dem Triangulationswinkel, aufgenommen. Aus der geo¬ metrischen Anordnung kann dann die dreidimensionale Form des Messobjektes durch trigonometrische Beziehungen ermittelt werden. Generell werden passive und aktive Triangulationsverfahren unterschieden. Aktive Verfahren besitzen im Gegensatz zu passiven eine strukturierte Beleuchtungseinheit, bei¬ spielsweise einen Laser oder eine Laserdiode. Eine nach dem Stand der Technik schwierige Aufgabe ist die berührungsfreie Vermessung von Spalten oder Nuten oder allgemein von stark eingeschränkten Innenräumen, die eine Breite im Bereich von wenigen Zentimeter und kleiner besitzen und deren Tiefen- zu Breitenverhältnis nahe bei eins und größer liegt. Insbesondere im Flugzeugbau treten Spalte oder Nuten mit den genannten Maßen auf. Zudem besitzen diese meistens eine komplizierte Innenkontur, so dass Abschattungen auftre¬ ten, die eine möglichst genaue Vermessung behindern. Im Flug¬ zeugbau typisch sind Nuten mit einer tannenbaumförmigen In- nenkontur, sogenannte Disc-Steeples die als Halterung von
Turbinenschaufeln dienen. Die Nut zwischen den Steeples gestattet nur einen sehr begrenzten Zugang zu den Innenflächen bzw. zu dem zu vermessenden Raumbereich. Nach dem Stand der Technik kann daher deren berührungsfreie Vermessung nur mittels endoskopischen Systemen oder 3D-Scannern ausgeführt werden. Ein Nachteil der genannten Systeme ist jedoch, dass ihr Messfeld aufgrund ihrer Bauart nur eine geringe optische Übertragungsleistung besitzt. Zudem wird nie die gesamte Innenkontur der Nut oder des Spaltes durch die genannten Systeme erfasst. Durch die unzureichende Ausdehnung des Messfeldes steigen die Messabweichungen, da mehrere Einzelmessungen zu einer Gesamtmessung des Spaltes oder der Nut herangezogen werden müssen. Insbesondere bei endoskopischen Systemen erhöhen sich dadurch in der Regel die Messabweichungen. Nach dem Stand der Technik können auch taktile Messungen durchgeführt werden, die allerdings nur punktuelle Messungen erlauben. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Anordnung mit einer Beleuchtungseinheit, einer Erfassungseinheit und einer Strahlformungseinheit anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet . Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch den Anspruch 12 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsache umfasst eine Beleuchtungseinheit zur Erzeugung einer strukturierten Beleuchtung, eine Erfassungseinheit zur Aufnahme bzw. zur Er- fassung eines Abbildes und eine Strahlformungseinheit. Die
Strahlformungseinheit ist zur Wandlung eines von der Beleuch¬ tungseinheit ausgehenden Lichtes in eine fächerartige Licht¬ fläche ausgebildet. Weiterhin wird durch die Strahlformungs¬ einheit ein Abbild von am Innenraum reflektiertem Licht der Lichtfläche zur Erfassungseinheit zurückgeführt.
Der Innenraum kann insbesondere eine länglich ausgebildete Spalte oder Nut sein, die wenige Zentimeter breit ist und beispielsweise ein Tiefen- zu Breitenverhältnis aufweist, das größer gleich eins ist. Vorteilhafterweise befindet sich die Strahlformungseinheit innerhalb des Innenraumes. Besonders vorteilhaft ist, dass durch die fächerartige Lichtfläche, die von der Strahlformungseinheit ausgeht, im Wesentlichen eine gesamte Innenkontur des Innenraumes mit einer Lichtlinie be¬ leuchtet wird. Hierbei verläuft die Innenkontur in einer Ebe¬ ne senkrecht zur Längsachse des Innenraumes. Es wird somit eine Lichtlinie auf die gesamte Innenkontur des Innenraumes projiziert. Dadurch kann mittels genau eines Abbildes der
Lichtlinie, das die Erfassungseinheit erfasst, ein Tiefenpro¬ fil der Innenkontur durch Triangulation (Laser-Line-Triangulation) ermittelt werden. Das Zusammenführen von partiellen Abbildern zu einem Abbild (Stitching) der gesamten Innenkon- tur kann dadurch vermieden werden, so dass sich Messabweichungen reduzieren.
Die von der Beleuchtungseinheit und der Erfassungseinheit un¬ abhängige Anordnung im Innenraum wird durch die erfindungsge¬ mäße Ausbildung der Strahlformungseinheit ermöglicht. Die Strahlformungseinheit ist unabhängig von der Anordnung der Beleuchtungseinheit und der Erfassungseinheit zur Projektion einer Lichtlinie und zur Rückführung der vom Innenraum reflektierten Lichtlinie ausgebildet. Die Strahlformungseinheit kann Spiegel, Prismen, Linsen und/oder allgemein diffraktive optische Gegenstände umfassen. Durch die Anordnung der
Strahlformungseinheit innerhalb des Innenraumes, insbesondere in einer Spalte oder Nut, lassen sich Hinterschneidungen und Abschattungen bei Innenräumen mit einer komplexen Innenkontur, insbesondere bei Innenräumen mit einem Tannenbaumprofil (Disc-Steeples) , bei der Projektion und/oder bei der Aufnahme des Abbildes vermeiden. Hierdurch können Messabweichungen verhindert werden. Durch die Anordnung der Strahlformungseinheit innerhalb eines Innenraumes wird zudem eine Anpassung der Strahlformungseinheit und somit der Triangulation an die Platzverhältnisse des Innenraumes ermöglicht. Ein Vorteil der Verlagerung der Strahlformungseinheit in den Innenraum ist, dass keinerlei Einschränkungen in der Baugröße und der Qualität von Beleuchtungseinheit und von Erfassungseinheit existieren. So kann vorteilhafterweise die Auflösung der Beleuchtungseinheit, die beispielsweise eine Kamera ist, oder die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinheit optimal auf die Erfordernisse, die sich aus der geforderten Genauigkeit der Messwerte ergeben abgestimmt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass elektronische Komponenten, beispielsweise die Kamera- und Lichtquel- lenelektronik, sich außerhalb des Innenraumes befinden, was besonderes bei hohen Temperaturschwankungen des Innenraumes und/oder Verschmutzungen von Vorteil ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur dreidimensionalen Er- fassung eines länglichen Innenraumes mit einer Längsachse mittels aktiver Triangulation werden die folgenden Schritte durchgeführt :
Projektion einer Lichtlinie auf eine gesamte Innenkontur ei- nes Innenraumes mittels einer von einer Strahlformungseinheit ausgehenden fächerartigen Lichtfläche;
Aufnahme eines durch die Strahlformungseinheit rückgeführten Abbildes der projizierten Lichtlinie mittels der Erfassungs- einheit;
Erstellung eines Tiefenprofils der Innenkontur aus dem Abbild. Das Verfahren ermöglicht die dreidimensionale Vermessung ei¬ nes länglichen Innenraumes mit einer Längsachse, insbesondere einer Spalte oder Nut mittels aktiver Triangulation. Hierbei projiziert die Strahlformungseinheit, die sich vorteilhafter¬ weise innerhalb des Innenraumes befindet, eine Lichtlinie auf eine Innenkontur des Innenraumes mittels einer von der
Strahlformungseinheit ausgehenden fächerartigen Lichtfläche. Weiterhin führt die Strahlformungseinheit ein Abbild der pro¬ jizierten Lichtlinie zur Erfassung bzw. Aufnahme zur Erfassungseinheit. Aus dem Abbild der projizierten Lichtlinie wird anschließend ein Tiefenprofil und somit die dreidimensionale Struktur der Innenkontur erstellt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ermöglicht die Strahlformungseinheit einen Triangulationswinkel im Bereich von 0° bis 90°. Zweckmäßigerweise befindet sich die Strahlformungs- einheit innerhalb des Innenraumes, insbesondere innerhalb ei¬ ner Spalte oder Nut. Hierdurch können Triangulationswinkel im Winkelbereich von 0° bis 90° erreicht werden, ohne die Be¬ leuchtungseinheit und/oder Erfassungseinheit zu modifizieren. Die Triangulationsgeometrie kann dadurch in den Innenraum, also an den Ort der Messung, verlagert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Anordnung Mittel zur Änderung des Triangulationswinkels. Dadurch kann die Strahlformungseinheit an die Gegebenheiten des Innenrau- mes optimal und im Wesentlichen unabhängig von der Beleuchtungseinheit und der Erfassungseinheit angepasst sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Strahlformungseinheit zur Formung einer homogen ausgeleuchteten fächerarti- gen Lichtfläche ausgebildet. Dadurch wird die Innenkontur des Innenraumes, insbesondere die Innenkontur eines Spaltes oder einer Nut, im Wesentlichen homogen ausgeleuchtet. Hierdurch werden die Messabweichungen verringert. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Anordnung
Mittel zum Verfahren der Anordnung entlang der Längsachse des Innenraumes auf. Hierdurch wird für jede Position entlang der Längsachse ein Abbild und somit ein Tiefenprofil der Innen¬ kontur mittels Triangulation gewonnen. Dadurch wird eine ge- samte Triangulation des länglichen Innenraumes, insbesondere eines Spaltes oder einer Nut ermöglicht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Strahlformungseinheit eine optische Freiformfläche. Hierbei kann die Freiformfläche auf Grundlage von Brechung, Beugung (DOEs) , Phasengitter und/oder Mischformen Lichtstrahlen der fächerar- tigen Lichtfläche zweckmäßig anpassen. Ist die Erfassungsein¬ heit beispielsweise eine Kamera, so kann vorteilhafterweise durch eine Freiformfläche die Zahl der pro Flächenelement des Innenraumes bzw. der Innenkontur zur Verfügung stehenden Kamerapixel im Wesentlichen konstant gehalten oder an ausge- wählten Stellen gesteigert und/oder verringert werden. Dadurch verringern sich Messabweichungen signifikant.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Freiformfläche zur Formung eines tiefenscharfen Abbildes der am Innenraum reflektierten fächerartigen Lichtfläche ausgebildet. Dadurch folgt vorteilhafterweise der Fokus der Erfassungseinheit der Innenkontur, so dass im Wesentlichen die gesamte Innenkontur des Innenraumes scharf abgebildet wird. Messabweichungen wer¬ den dadurch signifikant reduziert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Strahlformungseinheit eine Feldlinse. Eine Feldlinse, wie beispiels¬ weise die letzte obj ektseitige Linse eines telezentrischen Objektivs, wird im Allgemeinen möglichst nahe zur vermessen- den Objektoberfläche angeordnet. Vorteilhafterweise kann die Strahlformungseinheit innerhalb des Innenraumes, insbesondere innerhalb einer Spalte oder Nut angeordnet sein, so dass eine möglichst objektnahe Anordnung zur Innenkontur ermöglicht wird. Weiterhin kann der Strahlengang zwischen der Feldlinse und den weiteren Komponenten der Strahlformungseinheit mehrfach umgelenkt werden, so dass eine kompakte Bauform reali¬ siert werden kann. Dadurch lassen sich die Vorteile einer makroskopischen Optik, wie beispielsweise solche von tele¬ zentrischen Objektiven, zur dreidimensionalen Vermessung ei- nes Innenraumes nutzen. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Strahlformungseinheit eine rechteckförmige Feldlinse. Dadurch ist die Feldlinse an die längliche Form des Innenraumes angepasst. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Beleuchtungseinheit als eine strukturierte Laserlichtquelle ausgebildet. Vorteilhafterweise ermöglicht ein Laser die Projektion einer schmalen, homogenen und intensitätsstarken Laserlinie auf die Innenkontur des Innenraumes. Hierbei kann die Beleuchtungs- einheit zusätzliche strahlformende Komponenten ausweisen.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Erfassungseinheit eine Kamera, deren Anzahl der Bildpunkte größer gleich
1920x1080 ist. Vorteilhafterweise ist die Kamera außerhalb des Innenraumes angeordnet. Dadurch kann die Kamera einen
Bildsensor mit einer großen Anzahl von Bildpixel aufweisen. Hierdurch wird die gesamte Innenkontur in einer Aufnahme mit einer hohen Auflösung erfasst, so dass sich Messabweichungen reduzieren .
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei dem Verfahren die erfindungsgemäße Anordnung entlang der Längsachse des In¬ nenraumes verfahren. Insbesondere ist der Innenraum eine längliche Spalte oder Nut, entlang dessen Längsachse verfah- ren wird. Dadurch wird für jede einzelne Position entlang des Verfahrwegs ein Abbild und somit ein Tiefenprofil der Innen¬ kontur gewonnen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden die partiell gewonnen Tiefenprofile zu einem gesamten Abbild des Innenrau¬ mes zusammengesetzt. Vorteilhaft ist ein computerunterstütz¬ tes Zusammensetzen. Dadurch ergibt sich ein im Wesentlichen vollständiges dreidimensionales Abbild des Innenraumes. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von fünf bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angehängte Zeichnung beschrieben, in der Figur 1 eine dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemä¬ ßen Anordnung zeigt zur Erfassung einer Nut mit einer tannenbaumartigen Innenkontur, Figur 2 eine seitliche schematische Ansicht entlang einer
Längsachse der Nut zeigt,
Figur 3 einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse der Nut zeigt,
Figur 4 eine erste Anordnung der Freiformfläche innerhalb der
Nut darstellt,
Figur 5 eine zweite Anordnung der Freiformfläche innerhalb der Nut verdeutlicht.
Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Anordnung 1 zur Erfassung bzw. zur dreidimensionalen Vermessung eines Innenraumes 2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der In- nenraum 2 eine Nut die sich entlang einer Längsachse 3 erstreckt und eine gekrümmte Innenkontur 12 aufweist. Die dar¬ gestellte Innenkontur 12 ist im hier gezeigten Ausführungsbeispiel tannenbaumartig. Weiterhin umfasst Figur 1 einen La¬ ser 4, eine Kamera 6 und eine Strahlformungseinheit 8. Laser 4 und/oder Kamera 6 können weitere Strahlformungskomponenten wie beispielsweise Linsen, Objektive und/oder Spiegel zur Strahlführung aufweisen. Hierbei befindet sich der Laser 4 und die Kamera 6 vorteilhafterweise außerhalb der Nut 2, so dass keine geometrischen Einschränkungen für deren Form vor- handen sind. Insbesondere kann die Kamera 6 dadurch einen
Bildsensor mit einer hohen Auflösung umfassen. Die Strahlformungseinheit 8, die das vom Laser 4 ausgehende Licht 5 in ei¬ ne fächerartige Lichtfläche 10 wandelt, projiziert dadurch eine Lichtlinie 11 auf die Innenkontur 12 der Nut 2. Vorteil- hafterweise befindet sich die Strahlformungseinheit 8 inner¬ halb der Nut 2 und ist prismenförmig ausgebildet. Dadurch ermöglicht die Strahlformungseinheit 8, die im Wesentlichen vollständige Ausleuchtung der Innenkontur 12 der Nut 2. Wei- terhin ermöglicht die Strahlformungseinheit 8 eine Rückfüh¬ rung 14 des Abbildes der projizierten Laserlinie 11 zur Kame¬ ra 6. Durch die in Figur 1 gezeigte Anordnung 1 ist somit die Strahlformungseinheit 8 von der Ausführung des Lasers 4 und der Kamera 6 im Wesentlichen unabhängig. Dadurch kann die Strahlformungseinheit 8 optimal auf die räumlichen Gegeben¬ heiten innerhalb der Nut 2 angepasst werden, ohne den Laser 4 und/oder die Kamera 6 in ihrer Bauweise einzuschränken. Vorteilhafterweise kann durch die zweckmäßige Anordnung inner- halb der Nut 2 ein Triangulationswinkel 24 im Bereich von 0° bis 90° realisiert werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird durch die Anordnung 1 ein Abbild der an einer Stelle auf die Innenkontur 12 proji- zierten Laserlinie 11 durch die Kamera 6 erfasst. Aus den er- fassten Abbildern kann dann ein Tiefenprofil der Innenkontur 12 ermittelt bzw. berechnet werden. Die Verfahrbarkeit der Anordnung 1 längs der Längsachse 3 der Nut 2 ermöglicht für jede Stelle entlang der Längsachse 3 die Erstellung eines Tiefenprofils. Anschließend lassen sich die partiellen Tie¬ fenprofile zu einem dreidimensionalen Abbild der gesamten Nut 2 zusammensetzen.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt längs der Längsachse 3 der Nut 2. Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte schemati¬ sche Anordnung umfasst wiederum den Laser 4, die Strahlformungseinheit 8, die Kamera 6 und gegebenenfalls weitere
Strahlformungskomponenten bzw. Strahlführungskomponenten 22. Wie in Figur 1 beschrieben befindet sich die Strahlformungs- einheit 8 innerhalb der Nut 2. Der Laser 4 und die Kamera 6 befinden sich außerhalb der Nut 2. Hieraus ergeben sich die gleichen Vorteile wie bereits in Figur 1. Die Strahlformungs¬ einheit 8 projiziert eine Laserline 11 auf eine in dieser Darstellung nicht sichtbare Innenkontur 12. Anschließend führt die Strahlformungseinheit 8 ein Abbild der projizierten Laserline 11 zur Kamera 6 zur Auswertung zurück. Figur 3 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse 3 der Nut 2. Weiterhin zeigt Figur 3 die Strahlformungseinheit 8 und deren Anordnung innerhalb der Nut 2. Zusätzlich zu den Elementen der Figuren 1, 2 weist dieses Ausführungsbeispiel eine Feldlinse 18 auf. Vorteilhafterweise befindet sich die Feldlinse 18 zwischen der Strahlformungseinheit 8 und der In¬ nenkontur 12. Hierbei kann die Feldlinse 18 rechteckförmig ausgebildet sein, da bei der Lasertriangulation nur der Bereich auf den die Laserlinie 11 projiziert wird auf den Bild- sensor der Kamera 6 abgebildet werden muss. Zudem ist die
Feldlinse 18 so an die Platzverhältnisse innerhalb der Nut 2 angepasst. Durch die Feldlinse 18 können Hinterschneidungen bzw. Abschattungen bei komplexen Innenkonturen 12 zusätzlich vermieden werden, so dass sich Messabweichungen verringern
Figur 4 veranschaulicht eine Anordnung einer Freiformfläche 16 innerhalb der Nut 2. Zudem umfasst Figur 4 eine Feldlinse 18. Lichtstrahlen 20 die zur fächerartigen Lichtfläche 10 korrespondieren werden durch die Freiformfläche 16 so ge- führt, dass sich eine Homogenisierung der Pixeldichte pro
Flächenelement ergibt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ge¬ lingt die Führung der Lichtstrahlen 20 durch die Freiformfläche 16 mittels Brechung. Figur 5 zeigt die gleichen Elemente wie Figur 4. Die Frei¬ formfläche 16 bricht nun die Lichtstrahlen 20 so, dass ein Fokus 26 stets entlang der Innenkontur 12 verläuft. Dadurch wird die Innenkontur unabhängig von ihrem Tiefenverlauf stets scharf abgebildet. So können Messabweichungen signifikant re- duziert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (1) zur dreidimensionalen Erfassung eines länglichen Innenraumes (2) mit einer Längsachse (3) mittels akti- ver Triangulation, umfassend eine Beleuchtungseinheit (4), eine Erfassungseinheit (6) und eine Strahlformungseinheit (8), dadurch gekennzeichnet, dass
die Strahlformungseinheit (8) so ausgebildet ist und zur Be¬ leuchtungseinheit (4) angeordnet ist, dass
ein von der Beleuchtungseinheit (4) ausgehendes Licht (5) in eine von der Strahlformungseinheit (8) ausgehende fächerarti¬ ge Lichtfläche (10) gewandelt wird;
ein Abbild von am Innenraum (2) reflektiertem Licht (14) der Lichtfläche (10) zur Erfassungseinheit (6) mittels der
Strahlformungseinheit (8) zurückgeführt wird.
2. Anordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (8) zur Formung der fächerar¬ tigen Lichtfläche (10) ausgebildet ist, so dass ein Triangu- lationswinkel (24) zwischen der auf dem Innenraum auftreffenden und der am Innenraum reflektierten fächerartigen Lichtfläche (10, 14) im Bereich von 0° bis 90° liegt.
3. Anordnung (1) gemäß Anspruch 2 mit Mitteln zur Änderung des Triangulationswinkels (24).
4. Anordnung (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (8) zur Formung einer homogen ausgeleuchteten fächerartigen Lichtflä- che (10) ausgebildet ist.
5. Anordnung (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche mit Mitteln zum Verfahren der Anordnung (1) entlang der Längsachse (3) des Innenraumes (2) .
6. Anordnung (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (8) eine optische Freiformfläche (16) umfasst.
7. Anordnung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiformfläche (16) zur Formung eines tiefenscharfen Abbildes der am Innenraum (2) reflektieren fächerartigen Lichtfläche (14) ausgebildet ist.
8. Anordnung (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinheit (8) we¬ nigstens eine Linse (18) umfasst, die als Feldlinse ausgebil- det ist.
9. Anordnung (1) gemäß Anspruch 8, mit einer rechteckförmi- gen, insbesondere länglich ausgebildeten Feldlinse (18).
10. Anordnung (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (4) eine strukturierte Laserlichtquelle ist.
11. Anordnung (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (6) eine
Kamera ist, wobei die Anzahl der Bildpunkte größer gleich 1920x1080 ist.
12. Verfahren zur dreidimensionalen Erfassung eines längli- chen Innenraumes (2) mit einer Längsachse (3), bei dem insbe¬ sondere eine Anordnung (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche verwendet wird und das wenigstens die folgenden
Schritte aufweist:
Projektion einer Lichtlinie (11) auf eine gesamte Innenkontur (12) eines Innenraumes (2) mittels einer von einer Strahlformungseinheit (8) ausgehenden fächerartigen Lichtfläche (10); Aufnahme eines durch die Strahlformungseinheit (8) rückge¬ führten Abbildes der projizierten Lichtlinie (11) mittels der Erfassungseinheit (6);
Erstellung eines Tiefenprofils der Innenkontur (12) aus dem Abbild.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die erfindungsgemäße Anordnung (1) entlang einer Längsachse (3) des Innenraumes (2) verfahren wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die einzelnen Tiefenprofile zu einem gesamten Abbild des Innenraumes (2) zu¬ sammengefügt werden.
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